Принципы работы МРТ. Центр МРТ Верум в Ижевске

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

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

Физические принципы МРТ

Известно, что более 70% человеческого тела образованы молекулами воды, каждая из которых содержит два ядра водорода или протоны. Это означает, что почти в каждом человеческом органе и тканях содержится большое количество молекул воды.

Между тем, ученые выяснили, что магнитные моменты некоторых протонов в молекулах воды совпадают с направлением поля, когда он был помещен в сильное магнитное поле. Это привело к тому, что это явление можно использовать для разработки новой передовой медицинской технологии обработки изображений, поэтому была изобретена МРТ. Конечно, чтобы получить изображение человеческого тела, следует использовать другие устройства и технологии.

Прежде всего, необходимо создать очень мощное магнитное поле. Чтобы создать это сильное магнитное поле, нам нужен радиочастотный передатчик. Функция этого устройства заключается в создании электромагнитного поля. Когда большое количество электронов, протекающих по металлическому кольцу вокруг устройства МРТ, генерируется сильное магнитное поле. Проще говоря, фотоны этого поля имеют только правую энергию, известную как резонансная частота, для переворота спина выровненных протонов. Чем более мощная и продолжительная продолжительность поля, тем больше будут задействованы совпадающие спины.

Протон начнет распадаться в исходное состояние спин-вниз, и во время этой процедуры фотоны будут выпущены. Именно эта связь между напряженностью поля и частотой позволяет использовать ядерный магнитный резонанс для визуализации. Для различных частей тела человека может быть применено дополнительное магнитное поле, обеспечивающее простой способ контроля, где протоны активируются радиофотонами. Следует упомянуть, что когда градиентные катушки создают мощное магнитное поле, во время работы будут большие шумы. Поэтому необходимо предпринять некоторые усилия для уменьшения этого шума, в противном случае он может достичь приблизительно 130 децибел (порог человеческой боли), что будет очень вредно для человеческого организма

Принцип, по которому можно построить изображения, состоит в том, что различные органы или ткани внутри человеческого тела имеют разное количество молекул воды, поэтому различные положения человеческого тела возвращаются в равновесное состояние с разной скоростью.

Используя компьютер для расчета, можно получить изображения органов и тканей. Иногда для визуализации МРТ можно использовать метод инъекции, который называется контрастными агентами. Контрастные агенты можно вводить внутривенно или непосредственно в сустав. Первый метод может помочь улучшить появление кровеносных сосудов, опухолей или воспаления. Второй способ сродни артрографии. МРТ широко используется для получения изображений большинства частей человеческого тела.

Применение МРТ

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

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

Технология МРТ особенно полезна при следующих процессах в организме:

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

Магнитно-резонансная томография в настоящее время получила широкое распространение в медицине, как наиболее информативный и не инвазивный метод диагностики патологии различных органов и систем. Томограф представляет собой большой магнит, по силе которого сканеры разделяются на низкопольные (до 0.5Тл), среднепольные (от 0.5Тл до 1.0Тл), высокопольные (от 1. 0 до 3.0Тл) и сверхвысокопольные (более 3.0Тл). Наибольшее распространение в клинической практике получили 1.5Тл томографы, в большинстве случаев позволяющие получить исчерпывающую информацию о структуре тканей и органов. В основе МР-томографии лежит ряд основных принципов.

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

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

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

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

Устройство и классификация МР-томографов

Устройство МР-томографа

Любой МР-томографа состоит из:

• магнита, создающего постоянное магнитное поле, в которое помещают пациента;
• градиентных катушек, создающих слабое переменное магнитное поле в центральной части основного магнита. Это поле называют градиентным. Оно позволяет выбрать область исследования части тела пациента;
• передающих и принимающих радиочастотных катушек; передающие, используются для создания возбуждения в теле пациента, приемные — для регистрации ответа возбужденных участков;
• компьютера, управляющего работой катушек, регистрирацией, обработкой измеренных сигналов, реконструкцией МР-изображений.

Радиочастотные катушки для различных отделов тела необходимы для получения качественного изображения.

Магнитное поле характеризуется индукцией магнитного поля, единицей измерения является Тл (тесла) по имени сербского учёного Николы Теслы.

Различают несколько типов томографов (зависит от величины постоянного магнитного поля):

• 0,01 Тл — 0,1 Тл → со сверхслабым полем;
• 0,1 — 0,5 Тл → со слабым полем;
• 0,5 — 1.0 Тл → со средним полем;
• 1.0 — 2,0 Тл → с сильным полем;
• >2,0 Тл → со сверхсильным полем.

Существует три вида магнитов для мр-томографа: резистивные, постоянные и сверхпроводящие.

Томографы с полем до 0,3 Тл чаще всего имеют резистивные или постоянные магниты, выше 3,0 Тл — сверхпроводящие.

Оптимальная напряженность магнитного поля является постоянным предметом дискуссий среди специалистов.

Более 90% магнитно-резонансных томографов составляют модели со сверхпроводящими магнитами (0,5 — 1,5 Тл). Томографы со сверхсильным полем (выше 3,0 Тл) очень дороги в эксплуатации. Постоянные магниты напротив, дёшевы и просты в эксплуатации.

Открытый и закрытый тип МР-томографа.

Резистивные магниты

Магнитное поле создается с помощью электрического тока, который проходит через катушку. МР-томографы с резистивными магнитами требуют большого количества электроэнергии, которая сильно нагревает магнит, что необходимо для получения сильных магнитных полей. Такая система вырабатывает поле с напряженностью до 0,3 Тесла.

Резистивные магниты были первыми применены в клинической практике. Они просты в изготовлении, стоят дешевле сверхпроводящих или постоянных. При этом они требуют мощного и стабильного источника питания, системы водоохлаждения с качественной очисткой воды. Уровень магнитного поля в них ограничен величиной 0.3Т, при котором отношение сигнал/шум еще не достаточно высоко. По качеству и времени сканирования они уступают томографам с более сильными полями. В настоящее время этот тип магнита практически не используется, и весь современный парк томографов состоит из приборов с постоянными и сверхпроводящими магнитами.

Постоянные магниты

Магнитное поле этого типа не требует высоких эксплуатационных расходов на электроэнергию и криогенные материалы. Главным недостатком постоянных магнитов являет то, что они генерируют слабое поле с напряженностью до 0,3 Тесла. Кроме того, такие томографы обладают большой массой, так же у них отсутствует функция аварийного снижения магнитного поля. Часто томографы с постоянными магнитами имеют «открытый» тип конструкции, постоянными магнитами обычно комплектуются небольшие приборы для специализированных исследований отдельных частей тела, например, суставов конечностей.

Сверхпроводящие магниты

В таких магнитах используется свойство сверхпроводимости, которое присуще некоторым материалам при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. Сверхпроводящий материал не требует энергетических затрат, потому что практически не имеет электрического сопротивления. Однако для создания температуры, близкой к абсолютному нулю, необходимы криогенные материалы (жидкий гелий). Сверхпроводящие магниты создают магнитные поля высокой напряженности 1,0-3,0 Тесла и более. Они являются наиболее дорогими, но, благодаря высокому уровню поля и наилучшему соотношению сигнал/шум, обеспечивают наилучшее качество изображения. Не случайно наибольший прогресс в совершенствовании магнитных томографов наблюдается в области сверхпроводящих магнитов. Сегодня они покрывают более 80% рынка МР-томографов. Относительно низкий расход жидкого гелия у современных моделей, высокая скорость исследования и качество изображения делают их максимально привлекательными для потребителя.

