Что есть магнитное поле. Что такое магнитное поле

Для понимания того, что является характеристикой магнитного поля, следует дать определения многим явлениям. При этом заранее нужно вспомнить, как и почему оно появляется. Узнать, что является силовой характеристикой магнитного поля. При этом немаловажно то, что подобное поле может встречаться не только у магнитов. В связи с этим не помешает упомянуть характеристику магнитного поля земли.

Возникновение поля

Для начала следует описать возникновение поля. После можно описать магнитное поле и его характеристики. Оно появляется во время перемещения заряженных частиц. Может влиять на в особенности на токопроводящие проводники. Взаимодействие между магнитным полем и движущимися зарядами, либо проводниками, по которым течет ток, происходит благодаря силам, именуемым электромагнитными.

Интенсивность или силовая характеристика магнитного поля в определенной пространственной точке определяются с помощью магнитной индукции. Последняя обозначается символом В.

Графическое представление поля

Магнитное поле и его характеристики могут быть представлены в графической форме с помощью линий индукции. Данным определением называют линии, касательные к которым в любой точке будут совпадать с направлением вектора у магнитной индукции.

Названные линии входят в характеристику магнитного поля и применяются для определения его направления и интенсивности. Чем выше интенсивность магнитного поля, тем больше данных линий будет проведено.

Что такое магнитные линии

Магнитные линии у прямолинейных проводников с током имеют форму концентрической окружности, центр которой располагается на оси данного проводника. Направление магнитных линий возле проводников с током определяется по правилу буравчика, которое звучит так: если буравчик будет расположен так, что он будет ввинчиваться в проводник по направлению тока, тогда направление обращения рукоятки соответствует направлению магнитных линий.

У катушки с током направление магнитного поля будет определяться также по правилу буравчика. Также требуется вращать рукоятку по направлению тока в витках соленоида. Направление линий магнитной индукции будет соответствовать направлению поступательного движения буравчика.

Является основной характеристикой магнитного поля.

Создаваемое одним током, при равных условиях, поле будет различаться по своей интенсивности в разных средах из-за различающихся магнитных свойств в этих веществах. Магнитные свойства среды характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью. Измеряется в генри на метр (г/м).

В характеристику магнитного поля входит абсолютная магнитная проницаемость вакуума, называемая магнитной постоянной. Значение, определяющее, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость среды будет отличаться от постоянной, именуется относительной магнитной проницаемостью.

Магнитная проницаемость веществ

Это безразмерная величина. Вещества, имеющие значение проницаемости менее единицы, зовутся диамагнитными. В данных веществах поле будет слабее, чем в вакууме. Данные свойства присутствуют у водорода, воды, кварца, серебра и др.

Среды с магнитной проницаемостью, превышающей единицу, зовутся парамагнитными. В данных веществах поле будет сильнее, чем в вакууме. К данным средам и веществам относят воздух, алюминий, кислород, платину.

В случае с парамагнитными и диамагнитными веществами значение магнитной проницаемости не будет зависеть от напряжения внешнего, намагничивающего поля. Это означает, что величина является постоянной для определенного вещества.

К особой группе относятся ферромагнетики. У данных веществ магнитная проницаемость будет достигать нескольких тысяч и более. У названных веществ, имеющих свойство намагничиваться и усиливать магнитное поле, существует широкое использование в электротехнике.

Напряженность поля

Для определения характеристик магнитного поля вместе с вектором магнитной индукции может применяться значение, именуемое напряженностью магнитного поля. Данный термин является определяющей интенсивность внешнего магнитного поля. Направление магнитного поля в среде с одинаковыми свойствами по всем направлениям вектор напряженности будет совпадать с вектором магнитной индукции в точке поля.

Сильные у ферромагнитов объясняются присутствием в них произвольно намагниченных малых частей, которые могут быть представлены в виде малых магнитов.

С отсутствующим магнитным полем ферромагнитное вещество может не иметь выраженных магнитных свойств, поскольку поля доменов приобретают разную ориентацию, и их общее магнитное поле равняется нулю.

По основной характеристике магнитного поля, если ферромагнит будет помещен во внешнее магнитное поле, к примеру, в катушку с током, то под влиянием наружного поля домены развернутся по направлению внешнего поля. Притом магнитное поле у катушки усилится, и магнитная индукция увеличится. Если же наружное поле достаточно слабое, то перевернётся лишь часть от всех доменов, магнитные поля которых по направлению близятся к направлению наружного поля. На протяжении увеличения силы внешнего поля число повернутых доменов будет возрастать, и при определенном значении напряжения внешнего поля почти все части будут развернуты так, что магнитные поля расположатся по направлению наружного поля. Данное состояние именуется магнитным насыщением.

Связь магнитной индукции и напряженности

Взаимосвязанность магнитной индукции ферромагнитного вещества и напряженности внешнего поля может изображаться при помощи графика, называемого кривой намагничивания. В месте изгиба графика кривой скорость возрастания магнитной индукции уменьшается. После изгиба, где напряженность достигает определённого показателя, происходит насыщение, и кривая незначительно поднимается, постепенно приобретая форму прямой. На данном участке индукция все еще растет, однако достаточно медленно и лишь за счет возрастания напряженности внешнего поля.

Графическая зависимость данных показателя не является прямой, значит, их отношение не постоянно, и магнитная проницаемость материала не постоянный показатель, а находится в зависимости от наружного поля.

