Магнитное поле возникает: Из-за чего образуется магнитное поле

Содержание

Из-за чего образуется магнитное поле

Действие магнитного поля распространяется на все виды жизни на Земле и жизни планет. Эта материя, с помощью которой взаимодействуют заряженные частицы. 

Магнит – это предмет, который долгое время находится в одном состоянии, в намагниченном состоянии. С помощью этого свойства такие предметы, как магниты притягивают другие предметы, состоящие из железа и их сплавов. Магниты имеют два полюса – северный и южный, самое сильное магнитное поле располагается около полюсов. 

Магниты бывают натуральными, сделанные из железной руды магнитного железняка. Также магниты бывают искусственными, произведенные человеком. Их делают путем внесения железа в магнитное поле. 

Магнитное поле бывает отрицательным и положительным. Два отрицательных поля и два положительных поля отталкиваются друг от друга, а два поля с разными полюсами будут притягиваться. Это происходит из-за взаимодействия друг с другом магнитных полей. Магнитное поле – вещь не постоянная. Оно может внезапно появиться и внезапно пропасть, все зависит от внешних факторов, влияющих на магнитное поле. 

Элементарные магнитные поля создаются благодаря движению электронов вокруг ядра атома и движению вокруг своей оси. Само магнитное поле образуется благодаря внесению железного предмета во внешнее магнитное поле, тогда элементарные магнитные поля в железном предмете ориентируются во внешнем магнитном поле абсолютно одинаково. После этих небольших преобразований обычный предмет из железа становится магнитом, со своими магнитными полями. 

Действие магнитного поля влияет только на самого себя, а на электрическое поле оно никак не влияет. Есть электрическая заряженная частица, которая непременно движется, вокруг этой частицу и существует магнитное поле. Есть вторая электрическая заряженная частица, вокруг которой также существует магнитное поле. И эти два магнитных поля друг с другом взаимодействуют. 
Действие магнитного поля – это взаимодействия нескольких тел, такие как притягивание и отталкивание. Различаются эти взаимодействия только по интенсивности действия. Например, все электрические двигатели работают по принципу взаимного магнитного отталкивания. 

Наша планета, Земля, как и многие другие планеты, имеет магнитное поле. Магнитное поле Земли возникло из-за того, что наше планета постоянно движется вокруг Солнца и вокруг своей оси. Ядро нашей планеты состоит металла и является проводником электричества. Магнитное поле оказывает благотворное влияние на жизнь целой планеты и взаимодействия около земного пространства. Например, магнитное поле защищает все живое на земле от неблагоприятных воздействий солнца. Также защищает искусственные спутники Земли. Даже красивые полярные сияния вызваны магнитным полем Земли.

Тест по физике на тему» Магнитные явления»

8 кл. Магнитные явления.

1.Магнитное поле возникает… 1) вокруг любого заряда 2) вокруг любого проводника 3) вокруг любого проводника с током 4) вокруг движущегося тела

2.Выберите верные утверждения

1) У магнита не может быть только один полюс 2) Противоположные полюса магнитов отталкиваются 3) Вокруг движущихся зарядов возникают магнитные поля 4) Полюса магнитов бывают северными, южными, западными и восточными

3. Однородное магнитное поле это: 1) Магнитное поле единичного магнитного заряда 2) Магнитное поле между однородными полюсами 3) Магнитное поле, линии которого расположены с одинаковой густотой и обладают одинаковой силой и направлением 4) Магнитное поле, линии которого параллельны

4. Выберите верные утверждения: 1) Магнитные линии замкнуты 2)Магнитные линии внутри магнита направлены от северного полюса к южному 3)Магнитные линии неосязаемы человеком 4)Магнитное поле существует только вокруг постоянных магнитов

5.Сопоставьте понятия и определения:

1) Электродвигатель 2) Электромагнит 3) Сердечник 4) Аккумулятор

А)Катушка с током и металлическим стержнем внутри Б)Металлический стержень внутри катушки с током

В)Устройство, использующее взаимосвязь электричества и магнетизма Г)Источник тока

6. На рисунке показаны линии магнитного поля, которое было создано проводником с током. Каким НЕ может быть направление тока в проводнике?

1) За чертёж (от нас) 2) Из чертежа (на нас) 3) Вправо 4) Влево

5) Таким же, как и направление магнитных линий

7. Выберите верные утверждения: 1) Стрелка компаса не указывает точное направление на север 2) Северный магнитный полюс находится в северном полушарии 3) Магнитное поле Земли защищает планету от вредного излучения

4) Магнитное поле Земли одинаково в любой точке планеты

5) В природе существуют металлы, которые обладают свойствами магнитов

8. На сколько градусов повернутся магнитные стрелки, если ток в проводнике станет течь в противоположном направлении? Запишите число:

9. Некоторые предметы могут временно вести себя, как магниты. Это явление возникает…

1) Из-за существования магнитных аномалий 2) Из-за способности намагничиваться

3) Из-за нахождения рядом с проводником с током 4) Из-за магнитных бурь

10. Выберите верные утверждения: 1) Постоянные магниты — это тела, сохраняющие свои магнитные свойства в течение длительного времени 2) Магнитные аномалии — это места, где постоянные магниты теряют свои свойства 3) Северные и южные сияния — это одно из следствий солнечного ветра 4) Северные сияния возникают вблизи магнитных аномалий 5) Южные сияния возникают из-за магнитных бурь

11. Магнитное действие постоянных магнитов больше всего… 1) у северного полюса

2) у южного полюса 3) у обоих полюсов 4) в центре магнита

12. Местности, где магнитная стрелка компаса постоянно отклонена от обычного направления, называется… 1) магнитной аномалией 2) магнитным полюсом Земли

3) магнитным центром Земли 4) На Земле таких мест не существует

13. Если два северных полюса постоянных магнитов поднести друг к другу, то…

1) магниты будут взаимодействовать 2) магниты временно перестанут проявлять свойства постоянных магнитов 3) магниты будут отталкиваться

4) один из магнитов сменит полюс 5) возникнет магнитная аномалия

14. Выберите верные утверждения: 1)При вводе железного сердечника в катушку с током, магнитное поле катушки усилится 2)При вводе железного сердечника в катушку с током, магнитные линии изменят направление не противоположное 3)При вводе железного сердечника в катушку с током, произойдет короткое замыкание 4)При вводе железного сердечника в катушку с током, катушка начнет вращаться

15. На одном из рисунков в проводнике есть ток. 1) Это рисунок справа 2) Это рисунок слева 3) Неизвестно, потому что ток может течь в проводе, независимо от расположения провода

16. Сколько минимум нужно магнитов для создания магнитного поля? Запишите число:

17. Если распилить полосовой магнит на две части, то каждая из половинок будет иметь…

1) два южных полюса 2) два северных полюса 3) по одному полюсу: одна половинка — северный полюс, а другая – южный 4) по два полюса, как и исходный магнит

18. Сопоставьте: 1) Магнитосфера 2) Магнитная буря 3) магнитная аномалия

4) следствие солнечного ветра

А) увеличение солнечной активности Б)Северное сияние В)Магнитное поле Земли

Г)Залежи железных руд

19. Выберите верные утверждения об электродвигателе: 1)его КПД составляет 100%

2)его также называют электромагнитом 3)экологически чистый 4)КПД значительно выше, чем КПД теплового двигателя

20. Если по проводнику идет ток, то: 1) Вокруг него возникает магнитное поле 2) Магнитные линии сонаправлены с током 3) Он будет взаимодействовать с любым магнитом, находящимся в непосредственной близости 4) Вокруг него возникает электрическое поле

Ответы:

1) (1 б.) Верные ответы: 3;

2) (2 б.) Верные ответы: 1; 3;

3) (2 б.) Верные ответы: 3;

4) (1 б.) Верные ответы:

Да;

Нет;

Да;

Нет;

5) (1 б.) Верные ответы:

2;

3;

1;

4;

6) (1 б.) Верные ответы: 3; 4; 5;

7) (2 б.) Верные ответы: 1; 3; 5;

8) (2 б.): Верный ответ: 180.;

9) (2 б.) Верные ответы: 2;

10) (1 б.) Верные ответы: 1; 3;

11) (1 б.) Верные ответы: 3;

12) (1 б.) Верные ответы: 1;

13) (2 б.) Верные ответы: 1; 3;

14) (1 б.) Верные ответы:

Да;

Нет;

Нет;

Нет;

15) (1 б.) Верные ответы: 1;

16) (1 б.): Верный ответ: 1.;

17) (2 б.) Верные ответы: 4;

18) (2 б.) Верные ответы:

2;

4;

1;

3;

19) (1 б.) Верные ответы:

Нет;

Нет;

Да;

Да;

20) (1 б.) Верные ответы: 1; 3; 4;

Магнитные поля: опеределение, источники, СанПиН


Магнитное поле Земли

Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения.

Источниками макроскопического магнитного поля являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: магнитное поле возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента.

Переменное магнитное поле возникает также при изменении во времени электрического поля. В свою очередь, при изменении во времени магнитного поля возникает электрическое поле. Полное описание электрического и магнитного полей в их взаимосвязи дают Максвелла уравнения. Для характеристики магнитного поля часто вводят понятие силовых линий поля (линий магнитной индукции).

Для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ применяют различного типа магнитометры. Единицей индукции магнитного поля в системе единиц СГС является Гаусс (Гс), в Международной системе единиц (СИ) — Тесла (Тл), 1 Тл = 104 Гс. Напряжённость измеряется, соответственно, в эрстедах (Э) и амперах на метр (А/м, 1 А/м = 0,01256 Э; энергия магнитного поля — в Эрг/см2 или Дж/м2, 1 Дж/м2 = 10 эрг/см2.


Компас реагирует
на магнитное поле Земли

Магнитные поля в природе чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым ими эффектам. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается до расстояния в 70—80 тысяч км в направлении к Солнцу и на многие миллионы км в противоположном направлении. У поверхности Земли магнитное поле равно в среднем 50 мкТл, на границе магнитосферы ~ 10

-3 Гс. Геомагнитное поле экранирует поверхность Земли и биосферу от потока заряженных частиц солнечного ветра и частично космических лучей. Влияние самого геомагнитного поля на жизнедеятельность организмов изучает магнитобиология. В околоземном пространстве магнитное поле образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий — радиационный пояс Земли. Содержащиеся в радиационном поясе частицы представляют значительную опасность при полётах в космос. Происхождение магнитного поля Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре.

Непосредственные измерения при помощи космических аппаратов показали, что ближайшие к Земле космические тела — Луна, планеты Венера и Марс не имеют собственного магнитного поля, подобного земному. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и, по-видимому, Сатурн обладают собственными магнитными полями, достаточными для создания планетарных магнитных ловушек. На Юпитере обнаружены магнитные поля до 10 Гс и ряд характерных явлений (магнитные бури, синхротронное радиоизлучение и другие), указывающих на значительную роль магнитного поля в планетарных процессах.


© Фото: http://www.tesis.lebedev.ru
Фотография Солнца
в узком спектре

Межпланетное магнитное поле — это главным образом поле солнечного ветра (непрерывно расширяющейся плазмы солнечной короны). Вблизи орбиты Земли межпланетное поле ~ 10-4—10-5 Гс. Регулярность межпланетного магнитного поля может нарушаться из-за развития различных видов плазменной неустойчивости, прохождения ударных волн и распространения потоков быстрых частиц, рожденных солнечными вспышками.

Во всех процессах на Солнце — вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей магнитное поле играет важнейшую роль. Измерения, основанные на эффекте Зеемана, показали, что магнитное поле солнечных пятен достигает нескольких тысяч Гс, протуберанцы удерживаются полями ~ 10—100 Гс (при среднем значении общего магнитного поля Солнца ~ 1 Гс).

Магнитные бури

Магнитные бури — сильные возмущения магнитного поля Земли, резко нарушающие плавный суточный ход элементов земного магнетизма. Магнитные бури длятся от нескольких часов до нескольких суток и наблюдаются одновременно на всей Земле.

Как правило, магнитные бури состоят из предварительной, начальной и главной фаз, а также фазы восстановления. В предварительной фазе наблюдаются незначительные изменения геомагнитного поля (в основном в высоких широтах), а также возбуждение характерных короткопериодических колебаний поля. Начальная фаза характеризуется внезапным изменением отдельных составляющих поля на всей Земле, а главная — большими колебаниями поля и сильным уменьшением горизонтальной составляющей. В фазе восстановления магнитной бури поле возвращается к своему нормальному значению.


Влияние солнечного ветра
на магнитосферу Земли

Магнитные бури вызываются потоками солнечной плазмы из активных областей Солнца, накладывающимися на спокойный солнечный ветер. Поэтому магнитные бури чаще наблюдаются вблизи максимумов 11-летнего цикла солнечной активности. Достигая Земли, потоки солнечной плазмы увеличивают сжатие магнитосферы, вызывая начальную фазу магнитной бури, и частично проникают внутрь магнитосферы Земли. Попадание частиц высоких энергий в верхнюю атмосферу Земли и их воздействие на магнитосферу приводят к генерации и усилению в ней электрических токов, достигающих наибольшей интенсивности в полярных областях ионосферы, с чем связано наличие высокоширотной зоны магнитной активности. Изменения магнитосферно-ионосферных токовых систем проявляются на поверхности Земли в виде иррегулярных магнитных возмущений.

В явлениях микромира роль магнитного поля столь же существенна, как и в космических масштабах. Это объясняется существованием у всех частиц — структурных элементов вещества (электронов, протонов, нейтронов), магнитного момента, а также действием магнитного поля на движущиеся электрические заряды.

Применение магнитных полей в науке и технике. Магнитные поля обычно подразделяют на слабые (до 500 Гс), средние (500 Гс — 40 кГс), сильные (40 кГс — 1 МГс) и сверхсильные (свыше 1 МГс). На использовании слабых и средних магнитных полей основана практически вся электротехника, радиотехника и электроника. Слабые и средние магнитные поля получают при помощи постоянных магнитов, электромагнитов, неохлаждаемых соленоидов, сверхпроводящих магнитов.

Источники магнитного поля

Все источники магнитных полей можно разделить на искусственные и естественные. Основными естественными источниками магнитного поля являются собственное магнитное поле планеты Земля и солнечный ветер. К искусственным источникам можно отнести все электромагнитные поля, которыми так изобилует наш современный мир, и наши дома в частности. Более подробно об электромагнитных полях, их влиянии на человека и способах оценки и экранинирования читайте на нашем сайте.

