Условия возникновения магнитного поля: Белорусский государственный университет транспорта — БелГУТ (БИИЖТ)

Содержание

Глава 23. Закон электромагнитной индукции

Если в магнитном поле находится замкнутый проводящий контур, не содержащий источников тока, то при изменении магнитного поля в контуре возникает электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией. Появление тока свидетельствует о возникновении в контуре электрического поля, которое может обеспечить замкнутое движение электрических зарядов или, другими словами, о возникновении ЭДС. Электрическое поле, которое возникает при изменении поля магнитного и работа которого при перемещении зарядов по замкнутому контуру не равна нулю, имеет замкнутые силовые линии и называется вихревым.

Для количественного описания электромагнитной индукции вводится понятие магнитного потока (или потока вектора магнитной индукции) через замкнутый контур. Для плоского контура, расположенного в однородном магнитном поле (а только такие ситуации и могут встретиться школьникам на едином государственном экзамене), магнитный поток определяется как

(23.1)

где — индукция поля, — площадь контура, — угол между вектором индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура (см. рисунок; перпендикуляр к плоскости контура показан пунктиром). Единицей магнитного потока в международной системе единиц измерений СИ является Вебер (Вб), который определяется как магнитный поток через контур площади 1 м2 однородного магнитного поля с индукцией 1 Тл, перпендикулярной плоскости контура.

Величина ЭДС индукции , возникающая в контуре при изменении магнитного потока через этот контур, равна скорости изменения магнитного потока

(23.2)

Здесь — изменение магнитного потока через контур за малый интервал времени . Важным свойством закона электромагнитной индукции (23.2) является его универсальность по отношению к причинам изменения магнитного потока: магнитный поток через контур может меняться из-за изменения индукции магнитного поля, изменения площади контура или изменения угла между вектором индукции и нормалью, что происходит при вращении контура в поле. Во всех этих случаях по закону (23.2) в контуре будет возникать ЭДС индукции и индукционный ток.

Знак минус в формуле (23.2) «отвечает» за направление тока, возникающего в результате электромагнитной индукции (правило Ленца). Однако понять на языке закона (23.2), к какому направлению индукционного тока приведет этот знак при том или ином изменении магнитного потока через контур, не так-то просто. Но достаточно легко запомнить результат: индукционный ток будет направлен таким образом, что созданное им магнитное поле будет «стремиться» компенсировать то изменение внешнего магнитного поля, которое этот ток и породило. Например, при увеличении потока внешнего магнитного поля через контур в нем возникнет индукционный ток, магнитное поле которого будет направлено противоположно внешнему магнитному полю так, чтобы уменьшить внешнее поле и сохранить, таким образом, первоначальную величину магнитного поля. При уменьшении потока поля через контур поле индукционного тока будет направлено так же, как и внешнее магнитное поле.

Если в контуре с током ток в силу каких-то причин изменяется, то изменяется и магнитный поток через контур того магнитного поля, которое создано самим этим током. Тогда по закону (23.2) в контуре должна возникать ЭДС индукции. Явление возникновения ЭДС индукции в некоторой электрической цепи в результате изменения тока в самой этой цепи называется самоиндукцией. Для нахождения ЭДС самоиндукции в некоторой электрической цепи необходимо вычислить поток магнитного поля, создаваемого этой цепью через нее саму. Такое вычисление представляет собой сложную проблему из-за неоднородности магнитного поля. Однако одно свойство этого потока является очевидным. Поскольку магнитное поле, создаваемого током в цепи, пропорционально величине тока, то и магнитный поток собственного поля через цепь пропорционален току в этой цепи

(23.3)

где — сила тока в цепи, — коэффициент пропорциональности, который характеризует «геометрию» цепи, но не зависит от тока в ней и называется индуктивностью этой цепи. Единицей индуктивности в международной системе единиц СИ является Генри (Гн). 1 Гн определяется как индуктивность такого контура, поток индукции собственного магнитного поля через который равен 1 Вб при силе тока в нем 1 А. С учетом определения индуктивности (23.3) из закона электромагнитной индукции (23.2) получаем для ЭДС самоиндукции

(23.4)

Благодаря явлению самоиндукции ток в любой электрической цепи обладает определенной «инерционностью» и, следовательно, энергией. Действительно, для создания тока в контуре необходимо совершить работу по преодолению ЭДС самоиндукции. Энергия контура с током и равна этой работе. Необходимо запомнить формулу для энергии контура с током

(23.5)

где — индуктивность контура, — сила тока в нем.

Явление электромагнитной индукции широко применяется в технике. На нем основано создание электрического тока в электрических генераторах и электростанциях. Благодаря закону электромагнитной индукции происходит преобразование механических колебаний в электрические в микрофонах. На основе закона электромагнитной индукции работает, в частности, электрическая цепь, которая называется колебательным контуром (см. следующую главу), и которая является основой любой радиопередающей или радиопринимающей техники.

Рассмотрим теперь задачи.

Из перечисленных в задаче 23.1.1 явлений только одно есть следствие закона электромагнитной индукции — появление тока в кольце при проведении сквозь него постоянного магнита (ответ

3). Все остальное — результат магнитного взаимодействия токов.

Как указывалось во введении к настоящей главе, явление электромагнитной индукции лежит в основе работы генератора переменного тока (задача 23.1.2), т.е. прибора, создающего переменный ток, заданной частоты (ответ 2).

Индукция магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, уменьшается с увеличением расстояния до него. Поэтому при приближении магнита к кольцу (задача 23.1.3) поток индукции магнитного поля магнита через кольцо изменяется, и в кольце возникает индукционный ток. Очевидно, это будет происходить при приближении магнита к кольцу и северным, и южным полюсом. А вот направление индукционного тока в этих случаях будет различным. Это связано с тем, что при приближении магнита к кольцу разными полюсами, поле в плоскости кольца в одном случае будет направлено противоположно полю в другом. Поэтому для компенсации этих изменений внешнего поля магнитное поле индукционного тока должно быть в этих случаях направлено по-разному. Поэтому и направления индукционных токов в кольце будут противоположными (ответ

4).

Для возникновения ЭДС индукции в кольце необходимо, чтобы менялся магнитный поток через кольцо. А поскольку магнитная индукция поля магнита зависит от расстояния до него, то в рассматриваемом в задаче 23.1.4 случае поток через кольцо будет меняться, в кольце возникнет индукционный ток (ответ 1).

При вращении рамки 1 (задача 23.1.5) угол между линиями магнитной индукции (а, значит, и вектором индукции) и плоскостью рамки в любой момент времени равен нулю. Следовательно, магнитный поток через рамку 1 не изменяется (см. формулу (23.1)), и индукционный ток в ней не возникает. В рамке 2 индукционный ток возникнет: в положении показанном на рисунке, магнитный поток через нее равен нулю, когда рамка повернется на четверть оборота — будет равен , где — индукция, — площадь рамки. Еще через четверть оборота поток снова будет равен нулю и т.д. Поэтому поток магнитной индукции через рамку 2 изменяется в процессе ее вращения, следовательно, в ней возникает индукционный ток (ответ

2).

В задаче 23.1.6 индукционный ток возникает только в случае 2 (ответ 2). Действительно, в случае 1 рамка при движении остается на одном и том же расстоянии от проводника, и, следовательно, магнитное поле, созданное этим проводником в плоскости рамки, не изменяется. При удалении рамки от проводника магнитная индукция поля проводника в области рамки изменяется, меняется магнитный поток через рамку, и возникает индукционный ток

В законе электромагнитной индукции утверждается, что индукционный ток в кольце будет течь в такие моменты времени, когда изменяется магнитный поток через это кольцо. Поэтому пока магнит покоится около кольца (

задача 23.1.7) индукционный ток в кольце течь не будет. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.

Согласно закону электромагнитной индукции (23.2) ЭДС индукции в рамке определяется скоростью изменения магнитного потока через нее. А поскольку по условию задачи 23.1.8 индукция магнитного поля в области рамки изменяется равномерно, скорость ее изменения постоянна, величина ЭДС индукции не изменяется в процессе проведения опыта (ответ 3).

В задаче 23.1.9 ЭДС индукции, возникающая в рамке во втором случае, вчетверо больше ЭДС индукции, возникающей в первом (ответ 4). Это связано с четырехкратным увеличением площади рамки и, соответственно, магнитного потока через нее во втором случае.

В задаче 23.1.10 во втором случае в два раза увеличивается скорость изменения магнитного потока (индукция поля меняется на ту же величину, но за вдвое меньшее время). Поэтому ЭДС электромагнитной индукции, возникающая в рамке во втором случае, в два раза больше, чем в первом (ответ

1).

При увеличении тока в замкнутом проводнике в два раза (задача 23.2.1), величина индукции магнитного поля возрастет в каждой точке пространства в два раза, не изменившись по направлению. Поэтому ровно в два раза изменится магнитный поток через любую малую площадку и, соответственно, и весь проводник (ответ 1). А вот отношение магнитного потока через проводник к току в этом проводнике, которое и представляет собой индуктивность проводника , при этом не изменится (задача 23.2.2 — ответ 3).

Используя формулу (23.3) находим в задаче 32.2.3 Гн (ответ 4).

Связь между единицами измерений магнитного потока, магнитной индукции и индуктивности (задача 23.2.4) следует из определения индуктивности (23.3): единица магнитного потока (Вб) равна произведению единицы тока (А) на единицу индуктивности (Гн) — ответ 3

.

Согласно формуле (23.5) при двукратном увеличении индуктивности катушки и двукратном уменьшении тока в ней (задача 23.2.5) энергия магнитного поля катушки уменьшится в 2 раза (ответ 2).

Когда рамка вращается в однородном магнитном поле, магнитный поток через рамку меняется из-за изменения угла между перпендикуляром к плоскости рамки и вектором индукции магнитного поля. А поскольку и в первом и втором случае в задаче 23.2.6 этот угол меняется по одному и тому же закону (по условию частота вращения рамок одинакова), то ЭДС индукции меняются по одному и тому же закону, и, следовательно, отношение амплитудных значений ЭДС индукции в рамках равно единице (ответ 2).

Магнитное поле, создаваемое проводником с током в области рамки (задача 23.2.7), направлено «от нас» (см. решение задач главы 22). Величина индукции поля провода в области рамки при ее удалении от провода будет уменьшаться. Поэтому индукционный ток в рамке должен создать магнитное поле, направленное внутри рамки «от нас». Используя теперь правило буравчика для нахождения направления магнитной индукции, заключаем, что индукционный ток в рамке будет направлен по часовой стрелке (ответ 1).

При увеличении тока в проводе будет возрастать созданное им магнитное поле и в рамке возникнет индукционный ток (задача 23.2.8). В результате возникнет взаимодействие индукционного тока в рамке и тока в проводнике. Чтобы найти направление этого взаимодействия (притяжение или отталкивание) можно найти направление индукционного тока, а затем по формуле Ампера силу взаимодействия рамки с проводом. Но можно поступить и по-другому, используя правило Ленца. Все индукционные явления должны иметь такое направление, чтобы компенсировать вызывающую их причину. А поскольку причина — увеличение тока в рамке, сила взаимодействия индукционного тока и провода должна стремиться уменьшить магнитный поток поля провода через рамку. А поскольку магнитная индукция поля провода убывает с увеличением расстояния до него, то эта сила будет отталкивать рамку от провода (ответ 2). Если бы ток в проводе убывал, то рамка притягивалась бы к проводу.

Задача 23.2.9 также связана с направлением индукционных явлений и правилом Ленца. При приближении магнита к проводящему кольцу в нем возникнет индукционный ток, причем направление его будет таким, чтобы компенсировать вызывающую его причину. А поскольку эта причина — приближение магнита, кольцо будет отталкиваться от него (ответ 2). Если магнит отодвигать от кольца, то по тем же причинам возникло бы притяжение кольца к магниту.

Задача 23.2.10 — единственная вычислительная задача в этой главе. Для нахождения ЭДС индукции нужно найти изменение магнитного потока через контур . Это можно сделать так. Пусть в некоторый момент времени перемычка находилась в положении, показанном на рисунке, и пусть прошел малый интервал времени . За этот интервал времени перемычка переместится на величину . Это приведет к увеличению площади контура на величину . Поэтому изменение магнитного потока через контур будет равно , а величина ЭДС индукции (ответ 4).

Магнитное поле

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

Свойства магнитного поля:

  1. Магнитное поле возникает вокруг любого проводника с током.

  2. Магнитное поле действует на любой проводник с током. В результате этого действия прямой проводник двигается в сторону действия силы, а проводник, замкнутый в кольцо (контур), поворачивается на некоторый угол.

  3. Магнитное поле не имеет границ, но действие его уменьшается при увеличении расстояния от проводника с током, поэтому действие поля не обнаруживается на больших расстояниях.

  4. Взаимодействие токов происходит с конечной скоростью в м/с.

Характеристики магнитного поля:

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

, где lплечо пары сил (расстояние между точками приложения сил).

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

, где — магнитный момент контура с током.

Единица измерения магнитной индукции – Тесла [Тл].

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

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

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

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

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

, где Н/А2; Гн/м – магнитная постоянная вакуума,

относительная магнитная проницаемость среды,

абсолютная магнитная проницаемость среды.

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

  1. Парамагнетики – вещества, у которых , то есть при помещении их в магнитное поле магнитная индукция увеличивается. При удалении парамагнетиков из магнитного поля их намагниченность не сохраняется.

  2. Диамагнетики – вещества, у которых , при помещении их в магнитное поле магнитная индукция уменьшается, намагниченность не сохраняется.

  3. Ферромагнетики – вещества, у которых , при удалении этих веществ из магнитного поля их намагниченность сохраняется, и эти вещества становятся постоянными магнитами. Между полюсами подковообразного магнита создаётся однородное магнитное поле (магнитные поля, созданные проводниками с током — неоднородные).

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

.

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

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

, где l – длина проводника, — угол между вектором магнитной индукции и направлением тока.

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: левую руку располагают так, чтобы составляющая вектора магнитной индукции, перпендикулярная проводнику, входила в ладонь, четыре вытянутых пальца направить по току, тогда отогнутый на 900 большой палец укажет направление силы Ампера.

Результат действия силы Ампера – движение проводника в данном направлении.

Если = 900, то F = max, если = 00, то F = 0.

Сила Лоренца – сила действия магнитного поля на движущийся заряд.

, где q – заряд, v – скорость его движения, — угол между векторами напряжённости и скорости.

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

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

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

, где — угол между магнитной индукцией и нормалью (перпендикуляром) к площади S.

Единица измерения – Вебер [Вб].

Способы измерения магнитного потока:

  1. Изменение ориентации площадки в магнитном поле (изменение угла)

  2. Изменение площади контура, помещённого в магнитное поле

  3. Изменение силы тока, создающего магнитное поле

  4. Изменение расстояния контура от источника магнитного поля

  5. Изменение магнитных свойств среды.

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

Отличия вихревого электрического поля от электростатического:

  1. Источник вихревого поля – изменяющееся магнитное поле.

  2. Линии напряжённости вихревого поля замкнуты.

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

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

. Измеряется в Вольтах [В].

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

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

ЭДС индукции в замкнутом контуре порождает индукционный ток.

.

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

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

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

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

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

, где L – коэффициент пропорциональности, индуктивность.

Единица измерения индуктивности – Генри [Гн].

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

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

Закон Фарадея для самоиндукции: .

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока.

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

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

.

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

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

Условия возникновения колебаний:

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

.

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

  2. Электрическое сопротивление цепи должно быть малым.

Идеальный колебательный контур не имеет сопротивления. Колебания в нём называют свободными.

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

Вывод: заряд конденсатора изменяется по гармоническому закону.

Напряжение на конденсаторе: .

Сила тока в контуре: .

Величина — амплитуда силы тока.

. Отличие от заряда на .

Период свободных колебаний в контуре:

Энергия электрического поля конденсатора:

Энергия магнитного поля катушки:

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

Полная энергия колебательной системы: .

В идеальном контуре полная энергия не изменяется.

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

Реальный колебательный контур содержит сопротивление. Колебания в нём называют затухающими.

Закон Ома примет вид:

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

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

  1. В контуре нет конденсатора, т.е. ёмкостное сопротивление контура равно нулю, а электроемкость стремиться к бесконечности. Значит:

  1. В контуре отсутствует индуктивность, т.е. она стремиться к нулю.

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

  1. Зарядка конденсатора от источника постоянной ЭДС также происходит по экспоненциальному закону:

Полная энергия в реальном контуре уменьшается, так как на сопротивление R при прохождении тока выделяется теплота.

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

Для контура с конденсатором и резистором: .

Теория Максвелла об электромагнитном поле:

1 положение:

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

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

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

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

2 положение:

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

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

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

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

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

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

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

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

Условие возникновения электромагнитной волны – движение заряда с ускорением.

Уравнение электромагнитной волны:

— циклическая частота электромагнитных колебаний

t – время от начала колебаний

l – расстояние от источника волны до данной точки пространства

— скорость распространения волны

— время движения волны от источника до данной точки.

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

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

Свойства электромагнитных волн:

  1. Все электромагнитные волны – поперечные

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

— относительная диэлектрическая проницаемость среды

— диэлектрическая постоянная вакуума, Ф/м, Кл2/нм2

— относительная магнитная проницаемость среды

— магнитная постоянная вакуума, Н/А2; Гн/м

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

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

  1. Плотность потока энергии волн – интенсивность волны:

вектор Умова-Пойнтинга.

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

  1. Низкочастотные колебания. 0 – 104 Гц. Получают в генераторах. Они плохо излучаются

  2. Радиоволны. 104 – 1013 Гц. Излучаются твёрдыми проводниками, по которым проходят быстропеременные токи.

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

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

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

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

  7. Гамма-излучение. Возникает при распаде ядер атомов.

Магнитное поле: причины возникновения и характеристики


Уже давно магнитное поле вызывает множество вопросов у человека, но и сейчас остается малоизвестным явлением. Его характеристики и свойства пытались исследовать многие ученые, ведь польза и потенциал от применения поля были неоспоримыми фактами.

Давайте будем разбирать все по порядку. Итак, как действует и образуется любое магнитное поле? Правильно, от электрического тока. А ток, если верить учебникам по физике, – это имеющий направление поток заряженных частиц, не так ли? Так вот, когда ток проходит по любому проводнику, около него начинает действовать некая разновидность материи – магнитное поле. Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц или магнитными моментами электронов в атомах. Теперь это поле и материя имеют энергию, ее мы видим в электромагнитных силах, которые могут влиять на ток и его заряды. Магнитное поле начинает воздействовать на поток заряженных частиц, и они меняют начальное направление движения перпендикулярно самому полю.

Еще магнитное поле можно назвать электродинамичным, ведь оно образуется около движущихся и воздействует только на движущиеся частицы. Ну а динамичным оно является из-за того, что имеет особое строение во вращающихся бионах на области пространства. Заставить их вращаться и двигаться может обыкновенный электрический движущийся заряд. Бионы передают любые возможные взаимодействия в этой области пространства. Поэтому движущийся заряд притягивает один полюс всех бионов и заставляет их вращаться. Только он может вывести их из состояния покоя, больше ничего, ведь другие силы не смогут влиять на них.

В электрическом поле находятся заряженные частицы, которые очень быстро двигаются и могут преодолеть 300 000 км всего за секунду. Такую же скорость имеет и свет. Магнитное поле не бывает без электрического заряда. Это значит, что частицы невероятно близко связаны друг с другом и существуют в общем электромагнитном поле. То есть, если будут любые изменения в магнитном поле, то изменения будут и в электрическом. Этот закон также обратен.

Мы тут много говорим про магнитное поле, но как же его можно представить? Мы не можем увидеть его нашим человеческим невооруженным глазом. Мало того, из-за невероятно быстрого распространения поля, мы не успеваем его зафиксировать при помощи различных устройств. Но чтобы что-то изучать, надо иметь хоть какое-нибудь представление о нем. Еще часто приходится изображать магнитное поле на схемах. Для того чтобы было проще понять его, проводят условные силовые линии поля. Откуда же их взяли? Их придумали неспроста.

Попробуем увидеть магнитное поле при помощи мелких металлических опилок и обыкновенного магнита. Насыплем на ровную поверхность эти опилки и введем их в действие магнитного поля. Затем увидим, что они будут двигаться, вращаться и выстраиваться в рисунок или схему. Полученное изображение будет показывать примерное действие сил в магнитном поле. Все силы и, соответственно, силовые линии непрерывны и замкнуты в этом месте.

Магнитная стрелка имеет сходные характеристики и свойства с компасом, и ее применяют, чтобы определить направление силовых линий. Если она попадет в зону действия магнитного поля, по ее северному полюсу мы видим направление действия сил. Тогда выделим отсюда несколько выводов: верх обычного постоянного магнита, из которого исходят силовые линии, обозначают северным полюсом магнита. Тогда как южным полюсом обозначают ту точку, где силы замыкаются. Ну а силовые линии внутри магнита на схеме не выделяются.

Магнитное поле, его свойства и характеристики имеют довольно большое применение, потому что во многих задачах его приходится учитывать и исследовать. Это важнейшее явление в науке физике. С ним неразрывно связаны более сложные вещи, такие как магнитная проницаемость и индукция. Чтобы разъяснить все причины появления магнитного поля, надо опираться на реальные научные факты и подтверждения. Иначе в более сложных задачах неправильный подход может нарушить целостность теории.

А сейчас приведем примеры. Все мы знаем нашу планету. Вы скажете, что она не имеет магнитного поля? Может, вы и правы, но ученые говорят, что процессы и взаимодействия внутри ядра Земли рождают огромное магнитное поле, которое тянется на тысячи километров. Но в любом магнитном поле должны быть его полюса. И они существуют, просто расположены немного в стороне от географического полюса. Как же мы его чувствуем? Например, у птиц развиты способности навигации, и они ориентируются, в частности, по магнитному полю. Так, при его помощи гуси благополучно прибывают в Лапландию. Специальные навигационные устройства также используют это явление.

Физика 10 Магнитное поле краткосрочный план

План изложения нового материала:

—     Какая связь существует между электрическим током и магнит­ным полем?

 

Работа с классом. Класс делится на 2 группы, каждая группа должна написать на А4 все свойства которыми владеет магнитные материалы.

В числе перечисленных должны быть ниже перечисленные свойства. На основании опытных исследований Гильберт установил простейшие свойства магнитных материалов:

а)  магнитное притяжение и отталкивание присущи только некоторым телам: железной руде, железу, стали и некоторым сплавам;

б) магнит имеет по крайней мере два полюса: северный и южный;

в)  одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные -притягиваются;

г) свободно подвешенный магнит ориентируется определенным образом относительно стран света.

