Магнитного поля. Дрейф магнитных полюсов Земли: новые исследования и открытия

Какие новые данные получены о движении магнитных полюсов Земли. Как изменилось положение Южного магнитного полюса. Какие методы использовались для определения координат магнитного полюса в Антарктиде. Почему важно отслеживать дрейф магнитных полюсов.

Магнитное поле Земли и его значение

Магнитное поле Земли играет жизненно важную роль для нашей планеты. Оно выступает в качестве магнитного щита, защищающего все живое от солнечных и галактических космических лучей. Кроме того, магнитное поле Земли используется человечеством для решения широкого круга практических задач — от навигации до добычи полезных ископаемых.

Структура магнитного поля Земли довольно сложна. Оно состоит из нескольких компонентов:

• Главное (нормальное) поле — диполь
• Поля вариаций
• Магнитные аномалии

Главное магнитное поле генерируется в жидком внешнем ядре Земли за счет эффекта геодинамо. Именно оно создает магнитные полюса и защищает планету от космической радиации. Поля вариаций связаны с влиянием солнечной активности. Магнитные аномалии обусловлены неоднородностями строения земной коры.

Дрейф магнитных полюсов Земли

Одной из важнейших характеристик магнитного поля Земли является положение магнитных полюсов. Магнитный полюс — это точка на поверхности Земли, где вектор магнитного поля направлен вертикально. Интересно, что положение магнитных полюсов не фиксировано, а постоянно меняется. Этот процесс называется дрейфом магнитных полюсов.

В последние десятилетия скорость дрейфа магнитных полюсов значительно увеличилась. Особенно быстро движется Северный магнитный полюс:

• В 1970-х годах — 10 км/год
• В 2001 году — 40 км/год
• В 2015 году — 48 км/год

Такое ускорение движения магнитных полюсов вызывает серьезную озабоченность ученых. Оно может свидетельствовать о глобальных изменениях в работе геодинамо в ядре Земли.

Методы определения положения магнитных полюсов

Для точного определения координат магнитных полюсов используются специальные методы магнитных измерений. Основные из них:

• Наземные магнитные съемки
• Аэромагнитная съемка
• Морская магнитная съемка
• Спутниковые измерения

Наиболее точные данные дают наземные измерения непосредственно в районе магнитного полюса. Однако они сопряжены с большими трудностями, особенно в случае Южного магнитного полюса, расположенного в труднодоступных районах Антарктиды.

Поэтому для определения положения Южного магнитного полюса чаще используется морская магнитная съемка в прилегающих акваториях. Она позволяет охватить большую площадь и выявить область, где магнитное поле направлено вертикально.

Кругосветная экспедиция ОИС «Адмирал Владимирский»

Важный вклад в исследование дрейфа Южного магнитного полюса внесла кругосветная экспедиция на океанографическом исследовательском судне ВМФ «Адмирал Владимирский» в 2019-2020 годах. Одной из ключевых задач экспедиции было инструментальное определение координат Южного магнитного полюса.

Для проведения магнитных измерений на судне использовалось современное оборудование:

• Буксируемые протонные магнитометры
• Трехкомпонентные магнитометры
• Магнитовариационные комплексы

Измерения проводились в дифференциальном режиме для учета магнитных вариаций. Особое внимание уделялось минимизации влияния магнитного поля самого судна на результаты измерений.

Результаты определения положения Южного магнитного полюса

В начале апреля 2020 года судно «Адмирал Владимирский» прибыло в район предполагаемого положения Южного магнитного полюса в море Дюрвиля у берегов Антарктиды. В течение 48 часов в сложных метеоусловиях проводились детальные магнитные съемки.

Полученные данные позволили уточнить координаты Южного магнитного полюса. Это первое инструментальное определение его положения за последние 20 лет. Результаты экспедиции имеют большое значение для понимания динамики магнитного поля Земли и уточнения глобальных геомагнитных моделей.

Значение исследований дрейфа магнитных полюсов

Почему так важно отслеживать движение магнитных полюсов Земли? Это имеет как фундаментальное научное, так и прикладное значение:

• Понимание процессов в ядре Земли
• Прогнозирование изменений магнитного поля
• Уточнение навигационных систем
• Изучение климатических изменений
• Оценка космической погоды

Ускорение дрейфа магнитных полюсов может свидетельствовать о глобальных изменениях в работе геодинамо. Некоторые ученые даже предполагают возможность грядущей инверсии магнитного поля Земли. Поэтому регулярные измерения положения магнитных полюсов крайне важны для понимания эволюции магнитного поля нашей планеты.

Перспективы дальнейших исследований

Результаты экспедиции «Адмирала Владимирского» показали необходимость регулярного мониторинга положения магнитных полюсов Земли. Для этого целесообразно:

• Объединить усилия различных научных организаций
• Создать единую сеть магнитных обсерваторий
• Проводить регулярные морские и аэромагнитные съемки
• Запустить специализированные спутники

Некоторые ученые предлагают организовать новый Международный геофизический год, посвященный комплексному изучению магнитного поля Земли. Это позволило бы объединить усилия исследователей из разных стран для решения фундаментальных проблем геомагнетизма.

Заключение

Исследования дрейфа магнитных полюсов Земли имеют огромное значение для понимания процессов, происходящих в недрах нашей планеты. Экспедиция «Адмирала Владимирского» внесла важный вклад в изучение динамики Южного магнитного полюса. Полученные данные позволят уточнить глобальные модели магнитного поля Земли и будут способствовать развитию фундаментальной геофизики.

Ускорение дрейфа магнитных полюсов ставит перед учеными новые вопросы о причинах этого явления и его возможных последствиях. Дальнейшие исследования в этой области помогут лучше понять эволюцию магнитного поля Земли и его роль в жизни нашей планеты.

Что нового узнали учёные о дрейфе магнитного полюса Земли и магнитного поля Мирового океана

Осипов О.Д. 1, д.т.н Минлигареев В.Т.2, д.ф.-м.н Копытенко 3,

к.ф.-м.н Меркурьев С.А.3,4, Арутюнян Д.А.2,5, к.т.н Кузнецов К. М.5,

д.ф.-м.н Максимочкин В.И.5, Григорьев Е.К.6

Исследование дрейфа Южного магнитного полюса Земли и магнитного поля Мирового океана в кругосветной экспедиции    

ОИС ВМФ «Адмирал Владимирский»

Введение

Для Земли магнитное поле является жизненно важным в глобальном смысле, выступает как магнитный щит от солнечных и галактических космических лучей (СКЛ и ГКЛ) для всего живого и для созданной человечеством инфраструктуры технических средств и систем по всей планете. Магнитное поле Земли (МПЗ) с древних времен привлекает внимание человечества и используется им для решения широкого круга задач. Первоначально это было связано с мореплаванием и необходимостью решения навигационной задачи с помощью морского компаса, история которого насчитывает уже более двух тысячелетий. В настоящее время характеристики магнитного поля используют для навигации судов, летательных аппаратов, космических кораблей, для добычи полезных ископаемых. Магнитные датчики есть практически в каждом мобильном телефоне.

Поэтому наблюдение за магнитным полем Земли (МПЗ), его «поведением» и постоянный мониторинг его полюсов является особенно важным на протяжении всего периода солнечной активности.

1. Главное магнитное поле Земли. Магнитные вариации

По современным представлениям МПЗ в любой точке земной поверхности и в околоземном пространстве можно представить в виде трёх составляющих: главного (нормального) поля — диполя, полей вариаций и магнитных аномалий (Рис. 1 и 2).

     

Главное магнитное поле, простирающееся на несколько радиусов Земли, защищает нас от влияния потока протонов и электронов, идущих от солнечных вспышек, а также от галактических лучей, приходящих из далекого космоса. Состояние магнитного поля в околоземном космическом пространстве контролируют наземные средства и многочисленные космические аппараты, в частности российские геостационарные спутники гидрометеорологического и гелиогеофизического назначения серии «Электро-Л».

Потоки СКЛ и ГКЛ, возмущая ионосферу и магнитосферу Земли, «доносят» вариации магнитного поля до поверхности Земли. Вклад поля вариаций в общее МПЗ может достигать 5–10 % и определяется по данным сети магнитовариационных станций, основной из которых является государственная наблюдательная сеть Росгидромета. Головным учреждением по магнитным наблюдениям на государственной наблюдательной сети является Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова (ФГБУ «ИПГ»). Необходимо отметить, что значительные изменения магнитного поля, происходящие, в первую очередь, во время интенсивных солнечных вспышек, провоцируют на Земле магнитные бури, относящиеся к категории опасных гелиогеофизических явлений (ОГЯ). Магнитные бури по интенсивности развития, продолжительности или моменту возникновения могут представлять серьёзную угрозу энергетическим системам, протяжённым трубопроводам, системам связи, навигации, космическим аппаратам, другим высокотехнологичным системам и могут наносить значительный материальный ущерб. Как результат воздействия — магнитные бури в отдельных случаях могут влиять и на здоровье людей. Поэтому роль магнитных наблюдений в мониторинге и прогнозе ОГЯ чрезвычайно важна и её нельзя недооценивать. Магнитные наблюдения являются важнейшей частью государственной наблюдательной сети. Кроме того, необходимо наблюдение за перемещением магнитных полюсов, так как важно знать их место расположения при определении магнитного склонения для навигации, определении степени опасности полярных районов при сильных магнитных возмущениях. 

Источники главного магнитного поля находятся в земном ядре. Вклад главного поля в МПЗ для большинства районов Земли является определяющим и варьируется от 80 до 98 %. Исследования показали, что главное поле изменяется со временем, для него характерно наличие вековых вариаций. В последнее время эти изменения сильно ускорились. Фундаментальные исследования в этом направлении проводят академические институты, в частности Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН и его Санкт-Петербургский филиал (ИЗМИРАН).

Определение параметров главного поля (Рис.3) производится по международным моделям, основными из которых являются IGRF (International geomagnetic reference field) и WMM (World Magnetic Model).

Среди проблем, решаемых фундаментальной геофизикой, особо следует выделить задачи по определению возраста океанической коры, изучению её строения, механизмов формирования и эволюции. Происхождение магнитного поля Земли рассматривалось ещё Альбертом Эйнштейном как одна из трёх наиболее важных нерешённых проблем в физике. Хотя теперь мы знаем, что магнитное поле создаётся в результате конвекции в металлическом внешнем жидком ядре Земли, где самогенерирующее действие динамо не даёт полю затухнуть. Но детальная физика работы геодинамо не вполне изучена.

В настоящее время наблюдается тенденция уменьшения дипольного магнитного момента Земли, которая отчасти связана с магнитной аномалией в Южной Атлантике, где поле на поверхности Земли сейчас примерно на 35% слабее среднего. Если эта тенденция сохранится, то это может привести к распаду дипольного поля. Ответ на вопрос, как долго будет сохраняться текущая скорость распада дипольного поля, последует ли за этим инверсия главного магнитного поля, представляет более чем академический интерес.  Как отмечалось ранее — именно дипольное магнитное поле (главное поле) защищает нашу планету от СКЛ и ГКЛ.

При исследовании пространственной структуры главного магнитного поля Земли и динамики его изменений особую роль следует отвести проведению измерений на акватории Мирового океана, поскольку там практически отсутствуют магнитные обсерватории. Более 30 лет (с 1953 по 1991 гг.) на борту немагнитной шхуны «Заря» (ИЗМИРАН) проводились систематические измерения четырёх компонент геомагнитного поля — модуля вектора напряженности, горизонтальной и вертикальной составляющих, магнитного склонения, на основании которых была создана обширная база данных. В ходе этих исследований были заложены морские пункты векового хода, которые помогли отслеживать динамику изменения МПЗ в некоторых точках Мирового океана. Ключевыми районами, где проведение измерений помогает корректировать глобальные модели геомагнитного поля, являются приполярные  области, то есть области близкие к Южному и Северному магнитным полюсам.

Таким образом, определение положения Северного и Южного магнитного полюсов и их движение является важной и актуальной фундаментальной и прикладной задачей. Исследование особенностей миграции магнитных полюсов Земли способствует пониманию природы генерации главного магнитного поля.

2. Аномальное магнитное поле Земли

Аномальная составляющая магнитного поля Земли (АМПЗ) — магнитное поле региональных и локальных магнитных аномалий, источники которого находятся в земной коре (Рис.2 и 4). АМПЗ обусловлено неоднородностью магнитных свойств горных пород, слагающих земную кору, и отражает особенности её строения, историю формирования и развития. АМПЗ фактически стабильная во времени составляющая магнитного поля, которая может измениться только в результате тектонических процессов или крупной антропогенной деятельности.

Исследование параметров АМПЗ проводится для геологоразведочных работ, изучения в области наук о Земле, а также используется для применения в системах автономной навигации по геофизическим полям Земли.

Для изучения параметров магнитного поля Мирового океана применяются буксируемые (забортные) морские магнитометры. Магнитометрические системы подобного типа традиционно, помимо решения академических научных задач, активно используются для проведения геологоразведочных, инженерных и археологических изысканий на акватории Мирового океана ведущими отечественными и зарубежными сервисными и научно-производственными компаниями (Рис.5). Одним из отечественных предприятий по выполнению морских магнитометрических изысканий является предприятие АО «Южморгеология», стоящее у истоков становления метода морской магнитной съёмки в нашей стране. Только за последние пять лет (2015–2020 гг.) компанией (холдинг АО «Росгеология») было выполнено более 100 000 погонных километров магнитометрических измерений на акватории российского шельфа, зарубежных государств и Мирового океана.