В настоящее время изготавливаются магнитно-резонансные томографы двух типов: закрытого и открытого типа. Открытый тип томографа удобен для проведения различных манипуляций, поскольку обеспечивает более свободный доступ к пациенту. Преимуществом таких томографов является отсутствие замкнутого пространства, что актуально для пациентов страдающих клаустрофобией. Нужно учитывать, что при всех удобствах, отрытую конструкцию чаще имеют аппараты с низкой и средней напряжённостью магнитного поля, а большая часть томографов с мощными полями и наилучшим качеством изображения имеют туннельный тип.

Магнитное поле помогает оздоровлению мышц.

В спортзал можно не ходить?

1 декабря 2020

Автор фото, Getty Images

Недавнее исследование, проведенное учеными из Национального университета Сингапура, показало, что один из белков, входящих в состав нашей мышечной ткани, реагирует на слабое магнитное поле, стимулируя мышечный рост.

С возрастом люди постепенно теряют мышечную массу и силу. Причины этого до сих пор толком не известны, поэтому изучение всех аспектов мышечного здоровья представляет немалый интерес, как для ученых, так и для всех, кто столкнулся с проблемой возрастной потери мышечной массы.

Команда под руководством доцента Альфредо Франко-Обрегона из Института инноваций и технологий здравоохранения при сингапурском университете (iHealthtech) обнаружила, что белок TRPC1 реагирует на слабые колебания магнитного поля.

Такая реакция обычно наблюдается во время физических упражнений. Эту чувствительность к воздействию магнитного поля можно использовать для стимуляции восстановления мышц, что может улучшить качество жизни пациентов с нарушенной подвижностью.

Результаты совместного исследования ученых из сингапурского университета и швейцарского Федерального технологического института опубликованы в журнале Advanced Biosystems.

Магнитное поле и здоровье мышц

Магнитные поля, которые исследователи использовали для стимуляции мышц, всего в 10-15 раз сильнее, чем магнитное поле Земли, но намного слабее, чем привычный нам стержневой магнит. Это дало ученым возможность предположить, что мышцы человека естественным образом реагируют на слабое магнитное поле.

Чтобы проверить эту теорию, группа исследователей сначала использовала специальную экспериментальную установку, чтобы нейтрализовать влияние всех окружающих магнитных полей. Исследователи обнаружили, что мышечные клетки действительно росли медленнее, когда они были защищены от воздействия всех магнитных полей окружающей среды.

Автор фото, Westend61

Подпись к фото,

Об отказе от физических упражнений в исследовании не говорится — какая незадача для лентяев. ..

Эти наблюдения убедительно подтвердили идею о том, что магнитное поле Земли естественным образом взаимодействует с мышцами, вызывая биологические реакции.

Чтобы продемонстрировать участие TRPC1 в качестве своего рода «антенны», реагирующей на магнитное поле, исследователи с помощью генной инженерии создали мышечные клетки, из генома которых был удален белок TRPC1.

Оказалось, что клетки-мутанты не реагируют на любое магнитное поле. Затем исследователи смогли восстановить магнитную чувствительность путем избирательной доставки TRPC1 к этим клеткам.

Метаболические изменения, аналогичные тем, которые достигаются при физических упражнениях, наблюдались в предыдущих клинических испытаниях и исследованиях, проведенных доцентом Франко-Обрегоном. Как оказалось, для стимуляции мышечных клеток достаточно воздействия магнитного поля в течение всего 10 минут в неделю.

Почему это важно

Здоровье мышц сильно влияет на общее метаболическое состояние человека — вес, уровень сахара в крови, инсулина и холестерина, и в целом на самочувствие человека. Особенно это важно для людей с различными заболеваниями, которым трудно поддерживать высокий уровень физической активности в повседневной жизни.

Магнитные поля, симулируя работу мышц, могут помочь пациентам, неспособным выполнять упражнения из-за травм, болезней или слабости. Сейчас ученые исследуют возможности снижения зависимости пациентов от лекарственных препаратов при лечении таких заболеваний, как диабет.

«Мы надеемся, что наши исследования помогут снизить количество прописываемых препаратов для лечения заболеваний, и таким образом уменьшить побочные эффекты от лекарств и повысить качество жизни пациентов», — говорит Франко-Обрегон.

Электромагнитная совместимость светодиодных светильников / Статьи и обзоры / Элек.ру

Практическое решение проблем ЭМС сводится к двум моментам: знанию помехоустойчивости оборудования и в приведение их в соответствие друг другу. Это отражается в нормативной базе. Любое современное здание насыщено множеством электронной, телекоммуникационной, цифровой и прочим оборудованием, которое имеет очень низкий уровень защиты от импульсных помех и перенапряжений. На многих промышленных предприятиях нередко имеет место неудовлетворительное качество электропитания, происходит повреждение электронной техники.

Во времени проведения проектных и монтажных работ, а также эксплуатации объекта при проведении мероприятий по защите от импульсных перенапряжений нельзя рассматривать различные типы оборудования, различные системы и коммуникаций отдельно друг от друга.

При характеристике электромагнитной обстановки применяют термины «электрическое поле», «магнитное поле», «электромагнитное поле».

Электрическое поле создается зарядами, величина Е, единица измерения В/м (Вольт — на -метр).

Магнитное поле создается при движении электрических зарядов по проводнику, величина H, единица измерения А/м (Ампер — на — метр). При измерении сверхнизких и крайне низких частот применяют понятие магнитной индукции, единица Тл (Тесла).

Магнитные поля могут быть постоянными (ПМП), импульсными (ИМП), инфранизко-частотными (с частотой до 50 Гц), переменными (ПеМП). Действие магнитных полей может быть непрерывным и прерывистым.

Возьмем к примеру аттестацию рабочих мест, при которой проводятся измерения электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля в двух полосах частот: от 5 Гц до 2 кГц и от 2 кГц до 400 кГц. ( СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.). Напряженность магнитного поля на рабочем месте не должна превышать 8 кА/м.

Электромагнитное поле — это особая форма материи , посредством которой осуществляется воздействие между электрическими заряженными частицами.

Основные источники электромагнитного поля:

• линии электропередач (городское освещение, высоковольтное)
• бытовые приборы
• электротранспорт (поезда, трамваи, троллейбусы и т. п.)
• мощный источник магнитного поля
• теле и радио станции (транслирующие антенны)
• электропроводка внутри зданий (телекоммуникации -сотовая связь)
• персональные компьютеры
• светильники

В освещении производств, административных зданий и в особенности на повышенной безопасности, необходимо использовать LED-светильники, прошедшие испытания на электромагнитную совместимость (ЭМС).

Этих ГОСТов большое количество, но на основные все же необходимо обратить внимание потребителю.

К примеру ГОСТ Р 51317.3.2 устанавливает требования к гармоническим составляющим тока (на частотах, кратных 50 Гц), возникающих в электросетях из-за работы электроприборов, в том числе — импульсных источников питания. Для снижения гармоник в схеме источника (драйвера) предусматривают корректор коэффициента мощности. Когда корректора нет, источник потребляет ток импульсами, амплитуда которых порой в несколько раз больше ожидаемого среднего тока потребления. Это приводит к искажению сигнала переменного напряжения в сети потребителя, дисбалансу трехфазных линий электропитания, просачиванию значительной части энергетического потенциала обратно в сеть.

