Как действует магнитное поле. Магнитное поле: принципы работы, влияние на организм и применение в науке и технике

Как устроено и действует магнитное поле. Какое влияние оказывает магнитное поле на человеческий организм. Где применяются магнитные поля в современной науке и технике. Основные законы и формулы, описывающие магнитные явления.

Что такое магнитное поле и как оно образуется

Магнитное поле — это особая форма материи, которая возникает вокруг движущихся электрических зарядов или постоянных магнитов. Оно характеризуется силовым воздействием на другие магниты и движущиеся заряженные частицы.

Основные способы образования магнитного поля:

• Вокруг проводника с электрическим током
• Вокруг постоянных магнитов
• Вокруг движущихся электрических зарядов
• В результате изменения электрического поля во времени

Магнитное поле принято изображать с помощью силовых линий, которые показывают направление действия магнитных сил. У постоянного магнита силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный.

Основные характеристики и законы магнитного поля

Главной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B. Он показывает силу и направление действия магнитного поля в данной точке пространства.

Единица измерения магнитной индукции в системе СИ — Тесла (Тл).

Основные законы, описывающие магнитное поле:

• Закон Био-Савара-Лапласа — описывает создание магнитного поля элементом тока
• Закон Ампера — определяет силу взаимодействия двух параллельных проводников с током
• Сила Лоренца — сила, действующая на движущуюся заряженную частицу в магнитном поле

Формула для расчета силы Лоренца:

F = qvB sin α

где q — заряд частицы, v — ее скорость, B — индукция магнитного поля, α — угол между векторами скорости и магнитной индукции.

Влияние магнитного поля Земли на живые организмы

Магнитное поле Земли оказывает значительное влияние на жизнь на нашей планете:

• Защищает от космической радиации и солнечного ветра
• Влияет на миграцию животных и птиц
• Воздействует на биоритмы организмов
• Может вызывать магнитные бури, влияющие на самочувствие людей

Исследования показывают, что геомагнитные возмущения могут провоцировать:

• Обострение сердечно-сосудистых заболеваний
• Нарушения работы нервной системы
• Ухудшение самочувствия метеозависимых людей
• Повышение уровня тревожности

При этом умеренное воздействие магнитного поля может оказывать и положительное влияние на организм, что используется в магнитотерапии.

Применение магнитных полей в науке и технике

Магнитные явления нашли широкое применение в различных областях:

• Электродвигатели и генераторы
• Электромагнитные подъемные краны
• Магнитная левитация в транспорте
• Магнитно-резонансная томография
• Ускорители заряженных частиц
• Магнитная сепарация материалов
• Магнитные накопители информации

Одно из важнейших применений — в медицинской диагностике. МРТ позволяет получать детальные изображения внутренних органов без вредного воздействия рентгеновских лучей.

Типы магнетиков и их свойства

В зависимости от реакции на внешнее магнитное поле, вещества делятся на несколько типов:

• Диамагнетики — слабо отталкиваются от магнитного поля
• Парамагнетики — слабо притягиваются к магнитному полю
• Ферромагнетики — сильно намагничиваются и притягиваются

Ферромагнетики обладают самыми выраженными магнитными свойствами. К ним относятся железо, никель, кобальт и их сплавы. Они способны сохранять намагниченность после удаления внешнего поля.

Интересно, что при нагревании выше определенной температуры (точки Кюри) ферромагнетики теряют свои магнитные свойства и превращаются в парамагнетики.

Взаимосвязь электрических и магнитных явлений

Электрические и магнитные явления тесно связаны между собой. Основные проявления этой связи:

• Движущиеся электрические заряды создают магнитное поле
• Изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле
• Электрический ток в проводнике создает вокруг него магнитное поле
• При движении проводника в магнитном поле в нем возникает электрический ток

Эта взаимосвязь описывается уравнениями Максвелла — фундаментальными законами электромагнетизма. На их основе было предсказано существование электромагнитных волн.

Понимание единства электрических и магнитных явлений привело к созданию теории электромагнитного поля и многих технических устройств.

