Как обнаружить магнитное поле. Обнаружение магнитного поля: принцип действия и применение эффекта Холла

Как можно обнаружить невидимое магнитное поле. Что такое эффект Холла и как он работает. Где сегодня применяются датчики на основе эффекта Холла. Какие новые явления, связанные с магнитным полем, открывают ученые.

Что такое магнитное поле и как его обнаружить

Магнитное поле невозможно увидеть невооруженным глазом, но его присутствие можно обнаружить по воздействию на другие объекты. Как это сделать?

Простейший способ — использовать магнитную стрелку компаса. При поднесении к магниту или проводнику с током стрелка начинает отклоняться, показывая наличие магнитного поля. Именно так в 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед впервые обнаружил магнитное действие электрического тока.

Другой метод — применить железные опилки. Если их насыпать на лист бумаги и поднести снизу магнит, опилки выстроятся вдоль силовых линий магнитного поля, делая его структуру «видимой».

Эффект Холла: принцип действия

В 1879 году американский физик Эдвин Холл открыл явление, получившее его имя. В чем заключается эффект Холла?

Если через металлическую или полупроводниковую пластину пропустить электрический ток и поместить ее в магнитное поле, перпендикулярное току, то на боковых гранях пластины возникает поперечная разность потенциалов. Это и есть эффект Холла.

Причина его возникновения в том, что магнитное поле действует на движущиеся в проводнике электроны с силой Лоренца, отклоняя их к одной из граней. В результате на противоположных гранях накапливаются заряды разных знаков.

Где применяется эффект Холла сегодня

Эффект Холла нашел широкое практическое применение в современных технологиях. Где используются устройства на его основе?

• Датчики Холла для измерения магнитного поля. Они применяются в компасах смартфонов, позволяя определять направление на север.
• Датчики тока и напряжения в электронике и электротехнике.
• Датчики положения и скорости вращения в автомобильной промышленности.
• Бесконтактные переключатели в различных устройствах.
• Считыватели магнитных карт в платежных терминалах.

Таким образом, открытый полтора века назад эффект до сих пор остается востребованным в технике.

Новые эффекты, связанные с магнитным полем

Ученые продолжают исследовать взаимодействие магнитного поля с различными объектами и открывать новые интересные явления. Какие эффекты обнаружены недавно?

Исследователи из Университета ИТМО открыли явление, названное ими «аномальным экситонным эффектом Холла». Оно возникает при воздействии лазера на полупроводник в магнитном поле.

В полупроводнике под действием света образуются квазичастицы — экситоны. Это связанные состояния электрона и дырки, напоминающие атом водорода. Магнитное поле влияет на движение экситонов, вызывая эффект, аналогичный классическому эффекту Холла для электронов.

Изучение таких явлений помогает лучше понять свойства квазичастиц и может найти применение в квантовой электронике будущего.

Как создать простейший датчик магнитного поля

Простой датчик Холла для обнаружения магнитного поля можно сделать самостоятельно. Что для этого потребуется?

• Тонкая металлическая или полупроводниковая пластина
• Источник постоянного тока (батарейка)
• Вольтметр
• Провода для подключения
• Постоянный магнит

Порядок действий:

1. Подключите пластину к источнику тока.
2. Присоедините вольтметр к боковым граням пластины.
3. Поднесите магнит перпендикулярно плоскости пластины.
4. Наблюдайте отклонение стрелки вольтметра — это и есть эффект Холла.

Такой простой эксперимент наглядно демонстрирует взаимодействие магнитного поля с движущимися зарядами.

Магнитное поле Земли: компас в каждом смартфоне

Наша планета обладает собственным магнитным полем. Как его используют современные устройства?

Магнитное поле Земли имеет дипольную структуру, похожую на поле полосового магнита. Его силовые линии направлены от южного магнитного полюса к северному. Это позволяет использовать его для навигации с помощью компаса.

В смартфонах роль компаса выполняют миниатюрные датчики Холла. Они измеряют компоненты вектора магнитного поля Земли и определяют положение устройства относительно магнитных полюсов. Это дает возможность работать навигационным приложениям и картам.

Таким образом, древний принцип ориентирования по магнитному полю Земли нашел применение в современных высокотехнологичных гаджетах.

Перспективы изучения магнитных явлений

Исследование взаимодействия магнитного поля с различными объектами остается актуальным направлением физики. Какие возможности оно открывает?

• Создание новых типов датчиков и измерительных устройств
• Разработка методов управления квантовыми состояниями
• Развитие спинтроники — электроники на основе спина электронов
• Изучение экзотических квантовых эффектов в твердых телах
• Совершенствование методов магнитной томографии

Понимание тонких механизмов взаимодействия магнитного поля с заряженными частицами и квазичастицами может привести к созданию принципиально новых технологий в будущем.

Как обнаружить магнитное поле. Правило левой руки. Физика, 9 класс: уроки, тесты, задания.

1.	Проводник в магнитном поле Сложность: лёгкое	1
2.	Правило левой руки Сложность: лёгкое	1
3.	Технические устройства Сложность: среднее	2
4.	Полюса магнитов Сложность: среднее	2
5.	Направление силы Ампера и силы Лоренца Сложность: среднее	2
6.	Заряд частицы Сложность: среднее	2
7.	Обнаружение магнитного поля Сложность: среднее	2
8.	Равновесие весов Сложность: сложное	3
9.	Траектория движения частицы в магнитном поле Сложность: сложное	3

Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток. Правило левой руки.

Цели урока:

• Образовательные:
  • изучить как обнаруживается магнитное поле по его действию на электрический ток, изучить правило левой руки, повторить ранее пройденные определения электрического поля, магнитного поля, условия их возникновения, свойства; закрепить правила правой и левой руки с помощью упражнений;
  • закрепить знания по предыдущим темам;
  • научить применять знания, полученные на уроке;
  • показать связь с жизнью;
  • расширить межпредметные связи.
• Воспитательные:
  • формировать интерес к предмету, к учебе, воспитывать инициативу, творческое отношение, воспитывать добросовестное отношение к учебе, прививать навыки, как самостоятельной работы, так и работы в коллективе, воспитывать познавательную потребность и интерес к предмету.
• Развивающие:
  • развивать физическое мышление учащихся, их творческие способности, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес путем привлечения дополнительного материала, а также потребности к углублению и расширению знаний;
  • развивать речевые навыки;
  • формировать умения выделять главное, делать выводы, развивать способность быстро воспринимать информацию и выполнять необходимые задания; развивать логическое мышление и внимание, умение анализировать, сопоставлять полученные результаты, делать соответствующие выводы.

Этапы урока:

1. Организационный момент – 2 мин.
2. Проверка домашнего задания, знаний и умений – 6 мин.
3. Объяснение нового материала – 18 мин.
4. Физкультминутка – 2 мин.
5. Закрепление. Решение задач – 15 мин.
6. Итоги. Выводы. Домашнее задание  – 2 мин.

ХОД УРОКА

I.   Проверка домашнего задания, знаний и умений – 6 мин

1. Магнитное поле порождается______________ (электрическим током).
2. Магнитное поле создается ______________заряженными частицами (движущимися).
3. За направление магнитной линии в какой-либо ее точке условно принимают направление, которое указывает _________полюс магнитной стрелки, помещенной в эту точку (северный).
4.Магнитные линии выходят из _________ полюса магнита и входят в ________. (Северного, южный).
5. Как взаимодействуют два провода троллейбусной линии: притягиваются или отталкиваются? (Притягиваются).
Поменялись листочками и проверили друг друга. На кодоскопе высвечиваются правильные ответы.
Правильных ответов: 5 ответов– 5 баллов, 4 ответа – 4 балла, 3 ответа – 3 балла, 1 – 2 ответа – 2 балла.