Если вы покупаете большое количество светодиодных светильников, то на факт соответствия требованиям ГОСТ ЭМС необходимо обратить внимание.

Вот пример протокола соответствия потолочного светодиодного светильника серии СПВО 32

ГОСТ Р 51318. 15-99 ограничивает интенсивность радиопомех на частотах от 9 кГц до 30 МГц. При этом контролируются не только излучаемые радиопомехи, но и напряжение помех на сетевых (входных) зажимах и (в случае самостоятельного блока питания или управления) на зажимах для подключения нагрузки. Несоблюдение требований этого стандарта часто приводит к эффекту, описанному в начале (не работает другая электронная техника).

Протокол соответствия потолочного светодиодного светильника серии СПВО 32

ГОСТы:

ГОСТ 12.1.038-82 Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов. 

ГОСТ 30328-95 (ГОСТ Р 50514-93, МЭК 255-5-77) Реле электрические. Испытание изоляции.

ГОСТ Р 50571.18-2000 (МЭК 60364-4 442-93) Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 442.
Защита электроустановок до 1 кВ от перенапряжений, вызванных замыканиями на землю в электроустановках выше 1 кВ.

ГОСТ Р 50648-94 (МЭК 1000-4-8-93) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к магнитному полю промышленной частоты. Технические требования и методы испытаний.;

ГОСТ Р 50649-94 (МЭК 1000-4-9-93) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к импульсному магнитному полю. Технические требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.2-2010 (МЭК 61000-4-2:2008) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.3-2006 (МЭК 61000-4-3:2006). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.4-2007 (МЭК 61000-4-4:2004). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к наносекундным импульсным помехам. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.5-99 (МЭК 61000-4-5-95). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.12-99 (МЭК 61000-4-12-95). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к колебательным затухающим помехам. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.17-2000 (МЭК 61000-4-17-99). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к пульсациям напряжения электропитания постоянного тока. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.6.2-2007 (МЭК 61000-6-2:2005) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых в промышленных зонах. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5:2001) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электрических станциях и подстанциях. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.11-2007 (МЭК 61000-4-11:2004) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к провалам, кратковременным прерываниям и изменениям напряжения электропитания. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51179-98 (МЭК 870-2-1-95) Устройства и системы телемеханики. Часть 2. Условия эксплуатации. Раздел 1. Источники питания и электромагнитная совместимость.

ГОСТ Р 53362-2009 (МЭК 62040-2:2005) Совместимость технических средств электромагнитная. Системы бесперебойного питания. Требования и методы испытаний.

Системы электромагнитных измерений

Опыт компания Сryogenic, полученный при работе над серийным криогенным измерительным оборудованием, позволил компании предложить своим Заказчикам разработку и строительство научно-исследовательских установок, обладающих набором уникальных характеристик в зависимости от нужд и потребностей Заказчиков. Компанией реализовано и реализуется большое количество “custom-build” установок для многих передовых научных проектов

Разработка систем для научных исследований

Сверхпроводящий магнит на 22 Тесла	Эксклюзивная сверхпроводящая криомагнитная система с напряжённостью поля до 22 Т, с однородностью поля в центре магнита 0. 1%. Установлена в Физическом Институте им. Лебедева РАН
Векторные магниты и многоосные системы	Векторный магнит позволяет осуществлять точное позиционирование вектора магнитного поля вдоль определенного направления образца. Возможность контроля амплитуды и направление вектора магнитного поля особенно полезно в экспериментах, где вращение образца затруднено.
Магнитные системы сверхвысокого вакуума	Магнитные системы сверхвысокого вакуума для рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, сканирующей зондовой микроскопии, анализа тонких пленок, ионной масс-спектрометрии и мн. др. CF-порты, расположенные в горизонтальной плоскости на компактном корпусе магнита, обеспечивают доступ к образцу с 4-х направлений.
Синхротрон и рассеяние нейтронов	Широкий выбор магнитных сплит-систем для оптических, нейтронных и мюонных экспериментов. Сильные магнитные поля создаются в малом объеме с максимальным доступом к образцу
Магниты с быстрым линейным изменением поля	Системы для измерения рентгеновского МКД (XMCD) и других приложений с быстрой сменой полярности магнитного поля. Отсутствие криогенных жидкостей обеспечивает превосходную экономичность и простоту использования по сравнению с альтернативами на жидком гелии.
Магнитные системы высокого разрешения (ЯМР/ЭПР)	Высокостабильные магниты для точных измерений в ЯМР и ЭПР-спектроскопии.
Магниты для сверхнизких температур	Для приложений, в которых требуются сверхнизкие температуры и сильные магнитные поля, компания Cryogenic производит широкий спектр «сухих» (без криогенных жидкостей) рефрижераторов растворения (DR) с сверхпроводящими традиционными или векторными магнитами.

Электричество и магнетизм

Итак, давайте зафиксируем то, что мы уже успели изучить. Все наши формулы могут быть выведены из нескольких утверждений. 

Утверждение 1.  

Электростатическое поле создается зарядами. Силовые линии электрического поля начинаются и кончаются на зарядах.

Математической формулировкой этого утверждения является теорема Остроградского — Гаусса для напряженности электрического поля

(9.1)

В правой части стоит интеграл от плотности зарядов по произвольному объему, который равен полному заряду внутри него. В левой части — поток вектора напряженности электрического поля через произвольную замкнутую поверхность, ограничивающую этот объем. Как мы видели, закон Кулона также содержится в этом уравнении. 

Утверждение 2.  

Магнитные заряды отсутствуют в природе.

Математической формулировкой этого утверждения является теорема Остроградского — Гаусса для вектора магнитной индукции, в правой части которой стоит нуль

(9. 2)

Утверждение 3. 

Электростатическое поле потенциально: в нем нет замкнутых силовых линий.

Математически это выражается как равенство нулю циркуляции напряжённости электростатического поля по произвольному контуру

(9.3)

Утверждение 4.  

Вихревое магнитное поле создается электрическими токами.

Математическим выражением этого утверждения является теорема о циркуляции вектора магнитной индукции

(9. 4)

В левой части стоит циркуляция магнитного поля по произвольному контуру L, а в правой — интеграл от плотности полного тока по произвольной поверхности S, натянутой на этот контур. Этот интеграл равен сумме токов, пересекающих поверхность S. В этом уравнении содержится закон Био — Савара — Лапласа. 

Эти четыре уравнения надо дополнить выражением для силы Лоренца, действующей на движущиеся заряды со стороны электромагнитных полей

(9.5)

Внимательный читатель заметит, что заголовки к двум последним утверждениям выделены другим шрифтом. Это сделано не случайно: данные утверждения подлежат модификации. Дело в том, что с тех пор, как мы сформулировали эти четыре утверждения, мы познакомились еще с одним явлением — электромагнитной индукцией. Оно пока еще не нашло отражения в выписанных уравнениях. Сделаем это. 

Если магнитный поток через проводящий виток L меняется, то в витке возникает ЭДС индукции. Что это означает? Заряды, находящиеся в проводнике, будут испытывать действие силы, связанной с этой ЭДС. Но появление силы, действующей на заряд, означает появление какого-то электрического поля. Циркуляция этого поля по витку как раз и равна по определению ЭДС индукции

(9.6)

Отличие циркуляции от нуля означает, что данное электрическое поле не потенциально, а имеет вихревой характер, подобно магнитному полю. Но если такое поле появилось, то в чем тогда роль витка? Виток — это не более, чем удобный детектор для регистрации вихревого электрического поля по возникшему индукционному току. Для того, чтобы расстаться с витком окончательно, выразим ЭДС индукции через поток магнитного поля. Перепишем закон Фарадея в виде

Объединяя это уравнение с (9.6), приходим к модифицированному утверждению 3 (рис. 9.1). 