Магнитное поле в космосе

Магнитные поля играют важную роль не только на Земле, но и во Вселенной:

• Солнце и другие звезды обладают мощными магнитными полями
• Магнитные поля влияют на формирование и эволюцию галактик
• Пульсары создают сверхсильные магнитные поля
• Межзвездная среда пронизана слабыми магнитными полями

Изучение космических магнитных полей помогает понять процессы звездообразования, движение космической плазмы, механизмы солнечной активности.

Магнитное поле Солнца определяет структуру солнечного ветра и влияет на космическую погоду в окрестностях Земли.

Представление о магнитном поле / Хабр

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.

Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.

Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.

Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.

Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.

Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.

Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.

Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.

Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:

Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).

Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.

А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.

Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.

Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса.

Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:

При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.
 

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.

Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.
 

Спин

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).

Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:

Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.

Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.

Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.

Как на нас влияет магнитное поле

06 августа, 21:01

Известно, что магнитное поле Земли оберегает нас от губительного воздействия солнечных лучей, но оно также способно оказывать непосредственное воздействие на организм человека. Как благоприятное, так и негативное.

© Умная

Магнитное поле и живой организм

Видео дня

Современная наука уже доказала, что магнитное поле Земли влияет на живые организмы. Установлено также, что живые существа не только воспринимают электромагнитные потоки, но и генерируют собственные.

Биофизики и врачи отмечают положительное влияние магнитного поля на систему кровообращения – состояние кровеносных сосудов, активность переноса кислорода через кровь, транспортировку питательных веществ.

Еще в ХIХ веке французский невропатолог Ж. М. Шарко и русский клиницист С. П. Боткин обратили внимание на то, что магнитное поле успокаивающе действует на нервную систему. Советский ученый А. С. Пресман выдвинул гипотезу, согласно которой электромагнитные поля, существующие в природе, оказали воздействие на эволюцию живых организмов. По теории Пресмана, наряду с энергетическими взаимодействиями в биологических процессах существенную роль играют информационные взаимодействия. Причем, если чувствительность воспринимающих систем достаточно высока, передача информации электромагнитным полем может осуществляться при помощи весьма малой энергии. Эта теория получила подтверждение в исследованиях современных, в частности, американских ученых.

Всепроникающее воздействие

Особенности влияния магнитного поля на человека принципиально отличаются от любого другого воздействия – химического, теплового, радиационного, электрического. Например, если мускулатура и система кровообращения могут отчасти шунтировать опасный ток, а радиация частично поглотиться поверхностными слоями тела, то магнитное поле воздействует на организм целиком. Сотрудники Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской АН предполагают, что магнитные поля действуют в ультранизком диапазоне частот, а поэтому отвечают основным физиологическим ритмам – сердечному, мозговому, ритму дыхания.

В частности, подтверждено, что частоты так называемого «резонанса Шумана» (усиление электромагнитных атмосферных шумов) совпадают с частотами мозга.

По мнению ученых, в отличие от других физиологических воздействий человек может не чувствовать виляние магнитного поля, однако организм все же реагирует на него, в первую очередь, функциональными изменениями нервной, сердечнососудистой систем и мозговой деятельности.

Магнитное поле и психика

Психиатры уже давно прослеживают связь между всплесками интенсивности магнитного поля Земли и обострениями психических заболеваний, которые нередко приводят к суициду. Ведущий психиатр Колумбийского университета США Келли Познер отмечает, что «наиболее вероятное объяснение факта тесной зависимости между психологическими отклонениями у людей и геомагнитными бурями является то, что происходит рассогласование циркадных ритмов организма (циклические колебания интенсивности различных биологических процессов с периодом примерно от 20 до 28 ч. ) и сбой в выработке мелатонина – основного гормона эпифиза, отвечающего за регуляцию суточных ритмов.

Геомагнитные бури напрямую влияют на внутренние биологические часы организма в деструктивном режиме, тем самым провоцируя возникновение депрессивных состояний и повышение вероятности самоубийства».

На связь между нервно-психическими нарушениями и процессами магнитного поля Земли обратили внимание и британские ученые. Эту закономерность им удалось выявить исследуя около 40 тысяч больных.