Изменения магнитных свойств материалов

При увеличении силы тока до полного насыщения в катушке с ферромагнитным сердечником и последующим ее уменьшением кривая намагничивания не будет совпадать с кривой размагничивания. С нулевой напряженностью магнитная индукция не будет иметь такое же значение, а приобретет некоторый показатель, именуемый остаточной магнитной индукцией. Ситуация с отставанием магнитной индукции от намагничивающей силы именуется гистерезисом.

Для полного размагничивания ферромагнитного сердечника в катушке требуется дать ток обратной направленности, который создаст необходимую напряженность. Для разных ферромагнитных веществ необходим отрезок различной длины. Чем он больше, тем больший объем энергии необходим для размагничивания. Значение, при котором происходит полное размагничивание материала, именуется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении тока в катушке индукция вновь увеличится до показателя насыщения, но с иным направлением магнитных линий. При размагничивании в обратном направлении будет получена остаточная индукция. Явление остаточного магнетизма применяется при создании постоянных магнитов из веществ с большим показателем остаточного магнетизма. Из веществ, имеющих способность к перемагничиванию, создаются сердечники для электрических машин и приборов.

Правило левой руки

Сила, влияющая на проводник с током, обладает направлением, определяемым по правилу левой руки: при расположении ладони девой руки таким образом, что магнитные линии входят в нее, и четыре пальца вытянуты по направлению тока в проводнике, отогнутый большой палец укажет направление силы. Данная сила перпендикулярна вектору индукции и току.

Перемещающийся в магнитном поле проводник с током считается прообразом электродвигателя, который изменяет электрическую энергию в механическую.

Правило правой руки

Во время движения проводника в магнитном поле внутри него индуцируется электродвижущая сила, которая имеет значение, пропорциональное магнитной индукции, задействованной длине проводника и скорости его перемещения. Данная зависимость называется электромагнитной индукцией. При определении направления индуцированной ЭДС в проводнике используют правило правой руки: при расположении правой руки так же, как в примере с левой, магнитные линии входят в ладонь, а большой палец указывает направление перемещения проводника, вытянутые пальцы укажут направление индуктированной ЭДС. Перемещающийся в магнитном потоке под влиянием внешней механической силы проводник является простейшим примером электрического генератора, в котором преобразуется механическая энергия в электрическую.

Может быть сформулирован по-другому: в замкнутом контуре происходит индуцирование ЭДС, при любой смене магнитного потока, охватываемого данным контуром, ЭДЕ в контуре численно равняется скорости смены магнитного потока, который охватывает данный контур.

Данная форма предоставляет усреднённый показатель ЭДС и указывает на зависимость ЭДС не от магнитного потока, а от скорости его изменения.

Закон Ленца

Также нужно вспомнить закон Ленца: ток, индуцируемый при изменении магнитного поля, проходящего через контур, своим магнитным полем препятствует этому изменению. Если витки у катушки пронизываются разными по величине магнитными потоками, то индуцированная по целой катушке ЭДС равняется сумме ЭДЕ в разных витках. Сумма магнитных потоков разных витков катушки именуется потокосцеплением. Единица измерения данной величины, как и магнитного потока, - вебер.

При изменении электрического тока в контуре происходит смена и созданного им магнитного потока. При этом, согласно закону электромагнитной индукции, внутри проводника происходит индуцирование ЭДС. Она появляется в связи со сменой тока в проводнике, потому данное явление называют самоиндукцией, и индуцированная в проводнике ЭДС именуется ЭДС самоиндукции.

Потокосцепление и магнитный поток находятся в зависимости не от одной только силы тока, но и от величины и формы данного проводника, и магнитной проницаемости окружающего вещества.

Индуктивность проводника

Коэффициент пропорциональности именуется индуктивностью проводника. Он обозначает способность проводника создавать потокосцепление при прохождении сквозь него электричества. Это является одним из основных параметров электрических цепей. Для определенных цепей индуктивность является постоянным показателем. Она будет зависеть от величины контура, его конфигурации и магнитной проницаемости среды. При этом сила тока в контуре и магнитный поток не будут иметь значения.

Вышеописанные определения и явления дают объяснение тому, что является магнитным полем. Также приводятся основные характеристики магнитного поля, с помощью которых можно дать определение данного явления.

С глубокой древности известно, что магнитная стрелка, свободно вращающаяся вокруг вертикальной оси, всегда устанавливается в данном месте Земли в определённом направлении (если вблизи неё нет магнитов, проводников с током, железных предметов). Этот факт объясняется тем, что вокруг Земли существует магнитное поле и магнитная стрелка устанавливается вдоль его магнитных линий. На этом и основано применение компаса (рис. 115), который представляет собой свободно вращающуюся на оси магнитную стрелку.

Рис. 115. Компас

Наблюдения показывают, что при приближении к Северному географическому полюсу Земли магнитные линии магнитного поля Земли всё под большим углом наклоняются к горизонту и около 75° северной широты и 99° западной долготы становятся вертикальными, входя в Землю (рис. 116). Здесь в настоящее время находится Южный магнитный полюс Земли , он удалён от Северного географического полюса примерно на 2100 км.

Рис. 116. Магнитные линии магнитного поля Земли

Северный магнитный полюс Земли находится вблизи Южного географического полюса, а именно на 66,5° южной широты и 140° восточной долготы. Здесь магнитные линии магнитного поля Земли выходят из Земли.

Таким образом, магнитные полюсы Земли не совпадают с её географическими полюсами . В связи с этим направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана. Поэтому магнитная стрелка компаса лишь приблизительно показывает направление на север.

