1. Магнитное поле создаётся: а) неподвижными зарядами б)любыми зарядами в)движущимися

решите пожалуйста задачу 27 20 баллов

решите пожалуйста задачу 26 20 баллов

решите пожалуйста задачу 25 баллов

В калориметре находится кусок льда массой 85 г при температуре 0°С. Какую массу воды с начальной температурой 100 °С нужно налить в калориметр, чтобы … весь лёд растаял, а температура образовавшейся воды стала равной 35 °С ? Ответ выразить в граммах [г]. Удельная теплота плавления льда 335 х 10″3 Дж/кг, удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг×К). Тепловыми потерями в окружающую среду пренебречь.

С ПОДРОБНЫМ РЕШЕНИЕМ!!!Баржу перемещают с помощью двух буксиров, движущихся со скоростями 3 м/с и 5 м/с, образующими угол а (рис. 56), тангенс которог … о равен tga = 2. Тросы, с помощью которых буксируют баржу, нерастяжимы и прикреплены к одной точке баржи. Под каким углом В к скорости і, будет направлена скорость точки крепления тросов и че- му равна скорость этой точки? Воспользоваться формулой для косину- са разности двух углов cos(а — в) = cos a cos B + sin a sin В.

​

Какое количество теплоты выделится при конденсации водяного пара массой 3 кг при температуре 100оС? Удельная теплота парообразования воды равна 2,3∙10 … 6 Дж/кг. 2,3 МДж 6,9МДж 3 МДж 23 МДж

Погрешность измерения тока I специальным амперметром, рассчитанным на токи до Imax=50 мА, определяется только погрешностью считывания и равна ΔI=1 мА. … У вас в распоряжении много таких амперметров. Какое наименьшее количество амперметров нужно использовать, чтобы можно было измерить ток 1 А с наименьшей относительной погрешностью? Чему равна относительная погрешность измерения такого тока? Ответ выразите в процентах, округлите до целого числа.

222. Первую треть пути автомобиль проехал с постоянной скоростью 10 км/ч, вторую треть со скоростно 60 км/ч, третью 30 км/ч. Вычислите среднюю скорост … ь автомобиля на всем пути. (С РЕШЕНИЕМ!!!) Спасибо!!!!!

Извините, я не уловил мысль. Помогите понять, что имелось ввиду. «Как и в случае равномерного движения, можно пользоваться формулой [tex]s \: = ut[/t … ex]для определения пути, пройденного за данный промежуток времени при определённой средней скорости, и формулой [tex]t \: = \frac{s}{u} [/tex]для определения времени, за которое пройден данный путь с данной средней скоростью. Но пользоваться этими формулами можно только для того участка пути и для того промежутка времени, для которых эта средняя скорость была рассчитана. Например, зная среднюю скорость на участке пути AB и зная длину AB, можно определить время, за которое был пройден этот участок, но нельзя найти время, за которое была пройдена половина участка АВ, т.к. средняя скорость на половине участка при неравномерном движении, вообще говоря, не будет равна средней скорости на всём участке.Что имеется ввиду под предпоследним предложением? Объясните просторно и понятно, даю 40 баллов​

ПОЖАЛУЙСТА, СРОЧНО! 1). Известно, что нота «до» первой октавы имеет частоту 262 Hz. Также известно, что частоты двух одноимённых нот соседних октав от … личаются ровно в 2 раза. В какой октаве находится звук, порождённые колебаниями, ищображенными на графике? (график приложен) 2). Нарисовать график 3). Определить музыкальный инструмент

Контрольная работа 11 кл М п ЭМИ ЭМК ЭМВ

Контрольная работа на тему: «МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ»

ВАРИАНТ 1

ЧАСТЬ А Выберите один верный ответ

1. Магнитное поле создается

1) электрическими зарядами

2) магнитными зарядами

3) движущимися электрическими зарядами

4) любым телом

2. Линии магнитной индукции вокруг проводника с током правильно показаны в случае

1)А 3)В

2) Б 4) Г

3. Прямолинейный проводник с током находится между полюсами магнита (проводник расположен перпендикулярно плоскости листа, ток течет к читателю). Сила Ампера, действующая на проводник, направлена

1) вправо → 3) вверх ↑

2) влево ← 4) вниз ↓

4. Траектория полета электрона, влетевшего в однородное магнитное поле под углом 60°

1) прямая 3) парабола

2) окружность 4) винтовая линия

5.Какой из ниже перечисленных процессов объясняется явлением электромагнитной индукцией?

1) взаимодействие проводников с током.

2. отклонение магнитной стрелки при прохождении по про­воду электрического тока.

3. возникновение электрического тока в замкнутой катуш­ке при увеличении силы тока в катушке, находящейся рядом с ней.

4. возникновение силы, действующей на прямой проводник с током.

6. Легкое проволочное кольцо подвешено на нити. При вдвигании в кольцо магнита северным полюсом оно будет:

1. отталкиваться от магнита

2. притягиваться к магниту

3. неподвижным

4. сначала отталкиваться, затем притягиваться

7. На рисунке представлен график зависимости заряда от времени в колебательном контуре. Значения амплитуды заряда и периода его изменения равны

1,5 нКл, 2 мкс

1. 3 нКл, 4 мкс

2. 1,5 нКл, 4 мкс

3. 3 нКл, 2 мкс

ЧАСТЬ В

8. Установите соответствия технических устройств из левого столбца таблицы с физическими явлениями, используемыми в них, в правом столбце.

Устройства

А. электродвигатель

Б. компас

В. гальванометр

Г. МГД — генератор

Явления

1. действие магнитного поля на постоянный магнит

2. действие магнитного поля на движущийся электрический заряд

3. действие магнитного поля на проводник с током

Решите задачи.