 

Ø  Связь электрических и магнитных явлений.

 

Группа 1.   Демонстрация опыта Эрстеда.

Прямое экспериментальное обнаружение связи между электрическими и магнитными явлениями произошло благодаря счастливой случайности: когда Эрстед читал лекцию о постоянных токах, он обратил внимание на То, что  магнитная стрелка, находившаяся вблизи проводника, повернулась при  включении тока.

 

 Учитель проводит фронтальный опрос. А через что передается действие одного магнита на другой? Как, например, Земля заставляет “чувствовать” свой магнетизм стрелку компаса? Что является посредником при передаче этого действия?

 

 

 

 

 

Группа 2. Демонстрация опыта  Ампера.

После того, как были обнаружены взаимодействия магнита с магнитом и  электрического тока с магнитом, возник вопрос: будет ли иметь место магнитное взаимодействие между электрическими токами?

Положительный ответ на этот вопрос был получен Ампером, который экспериментально обнаружил, что параллельные проводники с токами взаимодействуют друг с другом.

 

 

Ø Время конспекта. Магнитное поле. Определяющие свойства магнитного поля.

 

 Магнитное поле. На основании опытов необходимо подвести уча­щихся к следующему выводу: в пространстве вокруг проводника с током возникают силы, действующие на движущиеся заряды и на магнитную стрелку.

Эти силы получили название магнитных. Таким образом, магнитным полем мы будем называть то состояние пространства, которое дает себя знать действием магнитных сил.

Определяющие свойства магнитного поля таковы:

а) магнитное поле порождается магнитами и токами;

 

б) магнитное поле обнаруживается по действию на магниты и токи.

 

Ø  Направление и линии магнитного поля.

 Из опытов видно, что магнитная стрелка, которая может свободно вра­щаться вокруг своей оси, всегда устанавливается, ориентируясь определенным образом, в данной области магнитного поля. Исходя из этого, вводится поня­тие о направлении магнитного поля в данной точке. Необходимо запомнить, что направление, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки, является направлением магнитного поля в данной точке.

Используя железные опилки, следует показать учащимся спектр маг­нитного поля прямого тока и ввести понятие о линиях магнитного поля.

 

Составить диаграмму Венна, отличие между электрическим током и магнитным током.

Линиями магнитного поля являются линии, проведенные так, что касательные к ним в каждой точке указывают направление поля в этой точке.

После введения понятия линий магнитного поля надо показать графиче­ское изображение магнитных полей и ввести правило для определения на­правления линий магнитного поля. Например, правило «обхвата» правой рукой: если правой рукой мысленно «обхватить» проводник так, чтобы большой палец был направлен по току, то четыре пальца покажут на­правление линий магнитного поля.

При этом следует обратить особое внимание учащихся на отличие ли­ний магнитного поля от силовых линий электрического поля: линии маг­нитного поля либо замкнуты, либо начинаются и заканчиваются на беско­нечности.

Разумеется, необходимо объяснить, что линии магнитного поля реально не существуют, они всего лишь удобный способ его описания.

 

         

 

Возникновение магнитных полей в космических объектах: электрокинетическая модель

In English

 

Advances in Physics Theories and Applications, Vol. 44, P. 123 – 138 (2015). http://iiste.org/Journals/index.php/APTA/article/view/23040

 

Возникновение магнитных полей в космических объектах: электрокинетическая модель

 

Федосин Сергей Григорьевич

ул. Свиязева 22-79, город Пермь, 614088, Пермский край, Россия

e-mail [email protected]

 

На основе предположения о разделении электрических зарядов в веществе космических тел доказывается возможность приобретения этими телами магнитного момента. Величина магнитного поля оказывается пропорциональной скорости вращения тел и радиусу конвективного слоя. Периоды изменения полярности магнитного поля Земли и Солнца вычисляются через размеры конвективного слоя и скорости конвекции. Солнечная активность оказывается следствием периодической трансформации тепловой энергии в электромагнитную форму энергии.

Ключевые слова:  электрокинетическая модель; звёздные магнитные поля; геомагнетизм.

 

Generation of magnetic fields in cosmic objects: electrokinetic model

Sergey G. Fedosin

Sviazeva Str. 22-79, Perm, 614088, Perm region, Russian Federation

e-mail [email protected]

 

Based on the assumption of separation of the charges in matter of cosmic bodies the possibility of obtaining the magnetic moment by these bodies is proved. The magnitude of the magnetic field appears proportional to the angular velocity of the body’s rotation and to the radius of convective layer. The periods of change of polarity of magnetic field of the Earth and the Sun are calculated by means of the size the convective layer and the convection speed. The solar activity appears the consequence of periodic transformation of the thermal energy into the electromagnetic form of energy.

Keywords:  Electrokinetic model; stellar magnetic fields; geomagnetism.

 

1. Введение

Одной из наиболее распространенных теорий в отношении способов генерации магнитного поля у космических тел является теория гидромагнитного динамо (ГД). В 1919 г. английский физик Д. Лармор впервые высказал эту идею для объяснения магнитного поля Солнца [1]. Для теории ГД существенно, чтобы ионизованное вещество под действием сил внутреннего давления, силы Архимеда, силы гравитации и магнитных сил двигалось специальным, довольно сложным образом. Например, имеющееся магнитное поле, «вмороженное в вещество» благодаря эффекту индукции, вместе с веществом должно переворачиваться с образованием и наложением петель магнитного поля друг на друга [2]. Тогда возможно сложение магнитного поля соседних элементов вещества и увеличение общего магнитного поля. Имеется ряд решений уравнений магнитной гидродинамики для ГД, когда при заданных потоках вещества происходит усиление и поддержание магнитного поля [3]. Однако до сих пор не имеется доказательств того, что реальные движения электропроводящего и замагниченного вещества в космических телах могли бы соответствовать движениям, требуемым для эффекта ГД [4]. Последние исследования включают численные модели конвективной зоны и внешнего слоя Солнца с учётом конвективного движения и вращения, дающие признаки циклического динамо, но ещё не полностью описывающие поведение реального Солнца: либо они требуют слишком большой скорости вращения, либо предсказывают слишком большие периоды солнечного цикла [5].

Отметим теперь масштабы энергий, необходимых для возникновения эффекта ГД в недрах Земли. Измерения магнитного поля Земли показывают, что его основные источники скрываются в ядре, а сама величина поля медленно изменяется со временем. Для характеристики размеров Земли будем использовать следующие приблизительные данные: средний радиус 6371 км, экваториальный радиус – 6378 км, полярный радиус – 6356 км. В 2005 году на магнитном полюсе на севере Земли (недалеко от побережья Канадского архипелага) индукция магнитного поля была около Тл согласно Всемирной магнитной модели Земли [6]. Считая, что это поле создаётся магнитным дипольным моментом, используя полярный радиус  Земли, можно получить оценку магнитного момента Земли: Дж/Тл, где  – магнитная постоянная.

Внутреннее кристаллическое ядро Земли имеет радиус порядка км, а внешнее жидкое ядро из расплавленного железа можно представить как часть шара между радиусом  и радиусом км, с массой около кг [7]. Во внешнем ядре как будто бы должны протекать токи, поддерживающие магнитное поле за счёт эффекта ГД. Магнитный момент Земли можно моделировать произведением силы тока на площадь контура внешнего ядра (сечение ядра). Отсюда требуемая сила тока должна быть порядка А. Проводимость вещества ядра, имеющая величину до  См/м согласно [7], позволяет оценить электрическое сопротивление вещества, пропорциональное длине окружности ядра и обратно пропорциональное половине его сечения: . Тогда мощность электрических потерь от протекающего тока должна достигать  Вт. Как мы уже отмечали в [8], общий тепловой поток с поверхности Земли равен 3,2·1013 Вт, вклад в тепловую энергию Земли от лунных приливов может быть до 3,45·1012 Вт, а усреднённая мощность сейсмичности Земли около 3·1010 Вт. Таким образом тепловой энергии могло бы быть достаточно для запуска механизма ГД.

Но по всей видимости, теория ГД не может быть общей теорией для объяснения магнитного поля всех космических тел, поскольку в белых карликах и в нейтронных звёздах конвекция практически отсутствует, в то же время магнитные поля этих звёзд экстремально велики. Существенное движение вещества отсутствует и в недрах Солнца, где основной перенос энергии из ядра наружу происходит за счёт излучения, причём фотонам для этого требуется несколько миллионов лет. Лишь в оболочке Солнца конвекция настолько велика, что приводит к периодическому выносу магнитных силовых трубок на поверхность, которые порождают здесь солнечные пятна. Однако наблюдаемые смены полярности магнитного поля у Солнца (с периодом порядка 22 года) и у Земли (с периодами от 20 тысяч лет до миллиона лет и более) противоречат теории ГД. Действительно, для эффекта ГД требуется начальное магнитное поле, которое потом может быть усилено и далее поддерживаться движением вещества одного и того же типа. При смене же полярности магнитное поле должно систематически уменьшаться до нуля, уничтожая тем самым то начальное магнитное поле, которое необходимо для возникновения ГД.

В связи с этим мы представляем далее электрокинетическую модель возникновения магнитного поля в космических объектах, как некоторый дополнительный механизм, существующий самостоятельно от гидродинамического динамо.

 

2. Описание электрокинетической модели

Согласно результатам в [8-9], магнитный момент протона может быть получен из того условия, что электрический заряд протона почти равномерно распределён по его объёму. Тогда быстрое вращение протона вместе с его объёмным электрическим зарядом способно породить требуемый магнитный момент. Кроме этого, в создании магнитного момента протона участвует и само предельно намагниченное вещество протона. Аналогией здесь являются нейтронные звёзды-магнитары, магнитный момент которых складывается из магнитных моментов нейтронов, составляющих основу вещества звезды. Для того, чтобы протон и магнитар могли получить соответствующие электрические заряды и магнитные моменты с практически полной намагниченностью своего вещества, необходимы соответствующие условия. В частности, протон может возникать из нейтрона при – распаде, когда из нейтрона за счёт излучения электрона удаляется отрицательный заряд. В качестве модели нейтрона в [8] была рассмотрена нейтронная звезда, в которой за счёт процесса разделения зарядов ядро заряжается положительно, а оболочка – отрицательно. Это позволило объяснить нейтральность нейтрона и его отрицательный магнитный момент. Достаточно большое магнитное поле нейтронная звезда может получить уже при своём образовании при коллапсе ядра сверхновой, поскольку звезда быстро вращается, а также аккумулирует магнитный поток исходной звезды.

Отталкиваясь от данных представлений, построим электрокинетическую модель возникновения магнитного поля у Земли. Из названия модели следует, что в ней существенную роль играют распределение электрических зарядов и их движение в качестве источников магнитного поля. Известно, что чем ближе к центру Земли, тем выше температура вещества. У поверхности Земли градиент температуры составляет порядка 20 градусов на 1 км, в глубине градиент уменьшается. Средние температуры ядра Земли лежат в диапазоне 5000 – 6000º К, причём на протяжении радиуса внешнего ядра  ожидаемое изменение температуры достигает 2000º К. Таким образом, температурный градиент может приводить к диффузии свободных электронов к наружной оболочке внешнего ядра, где температура понижается. К этому эффекту приводит и градиент давления в ионизованном за счёт высокой температуры веществе, которое выдавливает электроны наружу быстрее, чем ионы.

Предположим, что для вещества справедлива формула для давления идеального газа: , где  – концентрация частиц,  – постоянная Больцмана,  – температура. Согласно [7] давление в центре Земли достигает 3600 кбар, а на периферии внешнего ядра 1350 кбар, с соответствующими им температурами 6300º К и 4300º К. Из этих данных и формулы для давления следует, что отношение концентрации частиц вещества на границе внешнего ядра к концентрации в центре Земли может быть в пределах 0,55 – 0,75 (последняя цифра ближе к стандартным физическим моделям строения Земли). Наличие градиентов концентрации, давления и температуры (а также центростремительной силы за счёт вращения Земли и химической сепарации, изменяющей плавучесть вещества) приводит к возникновению радиальных потоков вещества, в том числе токов ионов и электронов. Тепловые скорости электронов значительно превышают скорости ионов, поэтому диффузия электронов может происходить быстрее.

Казалось бы, если в веществе под действием разных факторов происходит разделение зарядов, то электрическая сила между положительными и отрицательными ионами должна противодействовать такому разделению и на определённом этапе остановить его. Однако в случае полной сферической симметрии это происходит особым образом. Пусть для определённости в центре сферы находится положительный заряд, а равный ему по величине отрицательный заряд рассеян по всей сфере. Оказывается, что вблизи поверхности сферы электроны будут в равновесии, поскольку действие внутреннего положительного заряда будет скомпенсировано действием суммарного отрицательного заряда. При движении внутрь сферы относительное равновесие электронов может сохраняться до того радиуса, на котором электрические и гравитационные силы притяжения к центру ещё компенсируются силой отталкивания электронов друг от друга и градиентами температуры и давления. Можно заметить, что похожая структура разделённых зарядов реализуется в электронно-ионной модели шаровой молнии, в которой молния почти целиком состоит из очень горячего положительно заряженного ионизованного воздуха с тонкой оболочкой из электронов. Устойчивость электронов обеспечивается их быстрым вращением и электрическими силами, а электронная оболочка экранирует молнию от окружающей атмосферы [10-11].

Будем считать в нашей простой идеализированной модели, что под действием ряда факторов произошло разделение зарядов в ядре Земли. Это могло иметь место ещё в момент образования Земли, когда она имела высокую температуру и была почти вся расплавлена. Используем для распределения суммарной плотности заряда линейную формулу: , где  – плотность заряда в самом центре,  – некоторый коэффициент,  – текущий радиус в ядре. Коэффициент  можно определить из условия электронейтральности ядра в целом. Для этого нужно проинтегрировать плотность заряда по всему объёму ядра и результат приравнять к нулю. После нахождения  через  и радиус внешнего ядра   для плотности заряда получаем следующую формулу:

 

.                                                         (1)

 

При малых  плотность заряда  положительна, при  итоговая плотность заряда становится отрицательной. Заряд, распределённый в ядре по соотношению (1), неподвижен относительно Земли и вращается вместе с ней с угловой скоростью рад/с. Это создаёт магнитное поле Земли с магнитным моментом . В [8] мы интегрировали распределение плотности заряда вида (1) с целью нахождения магнитного момента. Аналогично для магнитного момента Земли находим:

 

,                                             (2)

 

где  – объём внешнего ядра Земли,

а знак минус в (2) показывает, что суммарный магнитный момент Земли направлен противоположно угловой скорости её вращения , если основной вклад в магнитный момент вносят электроны на периферии ядра.

 

Из (2) по известным величинам Дж/Тл,   и  можно оценить плотность заряда в центре Земли: Кл/м3. Распределение плотности заряда (1) позволяет найти и магнитное поле в центре Земли. Для каждого отдельного элементарного кругового тока, возникающего за счёт вращения заряда  с угловой скоростью , в сферических координатах можно записать:

 

.

 

Элементарные круговые токи по разному сдвинуты вдоль оси  относительно центра сферы, имеющей радиус  внешнего ядра. Их вклад в общее магнитное поле в центре сферы можно учесть с помощью угла , под которым виден каждый элементарный круговой ток из центра сферы по отношению к оси :

 

.

 

Данная формула получается из стандартного выражения для магнитного поля на оси элементарного кругового тока внутри сферы , где  – радиус кругового тока,  – расстояние от центра сферы до центра элементарного кругового тока,

 

, угол  есть угловая координата сферических координат.

Подставляя в выражение для  ток  и раскрывая в нём  с помощью (1) и значения  из (2), находим после интегрирования по объёму ядра индукцию магнитного поля в центре Земли:

 

 Тл,         (3)

 

где использовано также  из (2).

 

Для сравнения, приведём значение индукции магнитного поля на экваторе за пределами внешнего ядра, вычисленное по стандартной дипольной формуле через значение магнитного момента Земли  для случая, если бы магнитный момент находился в самом центре Земли:

 

 Тл,                                               (4)

 

причём здесь  считается отрицательным.

 

Значение поля (4) не совсем точно, поскольку на самом деле магнитный момент рассредоточен по всему ядру неоднородным образом. Примем поэтому в первом приближении, что магнитное поле на экваторе ядра в два раза больше по величине, чем (4), равняясь .

Мы можем считать, что магнитные поля в центре ядра и вблизи его поверхности противоположны по направлению (это есть следствие смены знака в плотности заряда (1) при движении по радиусу от центра к поверхности ядра). Тогда при движении в экваториальной плоскости вдоль радиуса от центра до края внешнего ядра индукция магнитного поля будет изменяться от  до . Это можно отразить следующей линейной формулой:

 

.                                                          (5)

 

Согласно (5), магнитное поле меняет свой знак внутри ядра. В соответствии с данными рассуждениями на рисунке 1 представлена упрощенная картина магнитного поля в ядре Земли. Напомним, что данная структура поля является следствием вращения электрического заряда, распределённого вдоль радиуса ядра.

Сделаем теперь оценку средней скорости движения вещества  в ядре Земли. Пусть под действием температурного градиента, силы давления (силы Архимеда), силы тяжести и центростремительной силы вещество движется приблизительно вдоль радиуса. Первые три силы можно считать симметричными относительно центра ядра, тогда как центростремительная сила симметрична относительно оси вращения Земли. Поэтому можно ожидать несколько увеличенной скорости движения вещества в экваториальной плоскости ядра.

При движении в магнитном поле проводящей среды в ней индуцируются токи за счёт силы Лоренца. Если магнитное поле направлено вдоль оси , а вещество движется перпендикулярно оси , то плотность тока будет получать вращение вокруг оси :

 

.                                                         (6)

 

 

В нашем упрощенном подходе будем считать скорость вещества постоянной, а в качестве индукции магнитного поля возьмём некоторое среднее значение . Максимальный индуцированный ток можно оценить как произведение плотности тока на половину сечения ядра: ,

 

где коэффициент  учитывает, что горячее вещество не только удаляется от оси , но и возвращается назад после охлаждения, уменьшая индуцированный ток. Данный ток генерирует в ядре магнитный момент с величиной:

 

.                                                (7)

 

Очевидно, что магнитный момент  должен быть меньше, чем магнитный момент Земли: , где . Подставим сюда значение модуля  из (3) в предположении, что :

 

.                                                          (8)

 

Из (7) и (8) для скорости вещества получается:

 

 м/с.                                            (9)

 

Скорость движения вещества (9) получается достаточно мала. С её помощью можно сделать оценки числа Рейнольдса , магнитного числа Рейнольдса , магнитного числа Прандля , здесь Па·с – коэффициент динамической вязкости (внутреннего трения) в ядре согласно [7],  См/м – проводимость вещества ядра, кг/м3 – средняя плотность вещества в ядре. Исходя из (15) далее будет показано, что в (9) . Подставляя значения всех величин, находим , , . Число Рейнольдса обратно пропорционально силе сцепления частиц газа или жидкости, влияющей на свободное движение тела или отдельных элементов вещества. Магнитное число Рейнольдса прямо пропорционально силе магнитного трения в веществе, мешающей проскальзыванию силовых магнитных линий через вещество. Магнитное число Прандля является дополнительной характеристикой, учитывает вклады магнитного и обычного трения и увеличивается с ростом кинематической вязкости и проводимости среды.

Мы можем сравнить полученные числа с соответствующими числами, при которых может возникать гидромагнитного динамо (ГД). Например, в динамо Пономаренко [12] требуется, чтобы было . В [13] доказывается, что диффузионное динамо возможно при  и , а также при  и , . Если формула (8) и наши расчёты для чисел справедливы, то получается, что условия для возникновения ГД в ядре Земли не самые благоприятные.

Рассмотрим теперь вопрос о связи между магнитной силой и силой Кориолиса, действующих на элемент проводящего вещества ядра. Из величины  следует, что сцепление магнитных силовых линий с веществом в масштабе ядра невелико. Полученная выше оценка величины магнитного поля в ядре немногим больше чем на порядок превышает значение магнитного поля на поверхности Земли и в целом оказывает незначительное влияние на движение вещества. Плотность магнитной силы может быть записана так:

 

,                                                          (10)

 

где  – плотность тока, переносимого элементом вещества в ядре, в основном в радиальном направлении,  – плотность заряда (1).

 

Для плотности силы Кориолиса имеем:

 

.                                                     (11)

 

Силы (10) и (11) противоположны по направлению и обе одинаковым образом зависят от скорости  движения вещества, при этом магнитное поле и угловая скорость вращения приблизительно параллельны. Инерционная сила (11) существенно превышает магнитную силу (10), поскольку вещество ядра не является идеальным проводником. Предположим теперь, что для всех планет, в которых магнитное поле генерируется в ядре, имеется одна и та же зависимость между силами (10) и (11). А именно, положим, что для модулей плотностей сил выполняется соотношение , где . Из (10) и (11) получаем:

 

.                                                         (12)

 

Плотность вещества  в правой части (12) в пределах ядра изменяется не так существенно, как величины  и  в левой части. Подставим вместо  и  некоторые средние величины, вносящие наибольший вклад. Положим , как модуль удвоенной плотности заряда из (1) при . Вместо  используем величину , равную половине модуля индукции магнитного поля в центре ядра из (3). Равенство (12) после исключения величины  с помощью (2) приобретает следующий вид:

 

,

 

.                                                (13)

 

Если коэффициент  приблизительно одинаков для всех планет, то (13) задаёт формулу для определения магнитных моментов планет через их известные угловые скорости вращения , радиусы ядер  и плотности вещества , находящегося в этих ядрах. Зависимость вида (13) была построена в [14] и там было отмечено, что она аппроксимирует магнитные моменты планет так же хорошо, как и зависимость магнитных моментов от спинов ядер планет. Даже магнитный момент Солнца неплохо удовлетворяет формуле (13). Отметим, что зависимость магнитного момента планеты в виде  была найдена также и в [15].

Оценим модуль индукции максимального магнитного поля в центре планеты, подставляя в (3) значение  из (13):

 

.                                                  (14)

 

Из (14) следует, что магнитное поле в ядре определяется угловой скоростью вращения, радиусом ядра и плотностью вещества. Выражение (14) можно преобразовать, учитывая соотношение для плотности магнитной энергии в центре ядра  и соотношение для плотности кинетической энергии на экваторе ядра . Это даёт следующее равенство: . Следовательно, приблизительная одинаковость коэффициента  для всех планет вытекает из того, что плотность магнитной энергии, содержащейся в ядрах планет, пропорциональна кинетической энергии вращения ядер. По нашему мнению это указывает на то, что магнитное поле генерируется скорее вращением заряда, имеющего некоторый градиент распределения в ядре из-за разности температур и давления, чем за счёт механизма ГД. Оценку  можно получить из (13). Подставляя данные для Земли, находим .