Реакция на магнитные бури

В свое время отечественный биофизик Александр Чижевский на основе многочисленных статистических данных указывал на серьезность воздействия геомагнитных бурь на состояние здоровья человека. Такие бури, по мнению ученого, являются виновниками вспышек эпидемий чумы, холеры, дифтерии, гриппа, менингита и даже возвратного тифа. В Ереванском медицинском институте изучили влияние возмущения магнитного поля Земли на уровень заболеваемости инфарктом миокарда. Это заболевание удобно для исследования тем, что можно четко определить время начала его возникновения, а затем соотнести данные с временем начала магнитных бурь. Исследования показали, что в день прохождения магнитной бури и в течение ближайших двух дней возрастало количество обращений людей с сердечнососудистыми проблемами, а также число случаев с летальным исходом.

Но врачи утверждают, что чаще всего человеческий организм реагирует на возмущение магнитного поля Земли не сразу, а примерно спустя сутки после начала магнитной бури.

Многочисленные исследования показывают, что геомагнитная активность влияет также и на кровеносную систему. Даже при бурях средней интенсивности свертываемость крови увеличивается примерно в 2,5 раз, возрастает и скорость оседания эритроцитов, что приводит к риску тромбообразования.

«Синдром дефицита магнитного поля»

Доктор биологических наук Петр Василик обнаружил, что в периоды усиления магнитного поля Земли рост человека замедлялся, но сейчас человечество переживает период спада активности магнитного поля планеты и, соответственно, этим Василик объясняет наблюдаемую сегодня акселерацию.

А по мнению японского ученого и врача Киочи Накагавы, слабеющая геомагнитная активность является причиной многих расстройств: плохого сна, потери аппетита, снижения иммунитета, склонности к частым заболеваниям, болезням суставов, кожи, мочеполовой системы, нервозности и общей слабости.

Теория Накагавы получила название «Синдром дефицита магнитного поля». Впрочем, дефицит магнитного поля может быть вызван искусственно. Например, в космическом корабле или в подводной лодке создается эффект экранирования магнитного поля. У людей, попавших в такие условия на длительное время обнаруживались значительные нарушения функциональных показателей, наблюдалось снижение обмена веществ и уменьшение общего количества лейкоцитов в крови, а также появлялись предвестники различных заболеваний.

Сообщение Как на нас влияет магнитное поле появились сначала на Умная.

Технологии, Наука, Александр Чижевский

Как работают магнитные поля?

••• Сайед Хуссейн Атер

​ Магнитные поля ​ описывают, как магнитная сила распространяется в пространстве вокруг объектов. Как правило, для магнитного объекта линии магнитного поля проходят от северного полюса объекта к южному полюсу, точно так же, как и для магнитного поля Земли, как показано на диаграмме выше.

Та же магнитная сила, которая заставляет предметы прилипать к поверхности холодильника, используется в магнитном поле Земли, защищающем озоновый слой от вредного солнечного ветра. Магнитное поле формирует энергетические пакеты, которые не дают озоновому слою терять углекислый газ.

Вы можете наблюдать это, высыпая железные опилки, маленькие порошкообразные кусочки железа, в присутствии магнита. Поместите магнит под лист бумаги или тонкий лист ткани. Насыпьте железные опилки и наблюдайте, какую форму они принимают. Определите, какие должны быть силовые линии, чтобы опилки располагались и распределялись таким образом в соответствии с физикой магнитных полей.

Чем больше плотность силовых линий магнитного поля, проведенных с севера на юг, тем больше величина магнитного поля. Эти северный и южный полюса также определяют, являются ли магнитные объекты притягивающими (между северным и южным полюсами) или отталкивающими (между одинаковыми полюсами). Магнитные поля измеряются в единицах Тесла, ​ Т ​.

Наука о магнитных полях

Поскольку магнитные поля образуются всякий раз, когда заряды находятся в движении, магнитные поля индуцируются электрическим током, проходящим через провода. Поле дает вам способ описать потенциальную силу и направление магнитной силы в зависимости от тока через электрический провод и расстояния, которое проходит ток. Линии магнитного поля образуют концентрические окружности вокруг проводов. Направление этих полей можно определить с помощью «правила правой руки».

Это правило гласит, что если вы поместите большой палец правой руки в направлении электрического тока по проводу, результирующие магнитные поля будут направлены в том направлении, в котором сгибаются пальцы вашей руки. При большем токе индуцируется большее магнитное поле.

