Как создается магнитное поле: Страница не существует

Как и почему создается магнитное поле?

Проще говоря, магнитное поле создается, когда заряженные частицы движутся. Вот почему мы можем сделать электромагниты : движущиеся электроны создают магнитное поле.

Так что же делает магнит … магнитным даже без тока? Ну, электроны в материале движутся в атоме, и это создает магнитное поле. Кроме того, электроны имеют собственный магнитный момент, который мы называем спином. Эти эффекты вносят вклад в магнитное поле, создаваемое атомом.

Но если вы заметите, что все материалы содержат эти движущиеся электроны, но не все являются магнитными. Причина, по которой это так, сложнее, чем то, что я представляю, но это полезная картина, которую нужно иметь в виду.

В атомах электроны заполняют атомные орбитали в противоположных парах , поэтому в некоторых случаях собственный магнитный момент от спинов компенсируется. Далее, движение электронов описывается их угловым моментом, который в некоторых случаях компенсируется из-за того, как орбитали заполнены (см . Правило Хунда ).

Описание до сих пор основано на атомах, но в твердых телах эти атомы имеют соседей, и они играют роль в количестве углового момента, который вносит вклад в магнитное поле. Вклад от движения электрона (угловой момент) может быть погашен из-за нерадиального потенциала электрического поля , и, таким образом, уменьшает магнитные свойства. Я хотел бы добавить, что описание атомов хорошо работает для твердых редкоземельных металлов (лантаноидов), поскольку 4f-оболочки (которые имеют неспаренные электроны) защищены от эффектов соседних атомов их 5s и 5p-оболочками, поэтому 4f-электроны испытывают радиальное электрическое поле.

Но все эти эффекты не способны описать железные или стальные постоянные магниты, которые мы знаем. То, что происходит в постоянных магнитах (изготовленных из ферромагнитных материалов), совершенно особенное: ферромагнитный материал имеет домены , которые представляют собой области, в которых все атомы имеют магнитный момент, указывающий в определенном направлении. Например, в немагнитном железе эти домены ориентированы случайным образом, поэтому эффекты нейтрализуются, и у него нет магнитных свойств. Но если вы поместите его в магнитное поле, эти домены выровняются и, таким образом, вносят вклад в приложенное магнитное поле, делая поле сильнее. Если вы обводите его постоянным магнитом, вы можете заставить эти домены более или менее указывать в одном и том же направлении, и материал становится постоянным магнитом.

Дело не в ядре: раскрыта тайна магнитного поля Земли | Экология

Учёные заглянули в самое начало эволюции планеты и обнаружили, что её знаменитый антирадиационный щит на самом деле возник не так, как мы привыкли думать.

Как устроена магнитосфера Земли

Планета находится в гигантском облаке смертоносных частиц, идущих от Солнца и от всей Галактики в целом. И мы живём на этой планете потому, что данные частицы на нас не обрушиваются: сильное магнитное поле Земли заставляет их огибать её и следовать дальше в космос. Притом мощный солнечный ветер как бы сплющивает магнитосферу с той стороны, которая смотрит на светило. Но даже при этом она простирается на 70 тысяч километров — это добрый десяток радиусов Земли. А с другой стороны магнитное поле образует и вовсе исполинский шлейф на пару сотен земных радиусов.

Что создаёт магнитное поле Земли

В 1905 году Альберт Эйнштейн назвал этот вопрос одной из главных загадок физики XX века. Надо признать, спустя сто лет нельзя сказать, что она разгадана окончательно. Мы знаем, что магнитное поле возникает там, где есть электрический ток. Значит, планета Земля представляет собой гигантский электрогенератор. Спрашивается, как в недрах возникает это электричество? Самой убедительной считают теорию динамо: сначала от трения потоков расплавленное вещество электризуется, возникает ток — и вместе с ним магнитное поле, а потом эти же потоки проходят сквозь поле — и из-за этого опять возникает ток. И так далее бесконечно. А трение возникает, например, потому, что в жидких (или, скорее, вязких) слоях планеты идёт конвекция: более горячее вещество поднимается кверху, менее горячее опускается вниз. К тому же планета вращается вокруг своей оси, а это неизбежно означает какие-то движения в её разнородных недрах.

Где рождается земной магнетизм

До сих пор мы были уверены, что, разумеется, в ядре. Оно состоит из двух частей: внешней жидкой оболочки из расплавленного железа и сердцевины — она тоже железная, но из-за неимоверного давления твёрдая. И вот при взаимодействии твёрдой и жидкой частей возникает теплообмен, конвективные потоки и, как следствие, электричество. Как известно, железо прекрасно проводит ток, так что всё сходится.

Впрочем, как выясняется, всё, да не всё. Дело в том, что сердцевина стала твёрдой сравнительно недавно — полтора миллиарда лет назад. Но учёные убеждены, что магнитное поле Земли возникло никак не позже 4,2 миллиарда лет назад. По сути, оно родилось вскоре после самой планеты — ей как раз примерно четыре с половиной миллиарда лет. Возник вопрос, что создавало магнетизм на ранних этапах эволюции Земли.

Зацепка появилась в 2007 году. Тогда французские учёные заявили, что нижний слой земной мантии оставался жидким примерно пару миллиардов лет. Сейчас, надо сказать, мантия почти вся твёрдая, опять же из-за давления. Лишь в самой верхней части остаётся вязкая магма, которая иногда вырывается на поверхность из жерл вулканов.

Проблема в том, что даже в виде пластичной жижи мантийное вещество всегда считали очень плохим проводником электричества. Но дело в том, что тестировать его где-то в лаборатории — это совсем не то, что понаблюдать за ним в недрах Земли. Поэтому учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего решили всё выяснить самым, вероятно, продвинутым на сегодняшний день способом — путём вычислений, основанных на принципах квантовой механики. Это позволило смоделировать поведение вещества не здесь, на поверхности, а именно у самого земного ядра. Так вот, выяснилось, что на такой глубине мантия вполне себе электропроводна — во всяком случае, динамо поддерживать может.

Значит, именно мантия изначально защищала Землю своим покрывалом. И без неё жизни на планете могло и не быть.

Самое интересное из мира науки и технологий — в телеграм-канале автора.

Подпишитесь на LIFE

Глава 22. Магнитные взаимодействия. Магнитная индукция. Силы Лоренца и Ампера

Задача 22.1.3. По прямому проводу течет ток (см. рисунок). Как направлен вектор индукции магнитного поля в точке ?

Задача 22.1.4. На рисунке изображен проволочный виток, расположенный в плоскости чертежа. По витку течёт электрический ток в направлении, указанном стрелкой. В центре витка вектор индукции магнитного поля тока направлен

Задача 22.1.5. Отрицательный точечный заряд Кл движется в магнитном поле с индукцией 1 Тл. В некоторый момент времени скорость заряда равна 2 м/с и параллельна вектору индукции магнитного поля. Чему равна в этот момент сила, действующая на заряд со стороны магнитного поля?

Задача 22.1.6. С какой силой однородное магнитное поле с индукцией 1 Тл действует на проводник длиной 1 м, расположенный под углом 30° к вектору индукции при силе тока в проводнике 1 А?

Задача 22.1.7. Четыре прямых проводника с током – 1, 2, 3 и 4 – находятся в однородном магнитном поле (см. рисунок; остальные части электрических цепей, в которые входят эти проводники, не показаны; проводник 4 расположен перпендикулярно магнитному полю, ток по нему течет «на нас»). На какой из этих проводников магнитное поле не действует?

Задача 22.1.8. Положительно заряженная частица влетает в однородное магнитное поле, линии индукции которого и скорость частицы показаны на рисунке (вектор скорости лежит в плоскости чертежа). Как направлена сила, действующая на частицу со стороны магнитного поля?

Задача 22.1.9. В однородном магнитном поле находится прямой проводник с током (см. рисунок; остальная часть электрической цепи, в которую входит этот проводник, не показана). Проводник расположен в плоскости чертежа. Как направлена сила Ампера, действующая на проводник?

Задача 22.1.10. По бесконечному прямому проводу течет ток. На некотором расстоянии от провода, параллельно проводу движется элек-трон (см. рисунок). Как направлена сила, действующая на электрон со стороны магнитного поля провода?

что это такое, как создается, значение

С древних времен известно, что магнитная стрелка, свободно вращающаяся вокруг своей вертикальной оси, всегда позиционируется в определенном направлении в данном месте Земли (если поблизости нет магнитов, проводников электричества или железных предметов). Этот факт объясняется тем, что вокруг Земли существует магнитное поле, и магнитная стрелка устанавливается вдоль его магнитных линий. На этом основан компас, который представляет собой магнитную стрелку, свободно вращающуюся на оси.

Узнайте, что такое магнитное поле Земли, как оно создается и многое другое в этой статье.

Магнитное поле Земли: простое объяснение

Наша планета Земля окружена магнитным полем, которое также называют магнитным полем Земли. Если смотреть со стороны, то магнитное поле Земли по форме напоминает стержневой магнит. Это означает, что вы можете представить себе огромный стержневой магнит под поверхностью Земли, наклоненный к оси вращения Земли. Южный полюс этого магнита направлен в сторону географического северного полюса Земли.

Магнитное поле Земли имеет интенсивность от 30 микротесла (мкТл) до 60 мкТл. Основная часть магнитного поля Земли возникает в жидком внешнем ядре Земли в результате конвекции расплавленного железа.

Помимо обеспечения ориентации по компасу, магнитное поле Земли выполняет еще одну жизненно важную задачу: экранирует солнечный ветер, то есть защищает нас от опасного излучения из космоса. В состав космического излучения, кроме электронов, протонов, входят и другие частицы, движущиеся в пространстве с огромными скоростями.

Как создается магнитное поле Земли?

Основная часть магнитного поля возникает внутри Земли. Поэтому в этом разделе мы сначала покажем вам, как устроено ядро Земли, а затем кратко остановимся на так называемой «теории динамо».

Структура ядра Земли

Вы можете представить себе Землю, разделенную на четыре сферические оболочки и одну сферу (смотрите рисунок 1 ниже). Каждая сферическая оболочка изготовлена из разных материалов и имеет разную толщину. Сфера находится в центре, а четыре сферические оболочки окружают сферу одна за другой. В следующем списке показана структура Земли, начиная с поверхности Земли и заканчивая ее центром.

• Сферическая оболочка 1 — земная кора: толщина 5 — 70 км.
• Сферическая оболочка 2 — верхняя мантия: глубина около 660 км.
• Сферическая оболочка 3 — нижняя мантия: глубина 660 — 2900 км.
• Сферическая оболочка 4 — внешнее ядро: глубина 2900 — 5150 км.
• Сфера — внутреннее ядро Земли: глубина от 5150 до 6371 км.

Рис. 1. Строение Земли

Теория динамо

Внешнее ядро состоит в основном из жидкого, электропроводящего железа. Внешний слой внешнего ядра Земли холоднее внутреннего ядра Земли. Эта разница температур приводит к возникновению конвекционных течений. Это означает, что жидкое железо во внешнем ядре сильно перемещается вперед и назад. К этому движению добавляется ещё и вращение земли.

Следующее наблюдение стало решающим для магнитного поля Земли, а именно, магнитное поле «задерживается» в проводнике. Если проводник движется, магнитное поле должно следовать за ним. Именно это и происходит во внешнем ядре Земли. Внешнее магнитное поле попадает в земное ядро и задерживается жидким железом. Затем это внешнее магнитное поле следует за движениями жидкого железа.