Иногда внезапно возникают так называемые магнитные бури , кратковременные изменения магнитного поля Земли, которые сильно влияют на стрелку компаса. Наблюдения показывают, что появление магнитных бурь связано с солнечной активностью.

а - на Солнце; б - на Земле

В период усиления солнечной активности с поверхности Солнца в мировое пространство выбрасываются потоки заряженных частиц, электронов и протонов. Магнитное поле, образуемое движущимися заряженными частицами, изменяет магнитное поле Земли и вызывает магнитную бурю. Магнитные бури - явление кратковременное.

На земном шаре встречаются области, в которых направление магнитной стрелки постоянно отклонено от направления магнитной линии Земли. Такие области называют областями магнитной аномалии (в пер. с лат. «отклонение, ненормальность»).

Одна из самых больших магнитных аномалий - Курская магнитная аномалия. Причиной таких аномалий являются огромные залежи железной руды на сравнительно небольшой глубине.

Земной магнетизм ещё окончательно не объяснён. Установлено только, что большую роль в изменении магнитного поля Земли играют разнообразные электрические токи, текущие как в атмосфере (особенно в верхних её слоях), так и в земной коре.

Большое внимание изучению магнитного поля Земли уделяют при полётах искусственных спутников и космических кораблей.

Установлено, что земное магнитное поле надёжно защищает поверхность Земли от космического излучения, действие которого на живые организмы разрушительно. В состав космического излучения, кроме электронов, протонов, входят и другие частицы, движущиеся в пространстве с огромными скоростями.

Полёты межпланетных космических станций и космических кораблей на Луну и вокруг Луны позволили установить отсутствие у неё магнитного поля. Сильная намагниченность пород лунного грунта, доставленного на Землю, позволяет учёным сделать вывод, что миллиарды лет назад у Луны могло существовать магнитное поле.

Вопросы

1. Чем объяснить, что магнитная стрелка устанавливается в данном месте Земли в определённом направлении?
2. Где находятся магнитные полюсы Земли?
3. Как показать, что Южный магнитный полюс Земли находится на севере, а Северный магнитный полюс - на юге?
4. Чем объясняют появление магнитных бурь?
5. Что такое области магнитной аномалии?
6. Где находится область, в которой наблюдается большая магнитная аномалия?

Упражнение 43

1. Почему стальные рельсы, долго лежащие на складах, через некоторое время оказываются намагниченными?
2. Почему на судах, предназначенных для экспедиций по изучению земного магнетизма, запрещается использовать материалы, которые намагничиваются?

Задание

1. Подготовьте доклад на тему «Компас, история его открытия».
2. Поместите внутрь глобуса полосовой магнит. С помощью полученной модели ознакомьтесь с магнитными свойствами магнитного поля Земли.
3. Используя Интернет, подготовьте презентацию по теме «История открытия Курской магнитной аномалии».

Это любопытно...

Зачем нужно магнитное поле планетам

Известно, что Земля обладает мощным магнитным полем. Магнитное поле Земли окутывает область околоземного космического пространства. Эту область называют магнитосферой, хотя по своей форме она сферой не является. Магнитосфера - самая внешняя и протяжённая оболочка Земли.

Земля постоянно находится под воздействием солнечного ветра - потока очень маленьких частиц (протонов, электронов, а также ядер и ионов гелия и др.). При вспышках на Солнце скорость этих частиц резко возрастает, и они с огромными скоростями распространяются в космическом пространстве. Если на Солнце вспышка, значит, через несколько дней следует ожидать возмущения магнитного поля Земли. Магнитное поле Земли служит своеобразным щитом, оберегая нашу планету и всё живое на ней от воздействия солнечного ветра и космических лучей. Магнитосфера способна изменить траекторию этих частиц, направляя их к полюсам планеты. В районах полюсов частицы собираются в верхних слоях атмосферы и вызывают изумительной красоты северные и южные сияния. Здесь же происходит зарождение магнитных бурь.

При вторжении частиц солнечного ветра в магнитосферу, происходит нагрев атмосферы, усиление ионизации её верхних слоев, возникновение электромагнитных шумов. При этом возникают помехи в радиосигналах, скачки напряжения, которые могут вывести из строя электрооборудование.

Магнитные бури оказывают влияние и на погоду. Они способствуют возникновению циклонов и увеличению облачности.

Учёными многих стран доказано, что магнитные возмущения оказывают воздействие на живые организмы, растительный мир и на самого человека. Исследования показали, что у людей, подверженных сердечнососудистым заболеваниям, с изменением солнечной активности возможны обострения. Могут возникнуть перепады артериального давления, учащённое сердцебиение, пониженный тонус.

Наиболее сильные магнитные бури и магнито-сферные возмущения приходятся на период роста солнечной активности.

А существует ли магнитное поле у планет Солнечной системы? Наличие или отсутствие магнитного поля планет объясняется их внутренним строением.

Самое сильное магнитное поле у планет-гигантов Юпитер является не только самой большой планетой, но и обладает самым большим магнитным полем, превосходящим магнитное поле Земли в 12 000 раз. Магнитное поле Юпитера, окутывая его, распространяется на расстояние 15 радиусов планеты (радиус Юпитера 69 911 км). Сатурн, как и Юпитер, имеет мощную магнитосферу, возникающую из-за металлического водорода, который в жидком состоянии находится в глубине Сатурна. Любопытно, что Сатурн - единственная планета, у которой ось вращения планеты практически совпадает с осью магнитного поля.