Как определить магнитное поле?

Вы можете использовать различные примеры правила правой руки ​, общего правила для определения направления различных величин, включая магнитное поле, магнитную силу и ток. Это эмпирическое правило полезно во многих случаях в электричестве и магнетизме, как того требует математика величин.

••• Syed Hussain Ather

Это правило правой руки может быть применено и в другом направлении для магнитного ​ соленоида ​ или серии электрических токов, обернутых проводами вокруг магнита. Если вы направите большой палец правой руки в направлении магнитного поля, то пальцы правой руки свернутся в направлении электрического тока. Соленоиды позволяют использовать силу магнитного поля через электрические токи.

••• Сайед Хусейн Атер

Когда электрический заряд перемещается, магнитное поле генерируется, поскольку электроны, которые вращаются и перемещаются, сами становятся магнитными объектами. Элементы, которые имеют неспаренные электроны в основном состоянии, такие как железо, кобальт и никель, могут быть выровнены таким образом, что они образуют постоянные магниты. Магнитное поле, создаваемое электронами этих элементов, облегчает протекание электрического тока через эти элементы. Сами магнитные поля также могут компенсировать друг друга, если они равны по величине в противоположных направлениях.

Ток, протекающий через батарею ​ I ​ создает магнитное поле ​ B ​ радиусом ​ r ​ в соответствии с уравнением для ​ Закон Ампера ​:

B=2\pi r\ mu_0 I

где μ ₀ — магнитная постоянная проницаемости вакуума, 1,26 x 10 ^-6 Гн/м ​ («Генри на метр», где генри — единица измерения индуктивности) . Увеличение тока и приближение к проводу увеличивают возникающее в результате магнитное поле.

Типы магнитов

Чтобы объект был магнитным, электроны, составляющие объект, должны иметь возможность свободно перемещаться вокруг и между атомами объекта. Для того, чтобы материал был магнитным, атомы с неспаренными электронами одного и того же спина являются идеальными кандидатами, поскольку эти атомы могут образовывать пары друг с другом, позволяя электронам течь свободно. Тестирование материалов в присутствии магнитных полей и изучение магнитных свойств атомов, из которых состоят эти материалы, может рассказать вам об их магнетизме.

​ Ферромагнетики ​ обладают тем свойством, что они являются постоянно магнитными. Парамагнетики , напротив, не проявляют магнитных свойств, если только в присутствии магнитного поля спины электронов не выстраиваются так, чтобы они могли свободно двигаться.​ Диамагнетики ​ имеют такой атомный состав, что магнитные поля вообще не влияют на них или лишь очень слабо влияют на них. У них нет или мало неспаренных электронов, через которые могут протекать заряды.

Парамагнетики работают, потому что они сделаны из материалов, которые всегда имеют магнитных моментов ​, известных как диполи. Эти моменты заключаются в их способности выравниваться с внешним магнитным полем из-за вращения неспаренных электронов на орбиталях атомов, из которых состоят эти материалы. В присутствии магнитного поля материалы выравниваются, чтобы противостоять силе магнитного поля. К парамагнитным элементам относятся магний, молибден, литий и тантал.

Внутри ферромагнитного материала диполь атомов является постоянным, обычно в результате нагревания и охлаждения парамагнитного материала. Это делает их идеальными кандидатами для электромагнитов, двигателей, генераторов и трансформаторов для использования в электрических устройствах. Диамагнетики, напротив, могут создавать силу, которая позволяет электронам свободно течь в форме тока, который затем создает магнитное поле, противоположное любому приложенному к ним магнитному полю. Это нейтрализует магнитное поле и предотвращает их превращение в магнитные.

Магнитная сила

Магнитные поля определяют, как магнитные силы могут распределяться в присутствии магнитного материала. В то время как электрические поля описывают электрическую силу в присутствии электрона, магнитные поля не имеют такой аналогичной частицы, на которую можно было бы описать магнитную силу. Ученые предположили, что магнитный монополь может существовать, но не было экспериментальных доказательств того, что эти частицы существуют. Если бы они существовали, эти частицы имели бы магнитный «заряд» почти так же, как заряженные частицы имеют электрический заряд.