Транспорт на электроприводе является мощным источником магнитного поля в диапазоне от 0 до 1000 Гц. Железнодорожный транспорт использует переменный ток. Городской транспорт — постоянный. Максимальные значения индукции магнитного поля в пригородном электротранспорте достигают 75 мкТл, средние значения — около 20 мкТл. Средние значения на транспорте с приводом от постоянного тока зафиксированы на уровне 29 мкТл. У трамваев, где обратный провод — рельсы, магнитные поля компенсируют друг друга на гораздо большем расстоянии, чем у проводов троллейбуса, а внутри троллейбуса колебания магнитного поля невелики даже при разгоне. Но самые большие колебания магнитного поля — в метро. При отправлении состава величина магнитного поля на платформе составляет 50-100 мкТл и больше, превышая геомагнитное поле. Даже когда поезд давно исчез в туннеле, магнитное поле не возвращается к прежнему значению. Лишь после того, как состав минует следующую точку подключения к контактному рельсу, магнитное поле вернется к старому значению. Правда, иногда не успевает: к платформе уже приближается следующий поезд и при его торможении магнитное поле снова меняется. В самом вагоне магнитное поле еще сильнее — 150-200 мкТл, то есть в десять раз больше, чем в обычной электричке.

Значения индукции магнитных полей, наиболее часто встречаемых нами в повседневной жизни приведены на диаграмме ниже. Глядя на эту диаграмму становится ясно, что мы подвергаемся воздействию магнитных полей постоянно и повсеместно. По мнению некоторых ученых, вредными считаются магнитные поля с индукцией свыше 0,2 мкТл. Ествественно, что следует предпринимать определенные меры предосторожности, чтобы обезопасить себя от пагубного воздействия окружающих нас полей. Просто выполняя несколько несложных правил Вы можете в значительной мере снизить воздействие магнитных полей на свой организм.

В действующих СанПиН 2.1.2.2801-10 «Изменения и дополнения №1 к СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях» сказано следующее: «Предельно допустимый уровень ослабления геомагнитного поля в помещениях жилых зданий устанавливается равным 1,5». Также установлены предельно допустимые значения интенсивности и напряжённости магнитного поля частотой 50 Гц:

  • в жилых помещениях — 5 мкТл или 4 А/м;
  • в нежилых помещениях жилых зданий, на селитебной территории, в том числе на территории садовых участков — 10 мкТл или 8 А/м.

Исходя из указанных нормативов каждый может рассчитать какое количество электрических приборов может находиться во включённом состоянии и в состоянии ожидания в каждом конкретном помещении или же заказать обследование помещений в нашей фирме, на основании которого будут выданы рекомендации по нормализации жилого пространства.


Видеоматериалы по теме



Небольшой научный фильм о магнитном поле Земли

Использованная литература

1. Большая Советская Энциклопедия.

Магнитное поле — урок. Физика, 8 класс.

Одним из свойств электрического тока является магнитное поле, оно возникает при протекании тока по проводнику.

 

 

Рис. \(1\). Магнитное поле проводника

 

Пример:

При прохождении тока по двум параллельно расположенным проводникам между проводниками возникают силы взаимодействия, которые называются магнитными силами. Действие этих сил может привести к деформации проводников (см. рисунок).

 

Рис. \(2\). Магнитные силы

 

Для изучения магнитного действия тока используют магнитную стрелку.

 

 

Рис. \(3\). Магнитная стрелка 

 

Обрати внимание!

У магнитной стрелки есть два полюса — северный (обозначается буквой \(N\), окрашен в синий цвет) и южный (обозначается буквой \(S\), окрашен в красный цвет).

Линию, соединяющую полюсы магнитной стрелки, называют её осью.

Магнитную стрелку ставят на заостренный конец иглы или булавки, чтобы она могла свободно поворачиваться вокруг своей оси (в горизонтальной плоскости).

 

Рис. \(4\). Устройство для демонстрации

 

Проведем опыт, который первым реализовал Эрстед в 1820 году.

 

 

Рис. \(5\). Эрстед Ханс Кристиан

 

Для опыта понадобится источник тока, реостат, ключ, провода и магнитная стрелка на подставке. В начальный момент магнитная стрелка располагается под проводом параллельно ему. На рисунке видно изменение положения магнитной стрелки в разомкнутом и замкнутом контурах.

 

 

Рис. \(6\). Опыт Эрстеда

 

Данный опыт демонстрирует факт наличия магнитного поля в пространстве направленного движения электрических зарядов.

 

Опыт Эрстеда устанавливает связь между электрическими и магнитными явлениями. О существовании такой связи догадывались ещё первые исследователи, которых поражала аналогия электрических и магнитных явлений, например, притягивание и отталкивание: в электричестве — разноимённых и одноимённых зарядов, а в магнетизме — разноимённых и одноимённых полюсов.

 

Таким образом, подводя итог выше сказанному, заполним таблицу:

 

неподвижные электрические заряды создают 

движущиеся электрические заряды создают 

Поле

 электрическое

электрическое и магнитное

 

Это означает, что вокруг проводника с током (т.е. движущихся зарядов) существует как электрическое, так и магнитное поле. Поэтому электрический ток считают источником  магнитного поля.

Источники:

Рис. 2. Магнитные силы. © ЯКласс.

100 ballov.kz образовательный портал для подготовки к ЕНТ и КТА

Приказом Министерства образования и науки Казахстана внесены изменения в правила проведения единого национального тестирования, сообщает Zakon.kz.

Изменены сроки подачи заявления на участие в ЕНТ и проведения тестирования. Расширен перечень предметов и устройств, которые запрещено проносить с собой.

Речь идет о мобильных средствах связи (сотовые телефоны, планшеты, iPad (Айпад), iPod (Айпод), смартфоны, рации, ноутбуки, плейеры, модемы (мобильные роутеры), смарт-часы, наушники проводные, беспроводные, микронаушники, беспроводные видеокамеры, GPS (ДжиПиЭс) навигаторы, GPS (ДжиПиЭс) трекеры, устройства удаленного управления, а также другие устройства обмена информацией.

Для начала тестирования поступающему необходимо:

  1. указать свой логин и пароль для входа в систему тестирования;

  2. пройти авторизацию лица человека через камеры, установленные на компьютере;

  3. открыть интерфейс «тестирование ЕНТ»;

  4. выбрать язык сдачи, при этом после начала тестирования он не меняется;

  5. выбрать комбинацию профильных предметов и подтвердить правильность выбора;

  6. приступить к сдаче ЕНТ.

При каждом выходе и входе в систему тестирования поступающие через камеры, установленные на компьютере, проходят авторизацию лица человека.

Также предусматривается, что в случае отключения электричества в пункте проведения ЕНТ или при других форс-мажорных обстоятельствах, при которых запись тестирования не ведется, оно приостанавливается (отменяется) и переносится на другой день с составлением акта о приостановлении и переносе экзамена.

При этом правила дополнены новой формой составления акта о приостановлении и переносе процесса тестирования. Он составляется совместно администратором тестирования и региональной государственной комиссией.

С 15 до 3 минут сокращен перерыв, предоставляемый по истечении 120 минут с начала тестирования.

Лицам с ограниченными возможностями (с нарушениями зрения, слуха, функций опорно-двигательного аппарата) для тестирования дополнительно предоставляется 40 минут.

Напомним, обычная продолжительность тестирования – 240 минут.

Посмотреть все внесенные изменения можно здесь.

Где возникает магнитное поле. Магнитное поле: причины возникновения и характеристики

Магнитным полем называется особый, отличный от вещества, вид материи через которую передается действие магнита на другие тела.

Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем движущиеся электрические заряды и постоянные магниты. Оно воздействует только на движущиеся заряды. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются

От своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю.

Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля, и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т. е. 300 ООО км/с.

Общеизвестно действие постоянных магнитов и электромагнитов на ферромагнитные тела, существование и неразрывное единство полюсов магнитов и их взаимодействие (разноименные полюсы притягиваются, одноименные отталкиваются). По аналогии

с магнитными полюсами Земли полюсы магнитов называют северным и южным.

Магнитное поле наглядно изображается магнитными силовыми линиями, которые задают направление магнитного поля в пространстве (рис..1). Эти линии не имеют ни начала, ни конца, т.е. являются замкнутыми.

Силовые линии магнитного поля прямолинейного проводника представляют собой концентрические окружности, охватывающие провод. Чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле вокруг провода. При удалении от провода с током магнитное поле ослабевает.

В пространстве, окружающем магнит или электромагнит, за положительное направление магнитных силовых линий условно принято направление от северного полюса к южному. Чем интенсивнее магнитное поле, тем выше плотность силовых линий.

Направление магнитных силовых линий определяется правилом буравчика :.

Рис. 1. Магнитное поле магнитов:

а — прямого; б — подковообразного

Рис. 2. Магнитное поле:

а — прямого провода; б — индуктивной катушки

Если ввинчивать винт по направлению тока, то магнитные магнитные силовые линии будут направлены по ходу винта (рис.2 а)

Для получения более сильного магнитного поля применяют индуктивные катушки с обмоткой из проволоки. В этом случае магнитные поля отдельных витков индуктивной катушки складываются и их силовые линии сливаются в общий магнитный поток.

Магнитные силовые линии выходят из индуктивной катушки

на том конце, где ток направлен против хода часовой стрелки, т. е. этот конец является северным магнитным полюсом (рис.2, б).

При изменении направления тока в индуктивной катушке изменится и направление магнитного поля.

Представляет собой силовое поле, воздействующее на электрические заряды и на тела, находящиеся в движении и имеющие магнитный момент, вне зависимости от состояния их движения. Магнитное поле является частью электромагнитного поля.

Ток заряженных частиц либо магнитные моменты электронов в атомах создают магнитное поле. Также, магнитное поле возникает в результате определенных временных изменений электрического поля.

Вектор индукции магнитного поля В представляет собой главную силовую характеристику магнитного поля. В математике В = В (X,Y,Z) определяется как векторное поле. Это понятие служит для определения и конкретизации физического магнитного поля. В науке зачастую вектор магнитной индукции попросту, для краткости, именуется магнитным полем. Очевидно, что такое применение допускает некоторую вольную трактовку этого понятия.

Ещё одной характеристикой магнитного поля тока есть векторные потенциал.

В научной литературе часто можно встретить, что в качестве главной характеристики магнитного поля, в условиях отсутствия магнитной среды (вакууме), рассматривается вектор напряжённости магнитного поля. Формально, такая ситуация вполне приемлема, поскольку в вакууме вектор напряженности магнитного поля H и вектор магнитной индукции B совпадают. В тоже время, вектор напряженности магнитного поля в магнитной среде не наполнен тем же физическим смыслом, и является второстепенной величиной. Исходя из этого при формальной равенства этих подходов для вакуума, систематическая точка зрения рассматривает вектор магнитной индукции основной характеристикой магнитного поля тока .

Магнитное поле, безусловно, представляет собой особенный вид материи. С помощью этой материи происходит взаимодействие между обладающими магнитным моментом и движущимися заряженными частицами либо телами.

Специальная теория относительности рассматривает магнитные поля как следствие существования самих электрических полей.

В совокупности магнитное и электрическое поля формируют электромагнитное поле. Проявлениями электромагнитного поля является свет и электромагнитные волны.

Квантовая теория магнитного поля рассматривает магнитное взаимодействие как отдельный случай электромагнитного взаимодействия. Он переносится безмассовым бозоном. Бозон представляет собой фотон — частицу, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля.

Порождается магнитное поле либо током заряженных частиц, либо трансформирующимся во временном пространстве электрическим полем, либо собственными магнитными моментами частиц. Магнитные моменты частиц для однообразного восприятия формально сводятся к электрическим токам.

Вычисление значения магнитного поля.

Простые случаи позволяют вычислить значения магнитного поля проводника с током по закону Био-Савара-Лапласа, либо при помощи теоремы о циркуляции. Таким же образом может быть найдено значение магнитного поля и для тока, произвольно распределённого в объёме или пространстве. Очевидно, эти законы применимы для постоянных либо относительно медленно изменяющихся магнитных и электрических полей. То есть, в случаях наличия магнитостатики. Более сложные случаи требуют вычисления значения магнитного поля тока согласно уравнений Максвелла.

Проявление наличия магнитного поля.

Основным проявлением магнитного поля является влияние на магнитные моменты частиц и тел, на заряженные частицы находящиеся в движении. Силой Лоренца называется сила, которая воздействует на электрически заряженную частицу, которая движется в магнитном поле. Эта сила имеет постоянно выраженную перпендикулярную направленность к векторам v и B. Она также имеет пропорциональное значение заряду частицы q, составляющей скорости v, осуществляющейся перпендикулярно направлению вектора магнитного поля B, и величине, которая выражает индукцию магнитного поля B. Сила Лоренца согласно Международной системе единиц имеет такое выражение: F = q , в системе единиц СГС: F = q / c

Векторное произведение отображено квадратными скобками.

В результате влияния силы Лоренца на движущиеся по проводнику заряженные частицы, магнитное поле и может осуществлять воздействие на проводник с током. Силой Ампера является сила, действующая на проводник с током. Составляющими этой силы считаются силы, воздействующие на отдельные заряды, которые движутся внутри проводника.

Явление взаимодействия двух магнитов.

Явление магнитного поля, которое мы можем встретить в повседневной жизни, получило название взаимодействие двух магнитов. Оно выражается в отталкивании друг от друга одинаковых полюсов и притяжении противоположных полюсов. С формальной точки зрения описать взаимодействия между двумя магнитами как взаимодействие двух монополей, является достаточно полезной, реализуемой и удобной идеей. В то же время, детальный анализ свидетельствует, что в действительности это не совсем верное описание явления. Основным вопросом, остающимся без ответа в рамках такой модели, является, почему монополя не могут быть разделены. Собственно, экспериментально доказано, что любое изолированное тело не имеет магнитный заряд. Также эту модель невозможно применить к магнитному полю, созданному макроскопическим током.

С нашей точки зрения, правильно считать, что сила, действующая на магнитный диполь, находящийся в неоднородном поле, стремится развернуть его таким образом, чтобы магнитный момент диполя имел одинаковое с магнитным полем направление. Однако нет магнитов, которые подвержены воздействию суммарной силы со стороны однородного магнитного поля тока . Сила, которая действует на магнитный диполь с магнитным моментом m выражается следующей формулой:

.

