Do đó, vật lý có rất nhiều công trình được ứng dụng trực tiếp trong khoa học cũng như trong đời sống con người như : Giao thông vận tải, sản xuất công nghiệp, công nghệ thông tin và truy
Trang 1Mục lục
I Từ trường trái đất là gì
1 Khái niệm
2 Phát hiện từ trường
II Từ cực của trái đất
1 Vị trí các từ cực
2 Từ cực của trái đất không đứng yên mà chuyển động không ngừng
III Bão từ
1 Khái niệm bão từ
2 Nguyên nhân gây ra bão từ
3 Quá trình hình thành
4 Ảnh hưởng của bão từ
a) Sức khỏe con người b) Kinh tế
c) Khoa học công nghệ vũ trụ d) cực quang
IV Nguồn gốc của từ trường
V Một số ứng dụng của từ trường trái đất
1 Xác định phương hướng
2 Xác định độ từ thiên
3 Xác định độ từ khuynh
4 Sự di trú của các loài vật nhờ vào từ trường
VI Tài liệu tham khảo
Trang 2Lời nói đầu
- Chúng ta đã biết vật lý là một nghành khoa học tự nhiên rất thú vị Vật lý bao gồm nhiều lĩnh vực như quang học (tán sắc , khúc xạ, phản xạ…), điện (điện trường, điện từ trường…), cơ học (lực, chuyển động, dao
động…), vật lý hạt nhân (phóng xạ ,đồng vị phóng xạ, phản ứng hạt nhân…) Ngoài ra vật lý còn có các chuyên nghành khác như : Vật lý lý thuyết, điện tử cơ sở …
- Như vậy vật lý là một mắc xích để kết nối nhiều nghành khoa học, nhiều lĩnh vực trong cuộc sống Do đó, vật lý có rất nhiều công trình được ứng dụng trực tiếp trong khoa học cũng như trong đời sống con người như : Giao thông vận tải, sản xuất công nghiệp, công nghệ thông tin và truyền thông…
- Một trong những hiện tượng vật lý ảnh hưởng lớn nhất đến cuộc sóng của con người cung như tất cả các sinh vật trên trái đất chình là từ trường trái đất Hiểu được sự quan trọng và tầm ảnh hưởng của từ trường trái đất chúng tôi đã quyết định chọn từ trường trái đất làm chủ đề tiểu luận
- Mục đích nhằm tìm hiểu thêm về sự ảnh hưởng của từ trường trái đất đến cuộc sống của con người, nguồn gốc của từ trường trái đất, sự biến thiên của từ trường, một số ứng dụng của từ trường trái đất, hậu quả của bão từ một hiện tượng liên quan đến từ trường
Trang 3I Từ trường trái đất là gì
1 Khái niệm
Từ trường trái đất là tấm chắn bảo vệ trái đất, nhưng là tấm lá chắn vô hình, nên không ai có thể nhìn thấy từ trường trái đất Song, chính cực quang lại tiết lộ cho chúng ta - những "người trần mắt thịt" - biết nó ở đâu.