Магнитная сила возникает из-за электромагнитной силы, силы, которая описывает как электрические, так и магнитные компоненты частиц и объектов. Это показывает, как магнетизм присущ тем же явлениям электричества, как ток и электрическое поле. Заряд электрона — это то, что заставляет магнитное поле отклонять его под действием магнитной силы почти так же, как это делают электрическое поле и электрическая сила.

Магнитные поля и электрические поля

В то время как только движущиеся заряженные частицы излучают магнитные поля, а все заряженные частицы излучают электрические поля, магнитные и электромагнитные поля являются частью одной и той же фундаментальной силы электромагнетизма. Электромагнитная сила действует между всеми заряженными частицами во Вселенной. Электромагнитная сила принимает форму повседневных явлений в электричестве и магнетизме, таких как статическое электричество и электрически заряженные связи, удерживающие молекулы вместе.

Эта сила наряду с химическими реакциями также составляет основу электродвижущей силы, которая позволяет току течь по цепям. Когда магнитное поле рассматривается как переплетенное с электрическим полем, полученный продукт известен как электромагнитное поле.

​ Уравнение силы Лоренца ​

F=qE+qv\times B

описывает силу, действующую на заряженную частицу ​ q ​ движущуюся со скоростью ​ v ​ в присутствии электрического поля ​ E ​ и магнитное поле ​ B ​. В этом уравнении x между qv и B представляет векторное произведение. Первый член qE представляет собой вклад электрического поля в силу, а второй член qv x B представляет собой вклад магнитного поля.

Уравнение Лоренца также говорит вам, что магнитная сила между скоростью заряда v и магнитным полем B равна qvbsinϕ ​ для заряда ​ q ​ где ​ ϕ ​ («фи») угол между ​ v ​ и ​ B ​, который должен быть меньше 1​ 40 ​ ​градусов. Если угол между ​ v ​ и ​ B ​ больше, то для исправления этого следует использовать угол в противоположном направлении (из определения векторного произведения). Если ​ ϕ ​равно 0, например, скорость и магнитное поле направлены в одном направлении, магнитная сила будет равна 0. Частица будет продолжать двигаться, не отклоняясь магнитным полем.

Перекрестное произведение магнитного поля

••• Syed Hussain Ather

На приведенной выше диаграмме перекрестное произведение двух векторов a и b равно c 90. Обратите внимание на направление и величину c . Он находится в направлении, перпендикулярном a и b , если задано правилом правой руки. Правило правой руки означает, что направление результирующего векторного произведения c определяется направлением большого пальца, когда указательный палец правой руки находится в направлении 9.0013 b ​ и ваш средний палец правой руки в направлении ​ a ​.

Перекрестное произведение является векторной операцией, результатом которой является вектор, перпендикулярный как qv , так и B , заданный правилом правой руки трех векторов и с величиной площади параллелограмма, которая векторы qv и B пересекаются. Правило правой руки означает, что вы можете определить направление векторного произведения между qv и B ​, поместив указательный палец правой руки в направлении B ​, средний палец в направлении qv ​, и полученное направление большого пальца будет направлением перекрестного произведения этих двух векторы.

••• Syed Hussain Ather

На диаграмме выше правило правой руки также демонстрирует взаимосвязь между магнитным полем, магнитной силой и током в проводнике. Это также показывает, что векторное произведение между этими тремя величинами может представлять правило правой руки, поскольку векторное произведение между направлением силы и полем равно направлению тока.

Магнитное поле в повседневной жизни

Магнитные поля около 0,2–0,3 тесла используются в МРТ и магнитно-резонансной томографии. МРТ — это метод, который врачи используют для изучения внутренних структур тела пациента, таких как мозг, суставы и мышцы. Обычно это делается путем помещения пациента в сильное магнитное поле таким образом, чтобы поле проходило вдоль оси тела. Если представить пациента в виде магнитного соленоида, электрические токи будут обвивать его или ее тело, а магнитное поле будет направлено в вертикальном направлении по отношению к телу, как это диктуется правилом правой руки.