Действующая на магнит сила со стороны неоднородного магнитного поля, выражается суммой всех сил, которые определяются данной формулой, и воздействующих на элементарные диполи, которые составляют магнит.

Электромагнитная индукция.

В случае изменения во времени потока вектора магнитной индукции через замкнутый контур, в этом контуре формируется ЭДС электромагнитной индукции. Если контур неподвижен, она порождается вихревым электрическим полем, которое возникает в результате изменения магнитного поля со временем. Когда магнитное поле не изменяется со временем и нет изменений потока из-за движения контура-проводника, то ЭДС порождается силой Лоренца.

Магнитное поле – это материальная среда, через которую осуществляется взаимодействие между проводниками с током или движущимися зарядами.

Свойства магнитного поля :

Характеристики магнитного поля :

Для исследования магнитного поля используют пробный контур с током. Он имеет малые размеры, и ток в нём много меньше тока в проводнике, создающем магнитное поле. На противоположные стороны контура с током со стороны магнитного поля действуют силы, равные по величине, но направленные в противоположные стороны, так как направление силы зависит от направления тока. Точки приложения этих сил не лежат на одной прямой. Такие силы называют парой сил . В результате действия пары сил контур не может двигаться поступательно, он поворачивается вокруг своей оси. Вращающее действие характеризуетсямоментом сил .

, гдеl плечо пары сил (расстояние между точками приложения сил).

При увеличении тока в пробном контуре или площади контура пропорционально увеличится момент пары сил. Отношение максимального момента сил, действующего на контур с током, к величине силы тока в контуре и площади контура – есть величина постоянная для данной точки поля. Называется она магнитной индукцией .

, где
магнитный момент контура с током.

Единица измерения магнитной индукции –Тесла [Тл].

Магнитный момент контура – векторная величина, направление которой зависит от направления тока в контуре и определяется поправилу правого винта : правую руку сжать в кулак, четыре пальца направить по направлению тока в контуре, тогда большой палец укажет направление вектора магнитного момента. Вектор магнитного момента всегда перпендикулярен плоскости контура.

За направление вектора магнитной индукции принимают направление вектора магнитного момента контура, ориентированного в магнитном поле.

Линия магнитной индукции – линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, никогда не пересекаются.Линии магнитной индукции прямого проводника с током имеют вид окружностей, расположенных в плоскости, перпендикулярной проводнику. Направление линий магнитной индукции определяют по правилу правого винта.Линии магнитной индукции кругового тока (витка с током) также имеют вид окружностей. Каждый элемент витка длиной
можно представить как прямолинейный проводник, который создаёт своё магнитное поле. Для магнитных полей выполняется принцип суперпозиции (независимого сложения). Суммарный вектор магнитной индукции кругового тока определяется как результат сложения этих полей в центре витка по правилу правого винта.

Если величина и направление вектора магнитной индукции одинаковы в каждой точке пространства, то магнитное поле называют однородным . Если величина и направление вектора магнитной индукции в каждой точке не изменяются с течением времени, то такое поле называютпостоянным.

Величина магнитной индукции в любой точке поля прямо пропорциональна силе тока в проводнике, создающем поле, обратно пропорциональна расстоянию от проводника до данной точки поля, зависит от свойств среды и формы проводника, создающего поле.

, где
Н/А 2 ; Гн/м– магнитная постоянная вакуума ,

относительная магнитная проницаемость среды ,

абсолютная магнитная проницаемость среды .

В зависимости от величины магнитной проницаемости все вещества разделяют на три класса:


При увеличении абсолютной проницаемости среды увеличивается и магнитная индукция в данной точке поля. Отношение магнитной индукции к абсолютной магнитной проницаемости среды – величина постоянная для данной точки поли, е называют напряжённостью.

.

Векторы напряжённости и магнитной индукции совпадают по направлению. Напряжённость магнитного поля не зависит от свойств среды.

Сила Ампера – сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.

Гдеl – длина проводника,- угол между вектором магнитной индукции и направлением тока.

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки : левую руку располагают так, чтобы составляющая вектора магнитной индукции, перпендикулярная проводнику, входила в ладонь, четыре вытянутых пальца направить по току, тогда отогнутый на 90 0 большой палец укажет направление силы Ампера.

Результат действия силы Ампера – движение проводника в данном направлении.

Если= 90 0 , тоF=max, если= 0 0 , тоF= 0.

Сила Лоренца – сила действия магнитного поля на движущийся заряд.

, гдеq– заряд,v– скорость его движения,- угол между векторами напряжённости и скорости.

Сила Лоренца всегда перпендикулярна векторам магнитной индукции и скорости. Направление определяют по правилу левой руки (пальцы – по движению положительного заряда). Если направление скорости частицы перпендикулярно линиям магнитной индукции однородного магнитного поля, то частица движется по окружности без изменения кинетической энергии.

Так как направление силы Лоренца зависит от знака заряда, то её используют для разделения зарядов.

Магнитный поток – величина, равная числу линий магнитной индукции, которые проходят через любую площадку, расположенную перпендикулярно линиям магнитной индукции.

, где- угол между магнитной индукцией и нормалью (перпендикуляром) к площадиS.

Единица измерения – Вебер [Вб].

Способы измерения магнитного потока:

    Изменение ориентации площадки в магнитном поле (изменение угла)

    Изменение площади контура, помещённого в магнитное поле

    Изменение силы тока, создающего магнитное поле

    Изменение расстояния контура от источника магнитного поля

    Изменение магнитных свойств среды.

Фарадей регистрировал электрический ток в контуре, не содержащим источника, но находившемся рядом с другим контуром, содержащим источник. Причём ток в первом контуре возникал в следующих случаях: при любом изменении тока в контуре А, при относительном перемещении контуров, при внесении в контур А железного стержня, при движении относительно контура Б постоянного магнита. Направленное движение свободных зарядов (ток) возникает только в электрическом поле. Значит, изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, которое и приводит в движение свободные заряды проводника. Это электрическое поле называютиндуцированным иливихревым .

Отличия вихревого электрического поля от электростатического:

    Источник вихревого поля – изменяющееся магнитное поле.

    Линии напряжённости вихревого поля замкнуты.

    Работа, совершаемая этим полем по перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю.

    Энергетической характеристикой вихревого поля является не потенциал, а ЭДС индукции – величина, равная работе сторонних сил (сил не электростатического происхождения) по перемещению единицы заряда по замкнутому контуру.

.Измеряется в Вольтах [В].

Вихревое электрическое поле возникает при любом изменении магнитного поля, независимо от того, есть ли проводящий замкнутый контур или его нет. Контур только позволяет обнаружить вихревое электрическое поле.

Электромагнитная индукция – это возникновение ЭДС индукции в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока через его поверхность.

ЭДС индукции в замкнутом контуре порождает индукционный ток.

.

Направление индукционного тока определяют поправилу Ленца : индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле противодействует любому изменению магнитного потока, породившего этот ток.

Закон Фарадея для электромагнитной индукции : ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Токи Фуко – вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках больших размеров, помещённых в изменяющееся магнитное поле. Сопротивление такового проводника мало, так как он имеет большое сечениеS, поэтому токи Фуко могут быть большими по величине, в результате чего проводник нагревается.

Самоиндукция – это возникновение ЭДС индукции в проводнике при изменении силы тока в нём.

Проводник с током создаёт магнитное поле. Магнитная индукция зависит от силы тока, следовательно собственный магнитный поток тоже зависит от силы тока.

, гдеL– коэффициент пропорциональности,индуктивность .

Единица измерения индуктивности – Генри [Гн].

Индуктивность проводника зависит от его размеров, формы и магнитной проницаемости среды.

Индуктивность увеличивается при увеличении длины проводника, индуктивность витка больше индуктивности прямого проводника такой же длины, индуктивность катушки (проводника с большим числом витков) больше индуктивности одного витка, индуктивность катушки увеличивается, если в неё вставить железный стержень.

Закон Фарадея для самоиндукции :
.

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока.

ЭДС самоиндукции порождает ток самоиндукции, который всегда препятствует любому изменению тока в цепи, то есть, если ток увеличивается, ток самоиндукции направлен в противоположную сторону, при уменьшении тока в цепи, ток самоиндукции направлен в ту же сторону. Чем больше индуктивность катушки, тем больше ЭДС самоиндукции возникает в ней.

Энергия магнитного поля равна работе, которую совершает ток для преодоления ЭДС самоиндукции за время, пока ток возрастает от нуля до максимального значения.

.

Электромагнитные колебания – это периодические изменения заряда, силы тока и всех характеристик электрического и магнитного полей.

Электрическая колебательная система (колебательный контур) состоит из конденсатора и катушки индуктивности.

Условия возникновения колебаний :

    Систему надо вывести из состояния равновесия, для этого сообщают заряд конденсатору. Энергия электрического поля заряженного конденсатора:

.

    Система должна возвращаться в состояние равновесия. Под действием электрического поля заряд переходит с одной пластины конденсатора на другую, то есть в цепи возникает электрический ток, которые идёт по катушке. При увеличении тока в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, ток самоиндукции направлен в противоположную сторону. Когда ток в катушке уменьшается, ток самоиндукции направлен в ту же сторону. Таким образом, ток самоиндукции стремиться возвратить систему к состоянию равновесия.

    Электрическое сопротивление цепи должно быть малым.

Идеальный колебательный контур не имеет сопротивления. Колебания в нём называютсвободными.

Для любой электрической цепи выполняется закон Ома, согласно которому ЭДС, действующая в контуре, равна сумме напряжений на всех участках цепи. В колебательном контуре источника тока нет, но в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, которая равна напряжению на конденсаторе.

Вывод: заряд конденсатора изменяется по гармоническому закону .

Напряжение на конденсаторе :
.

Сила тока в контуре :
.

Величина
— амплитуда силы тока.

Отличие от заряда на
.

Период свободных колебаний в контуре :

Энергия электрического поля конденсатора :

Энергия магнитного поля катушки :

Энергии электрического и магнитного полей изменяются по гармоническому закону, но фазы их колебаний разные: когда энергия электрического поля максимальна, энергия магнитного поля равна нулю.

Полная энергия колебательной системы :
.

В идеальном контуре полная энергия не изменяется.

В процессе колебаний энергия электрического поля полностью превращается в энергию магнитного поля и наоборот. Значит энергия в любой момент времени равна или максимальной энергии электрического поля, или максимальной энергии магнитного поля.

Реальный колебательный контур содержит сопротивление. Колебания в нём называютзатухающими.

Закон Ома примет вид:

При условии что затухание мало (квадрат собственной частоты колебаний много больше квадрата коэффициента затухания) логарифмический декремент затухания:

При сильном затухании (квадрат собственной частоты колебаний меньше квадрата коэффициента колебаний):




Это уравнение описывает процесс разрядки конденсатора на резистор. При отсутствии индуктивности колебаний не возникнет. По такому закону изменяется и напряжение на обкладках конденсатора.

Полная энергия в реальном контуре уменьшается, так как на сопротивлениеRпри прохождении тока выделяется теплота.

Переходный процесс – процесс, возникающий в электрических цепях при переходе от одного режима работы к другому. Оценивается временем (), в течение которого параметр, характеризующий переходный процесс изменится в е раз.


Для контура с конденсатором и резистором :
.

Теория Максвелла об электромагнитном поле :

1 положение:

Всякое переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное. Переменное электрическое поле было названо Максвеллом током смещения, так как оно подобно обычному току вызывает магнитное поле.

Для обнаружения тока смещения рассматривают прохождение тока по системе, в которую включён конденсатор с диэлектриком.

Плотность тока смещения :
. Плотность тока направлена в сторону изменения напряжённости.

Первое уравнение Максвелла :
— вихревое магнитное поле порождается как токами проводимости (движущимися электрическими зарядами) так и токами смещения (переменным электрическим полем Е).

2 положение:

Всякое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле – основной закон электромагнитной индукции.

Второе уравнение Максвелла :
— связывает скорость изменения магнитного потока сквозь любую поверхность и циркуляцию вектора напряжённости электрического поля, возникающего при этом.

Любой проводник с током создаёт в пространстве магнитное поле . Если ток постоянный (не изменяется с течением времени), то и связанное с ним магнитное поле тоже постоянное. Изменяющийся ток создаёт изменяющиеся магнитное поле. Внутри проводника с током существует электрическое поле. Следовательно, изменяющееся электрическое поле создаёт изменяющееся магнитное поле.

Магнитное поле вихревое, так как линии магнитной индукции всегда замкнуты. Величина напряженности магнитного поля Н пропорциональна скорости изменения напряжённости электрического поля . Направление вектора напряжённости магнитного полясвязано с изменением напряжённости электрического поляправилом правого винта: правую руку сжать в кулак, большой палец направить в сторону изменения напряжённости электрического поля, тогда согнутые 4 пальца укажут направление линий напряжённости магнитного поля.

Любое изменяющееся магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле , линии напряжённости которого замкнуты и расположены в плоскости, перпендикулярной напряжённости магнитного поля.

Величина напряжённости Е вихревого электрического поля зависит от скорости изменения магнитного поля . Направление вектора Е связано с направлением изменения магнитного пол Н правилом левого винта: левую руку сжать в кулак, большой палец направить в сторону изменения магнитного поля, согнутые четыре пальца укажут направление линий напряжённости вихревого электрического поля.

Совокупность связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей представляют электромагнитное поле . Электромагнитное поле не остаётся в месте зарождения, а распространяется в пространстве в виде поперечной электромагнитной волны.

Электромагнитная волна – это распространение в пространстве связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей.

Условие возникновения электромагнитной волны – движение заряда с ускорением.

Уравнение электромагнитной волны :

— циклическая частота электромагнитных колебаний

t– время от начала колебаний

l– расстояние от источника волны до данной точки пространства

— скорость распространения волны

Время движения волны от источника до данной точки.

Векторы Е и Н в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и скорости распространения волны.

Источник электромагнитных волн – проводники, по которым протекают быстропеременные токи (макроизлучатели), а также возбуждённые атомы и молекулы (микроизлучатели). Чем больше частота колебаний, тем лучше излучаются в пространстве электромагнитные волны.