 

3. Изменения амплитуды и полярности магнитного поля Земли

Индукция магнитного поля нашей планеты непостоянна, она испытывает колебания с различием минимального и максимального значений почти в два раза с периодом около 7500 лет (основная частота в спектре). Имеются также колебания с характерными периодами от 550 до 1800 лет [7], объясняемые магнитогидродинамическими волнами в ядре Земли. В частности, дрейф изолиний недипольной части магнитного поля к Западу происходит со скоростью 0,2º в год, делая полный оборот за 1800 лет. На экваторе внешнего ядра это соответствовало бы скорости движения вещества м/с.

В спектре геомагнитного поля присутствуют колебания с периодом порядка 60 лет, совпадающие по времени с вариациями скорости вращения Земли. Если считать, что вещество должно за 60 лет пройти круг с радиусом, равным радиусу  внутреннего ядра, то получается скорость  м/с. Это слишком большая скорость для течения вещества. Зато  как раз совпадает с магнитогидродинамической скоростью волны Альфвена, равной .

 

Если подставить сюда вместо  индукцию магнитного поля из (5) для , то есть величину порядка , то с учётом (3) находим  м/с. Таким образом, поперечные магнитогидродинамические волны вблизи внутреннего ядра могут оказывать влияние на его вращение, на изменение скорости вращения Земли и на общее магнитное поле, пропорциональное угловой скорости вращения согласно (13).

Одной из причин для возникновения магнитогидродинамических волн в ядре Земли могут быть явления, подобные солнечным и лунным приливам, наблюдаемым на воде в океанах и морях. Энергия приливов может при их биениях на крупных неоднородностях вещества подпитывать энергию волн. Если магнитогидродинамические волны распространяются вблизи поверхности внешнего ядра, то здесь при малых магнитных полях скорости волн становятся меньше. Вероятно, это и приводит к дрейфу изолиний с периодами порядка 1000 и более лет, с соответствующими скоростями волн, эквивалентными скоростям вещества около значения . Несовпадение направлений движения магнитогидродинамических волн вблизи внутреннего ядра и на периферии внешнего ядра между собой и направлением вращения Земли, наличие возможных неоднородностей в ядре, колебания положения внутреннего ядра относительно центра Земли и другие подобные причины приводят к сдвигу конвективных течений и могут явиться причиной наблюдаемого отклонения оси магнитного диполя от оси вращения Земли приблизительно на 11º, и к сдвигу центра диполя на некоторое расстояние от центра Земли. Магнитный полюс кружит около северного географического полюса: в 1580 году в Лондоне стрелка компаса отклонялась от географического полюса к востоку почти на 11º, а в 1960 году – на 10º, но уже в сторону запада. Противоположные магнитные полюса Земли могут также находиться не на одной и той же оси диполя, а иметь некоторый сдвиг относительно неё.

Рассмотрим теперь возможные причины медленных колебаний магнитного поля. Используя соотношение (9) и разделив радиус внешнего ядра на скорость вещества, можно найти характерный период циркуляции вещества в ядре:

 

 лет.                                          (15)

 

Это значение близко к продолжительности магнитного поля одной полярности, наблюдаемой в последнее историческое время (около  лет). Следовательно, в (15) и в (9) . В прошлом чаще имели место более длительные периоды одной полярности, до миллиона лет и более. Таким образом, не каждая циркуляция вещества ядре приводит к смене знака магнитного поля, скорее при одной полярности имеют место наблюдаемые колебания амплитуды поля со средним периодом порядка 7500 лет.

С точки зрения электрокинетической модели, первоначальное разделение зарядов (положительный заряд в центре, отрицательный заряд на периферии ядра) периодически нарушается, благодаря конвекции вещества. Это происходит следующим образом. Предположим, заряд распределён в ядре по закону (1). Данному распределению заряда соответствует определённая конфигурация электрического поля.

Путём решения уравнения Пуассона  при известной зависимости (1) плотности заряда  от текущего радиуса мы можем найти распределение потенциала и напряжённости электрического поля в ядре Земли:

 

,                         ,                          (16)

 

При этом на радиусе  внешней коры электрический потенциал равен нулю,  а Кл/м3 – плотность заряда в центре Земли.

 

При малых радиусах, а также при  электрическое поле (16) стремится к нулю. Максимальное электрическое поле достигается при , то есть в середине внешнего ядра: В/м. Такое большое электрическое поле, даже при условии его частичной нейтрализации, может служить причиной постоянной ионизации вещества. Для сравнения, в атоме водорода на радиусе Бора электрическое поле ядра равно В/м.

 

Поэтому, как только достигается первоначальное максимальное разделение зарядов в ядре Земли, за счёт ионизации в центре ядра часть вещества заряжается положительно и начинает двигаться к периферии ядра, в основном за счёт конвекции. Одновременно отрицательно заряженная часть вещества имеет возможность переноситься в центр ядра. За время, близкое ко времени (15), распределение заряда в ядре по закону (1) нарушается, происходит частичная или полная компенсация электрического заряда. Для смены полярности магнитного поля необходимо, чтобы произошла такая избыточная компенсация электрического заряда, при которой пришедший вместе с веществом новый заряд занял позицию, близкую к периферии ядра. Тогда вклад этого заряда в магнитный момент будет определяющим для знака магнитного поля на поверхности Земли. Как указывалось выше, не за каждый период времени (15) происходит изменение полярности магнитного поля, для этого может понадобиться и более 7 таких периодов.

Приблизительно также возможно объяснить периоды колебаний амплитуды магнитного поля с периодом 7500 лет. В этом случае, если использовать (15), вещество проходит характерный путь, равный , то есть в 20 раз меньше радиуса внешнего ядра. Горячее заряженное вещество, циркулирующее вблизи периферии ядра, всплывает и после охлаждения уходит обратно в глубину ядра, периодически изменяя величину суммарного заряда и значение магнитного поля почти в два раза. Заряда этого вещества не хватает для изменения знака заряда вещества на периферии ядра и изменения полярности магнитного поля, поскольку он берётся из ограниченного объёма. К переполюсовке магнитного поля Земли приводят лишь более масштабные радиальные движения заряженного вещества.

Мы можем оценить максимальную энергию электрического поля в ядре Земли, интегрируя по объёму ядра с учётом (16) имеем:

 

 Дж.

 

Такой же порядок энергии имеет и тепловая энергия ядра Земли, а также энергия давления. Таким образом, в ядре Земли в принципе возможно разделение зарядов и как следствие генерация магнитного поля за счёт вращения этих зарядов, в комбинации с магнитным гидродинамическим динамо.

 

4. Магнитное поле звёзд и Солнца

Современная техника измерения магнитных полей позволяет уже обнаруживать на звёздах сравнительно небольшие детали поля и строить средне и крупномасштабные магнитные топологические карты. Это даёт возможность отделить полоидальное (меридиональное) поле от тороидального поля, направленного вдоль параллелей. Изучение магнитных конфигураций молодых маломассивных полностью конвективных звёзд в [16] показало, что чем быстрее вращается звезда, тем сильнее проявляется в ней общая дипольная компонента на фоне полей магнитных пятен на поверхности. Например, карлик V374 Peg спектрального класса M4,5 (с периодом вращения около 12 часов, почти в 60 раз меньше периода собственного вращения Солнца), имеет очень сильное осесимметричное магнитное поле в районе полюсов. Молодые только что рождённые звёзды типа T-Tauri демонстрируют на полюсе магнитную индукцию величиной в десятые доли Тл, так что такие осесимметричные поля эффективно управляют потоками аккрецирующего вещества с массивных дисков возле этих звёзд, а также джетами в районе полюсов. Описанная картина противоречит большинству теорий ГД, предсказывающих для полностью конвективных звёзд скорее преобладание тороидальной компоненты поля над полоидальной. В то же время пропорциональность магнитного поля угловой скорости вращения в целом соответствует нашему выражению (14). Для звёзд типа Солнца часто наблюдают смену полярности их магнитного поля, пятнистую структуру магнитного поля, а также стабильные состояния с небольшой магнитной активностью (наподобие минимума Маундера для Солнца). Многие исследователи отмечают, что распределения магнитного поля очень схожи у магнитных A и B-звёзд, у белых карликов и нейтронных звёзд, что предполагает единый механизм его образования у звёзд ещё на стадии главной последовательности или даже ранее [17].

Применим электрокинетическую модель для обоснования возникновения и поддержания магнитного поля Солнца. С некоторыми отклонениями приблизительно 9 раз за каждые 100 лет полярность поля Солнца на полюсах изменяется на противоположную, одновременно с этим  протекают 11-летние циклы солнечной активности. Таким образом, через каждые 22 года полярность поля становится прежней, что и даёт полный период изменения магнитного поля. Магнитный диполь Солнца в максимуме оценивается величиной Дж/Тл согласно [18]. При среднем радиусе Солнца м находим для этого случая индукцию поля на полюсе: Тл.

Современная модель Солнца включает в себя следующие основные зоны: 1) ядро с радиусом порядка м (), где происходят термоядерные реакции. 2) зона лучистого переноса энергии с радиусом от  до м (), состоящая из ионизированного вещества. 3) конвективная зона с радиусом от  и вплоть до видимой поверхности Солнца, то есть до фотосферы, с характерной шириной зоны порядка м. Вещество в этой зоне состоит в основном из атомов, поглощающих излучение, и поэтому конвекция является здесь преобладающим способом переноса тепла к поверхности.

Особенностью Солнца является дифференциальное, нетвердотельное вращение его поверхности – на экваторе период вращения равен 25,05 дней, а к полюсам период вращения увеличивается до 34,3 дней. Для дальнейших расчётов мы будем использовать период 25,38 дней на широте 16º, где наблюдается максимум частоты появления солнечных пятен. Это даёт угловую скорость вращения рад/с как некоторую характеристику среднего вращения Солнца.

Сделаем теперь оценки среднего магнитного поля внутри Солнца, исходя из того, что разделение зарядов имеет место на всём протяжении радиального расстояния в соответствии с линейным приближением (1). Из (2) находим плотность заряда в центре в виде  Кл/м3. Аналогично, из (3) для магнитного поля в центре Солнца имеем:

 

Тл.                                   (17)

 

Если бы на краю зоны лучистого переноса было некоторое постоянное полоидальное магнитное поле, оно не должно было бы превышать несколько гаусс, иначе оно пронизывало бы конвективную зону и было бы причиной несимметрии амплитуды магнитного поля в обеих половинах магнитного цикла [19-20].

Получается, что усреднённые полоидальные магнитные поля внутри Солнца такие же небольшие, как и в ядре Земли. Суммарные магнитные потоки на поверхности Солнца в мелкомасштабных деталях также приблизительно равны суммарным магнитным потокам в крупномасштабных структурах, давая эффективное среднее поле с индукцией Тл. Пиковая индукция поля, обнаруживаемая в отдельных волокнах в тёмных пятнах на поверхности Солнца, может почти в тысячу раз превышать значение поля (17). Однако магнитное поле, усреднённое по всей площади типичного солнечного пятна, равно приблизительно Тл, то есть существенно меньше пиковых значений.

Из наблюдений за солнечными пятнами следует, что они движутся быстрее, чем окружающая их плазма на поверхности Солнца. Кроме этого, вновь появляющиеся пятна имеют увеличенную скорость движения по отношению к старым пятнам. Это объясняется тем, что в глубине вещество вращается быстрее, чем на поверхности. Пятна посредством магнитного поля связаны с глубокими слоями и потому движутся быстрее, причём молодые пятна в среднем находятся глубже старых пятен. На рисунке 2 представлен профиль частоты вращения вещества в недрах Солнца, из которого следует частота вращения порядка 450 нГц для дна конвективной зоны [21].

При взаимодействии вещества в ходе конвекции между различными слоями должен происходить обмен моментом импульса. В равновесии удельный момент импульса (момент импульса единичной массы) будет стремиться к константе: . Отсюда видно, что угловая скорость вращения  должна быть обратно пропорциональна квадрату радиуса  и квадрату синуса полярного угла , связанного с широтой  выражением . Но как видно из рисунка 2, на экваторе с широтой 0º вещество вращается всё быстрее при приближении к поверхности Солнца, а у самой поверхности частота вращения снова уменьшается.

Почему же происходит ускорение вращения в конвективной зоне? На наш взгляд, причиной является магнитное поле. Из простой линейной зависимости для магнитного поля вида (5) следует, что где-то вблизи радиуса  магнитное поле должно быть минимальным и менять знак. В конвективной зоне магнитное поле усиливается и всё более существеннее влияет на вещество. Общее магнитное поле Солнца вращается с некоторой средней скоростью, задаваемой всем веществом в целом. В свою очередь, вещество стремится вращаться с этой же средней скоростью, благодаря эффекту частичной вмороженности магнитных силовых линий в вещество. Действие поля будет сильнее проявляться там, где больше амплитуда поля, больше связанность поля с веществом и меньше трение слоёв вещества. По видимому, эти условия лучше выполняются для экваториальной области конвективной зоны, которые вносят наибольший вклад в магнитное поле и одновременно сами вращаются быстрее. Согласно [22], небольшого магнитного поля с индукцией порядка Тл было бы достаточно для поддержания наблюдаемого почти твёрдого вращения зоны лучистого переноса.

 

 

 

Различные оценки показывают, что скорости движения элементов вещества в конвективной зоне Солнца значительно превышают скорости в ядре Земли. Согласно [23], скорость конвекции на дне конвективной зоны порядка 1 м/с, а на поверхности фотосферы Солнца скорость может достигать и 3 км/с. Достаточно большое солнечное пятно размером в десятки тысяч км может появиться на поверхности Солнца за два-три дня. Если ширина пятна приблизительно равна пути, пройденном веществом, то средняя скорость вещества должна быть порядка 100 м/с.

Мы можем оценить характерные числа, описывающие движение вещества в магнитном поле. Величина , называемая коэффициентом магнитной диффузии, на дне конвективной зоны известна неточно и предположительно имеет значение м2/с [24]. Подставляя это значение в (9) при , и заменяя там  на м, находим диапазон скорости вещества:  м/с.

 

Магнитное число Рейнольдса на дне конвективной зоны получается равным . Согласно [25], магнитное число Прандтля лежит в диапазоне  для дна и верха конвективной зоны соответственно. Тогда на дне конвективной зоны число Рейнольдса будет порядка .

Исходя из скорости движения вещества по радиусу в конвективной зоне, можно оценить характерный период циркуляции вещества:

 

лет.                                           (18)

 

В интервал (18) попадает наблюдаемый 11-летний цикл активности Солнца, сопровождающийся сменой полярности магнитного поля. Если исходить из (16) и электрокинетической модели, то в центре Солнца периодически должно возникать электрическое поле величиной до В/м. Некоторая доля этого поля, образующегося от максимального разделения заряда внутри всего Солнца, действует и в конвективной зоне. Под влиянием этого электрического поля в конвективной зоне периодически создаются условия для переноса заряженного вещества соответствующего знака к верхним слоям с последующей компенсацией электрического поля. При этом происходит не только компенсация электрического поля, но и перезарядка верхних слоёв конвективной зоны. Это приводит к инверсии магнитного поля Солнца, созданию в объёме Солнца электрического поля противоположной полярности и затем к повторению цикла.

Описанная картина подтверждается следующими обстоятельствами. Известно, что смена полярности магнитного поля на полюсах происходит после максимума солнечных пятен, несколько позже середины 11-летнего цикла. Появление солнечных пятен ассоциируется с началом прихода заряженного и намагниченного вещества из глубины конвективной зоны. К моменту максимума прихода вещества и максимума солнечной активности исчезает как внутреннее электрическое поле, так и магнитное полоидальное осесимметричное поле. Дальнейший приход вещества приводит к электрической перезарядке вещества, инверсии дипольного магнитного поля и зарождению новых, заряженных соответствующим образом порций вещества в недрах Солнца. Обнаруженную корреляцию общего вращения Солнца с солнечным циклом [26] как раз можно объяснить изменением момента импульса Солнца за счёт периодического перемещения заряженного и намагниченного вещества из глубины к внешним слоям и обратно.

Известно, что максимальная угловая скорость движения солнечных пятен по поверхности Солнца практически равняется максимальной угловой скорости вращения вещества, которая достигается на глубине м. При размерах пятен в десятки тысяч км они настолько же глубоко погружены в вещество Солнца, и там достаточно хорошо связаны с быстровращающимися нижележащими слоями.

Как видно из рисунка 2, в слое от  и вплоть до поверхности Солнца наблюдается отрицательный градиент угловой скорости. Данный слой иногда называют слоем супергрануляции, поскольку размеры супергранул на поверхности Солнца также порядка м. Как гранулы с размерами около м, так и супергранулы являются отражением стационарной конвекции на поверхности Солнца. Действительно, супергранулы угловаты и похожи на многоугольники, напоминая шестиугольные ячейки Бенара в тонком слое жидкости, подогреваемой снизу. Потоки плазмы в супергранулах текут от центра к границам супергранул, где опускаются вглубь вдоль магнитных силовых линий (магнитное поле на границах в десятки и в сотни раз, а в углах границ – в тысячи раз превышает среднее магнитное поле Солнца). Если разделить толщину слоя супергрануляции  на среднюю скорость конвекции вещества 250 м/с, то как раз получается около 40 часов – среднее время жизни супергранулы.

Можно также предположить, что размеры супергранул связаны в том числе с магнитным упорядочением. Используем формулу для супергранул и границ между ними как для магнитных доменов с противоположными знаками магнитного поля. В теории ферромагнетизма имеется формула, связывающая размер домена , ширину междоменной стенки  и характерный размер образца  [27]: . Беря вместо  размер супергранулы, вместо  длину окружности Солнца, а вместо  − ширину границы между супергранулами, для последней находим км. Следовательно, отношение площади супергранулы к площади её границы равно . Если магнитные потоки через всю супергранулу и её границу равны и противоположны, то магнитное поле на границе супергранулы должно быть приблизительно в 75 раз больше, чем среднее магнитное поле Солнца, что и наблюдается.

Из наблюдений за пятнами вытекает, что они представляют собой сечения длинных магнитных трубок больших размеров, выходящих на поверхность. Если первоначально замагниченное осесимметрично вещество под действием конвекции движется внутри Солнца радиально в виде расширяющихся отдельных сферических слоёв, то под действием дифференциального вращения в конвективной зоне экваториальные течения вытягивают из этих слоёв трубки в направлении параллелей. Когда первые магнитные трубки достигают поверхности после очередного минимума солнечной активности, они сосредоточены в основном на высоких широтах, при 35º – 45º. Конечно, имеются поднимающиеся трубки и на низких широтах, но они встречаются с опускающимися трубками предыдущего цикла, аннигилируют с ними и потому почти не проявляются. По мере развития цикла солнечной активности трубки и связанные с ними солнечные пятна появляются всё ближе и ближе к экватору, находясь в поясе от 15º до 20º широты в момент инверсии магнитного поля. К концу цикла пятна сосредоточены в основном на широтах  ±(5º – 10º).

Часто встречаются конфигурации, когда одна трубка даёт сразу 4 солнечных пятна, находящихся в углах трапеции. Например, имеется первое ведомое пятно в северном полушарии; движущееся впереди него ведущее пятно, как правило находящееся ближе к экватору; второе ведущее пятно, но уже в южном полушарии; и ведомое пятно в южном полушарии. Знаки магнитного поля в пятнах чередуются так, как если бы пятна были сечениями одной магнитной трубки, сильно вытянутой вдоль экватора, а магнитное поле из одного пятна переходит в последующее пятно либо над поверхностью фотосферы, либо внутри её. В группе пятен пятно-лидер обычно имеет то же направление поля, что и поле на соответствующем полюсе Солнца. Это говорит о том, что кроме инверсии магнитного поля на полюсах имеется соответствующая инверсия и магнитного поля внутри всплывающих трубок. Тот факт, что полный цикл смены магнитного поля на полюсах равен 22 годам, дополняется неравенством амплитуд поля разной полярности с периодом 22 года (по-видимому, как следствие неэквивалентности потоков положительно и отрицательно заряженного вещества, периодически приходящего из недр Солнца).

Во время цикла инверсии магнитного поля Солнца и 11-летнего цикла солнечной активности происходит встреча нагретых магнитных трубок, поднимающихся кверху под действием конвекции, и опускающихся холодных магнитных трубок. Магнитные поля в этих трубках направлены противоположно, противоположными оказываются и заряды, сосредоточенные в трубках. Кроме возникающих электрических сил от зарядов вещества и магнитных сил, в трубках могут протекать продольные токи, дающие дополнительные силы притяжения или отталкивания. При замене одного поколения трубок на другое происходит аннигиляция части трубок, некоторые из них соединяются, а их электромагнитная энергия преобразуется в звуковые и магнитогидродинамические волны. На Солнце обнаруживаются инфранизкие звуковые колебания с периодами от 200 до секунд, которые модулируют солнечный ветер и в итоге отражаются на многих земных явлениях. Например, аналогичные частоты колебаний получают магнитное поле, атмосфера, геологические структуры Земли и даже напряжение трансокеанских кабелей. Освобождение значительного количества энергии трубок приводит в движение большие массы солнечного вещества от фотосферы до короны, которые наблюдаются в виде протуберанцев, солнечных вспышек и вариаций солнечного ветра.

Кроме 11-летнего цикла солнечной активности (иногда его называют цикл Швабе, Schwabe cycle), и 22-летнего цикла двойного изменения полярности дипольного магнитного поля или Hale цикла, у Солнца обнаруживаются (с помощью изотопного анализа колец на срезах деревьев, образцов гренландского льда) и более длинные периоды. К ним относятся: 88-летний цикл Глейсберга (Gleissberg cycle), 205-летний цикл Де Врие (De Vries or Suess cycle), 2100 или 2300-летний цикл Халлстатта (Hallstatt cycle). Циклы с периодами 88 и 205-лет проявляются в частности в длительных спадах солнечной активности. Спады имели место в 1010–1050 годах в минимуме Оорта (Oort minimum), в 1280–1340 годах в минимуме Вольфа (Wolf minimum), в 1450–1550 годах в минимуме Шпёрера (Spörer minimum), в 1645–1715 годах в минимуме Маундера (Maunder minimum). В минимуме Маундера имел место 15-летний цикл активности, а после минимума солнечные пятна появлялись в основном в северном полушарии Солнца. Не исключено, что сдвиги длительности циклов и длинные периоды связаны с изменениями тяготения от планет Солнечной системы, периодически оказывающими влияние на процессы, протекающие внутри Солнца.

