مبادئ فيزيائية

كيف تتولد مغناطيسية الكرة الأرضية؟

كيف تتولد مغناطيسية الكرة الأرضية؟

يفقد الحديد مغناطيسيته عندما نقوم بتسخينه إلى درجة حرارة تصل إلى عدة مئات سيليزية، الا ان باطن الأرض لا يزال يحتفظ بمجاله المغناطيسي بالرغم من ان درجة الحرارة في باطن الأرض تجعل الحديد في حالته السائلة! لماذا اذا الحديد المنصهر في باطن الأرض ينتج مجالا مغناطيسيا؟

المواد الفرومغناطيسية Ferromagnetic materials

المواد الفرومغناطيسية هي تلك التي تصبح ممغنطة في وجودها في مجال مغناطيسي خارجي قوي، وتحتفظ بعزمها المغناطيسي حتى بعد زوال المجال المغناطيسي. الحديد مثال جيد على المواد الفرومغناطيسية.

كيف تتولد مغناطيسية الكرة الأرضية؟

الحديد مادة فرومغناطيسية

لتوضيح وشرح الخاصية الفرومغناطيسية للحديد بشكل مبسط، سوف نفترض ان الحديد مصنوع من عزوم مغناطيسية ذرية صغيرة حيث تشكل الذرات مغناطيسيات صغيرة كل منها يمتلك قطبين شمالي وجنوبي تماما مثل المغناطيسي العادي.

عند وضع مغناطيس بالقرب من قطعة من الحديد فان هذه العزوم المغناطيسية الصغيرة داخل قطعة الحديد سوف ترتب نفسها في اتجاه المجال المغناطيسي. هذا ما يجعل قطعة الحديد تتحول إلى مغناطيس واي جسم يتصرف بنفس الطريقة في وجود مجال مغناطيسي خارجي نقول عنه انه مادة فرومغناطيسية.

كيف تتولد مغناطيسية الكرة الأرضية؟

والآن، عندما نقوم بتسخين مادة فرومغناطيسية مثل الحديد تحدث بعض التغيرات. اذا ماذا يحدث عند تسخين مادة فرومغناطيسية؟

عند تسخين قطعة من الحديد فإنك في الواقع تقوم بتزويدها بطاقة حرارية إضافية. هذا يجعل العزوم المغناطيسية الصغيرة في الحديد لتصبح في حالة طاقة عالية تتمكن من الإفلات من تأثيرها على بعضها البعض وتصبح مرتبة بشكل عشوائية. هذا يعني أنها تفقد ترتيبها الذي حدث تحت تأثير المجال المغناطيسي الخارجي وبذلك تقل مغنطتها. واذا استمر التسخين لفترة أكبر حتى تفقد قطعة الحديد كل خواصها الفرومغناطيسية. وقد وجد بالتجربة عند درجة حرارة 770 درجة مئوية يفقد الحديد خواصه الفرومغناطيسية.

درجة الحرارة التي تفقد فيها المادة خواصها الفرومغناطيسية بالكامل تعرف باسم درجة حرارة كوري Curie temperature، وتختلف قيمتها من مادة إلى أخرى.

كيف تتولد مغناطيسية الكرة الأرضية؟

يحتوي باطن الأرض على كمية كبيرة من الحديد.

من المعلوم الآن ان الحديد يفقد خواصه الفرومغناطيسية عند درجة حرارة أعلى من 770 درجة مئوية. لكننا نعلم ايضا ان باطن الأرض يحتوي على حديد منصهر، وهذا يعني ان درجة حرارته تصل إلى 6000 درجة مئوية. الا ان باطن الأرض ينتج مجالا مغناطيسيا قويا مما يجعل كوكب الأرض صالحا للعيش!

لكن أليس هذا تناقضا في حد ذاته! اذا كان الحديد يفقد خواصه المغناطيسية عند درجة حرارة منخفضة نسبيا بالمقارنة مع درجة حرارة الحديد في باطن الكرة الأرضية، اذا كيف يمكن ان يمكن ان يصدر من باطن الأرض مجالا مغناطيسيا قويا والذي يتكون أساسا من الحديد؟

كيف يصدر باطن الأرض مجالا مغناطيسيا؟

وضع العلماء والباحثين العديد من الفرضيات لشرح كيف يصدر المجال المغناطيسي للأرض، لكن من بين هذه الفرضيات فرضية وحيدة وموثوقة تعتبر ان باطن الأرض يتصرف مثل الدينامو لتوليد مجال مغناطيسي ذاتي. أطلق على هذه الفرضية بنظرية الدينامو dynamo theory.

الدينامو او المولد هو جهاز لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربية. اذا كنت تعرف الظروف الفيزيائية لباطن الأرض، عندها يمكنك فهم نظرية الدينامو.

اقترح العالم والتر موريس إلساسير، الذي يعتبر “والد” نظرية الدينامو المقبولة حتى وقتنا الحالي كتفسير يوضح المغناطيسية الأرضية، أن هذا الحقل المغناطيسي يتولد نتيجة التيارات الكهربية الناتجة بفعل النواة الخارجية السائلة للأرض. 

كيف تتولد مغناطيسية الكرة الأرضية؟

لاحظ ان الجزء الداخلي من باطن الأرض في حالة صلبة لانه عند ظروف ضغط مرتفع.

يمتلك باطن الأرض جزئين: الجزء الداخلي والجزء الخارجي. الجزء الخارجي ساخن جدا والمادة فيه تكون في الحالة السائلة، لكن الجزء الداخلي يكون في الحالة الصلبة بسبب الضغط المرتفع جدا. كذلك الجزء الخارجي من باطن الأرض يتحرك باستمرار بسبب الحركة الدورانية للأرض، ولكي يتم الحفاظ على ثبات الحقل المغناطيس ضد الاضمحلال (والذي يمكن أن يحدث في الحقل المغناطيسي ثنائي القطبية في فترة 20,000 عام)، يلزم أن يكون الجزء الخارجي لباطن الأرض قادرا على نقل الحرارة بواسطة الحمل الحراري. 

حركة المادة السائلة في الجزء الخارجي من باطن الأرض هو حديد منصهر وهو مادة موصلة ويتحرك في وجود مجال مغناطيسي ضعيف. هذه الحركة تولد تيارا كهربائيا بسبب الحث المغناطيسي. يولد هذا التيار الكهربي بدوره مجالا مغناطيسيا يتفاعل مع حركة الحديد المنصهر ليتولد عنه مجال مغناطيسي ثانوي.

يعزز المجال المغناطيسي الثانوي المجال المغناطيسي الأولى وبهذا يستمر المجال المغناطيسي حتى في درجات الحرارة العالية.

وفي النهاية نلخص ما سبق في ان الحديد المنصهر الموجود في باطن الأرض لا يولد مجالا مغناطيسيا بشكل مباشر، بل انه يولد تيارا كهربائيا والذي بدوره يولد مجالا مغناطيسيا.

References

  1. University Of Oregon 
  2. UC Santa Cruz
  3. Canada.ca
  4. University Of Illinois Urbana-Champaign
  5. Exploratorium

الوسوم

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

تعليقك على المقال:

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

إغلاق
إغلاق