Свойства электромагнитных волн:

    Все электромагнитные волны – поперечные

    В однородной среде электромагнитные волны распространяются с постоянной скоростью , которая зависит от свойств среды:

— относительная диэлектрическая проницаемость среды

— диэлектрическая постоянная вакуума,
Ф/м, Кл 2 /нм 2

— относительная магнитная проницаемость среды

— магнитная постоянная вакуума,
Н/А 2 ; Гн/м

    Электромагнитные волны отражаются от препятствий, поглощаются, рассеиваются, преломляются, поляризуются, дифрагируют, интерферируют .

    Объёмная плотность энергии электромагнитного поля складывается из объёмных плотностей энергии электрического и магнитного полей:

    Плотность потока энергии волн – интенсивность волны :

вектор Умова-Пойнтинга .

Все электромагнитные волны расположены в ряд по частотам или длинам волн (
). Этот ряд –шкала электромагнитных волн .

    Низкочастотные колебания . 0 – 10 4 Гц. Получают в генераторах. Они плохо излучаются

    Радиоволны . 10 4 – 10 13 Гц. Излучаются твёрдыми проводниками, по которым проходят быстропеременные токи.

    Инфракрасное излучение – волны, излучаемые всеми телами при температуре свыше 0 К, благодаря внутриатомным и внутри молекулярным процессам.

    Видимый свет – волны, оказывающие действие на глаз, вызывая зрительное ощущение. 380-760 нм

    Ультрафиолетовое излучение . 10 – 380 нм. Видимый свет и УФ возникают при изменении движения электронов внешних оболочек атома.

    Рентгеновское излучение . 80 – 10 -5 нм. Возникает при изменении движения электронов внутренних оболочек атома.

    Гамма-излучение . Возникает при распаде ядер атомов.

Давайте вместе разбираться в том, что такое магнитное поле. Ведь многие люди живут в этом поле всю жизнь и даже не задумываются о нем. Пора это исправить!

Магнитное поле

Магнитное поле – особый вид материи. Оно проявляется в действии на движущиеся электрические заряды и тела, которые обладают собственным магнитным моментом (постоянные магниты).

Важно: на неподвижные заряды магнитное поле не действует! Создается магнитное поле также движущимися электрическими зарядами, либо изменяющимся во времени электрическим полем, либо магнитными моментами электронов в атомах. То есть любой провод, по которому течет ток, становится также и магнитом!

Тело, обладающее собственным магнитным полем.

У магнита есть полюса, называемые северным и южным. Обозначения «северный» и «южный» даны лишь для удобства (как «плюс» и «минус» в электричестве).

Магнитное поле изображается посредством силовых магнитных линий . Силовые линии непрерывны и замкнуты, а их направление всегда совпадает с направлением действия сил поля. Если вокруг постоянного магнита рассыпать металлическую стружку, частицы металла покажут наглядную картину силовых линий магнитного поля, выходящих из северного и входящих в южный полюс. Графическая характеристика магнитного поля — силовые линии.

Характеристики магнитного поля

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция , магнитный поток и магнитная проницаемость . Но давайте обо всем по порядку.

Сразу отметим, что все единицы измерения приводятся в системе СИ .

Магнитная индукция B – векторная физическая величина, являющаяся основной силовой характеристикой магнитного поля. Обозначается буквой B . Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл ).

Магнитная индукция показывает, насколько сильно поле, определяя силу, с которой оно действует на заряд. Данная сила называется силой Лоренца .

Здесь q — заряд, v — его скорость в магнитном поле, B — индукция, F — сила Лоренца, с которой поле действует на заряд.

Ф – физическая величина, равная произведению магнитной индукции на площадь контура и косинус между вектором индукции и нормалью к плоскости контура, через который проходит поток. Магнитный поток — скалярная характеристика магнитного поля.

Можно сказать, что магнитный поток характеризует количество линий магнитной индукции, пронизывающих единицу площади. Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб) .

Магнитная проницаемость – коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит магнитная индукция поля, является магнитная проницаемость.

Наша планета на протяжении нескольких миллиардов лет является огромным магнитом. Индукция магнитного поля Земли изменяется в зависимости от координат. На экваторе она равна примерно 3,1 на 10 в минус пятой степени Тесла. К тому же существуют магнитные аномалии, где значение и направление поля существенно отличаются от соседних областей. Одни из самых крупных магнитных аномалий на планете — Курская и Бразильская магнитные аномалии .

Происхождение магнитного поля Земли до сих пор остается загадкой для ученых. Предполагается, что источником поля является жидкое металлическое ядро Земли. Ядро движется, значит, движется расплавленный железо-никелевый сплав, а движение заряженных частиц – это и есть электрический ток, порождающий магнитное поле. Проблема в том, что эта теория (геодинамо ) не объясняет того, как поле сохраняется устойчивым.

Земля – огромный магнитный диполь. Магнитные полюса не совпадают с географическими, хотя и находятся в непосредственной близости. Более того, магнитные полюса Земли движутся. Их смещение регистрируется с 1885 года. Например, за последние сто лет магнитный полюс в Южном полушарии сместился почти на 900 километров и сейчас находится в Южном океане. Полюс арктического полушария движется через Северный Ледовитый океан к Восточно-Сибирской магнитной аномалии, скорость его передвижения (по данным 2004 года) составила около 60 километров в год. Сейчас наблюдается ускорение движения полюсов — в среднем скорость растет на 3 километра в год.

Каково значение магнитного поля Земли для нас? В первую очередь магнитное поле Земли защищает планету от космических лучей и солнечного ветра. Заряженные частицы из далекого космоса не падают прямо на землю, а отклоняются гигантским магнитом и движутся вдоль его силовых линий. Таким образом, все живое оказывается защищенным от пагубной радиации.

За историю Земли происходило несколько инверсий (смен) магнитных полюсов. Инверсия полюсов – это когда они меняются местами. Последний раз это явление произошло около 800 тысяч лет назад, а всего геомагнитных инверсий в истории Земли было более 400. Некоторые ученые полагают, что с учетом наблюдающегося ускорения движения магнитных полюсов следующей инверсии полюсов следует ожидать в ближайшие пару тысяч лет.

К счастью, в нашем веке смены полюсов пока не ожидается. А значит, можно думать о приятном и наслаждаться жизнью в старом добром постоянном поле Земли, рассмотрев основные свойства и характеристики магнитного поля. А чтобы Вы могли это делать, существуют наши авторы, которым можно с уверенностью в успехе поручить часть учебных хлопот! и другие типы работ вы можете заказать по ссылке.

Каждого человека в современном мире окружает множество невидимых волн и элементов: магнитные поля, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, сигналы станций мобильной связи. Однако указанные «сущности» невидимы, хотя они и влияют на человеческий организм, а распознать их можно разве что с помощью специальных приборов.

Однако японские ученые сделали шаг вперед, чтобы сделать невидимые человеческому глазу волны видимыми. Исследователи провели эксперимент с участием подопытных крыс и научили этих животных распознавать магнитные поля путем использования цифрового компаса, который был подключен к мозгу. Крысы считывали информацию с помощью электродов, а компас подавал импульсы при повороте головы животного в ту или иную сторону. Во время опыта животные не могли использовать органы зрения, которые были плотно прикрыты тканью.

Ученые были очень удивлены, когда заметили, что грызуны научились распознавать совершенно новое источник информации. Период «обучение» оказался довольно коротким — всего два-три дня. Крысы довольно успешно стали ориентироваться в пространстве и проходить лабиринты в поисках пищи, причем осуществляли это не менее эффективно, чем обычные животные, которые могли ориентироваться с помощью собственных глаз.

Исследователи считают, что путем использования подобной технологии можно научить человека «видеть» магнитные поля, ультрафиолет или рентгеновские лучи, станет весьма полезным приобретением для нее.

М агнитное поле — составляющая электромагнитного поля, с помощью которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Магнитное поле вызывает силовое воздействие на движущиеся электрические заряды. Неподвижные электрические заряды с магнитным полем не взаимодействуют, но элементарные частицы с ненулевым спином, которые имеют собственный магнитный момент, является источником магнитного поля и магнитное поле вызывает на них силовое воздействие, даже если они находятся в состоянии покоя.
Магнитное поле образуется, например, в пространстве вокруг проводника, по которому течет ток или вокруг постоянного магнита.


Образование магнитного поля

В отличие от электрических зарядов, магнитных зарядов, которые создавали бы магнитное поле аналогичным образом, не наблюдается. Теоретически такие заряды, которые получили название магнитных монополей, могли бы существовать. В таком случае электрическое и магнитное поле были бы полностью симметричными.

Таким образом, наименьшей единицей, которая может создавать магнитное поле, является магнитный диполь. Магнитный диполь отличается тем, что у него всегда есть два полюса, в которых начинаются и кончаются силовые линии поля. Микроскопические магнитные диполи связаны со спинами элементарных частиц. Магнитный диполь имеют как заряженные элементарные частицы, например, электроны, так и нейтральные, например, нейтроны. Элементарные частицы с отличным от нуля спином можно представить себе как маленькие магнитики. Обычно, частицы с противоположными значениями спинов спариваются, что приводит к компенсации созданных ими магнитных полей, но в отдельных случаях возможно выравнивание спинов многих частиц в одном направлении, что приводит к образованию постоянных магнитов.

Магнитное поле — также создается движущимися электрическими зарядами, то есть электрическим током.

Создание электрическим зарядом поле зависит от системы отсчета. Относительно наблюдателя, движущегося с одинаковой с зарядом скоростью, заряд неподвижен, и такой наблюдатель будет фиксировать Тильке созданное им электрическое поле. Другой наблюдатель, движущийся с иной скоростью, фиксировать как электрическое, так и магнитное поле. Таким образом, электрическое и магнитное поля взаимосвязаны, и являются составными частями общего электромагнитного поля.

При протекании электрического тока через проводник он остается электрически нейтральным, однако носители заряда в нем движутся, поэтому вокруг проводника возникает только магнитное поле. Величина этого поля определяется законом Био-Савара, а направление можно определить с помощью правила Ампера или правила правой руки. Такое поле вихревым, т.е. его силовые линии замкнуты.

Магнитное поле создается также переменным электрическим полем. По закону электромагнитной индукции переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, что также является вихревым. Взаимное создания электрического и магнитного поля переменными магнитным и электрическим полем приводит к возможности распространения в пространстве электромагнитных волн.

Действие магнитного поля

Действие магнитного поля на движущиеся заряды определяется силой Лоренца.
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле называется силой Ампера. Силы взаимодействия проводников с током определяются законом Ампера.
Нейтральные вещества без электричества могут втягиваться в магнитное поле (парамагнетики) или выталкиваться из него (диамагнетики). Выталкивания диамагнетиков из магнитного поля можно использовать для левитации.
Ферромагнетики намагничиваются в магнитах поле и сохраняют магнитный момент при снятии приложенного поля.

Единицы

Магнитная индукция B измеряется в плотник в системе СИ, и в Гаусса в системе СГС. Напряженность магнитного поля H измеряется в А / м в системе CI и в Эрстедом в системе СГС.

Измерение

Магнитное поле измеряется магнитометрами. Механические магнитометры определяют величину поля по отклонению катушки с током. Слабые магнитные поля измеряются магнитометрами на основе эффекта Джозефсона — СКВИД. Магнитное поле можно измерять на основе эффекта ядерного магнитного резонанса, эффекта Холла и другими методами.

Создание

Магнитное поле широко используется в технике и для научных целей. Для его создания используются постоянные магниты и электромагниты. Однородное магнитное поле можно получить с помощью катушек Гельмгольца. Для создания мощных магнитных полей, необходимых для работы ускорителей или для удержания плазмы в установках по ядерному синтезу, используются электромагниты на сверхпроводниках.

Переменное магнитное поле

Пример HTML-страницы

Магнитное поле всегда возникает вокруг движущихся электрических зарядов, или при взаимодействии тел, обладающих магнитным моментом. Поскольку современные электрические сети используют в основном переменный электрический ток, то магнитное поле изменяет своё значение и направление периодически. Таким образом, можно сказать, что большинство электрических сетей являются источниками переменного магнитного поля.

Величина магнитного поля характеризуется векторной величиной — магнитной индукцией (B).

Движущиеся в магнитном поле частицы, движутся под действией силы Лоренца. Именно этой силой часто характеризуют магнитную составляющую в электромагнитном поле. Она характеризует напрваление движенися конкретных частиц. Под действием электромагнитного поля на проводник, в нём возникает ток, величина которого определяется законом Ампера.

Переменное магнитное поле используется в промышленности для различных технологических и производственных целей, а также нашло широкое применение в медицине, биологии и других областях.

Размагничивание стали

Для размагничивания ферромагнетиков используется затухающее переменное магнитное поле. При этом необходимо учитывать, что чем больше частота переменного магнитного поля, тем меньше глубина его проникновения в материал. Так, в сплошную сталь переменное магнитное поле частотой 10-ти герц проникает примерно на 10 миллиметров. Для размагничивания объёмных сплошных деталей используются переменные магнитные поля с небольшой частотой в единицы герц, но большой мощности. Скорость затухания частоты в таких устройствах регулируется контроллером.

Применение магнитных полей в промышленности

Сепарация взвешенных жидкостей

В нефтедобывающей промышленности применяются переменные магнитные поля. С их помощью выполняется обработка тонкодисперсной эмульсии. Эта эмульсия является продуктом смешения нефти с водой, что входит в технологический цикл нефтедобычи. При отстаивании эмульсии происходит разделение слоёв воды и нефти, но это достаточно длительный и, следовательно, дорогостоящий процесс. Воздействие переменным магнитным полем на эмульсию позволяет существенно ускорить процесс разделения сред.

Медицина

Переменные магнитные поля способны отказывать влияние на клетки и микроорганизмы, которые являются устойчивыми к другим типам воздействия (УФ-облучению, антибиотикам, вирусам, фагам и т.д.). Таким образом удаётся бороться с некоторыми враждебными человеку микроорганизмами.

В основе работы многих физиотерапевтических аппаратов лежит переменное магнитное поле, особенно СВЧ-диапазона. Такие устройства сейчас разделяют на две категории в зависимости от используемой длины волны: «ДЦВ-терапия» и «микроволновая терапия». Наиболее разработана на сегодняшний день теория о тепловом влиянии СВЧ-полей на организмы.