Затем ученые и врачи изучают, как протоны отклоняются от своей нормальной ориентации, чтобы изучить структуры тела пациента. Благодаря этому врачи могут ставить безопасные, неинвазивные диагнозы различных заболеваний.

Человек не чувствует магнитного поля во время процесса, но из-за того, что в человеческом теле так много воды, ядра водорода (которые являются протонами) выравниваются благодаря магнитному полю. Сканер МРТ использует магнитное поле, из которого протоны поглощают энергию, и, когда магнитное поле выключается, протоны возвращаются в свое нормальное положение. Затем устройство отслеживает это изменение положения, чтобы определить, как выровнены протоны, и создать изображение внутренней части тела пациента.

Происхождение магнитного поля Земли остается загадкой | Новости Массачусетского технологического института

Микроскопические минералы, извлеченные из древнего обнажения Джек-Хиллз в Западной Австралии, стали предметом интенсивного геологического изучения, поскольку они, кажется, несут следы магнитного поля Земли, существовавшего еще 4,2 миллиарда лет назад. Это почти на 1 миллиард лет раньше, чем считалось ранее, когда возникло магнитное поле, и почти в то время, когда сформировалась сама планета.

Какой бы интригующей ни была эта история происхождения, команда под руководством Массачусетского технологического института обнаружила доказательства обратного. В статье, опубликованной сегодня в журнале Science Advances , команда исследовала кристаллы того же типа, называемые цирконами, извлеченными из того же обнажения, и пришла к выводу, что цирконы, которые они собрали, ненадежны в качестве регистраторов древних магнитных полей.

Другими словами, до сих пор не выяснено, существовало ли магнитное поле Земли раньше, чем 3,5 миллиарда лет назад.

«Нет надежных доказательств наличия магнитного поля до 3,5 миллиардов лет назад, и даже если поле существовало, будет очень трудно найти доказательства его существования в цирконах Джек-Хиллз», — говорит Кауэ Борлина, аспирант. в Департаменте наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Это важный результат в том смысле, что мы знаем, чего больше не искать».

Борлина является первым автором статьи, в которую также входят профессор EAPS Бенджамин Вайс, главный научный сотрудник Эдуардо Лима и научный сотрудник Массачусетского технологического института Джахандар Рамезан, а также другие представители Кембриджского университета, Гарвардского университета, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Университет Алабамы и Принстонский университет.

Возбужденное поле

Считается, что магнитное поле Земли играет важную роль в обеспечении обитаемости планеты. Мало того, что магнитное поле задает направление наших стрелок компаса, оно также действует как своего рода щит, отражая солнечный ветер, который в противном случае мог бы разъесть атмосферу.

Ученые знают, что сегодня магнитное поле Земли питается от затвердевания жидкого железного ядра планеты. Охлаждение и кристаллизация ядра взбалтывают окружающее жидкое железо, создавая мощные электрические токи, которые генерируют магнитное поле, простирающееся далеко в космос. Это магнитное поле известно как геодинамо.

Многочисленные доказательства показали, что магнитное поле Земли существовало по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад. Однако считается, что ядро ​​планеты начало затвердевать всего 1 миллиард лет назад, а это означает, что магнитное поле должно было управляться каким-то другим механизмом до 1 миллиарда лет назад. Определение того, когда именно сформировалось магнитное поле, может помочь ученым выяснить, что именно его создало.

Борлина говорит, что происхождение магнитного поля Земли может также пролить свет на ранние условия, в которых закрепились первые формы жизни на Земле.

«В первый миллиард лет существования Земли, между 4,4 и 3,5 миллиардами лет, именно тогда зарождалась жизнь, — говорит Борлина. «Имеющееся ли у вас магнитное поле в то время имеет разные последствия для среды, в которой зародилась жизнь на Земле. Это мотивация нашей работы».

«Циркону нельзя доверять»

Ученые традиционно использовали минералы в древних горных породах для определения ориентации и интенсивности магнитного поля Земли в прошлом. По мере формирования и охлаждения породы электроны внутри отдельных зерен могут смещаться в направлении окружающего магнитного поля. Как только камень остывает до определенной температуры, известной как температура Кюри, ориентация электронов, так сказать, фиксируется. Ученые могут определить их возраст и использовать стандартные магнитометры для измерения их ориентации, для оценки силы и ориентации магнитного поля Земли в данный момент времени.

