Strona głównaPytania → Jak określić bieguny magnesu?

Jak określić bieguny magnesu?

Pytanie

Pyta Dawid

Mój znajomy, doktor fizyki, polecił mi do rozwiązania zagwozdkę, która nie daje mi spać po nocach. A mianowicie, masz niepomalowany magnes sztabkowy – powiedział. Jak bez pomocy żadnych dodatkowych przyrządów określić, który biegun jest północny, a który południowy, skoro nie są w żaden sposób oznakowane? Dodał, że jeśli nie uda mi się bez żadnych pomocy, to może chociaż z użyciem papieru i opiłków żelaznych zdołam określić bieguny. Na koniec zaś skwitował całą sprawę stwierdzeniem, że umrę w nieświadomości, a ja tak nie chcę. Jak ustalić te bieguny?

Odpowiedź

Odpowiada Adam Lubos

Zagadnienie sprowadza się do sprawdzenia ustawienia magnesu względem ziemskiego pola magnetycznego. Można to zrobić zawieszając magnes na nitce lub ustawiając go na pływającej swobodnie podstawce. Igła kompasu ustawia się przecież zgodnie z liniami sił pola magnetycznego. Bieguny magnesów oraz igieł? magnetycznych maluje się na następujące kolory: biegun północny na niebiesko, a południowy na czerwono. Ziemskie bieguny magnetyczne znajdują się w miejscu, w którym powierzchnię naszej planety przecina oś symetrii pola magnetycznego Ziemi. Oś obrotu Ziemi (punkty jej przecięcia z powierzchnią planety to bieguny geograficzne) tworzy z linią łączącą bieguny magnetyczne kąt około 11,3 stopnia. Oznacza to, że pojęcie bieguna geograficznego nie jest tożsame z pojęciem bieguna magnetycznego. Bieguny geograficzne bowiem, są to punkty najbardziej odległe od równika. Charakterystyczne dla nich jest to, że zbiegają się w nich wszystkie południki. Położenie biegunów magnetycznych Ziemi nie jest stałe. Przesuwają się one po powierzchni Ziemi z prędkością około 15km na rok. Wędrówkę północnego bieguna magnetycznego na przestrzeni ostatnich 400 lat możemy zobaczyć na rysunku pod adresem http://gsc.nrcan.gc.ca/geomag/nmp/long_mvt_nmp2_e.php. Zwróćmy uwagę na fakt, że północ magnetyczną Ziemi wskaże nam niebieski koniec igły kompasu, a więc północny koniec igły magnetycznej. Jeżeli weźmiemy pod uwagę zasadę, że bieguny jednoimienne odpychają się, a różnoimienne przyciągają, zauważamy tu pewną sprzeczność. W celu pełnego obrazu należy dodać, że bieguny ziemskiego pola magnetycznego zamieniają się miejscami co pewien okres czasu ? tzn. ziemski południowy biegun magnetyczny przechodzi na miejsce północnego i odwrotnie. Na przestrzeni historii zjawisko to zachodziło już wielokrotnie. Dowód na to naukowcy znaleźli badając skały magmowe w oparciu o magnetyzację szczątkową. Z naszej obserwacji (niebieski koniec igły magnetycznej wskazuje kierunek północny) wnioskujemy, że w rzeczywistości na północy obecnie znajduje się południowy biegun magnetyczny Ziemi. Jednak celu uniknięcia nieporozumień i ujednolicenia pojęć przyjęto, że bieguny ziemskiego pola magnetycznego określa się zgodnie z nazwami geograficznymi, tzn. biegun magnetyczny leżący na półkuli północnej nazywamy północnym, zaś na półkuli południowej ? południowym. Pomimo tego, że ze względów fizycznych powinno być odwrotnie.

Jan Gaj: O inwersji biegunów magnetycznych można też przeczytać w dziale „Ziemia”. Na temat konwencji znaku biegunów magnetycznych Ziemi proszę o komentarz eksperta.