Учёные утверждают, что и Уран, и Нептун обладают мощными магнитными полями. Но вот что интересно: магнитная ось Урана отклонена от оси вращения планеты на 59°, Нептуна - на 47°. Такая ориентация магнитной оси относительно оси вращения придаёт магнитосфере Нептуна довольно оригинальную и своеобразную форму. Она постоянно видоизменяется по мере вращения планеты вокруг своей оси. А вот магнитосфера Урана по мере удаления от планеты закручивается в длинную спираль. Учёные полагают, что магнитное поле планеты обладает двумя северными и двумя южными магнитными полюсами.

Исследования показали, что магнитное поле Меркурия в 100 раз меньше земного, а у Венеры оно незначительное. При изучении Марса аппараты «Марс-3» и «Марс-5» обнаружили магнитное поле, которое концентрируется в южном полушарии планеты. Учёные полагают, что такая форма поля может быть вызвана гигантскими столкновениями планеты.

Так же как и у Земли, магнитное поле других планет Солнечной системы отражает солнечный ветер, защищая их от разрушительного воздействия радиоактивного излучения Солнца.

Чтобы понять концепцию магнитного поля, нужно подключить воображение. Земля – это магнит с двумя полюсами. Разумеется, величина этого магнита сильно отличается от привычных людям красно-синих магнитов, но суть остается та же. Магнитные силовые линии выходят из южного и уходят в землю у северного магнитного полюса. Эти невидимые линии, словно обволакивающие планету оболочкой, образуют магнитосферу Земли.

Магнитные полюса расположены относительно недалеко от полюсов географических. Периодически магнитные полюса меняют местонахождение – каждый год они передвигаются на 15 километров.

Этот «щит» Земли создается внутри планеты. Внешнее металлическое жидкое ядро вырабатывает электрические токи за счет движения металла. Эти токи и порождают силовые линии магнитного поля.

Зачем нужна магнитная оболочка? Она держит частицы ионосферы, которые, в свою очередь, поддерживают атмосферу. Как известно, слои атмосферы защищают планету от смертельно опасного космического ультрафиолетового излучения. Сама магнитосфера тоже защищает Землю от радиации, отталкивая несущие ее потоки солнечного ветра. Не будь у Земли «магнитного щита», не было бы и атмосферы, и жизнь на планете не возникла бы.

Значение магнитного поля в магии

Эзотерики давно интересуются земной магнитосферой, считая, что ее можно использовать в магии. Давно известно, что магнитное поле влияет на магические способности человека: чем сильнее влияние поля, тем слабее способности. Некоторые практики используют эту информацию, влияя на своих неприятелей с помощью магнитов, которые тоже уменьшают колдовскую силу.

Человек способен ощущать магнитное поле. Как и с помощью каких органов это происходит, пока непонятно. Однако некоторые маги, изучающие возможности человека, считают, что этим можно пользоваться. Например, многие считают, что возможно передавать друг другу мысли и энергию посредством подключения к потокам.

Также практики считают, что магнитное поле земли влияет на ауру человека, делая ее более или менее видимой для ясновидящих. Если подробнее изучить эту особенность, можно научиться скрывать свою ауру от чужих глаз, тем самым усиливая собственную защиту.

Маги-лекари часто используют обычные магниты в исцелении. Это называется магнитотерапия. Однако если можно лечить людей с помощью обычных магнитов, то гигантская магнитосфера Земли может дать еще большие результаты в лечении. Возможно, уже есть практики, которые научились использовать общее магнитное поле в таких целях.

Еще одно направление, в котором используется магнитная сила – поиск людей. Настраивая магнитные приборы, практик может обнаружить с их помощью место, где находится тот или иной человек, не обращаясь к другим измерениям.

Биоэнергетики тоже активно используют магнитные волны в своих целях. С его помощью они могут очищать человека от порчи и подселенцев, а также чистить его ауру и карму. Усиливая или ослабляя магнитные волны, которыми связаны все люди на планете, можно совершать привороты и отвороты.

Влияя на магнитные потоки, можно управлять потоками энергии в человеческом теле. Так некоторые практики могут влиять на психику и активность мозга человека, внушать мысли и становиться энергетическими вампирами.

Однако важнейшее направление магии, в развитии которого поможет понимание силы, заложенной в магнитном поле – это левитация. Способность летать и перемещать предметы по воздуху давно будоражит умы мечтателей, но практики считают такие навыки вполне вероятными. Правильное обращение к природным силам, знание эзотерической стороны геомагнитных полей и достаточное количество сил могут помочь магам полноценно перемещаться в воздухе.

Еще электромагнитное поле Земли обладает одним любопытным свойством. Многие маги предполагают, что это еще и информационное поле Земли, из которого можно почерпнуть всю нужную практику информацию.

Магнитотерапия

Особо интересным методом использования силы магнитных полей в эзотерике является магнитотерапия. Чаще всего такое лечение происходит за счет обычных магнитов или магнитных приборов. С их помощью маги лечат людей как от болезней физического тела, так и от разнообразного магического негатива. Такое лечение считается крайне эффективным, так как показывает положительный результат даже в запущенных случаях губительного воздействия черной магией.

Самый распространенный метод лечения магнитом связан с возмущением энергетических полей в момент столкновения одноименных полюсов магнита. Такое простое воздействие магнитных волн биополя заставляет энергетику человека резко встряхнуться и начать активно вырабатывать «иммунитет»: буквально разрывать и выталкивать из себя магический негатив. То же касается и болезней тела и психики, а также кармического негатива: сила магнита может способствовать очищению от любых загрязнений души и тела. Магнит своим действием похож на энергетик для внутренних сил.