 

5. Выводы

Нашей целью было показать наличие особого механизма, который в дополнение к магнитному динамо приводит к периодическому преобразованию тепловой энергии космических тел в электромагнитную, в особенности в магнитную энергию. Особенностью электрокинетической модели является сведение до минимума потерь от электрических токов, необходимых для генерации магнитного поля. Это делает модель независимой от известной проблемы затухания магнитного поля. После очередного разделения зарядов за счёт конвекции, градиентов температуры и давления, заряженное вещество синхронно вращается вместе с космическим телом, создавая объёмные электрические токи в конвективной зоне. За счёт этих токов тело приобретает магнитный момент, пропорциональный угловой скорости вращения.

Благодаря сферической симметрии, объёмные заряды в центре ядра и в оболочке тела относительно устойчивы. Однако внутри тела приблизительно на середине радиуса возникает значительное электрическое поле. Это создаёт условия для колебательного режима, приводящего в итоге к периодическим сменам полярности магнитного поля. По мере разделения зарядов и роста градиента заряда вдоль радиуса тела, нарастает и внутреннее электрическое поле. Оно приводит к тому, что внутри тела поднимающееся под действием конвекции вещество несёт преимущественно заряд такого знака, который старается компенсировать объёмный заряд в оболочке тела. После всплывания достаточного количества заряженного вещества в оболочке в среднем исчезает и объёмный заряд, и электрическое и осесимметричное магнитное поля. Если заряженное вещество продолжает всплывать дальше, то оболочка тела перезаряжается и при вращении тела создаётся дипольное магнитное поле противоположного знака. Амплитуда полученного магнитного поля зависит как от частоты вращения, так и от радиуса, на котором происходит конвекция (чем больше вещества заряжается в недрах тела, тем в большей степени это вещество может перезарядить оболочку). Период изменения магнитного поля прямо пропорционально зависит от радиуса конвекции и обратно пропорционально от скорости конвекции. Именно благодаря высокой скорости конвекции и движения вещества период изменения магнитного поля Солнца существенно короче, чем период изменения магнитного поля Земли.

Следует отметить, что сильные электрические поля внутри космических объектов, возникающие за счёт разделения зарядов, могут не проявлять себя для внешнего наблюдателя. Это связано со сферической симметрией поля и общей электрической нейтральностью космических объектов.

В [28] указывается, что скорость счёта солнечных нейтрино перхлорэтиленовым детектором в эксперименте Дэвиса имеет явную антикорреляцию с солнечным циклом. Точной причины этого явления ещё не найдено. Мы же можем предположить, что причина данного явления связана с сильным электрическим полем в конвективной оболочке Солнца, возникающим вследствие разделения зарядов и достигающим максимума в максимуме солнечной активности. Сильное электрическое поле влияет на образование и распространение нейтрино, образующихся в термоядерных реакциях в солнечном ядре, изменяя условия протекания реакций слабого взаимодействия. С другой стороны, эффект Михеева — Смирнова – Вольфенштейна связывает осцилляции нейтрино с электронами вещества в результате рассеяния электронных нейтрино на электронах

У Солнца обнаруживается дифференциальное вращение вещества в конвективной зоне, зависящее как от радиуса, так и от полярного угла. Кроме этого, имеется и меридиональное движение вещества. Вследствие этого полоидальные магнитные поля, связанные с веществом, имеют возможность вытягиваться в тороидальные поля и концентрироваться в магнитные трубки со значительным увеличением суммарной индукции магнитного поля. Всплывающие магнитные трубки нового поколения, несущие на себе электрический заряд, встречаются с опускающимися магнитными трубками предыдущего поколения с противоположным электрическим зарядом и противоположным направлением магнитного поля. Поэтому вблизи максимума солнечной активности энергия, высвобождаемая при аннигиляции магнитных трубок, посредством магнитных и звуковых волн подпитывает такие масштабные явления, как протуберанцы и солнечные вспышки. По всей видимости, и чрезвычайно высокая температура короны (более миллиона градусов), обязана своим происхождением перекачке волнами электромагнитной энергии из вещества в самые высокие слои атмосферы Солнца. Сама форма короны приобретает наибольший объём именно вблизи максимума солнечной активности.

Из изложенного следует, что на Земле в периоды переполюсовки магнитного поля также следует ожидать усиления геологической активности, увеличения частоты землетрясений, изменения климата, аномальных явлений в океане и в атмосфере, повышенного влияния космических лучей на живые организмы и т.д.

 

6. Ссылки

1.        Larmor J. How could a rotating body such as the Sun become a magnet? Reports of the British Association, 1919,  Vol. 87, P. 159 – 160.

2.        Vainshtein S., and Zel’dovich Ya. B. Origin of Magnetic Fields in Astrophysics (Turbulent ’Dynamo’ Mechanisms). Sov. Phys. Usp., 1972, Vol. 15, P. 159 – 172. http://dx.doi.org/10.1070/PU1972v015n02ABEH004960.

3.        Kono M., and Roberts P.H. Recent geodynamo simulations and observations of the geomagnetic field. Reviews of Geophysics, 2002, Vol. 40, P. 1 – 53. http://dx.doi.org/10.1029/2000RG000102.

4.        Tobias S.M. The Solar Dynamo. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 2002, Vol. 360, P. 2741 – 2756. http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2002.1090.

5.        Michael J. Thompson. Grand Challenges in the Physics of the Sun and Sun-like Stars. Front. Astron. Space Sci. 2014, 1. doi: 10.3389/fspas.2014.00001.

6.        Information on monitoring and modelling the geomagnetic field. British Geological Survey, August 2005. http://www.geomag.bgs.ac.uk.

7.        Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М.: Наука, 1978, 198 стр.

8.        Fedosin S. The physical theories and infinite hierarchical nesting of matter, Volume 1, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014, 580 pages, ISBN-13: 978-3-659-57301-9.

9.        Fedosin S.G. The radius of the proton in the self-consistent model. Hadronic Journal, 2012, Vol. 35, No. 4, P. 349 – 363.

10.    Fedosin S.G., Kim A.S. The Physical Theory of Ball Lightning. Applied Physics (Russian Journal), 2001, No. 1, P. 69 – 87.

11.    Fedosin S.G. Sovremennye problemy fiziki: v poiskakh novykh printsipov. Moskva: Editorial URSS, 2002, 192 pages. ISBN 5-8360-0435-8.

12.    Ponomarenko Yu. B. Theory of the hydromagnetic generator. J. Appl. Mech. Tech. Phys., 1973, Vol. 14, P. 775 – 778. http://dx.doi.org/10.1007/BF00853190.

13.    Schekochihin A. A. et all. Fluctuation dynamo and turbulent induction at low magnetic Prandtl numbers. New Journal of Physics, 2007, Vol. 9, P. 300. http://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/9/8/300.

14.    Fedosin S. G. Fizika i filosofiia podobiia ot preonov do metagalaktik. Perm, 1999, 544  pages. ISBN 5-8131-0012-1.

15.    Busse F. H. Generation of planetary magnetism by convection. Physics of The Earth and Planetary Interiors, 1976, Vol. 12, Issue 4, P. 350 – 358. http://dx.doi.org/10.1016/0031-9201(76)90030-3.

16.    Donati J.-F. at al. Magnetic Topologies of Cool Stars, 14th Cambridge Workshop on Cool Stars, Stellar Systems, and the Sun, ASP Conference Series, 2008, Vol. 384, P. 156 – 156.

17.    Reisenegger A. Neutron stars and their magnetic fields. RevMexAA (Serie de Conferencias), 2009, Vol. 35, P. 139 – 145.

18.    Аллен К.У. Астрофизические величины. М.: Мир, 1977, 279 стр.

19.    Friedland, A. and Gruzinov, A., Bounds on the Magnetic Fields in the Radiative Zone of the Sun, Ap. J. 601, 570–576 (2004).

20.    Boruta N., Solar dynamo surface waves in the presence of a primordial magnetic field: A 30 gauss upper limit in the solar core, Astrophys.J., 458, 832, 1996.

21.    Thompson M. J., Christensen-Dalsgaard J., Miesch M. S., Toomre J. The internal rotation of the Sun. Ann. Rev. Astron. Astrophysics, 2003, Vol. 41, P. 599–643. http://dx.doi.org/10.1146/annurev.astro.41.011802.094848.

22.    Rüdiger G., Hollerbach R. The magnetic universe. Weinheim, Wiley-VCH, 2004, 343 pages. ISBN 3-527-40409-0.

23.    Прохоров А.М., Абашидзе И.В. Физика космоса. Под ред. Сюняева Р.А. М.: Сов. энциклопедия, 1986, 783 стр.

24.    Jiang J., Wang J. X. A dynamo model for axisymmetric and non-axisymmetric solar magnetic fields. Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 2007, 377:711-718. http://dx.doi.org/10.1111/j.1365-2966.2007.11644.x.

25.    Brandenburg Axel. The solar interior – radial structure, rotation, solar activity cycle. In Handbook of Solar-Terrestrial Environment, ed. Y. Kamide & A. C.-L. Chian, Springer, pp. 27-54.

26.    Donahue, R. A., Keil, S. L. The solar surface differential rotation from disk-integrated chromospheric fluxes. Solar Phys., 1995, Vol. 159, P. 53 – 62. http://dx.doi.org/10.1007/BF00733031.

27.    Landau, L.D.; Lifshitz, E.M. (1935), Theory of the dispersion of magnetic permeability in ferromagnetic bodies, Phys. Z. Sowietunion, 8, 153.

28.    Davis R. at all. In Neutrino ’88, Proceedings of the XIII th International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics, ed. J. Scheps et al. (World Scientific 1989), p. 518.

 

Источник: http://sergf.ru/gen.htm

На научный сайт

 

Сверхпроводник сделали источником магнитного поля

Структура собственного магнитного поля и токов, которые возникают в сверхпроводнике при переходе вещества в особое квантовое состояние

Vadim Grinenko et al. / Nature Physics, 2020

Физики экспериментально обнаружили новое квантовое состояние сверхпроводника, в котором материал становится источником магнитного поля. Достигнутый результат важен как с точки зрения фундаментальной науки, так и для разработки сверхпроводящих устройств. Статья опубликована в журнале Nature Physics.

Сверхпроводимость — это явление, при котором электрическое сопротивление материала становится строго нулевым. Переход образца в такое состояние происходит при охлаждении ниже критической температуры — она определяется свойствами вещества. В настоящее время сверхпроводимость широко применяется в технике, однако полного теоретического описания этого явления ученые до сих пор не разработали (подробнее о сверхпроводимости и существующих объяснениях можно узнать в нашем материале).

Квантовые свойства сверхпроводника делают его идеальным диамагнетиком — материалом, которому энергетически выгодно иметь нулевое внутреннее магнитное поле. В результате сверхпроводимость и магнетизм становятся конкурентами: обычно они проявляются только по отдельности, а для совместного их возникновения нужно поддерживать специальные условия.

Ученые из шести стран под руководством Вадима Гриненко (Vadim Grinenko) из Института физики твердого тела и исследования материалов Ассоциации Лейбница в Дрездене экспериментально изучили сверхпроводимость в кристалле Ba1−xKxFe2As2. Авторы исследовали образцы с различным содержанием примесей калия и бария (в химической формуле их определяет параметр х), и следили за тем, как состав материала влияет на его сверхпроводящие и магнитные особенности. Для анализа этих свойств физики облучали кристаллы поляризованным (то есть обладающим заданной ориентацией магнитных моментов) пучком положительно заряженных мюонов и детектировали частицы, которые рождались при взаимодействии этого пучка с образцом. Такие измерения позволили исследователям понять, как именно материал воздействовал на магнитные моменты частиц, и, таким образом, определить его магнитную структуру.

В результате физики установили, что при достаточно большом относительном содержании калия (x>0.7) и низкой температуре (около 10 К) материал переходит в особое квантовое состояние, в котором начинает генерировать собственное магнитное поле. Таким образом, ученые обнаружили ранее неизвестный механизм сосуществования магнетизма и сверхпроводимости. Это открытие порождает новое направление для экспериментальных и теоретических исследований и в будущем может найти применение при разработке сверхпроводящих устройств. Кроме того, авторы выявили связь между условиями, которые приводили к возникновению обнаруженного состояния, и условиями Лифшиц-перехода — известного квантового превращения, меняющего энергетическую конфигурацию электронов. Последнее облегчит поиски подобных свойств у других кристаллов.

Ранее мы писали о том, как ученые предсказали возникновение сверхпроводимости при температуре 200 градусов Цельсия и как мюоны помогли измерить перепад потенциалов грозового облака величиной в миллиард вольт.

Николай Мартыненко

Урок физики в 9-м классе «Электромагнитное поле»

Цели урока:

образовательные: изучить новое понятие “электромагнитное поле”; повторить ранее пройденные определения электрического поля, магнитного поля, условия их возникновения, свойства; закрепить правила правой и левой руки с помощью упражнений.
воспитательные: воспитывать добросовестное отношение к учебе, прививать навыки как самостоятельной работы, так и работы в коллективе, воспитывать познавательную потребность и интерес к предмету.
развивающие: развивать способность быстро воспринимать информацию и выполнять необходимые задания; развивать логическое мышление и внимание, умение анализировать, сопоставлять полученные результаты, делать соответствующие выводы.

Оборудование: проводник с током и магнитная стрелка для проведения опыта Эрстеда; катушка, соединённая с гальванометром, постоянный магнит для демонстрации явления электромагнитной индукции.

Ход урока.

Организационный момент.

Цели нашего сегодняшнего урока : во-первых, повторить и обобщить знания по теме “Магнитное поле”, а во-вторых, познакомиться с новым видом материи – электромагнитным полем, определить условия его возникновения в пространстве. Электромагнитное поле играет важную роль в нашей жизни.

Повторение ранее пройденного учебного материала.

Приготовились к устному опросу:

Как в пространстве создаётся электрическое поле?

Чем в пространстве порождается магнитное поле?

Как его можно изобразить графически?

Перечислите основные свойства силовых линий?

Какое поле называется однородным, какое неоднородным?

Сформулируйте правило правой руки, правило левой руки.

Как рассчитать модуль вектора магнитной индукции?

Зависит ли он от силы тока, длины проводника, силы, действующей на проводник ?

Какое направление имеет вектор магнитной индукции?

В чем заключается суть явления электромагнитной индукции?

А теперь выполним несколько упражнений. Откройте, пожалуйста, тетради, запишите сегодняшнее число, Классная работа.

На доске и на листочках, лежащих перед вами приведены четыре задания.

Определить полюсы постоянного магнита и изобразить линии магнитной индукции поля (рис. 1).

Показать направление силовых линий магнитного поля рамки с током (рис. 2).

В магнитное поле внесены 4 проводника с током. Каково направление силы, действующей на каждый проводник (рис. 3).

Определить знак заряда частицы (рис.4).

Молодцы ребята! Вы хорошо усвоили материал. Переходим к изучению новой темы. Запишите, пожалуйста, тему урока “ Электромагнитное поле”.

 Объяснение нового материала.

Ребята, мы повторили с вами электрическое и магнитное поля, и на примерах убедились, что они неразрывно связаны. В 8 классе вы узнали, что электрический ток порождает магнитное поле: в 1820 году Эрстед провел следующий опыт (опыт Эрстеда, магнитная стрелка поворачивается вблизи проводника с током). А в этом году вы познакомились с явлением электромагнитной индукции, открытое 29 августа 1831года Фарадеем, выяснили, что магнитное поле само способно порождать электрический ток (показываю опыт Фарадея, рис. 125, 126 [1]).

В этом же году в Англии родился Джеймс Клерк Максвелл, который сделал важнейшее научное открытие. Оно позволило более глубоко понять сущность явления электромагнитной индукции.

Давайте вспомним, что такое электрический ток? (Ребята отвечают) Правильно – это направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля. Получается, что в опытах Фарадея изменяющееся магнитное поле создает именно электрическое поле, под действием которого и возникает индукционный ток, а замкнутый проводник лишь индикатор, позволяющий обнаружить поле.

К такому выводу пришел Максвелл в 1865 году. Он теоретически доказал, что

Любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле.

Отсюда следует вывод:

Порождающие друг друга изменяющиеся электрическое и магнитное поля образуют единое электромагнитное поле.

Запишем это в тетрадях.

Важно понять, что это не совокупность электрического и магнитного полей, а единое целое, они не могут существовать друг без друга.

Как создать в пространстве электромагнитное поле?

Движущимся постоянным магнитом, изменяющимся во времени магнитным полем. Вокруг зарядов, движущихся с постоянной скоростью (например, вокруг проводника с постоянным током) создается постоянное магнитное поле. Но если электрические заряды движутся с ускорением, например, колеблются, то создаваемое ими электрическое поле периодически меняется. Изменяющееся во времени электрическое поле создает в пространстве переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает меняющееся электрическое и т.д. Запишем:

Источниками электромагнитного поля могут быть:

движущийся магнит;
электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся.

Действительно, электрическое и магнитное поля возникают вокруг электрических зарядов, причем электрическое поле существует всегда, в любой системе отсчета, магнитное – в той, относительно которой заряды движутся, а электромагнитное – в системе отсчета, относительно которой заряды движутся с ускорением.

Переменное электрическое поле называется вихревым, его силовые линии замкнуты, подобно линиям индукции магнитного поля. Это отличает его от электростатического поля, которое существует вокруг неподвижных заряженных тел. Более подробно мы изучим эти понятия в 10–11 классах.

Электромагнитное поле может распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн. Обнаружить их удалось лишь в 1886 году, спустя 22 года после открытия Максвелла, уже после его смерти (1879), немецкому физику Генриху Герцу. Опыты Герца блестяще подтвердили предсказания Максвелла.

Закрепление пройденного материала.

Ваши вопросы по теме? Тогда давайте повторим:

Кем и когда была создана теория электромагнитного поля и в чём заключалась её суть?

Что служит источником электромагнитного поля ?

Чем отличается вихревое электрическое поле от электростатического?

Теперь снова вернёмся к нашим листочкам и решим несколько качественных задач.

Заряженное тело покоится относительно неподвижного стола. Учитель равномерно и прямолинейно движется относительно стола. Можно ли обнаружить постоянное магнитное поле в системе отсчета, связанной с учителем?

Какое поле возникает вокруг электрона, если он: покоится; движется с постоянной скоростью; движется с ускорением?

В электронной пушке создаётся поток равномерно движущихся электронов. Можно ли обнаружить магнитное поле в системе отсчёта, связанной с одним из движущихся электронов?

Пластмассовую расчёску потёрли о ткань, и она зарядилась статическим электричеством. Какое поле можно обнаружить вокруг неподвижной расчёски? Вокруг движущейся?

Постоянный магнит покоится на столе. Какое поле можно обнаружить в системе отсчёта, связанной с Землёй? с Солнцем?

Заключение.

На сегодняшнем уроке вы познакомились с новым видом материи – электромагнитным полем, узнали, какими способами можно создать его в пространстве. Выяснили, чем отличаются вихревое электрическое и электростатическое поля. Закрепили пройденный материал, ответив на ряд вопросов и решив несколько задач.

Записываем домашнее задание:

§ 51, вопросы к нему, упражнение.[1].

Подведем итоги урока:

Что мы узнали нового на уроке?

Понятие электромагнитного поля.

Источники электромагнитного поля.

Вихревое электрическое и электростатическое поля.

Оценки за урок.

Урок окончен, до свидания.

Список литературы:

1. Пёрышкин А.В. Физика. 9 кл.: Учебник для общеобразовательных учебных заведений / А.В. Пёрышкин, Е.М. Гутник. – 5-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002.

Внешнее магнитное поле — обзор

4.02.3.4 Дуговая плазма

Дуговая плазма возникает из отдельных катодных пятен, причем одно пятно активно. Таким образом, плазма разлетается от точечного источника.

При отсутствии внешнего магнитного поля преобладают градиент давления плазмы и ионно-электронное взаимодействие. В случае большого цилиндрического анода, симметричного катоду, плазма расширяется симметрично с распределением в зависимости от угла θ от нормали к поверхности катода.Интенсивность плазмы равна cos α θ . Показатель степени α связан с пинчингом плазмы. Если α  < 1, имеет место сферическое распределение, а при α  > 1 плазма защемляется и образует сфокусированную струю.

Ускорение ионов происходит вблизи катодного пятна. После этого плазма расширяется с постоянной скоростью. Таким образом, плотность плазмы уменьшается как 1/ r 2 в зависимости от расстояния r от катода.

Предполагается, что процесс ускорения, происходящий в непосредственной близости от катодного пятна, является результатом следующих явлений: (1) градиент давления ионов, (2) градиент давления электронов, (3) коллективное ускорение ионов за счет электрон-ионного взаимодействия и (4) ускорения электрическим полем (потенциальный горб). Согласно Ганцше ( 23 ), большой поток электронов сталкивается или взаимодействует посредством кулоновских сил с атомами металла, вытекающими из катодного пятна.Поскольку электроны движутся с гораздо большей скоростью и в гораздо большем количестве, чем атомы, кинетическая энергия передается атомам. Электроны отрываются от атомов, вызывая ионизацию. Очень плотная плазма имеет такой градиент давления электронов и ионов, что ионы ускоряются до своей конечной кинетической энергии на расстоянии менее 10 мкм от катода. На этом расстоянии формируется плотная неравновесная плазма с множественными ионизированными ионами и электронами. За пределами этого расстояния, называемого «зоной замерзания», распределение зарядового состояния стабилизируется.Скорость ионизации ионов различна и характерна для каждого элемента. Типичные значения энергии ионов варьируются от нескольких десятков эВ до более чем 100 эВ.

Внешнее магнитное поле используется для управления движением пятна на катоде и направления плазмы. Таким образом, магнитные поля оказывают большое влияние на плазму. Вблизи катодного пятна плотность плазмы высока, даже превышает атмосферное давление. По мере расширения плазмы плотность уменьшается до значения, при котором электроны намагничиваются из-за внешнего магнитного поля.Это означает, что движение электрона определяется вращательным движением в магнитном поле. Это расстояние от катода обычно составляет несколько миллиметров. На движение электрона не влияет, когда движение параллельно линиям магнитного поля, тогда как движение перпендикулярно линиям поля возможно только в результате столкновений или коллективных эффектов, таких как турбулентность. Таким образом, плазма течет вдоль силовых линий магнитного поля.