Во внешнем ядре Земли существует градиент вращения: чем ближе вы находитесь к внутреннему ядру, тем быстрее вы вращаетесь вокруг оси вращения Земли. Этот градиент вращения заставляет жидкое железо испытывать силу Кориолиса и, таким образом, отклоняться в спиралевидные траектории. Внешнее магнитное поле следует за этим спиральным движением, образуя искаженные кольца. Такое «магнитное кольцо» соответствует электрическому току. Этот электрический ток, в свою очередь, создает магнитное поле, которое усиливает внешнее магнитное поле. Как итог, создается магнитное поле Земли.

Таким образом, составляющие магнитного поля Земли следующие: конвекционные токи, вращение Земли и электропроводящая жидкость в ядре Земли.

Примечание! Основная идея магнитного поля Земли: уже существующее магнитное поле в ядре Земли приводит к электрическому току. Этот электрический ток, в свою очередь, создает магнитное поле, которое усиливает исходное магнитное поле.

Теперь вам может быть интересно, откуда берется внешнее магнитное поле. На самом деле, малейшего теплового движения во внешнем ядре Земли достаточно для возникновения случайного электрического тока. Затем этот электрический ток создает внешнее магнитное поле, которое усиливается динамо-эффектом и формирует магнитное поле Земли.

Индукция и форма магнитного поля Земли

Индукция магнитного поля Земли составляет от 30 до 60 мкТл. Для сравнения: типичный подковообразный магнит имеет индукция магнитного поля 0,1 тесла; а индукция магнитного поля магнитно-резонансного томографа для использования человеком составляет от 0,35 до 3 тесла.

Форма магнитного поля Земли напоминает форму стержневого магнита (см. рисунок 2). Если смотреть со стороны, то кажется, что внутри Земли находится гигантский стержневой магнит. Он наклонен примерно на 11° относительно оси вращения, а его южный полюс направлен в сторону географического северного полюса Земли.

Рис. 2. Стержневой магнит внутри Земли

Наблюдения показывают, что по мере приближения Земли к географическому северному полюсу магнитные линии магнитного поля Земли все больше наклоняются к горизонту и становятся вертикальными, входя в Землю примерно на 75° северной широты и 99° западной долготы. Южный магнитный полюс Земли сейчас находится в этой точке, примерно в 2100 км от географического северного полюса.

Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

Северный магнитный полюс Земли расположен вблизи географического южного полюса, то есть на 66,5° южной широты и 140° восточной долготы. Здесь магнитные линии магнитного поля Земли покидают Землю.

Поэтому магнитные полюса Земли не совпадают с географическими полюсами Земли. По этой причине направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана. Магнит
Стрелка компаса лишь приблизительно указывает на север.

Есть области земного шара, где направление магнитной стрелки постоянно отклоняется от направления магнитной линии Земли. Эти области называются магнитными аномалиями.

Смена полярности магнитного поля Земли

В этом разделе мы кратко объясним, что имеется в виду под изменением полярности магнитного поля Земли и что это означает для жизни на Земле.

Феномен и значение

Термин «изменение полярности» означает, что положения магнитных полюсов меняются местами. Возьмите стержневой магнит так, чтобы южный полюс был направлен вверх. Теперь поверните стержневой магнит на 180° так, чтобы южный полюс был направлен вниз. Теперь вы успешно изменили полярность магнита.

Рис. 3. Магнитное поле Земли

Исследования горных пород показали, что за последние 84 миллиона лет произошло 183 таких переполюсовки. Последняя смена полюсов произошла 780 000 лет назад. Возможно, сейчас вы спрашиваете себя, не настало ли время для того, чтобы снова произошел разворот полюсов. На самом деле, смена полярности является случайным событием. Это означает, что невозможно точно утверждать, когда это произойдет.

Но предположим, что полярность поменялась. Имеет ли это какое-либо значение для жизни на Земле? В любом случае навигация по компасу вначале работать не будет. У таких животных, как птицы, морские черепахи и киты, вначале также будут проблемы с ориентацией. Но это будет лишь вопросом времени, когда навигация по компасу и ориентация животных снова «выровняются».

Худшие последствия, такие как отказ всех технологий, в настоящее время являются лишь гипотезой. Факт состоит в том, что магнитное поле Земли постепенно ослабевает, а это значит, что всё больше опасной радиации достигает Земли. Однако, точные последствия этого все еще исследуются.

Значение

В этом последнем разделе мы кратко обсудим важные задачи, выполняемые магнитным полем Земли.

Экранирование.

Одной из важнейших задач магнитного поля Земли является защита от солнечного ветра — магнитное поле Земли создает так называемую магнитосферу, которая окружает Землю. Солнечный ветер состоит из высокоэнергетических частиц. Отсутствие экранирования может, например, привести к уменьшению озонового слоя. Этот слой защищает Землю и, соответственно, людей от опасного ультрафиолетового излучения. Поэтому без магнитного поля Земли большее количество такого излучения будет попадать на людей и повышать риск возникновения рака, в том числе.

Ориентация.

Магнитное поле Земли служит не только для защиты, но и для ориентации. Например, с помощью компаса люди могут спланировать свой маршрут через лес. Такие животные, как киты, голуби и медоносные пчелы, используют магнитное поле Земли для ориентации.

Какими способами создается магнитное поле в электродвигателе — Строй Обзор

На чтение 11 мин Просмотров 58 Опубликовано 12.12.2019

Принцип работы электродвигателей. Основные понятия.

Магнетизм

Наиболее характерное магнитное явление — притяжение магнитом кусков железа — известно со времен глубокой древности. Ещё одной очень важной особенностью магнитов является наличие у них полюсов: северного (отрицательного) и южного (положительного). Противоположные полюса притягиваются, а одинаковые — отталкиваются друг от друга.

Магнитное поле

Магнитное поле можно условно изобразить линиями в виде магнитного потока, движущегося от северного полюса к южному. В некоторых случаях определить, где северный, а где южный полюс, достаточно сложно.

Электромагнетизм

Вокруг проводника, при пропускании по нему электрического тока, создаётся магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. Физические законы одинаковы для магнетизма и электромагнетизма.

Магнитное поле вокруг проводников можно усилить, если намотать их на катушку со стальным сердечником. Когда проводник намотан на катушку, все линии магнитного потока, образуемого каждым витком, сливаются и создают единое магнитное поле вокруг катушки.

Чем больше витков на катушке, тем сильнее магнитное поле. Это поле имеет такие же характеристики, что и естественное магнитное поле, а, следовательно, у него тоже есть северный и южный полюса.

Вращение вала электродвигателя обусловлено действием магнитного поля. Основные части электродвигателя: статор и ротор.

Ротор:

Подвижная часть электродвигателя, которая вращается с валом электродвигателя, двигаясь вместе с магнитным полем статора.

Статор:

Неподвижный компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

Вращение под действием магнитного поля

Преимуществом магнитных полей, которые создаются токопроводящими катушками, является возможность менять местами полюса магнита посредством изменения направления тока. Именно эта возможность смены полюсов и используется для преобразования электрической энергии в механическую.

Одинаковые полюса магнитов отталкиваются друг от друга, противоположные полюса — притягиваются. Можно сказать, что это свойство используется для создания непрерывного движения ротора с помощью постоянной смены полярности статора. Ротором здесь, является магнит, который может вращаться.

Чередование полюсов с помощью переменного тока

Чередование полюсов с помощью переменного тока

Полярность постоянно меняется с помощью переменного тока (AC). Далее мы увидим, как ротор заменяется магнитом, который вращается под действием индукции. Здесь важную роль играет переменный ток, поэтому будет полезно привести здесь краткую информацию о нём:

Переменный ток — AC

Под переменным током понимается электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю. Вращающееся магнитное поле можно создать с помощью трёхфазного питания. Это означает, что статор подсоединяется к источнику переменного тока с тремя фазами. Полный цикл определяется как цикл в 360 градусов. Это значит, что каждая фаза расположена по отношению к другой под углом в 120 градусов. Фазы изображаются в виде синусоидальных кривых, как представлено на рисунке.

Трёхфазный переменный ток

Трёхфазное питание — это непрерывный ряд перекрывающихся напряжений переменного тока (AC).

Смена полюсов

На следующих страницах объясняется, как взаимодействуют ротор и статор, заставляя электродвигатель вращаться.

Для наглядности мы заменили ротор вращающимся магнитом, а статор — катушками. В правой части страницы приведено изображение двухполюсного трёхфазного электродвигателя. Фазы соединены парами: 1-й фазе соответствуют катушки A1 и A2, 2-й фазе — B1 и B2 , а 3-й соответствуют C1 и C2. При подаче тока на катушки статора одна из них становится северным полюсом, другая — южным. Таким образом, если A1 — северный полюс, то A2 — южный.

Питание в сети переменного тока

Обмотки фаз A, B и C расположены по отношению друг к другу под углом в 120 градусов.

Количество полюсов электродвигателя определяется количеством пересечений поля обмотки полем ротора. В данном случае каждая обмотка пересекается дважды, что означает, что перед нами двухполюсный статор. Таким образом, если бы каждая обмотка появлялась четыре раза, это был бы четырехполюсный статор и т.д.

Когда на обмотки фаз подаётся электрический ток, вал электродвигателя начинает вращаться со скоростью, обусловленной числом полюсов (чем меньше полюсов, тем ниже скорость)

Вращение ротора

Ниже рассказывается о физическом принципе работы электродвигателя (как ротор вращается внутри статора). Для наглядности, заменим ротор магнитом. Все изменения в магнитном поле происходят очень быстро, поэтому нам необходимо разбить весь процесс на этапы. При прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора в нем создается магнитное поле, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля.

Начав вращение, магнит будет следовать за меняющимся магнитным полем статора. Поле статора меняется таким образом, чтобы поддерживалось вращение в одном направлении.

Индукция

Ранее мы установили, как обыкновенный магнит вращается в статоре. В электродвигателях переменного тока AC установлены роторы, а не магниты. Наша модель очень схожа с настоящим ротором, за исключением того, что под действием магнитного поля ротор поляризуется. Это вызвано магнитной индукцией, благодаря которой в проводниках ротора наводится электрический ток.

Индукция

В основном ротор работает так же, как магнит. Когда электродвигатель включен, ток проходит по обмотке статора и создаёт электромагнитное поле, которое вращается в направлении, перпендикулярном обмоткам ротора. Таким образом, в обмотках ротора индуцируется ток, который затем создаёт вокруг ротора электромагнитное поле и поляризацию ротора.

В предыдущем разделе, чтобы было проще объяснить принцип действия ротора, заменив его для наглядности магнитом. Теперь заменим магнитом статор. Индукция — это явление, которое наблюдается при перемещении проводника в магнитном поле. Относительное движение проводника в магнитном поле приводит к появлению в проводнике так называемого индуцированного электрического тока. Этот индуцированный ток создаёт магнитное поле вокруг каждой обмотки проводника ротора. Так как трёхфазное AC питание заставляет магнитное поле статора вращаться, индуцированное магнитное поле ротора будет следовать за этим вращением. Таким образом вал электродвигателя будет вращаться. Электродвигатели переменного тока часто называют индукционными электродвигателями переменного тока, или ИЭ (индукционными электродвигателями).