II.  Объяснение нового материала – 20 мин

Учитель:  Как можно обнаружить магнитное поле? Оно не действует на наши органы чувств – не имеет запаха, цвета, вкуса. Мы не можем, правда, с уверенностью утверждать, что в животном мире нет существ, чувствующих магнитное поле. В США и Канаде для отгона миног с места скопления мальков на реках, впадающих в Великие озера, установлены электромагнитные барьеры. Ученые объясняют способность рыб ориентироваться в просторах океана их реакцией на магнитные поля…
Сегодня на уроке мы изучим,  как  обнаружить магнитного поля по его действию на электрический ток и изучим правило левой руки.
На всякий проводник с током, помещенный в магнитное поле и не совпадающий с его магнитными линиями, это поле действует с некоторой силой, наличие такой силы можно посмотреть с помощью такого опыта: проводник подвешен на гибких проводах, который через ключ присоединен к аккумуляторам. Проводник помещен между полюсами подковообразного магнита, т. е. находится в магнитном поле.
При замыкании ключа в цепи возникает электрический ток, и проводник приходит в движение. Если убрать магнит, то при замыкании цепи проводник с током двигаться не будет.

Если ученики смогут сами ответить: Значит, со стороны магнитного поля на проводник с током действует некоторая сила, отклоняющая его от первоначального положения.

Учитель: Действие магнитного поля на проводник с током может быть использовано для обнаружения магнитного поля в данной области пространства.
Конечно, обнаружить магнитное поле проще с помощью компаса. Но действие магнитного поля на находящуюся в нем магнитную стрелку компаса, по существу, тоже сводится к действию поля на элементарные электрические токи, циркулирующие в молекулах и атомах магнитного вещества, из которого изготовлена стрелка.

Вывод 1: Таким образом, магнитное поле создается электрическим током и обнаруживается по его действию на электрический ток.
Выясним, от чего зависит направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Опыт показывает, что при изменении направления тока изменяется и направление движения проводника, а значит, и направление действующей на него силы Направление силы изменится и в том случае, если, не меняя направления тока, поменять местами полюсы магнита (т. е. изменить направление линий магнитного поля).
Следовательно, направление тока в проводнике, направление линий магнитного поля и направление силы, действующей на проводник, связаны между собой.
Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно определить, пользуясь правилом левой руки. В наиболее простом случае, когда проводник расположен в плоскости, перпендикулярной линиям магнитного поля, это правило заключается в следующем: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по току, то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник силы.

Ученики: за направление тока во внешней части электрической цепи (т.е. вне источника тока) принимается направление от положительного полюса источника тока к отрицательному.

Учитель: Пользуясь правилом левой руки это следует помнить.
Другими словами, четыре пальца левой руки должны быть направлены против движения электронов в электрической цепи. В таких проводящих средах, как растворы электролитов, где электрический ток создается движением зарядов обоих знаков, направление тока, а значит, и направление четырех пальцев левой руки совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.                                                                                   
С помощью правила левой руки можно определить направление силы, с которой магнитное поле действует на отдельно взятую движущуюся в нем частицу, как положительно, так и отрицательно заряженную. Для наиболее простого случая, когда частица движется в плоскости, перпендикулярной магнитным линиям, это правило формулируется следующим образом: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной), то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на частицу силы.

Пользуясь правилом левой руки, можно определить не только направление силы, действующей в магнитном поле на проводник с током или движущуюся заряженную частицу. По этому правилу мы можем определить направление тока (если знаем, как направлены линии магнитного поля и действующая на проводник сила), направление магнитных линий (если известны направления тока и силы), знак заряда движущейся частицы (по направлению магнитных линий, силы и скорости движения частицы).
Сила действия магнитного поля на проводник с током или движущуюся заряженную частицу равна нулю, если направление тока в проводнике или скорость частицы совпадают с линиями магнитного поля или параллельны им.

III. Физкультминутка – 2 мин.

Встаньте, пожалуйста. Вы – компас, ваше лицо – указывает всегда на север, затылок – на юг, стена – это северный полюс, противоположная доска – южный полюс. – Дети поворачиваются лицом к стене. Полюса поменялись. Дети поворачиваются лицом к доске. Возникают магнитные бури – дети начинают качаться и вращаться.
Отдохнули, спасибо, присаживайтесь.

А знаете ли вы, что…

• Сильное магнитное поле влияет на рост кристаллов: например, монокристаллы меди, сформировавшиеся в сильных магнитных полях, обладают более совершенной кристаллической решеткой.
• Сильное магнитное поле используется и для лечения такого распространенного и опасного заболевания, как нарушение ритма сердечных сокращений (аритмия). Сердце – орган, непрерывно совершающий ритмичные сокращения, период которых определяется слабыми электрическими сигналами, посылаемыми головным мозгом. При заболеваниях сердца ритм сокращений нарушается. В особо тяжелых случаях используют дефибрилляторы – приборы, генерирующие импульсы высокого напряжения, причем электроды накладываются непосредственно на область сердца, в результате чего нередко получается ожог. При использовании пульсирующего магнитного поля, вызывающего индукционные токи в нервных клетках, эта опасность исключается.

Магнитный страж прилавка

Чтобы как-то защититься от краж, владельцы магазинов прикрепляют к товару особые бирки, которые отрываются на контрольном пункте после того, как уплачены деньги. Бирки – крошечные антенны – при попытке вынести покупку из магазина без оплаты включают на выходе сигнал тревоги за счет резонансного усиления радиосигнала, поступающего от небольших радиопередатчиков, установленных на выходе. Однако этот способ оказался не совсем надежен: вор может, заэкранировав бирку кусочком фольги или собственным телом, обмануть сигнальное устройство.
Чтобы этого не случалось, фирма «Чекмейт системс» разработала новую систему. Контрольная бирка изготавливается теперь из магнитного материала, а на выходе магазина стоят высокочувствительные магнитометры.
Система отрегулирована так, что она не реагирует на металлические предметы малого размера: ключи, часы, пряжки и ювелирные изделия, но отчаянно трезвонит, когда замечает контрольную бирку.

IV. Закрепление материала. Решение задач – 15 мин.

Учитель:Упр. 36 (1). В какую сторону покатится легкая алюминиевая трубочка при замыкании цепи?
Ученики дают ответы: по правилу левой руки линии магнитного поля входят в ладонь, электрический ток течет по трубочке, значит, трубочка покатится к источнику тока.
Учитель: Давайте проверим на опыте ваши ответы.

Решение задач: № 1068, № 1069 (а, б),  № 1070, № 1078.   

Учитель: Сегодня на уроке мы изучили, как обнаружить магнитное поле по его действию на электрический ток. Рассмотрели правило левой руки.

V. Домашнее задание: § 46, упр. 36 (2, 3, 4, 5).

Магнитное поле тока | Физика

Вокруг магнитов существует магнитное поле. Чтобы обнаружить его, достаточно поместить в это поле магнитную стрелку, способную свободно поворачиваться под действием этого поля (для этого ее подвешивают на нити или устанавливают на острие). Когда мы подносим к стрелке магнит, она поворачивается в ту или иную сторону. А можно ли повернуть стрелку с помощью электрического тока?

Обратимся к опыту. Поместим над магнитной стрелкой параллельно ее оси проводник, подключенный к источнику тока (рис. 55). Замкнем цепь. Мы увидим, как стрелка отклоняется, принимая новое положение. При размыкании цепи она возвращается в прежнее положение.

Впервые действие проводника с током на магнитную стрелку было обнаружено в 1820 г. датским ученым Г. X. Эрстедом. Сам он не нашел правильного объяснения этому явлению. Это было сделано позже.

Мы знаем, что ток — это направленное движение заряженных частиц. Если эти частицы покоятся, то они создают вокруг себя лишь электрическое поле. Вокруг движущихся зарядов, например, электрического тока, помимо электрического поля, существует еще и магнитное. Это поле и заставляет поворачиваться магнитную стрелку, находящуюся рядом с проводником с током.

Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током. Электрический ток поэтому можно рассматривать как источник магнитного поля. Чем больше сила тока в проводнике, тем сильнее создаваемое им магнитное поле.

Но если источником магнитного поля являются электрические токи, то почему тогда оно существует вокруг постоянных магнитов?

В 1820 г. французский ученый А. М. Ампер предположил, что магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены множеством круговых токов, циркулирующих внутри молекул этих тел. Эти токи были названы молекулярными. Во времена Ампера природа этих токов была неизвестна. Теперь же мы знаем, что внутри атомов и молекул действительно движутся заряженные частицы — электроны, благодаря которым и возникает намагниченность тела.

Для графического изображения магнитного поля используют магнитные силовые линии.

Так называют линии, вдоль которых располагаются оси маленьких магнитных стрелок, помещенных в данное поле. Направление, указываемое северным полюсом этих стрелок, принимают за направление магнитных силовых линий.

Поместив магнитные стрелки вокруг прямолинейного проводника с током, можно увидеть картину, изображенную на рисунке 56, а. Вместо магнитных стрелок в этом опыте можно использовать железные опилки, рассыпанные по поверхности картона. В магнитном поле проводника с током они намагничиваются и, подобно магнитным стрелкам, устанавливаются вдоль силовых линий магнитного поля. Наблюдаемое расположение стрелок показывает, что силовые линии магнитного поля прямолинейного тока представляют собой окружности, охватывающие этот ток (рис. 56, б).

При изменении направления тока в проводнике изменяется и ориентация магнитных стрелок. Это означает, что направление силовых линий магнитного поля связано с направлением тока в проводнике.

Направление силовых линий магнитного поля прямолинейного тока определяется с помощью первого правила правой руки:

если обхватить проводник ладонью правой руки, направив отставленный большой палец вдоль тока, то остальные пальцы этой руки укажут направление силовых линий магнитного поля данного тока (рис. 57).

??? 1. Опишите опыт, в котором наблюдается действие электрического тока на магнитную стрелку. Кто и когда впервые его осуществил? 2. Что является источником магнитного поля? 3. Как располагаются магнитные стрелки в магнитном поле прямого тока? 4. Что называют магнитными силовыми линиями? 5. Какую форму имеют силовые линии магнитного поля прямолинейного тока? 6. Сформулируйте первое правило правой руки.

Аномальный экситонный эффект Холла | Новый физтех. Университет ИТМО

Они назвали его аномальным экситонным эффектом Холла. Эффект возникает при воздействии лазера на пластину полупроводника в присутствии магнитного поля. В будущем это явление может оказаться полезным для изучения квазичастиц экситонов. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Иллюстрация из статьи. Источник: journals.aps.org

Есть сравнительно простой физический эксперимент, который можно провести в домашних условиях. Понадобится всего пять компонентов: небольшая металлическая пластинка, обычная батарейка, магнит, пара проводов и вольтметр. Все это можно найти в школьном наборе радиолюбителя.

Пластинку надо подключить к батарейке, а ее торцы к вольтметру. Стрелка измерительного устройства останется на нуле, поскольку ток по металлу будет идти в продольном направлении, но напряжения в поперечном направлении не возникнет. Однако если к пластинке поднести магнит, то показания прибора начнут расти. Это явление называется эффектом Холла. 

«Его впервые обнаружил выдающийся ученый Эдвин Холл в 1879 году, — рассказывает аспирант Нового Физтеха Университета ИТМО Валерий Козин. — Объяснение эффекта довольно простое. Магнитное поле действует на движущиеся под воздействием электрического тока электроны. Если магнитное поле будет воздействовать перпендикулярно к движению электронов, то они будут отклоняться к одному из торцов нашей пластины. Предположим, с правого торца электронов станет больше, с левого — меньше. Таким образом, одна сторона пластины накопит отрицательный заряд, а другая — положительный, что и приведет к возникновению напряжения, которое зафиксирует прибор».  

Магнитное поле. Источник: shutterstock.com

Эффект, открытый полтора века назад, широко применяется до сих пор. С его помощью создают детекторы для обнаружения магнитного поля, которые также называют датчиками Холла. В частности, такие устройства используются в смартфонах. Благодаря ним мы можем лучше ориентироваться на местности.  

«Наша Земля является огромным источником магнитного поля, благодаря этому работает компас, — продолжает Валерий Козин. — Настоящий компас в телефон не поставишь, но если у вас есть датчик Холла, то вам это и не нужно. Он будет фиксировать изменение угла воздействия магнитного поля Земли и передавать данные в телефон. Именно благодаря этому, когда мы заходим в Яндекс.Карты на телефоне, мы видим, куда направлен наш гаджет». 

Как из дырки сделать «атом»

В физике многие явления описываются по аналогии. Различные эффекты из разных областей науки описываются сходными уравнениями и подчиняются одним и тем же законам. Что если нечто похожее на эффект Холла можно найти в поведении других частиц? Ученым Университета ИТМО удалось обнаружить подобное явление, только касается оно не электронов, а квазичастиц экситонов. 

Эти объекты образуются в полупроводниках, таких как арсенид галлия, который используется в транзисторах, светодиодах и солнечных батареях. Как и у всех полупроводников, у этого материала есть так называемая запрещенная зона, то есть то количество энергии, которое необходимо в него «вкачать», чтобы арсенид галлия стал проводить электричество при абсолютном нуле температуры. Проводимость возникает за счет того, что электрон из внешней, так называемой валентной, зоны переходит дальше, в зону проводимости. Этот переход и осуществляется за счет внешнего потока энергии.

Экситон. Источник: wikipedia.org

«Такого рода энергии лежат в области видимого диапазона света, иными словами, нужно просто посвятить на кристалл лучом лазера или даже фонариком, и вы сможете переместить электрон в зону проводимости. При этом на его месте образуется вакансия, которая называется «дыркой»», — объясняет Валерий Козин.

Эти дырки на языке уравнений ведут себя как положительно заряженные частицы. Вокруг них имеются отрицательно заряженные электроны, к которым они могут притягиваться. В результате электрон может начать вращаться вокруг дырки, образуя некое подобие атома водорода, где в центре находится один положительно заряженный протон, а вокруг него перемещается электрон. 

«Получается, что эта дырка может играть роль ядра, чтобы сформировать с электроном «атом». Такого рода «атомы» называются экситонами. Эти квазичастицы очень похожи на атомы, подчиняются тем же законам, уравнениям, это полноценные аналоги атомов водорода», — добавляет Валерий Козин.

Аномальный эффект

Иллюстрация из статьи. Источник: journals.aps.org

В частности, из экситонов можно получать газ. Если ударить по листу полупроводника лазерным лучом, то в нем образуется облачко из этих квазичастиц. Рассматривая такой процесс, физики Университета ИТМО и обнаружили (в теории) новый эффект, который назвали аномальным экситонным эффектом Холла. 

Если взять тонкую полоску полупроводникового материала и воздействовать на нее лазерным пучком под углом 90 градусов с достаточной мощностью, то образуется газ из экситонов, который будет расходиться в разные стороны. Однако если угол сделать чуть острее, то ситуация изменится — газ будет идти направленным облаком, где ученым будет легко его «поймать». Здесь также играет роль, что в полупроводниках обычно имеются различные примеси, частицы которых также имеют заряд. Наличие таких примесей и определяет основные свойства полупроводниковых приборов.

«Теперь, если к нашей пленке полупроводника приложить перпендикулярное магнитное поле, то облачко экситонов, рассеиваясь на примесях, будет отклоняться в какую-то сторону. Полный аналог эффекта Холла: у нас есть поток частиц, в нашем случае экситонов, мы включаем перпендикулярное магнитное поле и этот поток частиц отклоняется к краю образца», — говорит Валерий Козин.

Предложенный эффект имеет фундаментальное отличие от классического эффекта Холла, ведь экситоны электрически нейтральны, в то время как электроны имеют отрицательный заряд.