Распределение зарядового состояния остается постоянным по мере расширения плазмы при условии, что давление в камере достаточно низкое, а длина свободного пробега ионов сравнима с размерами вакуумной камеры.

Было показано, что внешнее магнитное поле влияет на распределение зарядового состояния. Когда магнитное поле увеличивается до значения около 1 Тл, ионизация увеличивается, как показано на рисунке 16. Предполагается, что причиной повышенной ионизации является намагничивание электронов. Разрядный ток создает внутреннее магнитное поле. Повышенная ионизация наблюдается при увеличении тока дуги выше 300 А.

Рис. 16. Увеличение средней ионизации в зависимости от магнитного поля для различных металлов.

По Андерсу, А. Катодные дуги: от фрактальных пятен к энергетическим конденсациям. В Атомная, оптическая и плазменная физика ; Спрингер: Нью-Йорк, 2010 г.; Том. 50.

Энергия ионов возникает в результате процессов в непосредственной близости от катодного пятна и остается постоянной в случае вакуума без внешнего магнитного поля. Однако магнитное поле может существенно влиять на энергию ионов.

Распределение энергии ионов и температура электронов были тщательно измерены для нескольких катодных материалов ( 24 ).С помощью измерения времени пролета для определения импульсной скорости плазмы было обнаружено, что в спектре скоростей ионов имеется один острый пик со значением от 1000 до 3000 м с -1 . Учитывая широкое распределение различных зарядовых состояний ионов, ускорение должно быть обусловлено гидродинамическим эффектом вблизи катодного пятна, не зависящим от зарядового состояния иона. Если бы ускорение было вызвано электрическим полем, можно было бы ожидать увидеть отдельные максимумы для каждого состояния заряда.На рисунке 17 показана средняя скорость ионов для различных элементов. Существует связь энергии сцепления материала катода с явлением дугового пятна, как описано в разделе 4.02.3.3. Соответственно, существует также корреляция энергии ионов и энергии сцепления элементов (см. рис. 17).

Рис. 17. Средняя кинетическая энергия ионов ( E kin ), полученная как моделированием, так и экспериментально для различных атомных чисел. Сравнение с электронной температурой ( T e ) и энергией когезии ( E EC ).

По Андерсу, А. Катодные дуги: от фрактальных пятен к энергетическим конденсациям. В Атомная, оптическая и плазменная физика ; Спрингер: Нью-Йорк, 2010 г.; Том. 50.

В присутствии магнитного поля движение электронов затруднено перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Из-за этого импеданс плазмы увеличивается, что приводит к более высокому напряжению дуги. Это приводит к повышению температуры электронов, более высокому градиенту давления в катодном пятне, более высокой энергии ионов и увеличению среднего зарядового состояния.

А. Андерс недавно провел всесторонний обзор вакуумной катодно-дуговой плазмы ( 25 ).

Градиент магнитного поля используется для удержания плазмы, находящей практическое применение, например, в сосудах для термоядерного синтеза. Электрон либо ускоряется, либо тормозится при движении в градиенте магнитного поля. Когда магнитное поле увеличивается, скорость электрона уменьшается. Поскольку ионы и электроны связаны, энергия ионов соответственно уменьшается или увеличивается.Магнитное поле, приложенное к фильтрам частиц, может оказывать существенное влияние на энергию ионов, тем самым оказывая влияние на структуру осаждаемой пленки.

Давление окружающего газа влияет на энергию ионов в результате столкновений с нейтральными атомами. Это особенно характерно для реактивного катодно-дугового осаждения при атмосферном давлении в несколько Па. Тогда длина свободного пробега ионов становится меньше размера камеры.

Магнитное поле Земли может меняться быстрее, чем мы думали – новое исследование

Магнитное поле Земли, создаваемое на глубине 3000 км под нашими ногами в жидком железном ядре, имеет решающее значение для жизни на нашей планете.Он простирается в космос, окутывая нас электромагнитным покрывалом, защищающим атмосферу и спутники от солнечной радиации.

Тем не менее, магнитное поле постоянно меняется как по своей силе, так и по направлению, и в прошлом претерпевало некоторые драматические сдвиги. Это включает в себя загадочные инверсии магнитных полюсов, когда южный полюс становится северным полюсом, и наоборот.

Давний вопрос заключался в том, как быстро может меняться поле. Наше новое исследование, опубликованное в Nature Communications, дало некоторые ответы.

Быстрые изменения магнитного поля представляют большой интерес, поскольку они представляют собой наиболее экстремальное поведение океана расплавленного железа в жидком ядре. Связав наблюдаемые изменения с основными процессами, мы можем получить важную информацию об ином недоступном регионе нашей планеты.


Прочитайте больше: Почему магнитные полюса Земли могут вот-вот поменяться местами и как это повлияет на нас


Исторически самые быстрые изменения магнитного поля Земли были связаны с инверсиями, которые происходят с нерегулярными интервалами несколько раз в миллион лет.Но мы обнаружили изменения поля, которые происходят намного быстрее и более поздние, чем любые данные, связанные с фактическими разворотами.

Магнитное обращение. НАСА.

В настоящее время спутники помогают отслеживать изменения поля как в пространстве, так и во времени, дополняя их навигационными записями и наземными обсерваториями. Эта информация показывает, что изменения в современной области довольно громоздки, около десятой доли градуса в год. Но, пока мы знаем, что поле существует по крайней мере 3.5 миллиардов лет, мы мало что знаем о его поведении до 400 лет назад.

Чтобы отследить древнее поле, ученые анализируют магнетизм, зарегистрированный отложениями, потоками лавы и искусственными артефактами. Это потому, что эти материалы содержат микроскопические магнитные зерна, которые фиксируют характер поля Земли в то время, когда они охлаждались (для лавы) или добавлялись к суше (для отложений). Записи отложений из центральной Италии примерно во время последней смены полярности почти 800 000 лет назад предполагают относительно быстрые изменения поля, достигающие одного градуса в год.

Однако такие измерения чрезвычайно сложны, а результаты все еще обсуждаются. Например, существуют неопределенности в процессе, посредством которого отложения приобретают свой магнетизм.

Улучшенные измерения

Наше исследование использует другой подход, используя компьютерные модели, основанные на физике процесса генерации поля. Это сочетается с недавно опубликованной реконструкцией глобальных вариаций магнитного поля Земли за последние 100 000 лет, основанной на совокупности измерений отложений, лавы и артефактов.

Это показывает, что изменения в направлении магнитного поля Земли достигают скорости до десяти градусов в год — в десять раз больше, чем самые быстрые зарегистрированные в настоящее время изменения.

Самые быстрые наблюдаемые изменения направления геомагнитного поля произошли около 39 000 лет назад. Этот сдвиг был связан с локально слабым полем в ограниченном районе недалеко от западного побережья Центральной Америки. Это событие последовало за глобальной «экскурсией Лашампа» — «неудачной инверсией» магнитного поля Земли около 41 000 лет назад, когда магнитные полюса ненадолго сместились далеко от географических полюсов, прежде чем вернуться.

Наиболее быстрые изменения, по-видимому, связаны с локальным ослаблением магнитного поля. Наша модель предполагает, что это вызвано движением участков сильного магнитного поля по поверхности жидкого ядра. Эти пятна более распространены в более низких широтах, что говорит о том, что будущие поиски быстрых изменений направления должны быть сосредоточены на этих областях.

Влияние на общество

Изменения магнитного поля, такие как инверсии, вероятно, не представляют угрозы для жизни.Людям удалось пережить драматическую экскурсию Лашампа. Сегодня угроза в основном связана с нашей зависимостью от электронной инфраструктуры. Явления космической погоды, такие как геомагнитные бури, возникающие в результате взаимодействия между магнитным полем и приходящей солнечной радиацией, могут нарушить спутниковую связь, GPS и электрические сети.

Спутники находятся в опасности из-за космической погоды. Андрей Армягов/Shutterstock

Это вызывает тревогу: экономическая стоимость краха энергосистемы США из-за космической погоды оценивается примерно в один триллион долларов.Угроза настолько серьезна, что космическая погода считается высокоприоритетной в национальном реестре рисков Великобритании.

Космические погодные явления, как правило, более распространены в регионах со слабым магнитным полем, что, как мы знаем, может произойти, когда поле быстро меняется. К сожалению, компьютерное моделирование предполагает, что изменения направления возникают после того, как напряженность поля начинает ослабевать, а это означает, что мы не можем предсказать провалы напряженности поля, просто отслеживая направление поля. Будущая работа с использованием более продвинутого моделирования может пролить больше света на этот вопрос.

Грядет еще одно быстрое изменение магнитного поля? На это очень трудно ответить. Самые быстрые изменения также являются самыми редкими событиями: например, изменения, выявленные во время экскурсии Лашампа, более чем в два раза быстрее, чем любые другие изменения, произошедшие за последние 100 000 лет.

Из-за этого ученым сложно прогнозировать быстрые изменения — это «события черного лебедя», которые становятся неожиданностью и оказывают большое влияние. Одним из возможных путей продвижения вперед является использование основанных на физике моделей поведения месторождения в рамках прогноза.

Нам еще многое предстоит узнать об «ограничении скорости» магнитного поля Земли. Быстрые изменения еще не наблюдались напрямую во время инверсии полярности, но их следует ожидать, поскольку считается, что в это время поле становится глобально слабым.

Магнитное поле Земли работает, и геологи не знают, почему

Обновление от 9 января: выпуск Магнитной модели мира был отложен до 30 января из-за продолжающегося закрытия правительства США .

Что-то странное происходит на вершине мира. Северный магнитный полюс Земли сместился из Канады в сторону Сибири, движимый жидким железом, плещущимся в ядре планеты. Магнитный полюс движется так быстро, что заставил мировых экспертов по геомагнетизму совершить редкое движение.

15 января они собираются обновить Магнитную модель мира, которая описывает магнитное поле планеты и лежит в основе всей современной навигации, от систем, управляющих кораблями в море, до Google Maps на смартфонах.

Самая последняя версия модели вышла в 2015 году и должна была просуществовать до 2020 года, но магнитное поле меняется так быстро, что исследователи должны исправлять модель сейчас. «Ошибка все время увеличивается», — говорит Арно Чуллиат, геомагнетист из Университета Колорадо в Боулдере и Национального центра информации об окружающей среде Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA).

Проблема частично связана с движущимся полюсом и частично с другими сдвигами глубоко внутри планеты.Вспенивание жидкости в ядре Земли создает большую часть магнитного поля, которое со временем меняется по мере изменения глубинных потоков. В 2016 году, например, часть магнитного поля временно ускорилась глубоко под северной частью Южной Америки и восточной частью Тихого океана. Спутники, такие как миссия Swarm Европейского космического агентства, отслеживали сдвиг.

К началу 2018 года у Магнитной модели мира возникли проблемы. Исследователи из NOAA и Британской геологической службы в Эдинбурге ежегодно проверяли, насколько хорошо модель фиксирует все изменения магнитного поля Земли.Они поняли, что это было настолько неточно, что вот-вот превысит допустимый предел навигационных ошибок.

Блуждающий столб

«Мы оказались в интересной ситуации, — говорит Чуллиат. «Что творится?» Ответ двоякий, сообщил он в прошлом месяце на встрече Американского геофизического союза в Вашингтоне.

Во-первых, этот геомагнитный импульс 2016 года под Южной Америкой пришелся на самое неподходящее время, сразу после обновления Мировой магнитной модели в 2015 году.Это означало, что магнитное поле резко изменилось сразу после последнего обновления, чего не ожидали планировщики.

Источник: Мировой центр данных по геомагнетизму/Киотский университет.

Во-вторых, движение северного магнитного полюса усугубило проблему. Полюс движется непредсказуемым образом, что очаровывало исследователей и ученых с тех пор, как Джеймс Кларк Росс впервые измерил его в 1831 году в канадской Арктике. В середине 1990-х годов он увеличил скорость примерно с 15 километров в год до примерно 55 километров в год.К 2001 году он вошел в Северный Ледовитый океан, где в 2007 году команда, в которую входил Чуллиат, посадила самолет на морской лед, пытаясь определить местонахождение полюса.

В 2018 году полюс пересек международную линию перемены дат в Восточном полушарии. В настоящее время он направляется в Сибирь.

Геометрия магнитного поля Земли увеличивает ошибки модели в местах, где поле быстро меняется, например, на Северном полюсе. «Тот факт, что полюс движется быстро, делает этот регион более подверженным большим ошибкам», — говорит Чуллиат.

Чтобы исправить Магнитную модель мира, он и его коллеги передали ей последние данные за три года, в том числе геомагнитный импульс 2016 года. По его словам, новая версия должна оставаться точной до следующего запланированного обновления в 2020 году.

Основные вопросы

Тем временем ученые работают над тем, чтобы понять, почему магнитное поле меняется так резко. Геомагнитные импульсы, подобные тому, что произошел в 2016 году, можно проследить до «гидромагнитных» волн, возникающих глубоко в ядре 1 .А быстрое движение северного магнитного полюса может быть связано с высокоскоростной струей жидкого железа под Канадой 2 .

Струя, похоже, размывает и ослабляет магнитное поле под Канадой, заявил Фил Ливермор, геомагнетист из Университета Лидса, Великобритания, на собрании Американского геофизического союза. А это значит, что Канада, по сути, проигрывает магнитное перетягивание каната с Сибирью.

«Положение северного магнитного полюса, по-видимому, определяется двумя крупномасштабными участками магнитного поля, одним под Канадой и одним под Сибирью», — говорит Ливермор.«Сибирский участок выигрывает конкурс».

Это означает, что геомагнетикам всего мира будет чем заняться в обозримом будущем.

Доказательства сильного раннего магнитного поля вокруг Земли — ScienceDaily

Глубоко внутри Земли вращающееся жидкое железо создает защитное магнитное поле нашей планеты. Это магнитное поле невидимо, но жизненно необходимо для жизни на поверхности Земли: оно защищает планету от вредоносного солнечного ветра и космических лучей Солнца.

Учитывая важность магнитного поля, ученые пытались выяснить, как оно менялось на протяжении всей истории Земли. Эти знания могут дать ключ к пониманию будущей эволюции Земли, а также эволюции других планет Солнечной системы.

Новое исследование Университета Рочестера свидетельствует о том, что магнитное поле, первоначально сформировавшееся вокруг Земли, было даже сильнее, чем считали ученые ранее. Исследование, опубликованное в журнале PNAS , поможет ученым сделать выводы об устойчивости магнитного щита Земли и о том, есть ли в Солнечной системе другие планеты с условиями, необходимыми для жизни.

«Это исследование говорит нам кое-что о формировании обитаемой планеты», — говорит Джон Тардуно, Уильям Р. Кенан-младший, профессор наук о Земле и окружающей среде и декан исследований в области искусств, наук и инженерии в Рочестере. «Один из вопросов, на который мы хотим ответить, заключается в том, почему Земля развивалась так, как она развивалась, и это дает нам еще больше доказательств того, что магнитное экранирование было зафиксировано на планете очень рано».

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ СЕГОДНЯ

Сегодняшний магнитный щит создается во внешнем ядре Земли.Интенсивный жар в плотном внутреннем ядре Земли заставляет внешнее ядро, состоящее из жидкого железа, вращаться и взбиваться, генерируя электрические токи и вызывая явление, называемое геодинамо, которое приводит в действие магнитное поле Земли. На токи в жидком внешнем ядре сильно влияет тепло, вытекающее из твердого внутреннего ядра.

Из-за расположения и экстремальных температур материалов в ядре ученые не могут напрямую измерить магнитное поле.К счастью, минералы, поднимающиеся на поверхность Земли, содержат крошечные магнитные частицы, которые фиксируются в направлении и интенсивности магнитного поля в то время, когда минералы остывают из своего расплавленного состояния.

Используя новые палеомагнитные данные, данные электронной микроскопии, геохимические данные и данные палеоинтенсивности, исследователи датировали и проанализировали кристаллы циркона — старейшие из известных земных материалов — собранные на участках в Австралии. Цирконы размером около двух десятых миллиметра содержат еще более мелкие магнитные частицы, которые фиксируют намагниченность земли во время образования цирконов.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ 4 МИЛЛИАРДА ЛЕТ НАЗАД

Предыдущее исследование Тардуно показало, что магнитному полю Земли не менее 4,2 миллиарда лет, и оно существует почти столько же, сколько и сама планета. С другой стороны, внутреннее ядро ​​Земли появилось относительно недавно: согласно исследованию, опубликованному Тардуно и его коллегами ранее в этом году, оно образовалось всего около 565 миллионов лет назад.

В то время как исследователи изначально полагали, что раннее магнитное поле Земли имело слабую интенсивность, новые данные по цирконам предполагают более сильное поле.Но поскольку внутреннее ядро ​​еще не сформировалось, сильное поле, первоначально возникшее 4 миллиарда лет назад, должно было быть приведено в действие другим механизмом.

«Мы думаем, что механизм заключается в химическом осаждении оксида магния внутри Земли», — говорит Тардуно.

Оксид магния, вероятно, растворился из-за сильной жары, связанной с гигантским столкновением, сформировавшим Луну Земли. По мере того как внутренняя часть Земли охлаждалась, оксид магния мог выпадать в осадок, вызывая конвекцию и геодинамо.Исследователи считают, что внутренняя Земля в конечном итоге истощила источник оксида магния до такой степени, что магнитное поле почти полностью разрушилось 565 миллионов лет назад.

Но формирование внутреннего ядра предоставило новый источник для питания геодинамо и планетарного магнитного щита, которым сегодня обладает Земля.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ НА МАРСЕ

«Это раннее магнитное поле было чрезвычайно важным, потому что оно защищало атмосферу и удаляло воду с ранней Земли, когда солнечные ветры были наиболее интенсивными», — говорит Тардуно.«Механизм генерации поля почти наверняка важен для других тел, таких как другие планеты и экзопланеты».

Ведущая теория, например, состоит в том, что Марс, как и Земля, имел магнитное поле в начале своей истории. Однако на Марсе поле разрушилось и, в отличие от Земли, Марс не породил новое.

«Как только Марс потерял магнитное экранирование, он потерял и воду», — говорит Тардуно. «Но мы до сих пор не знаем, почему магнитное экранирование разрушилось. Раннее магнитное экранирование действительно важно, но мы также заинтересованы в устойчивости магнитного поля.Это исследование дает нам больше данных в попытке выяснить набор процессов, которые поддерживают магнитный щит на Земле».

Воздействие магнитных полей изменяет поведенческий паттерн у медоносных пчел (Apis mellifera L.) в лабораторных условиях

дои: 10.3390/ani12070855.

Принадлежности Расширять

Принадлежности

  • 1 Отдел пчеловодства, Департамент окружающей среды, гигиены и благополучия животных, Вроцлавский университет наук об окружающей среде и жизни, 25 C.К. Норвида, 51-630 Вроцлав, Польша.
  • 2 Факультет телекоммуникаций и телеинформатики, Вроцлавский университет науки и технологий, ул. Выбжезе Выспянского, 27, 50-370 Вроцлав, Польша.
  • 3 Кафедра питания человека, Вроцлавский университет экологии и наук о жизни, 25 C.K. Норвида, 51-630 Вроцлав, Польша.
Бесплатная статья ЧВК

Элемент в буфере обмена

Павел Мигдал и др.Животные (Базель). .

Бесплатная статья ЧВК Показать детали Показать варианты

Показать варианты

Формат АннотацияPubMedPMID

дои: 10.3390/ани12070855.

Принадлежности

  • 1 Отдел пчеловодства, Департамент окружающей среды, гигиены и благополучия животных, Вроцлавский университет наук об окружающей среде и жизни, 25 C.K. Норвида, 51-630 Вроцлав, Польша.
  • 2 Факультет телекоммуникаций и телеинформатики, Вроцлавский университет науки и технологий, ул., 50-370 Вроцлав, Польша.
  • 3 Кафедра питания человека, Вроцлавский университет экологии и наук о жизни, 25 C.K. Норвида, 51-630 Вроцлав, Польша.

Элемент в буфере обмена

Полнотекстовые ссылки Параметры отображения цитирования

Показать варианты

Формат АннотацияPubMedPMID

Абстрактный

Магнитное поле Земли (МП) играет важную роль в навигации многих видов, включая медоносных пчел.В настоящее время гораздо большие переменные поля излучаются различными компонентами электрической инфраструктуры, такими как трансформаторы и линии электропередач, и поэтому окружающая среда загрязняется антропогенным электромагнитным полем, хотя мало что известно о его воздействии на живые организмы. Поведение животных — это первый и самый простой способ установить воздействие стресса. Он показывает, может ли животное обнаружить воздействие и отреагировать на него. Чтобы исследовать это, однодневных пчел подвергали воздействию магнитного поля частотой 50 Гц с индукцией 1 мТл и 1.7 мТл в течение 10 мин, 1 ч и 3 ч в лабораторных условиях. Все группы, подвергшиеся воздействию магнитного поля, показали различия в поведенческих паттернах. Более того, они демонстрировали поведение, отсутствовавшее в контроле: потерю равновесия. Имелись различия, как в соотношении поведений, так и по количеству приступов-выставленные пчелы чаще меняли поведение. Возникновение различий свидетельствует о реакции организма пчелы на магнитное поле. Потеря равновесия является тревожным симптомом, а изменение поведения свидетельствует о нарушении пчелы электромагнитным полем.

Ключевые слова: поведение; электромагнитное поле; пчела; насекомое; беспозвоночные; магнитное поле; общественные насекомые.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Спонсоры не участвовали в разработке исследования; при сборе, анализе или интерпретации данных; в написании рукописи или в решении опубликовать результаты.

Цифры

Рисунок 1

Среднее время, потраченное на поведение…

Рисунок 1

Среднее время, затрачиваемое на поведение одной пчелы в 5-минутном испытании.Имя…

фигура 1

Среднее время, затрачиваемое на поведение одной пчелы в 5-минутном испытании. Название группы представляет собой сочетание времени воздействия и напряженности магнитного поля, например, 10 мин 1 мТл — пчелы подвергались воздействию в течение 10 мин при напряженности магнитного поля 1 мТл.

Рисунок 2

Среднее количество боев за…

Рисунок 2

Среднее количество подходов на одну пчелу.Все открытые группы имеют видимые отличия от…

фигура 2

Среднее количество подходов на одну пчелу. Все экспонированные группы имеют видимые отличия от контрольной группы с гораздо более высоким общим числом приступов. Детали под рис. 1.