С 2001 года Вайс и его группа изучают намагниченность камней и зерен циркона из Джек-Хиллз, преследуя сложную цель установить, содержат ли они древние записи магнитного поля Земли.

«Цирконы Джек-Хиллз — одни из самых слабомагнитных объектов, изученных в истории палеомагнетизма, — говорит Вайс. «Кроме того, эти цирконы включают самые старые известные земные материалы, а это означает, что существует множество геологических событий, которые могли сбросить их магнитные записи».

В 2015 году отдельная исследовательская группа, которая также начала изучать цирконы из Джек-Хиллз, утверждала, что они нашли доказательства наличия магнитного материала в цирконах, возраст которых, по их мнению, составляет 4,2 миллиарда лет — первое свидетельство того, что магнитное поле Земли могло существовать до 3,5 миллиарда лет назад.

Но Борлина отмечает, что команда не подтвердила, действительно ли обнаруженный ими магнитный материал образовался во время или после образования кристалла циркона 4,2 миллиарда лет назад — цель, которую он и его команда поставили перед собой в своей новой работе.

Борлина, Вайс и их коллеги собрали горные породы из того же обнажения Джек-Хиллз и из этих образцов извлекли 3754 зерна циркона, каждое длиной около 150 микрометров, что примерно равно ширине человеческого волоса. Используя стандартные методы датирования, они определили возраст каждого зерна циркона, который колебался от 1 миллиарда до 4,2 миллиарда лет.

Около 250 кристаллов старше 3,5 миллиардов лет. Команда изолировала и сделала изображения этих образцов, ища признаки трещин или вторичных материалов, таких как минералы, которые могли отложиться на кристалле или внутри него после того, как он полностью сформировался, и искала доказательства того, что они были значительно нагреты за последние несколько миллиардов лет. лет с момента их образования. Из этих 250 они идентифицировали только три циркона, которые были относительно свободны от таких примесей и, следовательно, могли содержать подходящие магнитные записи.

Затем команда провела подробные эксперименты с этими тремя цирконами, чтобы определить, какие виды магнитных материалов они могут содержать. В конце концов они определили, что магнитный минерал, называемый магнетитом, присутствовал в двух из трех цирконов. Используя квантовый алмазный магнитометр с высоким разрешением, команда изучила поперечные сечения каждого из двух цирконов, чтобы отобразить расположение магнетита в каждом кристалле.

Они обнаружили магнетит, лежащий вдоль трещин или поврежденных зон внутри цирконов. Такие трещины, говорит Борлина, являются путями, которые позволяют воде и другим элементам проникать внутрь скалы. Такие трещины могли пропускать вторичный магнетит, осевший в кристалле намного позже, чем при первоначальном образовании циркона. В любом случае, говорит Борлина, доказательства очевидны: эти цирконы нельзя использовать в качестве надежного регистратора магнитного поля Земли.

«Это доказательство того, что мы не можем доверять этим измерениям циркона для регистрации магнитного поля Земли», — говорит Борлина. «Мы показали, что до 3,5 миллиардов лет назад мы до сих пор не знаем, когда появилось магнитное поле Земли».

«Для меня эти результаты вызывают большие сомнения в способности цирконов Джек-Хиллз точно регистрировать интенсивность палеомагнитного поля до 3,5 миллиардов лет», — говорит Энди Биггин, профессор палеомагнетизма в Ливерпульском университете, который был не участвует в исследовании. «Тем не менее, эти дебаты бушуют, как палеомагнитный эквивалент Brexit, с 2015 года, и я был бы очень удивлен, если бы это было последнее слово по этому вопросу. Практически невозможно доказать отрицательное, и ни методы, ни интерпретации никогда не вызывают сомнений».

Несмотря на эти новые результаты, Вайс подчеркивает, что предыдущие магнитные анализы этих цирконов по-прежнему очень ценны.

«Команда, которая сообщила о первоначальном магнитном исследовании циркона, заслуживает большой похвалы за попытку решить эту чрезвычайно сложную проблему», — говорит Вайс.