Валерий Козин признается, что пока открытый учеными эффект вряд ли найдет столь широкое применение в быту, как классический эффект Холла. Однако он отмечает, что это явление может иметь большое значение для ученых, которые изучают экситоны. В частности, это позволяет разделять светлые и темные экситоны.

Валерий Козин. Фото из личного архива

Дело в том, что часть экситонов схлопываются, когда электрон возвращается на свое место, при этом выделяя свет. Такие квазичастицы называются светлыми. Другие экситоны прекращают свое существование без выделения света и называются темными. Изучать их сложнее, тем более, что получить группу именно темных экситонов тяжело, ведь «рождаются» оба вида квазичастиц вместе. Однако открытый эффект действует на них по-разному.     

«Оказывается можно эффективно отделять светлые экситоны от темных. Если вы рождаете облачко, которое состоит как из темных, так и из светлых экситонов, оно натыкается на частицы примесей и отклоняется на какой-то угол, начиная лететь к одному из краев образца. Для темных и светлых экситонов отклонения будут разные, и соответственно, можно их изначально разделять на два облачка: светлых и темных экситонов. То есть можно получить чистый темный экситонный газ. Зачем это нам надо? С помощью экситонов можно изучать удивительные состояния материи, которые очень сложно получать с помощью обычных атомов, например, Бозе-Эйнштейновский конденсат», — заключает Валерий Козин.

Константин Крылов

Журналист

Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток

 

Мы знаем, что магниты действуют на проводники, притягивая или отталкивая их. Если магнит поднести к гвоздю, то гвоздь притянется к магниту. В случае, когда мы имеем не просто проводник, а проводник с током, то на него стороннее магнитное поле тоже будет действовать, заставляя двигаться.

Эксперименты по обнаружению магнитного поля

Это установили в результате неоднократных экспериментов, подвешивая способную свободно двигаться рамку с током в поле постоянного магнита. При пропускании тока через контур, то есть через рамку, она отклонялась от своего первоначального положения.

При отключении тока или удалении магнита рамка возвращалась в свое начальное положение. То есть магнит обусловливал перемещение в пространстве проводника с током. Такой эффект может быть использован для обнаружения магнитного поля по его действию на электрический ток.

При проведении экспериментов в контуре с током меняли направление тока, а также по-разному устанавливали магнит возле рамки. При этом рамка отклонялась по-разному. Установили, что направление ее отклонения, а, следовательно, и направление действия магнитного поля на проводник с током, связано с направлением тока в контуре и направлением магнитных линий.

«Правило левой руки»

Для нахождения направления этого действия можно применять «правило левой руки». Правило левой руки в физике выглядит следующим образом:

Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по току, то отставленный на 90˚ большой палец покажет направление действующей на проводник силы.

При этом надо помнить, что направление электрического тока это направление движения положительных зарядов, а не электронов. Ток всегда направлен от положительного полюса источника к отрицательному. В растворах электролитов при пропускании тока за его направление принимается движение положительных ионов.

Соответственно, из данного правила можно найти не только направление действия силы магнитного поля на проводник с током, но и направление тока, если известны направление линий магнитного поля и направление его действия на контур, а также можно определить, куда направлены линии магнитного поля, если известно, куда течет ток, и куда движется контур с током. То есть правило левой руки одинаково справедливо и применимо для всех его участников.

Следует отметить еще то, что для возникновения действующей на проводник с током силы, линии магнитного поля не должны быть параллельны или совпадать с направлением тока в цепи. Максимальное воздействие магнитное поле окажет, если его линии будут перпендикулярны направлению тока.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Направление тока и направление линий его магнитного поля
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspИндукция магнитного поля: формула, от чего зависит, линии индукции

Проявить магнитное поле: ученые НИТУ «МИСиС» создали уникальный прибор, позволяющий визуализировать магнитное поле

Научному коллективу НИТУ «МИСиС» удалось решить проблему определения магнитных полей в пространстве: при помощи разработанного магнитометра можно получать точную информацию о силе, конфигурации, величине и даже дефектах магнитного поля. Прибор будет применяться для тестирования магнитных полей и создания оптимальной конфигурации магнитной системы при создании экономичных и массовых моделей магнитно-резонансных томографов (МРТ) для городских поликлиник и частных медицинских кабинетов.

Точное определение магнитного поля и его параметров является важным условием развития современных технологий — автоматизация промышленной техники и системы определения координат, магнитные карты и сотовые телефоны — все они и многие другие основаны на определении магнитного поля Земли. Мощное магнитное поле удерживает конструкцию во время сварочных или монтажных работ, определяет дефекты в стратегических объектах: полотне железной дороги, трубопроводах, мостах, с его помощью достигнут рекорд скорости наземного транспорта — 603 км/ч, которую развивает знаменитый шанхайский поезд-маглев и тд.

Однако существующие методы обнаружения и оценки магнитных полей, так называемые методы «декорации» (например, магнитная жидкость и пластины) весьма условны, и не дают точной информации. Чтобы определить распределение магнитных полей в пространстве, требуется применение специальных приборов. Именно эту проблему и удалось решить коллективу инженеров кафедры цветных металлов и золота НИТУ «МИСиС».

«Сканирующий магнитометр, созданный в нашей лаборатории, представляет собой немагнитную сканирующую систему на основе 2D-плоттера, трехкомпонентный датчик магнитного поля и систему сбора данных, — рассказал руководитель проекта, научный сотрудник кафедры цветных металлов и золота НИТУ „МИСиС“ к.ф.-м.н. Сергей Гудошников. Оригинальность прибора заключается в том, что при его изготовлении широко распространенные модули используются в новом качестве — для визуализации локальных магнитных различных магнитных объектов».

Сканирующий магнитометр позволяет измерить компоненты магнитного поля вблизи поверхности исследуемого объекта, после чего по этим данным можно построить картину магнитного поля для каждой точки. Например, на рисунке 2, полученным при помощи созданного магнитометра, можно увидеть как выглядит магнитное поле над полюсом магнита.

Как можно использовать эти данные? Например, можно измерить магнитное поле и, при наличии неоднородностей поля, обнаружить возможные дефекты.

Сканирующий магнитометр, разработанный в НИТУ «МИСиС» будет применяться для тестирования магнитных полей и создания оптимальной конфигурации магнитной системы при создании экономичных и массовых моделей магнитно-резонансных томографов (МРТ). Такие МРТ, в отличие от основанных на сверхпроводящих системах, будут на порядок дешевле в обслуживании, и планируются к массовому применению в городских поликлиниках и частных медицинских кабинетах.

Прибор уже прошел лабораторные испытания и используется для тестирования постоянных магнитов в системах «низкополевого» магниторезонансного томографа (МРТ).

Работа проведена при финансовой поддержке Министерства науки высшего образования Российской Федерации в рамках выполнения обязательств по Соглашению о предоставлении субсидии от 26 сентября 2017 г. № 14.578.21.0255 (уникальный идентификатор соглашения RFMEFI57817X0255).

Как обнаружить магнитное поле

Обнаружить постоянное магнитное поле можно несколькими способами. Определить присутствие повышенного постоянного магнитного поля (выше уровня магнитного поля земли) возможно по реакции магнитной стрелки компаса, по показаниям магнитометраDEEPGEOTECH или насыпанной в прозрачную коробочку металлической пыли.Вам понадобится

Для регистрации повышенного уровня постоянного магнитного поля с помощью компаса, расположите его горизонтально вблизи исследуемого объекта. Разблокируйте стрелку компаса. По величине отклонения стрелки компаса от естественного положения определите наличие и примерную величину собственного магнитного поля у исследуемого объекта. Минус данного способа – очень приблизительные результаты измерений.