Лишь некоторые практики способны использовать силы огромного земного инфополя. Если научиться грамотно работать с энергоинформационным полем, можно добиться потрясающих результатов. Маленькие магниты крайне эффективны в эзотерических практиках, а уж сила всего земного магнита даст куда большие возможностей для управления силами.

Состояние магнитного поля в настоящее время

Осознавая значение геомагнитного поля, нельзя не ужаснуться, узнав, что оно постепенно исчезает. Последние 160 лет его сила сокращается, причем в ужасающе быстром темпе. Пока еще человек практически не ощущает на себе влияние этого процесса, но момент, когда начнутся проблемы, все ближе с каждым годом.

Южно-атлантическая аномалия – так называют огромный участок поверхности Земли в южном полушарии, где геомагнитное поле сегодня ослабевает заметнее всего. Никто не знает, с чем связано это изменение. Предполагают, что уже в 22 веке произойдет очередная глобальная смена магнитных полюсов. К чему это приведет, можно понять, изучая информацию о значении поля.

Геомагнитный фон сегодня ослабевает неравномерно. Если в целом на поверхности Земли она упала на 1-2%, то в месте аномалии – на 10%. Одновременно с уменьшением напряженности поля, исчезает и озоновый слой, из-за чего возникают озоновые дыры.

Ученые пока не знают, как остановить этот процесс, и считают, что с уменьшением поля Земля будет постепенно умирать. Однако некоторые маги уверены, что в течение периода упадка магнитного поля неуклонно растут магические способности людей. Благодаря этому к тому времени, когда поле почти полностью исчезнет, люди смогут управлять всеми силами природы, тем самым спасая жизнь на планете.

Еще многие маги уверены, что из-за слабеющего геомагнитного фона происходят природные катаклизмы и сильные перемены в жизни людей. Напряженная политическая обстановка, изменения в общих настроениях человечества и растущее количество случаев заболевания они связывают именно с этим процессом.

• Магнитные полюса меняются местами примерно раз в 2,5 века. Северный переходит на место южного, и наоборот. Никто не знает причин происхождения этого явления, и как такие перемещения влияют на планету, тоже неизвестно.
• Из-за образования внутри земного шара магнитных токов существуют землетрясения. Токи вызывают движение тектонических плит, которые и вызывают землетрясения с высокими баллами.
• Магнитное поле является причиной возникновения северного сияния.
• Люди и животные живут под постоянным влиянием магнитосферы. У людей это обычно выражено реакциями организма на магнитные бури. Животные же под влиянием электромагнитного потока находят правильную дорогу – например, птицы при миграции ориентируются именно по ним. Также черепахи и другие звери чувствуют, где находятся, благодаря этому явлению.
• Некоторые ученые считают, что жизнь на Марсе невозможна именно из-за отсутствия у него магнитного поля. Эта планета вполне пригодна для жизни, но неспособна отталкивать радиацию, которая губит на корню все живое, что могло существовать на ней.
• Магнитные бури, возникающие из-за вспышек на Солнце, влияют на состояние людей и электронику. Сила магнитосферы Земли не настолько велика, чтобы полностью противостоять вспышкам, поэтому 10-20% энергии вспышек ощущаются на нашей планете.
• Несмотря на то что явление перемены магнитных полюсов изучено мало, известно, что в период изменения конфигурации полюсов Земля больше подвержена радиационному облучению. Некоторые ученые считают, что именно в один из таких периодов вымерли динозавры.
• История развития биосферы совпадает с развитием электромагнетизма Земли.

Каждому человеку важно владеть хотя бы основной информацией о геомагнитном поле Земли. А тем, кто практикует магию, тем более стоит уделить внимание этим данным. Возможно, уже скоро практики сумеют познать новые методы использования этих сил в эзотерике, тем самым увеличив свою силу и подарив миру новые важные сведения.

См. также: Портал:Физика

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени) (постоянные магниты).

Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля .

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля) . С математической точки зрения - векторное поле , определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина).

Ещё одной фундаментальной характеристикой магнитного поля (альтернативной магнитной индукции и тесно с ней взаимосвязанной, практически равной ей по физическому значению) является векторный потенциал .

Магнитное поле можно назвать особым видом материи , посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом .

Магнитные поля являются необходимым (в контексте ) следствием существования электрических полей.

• С точки зрения квантовой теории поля магнитное взаимодействие - как частный случай электромагнитного взаимодействия переносится фундаментальным безмассовым бозоном - фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля), часто (например, во всех случаях статических полей) - виртуальным.

Источники магнитного поля

Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц , или изменяющимся во времени электрическим полем , или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам).

Вычисление

В простых случаях магнитное поле проводника с током (в том числе и для случая тока, распределённого произвольным образом по объёму или пространству) может быть найдено из закона Био - Савара - Лапласа или теоремы о циркуляции (она же - закон Ампера). В принципе, этот способ ограничивается случаем (приближением) магнитостатики - то есть случаем постоянных (если речь идёт о строгой применимости) или достаточно медленно меняющихся (если речь идёт о приближенном применении) магнитных и электрических полей.

В более сложных ситуациях ищется как решение уравнений Максвелла .

Проявление магнитного поля

Магнитное поле проявляется в воздействии на магнитные моменты частиц и тел, на движущиеся заряженные частицы (или проводники с током). Сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу, называется силой Лоренца , которая всегда направлена перпендикулярно к векторам v и B . Она пропорциональна заряду частицы q , составляющей скорости v , перпендикулярной направлению вектора магнитного поля B , и величине индукции магнитного поля B . В системе единиц СИ сила Лоренца выражается так:

в системе единиц СГС:

где квадратными скобками обозначено векторное произведение .