3. Исследования дрейфа магнитных полюсов

Магнитный полюс — это блуждающая точка на поверхности северного и южного полушария Земли, где геомагнитное поле направлено вертикально (горизонтальная составляющая равна нулю). Несмотря на то, что все линии равного магнитного склонения сходятся на магнитном полюсе, склонение на самом полюсе не определено. Все компасы направлены к Южному или Северному магнитным полюсам, но в силу наличия недипольной составляющей МПЗ, стрелки непосредственно на полюса не указывают. И даже в полярных областях сходимость линий магнитного склонения не является радиальной.

До 2019 г. для расчёта главного поля использовались модели эпохи 2015 г. Во все эпохи шёл дрейф магнитных полюсов. Скорость дрейфа Северного магнитного полюса в 1970-х годах составила 10 км/год, в 2001 г. — 40 км/год, в 2004 г. — 60 км/год, в 2015 г. — 48 км/год. Начиная с 2016 г. необычно большая скорость, с которой смещается Северный магнитный полюс Земли, привела к серьёзным ошибкам в расчётах модели 2015 г. В начале 2019 г. невязка определения Северного магнитного полюса составила порядка 40 км. Для устранения такого рода ошибок с начала 2019 г. началось досрочное обновление международных моделей МПЗ. В феврале — WMM — Национальным геофизическим центром данных США (NGDC), а в декабре вышла обновлённая версия WMM 2020 (Рис.6).  

В том же декабре 2019 г. Международной ассоциацией геомагнетизма и аэрономии (IAGA) выпущена очередная версия модели IGRF-13. Эти модели необходимы для функционирования как профессиональных навигационных систем, так и бытовых навигаторов, в том числе для мобильных телефонов. С меньшими скоростями и несоосно изменялось и положение Южного магнитного полюса (ЮМП). На рисунке 6 хорошо виден узел схождения изогон (линий равного магнитного склонения) между Австралией и Антарктидой. Это и есть ЮМП.

Задача определения положения Южного магнитного полюса имеет длинную историю. Первые геомагнитные измерения (измерения склонения) в Антарктическом регионе были выполнены в ходе второй кругосветной экспедиции Дж. Кука (1772–1775). Однако оценок местоположения ЮМП не делалось. Первое экспериментальное определение местоположения ЮМП было выполнено в ходе кругосветной антарктической экспедиции русских мореплавателей Ф. Беллинсгаузена и М. Лазарева (1819–1821). Вскоре после экспедиции к Северному магнитному полюсу немецкий физик К. Гаусс рассчитал на основе сферического гармонического анализа нахождение ЮМП в точке с координатами 66 ° ю.ш., 146 ° в.д. Достичь этой точки и провести инструментальные измерения удалось только 16 января 1909 г. Британской антарктической экспедицией под руководством Эрнеста Шеклтона (экспедиция на «Нимроде»). Далее ЮМП определялся в 1912, 1931, 1951, 1962 гг. (Рис.7).

Продолжая традиции русских мореплавателей и первооткрывателей Антарктиды М. Лазарева и Ф. Беллинсгаузена, моряки ВМФ СССР при участии сотрудников СПбФ ИЗМИРАН определяли местоположение Южного магнитного полюса во время первой кругосветной экспедиции на ОИС «Адмирал Владимирский» и ОИС «Фаддей Беллинсгаузен» (1982-1983). Было пройдено несколько галсов в районе ЮМП с целью определения его местоположения. Научный руководитель работ — контр-адмирал Л. Митин. (Рис.8).

Последнее инструментальное определение Южного магнитного полюса проведено австралийской геологической службой на судне «Sir Hubert Wilkins» в 2000 г.

4. Кругосветная экспедиция ВМФ ОИС «Адмирал Владимирский» 2019-2020 гг.

В 2019-2020 гг. по решению министра обороны РФ в честь 200-летия открытия Антарктиды и 250-летия со дня рождения адмирала И.Ф. Крузенштерна успешно проведена кругосветная экспедиция на океанографическом исследовательском судне (ОИС) ВМФ «Адмирал Владимирский».

Одной из задач антарктической экспедиции являлось измерение параметров магнитного поля отдельных участков Мирового океана по маршруту следования и инструментальное определение координат Южного магнитного полюса в море Дюрвиля (около Земли Адели Антарктиды) и определение невязки магнитного полюса по мировым моделям. Эту задачу на ОИС выполняла объединённая геофизическая группа в составе ФГБУ «ИПГ», МГУ имени М.В. Ломоносова (физический и геологический факультеты), ИЗМИРАН и АО «Южморгеология» при поддержке Русского географического общества, Гидрометеорологической службы ВС РФ, Гидрографической службы ВМФ.

В составе геофизической группы по измерениям параметров магнитного поля проводили работы: Илья Грушников — кафедра физики Земли физического факультета МГУ (г. Москва), Вадим Солдатов — ИЗМИРАН (Санкт-Петербург), Михаил Кузякин — «Южморгеология» (г. Геленджик) (Рис.10).

Программу исследований, координацию съёмок формировали специалисты и руководство ФГБУ «ИПГ», ИЗМИРАН, геологического факультета МГУ. Определение характеристик МПЗ (модуля и полного вектора индукции магнитного поля) в Мировом океане является сложной задачей. Собственное и наведённое магнитное поле корабля требует применения буксируемых морских магнитометров. Кроме того, отсутствие в океане магнитовариационных станций затрудняет учёт переменной составляющей МПЗ. Для решения измерительных задач в экспедиции использовалось два типа приборов. Первый — классический буксируемый магнитометр. В настоящее время большинство магнитометрических измерений на акватории Мирового океана выполняется морскими протонными буксируемыми магнитометрами, а измеряемой величиной является модуль полного вектора магнитного поля. 

Для выполнения задач экспедиции компанией АО «Южморгеология» был предоставлен комплект магнитометрического оборудования и опытный квалифицированный оператор, сопровождавший ход выполнения работ. Важным фактором, повлиявшим на успешное завершение работ по уточнению положения ЮМП, стало наличие у компании обширного опыта и понимание специфики выполнения магнитометрических измерений в приполярных областях (Рис.11).

Модульные площадные съёмки выполнялись с помощью протонных буксируемых морских магнитометров для измерения модуля индукции магнитного поля. Их работа осуществлялась в дифференциальном режиме для наблюдений и учёта вариаций магнитного поля. Измерения параметров МПЗ производились двумя гондолами с датчиками, работающими на эффекте Оверхаузера, буксируемыми последовательно друг за другом на расстояние не менее 300–400 м за судном, чтобы минимизировать влияние магнитного поля корабля.

Для определения положения ЮМП чрезвычайно важно знание компонент магнитного поля, поэтому в ходе съёмки были дополнительно использованы трёхкомпонентные магнитометры.

Компонентные измерения проводились с помощью магнитовариационного комплекса MVC-2, разработанного ИЗМИРАН и состоящего из трёх датчиков торсионного типа. Параллельно с этим комплексом использовался компонентный магнитометр с датчиками, основанными на магниторезистивном эффекте. Датчики были ориентированы вдоль продольной, поперечной и вертикальной оси корабля. Вся магнитометрическая аппаратура находилась в лаборатории, расположенной на корме судна таким образом, чтобы датчики находились максимально удалённо от корпуса судна с целью уменьшения влияния  магнитного поля корабля на показания датчиков (Рис.12).

Эта работа велась научным сотрудником лаборатории морских геомагнитных исследований СПбФ ИЗМИРАН В. Солдатовым. Компонентные магнитометрические измерения проводились практически непрерывно на всех этапах экспедиции, что позволило выполнить десятки тысяч линейных километров морской компонентной магнитной съёмки. Это имеет большую ценность для исследования магнитного поля Земли, поскольку забортные измерения иногда не проводились в силу погодных условий. Общий объём измерений составляет несколько терабайт и требует тщательной камеральной обработки, которая будет выполнена сотрудниками лаборатории. 

В ходе экспедиции проводились измерения магнитометрами обоих видов, что позволило проводить анализ и сопоставление этих измерений и постоянно контролировать работу аппаратуры. В ходе рейса несколько раз проводились исследования собственного и наведённого магнитного поля судна (девиационные работы). Для этого необходимо было определить районы и методику, согласовать предложения с руководством экспедиции. Этим в экспедиции занимался магистрант кафедры физики Земли физического факультета МГУ Грушников И.Ю. (Рис.13 и 14).  

Работы по инструментальному определению ЮМП были в начале апреля 2020 г. по плану экспедиции. Несмотря на сильные шторма в Южном океане — ветер более 30 метров в секунду и 7-метровые волны, — команда «Адмирала Владимирского» выполнила одну из основных задач экспедиции.

6 апреля 2020 года судно «Адмирал Владимирский» прибыло в район съёмки магнитного поля Земли в море Дюрвиля в районе Земли Адели Антарктиды для определения положения ЮМП. Более 48 часов специалисты, члены команды в сложных метеоусловиях непрерывно проводили съёмки параметров магнитного поля.  Для определения положения магнитного полюса экспедицией были проведены площадные морские магнитометрические работы с использованием трёхкомпонентного и протонного морского буксируемого магнитометра (Рис.15 и 16).

Экспериментальное определение положения магнитного полюса подразумевает проведение магнитной съёмки, по результатам которой можно определить область, где поле направлено практически вертикально. О том, что корабль находился непосредственно в районе местонахождения МПЗ, свидетельствовала, например, и «сошедшая с ума» стрелка компаса, которая меняла направление вместе с судном, разворачивалась на 180 градусов, беспричинно крутилась во все стороны.

Для параметрического определения положения ЮМП заранее была спроектирована площадная сеть наблюдений. На рисунке 17 отмечены положения полюса по данным международной модели геомагнитного поля IGRF-13 в 2020 году, а также за предыдущие годы и прогнозируемое положение. Наряду с данными модели IGRF-13 на рисунке представлены положения ЮМП по данным модели IGRF-12 и модели WMM. Если обратить внимание на историю дрейфа ЮМП, то можно заметить, что его траектория описывается не прямой, а кривой линией (Рис. 16). В 2019 и 2020 гг. направление его смещения было в направлении запад-юго-запад. Основываясь на положении полюса по данным различных моделей и тренду его смещения в прошлых годах, проектная сеть наблюдений расширена на юго-запад относительно положения полюса по данным модели IGRF-13.

На рисунке 17 показано положение галсов детальной морской магнитной съёмки акватории Южного океана у берегов Антарктиды, выполненных ОИС «Адмирал Владимирский» с целью определения положение ЮМП (справа). Жёлтые кружки — положение полюса на эпоху, обозначенную цифрами, зелёные звёздочки — положение ЮМП по моделям WMM и IGRF-12.

В полученные данные также будут внесены поправки по магнитным вариациям на день проведения съёмок, взятые с ближайших магнитных обсерваторий, — Дюмон-Дюрвиль (Франция) в Антарктиде и на острове Маккуори (Новая Зеландия). Данные магнитных измерений в море Дюрвиля в районе ЮМП будут переданы в организации участников экспедиции, где пройдут камеральную обработку, сравнение с другими параметрами и пройдут процедуру окончательного уточнения положения Южного магнитного полюса Земли. Сводный заключительный отчёт по исследованиям МПЗ будет представлен на заседании Русского географического общества в конце 2020 г.

Заключение

Таким образом, команда ОИС «Адмирал Владимирский» спустя 20 лет после последнего инструментального уточнения магнитного полюса провела работы в районе нахождения Южного магнитного полюса вблизи берегов Антарктиды. Этот факт является серьёзным вкладом российской науки (при безусловной поддержке Военно-морского флота России и Русского географического общества) в мировую копилку достижений в познании основополагающих геофизических процессов, происходящих на нашей планете для фундаментальных и прикладных задач.

Принимая во внимание важность и глобальность подобных исследований, необходимо определить перспективы исследований и мониторинга магнитного поля Земли. Целесообразно объединение наземных наблюдательных сетей и отдельных магнитных обсерваторий Росгидромета, РАН, Минобрнауки и Росгеологии.

В международном сотрудничестве в рамках Международной ассоциации геомагнетизма и аэрономии  IAGA, в связи с ускорением движения магнитных полюсов необходимо достигнуть договоренностей по регулярному инструментальному контролю магнитных полюсов для уточнения мировых моделей.

Используя опыт проведения Международного геофизического года — МГГ (в самый разгар холодной войны — в 1957-1958 гг.), в преддверии нового 25 солнечного цикла и в условиях непростых международных отношений, целесообразно провести Международный год магнитного поля (или новый МГГ) в целях исследования и прогнозирования «здоровья» и состояния нашей планеты.

________

Примечания

        1. Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова Росгидромета (ФГБУ «ИПГ»).

2. Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (СПбФ ИЗМИРАН).

3. Санкт-Петербургский государственный университет.

4. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова.

5. АО «Южморгеология», Росгеология.

Благодарности

Коллектив авторов выражает благодарность всем, кто принимал участие в подготовке специалистов, обработке результатов измерений, доставке оборудования для экспедиции, оперативно организовывал передачу информации, обеспечивал связь и координацию по маршруту следования ОИС «Адмирал Владимирский», кто осуществлял поддержку и проведение научных консультаций.

1. Руководителю экспедиции ОИС «Адмирал Владимирский», заместителю начальника Управления навигации и океанографии МО РФ Осипову Олегу Дмитриевичу.

2. Директору Института прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова Росгидромета (ФГБУ «ИПГ»), докт. физ.-мат. наук Репину Андрею Юрьевичу, сотрудникам института.

3. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова. Физический факультет. Заведующему кафедрой физики Земли докт. физ.-мат. наук, профессору Смирнову Владимиру Борисовичу и сотрудникам кафедры.

4. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова. Геологический факультет. Заведующему кафедрой геофизических методов исследования земной коры, докт. физ.-мат. наук, профессору Булычеву Андрею Александровичу; доценту кафедры, канд. геол.-минерал. наук Лыгину Ивану Владимировичу; сотрудникам и студентам кафедры.

5. Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (СПбФ ИЗМИРАН). Научным сотрудникам отдела геомагнитных исследований: канд. физ.-мат. наук Дёминой И.М., канд. физ.-матем. наук Иванову С.А., канд. техн. наук Сергушину П.А., Зайцеву Д.Б., Леваненко В.А., Петленко А.В.

6. Управляющему директору АО «Южморгеология» Красинскому Егору Михайловичу (Российский геологический холдинг «Росгеология»).

7. Арктический и антарктический научно-исследовательский институт Росгидромета (ФГБУ «ААНИИ»). Директору института, докт. географ. наук Макарову Александру Сергеевичу, руководителю Российской антарктической экспедиции (РАЭ), канд. физ.-мат. наук Клепикову Александру Вячеславовичу, руководителю отдела геофизики, канд. техн. наук Калишину Алексею Сергеевичу.

8. Начальнику Гидрометеорологической службы Вооруженных Сил Российской Федерации Удришу Владимиру Викторовичу и сотрудникам службы.

 9. Управление навигации и океанографии МО РФ.  Канд. техн. наук Процаенко Сергею Владимировичу.

Фотографии с ОИС «Адмирал Владимирский» предоставлены членами экспедиции, пресс-службой РГО и РИА Новости.

Литература

1. Баткова Л.А., Боярских В.Г., Демина И.М. Комплексная база данных геомагнитного поля по результатам съёмок на немагнитной шхуне «Заря» // Геомагнетизм и аэрономия. 2007. Т. 47. С. 571-576.
2. Карасик А.М. Магнитные аномалии океана и гипотеза разрастания океанического дна // Геотектоника. 1971. № 2. С. 3-18.
3. Касьяненко Л.Г., Пушков А.Н. Магнитное поле, океан и мы. Л., Гидрометеоиздат, 1987, 192 с.
4. Кузнецов В.В. Причина ускорения дрейфа Северного магнитного полюса: джерк или инверсия? // Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т. 46. № 2. С. 280-288.
5. Кузнецов В.В. Положение Северного магнитного полюса в 1994 г. ДАН. 1996. Т. 348, №.3. С. 397-399.
6. Кузнецов В.В. Прогноз положения Южного магнитного полюса на 1999 г. ДАН. 1998-б. Т. 361. № 2. С. 348-251.
7. Морские геомагнитные исследования на НИС «Заря» // Сб. под ред. В.И. Почтарева. М., Наука, 1986, 184 с.
8. Решетняк М.Ю., Павлов В.Э. Эволюция дипольного геомагнитного поля. Наблюдения и модели, Геомагнетизм и аэрономия 2016. Том 56. № 1. С. 117.
9. Заболотнов В.Н., Минлигареев В.Т.  Средства измерений магнитных величин: аналитический обзор // Мир измерений. 2013. № 4. С. 53-61.
10. Минлигареев В.Т., Заболотнов В.Н., Денисова В.И. и др. Обеспечение единства магнитных измерений на государственной наблюдательной сети // Гелиогеофизические исследования: научный электронный журн. 2013. № 6. C. 8-19.
11. Минлигареев В.Т., Алексеева А.В., Качановский Ю.М. и др.  Картографическое обеспечение магнитометрических навигационных систем робототехнических комплексов // Известия ЮФУ. Технические науки. Тем. вып. «Перспективные системы и задачи управления». Ростов-на-Дону, 2019. № 1 (203). С. 248-258.
12. Ivanov S.A., Merkuriev S.A. Preliminary results of the Geohistorical and Paleomagnetic analysis of marine magnetic anomalies in the northwestern Indian Ocean. Recent Advances in Rock Magnetism, Environmental Magnetism and Paleomagnetism. International Conference on Geomagnetism, Paleomagnetism and Rock Magnetism (Kazan, Russia) Springer International Publishing, Proceedings of the 12th International School and Conference “Conference on Paleomagnetism and Rock Magnetism”. Springer International Publishing, 2019. —  pp.479-490.
13. Yu. A.Kopytenko, V.I. Pochtariev «On the ability of vector geomagnetic measurements to present information» Russian Airborne Geophysics and Remote Sensing. GTTI. SPIE. USA, v. 2111, 1993, p.196.
14. Кузнецов В.Д., Петров В.Г., Копытенко Ю.А. Использование магнитного поля Земли в проблемах ориентации и навигации // Труды II Всероссийской науч. конф. «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды». СПб.: ВКА им. А.Ф.Можайского, 2012. Т.1. С.424-432.
15. Yu.A., E.A.Kopytenko, D.B.Zaitsev, P.M.Voronov, L.G.Amosov «Magnetovariation complex MVC-2» Proc. of the VI-th Workshop on Geomagnetic Observatory Instr., Data Acquisit. and Processing. Belgium. 1994, p.10.
16. Kopytenko Yu.A., Petlenko A.V., Petrova A.A., Kopytenko E.A., Voronov P.M., Ismagilov V.S., Zaitsev D.B., Timoshenkov Yu.P. Peculiarities of Interpretation of Magnetic Field Components’ Data Obtained at High-Latitudes on the Board of Moving Carrier, Proceedings of the International Conference on Marine Electromagnetics: Marelec 97 : 23-26 June 1997, London UK, pp.6.
17. Копытенко Ю.А., Петрищев М.С., Сергушин П.А, Леваненко В.А., Перечесова А.Д. Устройство для изготовления торсионных подвесов чувствительных элементов приборов // Патент РФ № 2519888, МПК D07B3/00, 20.06.2014, Бюл. № 17.

Измерено самое слабое магнитное поле в рентгеновских пульсарах

Аккреция, или падение вещества, на нейтронные звезды — один из наиболее эффективных механизмов генерации излучения в рентгеновском диапазоне. Если магнитное поле нейтронной звезды достаточно сильное, то оно способно направлять потоки вещества к магнитным полюсам. В этом случае в районе магнитных «шапок» достигаются сверхэкстремальные значения плотности и температуры — и именно там формируется основное рентгеновское излучение.  Если магнитная ось нейтронной звезды не совпадает с осью вращения, это излучение приходит к нам не постоянно, а как бы «вспышками» или импульсами, подобно маяку, поэтому такие объекты и получили название рентгеновских пульсаров.

Свойства наблюдаемого излучения во многом определяются величиной и конфигурацией магнитного поля.

Измерить магнитное поле нейтронной звезды непросто. Единственный прямой метод — обнаружить так называемые циклотронные линии поглощения в спектре ее электромагнитного излучения. Это относительно узкие спектральные особенности, возникающие при взаимодействии излучения с электронами, движущимися вдоль силовых линий магнитного поля. Наблюдаемые энергии этих трудноуловимых особенностей пропорциональны величине магнитного поля и распределены гармонически. Это значит, что, кроме основной линии, могут наблюдаться ее гармоники на энергиях, кратных энергии основной линии.

Циклотронные линии обнаружены всего лишь у нескольких десятков пульсаров. При этом обычно наблюдается только одна линия (фундаментальная), поскольку для типичных магнитных полей энергии гармоник оказываются слишком большими, чтобы их могли обнаружить современные телескопы.

До сегодняшнего дня был известен только один пульсар, в спектре которого было обнаружено более четырех циклотронных линий. Его основная гармоника приходится на энергию ~11 килоэлектрон-вольт (кэВ) и, соответственно, его магнитное поле считалось самым слабым среди известных аккрецирующих пульсаров, магнитные поля которых были определены достоверно.

Этот рекорд был побит благодаря совместной работе ученых Института космических исследований РАН, Московского физико-технического института и их коллег из научных организаций Германии и Финляндии.

Спектр пульсара Swift J1626.6-5156 по данным обсерваторий NuSTAR и NICER. Источник: Astrophysical Journal Letters

В марте 2021 г. в данных японского монитора MAXI на борту Международной космической станции было обнаружено, что в направлении малоизученного рентгеновского пульсара Swift J1626.6-5156 увеличивается поток излучения.

Через несколько дней наблюдения российского телескопа ART-XC им. М. Н. Павлинского на борту обсерватории «Спектр-РГ», проводящей обзор всего неба, подтвердили начало рентгеновской вспышки и то, что она происходит именно в системе Swift J1626.6-5156. Этот рентгеновский пульсар с периодом примерно 15 секунд был открыт в 2005 году во время вспышки, по окончании которой находился в состоянии «покоя» более 15 лет.

Результаты телескопа ART-XC послужили триггером для проведения по заявке российских ученых немедленных наблюдений этого источника американскими орбитальными обсерваториями NuSTAR и NICER, которые работают в широком диапазоне энергий с высокой чувствительностью и хорошим энергетическим разрешением.

При анализе энергетического спектра Swift J1626.6-5156 были обнаружены четыре гармонически распределенные особенности в поглощении на энергиях, кратных 4.9 кэВ. Эти особенности были интерпретированы как фундаментальная циклотронная линия и три ее высшие гармоники, что соответствует величине магнитного поля на поверхности нейтронной звезды ~4×1011 Гаусс.

«Это в разы меньше типичных значений и сегодня является наименьшим среди всех известных рентгеновских пульсаров, — говорит Сергей Мольков, первый автор статьи, старший научный сотрудник ИКИ РАН и сотрудник МФТИ. — Наше открытие позволит существенно расширить знания о магнитных полях в нейтронных звездах. Кроме того, оно оказалось очень «своевременным» в свете того обстоятельства, что на осень 2021 года запланирован запуск обсерватории IXPE (NASA, ESA), а еще через четыре года в космос отправится обсерватория eXTP (Китай, ESA)».

Оба упомянутых проекта предназначены для измерения поляризации излучения в мягком рентгеновском диапазоне энергий 2–10 кэВ. Образно говоря, эти миссии должны открыть «новое окно» для изучения и понимания физических процессов, происходящих в окрестностях нейтронных звезд и черных дыр. Учитывая рабочий энергетический диапазон поляриметров, именно рентгеновские пульсары с малыми магнитными полями (т.е. с циклотронными линиями на энергиях ниже 10 кэВ) представляют особый интерес.

Благодаря обнаруженной циклотронной линии на энергии 4.9 кэВ пульсар Swift J1626.6-5156 станет практически уникальным объектом для миссии IXPE, наблюдая  который можно будет проверить модели формирования излучения рентгеновских пульсаров и глубже понять физику высокоэнергичных процессов в магнитных полях.

Работа была поддержана Российским научным фондом, грант 19-12-00423.

Тюменский индустриальный университет » Профессор Аркадий Дмитриев о природе магнитного поля Земли

Профессор Аркадий Дмитриев о природе магнитного поля Земли

26.04.2021

В Год науки и технологий мы продолжаем рассказывать об известных профессорах и молодых учёных ТИУ, чьи имена прославляют университет на весь мир, об их уникальных разработках. Согласно плану научных мероприятий и заявленной темой апреля «Освоение космоса», мы публикуем в рубрике «Интеллектуальный марафон «Люди, посвятившие себя науке» статью о профессоре Аркадии Дмитриеве и его исследованиях по созданию термоэлектрической модели магнитного поля Земли.

В научных кругах Аркадий Дмитриев известен как специалист в области наук о Земле. В середине восьмидесятых годов ХХ века он разработал технологию поиска месторождений нефти и газа геофизическим методом. Эта технология ему помогла открыть северо-восточную часть нефтяного Приобского месторождения. Также он предложил  элементы теории электрохимического образования сульфидных руд, повысив тем самым эффективность поисков и расшифровку генезиса гидротермальных месторождений. Метод Дмитриева стал основополагающим и был рекомендован для распространения по всему Советскому Союзу.

Последние пять лет доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры Прикладной геофизики ТИУ Аркадий Дмитриев работает над научно-экспериментальными исследованиями по созданию термоэлектрической модели магнитного поля Земли и других планет Солнечной системы.

Термоэлектрическая модель магнитного поля Земли Дмитриева

В 1915 году Альберт Энштейн выделил пять вопросов, важных для учёных всего мира, один из них – изучение магнитного поля Земли. Если кто-то изучит, освоит, поймёт это явление – это будет невероятное событие в науке, говорил он.

Впервые объяснить существование магнитных полей Земли и Солнца попытался Дж. Лармор в 1919 году, предложив концепцию динамо, согласно которой поддержание магнитного поля небесного тела происходит под действием гидродинамического движения электропроводящей среды.

Сорок с лишним лет Аркадий Дмитриев изучал все модели, предложенные американскими, европейскими, японскими специалистами в области магнитного поля. Термоэлектрическая модель Дмитриева, по его словам, достаточно проста, теория базируется на эффекте Зеебека и предусматривает направленное движение электрических токов в металлическом ядре Земли.

«Я взял в проработку все физические процессы, которые присутствуют в космосе. Наткнулся на эффект Зеебека, который заключается в том, что если к металлу (пруту) приложить с одной стороны свечку, с другой холод, то по нему побежит электрический ток, — рассказывает Аркадий Николаевич. — Я начал размышлять. Необходимые условия создаются в ядре Земли, состоящем в основном из железа и никеля при температуре порядка 4-6 тысяч кельвинов. Прикладываем эффект Зеебека – раз металл есть, значит, при разности температур электроны должны двигаться направленно от горячо нагретой части ядра к его  более холодной, вследствие чего возникает электрический ток, который и приводит к возникновению магнитного поля».