Насыпьте в прозрачную коробочку металлическую пыль. Плотно закройте её. Поднесите к исследуемому объекту. При наличии у этого предмета собственного магнитного поля металлическая пыль расположится вдоль его (поля) силовых линий. Для определения расположения и ориентации полюсов магнитного поля передвигайте коробочку вдоль исследуемого предмета. Определите расположение полюса магнитного поля по сходящимся силовым линиям. Плюс данного способа – возможность визуально наблюдать ориентацию и направление силовых линий магнитного поля.

Для получения точных количественных значений величины магнитного поля и наличие аномалий воспользуйтесь магнитометром DEEPGEOTECH. Включите прибор. Исследуйте на местности необходимый участок. При появлении магнитной аномалии раздастся звуковой сигнал. Результаты измерений прибора считывайте с его дисплея. При необходимости зафиксируйте параметры (координаты места GPS, время) и результаты измерений напряженности магнитного поля в документе формата EXCEL для дальнейшего исследования на персональном компьютере. Данный способ дает точные количественные результаты измерений, привязанные к координатам на местности. Он позволяет получить документальное подтверждение зафиксированным аномалиям магнитного поля на местности.

Обнаружение магнитного поля Роном Куртусом

SfC Home> Физика> Магнетизм>

Рона Куртуса (от 20 марта 2020 г.)

Любой источник магнетизма, такой как магнит или электромагнит, окружен магнитным полем . Это поле может быть обнаружено различными устройствами, которые также могут давать информацию о направлении поля и даже его силе.

Простой компас может обнаруживать магнитное поле и указывать его направление.Железные опилки можно использовать, чтобы показать форму магнитного поля. На более сложном уровне гауссметр может обнаруживать поле и указывать его силу, измеряемую в единицах Гаусса.

Вопросы, которые могут у вас возникнуть:

• Как компас обнаруживает магнитное поле?
• Как железные опилки демонстрируют магнитное поле?
• Что такое гауссметр?

Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Конвертация единиц

---

---

Компас обнаруживает поле

Компас — это просто тонкий магнит или намагниченная железная игла, балансирующая на оси.Его можно использовать для обнаружения небольших магнитных полей. Игла будет вращаться, чтобы указывать на противоположный полюс магнита. Он может быть очень чувствителен к небольшим магнитным полям.

Использование компаса для отображения магнитного поля

Когда вы подносите компас к предмету, который предположительно намагничен или имеет магнитное поле, компас повернется и укажет на соответствующий полюс объекта.

Стрелка компаса притягивается к полюсу N магнита

Известный эксперимент показал, что провод, по которому проходит постоянный электрический ток, создает магнитное поле.Когда было включено электричество, соседний компас сдвинулся, чтобы указать на наличие магнитного поля.

Земля — ​​огромный магнит

С помощью компаса выяснилось, что Земля — ​​это огромный магнит. Северный полюс стрелки компаса всегда будет указывать на северный магнитный полюс Земли.

Железные опилки демонстрируют поле

Разложив мелкие железные опилки или пыль на листе бумаги, положенном поверх магнита, вы можете увидеть очертания магнитных силовых линий или магнитного поля.Картинка внизу

Железные опилки и компасы показывают форму и направление магнитного поля

Этот эксперимент также показывает, что магнетизм действует через многие материалы, например бумагу. Сработал бы эксперимент, если бы для посыпания опилок использовали лист железа? А как насчет алюминиевой фольги?

Гауссметр измеряет поле

Гауссметры используются для измерения напряженности магнитного поля. Они используют электронный чип, называемый устройством на эффекте Холла, который излучает крошечный электрический ток при воздействии магнитного поля.Ток усиливается с помощью электронной схемы, а счетчик показывает количество гаусс (единиц напряженности магнитного поля).

Эти устройства используются для обнаружения и измерения магнитных полей в научных экспериментах, в промышленности и даже в домах людей.

Сводка

Магнитные объекты окружены магнитным полем. Устройства могут обнаруживать поле, а также предоставлять информацию о направлении поля и даже его силе. Компас может обнаруживать магнитное поле и указывать его направление.Железные опилки могут отображать форму магнитного поля. Гауссметр может обнаруживать поле и указывать его силу.

---

Следуй за своим компасом к успеху

---

Ресурсы и ссылки

Полномочия Рона Куртуса

Сайтов

Как работают компасы

Создайте свой собственный Gaussmeter — Домашние инструкции

Недорогой гауссметр — Не так уж и дешево, но вы можете увидеть информацию о гауссметре

Ресурсы магнетизма

Книги

Книги по магнетизму с самым высоким рейтингом

---

Вопросы и комментарии

Есть ли у вас какие-либо вопросы, комментарии или мнения по этой теме? Если да, отправьте свой отзыв по электронной почте.Я постараюсь вернуться к вам как можно скорее.

---

Поделиться страницей

Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:

---

Студенты и исследователи

Веб-адрес этой страницы:
www.school-for-champions.com/science/
магнитный_detection.htm

Пожалуйста, включите его в качестве ссылки на свой веб-сайт или в качестве ссылки в своем отчете, документе или тезисе.

Авторские права © Ограничения

---

Где ты сейчас?

Школа чемпионов

Магнетизм темы

Обнаружение магнитного поля

---

Обнаружение магнитных полей — Магнитные поля — CCEA — Редакция GCSE Physics (Single Science) — CCEA

Силовые линии магнитного поля также можно обнаружить с помощью магнитного компаса.

Компас содержит небольшой стержневой магнит на оси, так что он может вращаться.

Стрелка компаса указывает направление магнитного поля Земли или магнитного поля магнита.

Магнитные поля можно нанести на карту с помощью небольших компасов для черчения:

1. Поместите компас для черчения на лист бумаги рядом с магнитом.
2. Отметьте направление стрелки компаса.
3. Переместите компас для черчения во множество различных положений в магнитном поле, каждый раз отмечая направление стрелки.

Стрелка компаса для черчения указывает на южный полюс магнита.

Рисование диаграмм магнитного поля

На схеме показано магнитное поле вокруг стержневого магнита.

Силовые линии магнитного поля вокруг стержневого магнита

На схеме показаны следующие ключевые особенности:

• силовые линии магнитного поля никогда не пересекают друг друга;
• чем ближе линии вместе, тем сильнее магнитное поле — магниты сильнее всего на полюсах;
• линии имеют стрелки, показывающие направление магнитного поля;
• направление магнитного поля в точке — это направление силы на северный полюс в этой точке;
• линии магнитного поля направлены от северного полюса магнита к его южному полюсу.

Два стержневых магнита

На этой диаграмме показана картина магнитного поля при использовании двух магнитов.

Силовые линии магнитного поля для полей с участием двух магнитов

Однородное магнитное поле

Когда силовые линии магнитного поля параллельны и на одинаковом расстоянии друг от друга, мы говорим, что магнитное поле однородно. Это показано на диаграмме:

линий магнитного поля в однородном поле

Сверхчувствительное устройство для обнаружения магнитных полей — ScienceDaily

Группа физиков Университета Брауна разработала новый тип компактного сверхчувствительного магнитометра.По словам исследователей, новое устройство может быть полезно во множестве приложений, связанных со слабыми магнитными полями.

«Почти все вокруг нас генерирует магнитное поле — от наших электронных устройств до наших бьющихся сердец — и мы можем использовать эти поля для получения информации обо всех этих системах», — сказал Ган Сяо, председатель факультета физики Брауна и старший Автор статьи с описанием нового устройства. «Мы обнаружили класс сверхчувствительных датчиков, которые при этом небольшие, недорогие в изготовлении и не потребляют много энергии.Мы думаем, что у этих новых датчиков может быть много потенциальных применений ».

Новое устройство подробно описано в статье, опубликованной в Applied Physics Letters . Ведущими авторами исследования были аспирант Браун Иоу Чжан и доктор наук Кан Ван.

Традиционный способ измерения магнитных полей — это так называемый эффект Холла. Когда проводящий материал, по которому проходит ток, вступает в контакт с магнитным полем, электроны в этом токе отклоняются в направлении, перпендикулярном их потоку.Это создает небольшое перпендикулярное напряжение, которое может использоваться датчиками Холла для обнаружения магнитных полей.