Также (вследствие действия силы Лоренца на движущиеся по проводнику заряженные частицы) магнитное поле действует на проводник с током . Сила, действующая на проводник с током называется силой Ампера . Эта сила складывается из сил, действующих на отдельные движущиеся внутри проводника заряды.

Взаимодействие двух магнитов

Одно из наиболее часто встречающихся в обычной жизни проявлений магнитного поля - взаимодействие двух магнитов : одинаковые полюса отталкиваются, противоположные притягиваются. Представляется заманчивым описать взаимодействие между магнитами как взаимодействие между двумя монополями , и с формальной точки зрения эта идея вполне реализуема и часто весьма удобна, а значит практически полезна (в расчётах); однако детальный анализ показывает, что на самом деле это не полностью правильное описание явления (наиболее очевидным вопросом, не получающим объяснения в рамках такой модели, является вопрос о том, почему монополи никогда не могут быть разделены, то есть почему эксперимент показывает, что никакое изолированное тело на самом деле не обладает магнитным зарядом; кроме того, слабостью модели является то, что она неприменима к магнитному полю, создаваемому макроскопическим током, а значит, если не рассматривать её как чисто формальный приём, приводит лишь к усложнению теории в фундаментальном смысле).

Правильнее будет сказать, что на магнитный диполь , помещённый в неоднородное поле, действует сила, которая стремится повернуть его так, чтобы магнитный момент диполя был сонаправлен с магнитным полем. Но никакой магнит не испытывает действия (суммарной) силы со стороны однородного магнитного поля. Сила, действующая на магнитный диполь с магнитным моментом m выражается по формуле :

Сила, действующая на магнит (не являющийся одиночным точечным диполем) со стороны неоднородного магнитного поля, может быть определена суммированием всех сил (определяемых данной формулой), действующих на элементарные диполи, составляющие магнит.

Впрочем, возможен подход, сводящий взаимодействие магнитов к силе Ампера, а сама формула выше для силы, действующей на магнитный диполь, тоже может быть получена, исходя из силы Ампера.

Явление электромагнитной индукции

Векторное поле H измеряется в амперах на метр (А/м) в системе СИ и в эрстедах в СГС . Эрстеды и гауссы являются тождественными величинами, их разделение является чисто терминологическим.

Энергия магнитного поля

Приращение плотности энергии магнитного поля равно:

H - напряжённость магнитного поля , B - магнитная индукция

В линейном тензорном приближении магнитная проницаемость есть тензор (обозначим его ) и умножение вектора на неё есть тензорное (матричное) умножение:

или в компонентах .

Плотность энергии в этом приближении равна:

- компоненты тензора магнитной проницаемости , - тензор, представимый матрицей, обратной матрице тензора магнитной проницаемости, - магнитная постоянная

При выборе осей координат совпадающими с главными осями тензора магнитной проницаемости формулы в компонентах упрощаются:

- диагональные компоненты тензора магнитной проницаемости в его собственных осях (остальные компоненты в данных специальных координатах - и только в них! - равны нулю).

В изотропном линейном магнетике:

- относительная магнитная проницаемость

В вакууме и:

Энергию магнитного поля в катушке индуктивности можно найти по формуле:

Ф - магнитный поток , I - ток, L - индуктивность катушки или витка с током.

Магнитные свойства веществ

С фундаментальной точки зрения, как это было указано выше, магнитное поле может создаваться (а значит - в контексте этого параграфа - и ослабляться или усиливаться) переменным электрическим полем, электрическими токами в виде потоков заряженных частиц или магнитными моментами частиц.

Конкретные микроскопическая структура и свойства различных веществ (а также их смесей, сплавов, агрегатных состояний, кристаллических модификаций и т. д.) приводят к тому, что на макроскопическом уровне они могут вести себя достаточно разнообразно под действием внешнего магнитного поля (в частности, ослабляя или усиливая его в разной степени).

В связи с этим вещества (и вообще среды) в отношении их магнитных свойств делятся на такие основные группы:

• Антиферромагнетики - вещества, в которых установился антиферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов : магнитные моменты веществ направлены противоположно и равны по силе.
• Диамагнетики - вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля.
• Парамагнетики - вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля.
• Ферромагнетики - вещества, в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов
• Ферримагнетики - материалы, у которых магнитные моменты вещества направлены противоположно и не равны по силе.
• К перечисленным выше группы веществ в основном относятся обычные твердые или (к некоторым) жидкие вещества, а также газы. Существенно отличается взаимодействие с магнитным полем сверхпроводников и плазмы .

Токи Фуко

Токи Фуко́ (вихревые токи) - замкнутые электрические токи в массивном проводнике , возникающие при изменении пронизывающего его магнитного потока . Они являются индукционными токами , образующимися в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором оно находится, либо в результате движения тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или любую его часть. Согласно правилу Ленца , магнитное поле токов Фуко направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующему эти токи .

История развития представлений о магнитном поле

Хотя магниты и магнетизм были известны гораздо раньше, изучение магнитного поля началось в 1269 году, когда французский ученый Пётр Перегрин (рыцарь Пьер из Мерикура) отметил магнитное поле на поверхности сферического магнита, применяя стальные иглы, и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» по аналогии с полюсами Земли. Почти три столетия спустя, Уильям Гильберт Колчестер использовал труд Петра Перегрина и впервые определённо заявил, что сама Земля является магнитом. Опубликованная в 1600 году, работа Гилберта «De Magnete» , заложила основы магнетизма как науки.

