6. A  mágneses tér

Anyagok mágneses tulajdonsága

Mágneses tulajdonságok szempontjából a legismertebb anyag a vas, hasonló tulajdonságokkal rendelkezik a Ni és Co. A jelenség a ferromágnesség. Diamágnesesnek olyan anyagokat nevezünk, amelyeket a mágneses pólus taszít. A legerősebb diamágneses tulajdonságokkal a bizmut rendelkezik. Azokat az anyagokat, amelyeket a  mágneses pólus vonz, paramágneses anyagoknak nevezzük (például az aluminium).

A mágneses tér a mágnest alkotó atomok egyes elektronjainak orbitális és spin mozgásából keletkezik. Ez a mozgás az elektromos árammal egyenértékü, mivel az áram, a definiciója szerint a töltések mozgása.

Diamágneses anyagokban az atomoknak nincs állandó mágneses momentumuk, az elektronspinek és pályamozgások lerontják egymás hatását, az eredő momentum nulla. Az atomban indukálódó áramok olyan irányúak, hogy a térerősség növekedését csökkentsék, ezért a diamágneses anyagokat a mágneses pólus taszítja.

Paramágneses anyagokban az állandó mágneses momentum nem nulla, a mágneses térben a momentumok párhuzamosan rendeződnek, az indukált mágneses tér a meglévő mágneses indukciót növeli. A paramágneses anyagokat a mágneses pólus vonzza.

Ferromágneses anyagokban, például a vasban az összes elektromos dipólust párhuzamosra állítják a közöttük ható elektromos erők. A mágneses momentumok eredő hatása a para illetve diagmágneses jelenségnél sokkal erősebb. 

A Földi mágneses tér

A mágnesség jelenségét már az ókortól ismeri az ember. Felfüggesztett mágnesek (ferromágneses anyagok, például a magnetit, a ter,ésvas) a Föld egy adott helyén egy adott időpontban azonosan igyekeznek beállni. Ez a helyzet a Földön pontról pontra változik.

A jelenség oka a Föld mágneses tere. Ma már közismert, hogy a mágnesség és az elektromosság egymástól elválaszthatatlan jelenségcsoportok, ugyanazon anyagi tulajdonság különböző arcai. A hagyományok miatt a mégis a Föld mágneses teréről beszélünk, elektromos tulajdonságairól kevésbé.

A Földi mágneses tér - magnetoszféra - aszimmetrikus, a Naptól távoli oldalon hosszan elnyúló csóvában végződik. Az alábbi diagram ábrázolja a magnetoszféra alakját, a koordinátarendszer origójában a Föld van, a vízszintes tengely beosztását a Földsugár többszörösei adják.

Bár a Föld mágneses teréről részletes információkkal rendelkezünk, eredetéről még ma sincs általánosan elfogadott magyarázat.

Mágneses teret elektromos áram hoz létre. I erősségű áram egy végtelennek tekintett vezetőben 2I/r intenzitású teret hoz létre, ahol r a P illetve a vezető közötti legrövidebb távolság. A tér a kábelre merőleges síkban fekszik, és érintője a kábel köré rajzolt körnek.

A mágneses tér a létrejövő erő nagyságával mérhető. Például két párhuzamos kábel egymástól r távolságban, I áramerősséget szállítva azonos irányban egymást 2I²/r erővel vonzza a kábel egységnyi hosszára vetítve - taszítják egymást, ha az áram iránya a két vezetőben ellentétes.

Egy vezetőben/mágneses "töltéssel" rendelkező anyagban  mindig két pólus keletkezik - dipol jön létre. Konvenció szerint a kompasz észak felé mutató vége a pozitiv vége egy dipolnak. A "töltések" mindig párban vannak, az eredő mágneses töltés mindig zéro.

A Föld mágneses tere egyetlen dipól mágneses terével helyettesíthető.

Akár a gravitációt, a mágnességet is jellemezni lehet un. magnetosztatikus potenciál felülettel:

                                                                            H = - grad W

W a koordináták függvénye, és a gravitációs potenciálhoz hasonló felület. A földi mágneses tér összetevőinek részletes elemzése azt mutatja, hogy a tér túlnyomórészt olyan komponensekből épül fel, amelyek a Földi sugárirányban a középponttól kifelé haladva csökkennek. Elhanyagolható az a komponens amelynek eredete a Földön kivüli forrással magyarázható (pl az ionoszféra mágneses hatása).

A Föld mágneses tere

A mágneses pólusok nem egyeznek meg a földrajzi pólusokkal, azaz a forgástengely felszini döféspontjaival. jelenleg a pólusok helyzete 72N 102W és 68S 146W.  A mágneses egyenlítő sem egyezik meg a földrajzi egyenlítővel, hanem attól eltérő, attól délre illetv északra halad.

Bármely ponton a földi mágneses teret három vektor komponens, és két szög (a deklináció és az inklináció) jellemzi. Az inklináció O fok  a mágneses egyenlitőn és 90 fok a pólusokon. A deklináció időben és helytől függően változó. Mértékét egy-egy adott helyre és időpontra vonatkoztatva a topográfiai térképeken mindig feltüntetik.

A mágneses tér erősségét az alábbi összefüggés adja:

ahol Po a pólus térerősség, r a távolság, m a permeabilitásra jellemző állandó (értéke a levegőben = 1). A H egysége az oersted, ami 1 din erőt jelent egységpólusra vetítve (egységpólus az a mágneses pólus, amelyek között 1 cm légréssel elválasztva 1 din erő lép fel). Az oersted helyett a geofizikai gyakorlat a gammát használja, 1 gamma = 10^-5 oersted.