В новом устройстве используется двоюродный брат эффекта Холла, известного как аномальный эффект Холла (AHE), который возникает в ферромагнитных материалах. В то время как эффект Холла возникает из-за заряда электронов, АЭХ возникает из-за спина электрона, крошечного магнитного момента каждого электрона. Эффект заставляет электроны с разными спинами рассеиваться в разных направлениях, что приводит к небольшому, но обнаруживаемому напряжению.

В новом приборе используется ультратонкая ферромагнитная пленка из атомов кобальта, железа и бора. Спины электронов предпочитают быть выровненными в плоскости пленки, что называется анизотропией в плоскости. После обработки пленки в высокотемпературной печи и в сильном магнитном поле спины электронов имеют тенденцию ориентироваться перпендикулярно пленке с так называемой перпендикулярной анизотропией. Когда эти две анизотропии имеют равную силу, спины электронов могут легко переориентировать себя, если материал входит в контакт с внешним магнитным полем.Эту переориентацию электронных спинов можно обнаружить по напряжению АЭХ.

Не требуется сильное магнитное поле, чтобы перевернуть спины в пленке, что делает устройство довольно чувствительным. На самом деле, по словам исследователей, он в 20 раз более чувствителен, чем традиционные датчики на эффекте Холла.

Ключом к тому, чтобы устройство работало, является толщина пленки кобальт-железо-бор. Слишком толстая пленка требует более сильных магнитных полей для переориентации электронных спинов, что снижает чувствительность.Если пленка слишком тонкая, электронные спины могут переориентироваться сами по себе, что приведет к отказу датчика. Исследователи обнаружили, что оптимальное значение для толщины составляло 0,9 нанометра, то есть примерно четыре или пять атомов.

Исследователи считают, что это устройство может найти широкое применение. Одним из примеров, который может быть полезным для врачей, является магнитный иммуноанализ, метод, использующий магнетизм для поиска патогенов в образцах жидкости.

«Поскольку устройство очень маленькое, мы можем разместить тысячи или даже миллионы датчиков на одном чипе», — сказал Чжан.«Этот чип может тестировать множество разных вещей одновременно на одном образце. Это сделало бы тестирование проще и дешевле».

Другое приложение может быть частью текущего проекта в лаборатории Сяо, поддерживаемого Национальным научным фондом. Сяо и его коллеги разрабатывают магнитную камеру, которая может делать изображения магнитных полей, создаваемых квантовыми материалами, в высоком разрешении. Такой подробный магнитный профиль поможет исследователям лучше понять свойства этих материалов.

«Как и в обычной камере, мы хотим, чтобы в нашей магнитной камере было как можно больше пикселей», — сказал Сяо. «Каждый магнитный пиксель в нашей камере представляет собой отдельный магнитный датчик. Датчики должны быть небольшими, и они не могут потреблять слишком много энергии, поэтому этот новый датчик может быть полезен в нашей камере».

Исследование было поддержано Национальным научным фондом (OMA-1936221).

Рассказ Источник:

Материалы предоставлены Университетом Брауна . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Как измерить магнитное поле?

Есть магнитное поле, и вам нужно измерить его силу. Но как? Вот несколько вариантов.

Магнитный компас

Когда я был ребенком, у нас были такие вещи, которые назывались компасами. Это просто магнитная игла внутри футляра, которая может свободно вращаться. Поскольку магнитное поле может оказывать крутящий момент на другой магнит, эта стрелка будет выровнена в направлении чистого магнитного поля.Для чего нужен компас? Так уж получилось, что Земля создает магнитное поле, которое в основном постоянное в данном месте. Затем компас можно использовать для определения направления. Вот что самое интересное, компас работает даже под водой (попробуйте это с телефоном — на самом деле, вам, вероятно, не стоит).

Компас показывает не значение чистого магнитного поля, а только направление. Итак, как получить из этого величину определенного поля? Уловка состоит в том, чтобы принять значение магнитного поля Земли и направление компаса.Предположим, что в этом месте на Земле магнитное поле направлено прямо на север с горизонтальной составляющей примерно 2 x 10 ^-5 T.

Теперь предположим, что я что-то делаю для создания магнитного поля в известном направлении и перпендикулярно горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Вот пример, когда я протянул токопроводящий провод прямо над стрелкой компаса. Поскольку компас находится под проводом, магнитное поле, создаваемое проводом, будет составлять 90 ° по отношению к магнитному полю Земли.

Фото: Rhett Allain

Теперь, когда в проводе есть ток, стрелка компаса будет отклонена в направлении чистого магнитного поля.

Если вы точно знаете, что два магнитных поля перпендикулярны, то на основе полученного прямоугольного треугольника вы можете сказать следующее:

Если вы не знаете направление магнитного поля, вы пытаетесь Измерьте, этот метод не сработает. Кроме того, если магнитное поле очень мало или очень велико по сравнению с горизонтальной составляющей Земли, вы не получите очень точного результата.

iPhone Compass

iPhone также имеет приложение компаса.

Скриншот приложения компаса для iPhone

Можно ли использовать этот компас так же, как настоящий компас? да. Однако в своем простом тесте я обнаружил, что цифровой компас iPhone не очень хорошо реагирует на изменения магнитных полей. Есть еще одно приложение, которое работает немного лучше — xSensor (iOS).

Скриншот приложения xSensor для iOS

Отображает компоненты x, y и z магнитного поля.Но как это работает? Ответ в том, что в телефоне есть датчик Холла (ну, действительно, три). Что такое эффект Холла? Хорошо, давай сделаем это. У этого эффекта много деталей, и я не хочу начинать с нуля. Вот с чего я хотел бы начать (но каждый элемент, вероятно, может быть целым сообщением в блоге).

Обнаружение магнитного поля Земли | Магнитоприемник

• Эксперимент с 36 людьми показывает, что некоторые люди могут обнаруживать магнитное поле Земли.
• Чувства человека специализированы и развиты, но магнитоприемник еще никто не измерял.
• Субъектов обследовали в специально оборудованной клетке Фарадея, заполненной электрическими катушками.

---

Могут ли некоторые люди почувствовать магнитное поле Земли ? Факты свидетельствуют о том, что помимо довольно многих видов животных, люди могут быть — да, это настоящий термин — магниторецепторов . В недавнем исследовании ученые провели эксперимент, в ходе которого измерили, как альфа-волны взаимодействуют с микроэлементами, которые, по их мнению, регистрируют магнетизм.

Когда-то ученых считали, что магниторецепция у животных тоже невозможна. Когда они начали понимать, что птиц и других животных использовали магниторецепцию для навигации в мире, они все еще думали, что люди не могут это сделать.

Но и это предположение, кажется, тоже заслуживает внимания. В прошлом году в эксперименте — кончик шляпы перед Gizmodo , чтобы снова его откопать — исследователя построили специально оборудованную клетку Фарадея, в которой испытуемые были оснащены датчиками ЭЭГ.Внутри клетки они разместили катушки, которые в активном состоянии генерируют магнитное поле. Катушки можно было переключить в «фиктивный режим» без магнитного поля, но в остальном это выглядело и ощущалось так же.

Внутри испытуемые расслабились в темной тихой комнате. «Во время экспериментов участники сидели с закрытыми глазами в полной темноте. Участники были слепы к активному и фиктивному режимам, последовательностям испытаний и срокам начала испытаний. В экспериментальной камере было темно, тихо и изолированно от диспетчерской во время экспериментов », — объясняют исследователи.

Все испытуемые смотрели одинаково, так что не было отклонения направления от реального магнитного поля. Затем они были охвачены магнитными силами, пока исследователи регистрировали их мозговые волны.