Под воздействием переменного магнитного поля высоких частот происходит периодическая переориентация электрических диполей в организме, что вызывает нагрев тканей. При этом ткани, на которые будет оказываться наибольшее влияние можно выбрать в зависимости от используемой частоты переменного магнитного поля.

Что такое магнетизм? Факты о магнитных полях и магнитной силе

Магнетизм — это сила природы, создаваемая движущимися электрическими зарядами. Иногда эти движения микроскопические и происходят внутри материала, известного как магниты. Магниты или магнитные поля, создаваемые движущимися электрическими зарядами, могут притягивать или отталкивать другие магниты и изменять движение других заряженных частиц.

Магнитное поле воздействует на частицы силой, известной как сила Лоренца, согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия.Сила, действующая на электрически заряженную частицу в магнитном поле, зависит от величины заряда, скорости частицы и напряженности магнитного поля. Сила Лоренца обладает тем специфическим свойством, что заставляет частицы двигаться под прямым углом к ​​их первоначальному движению.

Некоторые материалы, такие как железо, известны как постоянные магниты, что означает, что они могут поддерживать постоянное магнитное поле. Это наиболее распространенные формы магнитов, встречающиеся в повседневной жизни.Другим материалам, таким как железо, кобальт и никель, можно придать временное магнитное поле, поместив их в более мощное поле, но со временем эти материалы потеряют свой магнетизм.

Как работает магнетизм

Магнитное поле Земли. (Изображение предоставлено: alxpin через Getty Images)

Согласно HyperPhysics, магнитные поля генерируются движением электрических зарядов. Все электроны обладают фундаментальным квантово-механическим свойством углового момента, известным как «спин».Внутри атомов большинство электронов имеют тенденцию образовывать пары, в которых один из них имеет «спин вверх», а другой — «спин вниз», или, другими словами, их угловые моменты указывают в противоположных направлениях. В этом случае магнитные поля, создаваемые эти спины направлены в противоположные стороны, поэтому они компенсируют друг друга. Однако некоторые атомы содержат один или несколько неспаренных электронов, и эти неспаренные электроны создают крошечное магнитное поле. Направление их вращения определяет направление магнитного поля, согласно Ресурсный центр по неразрушающему контролю (НК).Когда значительное большинство неспаренных электронов выровнены со своими спинами в одном и том же направлении, они объединяются, чтобы создать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы его можно было наблюдать в макроскопическом масштабе.

Источники магнитного поля являются диполярными, то есть имеют северный и южный полюса. По словам Джозефа Беккера из Университета штата Сан-Хосе, противоположные полюса (N и S) притягиваются, а одинаковые полюса (N и N или S и S) отталкиваются. Это создает тороидальное поле или поле в форме пончика, поскольку направление поля распространяется наружу от северного полюса и входит через южный полюс.

Земля сама по себе является гигантским магнитом. По данным НАСА, планета получает свое магнитное поле от циркулирующего электрического тока внутри расплавленного металлического ядра. Компас указывает на север, потому что маленькая магнитная стрелка в нем подвешена так, что она может свободно вращаться внутри корпуса, выравниваясь с магнитным полем Земли. Как это ни парадоксально, то, что мы называем магнитным северным полюсом, на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные магнитные полюса стрелок компаса.

История магнетизма

Магнетит (также известный как магнетит) является самым магнитным из всех природных минералов на Земле.(Изображение предоставлено Александром Победимским через Shutterstock)

Если выравнивание неспаренных электронов сохраняется без приложения внешнего магнитного поля или электрического тока, оно создает постоянный магнит. Постоянные магниты являются результатом ферромагнетизма. Приставка «ферро» относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые наблюдали в форме природной железной руды, называемой магнетитом, Fe3O4. Кусочки магнетита можно найти разбросанными по поверхности Земли или вблизи нее, и иногда один из них будет намагниченным.Эти природные магниты называются магнитами. Хотя ученые не знают точно, как образуются магниты, «большинство ученых считают, что магнетит — это магнетит, в который ударила молния», согласно Университету Аризоны.

Вскоре люди узнали, что они могут намагничивать железную иглу, проводя по ней магнитным камнем, заставляя большинство неспаренных электронов в игле выстраиваться в одном направлении. По данным НАСА, примерно в 1000 году нашей эры китайцы обнаружили, что магнит, плавающий в чаше с водой, всегда выстраивается в направлении север-юг.После этого магнитный компас стал огромным помощником в навигации, особенно днем ​​и ночью, когда звезды скрывались за облаками.

Другие металлы, помимо железа, могут обладать ферромагнитными свойствами. К ним относятся никель, кобальт и некоторые редкоземельные металлы, такие как самарий или неодим, которые используются для изготовления сверхсильных постоянных магнитов.

Другие формы магнетизма

Магнетизм принимает множество других форм, но, за исключением ферромагнетизма, они обычно слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать, кроме как с помощью чувствительных лабораторных приборов или при очень низких температурах.Антон Бругнамс впервые обнаружил диамагнетизм в 1778 году, когда использовал постоянные магниты в поисках материалов, содержащих железо. Согласно Джеральду Кюстлеру, широко публикуемому независимому немецкому исследователю и изобретателю, в своей статье «Диамагнитная левитация — исторические вехи», опубликованной в «Румынском журнале технических наук», Бругнамс заметил: «Только темный и почти фиолетового цвета висмут демонстрировал особенное явление в исследовании, потому что, когда я положил кусок на круглый лист бумаги, плавающий поверх воды, он оттолкнулся от обоих полюсов магнита.

Диамагнетизм вызван орбитальным движением электронов внутри атомов, создающим крошечные петли тока, которые создают слабые магнитные поля, согласно HyperPhysics. Когда внешнее магнитное поле прикладывается к материалу, эти петли тока имеют тенденцию выстраиваться таким образом.

Пироуглерод, вещество, подобное графит проявляет даже более сильный диамагнетизм, чем висмут, хотя и только вдоль одной оси, и фактически может левитировать над сверхсильным редкоземельным магнитом.Некоторые сверхпроводящие материалы демонстрируют еще более сильный диамагнетизм ниже своей критической температуры (температуры, при которой они становятся сверхпроводящими), и поэтому редкоземельные магниты могут парить над ними. (Теоретически из-за их взаимного отталкивания одно может парить над другим.)

Парамагнетизм возникает, когда материал временно становится магнитным при помещении в магнитное поле и возвращается в свое немагнитное состояние, как только внешнее поле удаляется. Когда приложено магнитное поле, некоторые из неспаренных электронных спинов выравниваются с полем и подавляют противоположную силу, создаваемую диамагнетизмом.Однако эффект заметен только при очень низких температурах, говорит Дэниел Марш, профессор физики Южного государственного университета Миссури.

Другие, более сложные формы включают антиферромагнетизм, при котором магнитные поля атомов или молекул располагаются рядом друг с другом; и поведение спинового стекла, которое включает как ферромагнитные, так и антиферромагнитные взаимодействия. Кроме того, ферримагнетизм можно рассматривать как комбинацию ферромагнетизма и антиферромагнетизма из-за многих общих черт между ними, но, по данным Калифорнийского университета в Дэвисе, он все же имеет свою уникальность.

Электричество и магнетизм

Инфографика, показывающая, как работает правило правой руки Флеминга. (Изображение предоставлено: fridas через Shutterstock)

Когда проводник перемещается в магнитном поле, поле индуцирует ток в проводе. И наоборот, магнитное поле создается электрическим зарядом в движении, например, когда по проводу течет ток. Таким образом, все электрические провода в вашем доме создают крошечные магнитные поля. Эта связь между электричеством и магнетизмом описывается законом индукции Фарадея, который является основой для электромагнитов, электродвигателей и генераторов.Заряд, движущийся по прямой линии, как по прямому проводу, создает магнитное поле, которое закручивается по спирали вокруг провода. Когда этот провод превращается в петлю, поле принимает форму пончика или тора.

Постоянный ток также может создавать постоянное поле в одном направлении, которое может включаться и выключаться вместе с током. Затем это поле может отклонить подвижный железный рычаг, вызывая слышимый щелчок. По данным Библиотеки Конгресса, это основа телеграфа, изобретенного в 1830-х годах Сэмюэлем Ф. Б. Морзе, который позволял осуществлять связь на большие расстояния по проводам с использованием двоичного кода, основанного на импульсах большой и малой длительности.Опытные операторы посылали импульсы, быстро включая и выключая ток с помощью подпружиненного переключателя мгновенного действия или ключа. Затем другой оператор на принимающей стороне переводил слышимые щелчки обратно в буквы и слова.

Катушку вокруг магнита также можно заставить двигаться по схеме с различной частотой и амплитудой, чтобы индуцировать ток в катушке. Это основа для ряда устройств, в первую очередь для микрофона. Звук заставляет диафрагму двигаться внутрь и наружу вместе с меняющимися волнами давления.Если диафрагма соединена с подвижной магнитной катушкой вокруг магнитного сердечника, она будет производить переменный ток, аналогичный падающим звуковым волнам. Затем этот электрический сигнал может быть усилен, записан или передан по желанию. Крошечные сверхсильные редкоземельные магниты используются для изготовления миниатюрных микрофонов для сотовых телефонов, сказал Марш в интервью Live Science.

Когда этот модулированный электрический сигнал подается на катушку, он создает колеблющееся магнитное поле, которое заставляет катушку перемещаться внутри и снаружи магнитного сердечника по той же схеме.Затем катушка прикрепляется к подвижному конусу динамика, чтобы он мог воспроизводить слышимые звуковые волны в воздухе. По данным Смитсоновского института, первым практическим применением микрофона и динамика стал телефон, запатентованный Александром Грэмом Беллом в 1876 году. Хотя эта технология была улучшена и усовершенствована, она по-прежнему является основой для записи и воспроизведения звука.

Применение электромагнитов почти бесчисленно. Закон индукции Фарадея формирует основу для многих аспектов нашего современного общества, включая не только электродвигатели и генераторы, но и электромагниты всех размеров.Тот же принцип, который используется гигантским краном для подъема старых автомобилей на свалку, также используется для выравнивания микроскопических магнитных частиц на жестком диске компьютера для хранения двоичных данных, и каждый день разрабатываются новые приложения.

Штатный писатель Таня Льюис внесла свой вклад в этот отчет.

Дополнительные ресурсы

Библиография

НАСА, «Магнитосфера Земли», https://www.nasa.gov/magnetosphere

«Магнетизм». ОТКРЫТИЕ НАУКИ. Исследование Гейла, 1996.Воспроизведено в Discovering Collection. Фармингтон-Хиллз, Мичиган: Gale Group. Декабрь 2000 г. http://galenet.galegroup.com/servlet/DC/

Гриффитс, Дэвид Дж. (1998). Введение в электродинамику (3-е изд.). Прентис Холл. ISBN 978-0-13-805326-0. OCLC 40251748.

границ | Сильнейшие магнитные поля во Вселенной: насколько сильными они могут стать?

1. Введение

Крупномасштабная динамика Вселенной определяется общим космическим расширением и гравитационным полем массивных объектов.Считается, что в первом магнитные поля не играют существенной роли [1, 2]. Считается, что магнитные поля не присутствовали или, по крайней мере, не имели заметной силы при Большом взрыве и в последующий инфляционный период. Если они и присутствовали, то в виде ложных магнитных монополей. Они становятся важными в меньших масштабах. В масштабах компактных намагниченных объектов они начинают становиться непренебрежимо малыми, а для ряда процессов [3] даже становятся доминирующей силой.

Магнитные поля связаны с протеканием электрического тока и, таким образом, в отличие от электрических полей, источниками которых являются элементарные заряды и разности зарядов, генерируются процессами, вызывающими электрические токи. Токи предполагают неамбиполярный перенос зарядов. Таким образом, вопрос о том, насколько сильными могут быть магнитные поля, сводится к вопросу о том, насколько сильными могут стать любые токи. В классической электродинамике это следует из закона Ампера для стационарных магнитных полей, что

∇×B=µ0J,    J=e(NiVi−NeVe)≈−eN(Ve−Vi)(1)

, если ограничиться только переносом заряда и принять немагнитные среды (для простоты однозарядные) с плотностью ионов и электронов и объемными скоростями N , т.е. , V , т.е.В противном случае можно было бы добавить член намагниченности M , который зависит от свойств материи. Определение M требует квантово-механической обработки в рамках физики твердого тела.

Предполагая без ограничений квазинейтральность N e N i = N , вклад вносят только разности скоростей. Поскольку электроны значительно более подвижны, чем ионы, ток можно разумно аппроксимировать электронным током Дж ≈ — eN В e , условие строго выполняется в ионной системе отсчета.Поскольку скорости ограничены скоростью света c , магнитное поле классически ограничено

∇×B<µ0eNc,    или    B<µ0eNcL≈6×10−8NccLkm(2)

предполагает, что магнитное поле растет с L и плотностью N . Здесь N куб. см в единицах электронов на см -3 , а L км — масштаб длины поперек нити тока в единицах км. В коре нейтронной звезды, например, мы имеем л км ~ 1.Если бы примерно все электроны в земной коре участвовали в протекании тока, мы имели бы N куб.см × ~ 10 30 . Следовательно, напряженность магнитного поля может достигать B ~ 10 28 Гаусс, огромное число по сравнению с максимальным значением B ~ 10 15 − 10 16 Гаусс, наблюдаемым в магнетарах.

Эту грубую оценку необходимо прокомментировать во избежание недоразумений. Считается, что магнитные поля генерируются преимущественно действием динамо-машины.Такие действия предположительно не действуют в белых карликах, нейтронных звездах, магнетарах или любых других компактных объектах. Поля производятся в их дифференциально вращающихся прародителях. Возьми солнце в качестве примера с Dynamo Action в конвекционной зоне толщины L ~ 2 × 10 5 km и средняя плотность N

5 ☉ CC ~ 8 × 10 23 . Использование общей ширины зоны конвекции сильно завышает текущую ширину нити.Абсолютный верхний предел составит л км ≲ 2 × 10 4 . Очевидно, что скорости также намного меньше, чем c . Таким образом, использование c дает экстремальный абсолютный верхний предел магнитного поля B < 10 21 Тл. Сравнительно сильные поля в нейтронных звездах возникают впоследствии при быстром коллапсе намагниченной тяжелой звезды-прародителя, не успев во время коллапса рассеять магнитную энергию, которая сжимается в крошечный объем нейтронной звезды.Коэффициент сжатия порядка ~ 10 12 , что дает предельные поля B ≲ 10 35 Гаусса. Классическая электродинамическая оценка явно не дает верхнего предела напряженности магнитного поля, который соответствовал бы данным наблюдений.