Принцип действия электродвигателей

Индукционные электродвигатели состоят из ротора и статора.

Токи в обмотках статора создаются фазовым напряжением, которое приводит в движение индукционный электродвигатель. Эти токи создают вращающееся магнитное поле, которое также называется полем статора. Вращающееся магнитное поле статора определяется токами в обмотках и количеством фазных обмоток.

Вращающееся магнитное поле формирует магнитный поток. Вращающееся магнитное поле пропорционально электрическому напряжению, а магнитный поток пропорционален электрическому току.

Вращающееся магнитное поле статора движется быстрее ротора, что способствует индукции токов в обмотках проводников роторов, в результате чего образуется магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора формируют свои потоки, эти потоки будут притягиваться друг к другу и создавать вращающий момент, который заставляет ротор вращаться. Принципы действия индукционного электродвигателя представлены на иллюстрациях справа.

Таким образом, ротор и статор являются наиболее важными составляющими индукционного электродвигателя переменного тока. Они проектируются с помощью САПР (системы автоматизированного проектирования). Далее мы подробнее поговорим о конструкции ротора и статора.

Статор элетродвигателя

Статор — это неподвижный электрический компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых всё время меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

Все статоры устанавливаются в раму или корпус. Корпус статора электродвигателей Grundfos для электродвигателей мощностью до 22 кВт чаще всего изготавливается из алюминия, а для электродвигателей с большей мощностью — из чугуна. Сам статор устанавливается в кожухе статора. Он состоит из тонких пластин электротехнической стали, обмотанных изолированным проводом. Сердечник состоит из сотен таких пластин. При подаче питания переменный ток проходит по обмоткам, создавая электромагнитное поле, перпендикулярное проводникам ротора. Переменный ток (AC) вызывает вращение магнитного поля.

Изоляция статора должна соответствовать требованиям IEC 62114, где приведены различные классы защиты (по уровням температуры) и изменения температуры (AT). Электродвигатели Grundfos имеют класс защиты F, а при увеличении температуры — класс B. Grundfos производит 2-полюсные электродвигатели мощностью до 11 кВт и 4-полюсные электродвигатели мощностью до 5,5 кВт. Более мощные электродвигатели Grundfos закупает у других компаний, уровень качества продукции которых соответствует принятым в Grundfos стандартам. Для насосов, в основном, используются статоры с двумя, четырьмя и шестью полюсами, так как частота вращения вала электродвигателя определяет давление и расход насоса. Можно изготовить статор для работы с различными напряжениями, частотами и мощностями на выходе, а также для переменного количества полюсов.

Ротор элетродвигателя

В электродвигателях используются так называемые «беличьи колеса» (короткозамкнутые роторы), конструкция которых напоминает барабаны для белок.

При вращении статора магнитное поле движется перпендикулярно обмоткам проводников ротора; появляется ток. Этот ток циркулирует по обмоткам проводников и создаёт магнитные поля вокруг каждого проводника ротора. Так как магнитное поле в статоре постоянно меняется, меняется и поле в роторе. Это взаимодействие и вызывает движение ротора. Как и статор, ротор изготовлен из пластин электротехнической стали. Но, в отличие от статора, с обмотками из медной проволоки, обмотки ротора выполнены из литого алюминия или силумина, которые выполняют роль проводников.

Асинхронные электродвигатели

В предыдущих разделах мы разобрали, почему электродвигатели переменного тока называют также индукционными электродвигателями, или электродвигателями типа «беличье колесо». Далее объясним, почему их ещё называют асинхронными электродвигателями. В данном случае во внимание принимается соотношение между количеством полюсов и числом оборотов, сделанных ротором электродвигателя.

Частоту вращения магнитного поля принято считать синхронной частотой вращения (Ns). Синхронную частоту вращения можно рассчитать следующим образом: частота сети (F), умноженная на 120 и разделенная на число полюсов (P).

Если, например, частота сети 50 Гц, то синхронная частота вращения для 2-полюсного электродвигателя равна 3000 мин-1.

Синхронная частота вращения уменьшается с увеличением числа полюсов. В таблице, приведенной ниже, показана синхронная частота вращения для различного количества полюсов.

Синхронная частота вращения для различного количества полюсов

Число полюсов

Синхронная частота вращения 50 Гц

Синхронная частота вращения 60 Гц

Магнитное поле в электродвигателе

Автор Ёергей Солдатов задал вопрос в разделе Естественные науки

какими способами создается магнитное поле в электродвигателе и получил лучший ответ

Ответ от Alexander Alenitsyn[гуру]
Постоянными магнитами или электромагнитами.

Асинхронная машина — электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод (сердечник). По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из пластин электротехнической стали.

Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 °. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличье колесо» из-за внешней схожести конструкции, состоит из алюминиевых (реже медных, латунных) стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора.

На обмотку статора подаётся переменное напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создаёт вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на обмотку ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в ней ЭДС. В обмотке ротора под действием наводимой ЭДС возникает ток. Ток в обмотке ротора создаёт собственное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый зубец магнитопровода ротора действует сила, которая, складываясь по окружности, создаёт вращающий электромагнитный момент, заставляющий ротор вращаться.

Относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением:

Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой в обмотке ротора возникает ток. На проводники с током этой обмотки, действуют электромагнитные силы; их суммарное усилие образует электромагнитный вращающий момент, увлекающий ротор вслед за магнитным полем.

Электромагнитный момент асинхронного электродвигателя:

В каждой фазной обмотке статора двигателя переменного тока создается магнитное поле, которое пульсирует вдоль оси этой обмотки.

Однако, эти пульсации сдвинуты во времени на 1/3 периода (120 градусов)

Сложение пульсирующих векторов 3х обмоток в каждый момент времени формируют по правилу параллелограмма.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога 9841 — | 7701 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Суть магнитного поля, как и почему создается электромагнитное поле, его природа.

Многие знают о существовании так называемого магнитного поля. Самым распространенным предметом, вокруг которого оно существует является обычный постоянный магнит. Что мы о нем знаем и как он себя обычно проявляет? Это кусок из твердого материала, притягивающий к себе железные предметы. Он может иметь любую форму, ее предают при изготовлении с учетом конкретного предназначения магнита. Магниты имеют полюса — южный и северный. Если взять два куска магнита и попытаться их соединить, то в одном случае они попытаются притянутся друг к другу, а в другом случае они будут стремится оттолкнуться. Одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Помимо этого если одни целый магнит разбить на два куска (не важно, будут ли он и равны или нет) мы получим уже два разных магнита, у которых будут свои магнитные полюса и своя интенсивность притягивания. В этом случае сила магнетизма будет зависеть от размеров этих самых магнитов. Почему же так происходит? В чем заключается суть этих интересных явлений, связанных с магнетизмом?

А суть магнитного поля заключается в следующем. Из школьной физики вы должны были помнить, что существуют так называемые электрические заряды (электроны и ионы). В твердых веществах носителями электрических зарядов являются электроны, а в жидких и газообразных — ионы. Магнитные поля, как и любые другие поля, являются особым видом материи, которая проявляет себя в виде некой силы, невидимой глазу. Хотя точнее будет, пожалуй, говорить электромагнитные поля так как именно в суммарной форме они себя проявляют (электрическое и магнитное поле).

Итак, магнитное поле существует вокруг движущегося электрического заряда. Именно движущегося. Вокруг электрических зарядов, что находятся в статическом состоянии существует только электрическое поле. Но поскольку заряды находятся в постоянном движении, то речь скорей идет о интенсивности этого движения.

Одно дело когда электроны (частицы, имеющие отрицательный электрический заряд) просто сконцентрированы в металлическом шаре (максимальным будет именно электрическое поле вокруг шара) и в этом случае их динамическое движение будет гораздо меньше проявляться нежели в случае их непосредственного движения по проводнику (именно тут мы увидим максимальное магнитное поле) от одного полюса источника питания к другому.

Получается, что суть магнитного поля заключается в его образовании именно вокруг движущихся электрических зарядов. И чем быстрее будет двигаться заряд по проводнику, тем больше будет интенсивность магнитного поля вокруг этого самого заряда. Кроме этого магнитные поля могут суммироваться если они имеют одну и ту же направленность. После чего уже имеем — чем быстрее движется электрический заряд и чем больше количество этих зарядов, движение которых совпадает по направлению, тем сильнее будет электромагнитное поле вокруг этих зарядов (и вокруг этого электрического проводника, по которому они перемещаются).

Теперь можно понять, почему вокруг обычной медной катушки, по которой течет постоянный ток, появляется магнитное поле и от чего зависит его интенсивность. Просто само движение тока, электронов (заряженных частиц с отрицательным знаком) по катушки и порождает электромагнитные поля. И чем больше количество витков у  этой катушки, больше ток, проходящий по ней, тем больше и сила магнитного поля вокруг нее. А почему тогда лампочка, по которой бежит ток, не имеет такого магнитного поля (интенсивного) как у катушки? Просто электрическая энергия у лампочки больше расходуется именно на свет и тепло, и в меньшей степени на электромагнитное поле. В то время как у плотно намотанной, сконцентрированной катушки большая часть электрической энергии тратится именно на создание магнитного поля и совсем незначительная его часть на выделение тепла.

А как работают постоянные магниты? Ведь по ним же не течет ток. Токи есть, только это микротоки, порождаемые движением электронов внутри самого вещества. Тут все дело в однонаправленности этих токов и способности вещества удерживать постоянное состояние этой однонаправленности. Движение электронов присутствует во всех веществах, но вот магнитные свойства проявляются только у тех, которые обладают ферромагнитными свойствами. Ферромагнетики, это вещества, которые легко могут менять (при определенных условиях) и стабильно удерживать определенную внутреннюю структуру своих частиц, влияющую на магнитные свойства этого вещества.

Итак, мы берем вещество, с хорошими ферромагнитными свойствами, помещаем его в постоянное электромагнитное поле высокой интенсивности, после чего наблюдаем перестраивание внутренней структуры этого вещества. Появляется однонаправленность его магнитных частиц. В итоге, это вещество само становится магнитом. Все его внутренние частички (атомы, молекулы) с одной стороны образовали южный магнитный полюс, а с другой стороны — северный. В результате мы получили обычный магнит. Если этот магнит поместить в переменное магнитное поле (большой интенсивности), сильно нагреть, подвергать сильным механическим ударам, то в итоге мы может размагничивать наше ферромагнитное вещество. Оно утратит свои магнитные свойства.

P.S. Электромагнитное поле существует повсюду, оно есть везде. Только вот его интенсивность везде разная и не во всех вещах имеется свойство стабильного поддержания этого магнитного поля. Магниты можно делать из вещей, которые до этого не были таковыми (их просто нужно намагнитить). Либо магнитное поле можно получить за счет пропускания постоянного тока через медную катушку. В этом случае мы уже получим электромагнит. Он будет работать только тогда, когда к нему подключено электрическое питание.

Принципы работы МРТ. Центр МРТ Верум в Ижевске

МРТ является одной из наиболее часто используемых технологий обработки изображений, хотя это относительно новая технология. Первая статья об этой технологии опубликована в 1973 году. Через год после этого первое изображение поперечного сечения живой мыши. Технология была впервые использована на человеческом теле в 1977 году, а с другой стороны, первое рентгеновское изображение человека было получено в 1895 году.