Рисунок 3

Количество пчел в группе…

Рисунок 3

Количество пчел в группе, демонстрирующих определенное поведение (площади кругов соответствуют…

Рисунок 3

Количество пчел в группе, демонстрирующих определенное поведение (площади кружков соответствуют значениям).Общее количество наблюдаемых особей составило 9 в каждой группе. Детали под рис. 1.

Рекомендации

    1. МПБЭУ. В: Резюме для политиков оценочного отчета Межправительственной научно-политической платформы по биоразнообразию и экосистемным услугам в отношении опылителей, опыления и производства продуктов питания.Поттс С.Г., Императрис-Фонсека В.Л., Нго Х.Т., Бисмайер Дж.К., Бриз Т.Д., Дикс Л.В., Гарибальди Л.А., Хилл Р., Сеттеле Дж., Ванберген А.Дж. и др., редакторы. Секретариат МПБЭУ Межправительственной научно-политической платформы по биоразнообразию и экосистемным услугам; Бонн, Германия: 2016.
    1. Галлаи Н., Саллес Ж.-М., Сеттель Ж., Васььер Б.Е. Экономическая оценка уязвимости мирового сельского хозяйства перед лицом сокращения количества опылителей.Экол. Экон. 2009; 68: 810–821. doi: 10.1016/j.ecolecon.2008.06.014. — DOI
    1. Кляйн А.-М., Васььер Б.Е., Кейн Дж.Х., Стеффан-Девентер И., Каннингем С.А., Кремен К., Чарнтке Т. Значение опылителей в изменении ландшафта для мировых культур.проц. Р. Соц. Б биол. науч. 2007; 274:303–313. doi: 10.1098/rspb.2006.3721. — DOI — ЧВК — пабмед
    1. Браун М.Дж.Ф., Пакстон Р.Дж. Сохранение пчел: глобальная перспектива. Апидология. 2009; 40:410–416. doi: 10.1051/apido/2009019. — DOI
    1. Хигес М., Эрнандес Р.М., Меана А. Nosema ceranae в Европе: возникающий ноземоз типа С. Апидология.2010;41:375–392. doi: 10.1051/apido/2010019. — DOI

Показать все 36 ссылок

Преобразование геомагнитного поля по данным активности альфа-диапазона в человеческом мозгу

Обсуждение

Избирательность реакции

Избирательность реакций мозга на определенные направления и вращения магнитного поля можно объяснить настройкой нейронной активности на экологически значимые значения .Такая настройка хорошо известна у морских черепах в центральной части Атлантического океана, где небольшие увеличения локального геомагнитного наклона или интенсивности (которые указывают на то, что животные дрейфуют слишком далеко на север и приближаются к течениям Гольфстрима) вызывают резкие изменения направления движения, тем самым предохраняя их от смыва с их дома в Саргассово море (Light et al., 1993; Lohmann and Lohmann, 1996; Lohmann et al., 2001). Известно также, что некоторые перелетные птицы перестают реагировать на направление магнитного поля, если интенсивность окружающего поля смещается более чем на ∼25% от местных значений окружающей среды (Wiltschko, 1972), что мешает им использовать этот компас для наблюдения за геомагнитными аномалиями.Из наших экспериментов с людьми на сегодняшний день мы подозреваем, что альфа-ERD возникает у наших участников в основном в ответ на геомагнитные поля, которые отражают что-то близкое к «нормальному» в нашем регионе Северного полушария, где вектор поля поиска на север наклоняется вниз. Это могло бы объяснить, почему вращение поля со статическим восходящим компонентом вызывало слабую реакцию у участников из Северного полушария. Проведение подобных экспериментов над участниками, родившимися и выросшими в других географических регионах (например, в Южном полушарии или на геомагнитном экваторе), могло бы проверить эту гипотезу.

Еще один вопрос, касающийся селективности ответа, заключается в том, почему вращение вниз против часовой стрелки (DecDn.CCW.N), а не по часовой стрелке (DecDn.CW.N) вызывало альфа-ERD. Смещение может возникать на различных уровнях, либо на рецепторе, либо во время нейронной обработки. Структура и функция магниторецепторных клеток неизвестны, но биологические структуры проявляют хиральность (право- или леворукость) во многих пространственных масштабах, от отдельных аминокислот до комплексов свернутых белков и многоклеточных структур.Если такие зеркальные асимметрии существуют в макромолекулярном комплексе, взаимодействующем с магнетитом, они могут благоприятствовать передаче одного стимула по сравнению с противоположным. В качестве альтернативы, когнитивные процессы более высокого уровня могут настроить нервную реакцию на вращение против часовой стрелки без какой-либо предвзятости на уровне рецепторов. На момент написания этой статьи мы не можем исключить возможность того, что какая-то часть людей может иметь CW-ответ в этой или других экспериментальных парадигмах, точно так же, как некоторые люди левши, а не правши.Мы также не можем исключить существование отдельного нейронного ответа на вращение по часовой стрелке, который не отражается в сигнатуре альфа-ERD, которую мы здесь анализируем.

Функциональное значение различных ответов на CW и CCW также неясно. Это может просто возникнуть как побочный продукт в процессе эволюции и развития более экологически значимых зеркальных асимметрий (таких как Север-вверху и Север-внизу). Также может случиться так, что ответ альфа-ERD отражает ненаправленную информацию, такую ​​как предупреждение о геомагнитных аномалиях, которые могут подвергать перемещающееся животное внезапным сдвигам магнитного поля, сравнимым с теми, которые использовались в наших экспериментах.Вход в локальные аномалии и выход из них подвергают животных противоположным сдвигам поля, а чувствительности к одному из парных направлений смещения достаточно для обнаружения аномалии. Например, вулканические или магматические террейны подвержены полям таких аномалий из-за перемагничивания ударами молнии (Carporzen et al., 2012). Животное, движущееся через магнитные объекты такого рода, получит серию предупредительных сигналов против использования магнитного поля для дальней навигации. Будущие эксперименты могли бы проверить это предположение, проверив интенсивность поля через значения, соответствующие значениям удара молнии и другим аномалиям, чтобы проверить наличие асимметричных паттернов альфа-ERD.

Последний вопрос заключается в том, возникает ли асимметрия реакции только в пассивных экспериментах, когда участники испытывают магнитную стимуляцию, не пытаясь использовать информацию. Известно, что нейронная обработка в других сенсорных областях различается по своей настройке в зависимости от поведения или состояния внимания организмов (Fontanini and Katz, 2008). Поведенческие задачи, такие как оценка направления или вращения поля с записью ЭЭГ, могут использоваться для более подробного изучения магнитосенсорной системы и определения того, влияет ли это на избирательность ответа.

Общее обсуждение

Как отмечалось выше, в прошлом было предпринято много попыток проверить наличие у человека магниторецепции с помощью поведенческих анализов, но результаты были неубедительными. Чтобы избежать когнитивных и поведенческих артефактов, присущих тестированию слабых или подсознательных сенсорных реакций, мы решили использовать методы ЭЭГ, чтобы напрямую увидеть, есть ли у человеческого мозга пассивные реакции на изменения магнитного поля. Наши результаты показывают, что человеческий мозг действительно собирает и выборочно обрабатывает данные, поступающие от рецепторов магнитного поля.Это вызывает реакцию мозга, избирательную в отношении направления и вращения поля, с паттерном нейронной активности, который можно измерить на групповом уровне и воспроизвести у сильно реагирующих людей. Избирательность реакции благоприятствовала экологически обоснованным стимулам, различая вращения с одинаковой скоростью и величиной. Это указывает на то, что эффект обусловлен биологически настроенным механизмом, а не каким-то общим физическим влиянием. Такая нейронная активность является необходимой предпосылкой для любого последующего поведенческого проявления магниторецепции и представляет собой отправную точку для проверки существования такого выражения.

Тот факт, что альфа-ERD вызывается по специфической и четко очерченной схеме, позволяет нам делать выводы о биофизических механизмах передачи сигнала. Примечательно, что ответ альфа-ERD четко различался между наборами стимулов, отличающимися только их статическими или полярными компонентами. Электрическая индукция, электрические артефакты и механизмы квантового компаса совершенно нечувствительны к этим компонентам и не могут объяснить избирательность зарегистрированных нами ответов мозга.Напротив, ферромагнитные механизмы могут быть очень чувствительны как к статической, так и к полярной компонентам поля и могут различать наши тестовые стимулы с разными ответами. В простейшей форме крутящий момент (= u × B ) цепочки кристаллов магнетита («цепочка магнитосом», как у магнитотактических бактерий) может открывать и закрывать трансмембранные ионные каналы. Несколько биофизических анализов показали, что это наиболее вероятный механизм (Kirschvink, 1992a; Winklhofer and Kirschvink, 2010).Наконец, механизмы навигации, основанные на магнетите, были охарактеризованы у животных с помощью нейрофизиологических (Walker et al., 1997), гистологических (Diebel et al., 2000) и исследований импульсного перемагничивания (Kirschvink and Kobayashi-Kirschvink, 1991; Wiltschko et al. al., 1994, 1998, 2002, 2007, 2009; Wiltschko and Wiltschko, 1995b; Beason et al., 1997; Munro et al., 1997a, b; Irwin and Lohmann, 2005; Holland et al., 2008; Holland, 2010; Holland and Helm, 2013; Ernst and Lohmann, 2016), а в тканях человека обнаружен биогенный магнетит (Kirschvink et al., 1992; Данн и др., 1995; Кобаяши и Киршвинк, 1995 г.; Шультейсс-Грасси и др., 1999; Махер и др., 2016; Гилдер и др., 2018).

Эти данные убедительно доказывают наличие механизма геомагнитной трансдукции, сходного с механизмом у многочисленных мигрирующих и самонаводящихся животных. Однодоменные ферромагнитные частицы, такие как магнетит, непосредственно реагируют как на изменяющиеся во времени, так и на статические магнитные поля и чувствительны к полярности поля. На клеточном уровне магнитомеханическое взаимодействие между ферромагнитными частицами и геомагнитным полем значительно выше теплового шума (Киршвинк и Гулд, 1981; Киршвинк и др., 2010), в некоторых случаях сильнее на несколько порядков (Eder et al., 2012). У многих животных были обнаружены механизмы трансдукции, основанные на магнетите, и показано, что они необходимы для навигационного поведения, посредством нейрофизиологических и гистологических исследований (Walker et al., 1997; Diebel et al., 2000). Естественным продолжением этого исследования было бы применение методов импульсного перемагничивания, используемых на животных, для непосредственного тестирования элемента ферромагнитной трансдукции у людей. В этих экспериментах короткий магнитный импульс вызывает изменение магнитной полярности однодоменных кристаллов магнетита.Ожидается, что после такого лечения физиологические и поведенческие реакции на геомагнитное поле изменят полярность. Эти эксперименты могли бы обеспечить измерения микроскопической коэрцитивной силы вовлеченных кристаллов магнетита и, следовательно, сделать предсказания относительно физического размера и формы кристаллов и, возможно, их физиологического положения.

На данный момент наблюдаемое нами снижение мощности альфа-диапазона является четким нейронным сигнатурой кортикальной обработки геомагнитного стимула, но его функциональное значение неизвестно.По форме активность представляет собой ответ альфа-ERD, напоминающий те, которые обнаруживаются в других исследованиях ЭЭГ сенсорной и когнитивной обработки. Однако ответы альфа-ERD, обнаруженные в литературе, принимают ряд различных пространственно-временных форм и связаны с множеством функций. Вполне вероятно, что альфа-ERD, наблюдаемый здесь, отражает внезапное привлечение ресурсов нейронной обработки, так как это общий вывод во всех исследованиях. Но потребуются дополнительные исследования, чтобы увидеть, относится ли это более конкретно к ранее изученным процессам, таким как доступ к памяти или задействование ресурсов внимания.

Кроме того, ответ альфа-ERD является довольно широким признаком нейронной активности: очевидной особенностью сложного массива нервных процессов. Необходимо исследовать множество восходящих и нисходящих процессов, чтобы выявить сеть ответов и информацию, которую они кодируют. Также могут возникать ответы, независимые от сигнатуры альфа-ERD, и эти ответы могут демонстрировать разные модели избирательности и отражать особенности стимула, не выявленные в этом исследовании. Отражает ли магниторецептивная обработка человека полное представление о навигационном пространстве? Содержит ли он определенные предупреждающие сигналы относительно магнитных аномалий? Или некоторые аспекты выродились из системы предков? На данный момент альфа-ERD остается пустой подписью для более широкого, неисследованного диапазона магниторецептивной обработки.

Наша экспериментальная методология отличается от предыдущих исследований рядом способов, которые могут объяснить их отрицательные или двусмысленные результаты. Во-первых, в предыдущих исследованиях ЭЭГ (Boorman et al., 1999; Sastre et al., 2002) часто использовались стимулы за пределами диапазона окружающей среды. В то время как сенсорные системы обычно проявляют специфичность реакции и нейронную настройку на местную среду (Block, 1992), они могут быть менее реагирующими или не реагирующими на неестественные стимулы. Например, в четырех из семи условий Sastre et al.(2002; A, B, C и D), использованная напряженность поля (90 мкТл) была в два раза выше, чем окружающее магнитное поле в Канзас-Сити (45 мкТл), и была значительно выше изменений интенсивности, которые, как известно, заставляют птиц игнорировать геомагнитные поля. реплики (Вильчко, 1972). Другие небазовые условия в Sastre et al. (2002), смоделированные условия на Северном и Южном полюсах.

Кроме того, широко используемые методы анализа ЭЭГ претерпели ряд изменений за прошедшие годы. Частотно-временной анализ с использованием вейвлет-методов теперь является стандартным в большинстве аналитических пакетов и позволяет аналитику исследовать изменяющиеся во времени колебания мощности в диапазоне задержек.Напротив, прямое применение преобразований Фурье к данным ЭЭГ обеспечивает средние уровни мощности в пределах больших предопределенных эпох. Чтобы проверить влияние этих различий на алгоритмы анализа данных, мы проанализировали наши данные, используя методы Sastre et al. (2002). Эти анализы не выявили каких-либо существенных различий в общей мощности или мощности отдельных полос между любым из наших условий. Это говорит о том, что, если нейронные ответы присутствовали у Sastre et al. (2002), они, возможно, не были обнаружены с помощью анализов, использовавшихся в то время.

Недавние исследования также показали, что радиочастотный (Rf) шум может вносить путаницу в исследования магниторецепции. Было показано, что воздействие РЧ-шума отключает магниторецепцию у птиц и других животных (Engels et al., 2014; Landler et al., 2015; Wiltschko et al., 2015; Tomanova, Vacha, 2016). Теоретически это позволяет животным справляться с природными явлениями, такими как солнечные бури, из-за которых магнитное поле становится ненадежным в качестве навигационного сигнала. Эквивалентные уровни шума Rf также часто присутствуют в нашей современной среде.Таким образом, эксперименты, проводимые в неэкранированных условиях, могут давать отрицательные или колеблющиеся результаты из-за неконтролируемого облучения Rf.

Наконец, необходимо провести концептуальное различие между исследованиями, изучающими потенциальные риски для здоровья, связанные с электромагнитными полями, и нашим текущим исследованием, посвященным нейронной трансдукции. Первый ищет физически обусловленные воздействия (обычно высокоэнергетических) полей, тогда как мы ищем биологически обусловленные реакции на поля окружающей среды. Поля высокой энергии, конечно, могут индуцировать токи или даже вызывать повреждение нервной ткани.Однако то, что мы находим в нашем исследовании, свидетельствует о действии биологического механизма из-за его избирательной реакции среди энергетически эквивалентных стимулов. Результаты предполагают нейронную реакцию, которая была настроена естественным отбором, чтобы отличать экологически значимые стимулы магнитного поля от других стимулов, которые не могут быть обнаружены естественным образом в местной среде.

Будущие эксперименты должны изучить, как магниторецептивная обработка взаимодействует с другими сенсорными модальностями для определения ориентации поля.Наши экспериментальные результаты предполагают сочетание магнитного и позиционного сигнала (например, по-разному реагируют на поля «Север вверху» и «Север внизу»). Однако мы не можем сказать, использует ли этот позиционный сигнал систему отсчета, установленную ощущением гравитации (как у птиц), или он выровнен по отношению к человеческому телу. Нейронная обработка магнитных сигналов с помощью гравитационных сенсорных сигналов, возможно, может быть решена путем модификации испытательной камеры, позволяющей участнику отдыхать в разных ориентациях по отношению к силе тяжести, или путем проведения экспериментов в условиях невесомости.

Другие интересующие мультимодальные взаимодействия могут также возникать с вестибулярными ощущениями, учитывая их роль в восприятии ориентации и вращения тела. В экспериментах, представленных здесь, у участников должны были быть сильные вестибулярные сигналы, говорящие о том, что они находятся на одном уровне и неподвижны. Это могло подавлять конфликтующие магнитные сигналы или давать сигналы об ошибках. Будущие эксперименты могли бы манипулировать вестибулярными входами, чтобы проверить взаимодействие с реакциями магнитного поля, что могло бы помочь нам интерпретировать то, что кодируют эти реакции.

Будущие исследования должны также изучить индивидуальные различия в реакции трансдукции. В пуле участников мы обнаружили несколько высокочувствительных лиц, у которых альфа-ERD оказался стабильным во времени: 4 участника сильно реагировали на уровне p <0,01 при повторном тестировании в течение недель или месяцев. Повторяемость у этих участников предполагает, что альфа-ERD не возник из-за случайных колебаний в одном прогоне, а вместо этого отражает последовательную индивидуальную характеристику, измеримую в нескольких прогонах.Более широкий опрос людей может выявить генетические/развитие или другие систематические различия, лежащие в основе этих индивидуальных различий.

Диапазон индивидуальных ответов может быть частично связан с вариациями в основных механизмах альфа-ERD, а не с основной магниторецептивной обработкой. Однако у некоторых участников с высокой альфа-мощностью в состоянии покоя альфа-ERD была очень низкой по отношению к вращению магнитного поля, что позволяет предположить, что степень самой магниторецептивной обработки варьируется у разных людей.Если это так, отдельные человеческие популяции могут стать хорошими объектами для будущих исследований. Например, исследования в области сравнительной лингвистики выявили удивительное количество человеческих языков, которые опираются на кардинальную систему референтных сигналов окружения (например, север, юг, восток, запад) и не имеют эгоцентрических терминов, таких как передний, задний, левый и правый. Haviland, 1998; Levinson, 2003; Meakins, 2011; Meakins and Algy, 2016; Meakins et al., 2016). Носители таких языков, например, будут относиться к соседнему дереву как к северу от них, а не перед ними; они будут относиться к своим частям тела таким же образом.Люди, которые с раннего возраста воспитывались в лингвистических, социальных и пространственных рамках, используя основные опорные сигналы, могли установить ассоциативные связи с геомагнитными сенсорными сигналами, чтобы помочь в повседневной жизни; действительно, лингвисты предположили, что в этом может быть задействован человеческий магнитный компас (Levinson, 2003). Было бы интересно протестировать таких людей, используя наши недавно разработанные методы, чтобы увидеть, могут ли такие геомагнитные сигналы уже быть закодированы более строго, помогая им использовать основную систему отсчета.

За 199 лет, прошедших с тех пор, как датский физик Ганс Христиан Эрстед открыл электромагнетизм (март 1820 г.), человеческие технологии все чаще используют его. Большинству людей больше не нужно полагаться на внутреннее чувство навигации для выживания. В той мере, в какой мы используем чувство абсолютного направления в нашей повседневной жизни, внешние сигналы, такие как ориентиры и сетка улиц, могут служить руководством. Даже если человек обладает неявной магниторецептивной реакцией, он, вероятно, будет сбит с толку неиспользованием и вмешательством нашей современной среды.Особенно ярким примером является использование сильных постоянных магнитов как в бытовых, так и в авиационных гарнитурах, большинство из которых создают статические поля через голову, в несколько раз превышающие окружающее геомагнитное поле. Если у магниторецептивной реакции есть функциональное значение, она будет иметь наибольшее влияние в ситуациях, когда другие сигналы бедны, например, при морской и воздушной навигации, где пространственная дезориентация является удивительно стойким событием (Poisson and Miller, 2014).Текущие данные альфа-ERD обеспечивают отправную точку для изучения функциональных аспектов магниторецепции путем использования различных поведенческих задач в различных сенсорных условиях.

Synthesis

Рецензирующий редактор: Леонард Малер, Университет Оттавы

Решения обычно принимаются рецензентом и рецензентами, которые собираются вместе и обсуждают свои рекомендации до тех пор, пока не будет достигнут консенсус. Когда предлагается внести изменения, ниже будет приведено основанное на фактах сводное заявление, объясняющее их решение и излагающее, что необходимо для подготовки пересмотра.Следующие рецензенты согласились раскрыть свою личность: Майкл Винклхофер, Эрик Уоррант.

Комментарии редакции.

Авторов можно поздравить. И рецензенты, и редактор согласились, что это очень хорошая работа; большое внимание было уделено средствам контроля, поэтому результаты установили новый стандарт в этой области. Эта статья будет широко цитироваться, и ее последствия найдут отклик как у нейробиологов, так и у общественности.

Оба рецензента обнаружили некоторые моменты, требующие внимания авторов.Однако исправления не потребуют повторной проверки, а только проверки редактором. Пожалуйста, убедитесь, что у вас есть явный «ответ на комментарии» и исправленная версия вашей версии.

Я кратко изложу основные моменты пересмотра, согласованные рецензентами. Я также включаю все тщательные подробные комментарии, потому что они окажутся полезными при пересмотре Ms.

Асимметрия ответов по часовой и против часовой стрелки означает, что ответы ЭЭГ вряд ли были вызваны артефактами индукции.Было бы очень интересно посмотреть, важна ли латерализация при обсуждении асимметрии CW-CCW.

Повороты головы вправо могут быть важны для восприятия магнитного поля (и независимо от того, связано ли это с преимущественной леворукостью или праворукостью).

Авторы должны показать кривую с полосовым фильтром (во временной области), а также типичный связанный с индукцией артефакт для CW и CCW стимулов (опять же во временной области).Это было бы полезно для читателей, незнакомых с техникой ЭЭГ.

Было бы очень полезно использовать карты цветов в Matlab, чтобы увеличить визуальное воздействие своих данных.

