Номер 6, страница 139 - гдз по физике 10-11 класс сборник задач Громцева

11.1. Взаимодействие постоянных магнитов. 11. Электромагнетизм - номер 6, страница 139.

Решение.

Решение 2.

Решение

Полярные сияния можно наблюдать чаще всего вблизи полюсов из-за особенностей взаимодействия магнитного поля Земли с потоком заряженных частиц от Солнца, известным как солнечный ветер.

Основной причиной является форма магнитосферы Земли. Магнитное поле нашей планеты похоже на поле гигантского стержневого магнита. Силовые линии этого поля выходят из области южного магнитного полюса, изгибаются в пространстве и входят обратно в Землю в области северного магнитного полюса.

Когда заряженные частицы солнечного ветра (в основном электроны и протоны) достигают Земли, они попадают в это магнитное поле. Движение заряженной частицы в магнитном поле описывается силой Лоренца: $F_L = q(\vec{v} \times \vec{B})$. Эта сила всегда перпендикулярна скорости частицы, поэтому она не изменяет энергию частицы, а лишь искривляет её траекторию. В результате частицы не могут пересечь силовые линии и начинают двигаться по спирали вдоль них.

Силовые линии магнитного поля Земли наиболее густо расположены и направлены почти перпендикулярно к поверхности планеты именно в районах магнитных полюсов. Эти области, называемые полярными каспами, действуют как своеобразные воронки. Они захватывают и направляют потоки заряженных частиц из космоса в верхние слои атмосферы (ионосферу) именно над полярными широтами.

Проникая в атмосферу на высотах от 80 до 600 км, эти энергичные частицы сталкиваются с атомами и молекулами газов (преимущественно кислорода и азота). При столкновении атомы и молекулы возбуждаются, то есть переходят на более высокий энергетический уровень. Почти сразу они возвращаются в свое стабильное состояние, излучая избыток энергии в виде квантов света — фотонов. Это свечение мы и наблюдаем как полярное сияние. Цвет сияния зависит от того, какой газ был возбужден: кислород светится зеленым или красным, а азот — синим или фиолетовым.

Таким образом, полярные сияния — это явление, локализованное у полюсов, потому что именно туда магнитное поле Земли фокусирует заряженные частицы солнечного ветра, в то время как на экваторе и в средних широтах оно служит щитом, отклоняющим эти частицы.

Ответ: Полярные сияния наблюдаются чаще вблизи полюсов, так как магнитное поле Земли действует как воронка, направляя заряженные частицы солнечного ветра вдоль своих силовых линий. Эти линии входят в атмосферу Земли именно в полярных регионах, где частицы сталкиваются с атмосферными газами и вызывают их свечение.