Утверждение 5.  

Переменное магнитное поле приводит к возникновению вихревого электрического поля.

 

Рис. 9.1. Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла:
изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле 

Математически это выражается в виде уравнения

(9. 7)

В этом уравнении содержится закон электромагнитной индукции Фарадея. 

Здесь надо проявить немного осторожности: раз у нас появилось дополнительное электрическое поле, не изменит ли оно первое утверждение? По счастью, ответ отрицателен: поток вихревого поля через замкнутую поверхность равен нулю, так что это поле не даст вклада в левую часть уравнения (9.1). 

Казалось бы, мы учли уже все явления, с которыми знакомы. Почему же тогда мы пометили четвертое уравнение как требующее модификации? Дело в том, что теперь нарушена симметрия между электрическими и магнитными явлениями. Предположим, что в системе нет ни зарядов, ни токов. Может ли существовать тогда электромагнитное поле? Ответ мы знаем из современной жизни: может! Существуют же электромагнитные волны, которые распространяются в космосе и не требует для этого никакой среды. В отсутствие зарядов и токов первые два уравнения (9.1) и (9.2) вполне симметричны. Этого нельзя сказать о второй паре уравнений. Электрическое (вихревое) поле можно породить без зарядов, просто изменением магнитного поля? Почему же магнитное поле нельзя породить не токами, а изменяя электрическое поле?

IAP RAS — Negative influence of self-generated magnetic fields on ion acceleration by super-power laser pulses

Магнитное поле помешало сверхмощному лазеру разогнать протоны

Международная группа ученых обнаружила, что лазерное ускорение протонов испытывает отрицательное влияние со стороны возникающих в процессе ускорения магнитных полей при высоких мощностях используемого лазерного излучения. Это является дополнительной сложностью на пути внедрения более компактных лазерных технологий вместо традиционных методов ускорения частиц в медицинских и других приложениях. Статья была опубликована в журнале Nature Communications.

Возглавляемая профессором Политехнической школы в Париже Жульеном Фуксом (Julien Fuchs) международная группа ученых, в состав которой вошли также сотрудники Института прикладной физики РАН из Нижнего Новгород, в ходе экспериментов по ускорению протонов лазерными импульсами мощностью в десятки тераватт (1 тераватт = 10¹² ватт) обнаружила, что на процесс ускорения значительное влияние оказывают сверхсильные магнитные поля, возникающие в облучаемой мишени. Сила этих полей достигала в эксперименте величины около 1 гигагаусса, что в миллионы раз превышает самые сильные магнитные поля, которые создаются электромагнитами. Из-за этих полей энергия протонов, полученная в эксперименте, оказалась в несколько раз ниже ожидаемой.

Лазерное ускорение протонов является перспективной технологией для использования в целом ряде областей, главной из которых является протонная лучевая терапия раковых опухолей. Идея использовать для уничтожения опухоли ионизирующее излучение в виде потока протонов возникла более полувека назад. По сравнению с обычно используемым в этих целях рентгеновским излучением протоны обладают значительно более высокой селективностью и позволяют заметно снизить величину дозы, получаемой окружающими опухоль здоровыми тканями. Однако требуемая для лучевой терапии энергия протонов – около 200–300 МэВ – долгое время была доступна только на больших и дорогих ускорителях, работающих на основе традиционных радиочастотных технологий. Развитие в последние годы технологии создания сверхпроводящих магнитов позволило снизить размеры и стоимость ускорителей, что привело к росту количества центров, предоставляющих услугу протонной лучевой терапии, однако проблема её доступности в полной мере не решена до сих пор.

Дальнейшее уменьшение размеров протонных ускорителей возможно за счет использования лазерных технологий. Современные лазерные системы далеко ушли от привычных всем лазерных указок, уровней и дальномеров. Созданы лазеры, мощность которых в десятки раз превосходит мощность всех электростанций, работающих в мире. Конечно, такую мощность они развивают лишь на чрезвычайно короткий промежуток времени – не более триллионной доли секунды – однако, как было выяснено около 15 лет назад, излучение подобных лазеров можно использовать для эффективного ускорения частиц.

При облучении тонких металлических фольг сверхмощные лазеры полностью их сжигают и разрушают, создавая горячую плазму, из которой летят в том числе и пучки быстрых протонов. При этом, в отличии от традиционных ускорителей, в которых величина ускоряющих полей ограничена прочностью создающих их магнитов и электродов, в лазерном ускорении разрушение фольги не мешает процессу ускорения, и ускоряющие поля превосходят поля в традиционных ускорителях в тысячи раз. Это позволяет также в тысячи раз сократить размеры ускорителя – уменьшив их от нескольких метров до нескольких миллиметров.

На сегодняшний день одной из основных проблем лазерного ускорения протонов является увеличение энергии получаемых протонов. Рекордом является ускорение их до почти 100 МэВ, однако для медицинских приложений это число надо еще, как минимум, удвоить. Одним из очевидных путей сделать это является использование все более мощных лазеров. Именно его исследовала команда Ж. Фукса. Эксперименты были проведены на двух лазерных установках – в центре LULI, во Франции, и в Национальной лаборатории в Сандии, США. Мощность использованных лазерных импульсов достигала 200 тераватт.

При этом ученые ожидали получить энергию протонов выше 100 МэВ, однако она составила лишь 40 МэВ – такие энергии сейчас умеют получать на значительно менее мощных лазерных системах. Проведённый анализ показал, что причиной заниженного результата оказалось отрицательное влияние на процесс ускорения сверхсильных магнитных полей, которые возникают под действием лазерного излучения в мишени. Численное моделирование показало, что их величина скорее всего превышала 1 гигагаусс, что приводило к эффективному торможению нагреваемых лазером электронов, которые и должны были ускорять протоны. В результате протоны недополучали энергию.

В дальнейшем ученые планируют провести аналогичные исследования для более коротких лазерных импульсов. Численное моделирование показывает, что для них отрицательное влияние магнитного поля будет менее значительным. В частности, такие эксперименты будут проведены в Институте прикладной физики РАН, где создан и функционирует лазерный комплекс PEARL, способный генерировать излучение мощностью до 500 тераватт. Здесь же профессор Ж. Фукс возглавляет лабораторию, созданную в 2014 году в рамках программы мегагрантов Министерства образования и науки РФ (договор № 14.Z50.31.0007). В рамках этого же договора было поддержано участие сотрудников ИПФ РАН в обсуждаемой работе.

Результат численного моделирования. Структура магнитного поля в мишени и траектории нескольких случайно выбранных электронов

P.  S. Пресс-релиз по опубликованной статье был также подготовлен Университетом города Осака

Артём Коржиманов, старший научный сотрудник ИПФ РАН

Что такое магнетизм? | Магнитные поля и магнитная сила

Магнетизм — это один из аспектов комбинированной электромагнитной силы. Это относится к физическим явлениям, возникающим из-за силы, вызванной магнитами, объектами, которые создают поля, которые притягивают или отталкивают другие объекты.

Согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия, магнитное поле воздействует на частицы в поле за счет силы Лоренца. Движение электрически заряженных частиц порождает магнетизм.Сила, действующая на электрически заряженную частицу в магнитном поле, зависит от величины заряда, скорости частицы и силы магнитного поля.