Возникновение технологии МРТ обусловлено большим развитием ядерного магнитного резонанса. Вот почему в первые годы эта технология называлась ядерной магнитно-резонансной томографией (ЯМРТ). Тем не менее, одна важная вещь о МРТ, о которой следует упомянуть, заключается в том, что эта технология не так опасна, как ее звук.

Физические принципы МРТ

Известно, что более 70% человеческого тела образованы молекулами воды, каждая из которых содержит два ядра водорода или протоны. Это означает, что почти в каждом человеческом органе и тканях содержится большое количество молекул воды. Между тем, ученые выяснили, что магнитные моменты некоторых протонов в молекулах воды совпадают с направлением поля, когда он был помещен в сильное магнитное поле. Это привело к тому, что это явление можно использовать для разработки новой передовой медицинской технологии обработки изображений, поэтому была изобретена МРТ. Конечно, чтобы получить изображение человеческого тела, следует использовать другие устройства и технологии.

Прежде всего, необходимо создать очень мощное магнитное поле. Чтобы создать это сильное магнитное поле, нам нужен радиочастотный передатчик. Функция этого устройства заключается в создании электромагнитного поля. Когда большое количество электронов, протекающих по металлическому кольцу вокруг устройства МРТ, генерируется сильное магнитное поле. Проще говоря, фотоны этого поля имеют только правую энергию, известную как резонансная частота, для переворота спина выровненных протонов. Чем более мощная и продолжительная продолжительность поля, тем больше будут задействованы совпадающие спины. Протон начнет распадаться в исходное состояние спин-вниз, и во время этой процедуры фотоны будут выпущены. Именно эта связь между напряженностью поля и частотой позволяет использовать ядерный магнитный резонанс для визуализации. Для различных частей тела человека может быть применено дополнительное магнитное поле, обеспечивающее простой способ контроля, где протоны активируются радиофотонами. Следует упомянуть, что когда градиентные катушки создают мощное магнитное поле, во время работы будут большие шумы. Поэтому необходимо предпринять некоторые усилия для уменьшения этого шума, в противном случае он может достичь приблизительно 130 децибел (порог человеческой боли), что будет очень вредно для человеческого организма

Принцип, по которому можно построить изображения, состоит в том, что различные органы или ткани внутри человеческого тела имеют разное количество молекул воды, поэтому различные положения человеческого тела возвращаются в равновесное состояние с разной скоростью. Используя компьютер для расчета, можно получить изображения органов и тканей. Иногда для визуализации МРТ можно использовать метод инъекции, который называется контрастными агентами. Контрастные агенты можно вводить внутривенно или непосредственно в сустав. Первый метод может помочь улучшить появление кровеносных сосудов, опухолей или воспаления. Второй способ сродни артрографии. МРТ широко используется для получения изображений большинства частей человеческого тела.

Применение МРТ

В медицинской области, МРТ-технология используется для обнаружения тканей, которые имеют патологические проявления, например опухоли. Используя эту технологию, нормальные ткани и патологические ткани можно легко отличить, потому что МРТ имеет лучшее контрастное разрешение (способность различать между двумя произвольно подобными, но не идентичными тканями), чем КТ. Еще одна важная причина, по которой используется МРТ, заключается в том, что, не как компьютерная томография и традиционный рентгеновский снимок, МРТ использует сильные магнитные поля и неионизирующее излучение, и нет убедительных доказательств того, что эта технология может принести любой ущерб здоровью человека.

У МРТ есть особое преимущество, что он может определять внутреннее строение человеческого тела без каких-либо разрезов. Хотя технология МРТ несколько дороже для обычной клиники для ежедневной работы, но процедура МРТ очень эффективна, что делает ее привлекательной.

Технология МРТ особенно полезна при следующих процессах в организме:

• воспаление или инфекция в органе;
• дегенеративные заболевания;
• инсульты;
• мышечно-скелетные расстройства;
• опухоли;
• другие нарушения, которые существуют в тканях или органах в их теле.

Магнитно-резонансная томография в настоящее время получила широкое распространение в медицине, как наиболее информативный и не инвазивный метод диагностики патологии различных органов и систем. Томограф представляет собой большой магнит, по силе которого сканеры разделяются на низкопольные (до 0.5Тл), среднепольные (от 0.5Тл до 1.0Тл), высокопольные (от 1.0 до 3.0Тл) и сверхвысокопольные (более 3.0Тл). Наибольшее распространение в клинической практике получили 1.5Тл томографы, в большинстве случаев позволяющие получить исчерпывающую информацию о структуре тканей и органов. В основе МР-томографии лежит ряд основных принципов.

Для получения изображения, в ходе исследования в теле человека создается временное магнитное поле, направление которого изменяется из-за воздействия радиочастотных сигналов, что сопровождается выделением энергии, которая считывается томографом и конвертируется в изображение. Этот процесс не несет лучевой нагрузки, по этой причине количество МР-исследований в течение жизни человека не ограничено.

Процесс получения изображений при МР-томографии более длительный по сравнению с другими исследованиями (УЗ-диагностика, рентген и КТ), в среднем сканирование одной области составляет около 30 минут, на протяжении которого пациент должен лежать неподвижно. Высокопольные МР-системы (1.5Тл) обладают сравнительно быстрой способностью получения и обработки изображения.

Дискомфорт во время исследования могут принести громкие звуковые сигналы, образующиеся в ходе работы томографа, что являются особенностью метода (для комфортного прохождения процедуры и защиты органов слуха используются защитные наушники). При длительном сканировании радиочастотное излучение может вызвать у пациента чувство жара, для предотвращения чрезмерного нагрева тканей в современных томографах установлена защита, ограничивающая силу радиочастотного импульса, в соответствии с международными стандартами безопасности.

МР-томографы подразделяются на «открытый» и «закрытый» типы. Для первого вида характерно отсутствие замкнутой апертуры, что играет важную роль для пациентов с клаустрофобией, но такие томографы обладают низкой силой магнитного поля, а, следовательно, и разрешением, кроме того исследования выполняются более длительное время. Абсолютное большинство томографов в клинической практике закрытого типа, в которых пациент почти полностью находится в закрытой апертуре, что позволяет добиться высокой разрешающей способности и скорости сканирования, но не всегда подходят для пациентов с клаустрофобией.

Можно ли создавать магнитные волны?

Категория: Физика      Опубликовано: 13 января 2016 г.

Изображение общественного достояния, источник: Кристофер С. Бэрд

Да, электромагнитные волны можно создавать с помощью магнитов. Нет, невозможно создать магнитные волны без присутствия электрического поля. Электрические поля создаются электрическими зарядами. Например, если вы зарядите шарик статическим электричеством, потирая им волосы, шарик создаст электрическое поле.Магнитные поля создаются магнитами. Например, магнит на холодильник создает магнитное поле и использует его, чтобы прилипнуть к вашему холодильнику. Электрические поля и магнитные поля не являются отдельными объектами. На самом деле они являются гранями одной единой сущности: электромагнитного поля.

В то время как электрические заряды могут создавать электрические поля, магнитные поля также могут создавать электрические поля. Точно так же, хотя магниты могут создавать магнитные поля, электрические поля также могут создавать магнитные поля. На самом деле, каждый раз, когда вы меняете магнитное поле, вы создаете электрическое поле.Это называется законом индукции Фарадея. Точно так же каждый раз, когда вы меняете электрическое поле, вы создаете магнитное поле. Это называется законом Максвелла-Ампера. Интересно то, что изменяющееся электрическое поле создает изменяющееся магнитное поле, которое создает изменяющееся электрическое поле, которое создает изменяющееся магнитное поле и так далее. Вместо того, чтобы рассматривать электрическое поле и магнитное поле как отдельные объекты, которые постоянно создают друг друга в циклическом процессе обратной связи, правильнее рассматривать их просто как единый объект: электромагнитное поле.Из-за этого циклического процесса обратной связи электромагнитные поля, которые меняются во времени, становятся самоподдерживающимися и распространяются в пространстве, даже если убрать электрические заряды или магниты, запустившие этот процесс. Мы называем такие самоподдерживающиеся изменения электромагнитного поля «электромагнитными волнами» или «электромагнитным излучением». Известным примером электромагнитных волн является видимый свет. Все электромагнитные волны распространяются со скоростью света, потому что все они фактически являются светом того или иного вида.

Итак, чисто магнитные волны создать невозможно. Сам акт создания волн в магнитном поле автоматически создает соответствующие электрические поля и приводит к электромагнитному излучению. Например, если вы возьмете стержневой магнит и покачаете его над головой, вы не создадите магнитных волн. Вы создаете электромагнитных волн. Точнее, вы создаете очень слабые, очень низкочастотные радиоволны. Это не фигура речи. Размахивание стержневым магнитом буквально создает радиоволны, которые расходятся во всех направлениях.Однако эти радиоволны имеют очень низкую частоту, поэтому не думайте, что вы можете начать транслировать музыку в стиле нью-эйдж на свой радиоприемник, размахивая стержневым магнитом.

Темы: электрическое поле, электромагнетизм, магнит, магнитное поле

жизненно важных признаков планеты

Алан Буис,
Лаборатория реактивного движения НАСА

Среди четырех скалистых планет в нашей Солнечной системе можно сказать, что «магнитная» личность Земли вызывает зависть у ее межпланетных соседей.

В отличие от Меркурия, Венеры и Марса, Земля окружена огромным магнитным полем, называемым магнитосферой. Созданная мощными динамическими силами в центре нашего мира, наша магнитосфера защищает нас от эрозии нашей атмосферы солнечным ветром (заряженные частицы, которые наше Солнце постоянно извергает в нас), эрозии и излучения частиц от выбросов корональной массы (массивные облака энергетических намагниченная солнечная плазма и излучение), а также космические лучи из дальнего космоса. Наша магнитосфера играет роль привратника, отталкивая эту нежелательную энергию, вредную для жизни на Земле, удерживая большую ее часть на безопасном расстоянии от поверхности Земли в двойных зонах в форме пончиков, называемых поясами Ван Аллена.

Воздействие космической погоды. 1 кредит

Но магнитосфера Земли не является идеальной защитой. Изменения солнечного ветра могут нарушить его, что приведет к «космической погоде» — геомагнитным бурям, которые могут проникать в нашу атмосферу, угрожая космическим кораблям и астронавтам, нарушая работу навигационных систем и нанося ущерб энергосистемам. С положительной стороны, эти бури также производят эффектное северное сияние на Земле. Солнечный ветер создает временные трещины в щите, позволяя некоторой энергии ежедневно проникать на поверхность Земли.Однако, поскольку эти вторжения кратковременны, они не вызывают серьезных проблем.

Это изображение красочного полярного сияния было получено в Дельта-Джанкшн, Аляска, 10 апреля 2015 года. Все полярные сияния создаются энергичными электронами, которые падают дождем из магнитного пузыря Земли и взаимодействуют с частицами в верхних слоях атмосферы, создавая светящиеся огни, которые тянутся через небо. Предоставлено: Изображение предоставлено Себастьяном Саарлоосом.

Получайте новости НАСА об изменении климата: Подпишитесь на информационный бюллетень »

Поскольку силы, генерирующие магнитное поле Земли, постоянно меняются, само поле также находится в постоянном движении, его сила со временем нарастает и ослабевает.Это приводит к тому, что положение северного и южного магнитных полюсов Земли постепенно смещается и полностью меняется примерно каждые 300 000 лет или около того. Вы можете узнать, почему изменения и сдвиги полярности магнитного поля не влияют на климат во временных масштабах человеческой жизни и не являются причиной недавнего наблюдаемого потепления Земли здесь .