Другие не менее серьезные расхождения получаются, если положить энергию магнитного поля нейтронной звезды равной полной доступной энергии вращения как в прародителе, так и в нейтронной звезде, предполагая равное распределение вращательной и магнитной энергии — явно мало обоснованное предположение в обоих случаях.Магнитная энергия не может стать больше, чем изначально доступная динамическая энергия ее причины, частью которой она является. По-видимому, в принципе сомнительно, чтобы магнитные поля когда-либо создавались каким-либо классическим механизмом, значительно более сильным, чем наблюдаемые в нейтронных звездах (за исключением короткой фазы динамо-усиления после коллапса длительностью ~10 с, в лучшем случае дающей еще один множитель ~10–10). 100 [8]) и, за счет дальнейшей концентрации магнитной энергии в меньших объемах, группирования магнитных силовых трубок, что, как полагают, происходит в магнетарах.Если вообще генерировались гораздо более сильные поля, то это должно было происходить во времена и в объектах, где магнитные поля могли создаваться процессами, отличными от классического динамо. Таким образом, необходимо войти в квантовую электродинамику, соответственно, в квантовую теорию поля, чтобы сделать вывод о основных физических ограничениях на генерацию любых магнитных полей. Следующее исследование мотивировано не столько наблюдениями, сколько этим фундаментальным теоретическим вопросом.

2.Флюсовые элементы

Квантовая механика дает способ получить первое ограничение на магнитное поле из решения уравнения Шрёдингера, первоначально найденного Ландау [4] в 1930 году, для электрона, вращающегося по орбите в однородном магнитном поле. Физическая интерпретация этого решения была дана значительно позже в теории Ааронова-Бома [5]. Из требования однозначности магнитного потока Φ поля B , удерживаемого на орбите вращения электрона, Ааронов и Бом сделали вывод, что Φ = ν Φ 0 квантуется элементом потока Φ 0 = 2πħ/e , e элементарный заряд, а ν = 1, 2, ….Поскольку ν = Φ/Φ 0 — число элементарных потоков, переносимых полем, а B = Φ/π l 2 , полагая ν = 1, мы определяем наименьшую магнитную длину

ℓB=(Φ0πB)12=(2ℏeB)12(3)

Эта длина, являющаяся гирорадиусом электрона на самом нижнем энергетическом уровне Ландау, может быть интерпретирована как радиус силовой линии в магнитном поле B . Силовые линии становятся уже, чем сильнее магнитное поле. С другой стороны, переписав уравнение (3), мы получим выражение для магнитного поля

откуда для данной кратчайшей «критической» длины l B l c можно оценить максимальное магнитное поле B c , соответствующее l c , в принципе, .Положив, например, l c = 2πħ/ мс равным комптоновской длине электрона λ 0 = 2πħ/ мс , получим критическую напряженность магнитного поля пульсара (нейтронной звезды) B q 9012 B нс ≈ 3 × 10 9 T = 3 × 10 13 Гаусс. Представляет значительный интерес тот факт, что примерно такая напряженность поля была действительно получена из наблюдения основной (ν = 1) электронной циклотронной рентгеновской линии, обнаруженной пульсаром HerX1 [7], примерно через два десятилетия после Ааронова и Бома, и через полвека. столетие после теории Ландау.

3. Обобщение

Использование длины волны Комптона связывает предельную напряженность поля в нейтронных звездах с квантовой электродинамикой. Это ставит вопрос о более точном теоретическом определении квантовой электродинамической предельной напряженности поля с учетом релятивистских эффектов. Это также поднимает вопрос, может ли ссылка на другие фундаментальные масштабы длины дать другие принципиальные ограничения на магнитные поля, если только такие поля могут быть созданы каким-то образом, т.е.е., если бы электрические токи достаточной силы могли протекать при других условиях, как, например, в квантовой хромодинамике.

Очень формально, за исключением учета релятивистских эффектов, уравнение (4) дает модельное уравнение для предельного поля в зависимости от любого заданного масштаба фундаментальной длины l c . При этом упрощающем предположении критическое магнитное поле B c масштабируется просто обратно пропорционально квадрату соответствующей фундаментальной длины.Формально это графически показано на рис. 1 в предположении справедливости скейлинга Ааронова-Бома при более высоких энергиях.

Рис. 1. График логарифмической шкалы максимально возможной напряженности магнитного поля, B c , нормированный на (фиктивное) планковское магнитное поле, B Pl , как функция масштабов фундаментальной длины на основе по уравнению (3) . Масштабы длины l по оси абсцисс нормированы на планковскую длину l Pl .Красный пунктирный крест указывает точку пересечения комптоновской длины с линией критического магнитного поля Ааронова-Бома в так называемом квантовом предельном поле B q ≈ 10 9 Тл, критическом поле замагниченных нейтронных звезд ( пульсаров) в соответствии с наблюдением сильнейших циклотронных линий. Горизонтальные линии показывают связь между другими шкалами длины и критическими магнитными полями при допущении справедливости шкалы Ааронова-Бома. Космические магнитные поля соответствуют масштабам ~ 1 мм.Самые сильные обнаруженные магнитарные поля соответствуют релятивистской поправке первого порядка по энергии нижнего уровня Ландау E LLL (показан в виде графика справа с α = α/2π приведенной постоянной тонкой структуры). Включение поправок более высокого порядка позволило бы учитывать поля до B qed ~ 10 28 Тл глубоко в (заштрихованной) релятивистской области, которые не наблюдались. Интересно, что этот предел примерно совпадает с измеренным [6] абсолютным верхним пределом на радиус электрона (вертикальная синяя пунктирная линия).В масштабах ТВО поля теоретически могут достигать значений ~ 10 45 Тл, согласно простому масштабированию Ааронова-Бома. Черная пунктирная кривая указывает на возможное отклонение скейлинга Ааронова-Бома вблизи квантового электродинамического предела.

Комптоновский предел магнитных полей был известен из прямых энергетических соображений [ср. например, 8 для обзора], которые предсказывают распад вакуума до образования пар в магнитных полях сильнее, чем B нс . По этой причине обнаружение магнитных полей, превышающих квантовый предел до трех порядков в магнетарах, было первоначальным сюрпризом.Однако более точные релятивистские электродинамические расчеты, включая графики Фейнмана более высокого порядка, легко показали, что предел Комптона вполне может быть превышен. В первом приближении в аномальном магнитном моменте электронов [9] нижний уровень Ландау смещается по закону

ELLL≈mc2(1−α¯B/Бк)12(5)

с α = α/2π – приведенная постоянная тонкой структуры. Эта формула действительна для B < B q . Это предполагает уменьшение нижнего уровня энергии Ландау для увеличения полей, очевидно, с сильными нефизическими последствиями для астрофизических объектов [10].Таким образом, необходимо учитывать диаграммы Фейнмана, включающие самопритяжение электронов высших порядков, особенно при больших полях. В полях B B q , существенно превышающих B q , электроны становятся релятивистски массивными, а нижний уровень Ландау после прохождения минимума возрастает [11, 12] как

ELLL≈mc2{1 + α¯[log2BBq−2,077]2+3,9α¯},    B≫Бк(6)

Отсюда следует, что энергия низшего уровня Ландау удваивается только при магнитных полях порядка B ~ 10 28 Тл (~ 10 32 Гаусс), что значительно превышает магнитные поля любой нейтронной звезды или магнитара на поверхности.Таким образом, релятивистские поправки на собственную энергию, вызывающие затухание магнитного поля, будут действовать только при этих энергиях, которые могут быть окончательным пределом напряженности магнитного поля.

Примечательно, что этот предел примерно совпадает с лучшими из последних экспериментальных определений [6] верхнего предела для радиуса электрона. Ниже этой шкалы должны проявляться дополнительные эффекты, в основном препятствующие дальнейшему увеличению напряженности магнитного поля или даже существованию магнитных полей. Таким образом, кажется, что до этого масштаба масштаб Ааронова-Бома, на котором основан рисунок 1, не является полностью необоснованным.Это наиболее интересно еще и с той точки зрения, что шкалы как электрослабого, так и сильного взаимодействия находятся в разрешенной области просто потому, что электроны сохраняют свою природу во всех этих шкалах. Исключается только пустынный диапазон энергий соответственно масштабов. Он включает в себя, в частности, диапазон великого объединения ТВО, а также квантовую гравитацию, области, которые играли роль только в очень ранней Вселенной. Любые рудиментарные магнитные поля того времени были разбавлены инфляцией и космологическим расширением только до низких значений [1, 2], расположенных внизу рисунка 1.

4. Обсуждение и выводы

Если во Вселенной никогда не существовали и не сохранились магнитные монополи, магнитные поля должны были создаваться в любое время путем генерации электрических токов. Поля, созданные в ранней Вселенной, впоследствии были разбавлены до сегодняшних низких крупномасштабных значений, как обсуждалось в других работах [1, 2]. Они могли быть сильными изначально, и в этом случае их сильные стороны также могут быть ограничены. Однако все разумные силы, оцененные по динамо и другим моделям в классической и хромодинамической теориях [1], скорее всего, не достигают ни одного из указанных квантово-электродинамических пределов.По-видимому, нет необходимости призывать к дополнительным хромодинамическим ограничениям. Это утверждение может быть основано на роли электронов в генерации тока, которая лежит в основе любого крупномасштабного производства магнитного поля. Электроны и их спины также ответственны за магнетизм в твердом веществе. До сих пор считается, что электроны не имеют структуры. Во всяком случае, на масштабах «внутри» электрона, т. е. ниже фиктивного радиуса электрона r e , токи должны либо терять всякий смысл, либо вообще не существовать и, следовательно, понятие магнитного поля, вероятно, будет уже не имеет особого смысла.Таким образом, можно полагать, что верхний квантово-электродинамический предел устанавливает абсолютную границу любой реалистичной напряженности магнитного поля.

Применение масштабирования Ааронова-Бома на Рисунке 1 к магнитным полям во Вселенной, по-видимому, дает разумное представление об ожидаемых абсолютных ограничениях напряженности магнитного поля на квантово-электродинамических шкалах. Ясно, что вакуум меняет свой характер на малых масштабах и высоких энергиях, поскольку фотоны становятся тяжелыми, переключаясь на электрослабые бозоны, а в материю вступают в игру кварки.Электроны остаются неизменными, по крайней мере, до r e ~ 10 −22 м, текущего верхнего предела радиуса электрона [6]. Это предлагает записать уравнение критического магнитного поля (4) как

Bc(ℓc)=Bmax/[1+(ℓc/ℓ0−1)2],    Bmax=2ℏ/eℓ02(7)

, где l c l 0 , а l 0 r e представляет собой релевантную длину магнитного поля, указанную выше. На рис. 1 это поведение обозначено пунктирной черной кривой, отклоняющейся от диагонали.Однако устойчивость вакуума не так очевидна, как в квантово-электродинамическом диапазоне при наличии сверхсильных магнитных полей в электрослабом и хромодинамическом диапазонах. Проблема остается в том, что магнитные поля должны генерироваться либо в этих малых масштабах, либо в гораздо больших электродинамических масштабах, от которых они коллапсируют до этих малых масштабов.

Что касается генерации магнитных полей до коллапса с помощью общепринятых эффектов динамо или батареи, напряженность магнитного поля строго ограничена доступной динамической энергией, которая намного ниже любого квантово-электродинамического предела.Можно утверждать, что до тех пор, пока шкала радиуса электрона не достигается во время коллапса, квантовое электродинамическое масштабирование обеспечивает разумное абсолютное ограничение на любую возможную напряженность магнитного поля. Нейтронные звезды и магнетары имеют масштабы, значительно превышающие электронные масштабы. Более тяжелые объекты при уменьшении их масштаба могли бы обладать существенно более сильными полями, но допустимый диапазон сужается из-за того, что такие объекты при коллапсе легко становятся черными дырами, которые, согласно знаменитой теореме об отсутствии волос, не содержат никаких магнитных полей.Неизвестно, что произойдет с полем при пересечении горизонта, поскольку никакая информация о поле не останется для внешнего наблюдателя. Теорема об отсутствии волос предполагает, что поле просто засасывается в дыру и исчезает вместе с коллапсирующей массой. Обычное рассуждение, предполагающее сохранение вмороженного состояния, предполагает, что поле внутри горизонта должно еще больше возрасти в предположительно продолжающемся гравитационном коллапсе.

Доступные сильные поля, приближающиеся к квантовым электродинамическим пределам, обнаружены в нейтронных звездах и магнетарах.До сих пор никаких странных магнитных полей звезд не обнаружено. Было даже показано [13], что такие поля, возможно, присутствующие в сверхпроводящих странных звездах, будут вращательно затухать за времена, меньшие ~20 млн лет. В магнетарах присутствие полей сильнее, чем B ns = B q , в настоящее время хорошо изучено [обзор многих аспектов см., 8] как следствие коровых эффектов, вызывающих локальную концентрацию магнитных полей. и протяженные магнитные петли, имеющие некоторое сходство с известными солнечными пятнами [см. также сборник статей в 3].Воздействие на вещество в сверхсильных полях впервые было исследовано Рудерманом [14] и рассмотрено в [15, 16] и других.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Каталожные номера

1. Widrow LM, Ryu D, Schleicher DRG, Subramanian K, Tsagas CG, Treumann RA. Первые магнитные поля. Космическая наука, версия . (2012) 116 : 37–70. doi: 10.1007/s11214-011-9833-5

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

2. Ryu D, Schleicher DRG, Treumann RA, Tsagas CG, Widrow LM. Магнитные поля в крупномасштабной структуре Вселенной. Космическая наука, версия . (2012) 166 : 1–35. doi: 10.1007/s11214-011-9839-z

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

3. Балог А., Бескин В.С., Фаланга М., Лютиков М., Мерегетти С., Пиран Т. Сильнейшие магнитные поля во Вселенной, серия ISSI Space Science . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer (в печати).