Все материалы обладают магнетизмом, некоторые сильнее, чем другие. Постоянные магниты, сделанные из таких материалов, как железо, испытывают сильнейшее воздействие, известное как ферромагнетизм. За редким исключением, это единственная форма магнетизма, достаточно сильная, чтобы ее могли почувствовать люди.

Противоположности притягиваются

Магнитные поля генерируются вращающимися электрическими зарядами, согласно HyperPhysics.Все электроны обладают свойством углового момента или спина. Большинство электронов имеют тенденцию образовывать пары, в которых один из них имеет «спин вверх», а другой — «спин вниз», в соответствии с принципом исключения Паули, который гласит, что два электрона не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии одновременно. В этом случае их магнитные поля направлены в противоположные стороны, поэтому они компенсируют друг друга. Однако некоторые атомы содержат один или несколько неспаренных электронов, спин которых может создавать направленное магнитное поле. По данным Ресурсного центра неразрушающего контроля (NDT), направление их вращения определяет направление магнитного поля.Когда значительное большинство неспаренных электронов выровнены со своими спинами в одном направлении, они объединяются, чтобы создать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы его можно было почувствовать в макроскопическом масштабе.

Источники магнитного поля биполярные, с северным и южным магнитными полюсами. По словам Джозефа Беккера из Университета Сан-Хосе, противоположные полюса (северный и южный) притягиваются, а подобные полюса (северный и северный, или южный и южный) отталкиваются. Это создает тороидальное поле или поле в форме пончика, поскольку направление поля распространяется наружу от северного полюса и входит через южный полюс.

Земля сама по себе является гигантским магнитом. Согласно HyperPhysics, планета получает свое магнитное поле от циркулирующих электрических токов внутри расплавленного металлического ядра. Компас указывает на север, потому что маленькая магнитная стрелка в нем подвешена, так что он может свободно вращаться внутри своего корпуса, выравниваясь с магнитным полем планеты. Как ни парадоксально, то, что мы называем Северным магнитным полюсом, на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные магнитные полюса стрелок компаса.

Ферромагнетизм

Если выравнивание неспаренных электронов продолжается без приложения внешнего магнитного поля или электрического тока, образуется постоянный магнит. Постоянные магниты — результат ферромагнетизма. Приставка «ферро» относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые наблюдался в форме естественной железной руды, называемой магнетитом, Fe ₃ O ₄ . Кусочки магнетита можно найти разбросанными на поверхности земли или рядом с ней, и иногда они намагничиваются.Эти встречающиеся в природе магниты называются магнитными камнями. «Мы до сих пор не уверены в их происхождении, но большинство ученых считают, что магнитный камень — это магнетит, пораженный молнией», — говорится в сообщении Университета Аризоны.

Вскоре люди узнали, что они могут намагнитить железную иглу, поглаживая ее магнитом, в результате чего большинство неспаренных электронов в игле выстраиваются в одном направлении. По данным НАСА, примерно в 1000 году нашей эры китайцы обнаружили, что магнит, плавающий в чаше с водой, всегда выстраивался в направлении север-юг.Таким образом, магнитный компас стал огромным помощником в навигации, особенно днем ​​и ночью, когда звезды были скрыты облаками.

Было обнаружено, что другие металлы помимо железа обладают ферромагнитными свойствами. К ним относятся никель, кобальт и некоторые редкоземельные металлы, такие как самарий или неодим, которые используются для создания сверхпрочных постоянных магнитов.

Другие формы магнетизма

Магнетизм принимает множество других форм, но, за исключением ферромагнетизма, они обычно слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать за исключением чувствительных лабораторных приборов или при очень низких температурах.Диамагнетизм был впервые открыт в 1778 году Антоном Бругнамсом, который использовал постоянные магниты в поисках материалов, содержащих железо. По словам Джеральда Кюстлера, широко публикуемого независимого немецкого исследователя и изобретателя, в его статье «Диамагнитная левитация — исторические вехи», опубликованной в Румынском журнале технических наук, Бругнамс заметил: «Только темный и почти фиолетовый висмут проявлял конкретное явление в исследовании; когда я положил его кусок на круглый лист бумаги, плавающий на воде, он оттолкнулся обоими полюсами магнита.

Было установлено, что висмут обладает самым сильным диамагнетизмом из всех элементов, но, как обнаружил Майкл Фарадей в 1845 году, это свойство всей материи отталкиваться магнитным полем.

Диамагнетизм вызван орбитальным движением электронов, создающих крошечные токовые петли, которые создают слабые магнитные поля, согласно HyperPhysics. Когда к материалу прикладывается внешнее магнитное поле, эти токовые петли имеют тенденцию выравниваться таким образом, чтобы противостоять приложенному полю.Это заставляет все материалы отталкиваться постоянным магнитом; однако результирующая сила обычно слишком мала, чтобы быть заметной. Однако есть некоторые заметные исключения.

Пиролитический углерод, вещество, похожее на графит, демонстрирует даже более сильный диамагнетизм, чем висмут, хотя и только вдоль одной оси, и фактически может подниматься над сверхсильным редкоземельным магнитом. Некоторые сверхпроводящие материалы демонстрируют еще более сильный диамагнетизм ниже своей критической температуры, поэтому над ними можно левитировать редкоземельные магниты. (Теоретически из-за их взаимного отталкивания один может левитировать над другим.)

Парамагнетизм возникает, когда материал временно становится магнитным при помещении в магнитное поле и возвращается в свое немагнитное состояние, как только внешнее поле удаляется. При приложении магнитного поля некоторые из неспаренных электронных спинов выравниваются с полем и преодолевают противоположную силу, создаваемую диамагнетизмом. Однако, по словам Дэниела Марша, профессора физики Южного государственного университета Миссури, эффект заметен только при очень низких температурах.

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

Электромагнетизм

Когда провод перемещается в магнитном поле, поле индуцирует в проводе ток.И наоборот, магнитное поле создается движущимся электрическим зарядом. Это соответствует закону индукции Фарадея, который лежит в основе электромагнитов, электродвигателей и генераторов. Заряд, движущийся по прямой линии, как по прямому проводу, создает магнитное поле, которое вращается вокруг провода по спирали. Когда этот провод превращается в петлю, поле приобретает форму пончика или тора. Согласно Руководству по магнитной записи (Springer, 1998) Marvin Cameras, это магнитное поле можно значительно усилить, поместив ферромагнитный металлический сердечник внутрь катушки.

В некоторых приложениях постоянный ток используется для создания постоянного поля в одном направлении, которое можно включать и выключать вместе с током. Это поле может затем отклонить подвижный железный рычаг, вызывая слышимый щелчок. Это основа телеграфа, изобретенного в 1830-х годах Сэмюэлем Ф. Б. Морсом, который позволял осуществлять связь на большие расстояния по проводам с использованием двоичного кода, основанного на импульсах большой и малой длительности. Импульсы посылались опытными операторами, которые быстро включали и выключали ток с помощью подпружиненного переключателя с мгновенным контактом или ключа.Другой оператор на принимающей стороне затем переводил слышимые щелчки обратно в буквы и слова.