Запущенная в ноябре 2013 года Европейским космическим агентством (ЕКА) группировка из трех спутников Swarm позволяет по-новому взглянуть на работу глобального магнитного поля Земли.Магнитное поле, создаваемое движением расплавленного железа в ядре Земли, защищает нашу планету от космического излучения и заряженных частиц, испускаемых нашим Солнцем. Он также обеспечивает основу для навигации с помощью компаса.

Основанное на данных Swarm, верхнее изображение показывает среднюю напряженность магнитного поля Земли на поверхности (измеряемую в нанотеслах) в период с 1 января по 30 июня 2014 года. Второе изображение показывает изменения этого поля за тот же период. Хотя цвета на втором изображении такие же яркие, как и на первом, обратите внимание, что самые большие изменения были плюс-минус 100 нанотесла в поле, которое достигает 60 000 нанотесла.Предоставлено: Европейское космическое агентство/Технический университет Дании (ESA/DTU Space).

Чтобы понять силы, которые управляют магнитным полем Земли, полезно сначала отделить четыре основных слоя земной «луковицы» (твердой Земли):

1. Кора, на которой мы живем, имеет среднюю глубину около 19 миль (31 км) на суше и около 3 миль (5 км) на дне океана.
2. Мантия, горячая вязкая смесь расплавленной породы толщиной около 1800 миль (2900 километров).
3. Внешнее ядро ​​толщиной около 1400 миль (2250 километров), состоящее из расплавленного железа и никеля.
4. Внутреннее ядро, твердая сфера толщиной примерно 759 миль (1221 км) из железа и никеля, примерно такая же горячая, как поверхность Солнца.

Внутренняя структура Земли: плотное твердое металлическое ядро, вязкое металлическое внешнее ядро, мантия и силикатная кора. Кредит: НАСА

Почти все геомагнитное поле Земли создается в жидком внешнем ядре.Подобно кипящей воде в печи, конвективные силы (которые перемещают тепло из одного места в другое, обычно через воздух или воду) постоянно взбивают расплавленные металлы, которые также закручиваются водоворотами, движимыми вращением Земли. Когда эта вращающаяся масса металла движется вокруг, она генерирует электрические токи шириной в сотни миль, которые текут со скоростью тысячи миль в час по мере вращения Земли. Этот механизм, отвечающий за поддержание магнитного поля Земли, известен как геодинамо.

Иллюстрация динамо-механизма, создающего магнитное поле Земли: конвекционные потоки жидкого металла во внешнем ядре Земли, приводимые в движение тепловым потоком из внутреннего ядра, организованные в рулоны силой Кориолиса, создают циркулирующие электрические токи, которые генерируют магнитное поле.Предоставлено: Эндрю З. Колвин, CC BY-SA 4.0, через Викисклад.

На поверхности Земли магнитное поле образует два полюса (диполь). Северный и южный магнитные полюса имеют противоположные положительные и отрицательные полярности, как стержневой магнит. Невидимые линии магнитного поля движутся по замкнутой непрерывной петле, втекая в Землю на северном магнитном полюсе и выходя на южном магнитном полюсе. Солнечный ветер сжимает форму поля на стороне Земли, обращенной к Солнцу, и вытягивает его в длинный хвост на стороне, обращенной к ночи.

Изучение прошлого магнетизма Земли называется палеомагнетизмом. Прямые наблюдения магнитного поля ведутся всего несколько столетий назад, поэтому ученые полагаются на косвенные доказательства. Магнитные минералы в древних ненарушенных вулканических и осадочных породах, озерных и морских отложениях, потоках лавы и археологических артефактах могут выявить силу и направления магнитного поля, когда произошла инверсия магнитных полюсов и многое другое. Изучая глобальные свидетельства и данные со спутников и геомагнитных обсерваторий, а также анализируя эволюцию магнитного поля с помощью компьютерных моделей, ученые могут построить историю того, как поле менялось в течение геологического времени.

Простая визуализация магнитосферы Земли во время равноденствия. Авторы и права: Студия научной визуализации НАСА. Земля окружена системой магнитных полей, называемой магнитосферой. Магнитосфера защищает нашу родную планету от вредного солнечного и космического излучения, но она может менять форму в ответ на поступающую от Солнца космическую погоду. Предоставлено: Студия научной визуализации НАСА.

срединно-океанических хребтов Земли, где формируются тектонические плиты, предоставляют палеомагнетикам данные примерно на 160 миллионов лет назад.Поскольку лава постоянно извергается из хребтов, она растекается и остывает, а содержащиеся в ней богатые железом минералы выравниваются с геомагнитным полем, указывая на север. Как только лава остывает примерно до 1300 градусов по Фаренгейту (700 градусов по Цельсию), сила и направление магнитного поля в это время «вмораживаются» в скалу. Эта запись магнитного поля может быть обнаружена путем отбора проб и радиометрического датирования породы.

Исследования магнитного поля Земли раскрыли большую часть ее истории.

Магнитные полосы вокруг срединно-океанических хребтов раскрывают историю магнитного поля Земли на протяжении миллионов лет. Изучение прошлого магнетизма Земли называется палеомагнетизмом. 1 кредит

Например, мы знаем, что за последние 200 лет магнитное поле ослабло примерно на 9 процентов в среднем по миру. Тем не менее, палеомагнитные исследования показывают, что это поле на самом деле является самым сильным за последние 100 000 лет и в два раза превышает его среднее значение за миллион лет.

Мы также знаем, что в магнитосфере есть хорошо известное «слабое место», которое присутствует круглый год.Расположенная над Южной Америкой и южной частью Атлантического океана, Южно-Атлантическая аномалия (ЮАА) представляет собой область, где солнечный ветер проникает ближе к поверхности Земли. Он создается комбинированным влиянием геодинамо и наклона магнитной оси Земли. Хотя заряженные солнечные частицы и частицы космических лучей внутри САА могут поджарить электронику космического корабля, они не влияют на жизнь на поверхности Земли.

Мы знаем, что положение магнитных полюсов Земли постоянно меняется. С тех пор, как в 1831 году он был впервые точно обнаружен офицером британского Королевского флота и полярным исследователем сэром Джеймсом Кларком Россом, положение северного магнитного полюса постепенно сместилось на северо-северо-запад более чем на 600 миль (1100 километров), а его скорость движения увеличилась с примерно от 10 миль (16 километров) в год до примерно 34 миль (55 километров) в год.

Магнитное поле Земли действует как защитный щит вокруг планеты, отталкивая и улавливая заряженные частицы от Солнца. Но над Южной Америкой и южной частью Атлантического океана необычно слабое место в поле, называемое Южно-Атлантической аномалией, или ЮАА, позволяет этим частицам опускаться ближе к поверхности, чем обычно. В настоящее время SAA не оказывает видимого влияния на повседневную жизнь на поверхности. Однако недавние наблюдения и прогнозы показывают, что регион расширяется на запад и его интенсивность продолжает ослабевать.Южноатлантическая аномалия также представляет интерес для ученых НАСА, занимающихся изучением Земли, которые следят за изменениями магнитной силы там, как с точки зрения того, как такие изменения влияют на атмосферу Земли, так и как показатель того, что происходит с магнитными полями Земли глубоко внутри земного шара. Предоставлено: Студия научной визуализации НАСА.

Магнитные полюса Земли не совпадают с ее геодезическими полюсами, с которыми большинство людей более знакомы. Расположение геодезических полюсов Земли определяется осью вращения, вокруг которой вращается наша планета.Эта ось не вращается равномерно, как глобус на вашем столе. Вместо этого он слегка качается. Это приводит к тому, что положение истинного северного полюса со временем немного смещается. Этому блужданию способствуют многочисленные процессы на поверхности Земли и в ее недрах, но в первую очередь это связано с движением воды вокруг Земли. С тех пор, как начались наблюдения, положение оси вращения Земли сместилось в сторону Северной Америки примерно на 37 футов (12 метров), но не более чем на 7 дюймов (17 сантиметров) в год.Эти колебания не влияют на нашу повседневную жизнь, но их необходимо учитывать для получения точных результатов от глобальных навигационных спутниковых систем, спутников наблюдения Земли и наземных обсерваторий. Колебания могут рассказать ученым о прошлых климатических условиях, но они являются следствием изменений в континентальных запасах воды и ледяных щитов с течением времени, а не их причиной.

Северные полюса падения, наблюдаемые в период с 1831 по 2007 год, обозначены желтыми квадратами. Смоделированные положения полюсов с 1590 по 2020 год представляют собой круги, меняющиеся от синего до желтого.Наблюдаемые южные полюса падения в период с 1903 по 2000 год отмечены желтыми квадратами. Смоделированные положения полюсов с 1590 по 2020 год представляют собой круги, меняющиеся от синего до желтого. Кредит: NOAA/NCEI

Безусловно, самые драматические изменения, влияющие на магнитосферу Земли, — это инверсия полюсов. Во время инверсии полюсов северный и южный магнитные полюса Земли меняются местами. Хотя это может показаться чем-то большим, на самом деле смена полюсов в геологической истории Земли — обычное дело. Палеомагнитные записи, в том числе те, которые показывают изменения в напряженности магнитного поля, говорят нам, что магнитные полюса Земли менялись местами 183 раза за последние 83 миллиона лет и по крайней мере несколько сотен раз за последние 160 миллионов лет.Временные интервалы между обращениями сильно колебались, но в среднем составляют около 300 000 лет, причем последнее произошло около 780 000 лет назад. Ученые не знают, что влияет на частоту инверсий полюсов, но это может быть связано с конвекционными процессами в мантии Земли.

Положения Северного магнитного полюса Земли. Показанные полюса представляют собой наклонные полюса, определяемые как положения, в которых направление магнитного поля является вертикальным. Красными кружками отмечены положения магнитного северного полюса, определенные прямым наблюдением; синими кружками отмечены позиции, смоделированные с использованием модели GUFM (1590–1890 гг.) и модели IGRF-12 (1900–2020 гг.) с шагом в один год.Для 1890–1900 годов была выполнена гладкая интерполяция между двумя моделями. Смоделированные местоположения после 2015 года являются прогнозами. Предоставлено: Cavit, CC BY 4.0, через Викисклад.

При переполюсовке магнитное поле ослабевает, но не исчезает полностью. Магнитосфера вместе с земной атмосферой по-прежнему продолжают защищать нашу планету от космических лучей и заряженных солнечных частиц, хотя небольшое количество твердых частиц может достигать поверхности Земли.Магнитное поле перемешивается, и на неожиданных широтах может появиться несколько магнитных полюсов.

Земля не всегда вращается вокруг оси, проходящей через ее полюса. Вместо этого он неравномерно колеблется с течением времени, дрейфуя в сторону Северной Америки на протяжении большей части 20-го века (зеленая стрелка). Это направление резко изменилось из-за изменения массы воды на Земле. Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт. Примерно до 2000 года ось вращения Земли смещалась в сторону Канады (зеленая стрелка, левый глобус).Ученые Лаборатории реактивного движения рассчитали влияние изменений массы воды в разных регионах (в центре земного шара) на смещение направления дрейфа на восток и ускорение скорости (правый глобус). Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт. Взаимосвязь между массой континентальной воды и колебанием оси вращения Земли с востока на запад. Потери воды из Евразии соответствуют колебаниям на восток в общем направлении оси вращения (вверху), а притоки Евразии сдвигают ось вращения на запад (внизу). Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.