Lech Krysiński: Rzeczywiście, ta najbardziej w geofizyce powszechna konwencja (używana dla współczesnego pola) jest zgodna z biegunami geograficznymi. I trudno się dziwić, bo ten stan pola trwa od dawna i trudno na co dzień mówić, że na północy jest biegun południowy. Pomieszanie konwencji nazywania biegunów było nieuniknione z powodu natury pola magnetycznego i źródeł dipolowych, a mówiąc dokładniej z powodu wzajemnego przyciągania się biegunów różnoimniennych. Pomieszanie to musiało się dokonać już w dawniejszych czasach, kiedy to biegun igły magnetycznej ustawiający się w kierunku północnym nazwano pochopnie biegunem północnym, zapewne dla wygody praktycznej (z punktu widzenia igły i jej użytkownika tak, jakby „północność” była właściwością końca igły, a nie własnością strony ?Wielkiego Magnesu Ziemskiego?, używając słów Williama Gilberta). Można by powiedzieć, że mówimy o północnym biegunie magnetycznym, czy geomagnetycznym Ziemi inaczej niż o północnym biegunie jej momentu dipolowego, czy magnetycznego (czyli, że byłyby to osobne pojęcia). Biegun magnetyczny to miejsce na powierzchni Ziemi, w którym pole jest pionowe (w sytuacji typowej, poza okresami odwracania) bieguny te są dwa i nie są względem siebie położone dokładnie antypodalnie, ponieważ pole magnetyczne Ziemi bynajmniej nie jest czysto dipolowe i nie ma dokładnej symetrii, ani obrotowej, ani odbiciowej. W czasie epizodów odwracania pola, jego kształt ulega znaczącym deformacjom i takich biegunów zapewne może być więcej niż dwa, ale nie jest to możliwe obecnie do udokumentowania. Biegun geomagnetyczny to z kolei miejsce przecięcia osi geocentrycznego momentu dipolowego (na przykład aktualnego) z powierzchnią Ziemi. Trzeba pamiętać przy tym, że nieosiowy dipol centralny chociaż daje się zdefiniować i wyznaczyć jednoznacznie, opisuje jedynie dominującą część kształtu pola Ziemi, a obserwowane regionalne odchylenia kierunku pola od kierunku tego dipolowego pola mają wielkość kilkunastu stopni. Dwa bieguny geomagnetyczne, wskutek swojej definicji, są wzajemnie antypodalne. Pojęcie bieguna magnetycznego (w pierwszym) sensie jest mało użyteczne w opisie morfologii pola i jest ważne bardziej dla polarników, jako nazwa miejsca nieprawidłowego działania kompasu. Natomiast pojęcie bieguna geomagnetycznego i pojęcia pokrewne (wirtualny biegun geomagnetycznybiegun paleomagnetyczny), są na co dzień używane w paleomagnetyzmie i tam pojęcia te są bardzo ważne, bo te bieguny wędrują; i jeszcze przeskakują między biegunami geograficznymi Ziemi. W literaturze wyraźnie zaznacza się konwencja, że biegun północny to ten, który obecnie (czyli w sytuacji pola „normalnego”) jest na północy i wszyscy rysują go na północy. W epoce Matuyamy (czyli poprzedniej, o polarności odwrotnej) biegun ten był na stronie południowej. W ten sposób paleomagnetyzm dyktuje tutaj pewne standardy języka i konwencji, ze względu na istotność i bogactwo sposobów użycia pojęcia. Warto zauważyć, że paleomagnetyzm nie szafuje w tym wypadku definicjami, a nawet jakby unika nadmiarowego mówienia osobno o biegunie północnym i południowym, ale po prostu przy rysowaniu obrazków paleomagnetycy rysują na mapie jeden wędrujący biegun (np. VGP) wybrany z dwóch przy takiej konwencji, że jest to ten biegun, który obecnie (w czasach historycznych) jest na północy. Dzięki takiemu adekwatnemu wyborowi standardowego nazewnictwa w paleomagnetyzmie unika się nazywania biegunów nazwami geograficznymi, aby nie powodować dodatkowego zamieszania i nie wchodzić w niepotrzebną polemikę z niezbyt trafną klasyczną konwencją historyczną. Jest tutaj jeszcze i taka dodatkowa komplikacja, że w palomagnetyzmie zwykle chodzi o wirtualny biegun geomagnetyczny, który jest jedynie reprezentacją lokalnego kierunku pola (zapisanego w resztkowym namagnesowaniu skał płyty litosferycznej). I kiedy pole ulega odwracaniu, to ten formalny biegun wędruje z jednej półkuli na drugą i to dla różnych miejsc obserwacji zwykle po różnych ścieżkach, bo pole jest wtedy bardzo niedipolowe.

Natomiast jeśli rysuje się powolną wędrówkę tego formalnego bieguna związaną z powolnym dryfem danego kontynentu, to bierze się do konstrukcji takiej krzywej kierunki pola z epok dobrze dipolowych, zarówno normalnych jak i odwrotnych i te odwrotne konwertuje się na antypodalne normalne. To ostatnie rozumienie bieguna odrywa się zatem częściowo od sprawy polarności pola, bo służy ono jedynie pewnej wygodnej reprezentacji ruchu płyty (bieguny rzeczywistego pola tutaj nie wędrują, są zawsze w pobliżu bieguna geograficznego Pn lub Pd, a wędruje jedynie płyta), ale bezwzględne polarności pola w sekwencji odwróceń musiały być znane, żeby dokonać konwersji, bo inaczej kontynent mógłby znaleźć się po drugiej stronie globu w wyniku formalnego zmienienia wszystkich polarności przy rekonstrukcji jego dryfu. I ten formalny, wędrujący biegun (zredukowany ze względu na odwrócenia pola, czyli abstrahujący od polarności pola) w czasach współczesnych (głównie trzeciorzęd i czwartorzęd) wchodzi na pozycję w pobliżu geograficznego bieguna północnego, czyli jest zdefiniowany także z poszanowaniem tej wspomnianej konwencji. Widać w tym wyborze bieguna północnego trochę europocentryzmu, ale że biegun magnetyczny północny jest na północy to naturalna reakcja językowa, jako że od wieków on tam jest. Oczywiście to nie koniecznie to samo pojęcie, co biegun momentu dipolowego, ale paradoksalnie tego ostatniego pojęcia w praktyce rzadko się używa.