Катушку вокруг магнита также можно заставить двигаться по шаблону с изменяющейся частотой и амплитудой, чтобы индуцировать ток в катушке. Это основа для ряда устройств, в первую очередь для микрофона. Звук заставляет диафрагму двигаться внутрь и наружу с волнами переменного давления. Если диафрагма соединена с подвижной магнитной катушкой вокруг магнитопровода, она будет производить переменный ток, аналогичный падающим звуковым волнам.Затем этот электрический сигнал может быть усилен, записан или передан по желанию. Крошечные сверхсильные магниты из редкоземельных элементов в настоящее время используются для изготовления миниатюрных микрофонов для сотовых телефонов, сообщил Марш Live Science.

Когда этот модулированный электрический сигнал подается на катушку, он создает колеблющееся магнитное поле, которое заставляет катушку двигаться внутрь и наружу по магнитному сердечнику по той же схеме. Затем катушка прикрепляется к подвижному диффузору динамика, чтобы он мог воспроизводить слышимые звуковые волны в воздухе.Первым практическим применением микрофона и динамика был телефон, запатентованный Александром Грэмом Беллом в 1876 году. Хотя эта технология была усовершенствована и усовершенствована, она все еще является основой для записи и воспроизведения звука.

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

Штатный писатель Таня Льюис внесла свой вклад в этот отчет.

Дополнительные ресурсы

магнетизм | Национальное географическое общество

Магнетизм — это сила, проявляемая магнитами, когда они притягиваются или отталкиваются друг от друга. Магнетизм вызывается движением электрических зарядов.

Каждое вещество состоит из крошечных единиц, называемых атомами. В каждом атоме есть электроны, частицы, несущие электрические заряды. Вращаясь, как волчки, электроны вращаются вокруг ядра или остова атома.Их движение генерирует электрический ток и заставляет каждый электрон действовать как микроскопический магнит.

В большинстве веществ одинаковое количество электронов вращается в противоположных направлениях, что нейтрализует их магнетизм. Вот почему такие материалы, как ткань или бумага, считаются слабомагнитными. В таких веществах, как железо, кобальт и никель, большинство электронов вращаются в одном направлении. Это делает атомы в этих веществах сильно магнитными, но они еще не магниты.

Чтобы стать намагниченным, другое сильномагнитное вещество должно войти в магнитное поле существующего магнита.Магнитное поле — это область вокруг магнита, обладающая магнитной силой.

Все магниты имеют северный и южный полюса. Противоположные полюса притягиваются друг к другу, а одни и те же полюса отталкиваются. Когда вы протираете кусок железа по магниту, северные полюса атомов в железе выстраиваются в одном направлении. Сила, создаваемая выровненными атомами, создает магнитное поле. Железка стала магнитом.

Некоторые вещества могут намагничиваться электрическим током.Когда электричество проходит через катушку с проволокой, создается магнитное поле. Однако поле вокруг катушки исчезнет, ​​как только отключится электрический ток.

Геомагнитные полюса

Земля — ​​это магнит. Ученые не до конца понимают, почему, но они думают, что движение расплавленного металла во внешнем ядре Земли порождает электрические токи. Токи создают магнитное поле с невидимыми силовыми линиями, протекающими между магнитными полюсами Земли.

Геомагнитные полюса не совпадают с Северным и Южным полюсами. Магнитные полюса Земли часто перемещаются из-за активности далеко под поверхностью Земли. Смещение геомагнитных полюсов фиксируется в породах, которые образуются, когда расплавленный материал, называемый магмой, проникает сквозь земную кору и изливается в виде лавы. Когда лава остывает и превращается в твердую породу, сильно магнитные частицы внутри породы намагничиваются магнитным полем Земли. Частицы выстраиваются вдоль силовых линий в поле Земли.Таким образом, камни фиксируют положение геомагнитных полюсов Земли в то время.

Как ни странно, магнитные записи горных пород, образовавшихся в одно и то же время, похоже, указывают на разные местоположения полюсов. Согласно теории тектоники плит, скальные плиты, составляющие твердую оболочку Земли, постоянно перемещаются. Таким образом, плиты, на которых застывала порода, переместились с тех пор, как породы зафиксировали положение геомагнитных полюсов. Эти магнитные записи также показывают, что геомагнитные полюса менялись на противоположный вид — сотни раз с момента образования Земли.

Магнитное поле Земли не движется быстро и часто не меняется. Следовательно, это может быть полезным инструментом, помогающим людям сориентироваться. Сотни лет люди использовали магнитные компасы для навигации по магнитному полю Земли. Магнитная стрелка компаса совпадает с магнитными полюсами Земли. Северный конец магнита указывает на северный магнитный полюс.

Магнитное поле Земли доминирует в области, называемой магнитосферой, которая охватывает планету и ее атмосферу.Солнечный ветер, заряженные частицы от Солнца, прижимает магнитосферу к Земле со стороны, обращенной к Солнцу, и растягивает ее в форме капли на теневой стороне.

Магнитосфера защищает Землю от большинства частиц, но некоторые из них просачиваются сквозь нее и попадают в ловушку. Когда частицы солнечного ветра сталкиваются с атомами газа в верхних слоях атмосферы вокруг геомагнитных полюсов, они создают световые эффекты, называемые полярными сияниями. Эти полярные сияния появляются над такими местами, как Аляска, Канада и Скандинавия, где их иногда называют «Северным сиянием».«Южное сияние» можно увидеть в Антарктиде и Новой Зеландии.

Можно ли создавать магнитные волны?

Категория: Физика Опубликовано: 13 января 2016 г.

Изображение из общественного достояния, источник: Кристофер С. Бэрд

Да, с помощью магнитов можно создавать электромагнитные волны. Нет, невозможно создать магнитные волны без электрического поля. Электрические поля создаются электрическими зарядами.Например, если вы статически зарядили воздушный шар, потерев им волосы, воздушный шар создаст электрическое поле. Магнитные поля создаются магнитами. Например, магнит на холодильник создает магнитное поле и прилипает к нему. Электрические поля и магнитные поля не являются отдельными сущностями. На самом деле они являются гранями одной единой сущности: электромагнитного поля.

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

Итак, нет возможности создавать чисто магнитные волны. Сам акт создания волн в магнитном поле автоматически создает соответствующие электрические поля и приводит к электромагнитному излучению. Например, если вы возьмете стержневой магнит и встряхнете им над головой, вы не создадите магнитные волны.Вы создаете электромагнитных волны. В частности, вы создаете очень слабые, очень низкочастотные радиоволны. Это не фигура речи. Размахивание стержневым магнитом буквально создает радиоволны, распространяющиеся во всех направлениях. Однако эти радиоволны очень низкочастотные, поэтому не думайте, что вы можете начать транслировать музыку нового поколения на свой радиоприемник, размахивая стержневым магнитом.

Темы: электрическое поле, электромагнетизм, магнит, магнитное поле

Происхождение магнитного поля Земли остается загадкой | MIT News

Микроскопические минералы, извлеченные из древнего обнажения Джек-Хиллз в Западной Австралии, были предметом интенсивных геологических исследований, так как они, кажется, несут на себе следы магнитного поля Земли, простирающиеся еще в 4 года.2 миллиарда лет назад. Это почти на 1 миллиард лет раньше, чем предполагалось, когда возникло магнитное поле, и почти до того времени, когда образовалась сама планета.

Но какой бы интригующей ни была эта история происхождения, команда под руководством Массачусетского технологического института нашла доказательства обратного. В статье, опубликованной сегодня в журнале « Science Advances », команда исследователей исследовала кристаллы того же типа, называемые цирконами, которые были извлечены из того же обнажения, и пришла к выводу, что собранные ими цирконы ненадежны в качестве регистраторов древних магнитных полей.