«Наши результаты показывают, что человеческий мозг действительно собирает и выборочно обрабатывает данные, поступающие от рецепторов магнитного поля», — заключают они. «Такая нейронная активность является необходимой предпосылкой для любого последующего поведенческого выражения магниторецепции и представляет собой отправную точку для проверки того, существует ли такое выражение.”

В своих полных результатах ученые объясняют, что известные магниторецептивные животные воспринимают это ощущение как прямой биологический сигнал: то, как птицы используют его для миграции, или морские черепахи, которые используют его для оценки безопасности своих водных путей. Это включает подсознательные сигналы о том, что локальное поле — это не , а магнитное поле . Вулканы могут генерировать локализованные магнитные поля, и «животное, перемещающееся через подобные магнитные объекты, получит серию предупреждающих сигналов о недопустимости использования магнитного поля для навигации на большие расстояния.”

Исследователи обнаружили такую ​​же закономерность у своих испытуемых. «Избирательность реакции благоприятствовала экологически значимым стимулам, различая вращения, в остальном равные по скорости и величине. Это указывает на то, что эффект вызван биологически настроенным механизмом, а не каким-то общим физическим воздействием », — объясняют они.

Это означает, что человеческие субъекты показали активность мозга, которая реагировала только на имитацию глобального магнитного поля, с таким же отказом от местного магнетизма двуустки.Исходя из этого, исследователи предполагают, что люди развили свое магниторецепцию так же, как и животные: благодаря постоянному использованию и стимулу с течением времени. Это то, что нам служит, а не случайность.

Могут ли люди с магниторецепцией быть последним проявлением унаследованной черты времен охотников-собирателей? Мы пока этого не знаем, но исследователи надеются на будущие эксперименты: «Полная степень этого наследства еще предстоит раскрыть».

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

У людей есть магнитный датчик в наших глазах, но можем ли мы обнаружить магнитные поля?

У многих птиц компас в глазах. Их сетчатка наполнена белком, называемым криптохромом, который чувствителен к магнитным полям Земли. Возможно, что птицы могут буквально видеть этих полей, наложенных поверх их обычного зрения. Это замечательное чувство позволяет им не терять ориентацию, когда других ориентиров не видно.

Но криптохром не уникален для птиц — это древний белок, имеющий разновидности во всех сферах жизни. В большинстве случаев эти белки контролируют суточный ритм. У людей, например, есть два криптохрома — CRY1 и CRY2, которые помогают управлять часами нашего тела. Но Лорен Фоли из Медицинской школы Массачусетского университета обнаружила, что CRY2 может использоваться как магнитный датчик.

Фоли работал с мух Drosophila , которые обычно могут определять магнитные поля с помощью криптохома.Вы можете показать это, поместив их в искусственное магнитное поле и научив двигаться в определенном направлении в поисках еды. Обычные мухи легко справляются с этим. Мутанты, у которых нет гена cry , который вырабатывает белок криптохром, теряют способность находить себе пищу.

Чтобы восстановить их внутренний компас, Фоли просто должен дать мутантам дополнительные копии cry . Но она обнаружила, что человеческая версия гена работает точно так же. Когда она загрузила своих мутантов-мух человеческим CRY2, она обнаружила, что они чувствуют магнитные поля, как и их обычные сверстники.Фоли также обнаружил, что криптохром человека чувствителен к синему свету. Ему удалось восстановить магнетизм мух только тогда, когда они купались в этом цвете.

Эти простые эксперименты показывают, что человеческий криптохром может действовать как магнитный датчик. Это не значит, что это так, не говоря уже о том, что люди могут ощущать магнитные поля. Включение человеческого криптохрома в инопланетную среду, такую ​​как тело мухи, очень мало говорит вам о том, что он делает в своей естественной среде.

Розвита Вильчко, одна из ученых, впервые открывших магнитное чутье птиц, говорит: «Чтобы почувствовать магнитное поле, нужна не только молекула, такая как криптохром, но и устройство, которое улавливает изменения в этой молекуле и передает его в мозг. Drosophila явно есть этот аппарат, а люди? У меня есть сомнения ». Стивен Репперт, возглавлявший новое исследование, также осторожен. Однако он отмечает, что Cry2 очень активен в сетчатке глаза человека. «Он прекрасно чувствует свет, но мы не знаем, есть ли у него нисходящие пути, передающие магнитную информацию в мозг. Возможность существует ».

Радикальная идея

Связи между светом, криптохромом и магнитным чувством были изложены Клаусом Шультеном и Торстеном Ритцем в 2000 году в бравурной статье, объединившей биологию и квантовую физику.Они предположили, что когда на криптохром попадает синий свет, он передает один из своих электронов молекуле-партнеру, называемой FAD. Электроны обычно вальсируют парами, но благодаря свету криптохром и FAD теперь имеют одинокие электроны. Их называют «радикальной парой».

Электроны также обладают свойством, называемым «спином». В радикальной паре спины двух одиночных электронов связаны — они могут вращаться вместе или в противоположных направлениях. Эти два состояния имеют разные химические свойства, радикальная пара может переключаться между ними, и угол магнитного поля Земли может влиять на эти изменения.При этом он может повлиять на результат или скорость химических реакций с участием радикальной пары. Это один из способов воздействия магнитного поля Земли на живые клетки. Это объясняет, почему магнетизм животных, таких как птицы, связан со зрением — в конце концов, криптохром находится в глазу, и свет превращает его в радикальную пару.

Несколько экспериментов за последние несколько десятилетий подтвердили теорию Шультена и Ритца. Работа Фоули также кажется подходящей — человеческий криптохром может поддерживать у мух магнитное чутье, что зависит от синего света.Но Вильчко считает, что использование человеческого белка — отвлекающий маневр. «Все криптохромы должны быть светочувствительными, а поскольку они образуют радикальные пары, они должны быть чувствительны к магнитным полям. Авторы описывают внутренние свойства криптохрома. Использование человеческого криптохрома — отличная шутка! »

Действительно, Репперт говорит: «Из всех криптохромов, о которых можно подумать, человеческий казался наиболее интересным. Мы думали, что если это сработает, это могло бы возродить некоторый интерес к магниторецепции у людей, который практически снизился до нуля.”

Могут ли люди чувствовать магнитные поля?

В настоящее время принято считать, что люди не могут ощущать магнитные поля. Это могут делать птицы, летучие мыши, черепахи, муравьи, землекопы, акулы, скаты и многие другие. Недавно чешские ученые предположили, что такой же способностью обладают лисы, коровы и олени. Но посмотрите на все недавние обзоры в этой области, и вы увидите очень мало упоминаний о нашем собственном виде. Десять лет назад немецкая группа показала, что наше видение в одних направлениях немного более чувствительно, чем в других, но результаты не прижились.

Так было не всегда. В 1980-х годах Робин Бейкер из Манчестерского университета провел серию экспериментов, которые, казалось, показали, что люди могут ощущать магнитные поля. Он взял автобус с добровольцами с завязанными глазами в извилистое путешествие на несколько километров, прежде чем попросить их указать путь домой. Они делали это чаще, чем ожидалось, и если они носили магниты на головах, их точность падала.

Результаты были опубликованы в Science , и вы можете прочитать собственное описание его исследования Бейкером в этом выпуске New Scientist за 1980 год.Он даже написал об этом книгу. В то время Бейкер сказал: «Какими бы ни были последствия, у нас нет другого выхода, кроме как серьезно отнестись к возможности того, что Человек обладает магнетическим чувством направления».

К сожалению, главным ответом стала серия ожесточенных опровержений. В течение следующего десятилетия нескольким группам по всему миру не удалось повторить результаты Бейкера, хотя у самого Бейкера не было проблем с этим. Он утверждал, что их отказ мог быть вызван локальными магнитными аномалиями или кратковременными изменениями силы магнитного поля из-за солнечной активности.