Три открытия подряд бросили вызов этой «основе магнетизма». Во-первых, в 1819 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле вокруг себя. Затем, в 1820 году, Андре-Мари Ампер показал, что параллельные провода, по которым идёт ток в одном и том же направлении, притягиваются друг к другу. Наконец, Жан-Батист Био и Феликс Савар в 1820 году открыли закон, названный законом Био-Савара-Лапласа , который правильно предсказывал магнитное поле вокруг любого провода, находящегося под напряжением.

Расширив эти эксперименты, Ампер издал свою собственную успешную модель магнетизма в 1825 году. В ней он показал эквивалентность электрического тока в магнитах, и вместо диполей магнитных зарядов модели Пуассона, предложил идею, что магнетизм связан с постоянно текущими петлями тока. Эта идея объясняла, почему магнитный заряд не может быть изолирован. Кроме того, Ампер вывел закон, названный его именем , который, как и закон Био-Савара-Лапласа, правильно описал магнитное поля, создаваемое постоянным током, а также была введена теорема о циркуляции магнитного поля . Кроме того, в этой работе, Ампер ввел термин «электродинамика» для описания взаимосвязи между электричеством и магнетизмом.

Хотя подразумеваемая в законе Ампера сила магнитного поля движущегося электрического заряда не была явно заявлена, в 1892 году Хендрик Лоренц вывел её из уравнений Максвелла. При этом классическая теория электродинамики была в основном завершена.

Двадцатый век расширил взгляды на электродинамику, благодаря появлению теории относительности и квантовой механики. Альберт Эйнштейн в своей статье 1905 года, где была обоснована его теория относительности, показал, что электрические и магнитные поля являются частью одного и того же явления, рассматриваемого в разных системах отсчета. (См. Движущийся магнит и проблема проводника - мысленный эксперимент , который в конечном итоге помог Эйнштейну в разработке специальной теории относительности). Наконец, квантовая механика была объединена с электродинамикой для формирования квантовой электродинамики (КЭД).

См. также

• Магнитная плёнка визуализатор

Примечания

1. БСЭ. 1973, «Советская энциклопедия».
2. В частных случаях магнитное поле может существовать и в отсутствие электрического поля, но вообще говоря магнитное поле глубоко взаимосвязано с электрическим как динамически (взаимное порождение переменными электрическим и магнитным полем друг друга), так и в том смысле, что при переходе в новую систему отсчёта магнитное и электрическое поле выражаются друг через друга, то есть вообще говоря не могут быть безусловно разделены.
3. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике: 2-е изд., перераб. - М .: Наука , Главная редакция физико-математической литературы, 1985, - 512 с.
4. В СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл), в системе СГС в гауссах .
5. Точно совпадают в системе единиц СГС , в СИ - отличаются постоянным коэффициентом, что, конечно, не меняет факта их практического физического тождества.
6. Самым важным и лежащим на поверхности отличием тут является то, что сила, действующая на движущуюся частицу (или на магнитный диполь) вычисляются именно через а не через . Любой другой физически корректный и осмысленный метод измерения также даст возможность измерить именно хотя для формального расчета иногда оказывается более удобным - в чём, собственно, и состоит смысл введения этой вспомогательной величины (иначе без неё вообще обходились бы, используя только
7. Однако надо хорошо понимать, что ряд фундаментальных свойств этой «материи» в корне отличается от свойств того обычного вида «материи», который можно было бы обозначить термином «вещество».
8. См. Теорема Ампера .
9. Для однородного поля это выражение даёт нулевую силу, поскольку равны нулю все производные B по координатам.
10. Сивухин Д. В. Общий курс физики. - Изд. 4-е, стереотипное. - М .: Физматлит ; Изд-во МФТИ, 2004. - Т. III. Электричество. - 656 с. - ISBN 5-9221-0227-3 ; ISBN 5-89155-086-5 .

Согласно современным представлениям, образовалась примерно 4,5 млрд лет назад, и с этого момента нашу планету окружает магнитное поле. Все, что находится на Земле, в том числе люди, животные и растения, подвергаются его воздействию.

Магнитное поле простирается до высоты около 100 000 км (рис. 1). Оно отклоняет или захватывает частицы солнечного ветра, губительные для всех живых организмов. Эти заряженные частицы образуют радиационный пояс Земли, а вся область околоземного пространства, в которой они находятся, называют магнитосферой (рис. 2). С освещенной Солнцем стороны Земли магнитосфера ограничена сферической поверхностью с радиусом примерно 10-15 радиусов Земли, а с противоположной стороны она вытянута подобно кометному хвосту на расстояние вплоть до нескольких тысяч радиусов Земли, образуя геомагнитный хвост. Магнитосфера отделена от межпланетного поля переходной областью.

Магнитные полюса Земли

Ось земного магнита наклонена по отношению к оси вращения Земли на 12°. Она располагается примерно на 400 км в стороне от центра Земли. Точки, в которых эта ось пересекает поверхность планеты, - магнитные полюса. Магнитные полюсаЗемли не совпадают с истинными географическими полюсами. В настоящее время координаты магнитных полюсов следующие: северный — 77° с.ш. и 102° з.д.; южный — (65° ю.ш. и 139° в.д.).