Совмещение Закона термодинамики и эффекта Зеебека позволило учёному вывести и предложить первоначальную модель, на разработку механизма которой  было потрачено еще много лет. Многие промежуточные достижения он подтверждал открытиями других учёных.

 Откуда у Земли магнит

Магнитное поле защищает поверхность Земли от солнечного ветра и вредного космического излучения. При отсутствии магнитного поля наша атмосфера разрушилась бы. Как формируется магнитное поле и откуда в Земле магнит, профессор Дмитриев поясняет: «Меня всегда интересовали физические поля нашей планеты, тем более я как геофизик обязан применять гравитационное,  магнитное, тепловое поля на практике с помощью приборов. В 70-е годы прошлого столетия меня заинтересовала книга японского астрофизика по электромагнитному полю Земли. Итальянский учёный Анзелини открыл интересное явление – теоретически рассчитал и обнаружил, что внутреннее ядро, состоящее из двух частей: внешнего – расплавленного и внутреннего – твёрдого, постепенно остывает. Другие учёные подтвердили динамику температуры. Ядро находится в динамическом температурном режиме, следовательно, обязательно должны появиться термоэлектрические токи в ядре, причем направленные».

Почему на Земле меняются полюса магнитного поля

Земля меняет свои магнитные полюса местами – северный становится южным, и наоборот. Инверсии магнитного поля происходили через интервалы времени от десятков тысяч лет до огромных промежутков спокойного магнитного поля в десятки миллионов лет, когда инверсии не происходили. В настоящее время северный полюс, по словам профессора Дмитриева, стремительно движется от Канады в сторону России, в то время как южный остаётся малоподвижным.

«Эти процессы циклические и неуправляемые. Всё зависит от внутренних свойств планеты. В представлении обывателя ось жёсткая, следовательно, полюсы должны стоять на месте, — говорит Аркадий Николаевич. — Я доказал обратное. Магнитная ось не является жёсткой, она гибкая и связана с неоднородным распределением электронов за счёт асимметрии центробежной силы. Наша Земля наклонена к орбите, и если посмотреть на ее разрезы, параллельные эклиптике, то можно заметить, что западная часть северного полушария и восточная часть южного полушария более подвержены влиянию центробежной силы. Таким образом,  происходит оттягивание электронов от оси вращения планеты, в результате чего образуется смещенная примерно на 11⁰ «пустота» — некоторое разреженное от электронов пространство. Этот канал обеспечивает более легкий выход наружу планеты полоидальному (внешнему, дипольному) магнитному полю, порождаемому тороидальным магнитным полем (внутренним), создаваемым внутри ядра термоэлектрическими токами Земли. Следовательно, полоидальное поле и есть магнитное поле нашей Земли.

Проблему смены полюсов Дмитриев объяснил через реверс токов, который происходит от холодной части ядра к более нагретой и, наоборот, за счет их поочередного перегрева джоулевым теплом. Тем самым, он нашёл ответы на вопросы, на которые теория магнитогидродинамо, разрабатываемая на протяжении ста лет, не может доказательно ответить. Также за счет гибкости магнитной оси удается объяснить и ее другие механизмы – экскурсы, джерки.

Материалы на тему научно-экспериментальных исследований по созданию термоэлектрической модели магнитного поля Земли и других планет Солнечной системы Аркадий Дмитриев начал публиковать с 2016 года, больше в зарубежных изданиях. Обоснованность этой модели привлекает ученых, в связи с чем к нему поступают запросы на публикацию статей от редакций ряда журналов Японии, Швейцарии, Швеции, Испании, Финляндии.

«На ближайшее будущее планирую провести лабораторные исследования этого планетарного события. Надеюсь на  содружество с научными коллективами, занимающимися подобными задачами и имеющими техническую базу для реализации лабораторного проекта», — отметил Аркадий Дмитриев.

1 мая Аркадий Дмитриев отметит свой 83 день рождения. Он полон сил и идей. Пожелаем же ему крепкого здоровья, долгих лет жизни и новых достижений на благо отечественной науки!

 

Отдел медиа и внешних коммуникаций

Вконтакте

Facebook

Twitter

Google+

Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

При подключении к двум параллельным проводникам электрического тока, они будут притягиваться или отталкиваться, в зависимости от направления (полярности) подключенного тока. Это объясняется явлением возникновения материи особого рода вокруг этих проводников. Эта материя называется магнитное поле (МП). Магнитной силой называется сила, с которой проводники действуют друг на друга.

Магнитное поле

Теория магнетизма возникла еще в древности, в античной цивилизации Азии. В Магнезии в горах нашли особую породу, куски которой могли притягиваться между собой. По названию места эту породу назвали «магнетиками». Стержневой магнит содержит два полюса. На полюсах особенно сильно обнаруживаются его магнитные свойства.

Магнит, висящий на нитке, своими полюсами будет показывать стороны горизонта. Его полюса будут повернуты на север и юг. На таком принципе действует устройство компаса. Разноименные полюсы двух магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются.

Ученые обнаружили, что намагниченная стрелка, находящаяся возле проводника, отклоняется при прохождении по нему электрического тока. Это говорит о том, что вокруг него образуется МП.

Магнитное поле оказывает влияние на:

• Перемещающиеся электрические заряды.
• Вещества, называемые ферромагнетиками: железо, чугун, их сплавы.

Постоянные магниты – тела, имеющие общий магнитный момент заряженных частиц (электронов).

1 — Южный полюс магнита
2 — Северный полюс магнита
3 — МП на примере металлических опилок
4 — Направление магнитного поля

Силовые линии появляются при приближении постоянного магнита к бумажному листу, на который насыпан слой железных опилок. На рисунке четко видны места полюсов с ориентированными силовыми линиями.

Источники магнитного поля

• Электрическое поле, меняющееся во времени.
• Подвижные заряды.
• Постоянные магниты.

С детства нам знакомы постоянные магниты. Они использовались в качестве игрушек, которые притягивали к себе различные металлические детали. Их прикрепляли к холодильнику, они были встроены в различные игрушки.

Электрические заряды, которые находятся в движении, чаще всего имеют больше магнитной энергии, по сравнению с постоянными магнитами.

Свойства

• Главным отличительным признаком и свойством магнитного поля является относительность. Если неподвижно оставить заряженное тело в некоторой системе отсчета, а рядом расположить магнитную стрелку, то она укажет на север, и при этом не «почувствует» постороннего поля, кроме поля земли. А если заряженное тело начать двигать возле стрелки, то вокруг тела появится МП. В результате становится ясно, что МП формируется только при передвижении некоторого заряда.
• Магнитное поле способно воздействовать и влиять на электрический ток. Его можно обнаружить, если проконтролировать движение заряженных электронов. В магнитном поле частицы с зарядом отклонятся, проводники с протекающим током будут перемещаться. Рамка с подключенным питанием тока станет поворачиваться, а намагниченные материалы переместятся на некоторое расстояние. Стрелка компаса чаще всего окрашивается в синий цвет. Она является полоской намагниченной стали. Компас ориентируется всегда на север, так как у Земли есть МП. Вся планета – это как большой магнит со своими полюсами.

Магнитное поле не воспринимается человеческими органами, и может фиксироваться только особыми приборами и датчиками. Оно бывает переменного и постоянного вида. Переменное поле обычно создается специальными индукторами, которые функционируют от переменного тока. Постоянное поле формируется неизменным электрическим полем.

Основные правила

Правило буравчика

Силовая линия изображается в плоскости, которая расположена под углом 90⁰ к пути движения тока таким образом, чтобы в каждой точке сила была направлена по касательной к линии.

Чтобы определить направление магнитных сил, нужно вспомнить правило буравчика с правой резьбой.

Буравчик нужно расположить по одной оси с вектором тока, рукоятку вращать таким образом, чтобы буравчик двигался в сторону его направления. В этом случае ориентация линий определится вращением рукоятки буравчика.

Правило буравчика для кольца

Поступательное перемещение буравчика в проводнике, выполненном в виде кольца, показывает, как ориентирована индукция, вращение совпадает с течением тока.

Силовые линии имеют свое продолжение внутри магнита и не могут быть разомкнутыми.

Магнитное поле разных источников суммируются между собой. При этом они создают общее поле.

Магниты с одинаковыми полюсами отталкиваются, а с разными – притягиваются. Значение силы взаимодействия зависит от удаленности между ними. При приближении полюсов сила возрастает.

Параметры магнитного поля

• Сцепление потоков (Ψ).
• Вектор магнитной индукции (В).
• Магнитный поток (Ф).

Интенсивность магнитного поля вычисляется размером вектора магнитной индукции, которая зависит от силы F, и формируется током I по проводнику, имеющему длину l: В = F / (I * l).

Магнитная индукция измеряется в Тесла (Тл), в честь ученого, изучавшего явления магнетизма и занимавшегося их методами расчета. 1 Тл равна индукции магнитного потока силой 1 Н на длине 1 м прямого проводника, находящегося под углом 90⁰ к направлению поля, при протекающем токе в один ампер:

1 Тл = 1 х Н / (А х м).

Правило левой руки

Правило находит направление вектора магнитной индукции.

Если ладонь левой руки разместить в поле, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь из северного полюса под 90⁰, а 4 пальца разместить по течению тока, большой палец покажет направление магнитной силы.

Если проводник находится под другим углом, то сила будет прямо зависеть от тока и проекции проводника на плоскость, находящуюся под прямым углом.

Сила не зависит от вида материала проводника и его сечения. Если проводник отсутствует, а заряды движутся в другой среде, то сила не изменится.

При направлении вектора магнитного поля в одну сторону одной величины, поле называется равномерным. Различные среды влияют на размер вектора индукции.

Магнитный поток

Магнитная индукция, проходящая по некоторой площади S и ограниченная этой площадью, является магнитным потоком.

Если площадь имеет наклон на некоторый угол α к линии индукции, магнитный поток снижается на размер косинуса этого угла. Наибольшая его величина образуется при нахождении площади под прямым углом к магнитной индукции:

Ф = В * S.

Магнитный поток измеряется в такой единице, как «вебер», который равен протеканием индукции величиной 1 Тл по площади в 1 м².

Потокосцепление

Такое понятие применяется для создания общего значения магнитного потока, который создан от некоторого числа проводников, находящихся между магнитными полюсами.

В случае, когда одинаковый ток I протекает по обмотке с количеством витков n, общий магнитный поток, образованный всеми витками, является потокосцеплением.

Потокосцепление Ψ измеряется в веберах, и равно: Ψ = n * Ф.

Магнитные свойства

Магнитная проницаемость определяет, насколько магнитное поле в определенной среде ниже или выше индукции поля в вакууме. Вещество называют намагниченным, если оно образует свое магнитное поле. При помещении вещества в магнитное поле у него появляется намагниченность.

Ученые определили причину, по которой тела получают магнитные свойства. Согласно гипотезе ученых внутри веществ есть электрические токи микроскопической величины. Электрон обладает своим магнитным моментом, который имеет квантовую природу, движется по некоторой орбите в атомах. Именно такими малыми токами определяются магнитные свойства.

Если токи движутся беспорядочно, то магнитные поля, вызываемые ими, самокомпенсируются. Внешнее поле делает токи упорядоченными, поэтому формируется магнитное поле. Это является намагниченностью вещества.

Различные вещества можно разделить по свойствам взаимодействия с магнитными полями. Их разделяют на группы:

• Парамагнетики – вещества, имеющие свойства намагничивания в направлении внешнего поля, обладающие низкой возможностью магнетизма. Они имеют положительную напряженность поля. К таким веществам относят хлорное железо, марганец, платину и т. д.
• Ферримагнетики – вещества с неуравновешенными по направлению и значению магнитными моментами. В них характерно наличие некомпенсированного антиферромагнетизма. Напряженность поля и температура влияет на их магнитную восприимчивость (различные оксиды).
• Ферромагнетики – вещества с повышенной положительной восприимчивостью, зависящей от напряженности и температуры (кристаллы кобальта, никеля и т. д.).
• Диамагнетики – обладают свойством намагничивания в противоположном направлении внешнего поля, то есть, отрицательное значение магнитной восприимчивости, не зависящая от напряженности. При отсутствии поля у этого вещества не будет магнитных свойств. К таким веществам относятся: серебро, висмут, азот, цинк, водород и другие вещества.
• Антиферромагнетики – обладают уравновешенным магнитным моментом, вследствие чего образуется низкая степень намагничивания вещества. У них при нагревании осуществляется фазовый переход вещества, при котором возникают парамагнитные свойства. При снижении температуры ниже определенной границы, такие свойства появляться не будут (хром, марганец).

Рассмотренные магнетики также классифицируются еще по двум категориям:

• Магнитомягкие материалы. Они обладают низкой коэрцитивной силой. При маломощных магнитных полях они могут войти в насыщение. При процессе перемагничивания у них наблюдаются незначительные потери. Вследствие этого такие материалы используются для производства сердечников электрических устройств, функционирующих на переменном напряжении (асинхронный электродвигатель, генератор, трансформатор).
• Магнитотвердые материалы. Они обладают повышенной величиной коэрцитивной силы. Чтобы их перемагнитить, потребуется сильное магнитное поле. Такие материалы используются в производстве постоянных магнитов.

Магнитные свойства различных веществ находят свое использование в технических проектах и изобретениях.

Магнитные цепи

Объединение нескольких магнитных веществ называется магнитной цепью. Они являются подобием электрических цепей и определяются аналогичными законами математики.