4. Ландау Л. Diamagnetismus der Metalle. Z. Physik (1930) 64 : 629–37. дои: 10.1007/BF01397213

Академия Google

5. Ааронов Ю., Бом Д. Значение электромагнитных потенциалов в квантовой теории. Физическая версия . (1959) 115 : 485–91. doi: 10.1103/PhysRev.115.485

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

7.Трюмпер Дж., Питч В., Реппин С., Сакко Б. Доказательства сильного циклотронного излучения в жестком рентгеновском спектре Her X-1 (Восьмой Техасский симпозиум по релятивистской астрофизике). Ann NY Acad Sci . (1977) 302 : 538–44. doi: 10.1111/j.1749-6632.1977.tb37072.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

9. Швингер Дж. Квантовая электродинамика и магнитный момент электрона. Физическая версия . (1948) 73 : 416–7. doi: 10.1103/PhysRev.73.416

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

10. Чиу Х.Л., Кануто В. Проблемы интенсивных магнитных полей при гравитационном коллапсе. Астрофиз J . (1968) 153 : 157–61. дои: 10.1086/180243

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

11. Янковичи Б. Радиационная поправка к энергии основного состояния электрона в сильном магнитном поле. Физическая версия . (1969) 187 : 2275–6. doi: 10.1103/PhysRev.187.2275

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

13.Чау ХФ. Об эволюции вращения и магнитного поля сверхпроводящих странных звезд. Астрофиз J . (1997) 479 : 886–901. дои: 10.1086/303898

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

14. Рудерман М. Вещество в сверхсильных магнитных полях. В: Hansen CJ, редактор. Физика плотной материи, Proceedings IAU Symposium , Vol. 53. Дордрехт; Бостон (1974). п. 117–31.

Академия Google

Электроэнергия магнитного поля Земли

Физика 9, 91

Лазейка в результате классического электромагнетизма может позволить простому устройству на поверхности Земли генерировать крошечный электрический ток из магнитного поля планеты.

П. Рейд/Унив. of Edinburgh

Подключение к вращению Земли. Хотя магнитное поле Земли не выровнено точно с осью вращения планеты, существует составляющая поля, симметричная относительно этой оси. Предлагаемое устройство, взаимодействующее с этим компонентом, будет извлекать энергию из вращения Земли для производства электроэнергии. Подключение к вращению Земли. Хотя магнитное поле Земли не выровнено точно с осью вращения планеты, существует составляющая поля, симметричная относительно этой оси.Предлагаемое устройство, взаимодействующее с этим компонентом, может… Показать больше

P. Reid/Univ. Эдинбурга

Использование вращения Земли. Хотя магнитное поле Земли не выровнено точно с осью вращения планеты, существует составляющая поля, симметричная относительно этой оси. Предлагаемое устройство, взаимодействующее с этим компонентом, будет извлекать энергию из вращения Земли для производства электроэнергии.×

Может показаться, что классическая электромагнитная теория не преподнесет особых сюрпризов, но два исследователя утверждают, что один аспект полученной мудрости неверен.Они теоретически показывают, что устройство, пассивно находящееся на поверхности Земли, может генерировать электрический ток посредством взаимодействия с магнитным полем Земли. Мощность предлагаемого устройства будет измеряться в нановаттах, но, в принципе, ее можно увеличить.

Опыт вековой давности показал, что если любой электромагнит с цилиндрической симметрией (симметрия стержневого магнита) вращается вокруг своей длинной оси, то его магнитное поле не вращается [1]. Существует составляющая магнитного поля Земли, симметричная относительно оси вращения (которая не совмещена с магнитными полюсами), поэтому согласно этому старому принципу осесимметричная составляющая не вращается.Любой неподвижный объект на поверхности Земли проносится через эту составляющую поля, постоянную на любой заданной широте.

Другой основной результат электромагнетизма гласит, что внутри проводящего объекта, движущегося через однородное магнитное поле, не возникает электрического тока. На заряды в материале действует боковая сила, которая в принципе может создавать ток. Но смещения электронов и атомных ядер быстро создают статическое электрическое поле, противодействующее магнитной силе.Равновесие между электрическими и магнитными силами устанавливается быстро, поэтому после небольшой начальной перестройки нет результирующего движения заряда.

Этот принцип, кажется, опровергает любую идею о том, что стационарное устройство на поверхности Земли, движущееся с постоянной скоростью через невращающуюся часть земного поля, может генерировать любую электроэнергию. Но Крис Чайба из Принстонского университета и Кевин Хэнд из Лаборатории реактивного движения в Пасадене, Калифорния, увидели путь вперед.

Чтобы произвести ток в проводнике, им нужно было создать магнитную силу на электронах, которая не могла быть полностью нейтрализована электрической силой. В том, что они называют лазейкой в ​​традиционном аргументе о невозможности, теоретики показывают, что существуют конфигурации магнитных полей, которые не могут быть электрически аннулированы; однако эти конфигурации требуют особых условий.

Исследователи показывают, что такая конфигурация магнитного поля возможна в проводящей цилиндрической оболочке из материала с необычными магнитными свойствами.Во-первых, они указывают, что (как показали другие) магнитное поле внутри такой оболочки, расположенной на поверхности Земли — скажем, ориентированной вертикально по экватору — значительно меньше, чем поле снаружи. Проносясь через поле планеты, этот объект постоянно сталкивается с однородным полем Земли и искажает его в некую неоднородную конфигурацию, где поле подавлено во внутреннем пространстве. Если магнитные свойства материала оболочки препятствуют быстрому искажению входящего поля, то поле никогда не достигнет конфигурации, которое оно имело бы в состоянии покоя.Чиба и Хэнд утверждают, что результирующая магнитная сила не может быть нейтрализована возникающим электрическим полем. Команда показывает, что в этой ситуации электрический ток может течь по определенным замкнутым путям внутри цилиндрической оболочки. Электроды могут подключить этот источник энергии, который, как доказывают Чайба и Хэнд, в конечном итоге исходит из энергии вращения Земли.

Для разработки своего нового устройства Чайба и Хэнд нуждались в проводящем материале с таким необычным магнитным откликом — сложная комбинация.В качестве примера такого материала они нашли марганцево-цинковый феррит под названием MN60, обладающий нужными свойствами, но являющийся, по словам Чибы, «паршивым проводником с проводимостью примерно в 10 раз меньшей, чем у морской воды».

Во многом из-за плохой проводимости сила, которую предсказывает команда, невелика. Цилиндр длиной 20 см и диаметром 2 см будет генерировать десятки нановатт при напряжении в десятки микровольт. Чиба считает, что можно было бы увеличить эти цифры, но подчеркивает, что в первую очередь нужно провести экспериментальную проверку, чтобы показать, что механизм действительно работает.

Филип Хьюз, радиоастроном из Мичиганского университета в Анн-Арборе, изучающий магнитогидродинамику астрофизических объектов, говорит, что механизм Чайбы и Хэнда «основан на физике звука», но менее оптимистичен в отношении возможности масштабирования. Чиба говорит, что если механизм окажется правильным — а он непреклонен в том, что только эксперименты могут сказать наверняка — он надеется, что инженеры приступят к работе над улучшением выходных данных. Он предполагает, что одной из возможностей, которую стоит изучить, будет двухслойный цилиндр, в котором медленный магнитный материал индуцирует геометрию поля, генерирующего ток, в соседнем материале с более высокой проводимостью.

Это исследование опубликовано в Physical Review Applied .

– Дэвид Линдли

Дэвид Линдли — независимый научный писатель из Александрии, штат Вирджиния.

Ссылки

  1. С. Дж. Барнетт, «Об электромагнитной индукции и относительном движении», Phys. Изд. (Серия I) 35 , 323 (1912).

Тематические области

Статьи по теме

Магнетизм

Топологический магнетизм становится элементарным

Эксперименты по рассеянию нейтронов свидетельствуют о наличии безмассовых спиновых волн, называемых магнонами Дирака, в одноэлементном магнитном кристалле, предлагающем одноэлементный магнитный кристалл. в топологический магнетизм.Подробнее »

Еще статьи

Новый мировой рекорд магнитного поля

ВАШИНГТОН, округ Колумбия, 17 сентября 2018 г. — Группа ученых из Токийского университета зафиксировала самое сильное магнитное поле, когда-либо созданное в помещении — колоссальные 1200 тесла, измеренные в стандартных единицах напряженности магнитного поля.

Для сравнения, это напряженность поля примерно в 400 раз выше, чем у огромных, мощных магнитов, используемых в современных больничных аппаратах МРТ, и примерно в 50 миллионов раз сильнее, чем собственное магнитное поле Земли.

Более сильные магнитные поля ранее достигались в экспериментах на открытом воздухе с использованием химических взрывчатых веществ, но это мировой рекорд для магнитных полей, создаваемых в помещении контролируемым образом. Этот больший контроль означает, что это открытие может открыть новые горизонты в физике твердого тела, возможно, позволив ученым достичь так называемого «квантового предела», состояния, при котором все электроны в материале ограничены самым нижним основным состоянием, где экзотические могут появиться квантовые явления.

Сильное магнитное поле также имеет значение для ядерных термоядерных реакторов, дразнящего, хотя и нереализованного потенциального будущего источника обильной чистой энергии. Ученые считают, что для достижения квантового предела или поддержания ядерного синтеза может потребоваться напряженность магнитного поля в 1000 тесла или более.

Эксперименты, установившие новый мировой рекорд, описаны в статье, опубликованной на этой неделе в журнале Review of Scientific Instruments издательства AIP Publishing.

Работа открывает новый научный горизонт, сказал Дайсуке Накамура, первый автор статьи, и «расширила границы сверхсильных магнитных полей.»

###

Статья «Рекордное внутреннее магнитное поле 1200 Тл, создаваемое сжатием электромагнитного потока» Д. Накамура, А. Икеда, Х. Савабе, Ю.Х. Мацуда и С. Такеяма появляются в журнале Review of Scientific Instruments (2018). Доступ к нему можно получить по адресу https://doi.org/10.1063/1.5044557.

Чтобы узнать о технических аспектах открытия, см. дополнительную статью в Scilight от AIP Publishing: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5055740.

О ЖУРНАЛЕ

Review of Scientific Instruments публикует оригинальные исследовательские и обзорные статьи о приборах в физике, химии и науках о жизни. Журнал также включает разделы о новых инструментах и ​​новых материалах. См. http://rsi.aip.org.



Журнал

Обзор научных инструментов

Отказ от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за достоверность новостных сообщений, размещенных на EurekAlert! содействующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

почему мы не используем магнитную энергию Земли для производства электричества?

Любопытные дети — сериал для детей. Если у вас есть вопрос, на который вы хотели бы получить ответ от эксперта, отправьте его по адресу [email protected] Вам также может понравиться подкаст Imagine This, созданный совместно ABC KIDS listen и The Conversation на основе Любопытных детей.


Почему мы не используем магнитную энергию Земли для производства электричества? – ученица 5-го класса естественнонаучного класса г-жи Браун в начальной школе Нирим Саут, Виктория.


Привет!

На первый взгляд это кажется хорошей идеей, но это не очень практично. Прежде чем я объясню почему, позвольте мне сначала объяснить, как мы вырабатываем электричество на случай, если кто-то, читающий это, еще не знает.

Электричество (скажем, «электрический ток») — это когда электрически заряженные частицы текут, как вода в трубе. Существует два вида электрического заряда – положительный и отрицательный. Положительные заряды притягивают отрицательные заряды, но две частицы с одинаковым зарядом (обе положительные или обе отрицательные) будут отталкиваться.Это означает, что они раздвигаются.

Другими словами, противоположности притягиваются.

Обычно электрический ток состоит из крошечных отрицательных зарядов, называемых «электронами», которые происходят из атомов.

Все, к чему можно прикоснуться, состоит из атомов. Каждый атом окружен облаком электронов, беспорядочно движущихся, как пчелы вокруг улья, притягивающихся к положительным зарядам в центре (или «ядре») атома.

Электрический ток обычно возникает, когда электроны покидают свои атомы и перетекают к другим атомам.


Подробнее: Любознательные дети: Как и почему магниты слипаются?


Как создать электрический ток

Существует три основных способа производства электрического тока.

Первое — это аккумуляторы. В батареях происходит «электрохимическая реакция», которая заставляет электроны перемещаться от атома одного типа к атому другого типа с более сильным притяжением к электронам. Батарея предназначена для того, чтобы заставить эти электроны проходить по проводу в ваши электронные устройства.

Второй способ — солнечные батареи. Энергия света поглощается электронами в так называемых «полупроводниках» (обычно кремний), что заставляет электроны двигаться, создавая электрический ток.

Но я думаю, вы спрашиваете о третьем способе, который обычно используется для получения электрического тока для розеток в вашем доме.

Вращение катушки с проволокой в ​​сильном магнитном поле

Третий способ заключается в быстром перемещении электрического провода через магнитное поле.Вы должны сделать это, потому что электроны в проводе не могут чувствовать магнитную силу, если они не движутся.

Чтобы всем хватило тока, вы должны провести много проводов через магнитное поле. Мы делаем это, быстро вращая катушку (содержащую множество витков проволоки) в сильном магнитном поле.

При каждом обороте катушки электроны получают толчок от магнитного поля, перемещая их. Это создает электрический ток. В этой анимации S представляет «южный полюс» магнита, а N представляет «северный полюс».Анимация показывает только одну петлю проволоки, вращающуюся в магнитном поле. В реальном генераторе были бы сотни или даже тысячи циклов.

Машины, которые делают это, называются генераторами. Вы можете вращать катушку, используя падающую воду (это называется «гидроэлектричество»), пар (полученный из угля, нефти, газа, ядерной энергии или тепла Солнца), ветряные турбины, использующие ветер, и так далее.

В большинстве генераторов каждый раз, когда катушка делает пол-оборота, электроны получают магнитный толчок.В следующем полуобороте они получают магнитный толчок в противоположном направлении. Это означает, что направление тока быстро меняется в течение многих циклов.

Электрический ток, меняющий направление, называется переменным током или сокращенно переменным током. Батареи производят ток, который течет только в одном направлении, называемом «постоянный ток» или сокращенно DC.

В генераторах мы не берем энергию из магнитного поля. Энергия, идущая в электрический ток, на самом деле исходит из энергии, используемой для вращения катушки.Ученые называют это «кинетической энергией».

Назад к магнитному полю Земли

Теперь (наконец-то!) ответ на ваш вопрос: почему мы не используем магнитное поле Земли для выработки электроэнергии?