Никто точно не знает, когда может произойти следующая инверсия полюсов, но ученые знают, что это не произойдет за одну ночь.Вместо этого они происходят в течение сотен или тысяч лет. У ученых нет оснований полагать, что переворот неизбежен.

Геомагнитная полярность за последние 169 миллионов лет, уходящая в юрскую тихую зону. Темные области обозначают периоды нормальной полярности, светлые области обозначают обратную полярность. Кредит: общественное достояние Суперкомпьютерные модели магнитного поля Земли. Слева — нормальное диполярное магнитное поле, типичное для долгих лет между сменами полярности. Справа — своего рода сложное магнитное поле Земли во время инверсии.Предоставлено: Калифорнийский университет в Санта-Круз/Гэри Глатцмайер.

Наконец, существуют «геомагнитные экскурсии»: кратковременные, но значительные изменения напряженности магнитного поля, длящиеся от нескольких столетий до нескольких десятков тысяч лет. Экскурсии происходят примерно в 10 раз чаще, чем инверсии полюсов. Экскурсия может переориентировать магнитные полюса Земли на целых 45 градусов по сравнению с их предыдущим положением и уменьшить силу поля до 20 процентов. Экскурсионные мероприятия, как правило, носят региональный, а не глобальный характер.За последние 70 000 лет произошло три значительных экскурса: событие Норвежско-Гренландского моря около 64 500 лет назад, событие Лашампа между 42 000 и 41 000 лет назад и событие озера Моно около 34 500 лет назад.

Что такое магнитные поля и как они формируют Вселенную?

Вы его не видите, но он всегда рядом и вокруг вас. Защитить вас от вредного космического излучения и не дать нашей атмосфере унести солнечные ветры — это магнитное поле Земли.

Для большинства из нас это почти никогда не привлекает внимания. В наблюдательной астрономии магнитные полюса Земли имеют гораздо меньшее значение, чем географические полюса, на которые мы полагаемся, чтобы выровнять наши экваториально установленные телескопы.

Подробнее у Люси Грин:

Однако задумайтесь: магнитное поле Земли, вероятно, сделало жизнь на этой планете возможной, в то время как более далекие космические магнитные поля являются причиной того, что пульсары действуют как радиомаяки, а огромные облака электропроводящего газа принимают странные и необычные формы.

Что касается магнитных полей, то земное — это то, с чем мы больше всего знакомы, и его происхождение связано с электрическими токами, которые текут в расплавленном железе, составляющем внешнее ядро ​​нашей планеты.

Что такое магнитные поля?

Магнитные поля создаются вокруг движущихся заряженных частиц

Магнетизм — это сила, тесно связанная с электричеством. Всякий раз, когда течет электрический ток, в окружающем пространстве возникает связанное с ним магнитное поле, или, в более общем смысле, движение любой заряженной частицы создает магнитное поле.

Попробуйте включить и выключить чайник и посмотреть, сможет ли приложение компаса на вашем смартфоне обнаружить магнитное поле, возникающее при прохождении тока по кабелю.

Эти поля имеют направление, поэтому у Земли есть северный и южный полюса.

Когда два магнитных поля приближаются друг к другу, они будут пытаться выровняться, потенциально вызывая физические объекты, заставляющие их двигаться — стрелка компаса имеет магнитное поле, поэтому всегда будет пытаться выровняться с полем Земли и указывать на север.

Точно так же движение заряженной частицы будет изменяться при прохождении через намагниченную область из-за взаимодействия электрического и магнитного полей.

Изменение направления зависит от заряда и массы частицы, силы и направления магнитного поля и скорости движения частицы.

Планетарный магнетизм

Давайте сделаем шаг назад и посмотрим на Землю с поверхности Луны. Отсюда мы можем видеть землю, океаны и атмосферу.

Чего мы, однако, не видим, так это того, как магнитное поле Земли охватывает все это и распространяется в космос.

Большую часть времени Луна находится внутри магнитного поля Земли. Он появляется только на несколько дней во время новолуния.

Когда это происходит, Луна движется в сторону солнечного ветра — внешней атмосферы Солнца, которая расширяется в космос со скоростью миллион миль в час.

Этот ветер не может проникнуть через магнитное поле Земли и вместо этого врезается прямо в него.Хотя это взаимодействие невидимо для человеческого глаза, оно производит нечто впечатляющее: полярное сияние.

Когда солнечный ветер сталкивается с магнитным полем Земли, он добавляет к нему энергию, которая ускоряет заряженные частицы в нашей атмосфере. Когда частицы взаимодействуют с атмосферным газом, они передают свою энергию и заставляют газ светиться.

Солнечный ветер не может достичь нашей атмосферы, потому что она тоже содержит магнитное поле.

Мы узнали, что любое магнитное поле, пронизывающее электрически заряженный газ (плазму), связано с этим газом; их нельзя легко разделить или разъединить, как известен этот процесс.

Поэтому, когда порывистый поток намагниченной плазмы достигает магнитного поля Земли, он обтекает его, заставляя его двигаться и рябить, как ветроуказатель на ветру.

Это свойство не позволяет солнечному ветру достигать нашей атмосферы и уносить ее, как это произошло на Марсе. Он также обеспечивает нам защиту от электрически заряженных космических лучей.

Это сохраняющее жизнь свойство планетарных магнитных полей означает, что важно учитывать их, когда дело доходит до изучения экзопланет.Пока что мы не можем напрямую наблюдать магнитное поле экзопланеты.

Но если в будущем будет разработан метод их обнаружения, наличие магнитного поля вокруг экзопланеты, вероятно, повлияет на то, какие из них станут целями для дальнейшего изучения.

Схема, показывающая магнитное поле Сатурна. Авторы и права: Студия научной визуализации НАСА/JPL NAIF

Открытие магнитного поля Солнца произошло в 1908 году и было сделано американским астрономом Джорджем Эллери Хейлом.

Невозможно искать и изучать космические магнитные поля без возможности обнаружить их на расстоянии с помощью электромагнитного излучения.

В 1896 году голландский физик Питер Зееман, проводя эксперименты, обнаружил, что сильное магнитное поле может влиять на свет, излучаемый «светящимся паром».

Спектральные линии, излучаемые паром, были уширены или, в крайнем случае, расщеплены на несколько составляющих.

В статье, опубликованной в 1897 году, Зееман предположил, что его открытие может быть использовано для обнаружения космических магнитных полей.

Действительно, именно этот метод использовал Хейл для обнаружения магнитного поля солнечных пятен.

Эффект Зеемана также поляризует свет определенным образом, что можно использовать для понимания силы и направления удаленного магнитного поля, что позволяет астрономам исследовать отдаленный магнетизм путем изучения электромагнитного излучения.

На самом деле Солнце позволяет нам близко исследовать космический магнетизм. Наблюдения за Солнцем обеспечивают фантастический уровень детализации, который действительно показывает нам, насколько динамичными могут быть звездные магнитные поля.

Солнце имеет общее магнитное поле, которое соединяет северный и южный магнитные полюса, которые близки к гелиографическим северному и южному полюсам, как они расположены на Земле.

Магнитные жгуты, магнитные поля, изгибающиеся между солнечными пятнами, могут быть обнаружены светящимся заряженным газом, прослеживающим их пути. Предоставлено: НАСА/Центр космических полетов имени Годдарда/SDO

.

Малый магнетизм

Но при ближайшем рассмотрении солнечной атмосферы обнаруживаются арки магнитного поля, соединяющие пары солнечных пятен и скрученные структуры магнитного поля, известные как силовые канаты.

Эти веревки обнаруживаются, потому что светящийся электрически заряженный газ прослеживает их, подобно тому, как железные опилки, разбросанные вокруг стержневого магнита, выравниваются по линиям поля.

Если вы понаблюдаете за Солнцем с течением времени, то увидите, что эти магнитные структуры постоянно меняются и часто извергаются в Солнечную систему.

Динамическая активность Солнца с пространственным разрешением, питаемая магнетизмом, дает нам представление о том, чем занимаются и другие звезды. И не только звезды главной последовательности имеют важные магнитные поля.

Пульсары — это подмножество нейтронных звезд. Образовавшиеся из коллапсирующих ядер массивных звезд, подвергшихся взрыву сверхновой, они вращаются чрезвычайно быстро.

При вращении они излучают импульсы радиоволн, словно космические маяки. Некоторые из них мигают много раз в секунду.

Когда Джоселин Белл-Бернелл открыла пульсары в 1967 году, они рассматривались как любопытные объекты и в шутку назывались LGM для Маленьких зеленых человечков.

Но радиовспышки можно понять, если соединить очень быстро вращающуюся звезду с сильным магнитным полем.

Когда умирающая звезда коллапсирует, ее магнитное поле также втягивается в материал самой звезды, усиливая напряженность поля в триллион раз больше, чем у Земли.

Наличие поля заставляет заряженные частицы вращаться вокруг силовых линий магнитного поля, и когда это происходит, могут создаваться радиоволны. Радиосигнал будет сосредоточен на северном и южном магнитных полюсах нейтронной звезды.

Последним ингредиентом в создании пульсара является смещение между осью вращения звезды и осью, соединяющей магнитные полюса.

Это означает, что при вращении нейтронной звезды радиолуч будет перемещаться по космосу, и наши радиотелескопы смогут его обнаружить.

На самом деле, нейтронные звезды являются рекордсменами, когда дело доходит до магнетизма: другая подгруппа этих звезд обладает самыми сильными магнитными полями во Вселенной, в тысячу раз сильнее, чем у пульсаров.

Неудивительно, что эти объекты известны как магнетары.

Лучи пульсара проносятся сквозь пространство, потому что ось его магнитных полюсов не совпадает с осью его вращения.Кредит: dani3315/iStock/Getty Images

Галактический магнетизм

Магнитное поле Земли и магнитное поле Солнца, благодаря солнечному ветру, — не единственные поля, в которые мы погружены.

Наша Галактика, Млечный Путь, тоже имеет магнитное поле, хотя и с силой в десятки тысяч раз меньшей, чем у Земли.

Что общего у галактического поля с Землей, так это то, что вращение лежит в основе его существования.

Магнитные поля в астрофизических объектах создаются динамо — механизмом, в котором вращение электропроводящей жидкости (например, расплавленного железа в ядре планеты) преобразуется в магнитную энергию.

Таким образом, скорость вращения астрономического объекта является важным аспектом магнитных полей и динамо-машин.

В этом контексте мы можем понять, почему у Земли относительно сильное поле, тогда как у Марса, который когда-то считался более похожим на Землю, чем сегодня, нет.

Внутри Земли вращающаяся расплавленная оболочка означает, что ее динамо все еще действует. Марс, с другой стороны, имел динамо-машину, но она перестала действовать, когда внутренняя часть этой меньшей планеты остыла и затвердела, оставив только остаток ее магнитного поля, запертого в ее скалах.

Когда дело доходит до масштабов времени, звездам и планетам может потребоваться от нескольких часов до нескольких недель, чтобы совершить один оборот.

Но эти тела существуют так долго, что за время их жизни прошло достаточно времени, чтобы поддерживать и даже развивать их магнитные поля.