На базе магнитных цепей действуют электрические приборы, индуктивности, трансформаторы. У функционирующего электромагнита поток протекает по магнитопроводу, изготовленному из ферромагнитного материала и воздуху, который не является ферромагнетиком. Объединение этих компонентов является магнитной цепью. Множество электрических устройств в своей конструкции содержат магнитные цепи.

Похожие темы:

Астрономы обнаружили самое мощное магнитное поле во Вселенной

Учёные отыскали небесное тело, которое оказалось самым мощным известным магнитом во всей Вселенной. Речь идёт о нейтронной звезде, расположенной почти в 20 тысячах световых лет от Земли.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в издании Astrophysical Journal Letters.

Вести.Ru подробно рассказывали о нейтронных звёздах вообще и о магнетарах – особых нейтронных звёздах, по праву считающихся самыми сильными во Вселенной магнитами.

Теперь учёные измерили магнитное поле магнетара GRO J1008-57 и обнаружили, что оно составляет около одного миллиарда тесла. Как утверждается в пресс-релизе исследования, это самое сильное из когда-либо измеренных магнитных полей. И уж конечно ни в какое сравнение с ним не идёт рекорд, установленный физиками на Земле: 2800 тесла.

Магнитные поля пульсаров далеко превосходят те, что по силам создать человеку.

Измерить магнитное поле далёкого небесного тела – сложная задача. Астрономы не могут дотянуться до него магнитометром. Им приходится довольствоваться излучением, достигающим земных телескопов.

GRO J1008-57 – это рентгеновский пульсар. Он образует тесную пару с обычной звездой и «крадёт» у неё вещество при помощи своего мощного тяготения. Эта падающая на нейтронную звезду материя сильно раскаляется и излучает в рентгеновском диапазоне.

В 2017 году китайский орбитальный рентгеновский телескоп Insight-HXMT обнаружил в излучении GRO J1008-57 спектральную линию, известную как линия циклотронного резонансного рассеяния. Не утомляя читателя подробностями, скажем, что по энергии квантов этой линии можно рассчитать напряжённость магнитного поля.

Исследователи подчёркивают, что спектральная линия была обнаружена с колоссальной достоверностью: более 20 сигм. Между тем золотым стандартом надёжности результата является всего лишь пять сигм. Таким образом, совершенно исключено, что наблюдавшаяся линия является лишь ложной тревогой, случайной комбинацией шумов.

Измеренная энергия квантов в 90 килоэлектронвольт соответствовала огромному магнитному полю в миллиард тесла. Подчеркнём, что эти цифры вполне укладываются в существующие представления. По некоторым оценкам, самые сильные магнетары имеют поля до ста миллиардов тесла. Но эти цифры основаны на не очень надёжных дополнительных предположениях о связи между магнитным полем пульсара и скоростью его вращения вокруг своей оси. Измерение по данным телескопа Insight-HXMT сделано более надёжным способом.

Теперь GRO J1008-57 может стать объектом пристального внимания учёных. Ведь такие колоссальные магнитные поля, как считают теоретики, меняют свойства материи и даже самого вакуума. Сама природа устроила для физиков непревзойдённую по своим возможностям лабораторию.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о первой карте магнитного поля нейтронной звезды. Писали мы и об измерении магнитного поля чёрной дыры.

Измеритель магнитного поля — магнитометр ИМП-6 в Москве.

ЦЕНА УКАЗАНА С ПОВЕРКОЙ.

Измеритель магнитного поля ИМП 6 (магнитометр ИМП-6) является портативным прибором, с помощью которого можно оценить степень размагничивания изделий, деталей или полуфабрикатов, выполненных из ферромагнитных материалов. ИМП 6 предусмотрен для определения степени размагничивания обычно в районе поверхности контролируемого изделия, а также с помощью измерения составляющей напряженности магнитного поля. Кроме того, магнитометр ИМП-6 предназначен для того, чтобы определить уровень напряженности постоянного магнитного поля в диапазоне до 200 А/см. Магнитометр ИМП-6 соответствует ТУ 4222-002-20872624-2003. Измеритель напряженности магнитного поля ИМП-6 внесен в Государственный реестр средств измерений РФ.

ОСОБЕННОСТИ

Благодаря устройству измерителя ИМП-6 появилась возможность компенсации магнитного поля Земли. С помощью данного прибора можно производить измерения в достаточно широком диапазоне, а также измерения напряженности магнитного поля как малогабаритных, так и слабо намагниченных изделий. Главное преимущество магнитометра ИМП-6 — максимальная компактность устройства, обладающего автоматическим контролем питания и низким уровнем энергопотребления. Для контроля малогабаритных слабо намагниченных изделий предусмотрен режим компенсации однородных магнитных полей (например, поля Земли).

НАСТРОЙКА И ПОВЕРКА ИЗМЕРИТЕЛЯ

Измерители магнитного поля ИМП-6 обладают не только серьёзным значением в области контроля степени размагничивания изделий, но и высокой надёжностью: приборы требуют поверки не больше одного раза в год. Производители гарантируют, что этот магнитометр будет работать стабильно, а при необходимости, настроят его. Для ежедневной проверки работоспособности измерителя напряженности ИМП-6 можно использовать контрольный образец магнитного поля КОМП-1. Производители выпускают магнитометры ИМП-6 для контроля остаточной намагниченности полностью настроенными. Несмотря на это, преобразователи Холла, которые используются в приборах, все же иногда могут обладать временной нестабильностью. Она может привести к тому, что ноль на прибое сдвинется из-за длительного времени эксплуатации. Если со временем специалист обнаруживает, что при нормальных условиях эксплуатации ноль все же сместился, то конструкция измерителя позволит восстановить нулевые показания.

УСТРАНЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТИ

Неисправность измерителя остаточной намагниченности ИМП-6 можно легко выявить, лишь нажав на кнопки, расположенные на дисплее. Причинами неисправности могут быть полный разряд батареи, окисление контактов батареи или обрыв во входной цепи питания. Для устранение этих неисправностей рекомендуется заменить батарею или устранить обрыв. Особое внимание следует уделить особенному устройству конструкции измерителя, не требующее планово-предупредительного ремонта. В случае, если прибор выйдет из строя, то отремонтировать его сможет только предприятие-изготовитель. Для контроля намагниченности ИМП 6 — надёжный прибор, который вы можете купить по доступной цене в Москве и других городах РФ с доставкой. У нас есть и другие приборы с отличными техническими характеристиками для измерения электромагнитных полей.

Технические характеристики измерителя магнитного поля ИМП-6

№	Наименование параметров	Значение
1.	Диапазон измерений напряженности постоянного магнитного поля, А/м [А/см]	10-19990 [0,1 — 199,9]
2.	Разрешение измерителя ИМП-6 (значение единицы младшего разряда), А/м [А/см]	10 [0,1]
3.	Режимы измерений	режим компенсации однородных полей (в диапазоне от 0,1 до 20 А/см)
		режим прямых измерений
4.	Предел допускаемого значения абсолютной погрешности измерений напряженности постоянного магнитного поля для доверительной вероятности 0,95 не превышает (где Н — измеряемая величина в А/м [А/см]):
5.	в режиме компенсации однородных полей, А/м [А/см]	±(10+0,03хН) [±(0,1+0,03хН)]
6.	в режиме прямых измерений, А/м [А/см]	±(50+0,03хН) [±(0,5+0,03хН)]
7.	Диапазон регулировки порога срабатывания световой индикации, А/см	0,4 — 20
8.	Стабильность срабатывания световой индикации, А/см (где НП — установленный по цифровому дисплею уровень)	НП ± 0,1
9.	Максимальная разница порогов срабатывания световой индикации при противоположных направлениях поля, А/см, не более	0,2
10.	Напряжение питания, В	6 — 9
11.	Потребляемый ток, мА, не более	20
12.	Габаритные размеры, мм, не более	170х70х25
13.	Масса измерителя ИМП-6 с батареей питания, кг, не более	0,2
14.	Средняя наработка на отказ, ч, не менее	5000
15.	Установленный срок службы до списания, лет, не менее	8

На все изделия, представленные на сайте, действует гарантия качества. Гарантийный срок зависит от типа оборудования. В течение гарантийного срока Покупатель имеет право на ремонт изделия за счет Изготовителя при условии соблюдения всех правил эксплуатации, хранения и транспортирования изделия.

Ваши действия при возникновении гарантийного случая:

1. организовать доставку неисправного прибора до нашего склада по адресу — 450076, РФ, г. Уфа, ул. Аксакова, 58/1, тел. (347) 225-00-52 доб. 126;
2. приложить сопроводительное письмо, в котором указать выявленные дефекты и неполадки в работе;

Притягательная планета Интересные сведения о магнитном поле Земли: Наука и техника: Lenta.ru

В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?

Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.

Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, — теория динамо-эффекта — предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.

Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по «направлению». Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.

Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).

Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетского технологического института предложили сразу два возможных механизма образования «скалистых» планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то формулу для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.

Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля «помнит» о смене полюсов. Анализ таких «воспоминаний» показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.

Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время «переходного периода» на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.

Кроме «следов» плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить опасные изменения. Настолько резких «движений» поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. «Толщина» магнитного поля в этом районе не превышает трети от «нормальной». Исследователи давно обратили внимание на эту «прореху» в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.

На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и «выбрасывает» их в космическое пространство.

Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально. Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.

Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно ориентируют свои тела с севера на юг (или с юга на север). Причем «реперными точками» для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.

Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует появлению полярных сияний. Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.

Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из «теорий заговора» – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. «Собранные» частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.

Магнитное поле Земли — удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было — его необходимо было бы придумать.

Что такое магнитное поле?

Всем известно, насколько забавными могут быть магниты. Кто из нас в детстве не любил видеть, сможем ли мы склеить наше столовое серебро? А как насчет тех маленьких магнитных камешков, которые мы могли бы расположить так, чтобы они образовали практически любую форму, потому что они слиплись? Что ж, магнетизм — это не просто бесконечный источник удовольствия или пользы для научных экспериментов; это также один из основных физических законов, на которых основана Вселенная.

Притяжение, известное как магнетизм, возникает при наличии магнитного поля, которое представляет собой силовое поле, создаваемое магнитным объектом или частицей.Он также может создаваться изменяющимся электрическим полем и обнаруживается по силе, которую оно оказывает на другие магнитные материалы. Поэтому область изучения магнитов известна как электромагнетизм.

Определение:

Магнитные поля можно определить разными способами в зависимости от контекста. Однако в общих чертах это невидимое поле, которое оказывает магнитное воздействие на вещества, чувствительные к магнетизму. Магниты также оказывают друг на друга силы и крутящие моменты через создаваемые ими магнитные поля.

Визуализация солнечного ветра, соприкасающегося с магнитосферой Земли. Подобно дипольному магниту, он имеет силовые линии, северный и южный полюсы. Кредит: JPL

Они могут генерироваться в непосредственной близости от магнита, электрическим током или изменяющимся электрическим полем. Они диполярны по своей природе, что означает, что у них есть как северный, так и южный магнитный полюс. Стандартная международная единица измерения (СИ), используемая для измерения магнитных полей, — это Тесла, в то время как меньшие магнитные поля измеряются в единицах Гаусса (1 Тесла = 10 000 гуасс).

Математически магнитное поле определяется величиной силы, которую оно оказывает на движущийся заряд. Измерение этой силы согласуется с законом силы Лоренца, который может быть выражен как F = qvB , где F — магнитная сила, q — заряд, v — скорость, а магнитная сила. поле — B . Это отношение является векторным произведением, где F перпендикулярно (->) всем другим значениям.

Полевые линии:

Магнитные поля могут быть представлены непрерывными силовыми линиями (или магнитным потоком), которые выходят из северных магнитных полюсов и входят в южные полюса.Плотность линий указывает на величину поля, поскольку она более сконцентрирована на полюсах (где поле сильно) и расширяется и ослабевает по мере удаления от полюсов.

Однородное магнитное поле представлено расположенными на одинаковом расстоянии параллельными прямыми линиями. Эти линии непрерывны, образуют замкнутые петли, идущие с севера на юг и снова повторяющиеся. Направление магнитного поля в любой точке параллельно направлению близлежащих силовых линий, и локальная плотность силовых линий может быть сделана пропорциональной ее напряженности.

Линии магнитного поля напоминают поток жидкости в том смысле, что они обтекаемые и непрерывные, и появляется больше (или меньше линий) в зависимости от того, насколько близко наблюдается поле. Силовые линии полезны как представление магнитных полей, позволяя упростить и выразить в математических терминах многие законы магнетизма (и электромагнетизма).

Простой способ наблюдать магнитное поле — это положить железные опилки вокруг железного магнита. Расположение этих опилок будет соответствовать линиям поля, образуя полосы, соединяющиеся на полюсах.Они также появляются во время полярных сияний, когда видимые полосы света совпадают с местным направлением магнитного поля Земли.

История обучения:

Изучение магнитных полей началось в 1269 году, когда французский ученый Петрус Перегринус де Марикур с помощью железных игл нанес на карту магнитное поле сферического магнита. Места, где эти линии пересекались, он назвал «полюсами» (по отношению к полюсам Земли), которые, по его словам, есть у всех магнитов.

В 16 веке английский физик и естествоиспытатель Уильям Гилберт из Колчестера повторил эксперимент Перегринуса.В 1600 году он опубликовал свои выводы в договоре ( De Magnete ), в котором заявил, что Земля является магнитом. Его работа была неотъемлемой частью установления магнетизма как науки.