Reviewer #1

Ряд позвоночных обладают магнитным чутьем, которое позволяет им ориентироваться в магнитном поле Земли. Хотя современные люди, как известно, не воспринимают магнитное поле сознательно, у них все еще могут быть рудиментарные структуры, которые опосредуют некоторые подсознательные реакции на

магнитных полей (МП) земной силы.Более раннее исследование ЭЭГ Sastre et al. 2002 не нашел убедительных доказательств таких ответов, то есть только статистически заметные эффекты наблюдались в условиях «Северного полюса» в низкочастотных диапазонах (дельта/тета), где спектральная мощность была выше по сравнению с фоновым воздействием. Эти эффекты считались ложными, очевидно, потому, что вариабельность спектральной мощности обычно была больше в разных условиях испытаний (изменения геометрии поля), чем в условиях воздействия (испытание против имитации).

Авторы настоящей рукописи приложили огромные усилия для реализации строго контролируемых электромагнитных условий испытаний в своих испытательных камерах, где они выполнили записи ЭЭГ в общей сложности 34 добровольцев полностью вслепую.Они сообщают об интригующем влиянии изменений МП на альфа-колебания, мощность которых падает, когда склонение (то есть горизонтальная составляющая магнитного поля) смещается против часовой стрелки, но не по часовой стрелке (и когда наклонение направлено вниз, как в северном полушарии). Наблюдаемый эффект наиболее выражен спереди и неотличим от хорошо известного паттерна ЭЭГ, так называемой событийной альфа-десинхронизации, которая обычно возникает, когда нейроны переключаются с ритмической активности на режим обработки в ответ на поступающую (сенсорную) информацию.Диаграммы спектральной эволюции показывают, что эффект не проявляется сразу после стимуляции и имеет относительно короткую продолжительность (0,2 с), так что он остался бы незамеченным, если бы кто-то применил только общий подход анализа спектра Фурье Sastre et al. 2002. 

Отклик CCW очевиден (например, рис. 4, фильмы SI), воспроизводим (рис. 4C, 7) и статистически обоснован (рис. 5b), хотя остается загадкой, почему сдвиг CW не вызывает похожие нейронные реакции. С другой стороны, эта асимметрия означает, что ответы ЭЭГ вряд ли были вызваны артефактами индукции.

Чтобы ограничить механизм, с помощью которого магнитное поле воспринимается первичными чувствительными нервами, авторы провели несколько тестов на основе аргументов симметрии, изображенных на рис.3. Механизм магниторецепции, основанный на паре радикалов (квантовый компас), будет по своей сути аксиальным и должен демонстрировать антиподальную симметрию, в то время как индукция будет давать неразличимый ответ на идентичные изменения вектора B (уравнения 1 и 2). Оба теста были отрицательными (т.е. нулевая гипотеза о неразличимых откликах не могла быть опровергнута), так что авторы выделяют магнетитовый механизм.Рецепторы крутящего момента на основе магнетита, характеризуемые векторным произведением m x B, не поддаются таким тестам на симметрию, потому что, как правило, невозможно найти второй B-вектор, который дает то же самое векторное произведение m x B для N произвольно ориентированных m векторов в популяции N сенсорные клетки. Альтернативный детектор крутящего момента, который просто измеряет величину крутящего момента, ведет себя аксиально (Winklhofer & Kirschvink 2010), может быть исключен на основании теста отрицательной аксиальности («квантовый компас»). Еще один альтернативный детектор магнетита, который измеряет скорость изменения крутящего момента, m x дБ/dt, может быть исключен на основании теста на отрицательную индукцию (применяется идентичное изменение дБ/dt, но с другой ориентацией вектора B, что дает разные векторы крутящего момента). несмотря на одинаковую скорость изменения крутящего момента).

Остается надлежащий рецептор крутящего момента, чувствительный к общему вектору крутящего момента.

Лингвистические аспекты общего обсуждения статьи, конечно, на данном этапе носят спекулятивный характер, но, тем не менее, очень интересны. Параграф о латерализации был бы интересным дополнением при обсуждении асимметрии CW-CCW. В кадре, ориентированном на голову, поворот головы вправо (по часовой стрелке) эквивалентен сдвигу магнитного поля против часовой стрелки и наоборот, что может свидетельствовать о том, что повороты головы вправо важны для восприятия магнитного поля.Кинсбурн (1972, Наука) наблюдал повороты головы, когда испытуемым приходилось решать когнитивные задачи, и обнаружил, что направление поворота головы зависит от типа задачи (вербальная или пространственная), с обратными результатами для левшей и правшей. Имея это в виду, я бы посоветовал авторам выяснить, были ли люди, реагирующие на полевые сдвиги против часовой стрелки, преимущественно левшами или правшами.

Таким образом, в статье представлены впечатляющие результаты и первое свидетельство магниторецепции человека, полученное в тщательно контролируемых условиях.Авторы минимизировали все известные артефакты и очень подробно описывают экспериментальную установку и процедуры, так что в принципе любой может участвовать в исследовании репликации. Поэтому я настоятельно рекомендую публикацию после того, как будут учтены некоторые второстепенные моменты, указанные ниже: 

1) и, что наиболее важно: авторы должны показать кривую с полосовым фильтром (т. е. во временной области) (например, для электрода Fz) , чтобы дать читателям представление о том, насколько сильно альфа-полоса «выравнивается» в ответ на DecDn.Стимул CCW.N из-за снижения мощности на 1 дБ (рис. 5.b) не оказывает значительного влияния на аутсайдеров ЭЭГ, хотя это типичное снижение, наблюдаемое при ERD альфа ЭЭГ (1 дБ соответствует 25%).

Наряду с этим авторы также должны показать типичные артефакты, связанные с индукцией, как для CW, так и для CCW стимулов, также во временной области.

2) Рис. 5A-C, пожалуйста, не показывайте гистограммы, а либо диаграммы, либо точки со средним значением и S.D.

3) Результаты повторных измерений AOV (табл. 1).2 размер эффекта после Фридмана 1968?

4) Рис. 4 A,B Используемая яркая цветовая схема (matlab ‘jet’?) подходит. но не идеально, потому что порядок цветов не воспринимается, см.

Rainbow Colormaps – What are they good for? Absolutely nothing!

Для этого Причина в том, что Matlab заменил jet на parula в цветовой карте по умолчанию.

5) При обсуждении предполагаемого механизма трансдукции было бы полезно показать уравнение крутящего момента m x b, возможно, с наброском магнетитового механизма.

6) Ссылки: 

Что касается разработки биомагнитных экспериментов, эти две ссылки также полезны 

Schwarze et al. 2016 ( 10.3389/fnbeh.2016.00055 )

Kirschvink et al. 2010 (10.1098/rsif.2009.0491.focus).

7) При обсуждении того, почему Sastre et al. 2002 г., возможно, были упущены эффекты МП (стр. 27), авторы настоящего исследования предлагают несколько объяснений, из которых использование техники спектрального анализа без временного разрешения является наиболее правдоподобным (хотя программа вейвлет-анализа Matlab Торренса и Компо (1998, Бык.амер. Метеор. соц.) были бы доступны тогда… ).

Другое возможное объяснение, использующее функциональное окно параметров магнитного поля, более умозрительно. Условия в Sastre et al. исследования не были настолько сильно ненормальными по сравнению с трехкратной силой магнитного поля земного поля, которую Уокер и др. 1997 (Nature) подали заявку на выявление нейронов, реагирующих на МФ, у форели (опосредованных предполагаемым рецептором магнетита). У птиц Heyers et 2010 (PNAS) обнаружили сильную активацию нейронов в ядрах ствола головного мозга тройничного нерва, когда напряженность окружающего поля изменялась от половины до двукратного значения напряженности окружающего пространства.Это означало бы, что ненормальные поля отбрасываются в более высоком центре интеграции, если они вообще отбрасываются. До сих пор единственное доказательство функционального окна относится к реакциям компаса наклона, опосредованным предполагаемыми молекулами радикальных пар.

Reviewer #2

В этом весьма примечательном исследовании авторы проводят тщательно контролируемые эксперименты по изучению активности мозговых волн людей в ответ на определенные повороты наклона и склонения магнитного поля силы Земли.Амплитуда этой активности мозговых волн — альфа-колебания ЭЭГ между 8 и 13 Гц, называемая десинхронизацией, связанной с альфа-событием (альфа-ERD), — значительно снизилась у некоторых (но, что интересно, не у всех) участников-людей в результате горизонтальных вращений магнитного поля. когда статическая вертикальная составляющая поля была направлена ​​вниз (как в северном полушарии), а не когда она была направлена ​​вверх. Кроме того, амплитуда альфа-ERD также снижалась при вращении по склонению против часовой стрелки (с наклоном вниз).Однако при вращении по часовой стрелке или с наклоном вверх амплитуда альфа-ERD оставалась неизменной. Поскольку снижение амплитуды альфа-ERD ранее измерялось в реакциях человека на стимуляцию другими сенсорными модальностями, авторы заключают, что изменения амплитуды альфа-ERD, которые они измерили в ответ на специфические изменения в магнитном поле силы Земли, подразумевают, что некоторые поэтому люди обладают способностью как ощущать, так и преобразовывать это поле. Интересно, что эта способность приходит без сознательного восприятия магнитного поля, открытие, которое, как предполагают авторы, может выявить остатки унаследованного от предков магнитного чувства, которое мы больше не используем.

Авторы смогли дополнительно сузить возможный сенсорный механизм, используемый людьми для обнаружения магнитного поля Земли. Они показывают, что изменения амплитуды альфа-ERD зависели от полярности поля, а это означает, что квантовая гипотеза магнитного восприятия не может объяснить эти результаты. Дальнейшие эксперименты показали, что нейронная реакция была чувствительна к статическим компонентам поля, показывая, что электрическая индукция (которая зависит от динамических компонентов) также не может объяснить результаты.Таким образом, авторы делают вывод, что механизм, основанный на биогенном магнетите, остается единственным механизмом магнитной рецепции, который мог бы обслуживать магнитное чувство человека.

Обычно такие результаты считались бы весьма спорными, особенно в свете довольно бурной истории исследований предполагаемого магнитного чувства у людей. Тем не менее, я был впечатлен строгостью и тщательностью, с которой проводилось это исследование. Были предприняты огромные усилия, чтобы устранить очевидные потенциальные источники артефактов (и почти треть рукописи посвящена объяснению того, как они были устранены).Система с двойной обмоткой позволяла проводить эксперименты с фиктивным контролем, экспериментальная комната была хорошо экранирована от внешних источников радиопомех, все потенциально шумное оборудование располагалось на расстоянии 20 м от аппарата, а в экспериментальную зону допускались только немагнитные материалы. зона. Кроме того, в центре катушек непрерывно проводились точные измерения поля, а также с помощью самого современного оборудования измерялись незначительные уровни радиочастотного шума. Совершенно очевидно, что экспериментаторы точно знали, что они делали, что, к сожалению, не всегда бывает в этой области.Таким образом, я доверяю качеству стимуляции, которую они предоставили. Результаты, которые они получили с помощью этих стимулов, также кажутся надежными, хотя я признаюсь, что не знаком с методами ЭЭГ и не могу судить о качестве или достоверности измерений, которые они сделали с помощью этих методов. Однако если предположить, что амплитуды альфа-ERD были правильно измерены, то мой вывод состоит в том, что результаты исследования весьма значимы и представляют большой интерес для научного сообщества.Очевидно, что эти результаты вызывают больше вопросов, чем дают ответов, и я уверен, что это исследование вызовет новую волну исследований этого любопытного (но, вероятно, неиспользованного) человеческого чувства.

Рукопись хоть и объемная, но прекрасно написана и проиллюстрирована. Я нашел только одну опечатку, и характер моих (очень немногочисленных) комментариев ниже вызван скорее любопытством, чем критикой.

1. Строка 512. Вы показываете, что только некоторые люди нервно реагируют на изменения магнитного поля и что они обладают высокой альфа-мощностью в состоянии покоя.Является ли это постоянным состоянием, присутствующим у некоторых людей, или оно меняется от одного дня к другому или от одного времени года к другому, от одного эмоционального состояния к другому? Другими словами, возможно ли, чтобы все люди могли отреагировать, если были в правильном «настроении»?

2. Исходя из этого вопроса, как обстоят дела с измерениями амплитуды альфа-ERD при стимуляции другими сенсорными модальностями? Это также тот случай, когда только некоторые люди показывают реакцию, а другие нет? Или дело в том, что все люди демонстрируют сильную реакцию, и это потому, что зрение или слух (скажем) являются гораздо более важными чувствами для людей? Может случиться так, что большее количество случайных ответов, которые вы зафиксировали во время магнитной стимуляции, может быть просто связано с недостаточной важностью магнитного чувства у людей.Возможно, это стоит обсудить в Обсуждении.

3. Строка 712. Вставить «at» после «возникать».

4. Строка 806: «предыдущий», а не «предыдущий» 

5. Строки 870–876: Эти наблюдения о племенах коренных жителей, описывающие расположение объектов относительно ориентиров окружающей среды, интересны, но потенциально есть и другие доступные сигналы. чем магнитное поле Земли для различения таких сигналов. К ним относятся небесные сигналы, такие как солнце днем ​​или звезды ночью.

6. Рис. 4С. Я не могу видеть розовые вертикальные линии, упомянутые на этом рисунке, и даже упомянутые белые контуры трудно увидеть. Можно ли их улучшить?

Ответ автора

Обобщение обзоров:

Заявление о значимости Комментарии для автора (обязательно):

OK

Комментарии к визуальному тезису для автора (обязательно):

Автор

Н/Д

Обобщенное заявление для ):

Комментарии редакции.

Авторов можно поздравить. И рецензенты, и редактор согласились, что это очень хорошая работа; большое внимание было уделено средствам контроля, поэтому результаты установили новый стандарт в этой области. Эта статья будет широко цитироваться, и ее последствия найдут отклик как у нейробиологов, так и у общественности.

Спасибо.

Оба рецензента обнаружили некоторые моменты, требующие внимания авторов. Однако исправления не потребуют повторной проверки, а только проверки редактором.Пожалуйста, убедитесь, что у вас есть явный «ответ на комментарии» и исправленная версия вашей версии.

Наши «ответы на комментарии» выделены этим синим шрифтом после каждого комментария, а

«помеченные» исправления записываются в режиме «Отслеживание изменений» в прилагаемой версии документа MS Word (Wang_etal_REVISED_tracked.docx)

I кратко изложит основные моменты пересмотра, согласованные рецензентами. И я также включаю все тщательные подробные комментарии, потому что они окажутся полезными при пересмотре миссии.

Асимметрия ответов CW и CCW означает, что ответы ЭЭГ вряд ли были вызваны артефактами индукции. Было бы очень интересно посмотреть, важна ли латерализация при обсуждении асимметрии CW-CCW.

Мы согласны, но пока это не похоже на информацию о левшей и правшах, предоставленную нам участниками нашего эксперимента. Эта асимметрия по часовой и против часовой стрелки сильно проявляется в текущей экспериментальной парадигме, но мы не удивимся, если дальнейшие исследования обнаружат случайных субъектов, которые реагируют на оба или на противоположный паттерн.Конечно, можно было бы ожидать, что субъекты, живущие на геомагнитном экваторе, где поле горизонтально, или в Южном полушарии, где магнитный вектор направлен на север, будут иметь разные модели реакции. Это одно из многообещающих направлений будущего, выходящее за рамки нашего настоящего исследования.

Повороты головы вправо могут быть важны для восприятия магнитного поля (и независимо от того, связано ли это с преимущественной леворукостью или праворукостью).

Хотя наши объекты сидят в темноте, мы постоянно наблюдаем за ними с помощью ИК-видеокамеры. Мы никогда не замечали, чтобы испытуемые поворачивали головы — большинство просто сидели с закрытыми глазами. Движения головы такого рода также генерировали бы характерные паттерны ЭЭГ в самых дистальных электродах, которые находятся ближе всего к мышцам, контролирующим ориентацию головы, и они проявлялись бы как отдельный (не альфа-ERD) ответ при фиксации во времени с помощью магнитной сигнатуры. .

В наших данных их нет.Сказав это, однако, все же может быть интересно посмотреть, сможет ли участник улучшить свои характеристики различения, повернув голову (или весь туловище). Опять же, это выходит за рамки данного исследования.

Авторы должны показать кривую с полосовым фильтром (во временной области), а также типичный связанный с индукцией артефакт для CW и CCW стимулов (опять же во временной области). Это было бы полезно для читателей, незнакомых с техникой ЭЭГ.

Мы согласны. Мы добавили рисунок в МС (новый рисунок 4), который содержит во временной области одиночные пробные следы типичного индивидуального ответа ЭЭГ на эксперименты с разверткой по наклону и склонению, а также сравнение со стандартным фантомом ЭЭГ (мускусной дыней), который позволяет читателю четко увидеть разницу между краткими электрическими артефактами и типичным паттерном альфа-волн для мозга со слабыми и сильными паттернами альфа-волн.

Описание этого было добавлено к тексту в строках 161-168 следующим образом:

«Приведены примеры однократной, временной, полосовой фильтрации (1-50 Гц) кривых ЭЭГ на электроде Fz на Рисунке 4. На Рисунке 4А показан артефакт во время наклонного вращения, измеренный у мускусной мускусной дыни и человека. Артефакт обнаруживается в одиночных испытаниях у участников с низкой мощностью альфа-канала (как показано), но его трудно увидеть у участников с высокой мощностью альфа-канала. На рисунке 4B показан артефакт индукции во время вращения по склонению, который имеет меньшее ¶B/¶t и создает меньший артефакт.Артефакт виден на рефлектограмме мускусной дыни, но, как правило, не виден в однократной ЭЭГ человека

».

Также в разделе «Результаты» в строках 541-544 мы добавляем:

«Рисунок 4B показывает образец кривой напряжения ЭЭГ, который содержит такое падение мощности альфа-канала. Карты частотно-временной мощности на рис. 5 представляют собой средние данные по перекрестным испытаниям и показывают, как спектральная мощность, содержащаяся в кривой ЭЭГ, менялась во времени. Падения силы изображены темно-синим цветом. ”

Было бы очень полезно использовать карты цветов в Matlab, чтобы увеличить визуальное воздействие своих данных.

Мы снова согласны. Вместо того, чтобы использовать карту радужного цвета по умолчанию на графиках, сгенерированных Matlab, на наших текущих рисунках, мы изменили графики и видео, чтобы использовать сине-желтую карту parula, подходящую для дальтоников. Это потребовало нескольких изменений цветовой терминологии по всему тексту, которые были «отслежены», а также изменения шкалы db с +/-4 до +/-3 на цветовых картах.

Reviewer #1

Ряд позвоночных обладают магнитным чутьем, которое позволяет им ориентироваться в магнитном поле Земли.Хотя известно, что современные люди не воспринимают магнитное поле сознательно, у них все еще могут быть рудиментарные структуры, которые опосредуют некоторые подсознательные реакции на магнитные поля (МП) земной силы. Более раннее исследование ЭЭГ Sastre et al. 2002 не нашел убедительных доказательств таких ответов, то есть только статистически заметные эффекты наблюдались в условиях «Северного полюса» в низкочастотных диапазонах (дельта/тета), где спектральная мощность была выше по сравнению с фоновым воздействием. Эти эффекты считались ложными, очевидно, потому, что вариабельность спектральной мощности обычно была больше в разных условиях испытаний (изменения в геометрии поля), чем в условиях воздействия (испытание против имитации).

Согласен.

Авторы настоящей рукописи приложили огромные усилия для реализации строго контролируемых электромагнитных условий испытаний в своих испытательных камерах, где они выполнили записи ЭЭГ в общей сложности 34 добровольцев полностью вслепую. Они сообщают об интригующем влиянии изменений МП на альфа-колебания, мощность которых падает, когда склонение (то есть горизонтальная составляющая магнитного поля) смещается против часовой стрелки, но не по часовой стрелке (и когда наклонение направлено вниз, как в северном полушарии).Наблюдаемый эффект наиболее выражен спереди и неотличим от хорошо известного паттерна ЭЭГ, так называемой событийной альфа-десинхронизации, которая обычно возникает, когда нейроны переключаются с ритмической активности на режим обработки в ответ на поступающую (сенсорную) информацию. Диаграммы спектральной эволюции показывают, что эффект не проявляется сразу после стимуляции и имеет относительно короткую продолжительность (0,2 с), так что он остался бы незамеченным, если бы кто-то применил только общий подход анализа спектра Фурье Sastre et al.

2002.

Согласен.

Реакция CCW очевидна (например, рис. 4, фильмы SI), воспроизводима (рис. 4C, 7) и статистически обоснована (рис. 5b), хотя остается загадкой, почему сдвиг CW не вызывает подобных нейронных ответы. С другой стороны, эта асимметрия означает, что ответы ЭЭГ вряд ли были вызваны артефактами индукции.

Согласен по обоим пунктам. Мы считаем более вероятным, что эта асимметрия возникает на уровне нейронной обработки, а не на этапе биофизической трансдукции.Следовательно, мы могли бы найти другие модели с магнитным влиянием, которые не имеют такой асимметрии. Мы работаем над следующим шагом, чтобы установить чувствительную, неявную поведенческую меру, такую ​​как время реакции, для обнаружения тонкой магниторецептивной дискриминации, а затем посмотреть, есть ли качественно такая же асимметрия на таком неявном поведенческом уровне у большинства «респондеров». Однако это выходит за рамки настоящей рукописи.

Чтобы ограничить механизм, с помощью которого магнитное поле воспринимается первичными чувствительными нервами, авторы провели несколько тестов на основе аргументов симметрии, изображенных на рис.3. Механизм магниторецепции, основанный на паре радикалов (квантовый компас), будет по своей сути аксиальным и должен демонстрировать антиподальную симметрию, в то время как индукция даст неразличимый ответ на идентичные изменения вектора B (уравнения 1 и 2). Оба теста были отрицательными (т.е. нулевая гипотеза о неразличимых откликах не могла быть опровергнута), так что авторы выделяют магнетитовый механизм. Рецепторы крутящего момента на основе магнетита, характеризуемые векторным произведением m x B, не поддаются таким тестам на симметрию, потому что, как правило, невозможно найти второй B-вектор, который дает то же самое векторное произведение m x B для N произвольно ориентированных m векторов в популяции N сенсорные клетки.Альтернативный детектор крутящего момента, который просто измеряет величину крутящего момента, ведет себя аксиально (Winklhofer & Kirschvink 2010), может быть исключен на основании теста отрицательной аксиальности («квантовый компас»). Еще один альтернативный детектор магнетита, который измеряет скорость изменения крутящего момента, m x дБ/dt, может быть исключен на основании теста на отрицательную индукцию (применяется идентичное изменение дБ/dt, но с другой ориентацией вектора B, что дает разные векторы крутящего момента). несмотря на одинаковую скорость изменения крутящего момента).