Величина тока, производимого генератором, зависит в основном, по крайней мере, от трех вещей: 1) сколько витков проволоки в катушке, 2) как быстро вращается катушка и 3) насколько сильно магнитное поле.

Магнитное поле Земли очень слабое, поэтому вы получите очень небольшой ток от вашего генератора.

Насколько слаб? Вы когда-нибудь видели эти магниты из неодима, железа и бора в форме кнопки, также называемые «неомагнитами»? (Будьте осторожны, они действительно могут ущипнуть вас).

Эти магниты маленькие, но мощные. Flickr/Бретт Джордан, CC BY

Их магнитные поля примерно в 6000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли. Магнитные поля внутри электрических генераторов аналогичны этому.

Даже магниты на холодильник имеют магнитное поле примерно в 200 раз сильнее, чем земное.

Обновление: эта статья была обновлена ​​21 мая, чтобы включить ядерную энергию в список источников энергии.


Подробнее: Любознательные дети: почему с деревьев опадают листья?


Привет, любознательные дети! У вас есть вопрос, на который вы хотели бы получить ответ от эксперта? Попросите взрослого отправить свой вопрос по адресу любопытство[email protected]

CC BY-ND

Пожалуйста, сообщите нам ваше имя, возраст и город, в котором вы живете.Мы не сможем ответить на все вопросы, но постараемся.

Можно ли удаленно генерировать магнитное поле?

T WO CENTURIES назад Ганс Христиан Эрстед, датский физик, продемонстрировал, что движение электрического заряда создает магнетизм. Это было первое наблюдение широкомасштабного явления. Заряженные облака частиц, плывущие по космосу, генерируют обширные межзвездные магнитные поля на своем пути.Выплескивание расплавленного металла в ядре Земли создает северный и южный магнитные полюса планеты. Даже возбуждение нервных клеток в человеческом мозгу создает незначительное количество магнетизма.

Послушайте эту историю. Наслаждайтесь аудио и подкастами на iOS или Android.

Ваш браузер не поддерживает элемент

Экономьте время, слушая наши аудио статьи во время работы в режиме многозадачности

OK

Повсеместное распространение таких электрически генерируемых магнитных полей, тем не менее, создает проблемы, начиная от прагматических и заканчивая эзотерическими.Врачи, просматривающие сканов МРТ , например, должны компенсировать фоновый магнетизм. Между тем, экспериментаторам, проводящим точные испытания, возможно, придется построить сложные экраны, чтобы скрыть магнитный эффект чего-то такого простого, как электрический провод, проходящий через стену их лаборатории.

Было бы полезно иметь возможность контролировать, ограничивать или формировать магнитные поля на расстоянии. Полезно, но видимо невозможно. Ибо в 1842 году Сэмюэл Эрншоу, британский физик, математически продемонстрировал, что максимальная напряженность магнитного поля не может находиться вне его источника.Иными словами, каждое такое поле должно окружать и излучать объект, который его генерирует. И так было до тех пор, пока Роза Мах-Батлле из Автономного университета Барселоны не нашла способ обойти выводы Эрншоу. На самом деле она не доказала его неправоту. Но она показала, что множественные магнитные поля, каждое из которых подчиняется теореме Эрншоу в отдельности, могут коллективно обходить ее.

Как они описывают в Physical Review Letters , д-р Мах-Батль и ее коллеги провернули свой трюк удивительно простым способом, расположив 20 прямых проводов рядом друг с другом в форме цилиндра высотой 40 см и диаметром 8 см. , с 21-м, проходящим через центр цилиндра.Когда они пропускали электрические токи по всем 21 проводу, в окружающей области расцветал сложный рисунок силовых линий магнитного поля, образуя формы, которые менялись в зависимости от силы и направления отдельных токов.

Выбрав правильную комбинацию токов, исследователи обнаружили, что они смогли создать картину поля, которая исходила от виртуальной версии 21-го провода, проходящего не через середину цилиндра, а на расстоянии 2 см от него. Другими словами, если аппарат, выполняющий генерацию, будет защищен от наблюдателя занавеской в ​​стиле Волшебника страны Оз, он будет выглядеть для наблюдателя так, как будто это поле появляется из ниоткуда.

Переход от демонстрации доктора Мах-Батля к чему-то, что можно было бы использовать на практике для манипулирования удаленными магнитными полями, будет долгим. Но если это путешествие может быть сделано, потенциальные приложения выходят далеко за рамки очистки нечетких сканов МРТ . Дистанционно создаваемые поля такого типа могут использоваться для направления медицинских нанороботов через чей-то кровоток для доставки лекарств в определенную ткань или же для направления их к злокачественной опухоли и дистанционного повышения их температуры после их прибытия, чтобы сварить их до смерти. .Также, вероятно, будут приложения в квантовых вычислениях. Многие проекты квантовых компьютеров основаны на захвате атомов в точных местах в пространстве — трудный подвиг, который может упростить эта ловкость рук.

Трюк еще требует доработки. Для достижения таких желаемых приложений команда должна быть в состоянии лепить сложные магнитные поля в трех измерениях. В настоящее время, ограниченные имитацией поля, создаваемого одним электрическим проводом, они не могут этого сделать. Но стоит помнить, что первоначальный эксперимент Эрстеда, из которого в конечном счете происходит вся электротехника, был еще проще.В нем участвовали только батарея, магнитный компас и один провод. Из маленьких желудей вырастают великие дубы.■

Эта статья появилась в печатном издании в разделе «Наука и технологии» под заголовком «Вне левого поля»

Аномальное магнитное поле Меркурия, вызванное саморегулирующимся динамо-машиной с нарушением симметрии

Численное моделирование планетарного динамо

Рассмотрим конвективное движение электропроводной несжимаемой жидкости Буссинеска во вращающейся сферической оболочке с внутренним и внешним радиусами r i и r o .В большинстве случаев соотношение сторон составляет χ = r i / r o  = 0,3  0,2, в то время как  0,3  0,2 Сферическая оболочка вращается вокруг оси z с угловой скоростью Ω . Определяющими уравнениями, описанными в безразмерной форме, являются уравнение Навье-Стокса для поля скоростей u и негидростатического давления P , уравнение индукции для магнитного поля B , уравнение переноса тепла для температуры T , уравнение переноса для концентрации легких элементов C .Длина масштабируется с толщиной оболочки D = r o r i . Время масштабируется временем вязкой диффузии D 2 / ν , где ν — вязкость. Скорость масштабируется с помощью ν / D . Магнитное поле масштабируется как (2 ρμηΩ ) 1/2 , где ρ — плотность, μ — магнитная проницаемость в вакууме, а η — коэффициент магнитной диффузии.Температура и концентрация элементов света масштабированы с H O

5 T D и H I C D , где H O

5 T — ссылка CMB температурный градиент без устойчивой стратификации и h i C является эталонным композиционным градиентом ICB. В некоторых моделях температура и концентрация легких элементов масштабируются с использованием эталонного градиента температуры ICB и градиента состава CMB.

Неразмерные параметры моделей динамо являются термический номер Prandtl (PR T = ν / κ T = 0,1, где κ T — это тепловая диффузность), композиционный принцип Номер (Pr C = ν / κ / κ C = 1, где κ C C — это композиционная диффузия), магнитное число Prandtl (PM = ν / η = 3). D /2 Ων , где α — скорость теплового расширения, а g — ускорение свободного падения в реликтовом излучении), и композиционное число Рэлея (Ra C  =  βgh

i D /2 Ων , где e β — скорость композиционного расширения).2}},$$

(1)

Где ε T = 3 R = 3 R O

5 2 / ( R O

5 3 R I I

5 3 ) представляет собой равномерно распределенный объемный внутренний источник тепла, а A T = R = R I

5 3 R O

5 2 / ( R O

5 3 R I 3 ).2} \right\},$$

(2)

где r s — положение границы стратификации, d s — толщина перехода между конвективными и устойчиво стратифицированными областями, Γ 0 0 0 слой.2,$$

(3)

Где ε C = — 3R = — 3R I

5 2 / ( R O

5 3 R I

5 3 ) = -0.097 и A C = — R I

5 2 R O O

5 3 / ( R O

5 3 R I 125 3 ) = — 0.2}}} \право\}.$$

(4)

Радиальные профили безразмерного теплового/композиционного потока, соответствующие моделям BU, TD и SL, обобщенным в дополнительной таблице 1, показаны на дополнительном рис. 1. Настоящая обработка позволяет нам исследовать влияние различных режимов композиционного конвекции при сохранении режима тепловой конвекции, что является преимуществом перед моделями со-плотности. Эти профили используются для реализации устойчиво стратифицированного слоя математически удобным способом, потому что радиальные профили температуры и состава в ядре Меркурия пока плохо ограничены.Те, которые использовались в предыдущем исследовании 11 , показаны на дополнительном рисунке 4 для сравнения.

На обеих границах граничное условие для поля скоростей является прилипающим и изолирующим для магнитного поля. Влияние рассмотрения внутреннего сердечника как изолятора на результаты незначительно из-за его малых размеров 40 . На внешней границе мы приняли условие нулевого потока для состава и условие фиксированного потока для температуры, тогда как мы предполагаем, что поток фиксирован для состава и либо фиксирован, либо равен нулю для температуры на внутренней границе.Условие нулевого теплового потока задается таким образом, чтобы свести к минимуму эффекты нагрева днища или максимизировать эффекты объемного внутреннего нагрева для создания асимметричного магнитного поля 9 .

Начальные условия задаются либо случайными возмущениями температуры и состава, либо осевым дипольным полем в качестве затравочного поля, либо конечным результатом прогона при различных параметрах. Числовой код, использованный в этом исследовании, является расширенной версией refs. 17,41 . Пространственное разрешение составляет 100 или 128 узлов сетки в радиальном направлении.0}})\). Это выражение указывает на то, что смещение диполя в аксиальном направлении определяется отношением аксиального квадруполя с центром по Герме к центрированному аксиальному диполю, а также на то, что направление смещения направлено на север, если эти два члена имеют одинаковую полярность (и на юг в противном случае). .

Диагностические величины

Важные диагностические величины Динамо-симуляции, используемые в этом исследовании, включают в себя число магнитных рейнольдов, RM = DU / η , номер Elsasser, λ = B

5 2 / (2 ρμηω / (2 ρμηω / (2 ρμηω / (2 ρμηω / (2 ρμηω / (2 ρμηω / ), коэффициент Гаусса аксиального диполя, \(g_1^0\), смещение аксиального вибратора, нормализованное по Гермееву радиусу, D offs = z 0 / R H , угол наклона диполя , наклон, диполярность, F dip , доля осесимметричного магнитного поля, F axs , доля экваториально-антисимметричных компонент течения в полной кинетической энергии, K асимм Ro , местное число Россби l , и усредненная по полушариям относительная осевая спиральность в каждом полушарии, RAH N/S , определяемая как

$${\mathrm{RAH}}_{{\mathrm{N}}/{\mathrm{ S}}} = \frac{{{\int}_{{\mathrm{N/S}}} {u _{\ mathrm {z}} \ omega _ {\ mathrm {z}} dV}}} {\ sqrt {{\ int} _ {{\ mathrm {N}} / {\ mathrm {S}}} { u _ {\ mathrm {z}} ^ 2dV} } \ sqrt {{\ int} _ {{\ mathrm {N/S}}} {\ omega _ {\ mathrm {z}} ^ 2dV} } }}, $ $

(11)

где u z и ω z — осевые компоненты скорости и завихренности.Интеграция по объему проводится либо для северного (N), либо для южного (S) полушария. Магнитное число Рейнольдса и число Эльзассера рассчитываются по среднеквадратичным значениям потока и магнитного поля над сферической оболочкой. F наклон и F оси рассчитаны на поверхности планеты до четвертой степени сферической гармоники по наблюдениям MESSENGER 2 . Эти количества и другие входные безразмерные параметры сведены в дополнительную таблицу 1.2dV} } }}.$$

(14)

Первый и второй члены под интегралом представляют вклады потоков симметричной моды и антисимметричной моды. Остальные два члена являются вкладами от взаимодействия потоков с различной симметрией. Отмечено, что спиральность, обусловленная основной модой, меняет знак относительно отражения относительно экватора, тогда как взаимодействие основных мод дает инвариантную спиральность относительно отражения.{\ mathrm {A}} \}} не очень хорошо. Дополнительный рисунок 2 ясно показывает, что асимметричное распределение спиральности с севера на юг в дипольном динамо со смещением, подобное Меркурию, можно объяснить очевидными условиями взаимодействия (дополнительный рисунок 2a, b), в то время как почти идеальные симметричные распределения спиральности в моделях без диполя смещения связаны с полем скорости с незначительным взаимодействием (дополнительный рисунок 2c – f). Таким образом, из этого анализа мы делаем вывод, что асимметричная спиральность из-за взаимодействия между различными модами потока приводит к полусферически смещенному динамо-действию, и, следовательно, генерируется смещенное дипольное магнитное поле, подобное Меркурию.

Затем мы исследуем, какие механизмы ответственны за взаимодействие между компонентами потока, поддерживающее смещенное распределение спиральности. Для этого мы проводим три дополнительных прогона, строящихся на BU1, где симуляции перезапускаются, используя окончательный результат BU1 с некоторыми изменениями. Первый запуск, BU1L, перезапускается с антисимметричным режимом полей скорости, температуры и состава, перевернутым относительно экватора, так что RAH искусственно концентрируется в южном полушарии, а не в северном.Второй прогон, BU1K, представляет собой прогон кинематического динамо, в котором член силы Лоренца исключен из уравнения количества движения. Третий, БУ1М, представляет собой возобновление запуска магнитогидродинамического динамо с симметричными компонентами магнитного поля, перевернутыми относительно экватора. Первый прогон предназначен для наблюдения за влиянием линейных и нелинейных гидродинамических условий и стабильно стратифицированного слоя, а второй и третий прогоны предназначены для демонстрации нелинейного воздействия динамо-генерируемого магнитного поля на основной поток.Рисунок 4 в основном тексте и дополнительный рисунок 3 ясно показывают, что смещение спиральности поддерживается силой Лоренца из-за самого действия динамо; то есть смещение диполя является естественным результатом процесса саморегуляции основного динамо, вызывающего взаимодействие, нарушающее симметрию.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.