Вид на восточное небо во время пика полярного сияния этим утром. Предоставлено: Боб Кинг

В 1750 году английский священник и философ Джон Мичелл заявил, что магнитные полюса притягиваются и отталкиваются друг от друга. Он заметил, что сила, с которой они это делают, обратно пропорциональна квадрату расстояния, иначе известному как закон обратных квадратов.

В 1785 году французский физик Шарль-Огюстен де Кулон экспериментально подтвердил магнитное поле Земли. Затем французский математик и геометр XIX века Симеон Дени Пуассон создал первую модель магнитного поля, которую представил в 1824 году.

К 19 веку дальнейшие откровения уточнили и бросили вызов ранее существовавшим представлениям. Например, в 1819 году датский физик и химик Ганс Кристиан Орстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг него магнитное поле.В 1825 году Андре-Мари Ампер предложил модель магнетизма, в которой эта сила возникла из-за постоянно протекающих контуров тока, а не диполей магнитного заряда.

В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей показал, что изменяющееся магнитное поле порождает окружающее электрическое поле. Фактически, он открыл электромагнитную индукцию, которая характеризовалась законом индукции Фарадея (он же закон Фарадея).

Клетка Фарадея на электростанции в Хаймбахе, Германия. Предоставлено: Wikipedia Commons / Frank Vincentz

Между 1861 и 1865 годами шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свои теории электричества и магнетизма, известные как уравнения Максвелла.Эти уравнения не только указали на взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, но и показали, что сам свет является электромагнитной волной.

Область электродинамики получила дальнейшее развитие в конце 19-го и 20-го веков. Например, Альберт Эйнштейн (который предложил закон специальной теории относительности в 1905 году) показал, что электрическое и магнитное поля являются частью одного и того же явления, наблюдаемого из разных систем отсчета. Появление квантовой механики также привело к развитию квантовой электродинамики (КЭД).

Примеры:

Классическим примером магнитного поля является поле, созданное железным магнитом. Как упоминалось ранее, магнитное поле можно проиллюстрировать, окружив его железными опилками, которые будут притягиваться к его силовым линиям и образовывать петлю вокруг полюсов.

Более крупные примеры магнитных полей включают магнитное поле Земли, которое напоминает поле, создаваемое простым стержневым магнитом. Считается, что это поле является результатом движения ядра Земли, которое разделено на твердое внутреннее ядро ​​и расплавленное внешнее ядро, которое вращается в направлении, противоположном Земле.Это создает динамо-эффект, который, как полагают, приводит в действие магнитное поле Земли (также известное как магнитосфера).

Компьютерное моделирование поля Земли в период нормальной полярности между инверсиями. [1] Линии представляют собой силовые линии магнитного поля: синие, когда поле направлено к центру, и желтые, когда поле находится далеко. Предоставлено: NASA . Такое поле называется дипольным полем, потому что оно имеет два полюса — северный и южный, расположенные на обоих концах магнита, — где напряженность поля максимальна.В средней точке между полюсами сила составляет половину своего полярного значения и простирается на десятки тысяч километров в космос, образуя магнитосферу Земли.

Было показано, что другие небесные тела обладают собственными магнитными полями. Сюда входят газовые и ледяные гиганты Солнечной системы — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Магнитное поле Юпитера в 14 раз сильнее, чем у Земли, что делает его самым сильным магнитным полем среди всех планетных тел. Ганимед, спутник Юпитера, также обладает магнитным полем и является единственной луной в Солнечной системе, которая имеет его.

Считается, что когда-то Марс обладал магнитным полем, подобным земному, что также было результатом динамо-эффекта внутри него. Однако из-за массивного столкновения или быстрого охлаждения внутри Марс потерял свое магнитное поле миллиарды лет назад. Считается, что именно из-за этого Марс потерял большую часть своей атмосферы и способность удерживать жидкую воду на своей поверхности.

Когда доходит до этого, электромагнетизм является фундаментальной частью нашей Вселенной, прямо там, где находятся ядерные силы и гравитация.Понимание того, как это работает и где возникают магнитные поля, является не только ключом к пониманию того, как возникла Вселенная, но также может помочь нам когда-нибудь найти жизнь за пределами Земли.

Мы написали много статей о магнитном поле для Universe Today. Вот что такое магнитное поле Земли, Готово ли магнитное поле Земли к изменению? Магнитные поля.

Если вам нужна дополнительная информация о магнитном поле Земли, ознакомьтесь с руководством НАСА по исследованию солнечной системы на Земле. А вот ссылка на Обсерваторию Земли НАСА.

Мы также записали серию Astronomy Cast, посвященную планете Земля. Послушайте, Эпизод 51: Земля.

Источники:

Как это:

Нравится Загрузка …

Создание карты магнитного поля Земли · Границы для молодых умов

Аннотация

Земля имеет твердое внутреннее ядро ​​и жидкое внешнее ядро, оба из которых сделаны из железа и никеля.По металлу проходит электрический ток, который питается от движения жидкости. Электрический ток создает магнитное поле, которое простирается от ядра к поверхности Земли и дальше. Ожидается, что магнитное поле, сформированное ядром Земли, будет выровнено с осью вращения, но оно немного отклоняется по причинам, которые не совсем понятны. Стрелка компаса обычно указывает не на истинный север (ось вращения Земли), а на магнитный северный полюс. Угол между истинным севером и магнитным севером в любом конкретном месте на Земле называется углом склонения.Карты угла склонения очень сложны, и из-за потока внешнего ядра положение магнитного севера смещается во времени.

Введение

Внешнее ядро ​​Земли

Планету Земля можно разделить на четыре слоя: твердое внутреннее ядро ​​в центре, жидкое внешнее ядро ​​, , скалистую мантию и кору на поверхности, на которой мы живем. Ядро Земли имеет ширину около 6800 км и начинается примерно на полпути к центру планеты (рис. 1b).Он на девять десятых состоит из железа и никеля [1]. Внутреннее ядро ​​размером с Луну. Он очень горячий (> 5000 ° C) и твердый из-за чрезвычайно высокого давления, создаваемого весом материала над ним.

• Рис. 1 — (a) Иллюстрация силовых линий магнитного поля от простого стержневого магнита, аналогичного магнитному полю Земли.
• Как и Земля, южный полюс (обозначенный буквой «S») на самом деле находится в северном полушарии. (b) Ядро Земли видно в центре планеты.Скалистая мантия и кора на этом снимке прозрачны. Внешнее ядро ​​показано оранжевым цветом, а внутреннее ядро ​​показано более темной сферой в центре. Магнитное поле (синие линии) создается во внешнем сердечнике. Справа — вид художника на магнитный спутник Swarm, который чувствует изменение направления компаса, когда он летит через магнитное поле Земли по своей орбите (серая линия). ^© ESA / ATG Medialab. Рисунок 1a, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth’s_mintage_field_pole.svg

Еще дальше от центра Земли находится жидкое внешнее ядро ​​размером с Марс. Металл все еще очень горячий (> 3000 ° C), но, несмотря на высокое давление, внешнее ядро ​​на самом деле очень жидкое, так как тепло преодолевает влияние давления. Внешнее ядро ​​течет так же легко, как вода на поверхности Земли. Это означает, что металл постоянно движется и течет, как океаны. Подобно тому, что происходит, когда вы быстро перемешиваете чашку чая, быстрое вращение Земли один раз в день заставляет жидкость во внешнем ядре тоже вращаться.

Ядро пытается остыть. Однако каменистая мантия между ядром и поверхностью действует как покров, не позволяя ядру остыть слишком быстро. Ядро пытается найти другие способы избавиться от избыточного тепла и энергии. Один из способов сделать это — создать магнитное поле. Магнитное поле может проходить до поверхности Земли, позволяя ядру выделять небольшое количество энергии.

Электричество создает магнитное поле

Магнетизм и электричество физически связаны — вы обычно получаете одно, когда создается другое, и это также происходит внутри ядра.Жидкий металл сердечника слишком горячий, чтобы быть постоянным магнитом, таким как магнит на холодильник, но это электропроводящий материал , как медная проволока. Подобно проводам в вашем доме, жидкое ядро ​​пропускает очень большой электрический ток, который, в свою очередь, создает сильное магнитное поле.

Электричество создается за счет движения жидкого металла, подобно ветряной турбине, которая создает электричество из движения лопастей. Электричество течет вокруг экватора планеты по очень большой петле и создает сильное магнитное поле, выходящее за пределы внешнего ядра.Магнитное поле проходит до поверхности Земли и выходит в космос.

Он создает магнитное поле в форме стержня в форме магнита (рис. 1а). Магнитное поле распространяется в космос, образуя «пузырь», в котором находится Земля. Этот магнитный пузырь защищает атмосферу планеты от магнитного поля Солнца, которое в противном случае лишило бы земную атмосферу за миллиарды лет.

Способ создания магнитного поля Земли очень сложен и не совсем понятен сегодняшним ученым.Считается, что контур электрического тока в сердечнике не образует идеального круга, проходящего вокруг экватора, поэтому магнитное поле на самом деле несколько «наклонено», примерно на 11 °, от оси вращения Земли. Сила электрического тока также изменяется со временем, что приводит к изменению магнитного поля на поверхности Земли. Наконец, поток жидкого металла «увлекает» магнитное поле на запад. Все эти различные процессы в совокупности делают магнитное поле очень сложным, и трудно предсказать, как оно изменяется с течением времени.Примерно четыре раза каждые миллион лет магнитное поле меняется на противоположное, когда полюса «переворачиваются», хотя для этого требуются тысячи лет.

Магнитное поле на поверхности Земли

Хотя общая форма магнитного поля Земли похожа на простой стержневой магнит, если вы посмотрите на магнитное поле в деталях, все будет намного сложнее. Обычно стрелка компаса указывает приблизительно на север, но не на истинный север (точку, вокруг которой вращается Земля).Угол между истинным севером и направлением стрелки компаса называется склонением . Стрелка компаса указывает на место, называемое магнитным северным полюсом и .

Магнитное поле очень полезно для навигации. Китайцы использовали базовые компасы еще в 1100-х годах, чтобы определять направление. Первую карту сделал Эдмунд Галлей, известный кометой Галлея, для использования кораблями, плывущими по Атлантическому океану в 1699 году. Он понял, что магнитное поле постоянно меняется, и предположил, что в центре Земли есть слой жидкости.Северный магнитный полюс был открыт Джеймсом Клерком Россом в 1831 году в Канаде. Однако, что еще больше усложняет ситуацию, магнитный северный полюс не остается на одном месте, а вместо этого все время перемещается из-за потока внешнего ядра.

В настоящее время (в 2019 году) северный магнитный полюс все еще находится на севере Канады, но он движется со скоростью около 50 км в год и пересечет север России где-то в следующем десятилетии. На рисунке 2 показано расположение Северного и Южного магнитных полюсов с 1900 по 2020 годы.Обратите внимание, как быстро двигался Северный полюс с 2000 года, в то время как Южный полюс не сильно сдвинулся по сравнению с этим.

• Рис. 2. Расположение магнитных полюсов показано каждые пять лет (красные точки) с 1900 по 2020 год для северного магнитного полюса (a) и южного магнитного полюса (b) .
• Обратите внимание, что с 1900 года северный магнитный полюс переместился намного дальше и быстрее, чем южный магнитный полюс.

Создание карты

Теоретически составить карту магнитного поля достаточно просто.Все, что вам нужно, это устройство GPS (например, смартфон), чтобы определить ваше точное местоположение и помочь вам найти направление на истинный север. Вам также понадобится компас. Во-первых, используйте GPS, чтобы определить направление на истинный север. Это можно сделать, поместив две палки в землю вдоль линии постоянной долготы. Встаньте между палками и определите угол между стрелкой компаса и истинной линией севера, которую вы провели с помощью двух палок. Поздравляем, вы измерили склонение! Чтобы составить карту, повторите это измерение в другом месте и в другом.Сделайте это несколько миллионов раз по всему миру, включая океаны и пустыни, и ваша работа будет завершена… по крайней мере, на несколько лет, пока магнитный Север не сдвинется. Очевидно, что это невозможно для человека, но для спутника это возможно.

С 1999 года было три европейских спутника для очень точных измерений магнитного поля Земли. На рисунке 1b показано, как спутник воспринимает магнитное поле, исходящее от внешнего ядра. Нынешнее трио спутников, получившее название Swarm, летает на высоте от 450 до 500 км над поверхностью Земли и движется со скоростью 8 км в секунду.Им требуется около 90 минут, чтобы облететь Землю, и они совершают 15 оборотов в день. Через 4 месяца они производят достаточно измерений по всему миру, чтобы создать карту [2].

Измерения спутников собираются в компьютер, где математический процесс, называемый инверсией, используется для создания карты (или снимка) магнитного поля в фиксированный момент времени. На рисунке 3 показана карта угла склонения на январь 2019 года, показывающая, насколько сложным является магнитное поле на самом деле.

• Рис. 3. Угол склонения для 2019 года (в градусах) по модели Международного опорного геомагнитного поля (IGRF-12).
• Цвета показывают угол между Магнитным Севером и Истинным Севером. Белые области — это места, где компас указывает почти точно на север. Синие цвета показывают регионы, где компас указывает к западу от истинного севера, а красные цвета показывают, где компас указывает к востоку от истинного севера. Вы можете увидеть очень сложную картину углов склонения по всему миру [3].