2 Phát hiện từ trường
Vào năm 1600, nhà vật lí người Anh W Gilbert đã đưa ra giả thuyết Trái Đất là một nam châm khổng lồ Ông đã làm một quả cầu lớn bằng sắt nhiễm từ, gọi nó là "Trái Đất tí hon" và đặt các từ cực của nó ở các địa cực Đưa la bàn lại gần trái đất tí hon ông thấy trừ ở hai cực, còn ở mọi điểm trên quả cầu, kim la bàn đều chỉ hướng Nam Bắc Hiện nay vẫn chưa có sự giải thích chi tiết và thỏa đáng về nguồn gốc từ tính của Trái Đất
II Từ cực của trái đất
1 Vị trí các từ cực
- Điểm tập trung Bắc từ trường của Trái Đất nằm ở trên đảo của nước Canada, có tọa độ địa lí là 101 0 Kinh Tây và 760 Vĩ Bắc
- Điểm Nam từ trường thì nằm ở ngoài biển khơi Nam Băng Dương,
có tọa độ địa lí là 139 0 Kinh Đông và 650 Vĩ Nam
- Nơi đây phát sinh ra từ trường của toàn bộ Trái Đất, tất cả các lọai nam châm trên Trái Đất đều có một cực chính chỉ về hướng Bắc
Trang 42 Từ cực của trái đất không đứng yên mà chuyển động không ngừng
Sự thay đổi của từ trường
a) Từ trường trái đất ngày càng yếu đi, đó sẽ là một thảm họa
- Từ trường là tấm chắn bảo vệ cho trái đất Từ trường giảm đi thì
ngày càng có nhiều tia cực tím đến bề mặt Điều đó nghĩa là gì
thì các cơn bão mặt trời trong quá khứ đã chỉ ra: Tháng giêng
năm 1997 nó làm tê liệt một vệ tinh viễn thông trị giá 200 triệu
dollar 8 năm trước đó, nó đã làm hỏng mạng lưới điện ở
Canada
- Các nhà khoa học cho rằng còn phải tính đến sự thay đổi thời
tiết và khí hậu Những cơn giông tố có lẽ sẽ xảy ra thường
xuyên hơn và mạnh hơn Lốc xoáy, lũ lụt cùng các kỳ hạn hán
sẽ trở thành thông lệ
- Đối với một số loài động vật thì từ trường rất quan trọng vì
chúng sử dụng từ trường để định hướng Kiến, chim di cư, rùa
và cá mập có lẽ sẽ lạc hướng nếu không có từ trường
b) Nguyên nhân làm từ trường suy giảm
- Nguyên nhân từ trường giảm nằm ở trong lòng trái đất Ở đó
kim loại chảy lỏng xoay vòng quanh nhân ngoài Bằng chuyển
động cắt ngang từ trường nó tạo ra một dòng điện, dòng điện đó
cũng tạo ra một từ trường nữa Giả sử như hướng chuyển động
Trang 5đó giữ nguyên thì từ trường trước đó vẫn nguyên vẹn Nhưng do đường chuyển động của nó thường xuyên thay đổi, từ trường được tạo ra cũng thay đổi và làm giảm bớt đi từ trường có trước c) Kết quả của việc từ trương suy giảm
- Cứ khoảng 1 triệu năm thì cực từ của trái đất thay đổi Theo sự phỏng đoán của các nhà vật lý trái đất thì khi thay đổi cực, từ trường của trái đất không ổn định và phân ra làm nhiều từ trường nhỏ, bao bọc lấy trái đất khắp mọi hướng Sau đó thì từ trường sẽ ổn định trở lại nhưng theo hướng ngược lại Điều đó
có nghĩa là đường đi của từ trường sẽ không phải là từ Nam đến Bắc mà từ Bắc đến Nam
- Thực sự là địa từ trường đã yếu đi rõ ràng - một dẫn chứng cho việc cứ một triệu năm có một lần thay đổi cực Các nhà vật lý địa cầu đã tính toán rằng chậm nhất là 1.000 năm nữa thì điều
đó sẽ xảy ra
- Khoảng 41.000 năm trước, từ trường Trái đất đã một lần đảo cực toàn phần, và nếu lúc đó có la bàn, kim sẽ chỉ về hướng nam chứ không phải hướng bắc
- Các chuyên gia Helmholtz Center Potsdam - Trung tâm Nghiên cứu Địa khoa học Đức GFZ - cho biết điểm ấn tượng nhất của hiện tượng lạ lùng trên chính là tốc độ đảo cực
- Chuyên gia Norbert Nowaczyk cho biết, tình trạng đảo cực trên chỉ kéo dài đúng 440 năm, và từ trường lúc đó khi chưa đảo cực chỉ mạnh bằng ¼ từ trường như hiện nay