Рис. 1. Строение магнитного поля Земли

Рис. 2. Строение магнитосферы

Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, называются магнитными меридианами . Между магнитным и географическим меридианом образуется угол, называемый магнитным склонением . Каждое место на Земле имеет свой угол склонения. В районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске — около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на Т вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске — на 17° влево от соответствующего меридиана.

Свободно подвешенная магнитная стрелка располагается горизонтально только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. Если двигаться к северу от магнитного экватора, то северный конец стрелки будет постепенно опускаться. Угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью, называют магнитным наклонением . На Северном и Южном магнитных полюсах магнитное наклонение наибольшее. Оно равно 90°. На Северном магнитном полюсе свободно подвешенная магнитная стрелка установится вертикально северным концом вниз, а на Южном магнитном полюсе ее южный конец опустится вниз. Таким образом, магнитная стрелка показывает направление силовых линий магнитного ноля над земной поверхностью.

С течением времени положение магнитных полюсов относительно по земной поверхности меняется.

Магнитный полюс был открыт исследователем Джеймсом К. Россом в 1831 г. в сотнях километров от его нынешнего местонахождения. В среднем за один год он перемещается на 15 км. В последние годы скорость перемещения магнитных полюсов резко возросла. Например, Северный магнитный полюс сейчас перемещается со скоростью около 40 км в год.

Смена магнитных полюсов Земли называется инверсией магнитного поля .

На протяжении геологической истории нашей планеты земное магнитное поле изменяло свою полярность более 100 раз.

Магнитное поле характеризуется напряженностью. В некоторых местах Земли магнитные силовые линии отклоняются от нормального поля, образуя аномалии. Например, в районе Курской магнитной аномалии (КМА) напряженность поля в четыре раза выше нормы.

Существуют суточные изменения магнитного поля Земли. Причина этих изменений магнитного поля Земли — электриче- с кие токи, текущие в атмосфере на большой высоте. Вызваны они солнечным излучением. Пол действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров. Основной же причиной возникновения солнечного ветра, как мы уже знаем, являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца. При движении к Земле они превращаются в магнитные облака и приводят к сильным, иногда экстремальным возмущениям на Земле. Особенно сильные возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури. Некоторые магнитные бури начинаются неожиданно и почти одновременно по всей Земле, а другие развиваются постепенно. Они могут продолжаться несколько часов и даже суток. Часто магнитные бури происходят через 1-2 дня после солнечной вспышки из-за прохождения Земли через поток частиц, выброшенных Солнцем. Исходя из времени запаздывания скорость такого корпускулярного потока оценивают в несколько миллионов км/ч.

Во время сильных магнитных бурь нарушается нормальная работа телеграфа, телефона и радио.

Магнитные бури часто наблюдаются на широте 66-67° (в зоне полярных сияний) и возникают одновременно с полярными сияниями.

Строение магнитного поля Земли меняется в зависимости от широты местности. Проницаемость магнитного поля увеличивается в сторону полюсов. Над полярными областями силовые линии магнитного поля более или менее перпендикулярны земной поверхности и имеют воронкообразную конфигурацию. Через них часть солнечного ветра с дневной стороны проникает в магнитосферу, а затем и в верхнюю атмосферу. Сюда же в период магнитных бурь устремляются частицы из хвостовой части магнитосферы, достигая границ верхней атмосферы в высоких широтах Северного и Южного полушарий. Именно эти заряженные частицы вызывают здесь полярные сияния.

Итак, магнитные бури и суточные изменения магнитного ноля объясняются, как мы уже выяснили, солнечным излучением. Но какова основная причина, создающая постоянный магнетизм Земли? Теоретически удалось доказать, что на 99 % магнитное поле Земли вызывают источники, скрытые внутри планеты. Главное магнитное поле обусловлено источниками, расположенными в глубинах Земли. Их можно условно разделить на две группы. Основная их часть связана с процессами в земном ядре, где вследствие непрерывных и регулярных перемещений электропроводящего вещества создается система электрических токов. Другая — связана с тем, что горные породы земной коры, намагничиваясь главным электрическим полем (полем ядра), создают собственное магнитное поле, которое суммируется с магнитным полем ядра.

Кроме магнитного поля вокруг Земли существуют и другие поля: а) гравитационное; б) электрическое; в) тепловое.

Гравитационным полем Земли называют поле силы тяжести. Она направлена по отвесу перпендикулярно к поверхности геоида. Если бы у Земли была фигура эллипсоида вращения и в нем равномерно распределялись бы массы, то у нее было нормальное гравитационное поле. Разница между напряженностью реального гравитационного поля и теоретического — аномалия тяжести. Различный вещественный состав, плотность горных пород вызывают эти аномалии. Но возможны и другие причины. Их можно объяснить следующим процессом — уравновешение твердой и относительно легкой земной коры на более тяжелой верхней мантии, где и происходит выравнивание давления вышележащих слоев. Эти течения вызывают тектонические деформации, движение литосферных плит и тем самым создают макрорельеф Земли. Сила тяжести удерживает атмосферу, гидросферу, людей, животных на Земле. Силу тяжести нужно обязательно учитывать при изучении процессов в географической оболочке. Термином «геотропизм » называют ростовые движения органов растений, которые под влиянием силы земного тяготения всегда обеспечивают вертикальное направление роста первичного корня перпендикулярно поверхности Земли. Гравитационная биология использует растения в качестве экспериментальных объектов.

Если не учитывать силу тяжести, невозможно рассчитать исходные данные для запуска ракет и космических кораблей, сделать гравиметрическую разведку рудных ископаемых и, наконец, невозможно дальнейшее развитие астрономии, физики и других наук.