Остается надлежащий рецептор крутящего момента, чувствительный к общему вектору крутящего момента. Согласен, как мы заключаем по тем же причинам.

Лингвистические аспекты общего обсуждения статьи, конечно, на данном этапе носят спекулятивный характер, но, тем не менее, очень интересны. Параграф о латерализации был бы интересным дополнением при обсуждении асимметрии CW-CCW. В кадре, ориентированном на голову, поворот головы вправо (по часовой стрелке) эквивалентен сдвигу магнитного поля против часовой стрелки и наоборот, что может свидетельствовать о том, что повороты головы вправо важны для восприятия магнитного поля.Кинсбурн (1972, Наука) наблюдал повороты головы, когда испытуемым приходилось решать когнитивные задачи, и обнаружил, что направление поворота головы зависит от типа задачи (вербальная или пространственная), с обратными результатами для левшей и правшей. Имея это в виду, я бы посоветовал авторам выяснить, были ли люди, реагирующие на полевые сдвиги против часовой стрелки, преимущественно левшами или правшами.

Из четырех наших сильнейших испытуемых трое правши и 1 левша, и все они реагируют против часовой стрелки.Поскольку только около 10% людей идентифицируют себя как левши, для проверки ассоциации такого рода потребуется гораздо больший размер выборки, а это выходит за рамки настоящей статьи.

Таким образом, в статье представлены впечатляющие результаты и первое свидетельство магниторецепции человека, полученное в тщательно контролируемых условиях. Авторы минимизировали все известные артефакты и очень подробно описывают экспериментальную установку и процедуры, так что в принципе любой может участвовать в исследовании репликации.Поэтому я настоятельно рекомендую публикацию после того, как будут учтены некоторые второстепенные моменты, указанные ниже:

1) и, что наиболее важно: авторы должны показать кривую с полосовым фильтром (т.е. во временной области) (например, для электрода Fz) , чтобы дать читателям представление о том, насколько сильно альфа-диапазон «уплощается» в ответ на стимул DecDn.CCW.N, потому что снижение мощности на 1 дБ (рис. 5.b) не оказывает большого влияния на ЭЭГ. аутсайдеры, хотя это типичное снижение, наблюдаемое в ЭЭГ альфа ERD (1 дБ составляет 25%).

Спасибо, это хорошая идея. На новом Рисунке 4, упомянутом выше, показаны примеры следов человеческого мозга как с низким, так и с высоким альфа-каналом для разверток наклона и склонения, и они сравниваются с соответствующими данными от фантома (мускусной дыни), где артефакт индукции может быть четко распознан. Обратите внимание, что добавление этого рисунка привело к перенумерации последующих рисунков.

Наряду с этим авторы также должны показать типичные артефакты, связанные с индукцией, как для CW, так и для CCW стимулов, также во временной области.

Опять же, это теперь на новом Рисунке 4, и это хорошо видно на данных по мускусной дыне.

2) Рис. 5A-C, пожалуйста, не показывайте гистограммы, а либо диаграммы, либо точки со средним значением и S.D.

Данные об отдельных участниках показаны на гистограммах рис. 7 (предыдущий рис. 6), так что все данные действительно присутствуют. Столбчатые диаграммы с гистограммами стандартно используются в полевых условиях, поэтому мы предпочитаем их сохранять.

3) Результаты повторных измерений AOV (табл. 1).2 размер эффекта после Фридмана 1968?

Нет — это частичное значение эта-квадрата. Чтобы прояснить это, мы добавили это предложение в конец подписи к таблицам 1-3: «В этой таблице F — статистика F-отношения, p — значение вероятности, а ηp2 — частичное значение эта-квадрата из дисперсионного анализа. ”

4) Рис. 4 A, B Используемая яркая цветовая схема (matlab ‘jet’?) подходит. но не идеально, потому что порядок цветов не воспринимается, см.

http://medvis.org/2012/08/21/rainbow-colormaps-what-are-they-good-for-absolutely-nothing/; По этой причине Matlab заменил jet на parula в цветовой карте по умолчанию.

Все наши изображения и фильмы теперь используют стандартную цветовую карту parula (сине-желтый). Это вызвало некоторые незначительные изменения в тексте, чтобы отразить новые стандарты цвета. Мы даже изменили рис. 3, заменив зеленые стрелки синими, тем самым избегая сравнения красных и зеленых. Кроме того, мы протестировали наши рисунки в сравнении с коллегой-дальтоником, чтобы убедиться, что их легко увидеть.

5) При обсуждении предполагаемого механизма трансдукции было бы полезно показать уравнение крутящего момента m x b, возможно, с наброском магнетитового механизма.

Это отношение крутящего момента упоминается в параграфе «Управление магнитомеханическими артефактами

», строки 472-492 пересмотренного текста. Вместо того, чтобы добавлять дополнительную цифру, мы просто ссылаемся на обсуждения Киршвинка (1992a) и Винклхофера и Киршвинка (2010). В разделе «Общие обсуждения» мы добавили следующий текст:

«В простейшей форме крутящий момент (= u x B) цепочки кристаллов магнетита («магнитосомная цепочка», как у магнитотактических бактерий) может открыть и закрыть трансмембранные ионные каналы.Несколько биофизических анализов показали, что это наиболее вероятный механизм (Kirschvink, 1992a; Winklhofer and Kirschvink, 2010).

6) Ссылки:

Что касается разработки биомагнитных экспериментов, эти две ссылки также полезны Schwarze et al. 2016 (10.3389/fnbeh.2016.00055) Kirschvink et al. 2010 (10.1098/rsif.2009.0491.focus).

Согласен. Мы добавили к подписи к рис. 2: «Дополнительные рекомендации по планированию биомагнитных экспериментов даны Kirschvink et al.(2010) и Schwarze et al. (2016)», строки 1262-1263 исправленной рукописи.

7) При обсуждении того, почему Sastre et al. 2002 г., возможно, были упущены эффекты МП (стр. 27), авторы настоящего исследования предлагают несколько объяснений, из которых использование техники спектрального анализа без временного разрешения является наиболее правдоподобным (хотя программа вейвлет-анализа Matlab Торренса и Compo (1998, Bull. Amer. Meteor. Soc.) был бы доступен тогда

…).

Верно, но метод Torrence and Compo не использовался Sastre et al.Кроме того, мы отмечаем, что наши данные, проанализированные с помощью методов Sastre et al. не выявил признаков магниторецепции; это упоминается в строках 867-871. Мы связались с Састре, чтобы узнать, доступны ли их данные конца 1990-х годов для нашего анализа, но похоже, что магнитные ленты, содержащие их необработанные данные, были переработаны или выброшены много лет назад.

Поэтому в строке 55 Введения мы изменили «… были ограничены вычислительными методами того времени (Sastre et al., 2002)» с «… были ограничены используемыми методами вычислений (Sastre et al., 2002)».

Другое возможное объяснение, использующее функциональное окно параметров магнитного поля, более умозрительно. Условия в Sastre et al. исследования не были настолько сильно ненормальными по сравнению с трехкратной силой магнитного поля земного поля, которую Уокер и др. 1997 (Nature) применили для идентификации нейронов, реагирующих на MF, у форели (опосредованных предполагаемым рецептором магнетита). У птиц Heyers et 2010 (PNAS) обнаружили сильную активацию нейронов в ядрах ствола головного мозга тройничного нерва, когда напряженность окружающего поля изменялась от половины до двукратного значения напряженности окружающего пространства.Это означало бы, что ненормальные поля отбрасываются в более высоком центре интеграции, если они вообще отбрасываются. До сих пор единственное доказательство функционального окна относится к реакциям компаса наклонения, опосредованным предполагаемыми молекулами радикальных пар.

Мы, безусловно, согласны с этим утверждением. Магниторецепторные клетки, скорее всего, делают все возможное, чтобы преобразовать направление вектора и, возможно, интенсивность магнитного поля, когда они его воспринимают. В обоих исследованиях Walker et al. (1997) и Heyers et al.(2010) исследования, в которых авторы смогли показать, что эти колебания интенсивности проникают в нервную систему животных. И

рыб Уокера, безусловно, можно было обучить с помощью простой парадигмы обучения флуктуациям поля, подобным тем, которые использовались в электрофизиологических записях, подразумевая, что информация не отфильтровывалась мозгом до того, как у рыб возникала поведенческая реакция. как у птиц. Хотя в этом исследовании мы не сообщаем о результатах колебаний интенсивности на людях, мы нашли убедительные доказательства нейронной фильтрации наклона (т.г., поля, направленные вверх, не вызывают альфа-ERD). Весь смысл здесь в том, чтобы проиллюстрировать, что есть и другие примеры такой нейронной фильтрации магнитной информации; следовательно, мы бы предпочли не изменять дискуссию по этому вопросу.

Reviewer #2

В этом весьма примечательном исследовании авторы проводят тщательно контролируемые эксперименты по изучению активности мозговых волн людей в ответ на определенные повороты наклона и склонения магнитного поля силы Земли.Амплитуда этой активности мозговых волн — альфа-колебания ЭЭГ между 8 и 13 Гц, называемая десинхронизацией, связанной с альфа-событием (альфа-ERD)

, — значительно снизилась у некоторых (но, что интересно, не у всех) участников-людей в результате горизонтального вращения головы. магнитного поля, когда статическая вертикальная составляющая поля была направлена ​​вниз (как в северном полушарии), а не когда она была направлена ​​вверх. Кроме того, амплитуда альфа-ERD также снижалась при вращении по склонению против часовой стрелки (с наклоном вниз).Однако при вращении по часовой стрелке или при наклоне вверх амплитуда alphaERD оставалась неизменной. Поскольку снижение амплитуды альфа-ERD ранее измерялось в реакциях человека на стимуляцию другими сенсорными модальностями, авторы заключают, что изменения амплитуды альфа-ERD, которые они измерили в ответ на специфические изменения в магнитном поле силы Земли, подразумевают, что некоторые поэтому люди обладают способностью как ощущать, так и преобразовывать это поле. Интересно, что эта способность приходит без сознательного восприятия магнитного поля, открытие, которое, как предполагают авторы, может выявить остатки унаследованного от предков магнитного чувства, которое мы больше не используем.

Мы согласны с этим резюме.

Авторы смогли дополнительно сузить возможный сенсорный механизм, используемый людьми для обнаружения магнитного поля Земли. Они показывают, что изменения амплитуды альфа-ERD зависели от полярности поля, а это означает, что квантовая гипотеза магнитного восприятия не может объяснить эти результаты. Дальнейшие эксперименты показали, что нейронная реакция была чувствительна к статическим компонентам поля, показывая, что электрическая индукция (которая зависит от динамических компонентов) также не может объяснить результаты.Таким образом, авторы делают вывод, что механизм, основанный на биогенном магнетите, остается единственным механизмом магнитной рецепции, который мог бы обслуживать магнитное чувство человека.

Опять же, мы согласны с этим резюме.

Обычно такие результаты считались бы весьма спорными, особенно в свете довольно бурной истории исследований предполагаемого магнитного чувства у людей. Тем не менее, я был впечатлен строгостью и тщательностью, с которой проводилось это исследование. Были предприняты огромные усилия, чтобы устранить очевидные потенциальные источники артефактов (и почти треть рукописи посвящена объяснению того, как они были устранены).Система с двойной обмоткой позволяла проводить эксперименты с фиктивным контролем, экспериментальная комната была хорошо экранирована от внешних источников радиопомех, все потенциально шумное оборудование располагалось на расстоянии 20 м от аппарата, а в экспериментальную зону допускались только немагнитные материалы. зона. Кроме того, в центре катушек непрерывно проводились точные измерения поля, а также с помощью самого современного оборудования измерялись незначительные уровни радиочастотного шума. Совершенно очевидно, что экспериментаторы точно знали, что они делают, что, к сожалению, не всегда имеет место в этой области.Таким образом, я доверяю качеству стимуляции, которую они предоставили. Результаты, которые они получили с помощью этих стимулов, также кажутся надежными, хотя я признаюсь, что не знаком с методами ЭЭГ и не могу судить о качестве или достоверности измерений, которые они сделали с помощью этих методов. Однако если предположить, что амплитуды альфа-ERD были правильно измерены, то мой вывод состоит в том, что результаты исследования весьма значимы и представляют большой интерес для научного сообщества.Очевидно, что эти результаты вызывают больше вопросов, чем дают ответов, и я уверен, что это исследование вызовет новую волну исследований этого любопытного (но, вероятно, неиспользованного) человеческого чувства.

Мы согласны.

Рукопись хоть и объемная, но прекрасно написана и проиллюстрирована. Я нашел только одну опечатку, и характер моих (очень немногочисленных) комментариев ниже вызван скорее любопытством, чем критикой.

1. Строка 512. Вы показываете, что только некоторые люди нервно реагируют на изменения магнитного поля и что они обладают высокой альфа-мощностью в состоянии покоя.Является ли это постоянным состоянием, присутствующим у некоторых людей, или оно меняется от одного дня к другому или от одного времени года к другому, от одного эмоционального состояния к другому? Другими словами, возможно ли, чтобы все люди могли отреагировать, если были в правильном «настроении»?

Как описано в примере на Рисунке 5 (ранее Рис. 4), многие из наших участников демонстрируют сильную и устойчивую модель в их реакции альфа-ERD, которая стабильно длится от недель до месяцев и даже лет, и они могут дать очень высокие результаты. значимые результаты индивидуально.Эти участники обычно характеризуются сильной силой в своем альфа-диапазоне, как показано на примере человека на новом рис. 4B. Мы обнаружили, однако, что случайный человек с сильной альфа-мощностью не проявляет магнитного отклика, поэтому сама по себе сильная альфа-мощность не означает, что у человека хорошая магниторецептивная способность. Однако у других людей альфа-волны по своей природе слабее и могут сильно различаться (например, у человека на рис. 4А). В то время как сама мощность альфа-волн модулируется внутренним состоянием (например, сонливостью или уровнем тревоги/внимания), существуют явные индивидуальные различия за ее пределами, поэтому она считается одним из динамических «отпечатков пальцев» каждого отдельного мозга.Результаты наших тестов-ретестов показывают эту стабильность как по частоте альфа-пика, мощности, так и по степени его подавления

(десинхронизация) в ответ на вращение магнитного поля. Если индивидуум или группа лиц имеют либо низкую базовую мощность альфа-диапазона (низкий сигнал), либо сильно изменчивую базовую мощность альфа-диапазона (высокий шум), то статистически трудно отличить вызванные магнитным полем ответы альфа-ERD от фоновых колебаний альфа-диапазона. -власть.Тем не менее, колебания мощности альфа-диапазона могут быть связаны с уровнем рассеянности или усталости участника: то есть с «настроением ума» участника. Если участник одновременно более расслаблен (меньше отвлекается на фон) и более бдителен, то отношение сигнал/шум в мощности альфа-диапазона может улучшиться. Это предполагает возможные новые экспериментальные протоколы, которые включают поведенческие компоненты, чтобы лучше сосредоточить внимание нашего участника во время каждого экспериментального испытания. Это, однако, последующие исследования, выходящие за рамки настоящей рукописи.

2. Исходя из этого вопроса, как обстоят дела с измерениями амплитуды альфа-ERD при стимуляции другими сенсорными модальностями? Это также тот случай, когда только некоторые люди показывают реакцию, а другие нет? Или дело в том, что все люди демонстрируют сильную реакцию, и это потому, что зрение или слух (скажем) являются гораздо более важными чувствами для людей? Может случиться так, что большее количество случайных ответов, которые вы зафиксировали во время магнитной стимуляции, может быть просто связано с недостаточной важностью магнитного чувства у людей.Возможно, это стоит обсудить в Обсуждении.

В других модальностях, таких как слуховая, зрительная и тактильная, сила альфа-ERD обычно модулируется пиковой амплитудой альфа, а также контекстом задачи, вниманием и т. д., как мы обсуждаем в тексте в строках 558- 569. Не у всех одинаковая величина альфа-ERD. Индивидуальные величины могут варьироваться от 0 до 90%. Тем не менее, мы думаем, что еще слишком рано комментировать отсутствие важности у современных людей.

3. Линия 712.Вставьте «в» после «встать».

Готово, теперь в строке 756.

4. Строка 806: «предыдущий», а не «Предыдущий» Выполнено, теперь в строке 855.

объекты по отношению к эталонным сигналам окружающей среды интересны, но потенциально есть другие доступные сигналы, помимо магнитного поля Земли, для различения таких сигналов. К ним относятся небесные сигналы, такие как солнце днем ​​или звезды ночью.

Безусловно, большинство животных используют геомагнитные сигналы как «последний шанс» при навигации или поиске дома. Солнечный и звездный компасы у птиц, например, будут использоваться вместо магнитных сигналов, когда они вступят в противоречие. Носители человеческих языков, основанных на системах ориентации по сторонам света, также, безусловно, будут использовать сигналы солнца и звездного неба, но, как отмечают некоторые авторы (в частности, Левинсон и Микинс), их использование этой системы распространяется на ситуации, когда другие сигналы отсутствуют. (т.е.г., пасмурные ночи, в помещении и др.). Вот почему мы упоминаем об этих исследованиях, поскольку врожденная способность к магнитной ориентации (пусть даже и бессознательная) могла бы объяснить эти языковые особенности.

6. Рис. 4С. Я не могу видеть розовые вертикальные линии, упомянутые на этом рисунке, и даже упомянутые белые контуры трудно увидеть. Можно ли их улучшить?

Исправлена ​​новая цветовая схема; мы используем толстые вертикальные черные линии для интервала стимула и розовые и белые линии для p = 0.05 и p = 0,01, равномерно на перенумерованных рисунках 5, 6 и 8.

Полярные сияния: что заставляет их происходить?


Прежде чем мы сможем понять полярные сияния, нам нужно несколько фактов о космосе вокруг нашей Земли. В этом пространстве есть много вещей, которые мы не можем видеть.

Одно дело воздух, которым мы дышим, наша атмосфера. На самом деле это смесь нескольких газов, в основном азота и кислорода, со следами водорода, гелия и различных соединений.

Поле Земли
Еще одна вещь, которую мы не можем видеть, это магнитное поле, окружающее Землю. Если вы когда-нибудь играли со стержневым магнитом и железными опилками, вы видели изогнутые узоры, которые опилки образуют в магнитном поле. На следующем рисунке показано, чем магнитное поле вокруг земного ядра похоже на поле стержневого магнита.

«Магнит» Земли находится глубоко в ядре. Поскольку мы не можем видеть магнитное поле, мы рисуем линии, чтобы представить его.Силовые линии входят в Землю и выходят из нее вокруг магнитных полюсов Земли. Там, где линии ближе всего друг к другу, поле сильнее. Там, где они дальше всего друг от друга, он самый слабый. Можете ли вы сказать, где магнитное поле самое сильное? Где он самый слабый?

Заряженные частицы
Третья невидимая вещь в космосе вокруг Земли — это плазма, состоящая из множества заряженных частиц.В окружающем магнитном поле всегда есть электроны и положительные ионы. Заряженные частицы в магнитном поле движутся особым образом: они направляются полем. Частицы движутся вдоль линий магнитного поля, как если бы они были проводами, описывая линии по длинной спирали. Заряженные частицы — «боеприпасы» полярного сияния.

Дисплей на солнечной энергии
Краткий ответ на вопрос о том, как возникает полярное сияние, заключается в том, что энергичные электрически заряженные частицы (в основном электроны) ускоряются вдоль силовых линий магнитного поля в верхние слои атмосферы, где они сталкиваются с атомами газа, заставляя атомы отдавать от света.Но почему это происходит? Чтобы найти ответ, мы должны смотреть дальше, к Солнцу. Захватывающие, «большие» полярные сияния в «Как они выглядят?» питаются от того, что называется солнечным ветром.

Солнце также имеет атмосферу и магнитное поле, простирающееся в космос. Атмосфера Солнца состоит из водорода, который сам состоит из субатомных частиц: протонов и электронов. Эти частицы постоянно испаряются с Солнца и устремляются наружу с очень высокой скоростью. Вместе магнитное поле Солнца и частицы называются «солнечным ветром».»

Этот ветер постоянно давит на магнитное поле Земли, изменяя его форму. Аналогичным образом вы меняете форму мыльного пузыря, когда дуете на его поверхность. Мы называем это сжатое поле вокруг Земли магнитосферой. Поле Земли сжато на дневной стороне, где над ним обтекает солнечный ветер. Он также вытягивается в длинный хвост наподобие следа корабля, который называется хвостом магнитосферы и направлен в сторону от Солнца.

Для сжатия магнитного поля Земли требуется энергия, точно так же, как требуется энергия для сжатия воздушного шара с воздухом внутри.Весь процесс до конца еще не изучен, но энергия солнечного ветра постоянно накапливается в магнитосфере, и эта энергия питает полярные сияния.

Большой толчок
Итак, у нас есть магнитосфера Земли с солнечным ветром, сжимающим магнитосферу, и заряженными частицами повсюду в поле. Солнечные частицы всегда входят в хвост магнитосферы от солнечного ветра и движутся к Солнцу.Время от времени, когда условия подходящие, нарастание давления солнечного ветра создает электрическое напряжение между хвостом магнитосферы и полюсами, подобно напряжению между двумя клеммами батареи. Оно может достигать около 10 000 вольт!

Напряжение толкает электроны (которые очень легкие) к магнитным полюсам, разгоняя их до высоких скоростей, подобно электронам в кинескопе телевизора, которые ускоряются, чтобы попасть на экран. Они перемещаются вдоль силовых линий к земле на север и юг, пока огромное количество электронов не вытесняется в верхний слой атмосферы, называемый ионосферой.

В ионосфере мчащиеся электроны яростно сталкиваются с атомами газа. Это дает атомам газа энергию, которая заставляет их высвобождать как свет, так и больше электронов. Таким образом, газы ионосферы светятся и проводят электрические токи в полярную область и из нее. Электроны, вылетающие обратно, не обладают такой большой энергией, как те, что были у быстро прибывающих — эта энергия ушла на создание полярного сияния!

Принцип работы полярного сияния очень похож на неоновую вывеску, за исключением того, что в полярном сиянии проводящий газ находится в ионосфере, а не в стеклянной трубке, а ток течет по линиям магнитного поля, а не по медным проводам.


© 1999-2001 Регенты Калифорнийского университета
Обсерватория / The Exploratorium
Последнее обновление страницы: 19.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.