- Theo tính toán, hầu hết các lần đảo cực theo giai đoạn của từ trường Trái đất thường diễn ra từ 1.000 đến 10.000 năm
- Trong lần đảo cực cách đây 41.000 năm, trường địa từ yếu đến nỗi chỉ còn duy trì được khoảng 5% sức mạnh như hiện nay
- Hậu quả là Trái đất hầu như mất đi toàn bộ lá chắn trước sự dội bom liên tục của bức xạ vũ trụ, dẫn đến tình trạng các sinh vật trên Trái đất bị phơi nhiễm trước bức xạ độc hại
III BÃO TỪ
1 Khái niệm bão từ
- Các yếu tố của từ trường Trái đất ( chẳng hạn cảm ứng từ, độ từ thiên, độ từ khuynh…) có những biến đổi theo thời gian Những biến đổi này xảy ra hầu như cùng một lúc trên qui mô hành tinh gọi là BÃO TỪ (còn gọi là bão địa từ)
Trang 6+ Trong những thời kì này, kim la bàn sẽ dao động mạnh
- Có hai loại bão từ: loại yếu và loại mạnh:
+ Đa số những cơn bão từ yếu thường xảy ra trong thời gian ngắn, ngược lại có những cơn ão từ mạnh kéo dài đến hàng chục giờ, thậm chí vài ngày
+ Bão từ mạnh thường chỉ xuất hiện trong thời gian hoạt động mạnh của Mặt Trời, ảnh hưởng rất đáng kể đến liên lạc vô tuyến trên hành tinh
2 Nguyên nhân gây ra bão từ
- Mặt trời hoạt động phát ra chùm hạt tích điện gọi là chùm plasma Bão từ được gây ra do các chùm plasma khổng lồ trung hòa về điện của các hạt tích điện phát ra từ các vụ bùng nổ của sắc cầu mặt trời.Các chùm này trên đường đi tới Trái Đất sẽ bao trùm lên Trái Đất, tác động đến từ quyển Trái Đất, tạo ra hệ dòng điện tròn xung quanh Trái Đất
3 Quá trình hình thành
Các quá trình được miêu tả như sau:
a) C{c dòng hạt mang điện phóng ra từ Mặt Trời sinh ra một từ trường, có độ lớn v|o khoảng 6.10-9 tesla.
b) Từ trường n|y ép lên từ trường Tr{i Đất l|m cho từ trường nơi bị ép tăng lên.
c) Khi từ trường Tr{i Đất tăng lên, từ thông sẽ biến thiên v| sinh ra một dòng điện cảm ứng chống lại sự tăng từ trường của Tr{i Đất (theo định luật Lenz).
d) Dòng điện cảm ứng n|y có thể đạt cường độ h|ng triệu ampe chuyển động vòng quanh Tr{i Đất v| g}y ra một từ trường rất lớn t{c dụng lên từ trường Tr{i Đất.
e) Hiện tượng n|y tiếp diễn l|m cho từ trường Tr{i Đất liên tục biến thiên v| kim la b|n dao động mạnh.
Nếu hướng của từ trường trong tầng điện ly hướng về phía Bắc, giống như hướng của từ trường Tr{i Đất, bão địa từ sẽ lướt qua h|nh tinh của chúng ta Ngược lại, nếu từ trường hướng về phía Nam, ngược với hướng từ trường bảo vệ của Tr{i Đất, c{c cơn bão địa từ mạnh sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới Tr{i Đất Mặc dù khí quyển Tr{i Đất chặn được c{c dòng hạt năng lượng cao đến từ Mặt Trời n|y (gồm electron v|
proton), song c{c hạt đó l|m x{o trộn từ trường của h|nh tinh, cụ thể l| quyển từ, có thể g}y ra rối loạn trong liên lạc vô tuyến hay thậm chí g}y mất điện
Trang 7C{c vụ phun tr|o khí v| nhiễm điện từ Mặt Trời được xếp theo 3 cấp:
C l| yếu, M l| trung bình, X l| mạnh Tùy theo cấp cao hay thấp m| ảnh hưởng của nó lên từ trường Tr{i Đất g}y ra bão từ nhiều hay ít Bão từ được xếp theo cấp từ G1 đến G5, G5 l| cấp mạnh nhất Theo nhiều nghiên cứu thì hiện nay c{c cơn bão từ xuất hiện nhiều hơn v| mạnh hơn, điều n|y cho thấy rằng Mặt Trời đang ở v|o thời kỳ hoạt động rất mạnh
4 Ảnh hưởng của bão từ
a) Sức khỏe con người