Поскольку изменение магнитного поля не предсказуемо дольше 10 лет, эти карты магнитного поля регулярно обновляются каждые 5 лет.Некоторые карты создаются бесплатно группой ученых со всего мира и известны как Международное опорное геомагнитное поле или IGRF [3]. Создание хорошей карты требует больших усилий и требует нескольких месяцев работы. Последняя версия была выпущена в 2015 году, а следующая будет готова к 2020 году.

Магнитная карта на вашем смартфоне

Вы, вероятно, больше всего знакомы с использованием магнитного поля Земли для навигации — подумайте о кораблях, плывущих по океану, или о людях, идущих по горам.Однако, если вы когда-либо использовали карту на смартфоне, чтобы найти, куда хотите отправиться, то вы также использовали карту магнитного поля Земли.

Когда вы открываете приложение карты, ваше местоположение обычно отображается в виде маленькой точки со стрелкой или треугольником, указывающим направление, в котором вы смотрите. Смартфоны используют встроенный цифровой компас для определения направления магнитного севера. Однако, поскольку карты выровнены по истинному северу, программное обеспечение телефона должно корректировать разницу склонения.Телефон использует ваше местоположение по GPS для определения правильного угла по карте склонений, например IGRF. Из рисунка 3 видно, что в некоторых частях света этот угол может достигать 45 °.

Заключение

Создание карт магнитного поля Земли — сложный процесс, который необходимо повторять не реже одного раза в 5 лет, чтобы карты оставались актуальными. Карты могут рассказать нам о внешнем ядре Земли, и они также полезны для многих практических приложений, которые вы, вероятно, испытали, например, для навигации по городу с помощью смартфона.

Глоссарий

Внешнее ядро ​​: ↑ Слой жидкого металла внутри Земли, начиная примерно на полпути к центру.

Электропроводящий материал : ↑ Материал, позволяющий электричеству легко проходить через него.

Склонение : ↑ Угол между магнитным и истинным севером.

Магнитный север : ↑ Точка на поверхности Земли, где магнитное поле направлено прямо к центру Земли.

Заявление о конфликте интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

---

Список литературы

[1] ↑ Lowrie, W. 2007. Основы геофизики, 2-е изд. . Кембридж: Издательство Кембриджского университета.

[2] ↑ Олсен, Н., Юло, Г., Лесур, В., Финли, К. К., Бегган, К., Чуллиат А. и др. 2015. Модель начального поля Swarm для геомагнитного поля 2014 года. Geophys. Res. Lett . 42: 1092–8. DOI: 10.1002 / 2014GL062659

[3] ↑ Thébault, E., Finlay, C.C., Beggan, C.D., Alken, P., Aubert, J., Barrois, O., et al. 2015. Международное опорное геомагнитное поле (IGRF): 12-е поколение. Земля Планеты Космос 67:79. DOI: 10.1186 / s40623-015-0228-9

Магнитное поле Земли меняется гораздо чаще, чем мы думали.

Ив Галле балансирует на крутом скалистом склоне северо-востока Сибири, бирюзовая река неторопливо течет по холмистому ландшафту, раскинувшемуся внизу.Но Галле из Французского Института Физики Земного шара повернулся лицом к скалам с одной целью: расшифровать историю магнитного поля Земли.

Этот защитный пузырь защищает Землю от излучения, постоянно исходящего от Солнца. За 4,6 миллиарда лет истории планеты поле часто менялось, меняя местами магнитный север и юг, и некоторые исследования показывают, что на геологическом горизонте может произойти еще один поворот. В то время как опасения надвигающегося геомагнитного апокалипсиса преувеличены, изменение магнитного поля может иметь множество разрушительных последствий — от повышенного радиационного воздействия до технологических сбоев, что делает понимание этих исторических переворотов больше, чем просто научное любопытство.(Узнайте больше о том, что может произойти, когда магнитные полюса перевернутся.)

Теперь Галле и его коллеги обнаружили свидетельства одного из самых высоких показателей инверсии поля, когда-либо зарегистрированных. В течение этого потрясающе хаотичного времени, подробно описанного в недавней публикации Earth and Planetary Science Letters , на планете каждые миллион лет происходило 26 смен магнитных полюсов, что более чем в пять раз превышает скорость, наблюдавшуюся за последние 10 миллионов лет.

Земля 101

Земля — ​​единственная известная планета, на которой существует жизнь.Узнайте происхождение нашей родной планеты и некоторые ключевые ингредиенты, которые помогают сделать это синее пятнышко в космосе уникальной глобальной экосистемой.

Результат присоединяется к набору доказательств того, что магнитное поле планеты способно меняться чаще, чем считалось возможным, говорит Джозеф Меерт, палеомагнетист из Университета Флориды, не входивший в исследовательскую группу. Такие исследования постепенно заполняют пятнистую магнитную летопись Земли, что может помочь ученым лучше понять время и причину этой геологической гимнастики — и даже может намекнуть на влияние древних периодов гиперактивности на раннюю жизнь.

Беспокойные полюса Земли

Магнитное поле Земли заряжается за счет взбалтывания расплавленного железа и никеля внешнего ядра нашей планеты, находящегося на глубине примерно 1800 миль от поверхности. На протяжении многих лет повороты и кувырки поля фиксировались богатыми железом минералами, приспособленными к магнитным воздействиям, которые могут застревать в месте при образовании осадочных пород или остывании лавы, как крошечные стрелки компаса, застывшие во времени.

Судя по этой каменистой записи, наши полюса не менялись местами примерно 780 000 лет, но в прошлом они были беспокойными, меняя местами примерно каждые 200 000 лет или около того.Есть также длительные периоды, когда полюса в основном оставались на месте, например, период в 40 миллионов лет в меловом периоде около 100 миллионов лет назад.

Насколько быстро могут быть эти развороты? В поисках ответов Галлет и его коллеги отправились на вертолете, надувном плоту и пешком к опасным скалам, которые относятся к малоизученному периоду среднего кембрия, примерно 500 миллионов лет назад. Песок, на котором построен этот регион, залегает в том, что когда-то было теплым мелким морем, с магнитными минералами, захваченными на месте, когда осадки дрейфовали на тихое дно океана и уплотнялись, образуя новые слои горных пород.

Галлет и его коллеги впервые посетили это место в начале 2000-х годов, собрав около 119 образцов с почти вертикальной поверхности скалы. Эта работа выявила период в среднем кембрии, когда каждые миллион лет происходило по крайней мере шесть-восемь инверсий поля.

Ученые собрали образцы горных пород со скал так называемого разреза Хорбусуонка в Сибири. Богатые железом минералы в этих породах записывают магнитные сигнатуры на отрезке истории Земли длиной около трех миллионов лет.

Фотография Ива Галлета

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

«Мы не ожидали такой высокой частоты разворотов», — пишет Галлет в электронном письме, подчеркивая, что в то время все, что превышало четыре или пять разворотов, считалось высоким. Высокая скорость оставила у него и его коллег тревожное подозрение, что им нужно собрать больше образцов. Летом 2016 года они вернулись, чтобы сделать именно это, разрезав около 550 небольших блоков камня каждые четыре-восемь дюймов.Анализ магнитных сигнатур подтвердил их подозрения: за три миллиона лет, зафиксированных в их образцах, они обнаружили 78 поразительных переворотов поля.

«Мы ожидали очень высокой частоты инверсии магнитного поля, но, конечно, не такого высокого значения», — говорит Галлет. Он отмечает, что в 22 образцах зафиксирован только один разворот, намекая, что, возможно, истинная скорость еще выше.

Перелистывание

На данный момент новое исследование предлагает больше вопросов, чем ответов. Непонятно, почему поле было таким гипертрофированным в то время и, что еще более интригующе, почему оно быстро восстановилось.

Одна из возможностей состоит в том, что эти ранние перевороты связаны с охлаждением и кристаллизацией твердого внутреннего ядра планеты. Хотя многие исследования предполагают, что это, вероятно, началось 600 или 700 миллионов лет назад, возможно, интенсивный поворот в среднем кембрии произошел из позднего периода формирования внутреннего ядра. Но есть еще много неуверенности.

«Очень сложно что-либо узнать об ядре и его поведении», — говорит геолог Анник Ван дер Бун из Ливерпульского университета, не входившая в исследовательскую группу.«Мы не можем этого увидеть, мы не можем туда пойти». (Узнайте, как некоторые ученые, используя ядерные взрывы, обнаружили нечто неожиданное о внутреннем ядре.)

Единственный другой период времени со сравнительно высокими инверсиями, известный как эдиакарский, произошел от 550 до 560 миллионов лет назад, время, которое интригующе складывается. с массовым отмиранием жизни, отмечает Мерт. Исследования показывают, что переменное магнитное поле Эдиакарана было чрезвычайно слабым, что могло подвергнуть раннюю жизнь на Земле суровым условиям на поверхности.

Говоря языком Star Trek , наши щиты опустились и позволили бомбардировать поверхность Земли космическим и другим излучением.

Джозеф Меерт, Университет Флориды

«Говоря языком Star Trek , наши щиты упали и позволили бомбардировать поверхность Земли космическим и другим излучением», — говорит Мерт. Возможно, это чрезмерное воздействие убило мягких и податливых эдиакарских тварей, многие из которых не могли укрыться от солнца.(Узнайте больше о потусторонних существах эдиакарцев.)

Но массовое вымирание не совпадает с недавно предложенным гиперактивным переворачиванием в среднем кембрии, когда жизнь расцветала в бесчисленных формах. Возможно, эволюция протянула этим созданиям руку помощи, предполагает он, что привело к появлению роющих нор и других животных, которые смогли укрыться от вредных солнечных лучей. Но на данный момент, говорит он, это все лишь предположения.

Магнитные вопросы

Одна любопытная закономерность состоит в том, что, похоже, есть некоторая цикличность изменений, с продолжительными периодами без переворотов, происходящими примерно каждые 150 миллионов лет.Между этими задержками поле, кажется, меняется со скоростью пять раз за миллион лет, а затем эти периоды перемежаются гиперактивными всплесками.

Основываясь на этих грубых циклах, кажется, что магнитное поле Земли приближается к другому периоду гиперактивности, говорит Меерт, но предупреждает, что многое остается неопределенным. И даже если на горизонте виден поворот, каждый из них, с нашей точки зрения, происходит в замедленном темпе, при этом полюса меняются местами в течение нескольких тысяч лет.

«Это не похоже на фильм, в котором однажды вы просыпаетесь, а ваш магнит направлен на север, а на следующий день — на юг», — говорит Мерт.

Одна из серьезных проблем с расшифровкой этих закономерностей заключается в том, что запись остается неоднородной. Эти древние породы обычно сдавливаются и трансформируются при столкновении континентов, скрывая многие древние записи, объясняет Ван дер Бун, который изучает гораздо более редкие горные записи, которые показывают потенциальный период повышенного переворачивания около 400 миллионов лет назад.

«Я завидую их данным, потому что они действительно хорошо выглядят», — говорит она.

Хотя исследователи сделали все, что могли, в сложных условиях, этот результат все еще нуждается в проверке в других частях земного шара, чтобы подтвердить, что это действительно глобальная проблема, говорит Флориан Луиллиер, геомагнетист из Мюнхенского университета Людвига Максимилиана. Он также хотел бы увидеть подтверждение рекорда в вулканических породах. Минералы в этих породах могут аналогичным образом регистрировать магнитное поле, когда лава остывает и превращается в камень.Однако отложения разрушаются и уплотняются, когда превращаются в горные породы, и могут быть химически изменены, что может изменить нашу картину положения полей.

Тем не менее, последнее исследование предлагает интригующий взгляд на дикие выходки прошлого нашей планеты и дает массу свежих данных, над которыми стоит задуматься. Один из следующих шагов — сопоставление данных с компьютерными моделями, — говорит Кортни Джин Спрейн, геолог из Ливерпульского университета: «Теперь мы можем запустить некоторые из наших моделей и сказать:« Хорошо, что это может значить? »

Примечание редактора: В эту статью были внесены изменения, чтобы уточнить количество инверсий магнитного поля, наблюдаемых в каждом образце сибирской породы, и время одного длительного периода без инверсий магнитного поля.

Что такое магнитное поле?

Что такое магнитное поле? Как мы можем измерить его и увидеть его силы?

«Магнитное поле — это область вокруг магнита, магнитного объекта или электрического заряда, в которой действует магнитная сила».

А?

Скажем так. Невидимая область вокруг магнитного объекта, которая может притягивать к себе другой магнитный объект или отталкивать другой магнитный объект от него, называется магнитным полем .Это что-то вроде тех невидимых «силовых полей», которые окружают объект невидимой силой в научно-фантастических фильмах и книгах.

Звучит как волшебство, правда? Итак, как это работает? Ниже приведены пять вопросов (и ответов!), Которые вы всегда хотели задать о магнитных полях:

1. Что создает магнитное поле?

Магнитные поля создаются движущимся электрическим зарядом. Когда электроны с отрицательным зарядом движутся определенным образом, может создаваться магнитное поле.Эти поля могут создаваться внутри атомов магнитных объектов или внутри проводов (электромагнетизм).

2. Как измерить магнитное поле?

Мы измеряем магнитное поле по его силе и по направлению, которое оно указывает.

Каждое магнитное поле немного отличается. Некоторые магнитные поля большие, некоторые сильные, некоторые маленькие, а некоторые слабые. Например, магнитное поле Земли большое, но слабое.

Физическая близость (насколько близко или далеко) действительно имеет значение для магнетизма.Чем ближе вы стоите к магниту, тем сильнее будет магнитное поле. Чем дальше вы находитесь от магнита, тем слабее становится магнитное поле. (Магнитное поле никогда не заканчивается — оно просто становится все слабее и слабее, чем дальше вы уходите, в принципе, даже до бесконечности!)