Например, Солнце совершает один оборот за 27 дней и существует уже 4,5 миллиарда лет. Если предположить, что скорость вращения была постоянной в течение всего этого времени, Солнце могло бы сделать более 60 миллиардов оборотов.

Это не тот случай, когда речь идет о галактиках. Возьмем Млечный Путь: наша Галактика вращается один раз в несколько сотен миллионов лет, а это значит, что у нее было всего несколько сотен оборотов.

Итак, хотя динамо-машина важна для нашей Галактики, существуют и другие дополнительные процессы, которые оказывают влияние и которые еще предстоит понять.

В 2017 году группа под руководством ученых из Института радиоастрономии Макса Планка опубликовала работу, показывающую, что наблюдения галактик можно использовать для исследования магнитных полей, когда Вселенная была намного моложе.

Их исследование галактики, удаленной почти на пять миллиардов световых лет, позволяет нам заглянуть в раннюю Вселенную, чтобы изучить историю и эволюцию магнитных полей. существовал для?

Магнитные поля великолепны и широко распространены в космосе.От планет и звезд до галактик и не только.

Наряду с гравитацией, магнетизм отвечает за формирование и управление тем, что мы наблюдаем. Итак, в следующий раз, когда вы посмотрите вверх — неважно, на что вы смотрите — вспомните о невидимой силе, которая помогает формировать нашу Вселенную.

На этом изображении со спутника Planck Европейского космического агентства показана структура магнитного поля нашей Галактики. Авторы и права: ESA/Planck Collaboration. Благодарность: М.-А. Мивиль-Дешен, CNRS – Институт пространственной астрофизики, Университет Париж-XI, Орсе, Франция

История магнитной астрономии

1600 – Уильям Гилберт, первый человек, исследовавший магнетизм с помощью научных методов, публикует свою работу в томе под названием De Magnete .

1865 – Профессор физики Джеймс Клерк Максвелл публикует статью, в которой он объединяет области электричества и магнетизма в единую теорию.

1901 – Кристиан Биркеланд из Норвегии начинает строить «Terrellas» (маленькие Земли), чтобы проверить свою теорию о том, что полярное сияние формируется электронами, сталкивающимися с магнитными полюсами Земли.

1908 — американский астроном Джордж Эллери Хейл открыл магнетизм на Солнце, предоставив первое свидетельство наличия магнитных полей за пределами Земли.

1942 — шведский физик Ханнес Альфвен предположил, что когда магнитное поле проходит через электропроводящий газ, они становятся неразделимыми.

2012 – После 35 лет путешествия в космосе космический корабль «Вояджер-1» наконец покидает пределы Солнечной системы, оставляя за собой огромный магнетизм Солнца.

Люси — профессор физики и научный сотрудник Университета Королевского общества в Лаборатории космических наук Малларда.Эта статья впервые появилась в мартовском выпуске журнала BBC Sky at Night Magazine за март 2018 года.

Как образовалось первое магнитное поле Вселенной

Мэгги Макки

Согласно новому анализу, первые в истории магнитные поля во Вселенной возникли в течение 370 000 лет после Большого взрыва. Работа опирается на стандартную физику, в отличие от некоторых предыдущих теорий, и может пролить свет на то, как росли самые первые звезды.

Относительно замкнутые магнитные поля, подобные полям Земли и Солнца, генерируются турбулентным перемешиванием проводящих жидкостей в их ядрах. Но крупномасштабные поля, запутанные внутри галактик и скоплений галактик, труднее объяснить одним лишь смешением флюидов. Это потому, что большинство галактик с момента своего образования совершили оборот всего несколько десятков раз.

«Галактики не совершали много оборотов за все время своего существования, поэтому неясно, какое усиление можно получить», — говорит Дам Тхань Сон из Вашингтонского университета в Сиэтле, США, не участвовавший в новом исследовании. .«Нужно какое-то начальное, небольшое магнитное поле».

Некоторые исследователи пытались объяснить происхождение этого так называемого «зародышевого» поля, привлекая новые физические механизмы, такие как связь электромагнитных полей с экзотическими частицами или гравитацией в первые мгновения после Большого взрыва.

«В этом направлении существует много моделей, большинство из которых опираются на новую физику и поэтому неубедительны», — комментирует Джордж Филд из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже, штат Массачусетс, США.

Горячий суп

Исследователи во главе с Киётомо Итики из Национальной астрономической обсерватории Японии в Токио использовали стандартную физику для объяснения семенного поля. Они говорят, что поле возникло до того, как сформировались первые атомы, когда Вселенная представляла собой горячий суп из протонов, электронов и фотонов — состояние, которое длилось первые 370 000 лет после Большого взрыва.

Фотоны оказывают на электроны иное давление, чем протоны, а также чаще рассеивают электроны.Исследователи обнаружили, что различия в движениях электронов и протонов генерируют вращающийся электрический ток, который создает магнитные поля.

Филд говорит, что зависимость механизма от стандартной физики была бы интересной, если бы подтвердилась. Но он предупреждает, что другие модели, такие как те, которые создают затравочное поле в дисках материи, окружающих колоссальные черные дыры, пока нельзя исключать.

Всепроникающее влияние

Если японский анализ верен, он может пролить свет на природу ранней Вселенной, которая была сформирована самым первым поколением звезд.Считается, что они были чрезвычайно массивными и недолговечными, а после смерти засеяли пространство вокруг себя тяжелыми элементами.

Но, согласно новой статье, зародышевое поле должно было стать достаточно сильным в первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, чтобы влиять на вращение дисков материи вокруг этих первых звезд. Это повлияло бы на то, насколько массивными они могли вырасти и повлиять на химический состав и структуру ранней Вселенной.

«Магнитные поля, помимо гравитации, играют решающую роль в процессах формирования различных объектов и их динамической эволюции во Вселенной», — сказал Ичики New Scientist .

Исходное поле в миллион раз слабее, чем сегодняшние поля в галактиках, но команда говорит, что будущие космические обсерватории смогут обнаружить его косвенно. Когда очень массивные звезды взрываются, они выбрасывают высокоэнергетические электроны, испускающие фотоны, называемые гамма-лучами. Но затравочное поле может отклонять эти электроны, вызывая задержку прихода гамма-лучей по сравнению со светом других длин волн на будущих космических телескопах.

Ссылка на журнал: Наука (DOI: 10.1126/наука.1120690)

Наблюдайте за сильнейшим внутренним магнитным полем, взрывающим двери Токийской лаборатории настежь | Умные новости

В любом фильме или мультфильме с участием сумасшедшего ученого есть момент, когда они щелкают выключателем или смешивают два химиката и бум, их лаборатория взрывается, а дым вырывается из окон и дверей. На самом деле, по крайней мере, в современную эпоху, взрывы в лабораториях не приветствуются.Но недавний эксперимент с электромагнетизмом в Токио создал самое сильное управляемое магнитное поле из когда-либо созданных, как сообщает Сэмюэл К. Мур из IEEE Spectrum, достаточно мощное, чтобы взорвать двери лаборатории.

Большой взрыв произошел, когда исследователи из Токийского университета накачали 3,2 мегаджоуля электричества в специально разработанную катушку для создания массивного магнитного поля. В то время как исследователи надеялись, что поле достигнет 700 тесла, эта единица использовалась для измерения плотности магнитного потока или, неофициально, силы магнитного поля.Вместо этого поле достигло 1200 тесла. Это примерно в 400 раз сильнее, чем у самого мощного аппарата МРТ, производящего три тесла. В результате взрыва железный шкаф, в котором было заключено устройство, погнулся и распахнул металлические двери.

«Я спроектировал железный корпус так, чтобы он выдерживал нагрузку около 700 Тл», — говорит Мур физик Сёдзиро Такэяма, старший автор исследования в журнале Review of Scientific Instruments. «Я не ожидал, что он будет таким высоким. В следующий раз сделаю сильнее.

К счастью, сами исследователи спрятались в диспетчерской, защищенной от взрыва.

Итак, что же делали Такэяма и его коллеги, выпуская массивные магнитные стрелы в центре Токио? Рафи Летцер из LiveScience объясняет, что в течение нескольких десятилетий ученые занимались все большими контролируемыми магнитными полями. Такеяма пытался превзойти уровень в 1000 тесла в течение последних 20 лет, достигнув цели с помощью этого нового устройства.

По сути, электромагнит представляет собой серию трубок, состоящих из катушки с медной внутренней катушкой внутри.Когда через катушки проходит огромное количество электричества, внутренняя катушка схлопывается сама по себе со скоростью 15 Маха, что составляет более 3 миль в секунду. Магнитное поле в катушке сжимается все сильнее и сильнее, пока не достигает невероятно высокого уровня. Затем, за доли секунды, все это рушится, что приводит к взрыву. Команда полагает, что с немного большей инженерией и более прочными дверями они смогут увеличить мощность своего устройства до 1800 тесла.

Это не было самым большим магнитным полем, когда-либо созданным людьми.Некоторые сверхсильные поля создаются лазерами, но они настолько малы и недолговечны, что их трудно изучать или использовать. Такеяма рассказывает Летцеру, что исторически американские и российские исследователи проводили крупномасштабные испытания на открытом воздухе с использованием бризантных взрывчатых веществ, упакованных вокруг магнитных катушек, создающих поля до 2800 тесла. Но и они несовершенны.

«Они не могут проводить эти эксперименты в закрытых лабораториях, поэтому они обычно проводят все на открытом воздухе, например, в Сибири в поле или где-то на очень широком месте в Лос-Аламосе [Нью-Мексико]», — говорит он.«И они пытаются провести научное измерение, но из-за этих условий очень сложно сделать точные измерения».

Инструмент группы, однако, можно использовать в контролируемых лабораторных условиях, и он создает относительно большое поле, немногим меньше нанометра, что достаточно для проведения реальных научных исследований. Согласно пресс-релизу, цель состоит в том, чтобы создать контролируемое магнитное поле, которое могли бы использовать физики. Есть надежда, что полем можно управлять достаточно хорошо, чтобы материалы можно было помещать внутрь крошечного поля, чтобы исследователи могли довести электроны до их «квантового предела», в котором все частицы находятся в своем основном состоянии, открывая свойства, которые исследователи еще не обнаружили. открывать.В этом случае чем больше, тем лучше.

«В целом, чем выше поле, тем лучше и лучше становится разрешение измерения», — говорит Такеяма Муру в IEEE.

Другое возможное применение — после того, как они отработают взрывы в системе — это использование в термоядерных реакторах, типе устройства для производства энергии, в котором плазма поддерживается стабильной с помощью сильного магнитного поля, поскольку ее водород плавится, создавая реакцию, подобную к Солнцу и производит почти безграничную чистую энергию.Согласно сообщению, исследователи считают, что им необходимо иметь возможность контролировать магнитное поле в 1000 тесла для обеспечения устойчивого ядерного синтеза.

Электроника Энергия Взрывы Магия Новое исследование Физика Ученые

Рекомендуемые видео

Магнитное поле вокруг провода, I

Всякий раз, когда ток проходит через проводник, создается магнитное поле.

Всякий раз, когда ток проходит через проводник, создается магнитное поле, факт, на который наткнулся Ганс Христиан Эрстед примерно в 1820 году. В зависимости от формы проводника контур магнитного поля будет меняться. Однако если проводник представляет собой провод, магнитное поле всегда принимает форму концентрических окружностей, расположенных под прямым углом к ​​проводу. Магнитное поле сильнее всего в области, ближайшей к проводу, и его направление зависит от направления тока, создающего поле, как показано на этой интерактивной анимации.