- Khoa học đã chứng minh rằng các tế bào động vật có dư điện tích âm bên trong màng tế bào và có dư điện tích dương ở bên ngoài màng Điện áp giữa 2 mặt của màng tế báo là 90 mV Khi
tế bào bị kích thích hoạt động, có sự dịch chuyển của các điện tích qua màng tế bào, tạo ra một xung điện thế hoạt động Các xung điện thế này đặc biệt mạnh ở cơ tim Vì thế, khi bão từ xuất hiện, nó tác động đến các tế bào trong tim và não nên ảnh hưởng đến người huyết áp cao , bệnh nhân tim mạch và
thần kinh,gây mất ngủ, đau đầu ,gãy xương
b) Kinh tế
- Điện lực: Khi bão từ xuất hiện sẽ tạo ra dòng điện tròn xung quanh Trái Đất Dòng điện này tạo ra từ trường bổ sung vào từ trường Trái Đất, làm biến đổi rất mạnh từ trường này Khi từ trường Trái Đất tăng lên, từ thông sẽ biến thiên và sinh ra dòng điện cảm ứng hàng triệu ampe đối nghịch với dòng điện trên mặt đất, gây tê liệt hệ thống điện
- Bưu chính viễn thông: làm hỏng vệ tin truyền hình gây gián đọan cho việc truyền tín hiệu của các trạm quan sát và những vệ tinh trong quỹ đạo Trái Đất
- Hàng không: gây nhiễu sóng vô tuyến làm cho máy không thể xác định được phương hướng và liên lạc với mặt đất nên tai nạn hàng không tăng lên
- Dầu khí: vì đây là ống dẫn kim loại nên khi có bão từ, chắc chắn xuất hiện một dòng điện cảm ứng mạnh trong đường ống dẫn dầu ,dẫn khí làm cho ống bị ăn mòn và có thể thủng
c) Khoa học công nghệ vũ trụ
Trang 8- Làm cho vệ tinh truyền thông bị hư hại, tất cả mọi dữ liệu quan trọng truyền về trái đất dều bị gián đọan, làm cho họat động tại vài thành phố lớn tê liệt hoàn toàn
d) cực quang
- Một hiện tượng vô hại khác nhưng rất ấn tượng: mặt trời luôn phóng vào vũ trụ một khối lượng khổng lồ các hạt mang năng lượng, kể cả hướng trái đất Nhưng trái đất đã may mắn được từ trường bảo vệ, ngoại trừ ở cực Bắc và cực Nam Nơi đó thì tấm chắn bảo vệ có thể bị xuyên qua được Ở đây các hạt năng lượng cao của gió mặt trời có thể xâm nhập vào vùng khí quyển trên cùng và làm nó phát sáng Những dải, vòng cung hoặc băng ánh sáng xuất hiện trên trời, đó là cực quang
- Thỉnh thoảng cực quang có thể được nhìn thấy ở miền Bắc nước Đức Thông thường hơn người ta có thể quan sát cực quang ở vùng cao phía Bắc như Alaska, Canada hay Bắc Scandinavia
Cực quang ở gần cực bắc
IV Nguồn gốc của từ trường
- Năm 1940, một số nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết "Đinamô" để giải thích nguồn gốc từ trường của trái đất Theo thuyết này thì
từ trường Trái đất chủ yếu được hình thành từ các dòng đối lưu trong chất lỏng của trái đất ở độ sâu trên 3000 km Sự khác biệt
Trang 9về nhiệt độ trong chất lỏng của trái đất đã làm xuất hiện các dòng đối lưu Nếu trong nhân của trái đất có một "từ trường nguyên thuỷ" thì các dòng đối lưu trên sẽ có vai trò như một cuộn dây trong máy phát điện Dòng điện nhờ đó được hình thành và chính nó đã tạo ra từ trường cho trái đất Tuy nhiên, thuyết vẫn còn một số điểm chưa rõ ràng Trong quá trình hình thành từ trường trái đất, cần có "từ trường nguyên thuỷ", nhưng
từ trường này được hình thành từ bao giờ và bằng cách nào? Đây là một trong những tồn tại chưa giải quyết được của các ngành khoa học về Trái Đất
- Gần đây, các nhà khoa học cho rằng ngoài từ trường chính của trái đất hình thành từ lõi ngoài chiếm 98%, còn có phần từ trường với nguồn gốc bên ngoài trái đất chiếm 2%, phần từ trường này lại hay biến đổi, là phần quan trọng gây ra những tác động đối với cơ thể sống