Предположим, вы положили скрепку на стол. Если вы возьмете магнит и встанете с другой стороны комнаты от стола, скрепка отреагирует на магнитное поле вокруг магнита (хотя, вероятно, незаметно), но реакция будет очень и очень слабой.Однако, если вы подойдете ближе, поместите магнит на стол и сдвинете его к скрепке, будет точка, в которой скрепка соскочит со стола и полетит по воздуху к магниту! В этот момент магнитное поле будет достаточно сильным, чтобы преодолеть силы тяжести и трения, которые раньше препятствовали перемещению скрепки. (Это также отличный пример того, как магнитные силы могут вызывать движение!)

Гигантский магнит-подкова, притягивающий скрепку

3. Какие единицы мы используем для измерения напряженности магнитного поля?

Сила магнитного поля, называемая плотностью магнитного потока , измеряется в единицах Тесла (Международная система измерений или СИ). Есть также много других единиц и терминов, используемых в области электромагнетизма, включая Вебера, Максвелла, Гаусса и даже 10 ⁹ гамма!

4. Как мы можем «увидеть» силы в магнитном поле?

Иногда мы рисуем линий поля , чтобы показать направление сил в разных местах магнитного поля.Силовые линии выходят из магнита на его северном полюсе, перемещаются по воздуху и снова входят в магнит через его южный полюс. Полевые линии не начинаются в одном месте и не заканчиваются в другом; магниты движутся по «замкнутым путям», что означает, что они будут продолжать двигаться по одному и тому же пути снова и снова.

Силовые линии магнитного поля вокруг стержневого магнита

Помните, что магнитное поле присутствует повсюду вокруг магнита, не только вдоль линий поля, которые мы проводим, но даже между линиями поля.Линии просто помогают нам визуализировать направление потока поля в различных местах вокруг магнита и даже внутри магнита.

Железные опилки, насыпанные на лист бумаги поверх стержневого магнита

Отличный способ увидеть силовые линии в магнитном поле — использовать железные опилки. Положите стержневой магнит на стол и накройте его листом бумаги. Затем насыпьте опилки на бумагу и наблюдайте, как они образуют узоры из линий, которые близко друг к другу на одном полюсе, более расходятся, когда они покидают этот полюс, и снова сближаются на другом полюсе магнита.Опилки выстраиваются вдоль силовых линий магнитного стержня!

5. Магнитные силы проникают не только в воздух?

Да! В эксперименте с железными опилками магнитные силы стержневого магнита воздействовали на опилки через лист бумаги. Магниты на холодильник делают то же самое, когда используются для отображения листа бумаги. Поднятие цепочки скрепок с помощью магнита показывает нам, что магнитные поля могут распространяться даже через сталь, от скрепки до скрепки!

Магнитные силы могут проникать в бумагу.Показаны магниты героев.

Угадайте, что? Силы магнитного поля могут проникать через воду и многие другие вещества … даже через вашу руку!

(Показан магнитный жезл. Активность из набора Chunky Magnet Set.)

Магнитные силы могут проникать через воду… и многие другие вещества!

Магнитные силы проникают в руку! (Показаны магнитная палочка и стержневой магнит Север-Юг.Активность из набора Chunky Magnet Set.)

Теги: стержневой магнит, Dowling Magnets, подковообразный магнит, магнитное поле, силовые линии магнитного поля, Магнитное силовое поле, магнитные объекты, измерение магнитного поля

Поделиться:

Магнитные поля и линии магнитного поля

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определите магнитное поле и опишите силовые линии различных магнитных полей.

Говорят, что в детстве Эйнштейн был очарован компасом, возможно, размышляя о том, как стрелка ощущала силу без прямого физического контакта. Его способность глубоко и ясно мыслить о действиях на расстоянии, особенно о гравитационных, электрических и магнитных силах, позже позволила ему создать свою революционную теорию относительности. Поскольку магнитные силы действуют на расстоянии, мы определяем магнитное поле для представления магнитных сил. Графическое представление линий магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля.Как показано на Фиг.1, направление линий магнитного поля определяется как направление, в котором указывает северный конец стрелки компаса. Магнитное поле традиционно называют B -field .

Рис. 1. Линии магнитного поля определяются так, чтобы они имели направление, которое указывает маленький компас при размещении в определенном месте. (a) Если для отображения магнитного поля вокруг стержневого магнита используются небольшие компасы, они будут указывать в показанных направлениях: от северного полюса магнита к южному полюсу магнита.(Напомним, что северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным полюсом с точки зрения определения полюсов стержневого магнита.) (B) Соединение стрелок дает непрерывные линии магнитного поля. Сила поля пропорциональна близости (или плотности) линий. (c) Если бы можно было исследовать внутреннюю часть магнита, было бы обнаружено, что силовые линии образуют непрерывные замкнутые контуры.

Маленькие компасы, используемые для проверки магнитного поля, не повредят его. (Это аналогично тому, как мы проверяли электрические поля с небольшим пробным зарядом.В обоих случаях поля представляют только объект, создающий их, а не зонд, проверяющий их.) На рисунке 2 показано, как магнитное поле появляется для токовой петли и длинного прямого провода, что можно было бы исследовать с помощью небольших компасов. Небольшой компас, помещенный в эти поля, выровняется параллельно линии поля в своем местоположении, а его северный полюс будет указывать в направлении B . Обратите внимание на символы, используемые для ввода и вывода из бумаги.

Рис. 2. Маленькие компасы можно использовать для картирования полей, показанных здесь.(а) Магнитное поле круговой токовой петли похоже на магнитное поле стержневого магнита. (б) Длинный и прямой провод создает поле с силовыми линиями магнитного поля, образующими кольцевые петли. (c) Когда проволока находится в плоскости бумаги, поле перпендикулярно бумаге. Обратите внимание, что символы, используемые для поля, указывающего внутрь (например, хвоста стрелки), и поля, указывающего наружу (например, наконечника стрелки).

Установление соединений: концепция поля

Поле — это способ отображения сил, окружающих любой объект, которые могут воздействовать на другой объект на расстоянии без видимой физической связи.Поле представляет объект, его генерирующий. Гравитационные поля отображают гравитационные силы, электрические поля отображают электрические силы, а магнитные поля отображают магнитные силы.

Обширные исследования магнитных полей выявили ряд жестких правил. Мы используем линии магнитного поля для представления поля (линии — это графический инструмент, а не физическая сущность сами по себе). Свойства силовых линий магнитного поля можно описать следующими правилами:

1. Направление магнитного поля касается силовой линии в любой точке пространства.Маленький компас укажет направление линии поля.
2. Сила поля пропорциональна близости линий. Она точно пропорциональна количеству линий на единицу площади, перпендикулярной линиям (называемой плотностью площади).
3. Силовые линии магнитного поля никогда не могут пересекаться, что означает, что поле уникально в любой точке пространства.
4. Линии магнитного поля непрерывны, образуют замкнутые контуры без начала и конца. Они идут от северного полюса к южному.

Последнее свойство связано с тем, что северный и южный полюса нельзя разделить. Это явное отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются и заканчиваются положительными и отрицательными зарядами. Если бы магнитные монополи существовали, то силовые линии магнитного поля начинались бы и заканчивались на них.

Сводка раздела

• Магнитные поля могут быть графически представлены силовыми линиями магнитного поля, свойства которых следующие:
  • Поле касается линии магнитного поля.
  • Напряженность поля пропорциональна линейной плотности.
  • Линии поля не могут пересекаться.
  • Полевые линии представляют собой непрерывные петли.

Концептуальные вопросы

1. Объясните, почему магнитное поле не может быть уникальным (то есть не иметь единственного значения) в точке пространства, где силовые линии магнитного поля могут пересекаться. (Учтите направление поля в такой точке.)
2. Перечислите сходства силовых линий магнитного и электрического поля.Например, направление поля касается линии в любой точке пространства. Также укажите, чем они отличаются. Например, электрическая сила параллельна силовым линиям электрического поля, тогда как магнитная сила, действующая на движущиеся заряды, перпендикулярна силовым линиям магнитного поля.
3. Заметив, что силовые линии магнитного поля стержневого магнита напоминают силовые линии пары равных и противоположных зарядов, ожидаете ли вы, что магнитное поле будет быстро уменьшаться в силе по мере удаления от магнита? Это согласуется с вашим опытом работы с магнитами?
4. Магнитное поле Земли параллельно земле во всех местах? Если нет, то где она параллельна поверхности? Его сила одинакова во всех местах? Если нет, то где оно больше всего?

Глоссарий

магнитное поле:

представление магнитных сил

B -поле:

другой термин для обозначения магнитного поля

силовые линии магнитного поля:

графическое изображение силы и направления магнитного поля

направление силовых линий магнитного поля:

направление, на которое указывает северный конец стрелки компаса

Статические магнитные поля (0 Гц)

Характеристики поля и его использование

Статические магнитные поля — это постоянные поля, сила или направление которых не меняются с течением времени, в отличие от переменных полей низкой и высокой частоты.Следовательно, они имеют частоту 0 Гц. Они оказывают притягивающее действие на металлические предметы, содержащие, например, железо, никель или кобальт, поэтому для этой цели обычно используются магниты. В природе геомагнитное поле Земли действует с юга на север, что позволяет, например, работать с компасом. Гораздо более сильные поля создаются некоторыми типами промышленного и медицинского оборудования, например, устройствами для медицинской резонансной томографии (МРТ).

Сила статического магнитного потока выражается в теслах (Тл) или в некоторых странах в гауссах (Гс).Сила естественного геомагнитного поля колеблется от 30 до 70 мкТл (1 мкТл составляет 10 ^-6 Тл). Бытовые магниты имеют силу порядка нескольких десятков миллитесла (1 мТл = 10 ^-3 Тл). Напротив, поля оборудования МРТ варьируются от 1,5 до 10 т.

Влияние статических магнитных полей на тело и последствия для здоровья

Существует несколько известных механизмов, с помощью которых статические магнитные поля могут влиять на биологические системы.Магнитные поля действуют не только на металлические предметы, но и на движущиеся электрические заряды. Что касается биологического функционирования, воздействие статических магнитных полей будет влиять на электрически заряженные частицы и клетки в крови при движении через это поле. Магнитная сила может ускорять или уменьшать движение восприимчивых частиц. Примером может служить снижение скорости прохождения кровяных клеток по кровеносным сосудам. Еще один механизм — сложные электронные взаимодействия, которые могут влиять на скорость конкретных химических реакций.

Только когда люди подвергаются воздействию сильных магнитных полей, таких как те, которые генерируются оборудованием МРТ, или в некоторых специализированных исследовательских учреждениях, могут возникать ощутимые воздействия на человеческий организм. Поля напряжением 2–3 Тл и выше могут вызывать преходящие ощущения, такие как головокружение и тошнота. Они возникают в результате генерации небольших электрических токов в балансирующем органе уха. Токи генерируют сигналы в мозг, которые предоставляют информацию, отличную от информации, получаемой через зрение, что приводит к ощущениям головокружения и тошноты.Эти эффекты сами по себе не являются неблагоприятными для здоровья, но они могут раздражать и нарушать нормальное функционирование. Нет никаких доказательств неблагоприятных эффектов воздействия полей до 8 Тл, за исключением ограниченной информации о незначительных эффектах на зрительно-моторную координацию и визуальный контраст.

Защита

Рекомендации ICNIRP по воздействию статических магнитных полей защищают от установленных последствий для здоровья. В ситуациях, связанных с воздействием очень сильных полей, следует разработать специальные рабочие процедуры, чтобы минимизировать влияние преходящих симптомов, таких как головокружение и тошнота.В частности, когда воздействие на рабочем месте связано с движением через сильное статическое магнитное поле, при определенных обстоятельствах рекомендуется ограничивать скорость движения через это поле. Для пациентов, проходящих диагностические процедуры МРТ, ICNIRP также предоставил конкретные рекомендации по безопасному выполнению таких процедур.

Кроме того, органы безопасности должны обеспечить наличие положений для защиты людей, которые носят имплантированные ферромагнитные или электронные медицинские устройства, чувствительные к магнитным полям.

GMW Associates — Векторы и компоненты магнитного поля

Магнитное поле в любой точке пространства является векторной величиной. Это означает, что есть направление, связанное с полем, а также его напряженность. Рассмотрим стрелку ниже:

Направление стрелки можно рассматривать как направление магнитного поля. Длину стрелки можно представить как силу поля, то есть чем длиннее стрелка, тем сильнее поле.Назовите эту длину B.

Если я помещу набор осей на стрелку, я могу разделить поле на два компонента поля, а именно компонент x и компонент y. Назовите эти длины Bx и By.

Теперь я могу описать длину стрелки или силу магнитного поля в терминах компонентов x и y. Используя теорему Пифагора:

Теперь представьте, что существует третье направление, так что стрелка B может указывать из (или внутрь) плоскости страницы.Теперь есть третий компонент, а именно Bz, который в нашем примере представляет собой длину компонента, простирающегося от страницы к краю стрелки.

Используя ту же математику, я теперь могу описать B как:

Величина B — это сила магнитного поля. Bx, By и Bz — три составляющие, измеренные трехосевым тесламетром (гауссметром). Одноосное измерительное устройство будет изменять свои показания в зависимости от того, в какую сторону ориентирована чувствительная ось по отношению к направлению магнитного поля.Чтобы получить полное представление о магнитном поле в любой точке пространства, необходимо не только значение B, но и направление, которое может быть выражено тремя компонентами: Bx, By и Bz.