A földimágnesség időbeli változásai
A mágneses tér gyorsan és regionálisan változik. A mágneses deklináció értéke Londonnál például 1580 és 1819  között 11,5E - 24,5 W között változott. Más helyeken a tér alig változott. A térintenzitás 150-200 gamma/év is lehet lokálisan. Ez a napi 15-20 gammás ingadozásokon túl van. Vannak még napfolt jelenségeknek tulajdonitható 1000 gamma térerő változást is okozó mágneses viharok.
Az első térerő intenzitás méréseket 1830-ban Gauss végezte. Azóta a dipol momentum 6-7 5-kal csökkent. Paleomágneses mérések szerint a térerő a jelenleginek 1,5-szerese volt 1500 évvel ezelőtt, viszont a jelenleginek a fele volt 5500 évvel ezelőtt, s pólusváltások is bekövetkeznek.

A földi mágneses tér eredete
A kéreg kőzetei csak gyengén mágnesesek, s csupán helyi anomáliákat okozhatnak. Nem lehet származtatni a mágnességet a köpenyből, a mag külső övéből (mivel magas hőmérsékletű és folyadék), s belső övéből (mivel 4000-5000 C hőmérsékletű) sem. Feltételezhető, hogy a mágnesség forrása a Föld magjában létrejövő elektromos áram. Áram létrejöttéhez energiára van szükség. Föld magjának megfelelő méretű vezető lecsengési ideje 10 000 - 100 000 év, azaz sokkal rövidebb, mint a keletkezés óta eltelt idő. A paleomágnesség adatokból az tudható, hogy a mágneses tér már 2.5 milliárd éve létezett. ebből az következik, hogy valami állandóan létező energiforrás táplálja az elektromos/mágneses teret.
Elektromos áram keletkezhet akor, ha két különböző anyag érintkezik két ponton különböző hőmérsékleten - ekkor elektromos áram indul, amely gyenge mágneses teret keletkeztet. A kérdés most az, hogy ez a mágnerses tér hogyan erősithető fel, pl. Földön kivüli energia forrásokkal.
Erre szolgálhat a dinamo illetve elektromotor elve. A dinamo elvnél egy vezető mozog v sebességgel egy H mágneses térben, s hoz létre  v x H áramerősséget. Ezt tovább erősitheti a konvektiv mozgásokból fakadó elektromotoros erő. Végül - A Coriolis erők indithatnak még a forgási tengelyre szimmetrikus kóbor áramokat.

Kőzetek a mágneses térben
a mágnesség számos földtani jelleg megbízható jelzője, és  a "fosszilis" mágnesség, azaz paleomágneses tulajdonságok mérésével jelentős szerkezetkutatási illetve időmérési eszközzel is rendelkezünk.

Ha a mágneses térbe mágneses anyag kerül, a felületén mágneses pólusok jönnek létre. Az indukált mágnesesség erősségét megkapjuk:

ahol H a mágneses térerő, q a mágneses tér és a mágneses anyag felületére bocsátott merőleges által bezárt szög, k pedig az anyagra jellemző konstans, szuszceptibilitás, amely lehet pozitiv (paramágneses anyagok) vagy negativ (diamágneses anyagok).
Az indukált mágnességnél a pólusok körül saját tér alakul ki, melynek erőssége:

ahol a m a szuszceptibilitással arányos. Erősen mágneses anyagok esetében az indukált mágneses tér megszünése után reziduális mágnesség marad vissza (természetes remanens mágnesség). Ez a reziduális mágnesség megszünik az un. Curie pont feletti hőmérsékleteken. A magnetit Curie pontja 600 C.

A reziduális mágnesség rögzíti a keletkezés időpontjában fennállt mágneses tér irányát. Különböző korokban a paleomágnesség iránya eltérő volt. Ezen alapulnak a paleomágnesség vizsgálatok.

A remanens mágnesség és az indukált mágnesség összeadódik és mindig egy eredő teret mérünk, melynek nagysága a külső tér szuszceptibilitással arányos része valamint a remanens mágnesség összege. Magmás kőzetekben sokszor a remanens komponens a domináns. A kőzetek szuszceptibilitása erősen változó, így a mágneses tér mérésével a kőzetváltozásokat jól közelitő paraméter sorhoz juthatunk. Az alábbi táblázatban néhány fontosabb ásvány és kőzet szuszceptiblitása látható.
 

A mágneses méréseket magnetométerekkel végzik, amelyek közül a moldern berendezések 0,02-1 gamma pontossággal képesek mérni a mágneses térerősséget. A teljes térerő (H) kb 30000 gamma az egyenlitő, és kb 70000 gamma a pólusok környékén (Magyarország területén kb 50000 gamma).

Kérdések: 

1. A mágnestű melyik vége mutat Miskolcon Szlovákia irányába? 
2. Mi a mágneses jelenség létrejöttének oka?
3. Miért függ össze a mágnesség az elektromossággal?
4. Hol van a Föld északi mágneses pólusa?
5. Mi az inklináció és a deklináció
6. Minek a vándorlását jelzi a deklináció időszakos változása?
7. Mi a különbség a paramágneses és a diamágneses jelenség között?
8. Mi a remanens mágnesség?
9. Milyen zavarok jelentkeznek a földi mágneses térben?
10. Mi okozza a földi mágneses térben jelentkező térerősségi anomáliákat?

Ajánlott weboldalak

Irodalom, ha többet akarsz tudni:

Feynman R.P., Leighton R.B., Sands, M. (1970): Mai fizika. 1-9 v. Műszaki Könyvkiadó, Budapest

Verhoogen, J., Turner, F.J., Weiss L.E., Wahrhaftig C., Fyfe W.S.(1970): The Earth. An Introduction to Physical Geology. Holt, Rinehart and Winston, Inc. New York. 748 p.