Другими словами, до сих пор не решено, существовало ли магнитное поле Земли раньше, чем 3,5 миллиарда лет назад.

«Нет надежных доказательств существования магнитного поля до 3,5 миллиардов лет назад, и даже если бы поле существовало, будет очень трудно найти доказательства его существования в цирконах Jack Hills», — говорит Кауэ Борлина, аспирантка. в Департаменте наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Это важный результат в том смысле, что мы знаем, чего больше не искать.

Борлина — первый автор статьи, в которую также входят профессор EAPS Бенджамин Вайс, главный научный сотрудник Эдуардо Лима и научный сотрудник Джахандар Рамезан из Массачусетского технологического института, а также другие сотрудники из Кембриджского университета, Гарвардского университета, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Университет Алабамы и Принстонский университет.

Возбужденное поле

Считается, что магнитное поле Земли играет важную роль в обеспечении обитаемости планеты.Магнитное поле не только задает направление стрелок компаса, но и действует как своего рода щит, отражающий солнечный ветер, который в противном случае мог бы разъедать атмосферу.

Ученые знают, что сегодня магнитное поле Земли создается за счет затвердевания жидкого железного ядра планеты. Охлаждение и кристаллизация ядра приводит в движение окружающее жидкое железо, создавая мощные электрические токи, которые создают магнитное поле, простирающееся далеко в космос. Это магнитное поле известно как геодинамо.

Многочисленные доказательства показали, что магнитное поле Земли существовало по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад. Однако считается, что ядро ​​планеты начало затвердевать всего 1 миллиард лет назад, а это означает, что магнитное поле должно было быть вызвано каким-то другим механизмом до 1 миллиарда лет назад. Уточнение того, когда именно сформировалось магнитное поле, могло помочь ученым с самого начала выяснить, что его породило.

Борлина говорит, что происхождение магнитного поля Земли может также пролить свет на ранние условия, в которых зародились первые формы жизни на Земле.

«В первый миллиард лет Земли, между 4,4 и 3,5 миллиардами лет, именно тогда зарождалась жизнь», — говорит Борлина. «Наличие магнитного поля в то время имеет разные последствия для окружающей среды, в которой на Земле зародилась жизнь. Это мотивация нашей работы ».

«Не могу доверять циркону»

Ученые традиционно использовали минералы в древних породах для определения ориентации и интенсивности магнитного поля Земли во времени.По мере образования и охлаждения горных пород электроны в отдельных зернах могут смещаться в направлении окружающего магнитного поля. Как только горная порода остывает до определенной температуры, известной как температура Кюри, ориентация электронов, так сказать, устанавливается в камне. Ученые могут определить свой возраст и использовать стандартные магнитометры для измерения их ориентации, оценки силы и ориентации магнитного поля Земли в данный момент времени.

С 2001 года Вайс и его группа изучают намагничивание горных пород и зерен циркона в Джек-Хиллз с непростой целью установить, содержат ли они древние записи магнитного поля Земли.

«Цирконы Джек-Хиллз — одни из самых слабомагнитных объектов, изученных в истории палеомагнетизма», — говорит Вайс. «Кроме того, эти цирконы включают в себя самые старые известные материалы на Земле, а это означает, что существует множество геологических событий, которые могли бы сбросить их магнитные записи».

В 2015 году отдельная исследовательская группа, которая также начала изучать цирконы Джек-Хиллз, утверждала, что они нашли доказательства магнитного материала в цирконах, возраст которых составляет 4,2 миллиарда лет — первое свидетельство того, что магнитное поле Земли могло существовать до 3.5 миллиардов лет назад.

Но Борлина отмечает, что команда не подтвердила, действительно ли обнаруженный ими магнитный материал образовался во время или после образования кристалла циркона 4,2 миллиарда лет назад — цель, которую он и его команда взяли на себя в своей новой статье.

Борлина, Вайс и их коллеги собрали породы на том же обнажении Джека Хиллз и из этих образцов извлекли 3754 зерна циркона, каждое около 150 микрометров в длину, что примерно равно ширине человеческого волоса. Используя стандартные методы датирования, они определили возраст каждого зерна циркона, который колебался от 1 миллиарда до 4 лет.2 миллиарда лет.

Около 250 кристаллов были старше 3,5 миллиардов лет. Команда изолировала и визуализировала эти образцы, ища признаки трещин или вторичных материалов, таких как минералы, которые могли отложиться на кристалле или внутри него после того, как он полностью сформировался, и искала доказательства того, что они значительно нагреваются за последние несколько миллиардов. лет с момента их образования. Из этих 250 они идентифицировали только три циркона, которые были относительно свободны от таких примесей и, следовательно, могли содержать подходящие магнитные записи.

Затем команда провела подробные эксперименты с этими тремя цирконами, чтобы определить, какие виды магнитных материалов они могут содержать. В конце концов они определили, что магнитный минерал под названием магнетит присутствует в двух из трех цирконов. Используя квантовый алмазный магнитометр с высоким разрешением, команда исследовала поперечные сечения каждого из двух цирконов, чтобы отобразить расположение магнетита в каждом кристалле.

Они обнаружили магнетит, лежащий вдоль трещин или поврежденных зон внутри цирконов.По словам Борлина, такие трещины — это пути, по которым вода и другие элементы попадают внутрь породы. Такие трещины могли пропускать вторичный магнетит, который оседал в кристалле намного позже, чем когда первоначально образовался циркон. В любом случае, говорит Борлина, доказательства очевидны: эти цирконы нельзя использовать в качестве надежных регистраторов магнитного поля Земли.

«Это свидетельство того, что мы не можем доверять этим измерениям циркона для регистрации магнитного поля Земли», — говорит Борлина. «Мы показали это до 3.5 миллиардов лет назад мы до сих пор не знаем, когда возникло магнитное поле Земли ».

«Для меня эти результаты вызывают большие сомнения в способности цирконов Джека Хиллса достоверно регистрировать интенсивность палеомагнитного поля до 3,5 миллиардов лет», — говорит Энди Биггин, профессор палеомагнетизма Ливерпульского университета, не участвовал в исследовании. «Тем не менее, эти дебаты, как палеомагнитный эквивалент Брексита, бушуют с 2015 года, и я был бы очень удивлен, если бы это было последнее слово по этому поводу.Практически невозможно доказать отрицательный результат, и ни методы, ни интерпретации не подлежат сомнению ».

Несмотря на эти новые результаты, Вайс подчеркивает, что предыдущие магнитные анализы этих цирконов все еще очень ценны.

«Команда, которая сообщила о первоначальном магнитном исследовании циркона, заслуживает большой похвалы за попытку решить эту чрезвычайно сложную проблему», — говорит Вайс. «В результате всей работы обеих групп мы теперь намного лучше понимаем, как изучать магнетизм древних геологических материалов.Теперь мы можем начать применять эти знания к другим минеральным зернам и зернам с других планетных тел ».

Это исследование частично поддержано Национальным научным фондом.

12: Источники магнитных полей

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Без заголовков

В этой главе мы исследуем, как магнитные поля создаются произвольным распределением электрического тока, используя закон Био-Савара.Затем мы рассмотрим, как токоведущие провода создают магнитные поля, и вычислим силы, возникающие между двумя токоведущими проводами из-за этих магнитных полей. Мы также изучаем крутящие моменты, создаваемые магнитными полями токовых петель. Затем мы обобщаем эти результаты на важный закон электромагнетизма, называемый законом Ампера.