Американский дуэт — Гулд и Эйбл — из милосердия предположил, что британские студенты Бейкера «либо имели в наличии подсказки, которые отсутствовали в наших экспериментах, либо значительно лучше американцев использовали любые подсказки, которые могут быть задействованы». Макс Вестби и Карен Партридж, которым не удалось повторить результаты Бейкера в Шеффилде, были менее любезны. «Возможно, это зависит от того, на какой стороне Пеннинских холмов будут проводиться эксперименты?» они спросили. «Очевидно, что чрезвычайно трудно опровергнуть все мыслимые объяснения отрицательного результата, но мы вынуждены задаться вопросом об экологической важности магнитного чувства, существование которого так трудно продемонстрировать.

В конце концов, Бейкер уступил и перешел к науке о сперме. Когда я говорил с ним о новом исследовании, он признался, что отстает от этой области. «Я провел почти десять лет, протестировал тысячи людей в самых разных условиях и не имел абсолютно никаких сомнений. Затем люди провели несколько тестов здесь и там и заявили, что эксперименты не повторяются », — говорит он. «Даже после того, как я собрал результаты всех остальных и опубликовал их вместе, они действительно представляли собой успешное воспроизведение, и никто не хотел знать.Там был элемент «Да пошли они к черту» ».

Репперт считает, что история Бейкера неудачна, тем более что он остановился как раз тогда, когда другие начали открывать световые магнитные датчики. «Я считаю, что работа Бейкера была очень хорошей, но у многих людей были проблемы с воспроизведением ее аспектов», — говорит Репперт. «Просто очень сложно проводить такого рода поведенческие эксперименты на людях».

Самое трудное чувство

Магниторецепция должна быть одним из самых трудных для изучения чувств животных.Торстен Ритц говорит: «Основные вещи, которые вы делаете в других смыслах, не имеют смысла, когда дело доходит до магниторецепции. Почти все остальные чувства связаны с открытием в костной структуре — глазами, ушами и так далее. Магнитное чувство может находиться в любом месте тела, потому что магнитное поле проникает в тело ».

Чтобы усложнить ситуацию, мы действительно не знаем, для чего можно было бы использовать магнитное чувство. Птицам и черепахам кажется очевидным, что внутренний компас поможет им ориентироваться во время длительных миграций.Но на самом деле это не относится к людям, и мы знаем, что заблудшие люди обычно ходят по кругу, когда другие ориентиры недоступны.

Но навигация — не единственное применение магнитного чувства. Недавно Джон Филипс предположил, что животные могут использовать магнитные поля для оценки расстояний в гораздо меньших масштабах. В самом деле, вполне возможно, что лисы могли использовать магнитный дальномер, чтобы определять расстояние, на которое они нападают, когда их добыча скрыта снегом.

Очевидно, что магнитные чувства останутся привлекательными и спорными еще многие годы.Бейкер покинул поле, но он все еще заинтригован этим. «Я был бы очень рад, если бы кому-то удалось оправдать эти десять лет работы, потому что я до сих пор не сомневаюсь, что это реальный феномен», — говорит он. «Эта новая статья очень далека от оправдания, но просто прочитать кого-то, кто сказал, что человеческая магниторецепция заслуживает еще одного взгляда, доставило мне краткую волну удовлетворения».

Ссылка: Foley, Gegear & Reppert. 2011. Криптохром человека проявляет светозависимую магниточувствительность.Nature Communications http://dx.doi.org/10.1038/ncomms1364

Изображения Дж. Дж. Харрисона и Бисварупа Гангули

Новая машина использует магнитное поле Земли для обнаружения химикатов | Новости Министерства энергетики США

15 марта 2021 г.

Портативный и доступный по цене инструмент поможет ученым, промышленности и правительствам легко обнаруживать и идентифицировать следовые количества химических веществ.

Министерство энергетики / Лос-Аламосская национальная лаборатория

Деррик Касеман работает над устройством ERDE, которое использует магнитное поле Земли для измерения уникальных сигнатур химических веществ.Этот портативный прибор размером с микроволновую печь. (Источник: Лос-Аламосская национальная лаборатория)

ЛОС-АЛАМОС, Нью-Мексико, 15 марта 2021 г. — Спектроскопический прибор, разработанный Национальной лабораторией Лос-Аламоса, позволяет ученым, промышленности и правительствам расшифровывать даже следовые количества химикатов, используя собственное магнитное поле Земли. Названный прибором для обнаружения и оценки резонанса земного поля (ERDE, что по-немецки означает «Земля»), этот прибор является наиболее чувствительной, доступной и портативной технологией в своем роде, способной обнаруживать ряд химических веществ, в том числе те, что обычно используется в научных лабораториях, в биологическом оружии и даже в незначительных следах инсектицидов в питьевой воде.

«Использование магнитного поля Земли позволяет нам делать несколько вещей, которые раньше были невозможны», — сказал Деррик Касеман, ученый из Лос-Аламоса и соруководитель проекта ERDE. «Он обеспечивает идеальную магнитную среду для высокоточного обнаружения и идентификации химических веществ, в то же время позволяя спектрометру быть намного меньше и, следовательно, легко переносимым по сравнению с другими спектрометрами, доступными в настоящее время на рынке, которые выполняют аналогичный подробный анализ».

ERDE работает так же, как аппарат магнитно-резонансной томографии или МРТ, обычно используемый в больницах.МРТ используют большие магнитные поля для отображения химических соединений в организме, в основном воды. Это может быть сделано потому, что ядра некоторых молекул, таких как водород в h3O, вращаются с определенной скоростью в магнитных полях. В зависимости от расположения атомов водорода в организме (например, жировые отложения по сравнению с мышцами) и того, с чем они химически связаны (например, кислород в h3O), их скорости будут различаться, что позволяет магниту МРТ реагировать на их уникальную частоту. . В результате получается подробное изображение химических соединений, из которых состоят органы, ткани и другой биологический материал.

ERDE работает аналогично, за исключением того, что он распознает химические соединения в гораздо меньшем объеме. Прибор спектроскопии ERDE, немного больше, чем микроволновая печь, работает, пропуская образец через небольшой набор магнитов, который помогает формировать сигнал во вращающихся ядрах. Химический образец быстро перемещается в небольшую коробку, которая использует естественное магнитное поле Земли. Это та же сила, которая направляет стрелку компаса на север. Затем обнаруживается взаимодействие химического вещества с магнитным полем Земли.

В современных спектроскопических технологиях для портативности используются только постоянные магниты, что делает их менее чувствительными к химическому обнаружению. Высокочувствительные спектрометры, в которых используются сверхпроводящие магниты, такие как МРТ, слишком велики, чтобы их можно было переносить, иногда они достигают двух этажей в высоту. Хотя они очень точны, они полагаются на ограниченные и дорогие криогенные жидкости, такие как гелий и азот, которые нельзя переносить.

Однако

ERDE легко использовать в различных условиях, например, на рабочем столе в лаборатории, где ученые могут тестировать разработанные ими химические соединения.Он может быть развернут в районах, где есть подозрения в применении химического оружия правительством, террористической группой или убийцей, как это было недавно во время гражданской войны в Сирии или отравлений Скрипаля и Навального.

ERDE также легко позволяет регулирующим органам гарантировать, что компания использует только разрешенные химические вещества в продукте. Кроме того, он может непрерывно контролировать водопроводную воду по трубам на насосной станции, чтобы предотвратить попадание химических соединений, используемых в пестицидах и других токсичных материалах, в дома людей.

###

О Лос-Аламосской национальной лаборатории

Лос-Аламосская национальная лаборатория, многопрофильное исследовательское учреждение, занимающееся стратегической наукой от имени национальной безопасности, управляется Triad, ориентированной на общественные услуги научной организацией в области национальной безопасности, которой в равной степени владеют три ее учредителя: Battelle Memorial Institute (Battelle), Система Техасского университета A&M (TAMUS) и регенты Калифорнийского университета (UC) Национального управления ядерной безопасности Министерства энергетики США.