- Từ trường xuất hiện trong lòng trái đất Nơi đó có nhân trái đất được cấu tạo chủ yếu là sắt Nhân rắn bên trong được bao bọc bởi cái vỏ bằng sắt dạng lỏng Do sức nóng từ trong nhân, kim loại sẽ chảy tràn lên bề mặt nhân, nguội đi và lại chìm xuống phía dưới Đồng thời nó chảy theo đường xoắn ốc do trái đất quay Sự chuyển động của sắt có khả năng dẫn điện sẽ làm xuất hiện một nguồn điện, tương tự như một máy phát điện khổng lồ
Và khi có dòng điện chảy thì sẽ xuất hiện từ trường
- Tóm lại, lõi Trái Đất là lò phản ứng hạt nhân tự nhiên, tạo ra nhiệt lượng sưởi ấm bề mặt trái đất Lượng nhiệt này còn khiến chúng ta quan tâm bởi một lý do nữa: nó là nguyên nhân hình thành các dòng đối lưu trong những lớp vỏ chất lỏng của Trái Đất Các dòng đối lưu này dường như là nguồn gốc từ trường của hành tinh
Trang 10Mô hình cấu trúc của trái đất
V Một số ứng dụng của từ trường trái đất
1 Xác định phương hướng
- Hai đầu của kim nam châm sẽ chỉ về từ cực bắc và từ cực nam của Trái đất Từ đó bạn có thể xác định được các phương hướng
nơi bạn đang đứng
Xác định phương hướng trên bản đồ dựa vào la bàn
2 Xác định độ từ thiên
Trang 11- Công dụng: độ từ thiên thay đổi tùy theo không gian ta đứng Nếu ta biết độ từ thiên nơi ta đứng, ta có thể xác định Bắc Nam địa lý một cách chính xác Ví dụ: ở nước ta, độ từ thiên không quá 10o nên Bắc la bàn xem như gần trùng với Bắc địa lý
- Đặt la bàn sao cho phương Bắc Nam của la bàn trùng với phương Bắc Nam địa lý Khi đó kim nam châm sẽ bị lệch khỏi phương Bắc Nam của la bàn Góc tạo bởi kim nam châm và phương Bắc Nam của la bàn là độ từ thiên
Độ từ thiên
3 Xác định độ từ khuynh
- Công dụng: Trên Trái Đất có hai nơi, tại đó trị số độ từ khuynh lớn nhất và bằng 90o Lúc đó, kim nam châm vuông góc với mặt đất Hai nơi đó là hai từ cực Đó chính là căn cứ để xác định các từ cực của Trái Đất
- Đặt la bàn vuông góc với mặt đất, ta thấy kim lệch khỏi mặt phẳng nằm ngang Góc hợp bởi kim nam châm của la bàn và mặt phẳng nằm ngang là độ từ khuynh
Trang 124 Sự di trú của các loài vật nhờ vào từ trường
- Có rất nhiều loài động vật dựa vào các cực địa từ để di trú, trong đó có ong, cá hồi, rùa, cá voi, chim di cư
- Chim di trú “nhìn thấy” từ trường Trái Đất:
+ Từ bấy lâu nay, qua các thử nghiệm hành vi, các nhà khoa học
đã biết rằng chim di trú sử dụng một loại la bàn từ trường nội tại (tức trong cơ thể) để định hướng bay Nhưng việc la bàn đó vận hành cụ thể như thế nào thì vẫn còn là một ẩn số
Giờ đây, nhà khoa học Dominik Heyers, thuộc Trường Đại học Oldenburg, Đức, và các cộng sự đã có những bằng chứng để khẳng định rằng những phân tử trong mắt chim di trú có sự liên kết với một khu vực trong não có chức năng định hướng
Cụ thể là nhóm nghiên cứu đã xác lập được mối liên hệ chức năng trực tiếp giữa các tế bào trong võng mạc và một vùng ở não trước có tên là Cluster N Theo đó, tín hiệu từ những tế bào thần kinh trong mắt nhạy cảm với hướng từ trường đã được nối với một khu vực ở não trước chịu trách nhiệm về thị giác
Nhóm nghiên cứu đã tiêm một chất đánh dấu (tracer) vào
Cluster N, trong khi một chất đánh dấu khác được tiêm vào võng mạc Chất đánh dấu này có khả năng di chuyển dọc theo các sợi thần kinh