Представленный в туториале прямой провод, по которому течет ток. Знаки плюс и минус указывают полюса батареи (не показана), к которым подключен провод. Обычное направление тока указано большой черной стрелкой. (Как диктует соглашение, ток течет против фактического направления электронов , показанных желтым цветом). Линии магнитного поля , генерируемые вокруг провода из-за наличия тока, показаны синим цветом.Чтобы увидеть направление поля в любой заданной точке по окружности провода, щелкните и перетащите стрелку компаса (ее северный полюс  красный, южный полюс синий). Направление магнитного поля вокруг провода также указано маленькими стрелками на отдельных силовых линиях . Нажмите кнопку Reverse , чтобы изменить направление тока и посмотреть, как это изменение повлияет на магнитное поле провода.

Существует простой метод определения направления магнитного поля, создаваемого вокруг провода с током, обычно называемый правилом правой руки.В соответствии с этим правилом, если большой палец правой руки направлен в направлении обычного тока, то направление, в котором остальные пальцы должны согнуться, чтобы сжать кулак (или обернуться вокруг рассматриваемого провода), равно направление магнитного поля.

Молекулярные выражения: электричество и магнетизм

Генераторы и двигатели

Основное магнитное поле

Магниты — это куски металла, способные притягивать к себе другие металлы.У каждого магнита есть два полюса: северный и южный. Как и электрические заряды, два одинаковых магнитных полюса отталкивают друг друга; в то время как противоположные магнитные полюса притягиваются друг к другу. Магниты имеют непрерывную силу вокруг себя, известную как магнитное поле. Это поле позволяет им притягивать другие металлы. Рисунок 1 иллюстрирует эту силу с использованием стержневых и подковообразных магнитов.

Форма магнита определяет путь силовых линий. Обратите внимание, что сила на рисунке 1 состоит из нескольких линий, движущихся в определенном направлении.Можно сделать вывод, что линии идут от северного полюса магнита к южному. Эти силовые линии часто называют магнитным потоком. Если стержневой магнит теперь изогнут, чтобы сформировать подковообразный магнит, северный и южный полюса теперь находятся напротив друг друга. Обратите внимание, что в подковообразном магните силовые линии теперь прямые и проходят от северного полюса к югу. Будет показано, как генераторы и двигатели используют эти силовые линии для выработки электричества, а также механического движения.

Магнитные поля вокруг проводников

Когда ток течет по проводнику, магнитное поле окружает проводник. По мере увеличения тока увеличивается и количество силовых линий в магнитном поле (рис. 2).

Правило правой руки помогает продемонстрировать взаимосвязь между током в проводнике и направлением силы. Возьмите проволочный проводник в правую руку, положите большой палец на провод, направленный вверх, и обхватите провод четырьмя пальцами.Пока большой палец находится в направлении, в котором ток течет по проводу, пальцы скручиваются вокруг провода в направлении магнитного поля. Рисунок 3 демонстрирует правило правой руки.

Полярность катушек, пересекающих силовые линии

Проводник можно скрутить в катушку, которая эффективно производит ток при разрезании силовых линий в магнитном поле. Чем больше витков в этой катушке, тем сильнее магнитное поле.Кроме того, если катушку намотать на кусок железа, ток станет еще сильнее.

Когда нужно выяснить, какие полюса в проводнике какие, важно заметить, в какую сторону повернуты катушки, чтобы применить правило правой руки. Кроме того, всегда следует смотреть, какая сторона катушки подключена к положительной клемме источника питания, такого как батарея, а какая сторона подключена к отрицательной. Рисунок 4 иллюстрирует четыре различных сценария и соответствующие полюса.

Когда проводник пересекает силовые линии в магнитном поле, он генерирует ток. Этот метод индукции тока называется индукцией. Есть три правила индукции:

1. Когда проводник пересекает силовые линии, он индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) или напряжение.
2. Чтобы это произошло, либо магнитное поле, либо проводник должны двигаться.
3. При изменении направления резания поперек магнитного поля меняется и направление ЭДС индукции.

Соответственно, закон Фарадея гласит, что индуцированное напряжение может быть определено количеством витков в катушке и скоростью, с которой катушка пересекает магнитное поле. Следовательно, чем больше витков в катушке или чем сильнее магнитное поле, тем больше индуцированное напряжение.

Кроме того, ток меняет направление в зависимости от того, каким образом он пересекает магнитное поле. Как показано на рис. 5, катушка, пересекающая основное магнитное поле по часовой стрелке, сначала приведет к возникновению тока положительной полярности, но поскольку она пересекает то же поле в противоположном направлении во второй половине своего витка, полярность становится отрицательной.

Когда ток многократно переключается с положительного на отрицательный, это называется переменным током или переменным током. Переменный ток будет объяснен более подробно позже.

Постоянный ток

Когда ток является постоянным (D.C.), а не переменным (AC), полярность этого тока никогда не меняет направление. Обычно, когда катушка поворачивается по часовой стрелке, первые 180 градусов поворота приводят к тому, что индуцированный ток идет в положительном направлении.Однако, как упоминалось выше, вторые 180 градусов приводят к тому, что индуцированный ток идет в отрицательном направлении. В постоянном токе ток всегда течет в положительном направлении. Как это возможно? При индуцировании постоянного тока необходимо использовать какой-то механизм, чтобы убедиться, что катушки пересекают магнитное поле только в одном направлении, или что схема использует ток только от катушки, разрезающей в этом одном направлении. В таких устройствах, как генераторы постоянного тока, используется механизм, называемый коммутатором, для поддержания тока в одном направлении.На рис. 6 показан постоянный ток в виде синусоиды. Обратите внимание, что ток никогда не имеет отрицательной полярности и поэтому всегда течет в положительном направлении.

Генераторы постоянного тока

Генератор представляет собой устройство, преобразующее механическую энергию вращения в электрическую энергию.

Простые генераторы постоянного тока состоят из нескольких частей, включая якорь (или ротор), коллектор, щетки и обмотку возбуждения.Различные источники могут подавать механическую энергию на генератор постоянного тока для вращения его якоря. Коммутатор преобразует переменный ток (AC) в постоянный, когда он протекает через якорь.

Стационарные щетки, представляющие собой графитовые соединители на генераторе, образуют контакт с противоположными частями коллектора. Когда катушка якоря вращается, она пересекает магнитное поле, и индуцируется ток. При первом полуобороте катушки якоря (по часовой стрелке) контакты между коммутатором и щетками меняются местами, или, говоря иначе, первая щетка теперь касается противоположного сегмента, которого она касалась на первом полуобороте, а вторая щетка касается сегмента, противоположного тому, которого она коснулась на первом полуобороте.Делая это, щетки удерживают ток в одном направлении и доставляют его к месту назначения и обратно.

Электродвигатели постоянного тока

Двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. Двигатели и генераторы постоянного тока устроены очень похоже. Сначала они функционируют почти противоположным образом, потому что генератор создает напряжение, когда проводники пересекают силовые линии в магнитном поле, в то время как двигатели создают крутящий момент — крутящее усилие механического вращения.Простые двигатели имеют плоскую катушку, по которой течет ток, который вращается в магнитном поле. Двигатель действует как генератор, поскольку после запуска он создает противоположный ток, вращаясь в магнитном поле, что, в свою очередь, приводит к физическому движению.

Это достигается, когда проводник проходит через магнитное поле, затем противоположные поля отталкивают друг друга, вызывая физическое движение. Правило левой руки можно использовать для объяснения работы простого двигателя (рис. 9).Указательный палец указывает направление магнитного поля, средний палец указывает направление тока, а большой палец показывает, в какую сторону вынужден будет двигаться проводник.

Двигатель с самовозбуждением создает собственное возбуждение поля. У шунтового двигателя поле параллельно цепи якоря, а у последовательного двигателя поле последовательно с якорем.

Когда проводник сгибается в катушку, физическое движение совершает цикл вверх и вниз.Чем больше изгибов в катушке, тем менее пульсирующим будет движение. Это физическое движение называется крутящим моментом и может быть измерено уравнением:

T = кт Q ia

T = крутящий момент

кт = константа в зависимости от физических размеров двигателя

Q = общее количество линий потока, поступающих на якорь от одного полюса N

ia = ток якоря

Переменный ток

Подобно процессу производства постоянного тока, процесс производства переменного тока требует, чтобы петля проводника вращалась в магнитном поле.На самом деле процесс одинаков для обоих типов тока, за исключением того, что переменный ток никогда не превращается в постоянный с помощью коммутатора. Проводниковая петля или катушка разрезает силовые линии в магнитном поле, индуцируя переменное напряжение на своих клеммах. Каждый полный оборот петли называется «циклом». Волна переменного тока изображена на рисунке 10.

Обратите внимание, какой отрезок волны состоит из одного цикла, а какой является частью волны от точки А до следующей точки А.Если мы разделим волну на четыре равные части, деления произойдут в точках A, B, C и D. Мы можем прочитать виток катушки и то, как он связан с производимой волной. От А до В — первая четверть витка катушки, от В до С — вторая четверть витка, от С до D — третья четверть витка, а от D до А — последняя четверть витка.

Важно отметить, что отметки градусов на горизонтальной оси относятся к электрическим градусам и не являются геометрическими. Пример выше относится к однополюсному генератору.Однако, если бы это был двухполюсный генератор, то 1 цикл происходил бы на каждые 180 градусов, а не на 360 градусов, и так далее.

Генератор переменного тока

Генератор переменного тока или генератор переменного тока вырабатывает переменный ток, что означает многократное изменение направления полярности тока. Для этого типа генератора требуется катушка, пересекающая магнитное поле, и он прикреплен к двум токосъемным кольцам, соединенным со щетками. Щетки передают ток к месту назначения нагрузки и от него, замыкая таким образом цепь.

Во время первого полуоборота катушка пересекает поле вблизи северного полюса магнита. Электроны поднимаются по проводу, и нижнее токосъемное кольцо становится положительно заряженным. Когда катушка обрывается около южного полюса провода во время второго полуоборота, нижнее токосъемное кольцо становится отрицательно заряженным, и электроны движутся по проводу. Чем быстрее вращается катушка, тем быстрее движутся электроны, или, другими словами, тем больше увеличивается частота, или чем больше герц в секунду, тем сильнее ток.

Двигатель переменного тока

Двигатель переменного тока аналогичен двигателю постоянного тока, за исключением нескольких характеристик. Вместо поля ротора, изменяющегося каждые пол-оборота, поле статора меняется каждые пол-оборота.

Существует несколько различных типов двигателей переменного тока. Наиболее распространенным типом является многофазный асинхронный двигатель, который содержит статор и ротор, где статор присоединен к А.С. поставка. Когда обмотка статора находится под напряжением, создается вращающееся магнитное поле. ЭДС индуцируется, когда поле проходит через катушки индуктивности и через них протекает ток. Таким образом, крутящий момент воздействует на проводники ротора, несущие ток в статоре.

НАЗАД В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНИТИЗМ ДОМ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.

© 1995-2021 автор Майкл В. Дэвидсон и Университет штата Флорида.Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения владельцев авторских прав. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми правовыми положениями и условиями, изложенными владельцами.