• 12.1: Введение к источникам магнитных полей

  В предыдущей главе мы видели, что движущаяся заряженная частица создает магнитное поле.Эта связь между электричеством и магнетизмом используется в электромагнитных устройствах, таких как жесткий диск компьютера. Фактически, это основной принцип, лежащий в основе большинства технологий в современном обществе, включая телефоны, телевидение, компьютеры и Интернет.

• 12.2: Закон Био-Савара

  Мы видели, что масса создает гравитационное поле, а также взаимодействует с этим полем. Заряд создает электрическое поле, а также взаимодействует с этим полем.Поскольку движущийся заряд (то есть ток) взаимодействует с магнитным полем, можно ожидать, что он также создает это поле — и это так.

• 12.3: Магнитное поле из-за тонкого прямого провода

  Как форма проводов, по которым проходит ток, влияет на форму создаваемого магнитного поля? Мы знаем, что токовая петля создавала магнитное поле, подобное магнитному полю, но как насчет прямого провода? Мы можем использовать закон Био-Савара, чтобы ответить на все эти вопросы, включая определение магнитного поля длинного прямого провода.

• 12.4: Магнитная сила между двумя параллельными токами

  Можно ожидать, что два токоведущих провода создают между собой значительные силы, поскольку обычные токи создают магнитные поля, и эти поля оказывают значительные силы на обычные токи. Но вы не могли ожидать, что сила между проводами используется для определения силы тока. Вы также можете удивиться, узнав, что эта сила имеет какое-то отношение к тому, почему большие автоматические выключатели сгорают, когда они пытаются прервать большие токи.

• 12.5: Магнитное поле токовой петли

  Мы можем использовать закон Био-Савара, чтобы найти магнитное поле, обусловленное током. Сначала рассмотрим произвольные сегменты на противоположных сторонах петли, чтобы качественно показать с помощью векторных результатов, что чистое направление магнитного поля проходит вдоль центральной оси петли. Отсюда мы можем использовать закон Био-Савара, чтобы получить выражение для магнитного поля.

• 12.6: Закон Ампера

  Фундаментальное свойство статического магнитного поля состоит в том, что, в отличие от электростатического, оно не является консервативным.Консервативное поле — это поле, которое выполняет одинаковую работу с частицей, движущейся между двумя разными точками, независимо от выбранного пути. Магнитные поля таким свойством не обладают. Вместо этого существует связь между магнитным полем и его источником, электрическим током. Он выражается через линейный интеграл B и известен как закон Ампера.

• 12.7: Соленоиды и тороиды

  Два наиболее распространенных и полезных электромагнитных устройства называются соленоидами и тороидами.В той или иной форме они являются частью множества инструментов, больших и малых. В этом разделе мы исследуем типичное для этих устройств магнитное поле.

• 12.8: Магнетизм в материи

  Почему одни материалы магнитны, а другие нет? И почему одни вещества намагничиваются полем, а другие не подвержены влиянию? Чтобы ответить на такие вопросы, нам нужно понимание магнетизма на микроскопическом уровне. Внутри атома каждый электрон движется по орбите и вращается вокруг внутренней оси.Оба типа движения создают токовые петли и, следовательно, магнитные диполи. Для конкретного атома чистый магнитный дипольный момент представляет собой векторную сумму магнитных дипольных моментов.

• 12.A: Источники магнитных полей (ответы)

• 12.E: Источники магнитных полей (упражнения)

• 12. Источники магнитных полей (Резюме)

магнитное поле | Определение и факты

Выявите форму магнитного поля и изучите взаимодействие между магнитными полюсами с помощью железных опилок

Это видео объясняет, как магнитные полюса взаимодействуют друг с другом.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео по этой статье

Магнитное поле , векторное поле в окрестности магнита, электрический ток или изменяющееся электрическое поле, в котором наблюдаются магнитные силы. Магнитные поля, такие как у Земли, заставляют стрелки магнитного компаса и другие постоянные магниты выстраиваться в линию в направлении поля. Магнитные поля заставляют электрически заряженные частицы двигаться по круговой или винтовой траектории. Эта сила, действующая на электрические токи в проводах в магнитном поле, лежит в основе работы электродвигателей.(Для получения дополнительной информации о магнитных полях, см. магнетизм.

Подробнее по этой теме

Магнетизм: основы

В основе магнетизма лежат магнитные поля и их влияние на материю, как, например, отклонение движущихся зарядов и крутящих моментов на другие …

Магнитное поле вокруг постоянного магнита или провода, по которому проходит постоянный электрический ток в одном направлении, является стационарным и называется магнитостатическим полем.В любой момент его величина и направление остаются неизменными. Магнитное поле вокруг переменного или постоянного тока постоянно меняет свою величину и направление.

Магнитные поля могут быть представлены непрерывными силовыми линиями или магнитным потоком, которые исходят из магнитных полюсов, направленных на север, и входят в магнитные полюсы, направленные на юг. Плотность линий указывает величину магнитного поля. Например, на полюсах магнита, где сильное магнитное поле, силовые линии сжимаются или становятся более плотными.Дальше, где магнитное поле слабое, они разветвляются, становясь менее плотными. Однородное магнитное поле представлено параллельными прямыми, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга. Направление потока — это направление, в котором указывает северный полюс небольшого магнита. Линии потока непрерывны, образуя замкнутые контуры. Для стержневого магнита они выходят из северного полюса, разветвляются и вращаются, входят в магнит на южном полюсе и проходят через магнит к северному полюсу, где они снова появляются.Единицей измерения магнитного потока в системе СИ является вебер. Количество веберов — это мера общего количества линий поля, пересекающих данную область.

магниты и связанные с ними силовые линии магнитного поля

Постоянный магнит (такой как стержневой или дисковый магнит) обладает магнитным полем благодаря выравниванию всех магнитных частиц, из которых он состоит. Электромагнит создается током, протекающим через проволочную петлю в центре поля.

© Merriam-Webster Inc.

Магнитные поля могут быть представлены математически величинами, называемыми векторами, которые имеют направление и величину.Два разных вектора используются для представления магнитного поля: один, называемый плотностью магнитного потока или магнитной индукцией, обозначается как B ; другой, называемый напряженностью магнитного поля или напряженностью магнитного поля, обозначается как H . Магнитное поле H можно рассматривать как магнитное поле, создаваемое протеканием тока в проводах, а магнитное поле B — как полное магнитное поле, включая также вклад, вносимый магнитными свойствами материалов в поле.Когда ток течет по проволоке, намотанной на цилиндр из мягкого железа, намагничивающее поле H довольно слабое, но фактическое среднее магнитное поле ( B ) внутри утюга может быть в тысячи раз сильнее, поскольку B значительно усилен выравниванием бесчисленных крошечных естественных атомных магнитов железа в направлении поля. См. Также магнитную проницаемость .

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Что такое магнитное поле?

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

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

А?

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

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

1. Что делает магнитное поле?

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

2. Как измерить магнитное поле?

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

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

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

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

Гигантский магнит-подкова, притягивающий скрепку

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

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

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

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

Силовые линии магнитного поля вокруг стержневого магнита

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

Железные опилки, насыпанные на лист бумаги поверх стержневого магнита

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

5. Магнитные силы проникают не только в воздух?

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

Магнитные силы могут проникать в бумагу.Показаны магниты героев.

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

(Показан магнитный жезл.