9. В однородном магнитном поле движется со скоростью 4 м/с перпендикулярно линиям магнитной индукции провод длиной 1,5м. Модуль вектора индукции магнитного поля равен 50 мТл. Определить ЭДС индукции, которая возникает в проводнике.

10. На какой частоте работает радиопередатчик, излучающий волну длиной 30 м?

ЧАСТЬ С

Решите задачу.

11. По горизонтальным рельсам, расположенным в вертикальном магнитном поле с индукцией 0,01 Тл, скользит проводник длиной 1 м с постоянной скоростью 10 м/с. Концы рельсов замкнуты на резистор сопротивлением 2 Ом. Найдите количество теплоты, которое выделится в резисторе за 4 с. Сопротивлением рельсов и проводника пренебречь.

Контрольная работа на тему: «МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ»

ВАРИАНТ 2

ЧАСТЬ А Выберите один верный ответ

1. Движущийся электрический заряд создает

1. только электрическое поле

2. только магнитное поле

3. как электрическое, так и магнитное поле

4. только гравитационное поле

2. На рисунке изображен цилиндрический проводник, по которому идет электрический ток. Направление тока указано стрелкой. Как направлен вектор магнитной индукции в точке С?

1)в плоскости чертежа вверх

2. в плоскости чертежа вниз

3. от нас перпендикулярно плоскости чертежа

4. к нам перпендикулярно плоскости чертежа

3. На проводник с током, внесенный в магнитное поле, действует сила, направленная

1)вверх

2)влево

3. к нам перпендикулярно плоскости чертежа

4. от нас перпендикулярно плоскости чертежа

4. Скорость электрона направлена перпендикулярно магнитной индукции. Сила Лоренца направлена

1) вправо→

2) влево←

3)вверх ↑

4) вниз ↓

5. Легкое металлическое кольцо подвешено на нити. При вдвигании в кольцо постоянного магнита оно отталкивается от него. Это объясняется

1. намагничиванием кольца

2. электризацией кольца

3. возникновением в кольце индукционного тока

4. возникновением в магните индукционного тока

6. В проволочное алюминиевое кольцо, висящее на нити, вносят полосовой магнит: сначала южным полюсом, затем северным. Кольцо при этом:

1. в обоих случаях притянется к магниту

2. в обоих случаях оттолкнется от магнита

3. в первом случае притянется, во втором — оттолкнется

4. в первом случае оттолкнется, во втором — притянется

7.

На рисунке представлен график зависимости силы тока от времени в колебательном контуре. Значения амплитуды силы тока и частоты ее изменения равны

1. 10мА,8Гц

2. 10мА,4Гц

3. 5мА,0,125Гц

4) 5 мА, 0,25 Гц

ЧАСТЬ В

8. Установите соответствия технических устройств из левого столбца таблицы с физическими явлениями, используемыми в них, в правом столбце.

Явления

1. действие магнитного поля на постоянный магнит

2. действие магнитного поля на проводник с током

3. действие магнитного поля на движущийся электрический заряд

Устройства

A. громкоговоритель

Б. электронно-лучевая трубка

B. амперметр
Г. компас

Решите задачи.

9. В однородном магнитном поле перпендикулярно направлению вектора индукции, модуль которого 0,1 Тл, движется проводник длиной 2 м со скоростью 5 м/с. Определить ЭДС индукции, которая возникает в проводнике.

10. Какова длина волны телевизионного сигнала, если несущая частота равна 50 МГц?

ЧАСТЬ С

11. Решите задачу.

Плоский проволочный виток площадью 1000 см², имеющий сопротивление 2 Ом, расположен в однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл таким образом, что его плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции. На какой угол был повернут виток, если при этом по нему прошел заряд 7,5 мКл?

Ответы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

в-1 3 1 1 4 3 1 3 3132 0,3В 1МГц 20МДж

в-2 3 4 4 3 3 2 3 2321 1В 6м 120°

Магнитное поле — определение, виды

Магнитное поле

Люди только и делают, что говорят про какие-то магнитные бури, привозят магнитики на холодильник, ходят в походы с компасом, который показывает, где север, а где юг. В основе всего этого лежит магнитное поле.

Магнитное поле — это материя, за счет которой осуществляется взаимодействие зарядов.

У нее есть несколько условий для существования:

• магнитное поле материально, то есть существует независимо от наших знаний о нем;
• порождается только движущимся электрическим зарядом;
• обнаружить магнитное поле можно по действию на движущийся электрический заряд (или проводник с током) с некоторой силой;
• магнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

Магнитное поле создается только движущимся электрическим зарядом? А как же магниты? Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Электроны могут вращаться по разным орбитам. На каждой орбите может находиться по два электрона, которые вращаются в разных направлениях. Но у некоторых веществ не все электроны парные, и несколько электронов крутятся в одном и том же направлении, такие вещества называются ферромагнетиками. А поскольку электрон — заряженная частица, вращающиеся вокруг атома в одну и ту же сторону электроны создают магнитное поле. Получается миниатюрный электромагнит. Если атомы вещества расположены в произвольном порядке, поля этих крошечных магнитиков компенсируют друг друга. Но если эти магнитные поля направить в одну и ту же сторону, то они сложатся — и получится магнит.

У любого магнита есть два полюса — северный и южный.

Любое магнитное поле описывается магнитными линиями, которые выходят из северного поля и приходят в южный. Эти линии всегда замкнуты, даже если у них бесконечная длина. Вот так это выглядит:

Как запомнить, что выходят магнитные линии из северного полюса, а приходят в южный? Все просто — на севере жить никто не хочет. Многие люди переезжают туда, где теплее, зимуют в теплых краях, в общем — стремятся на юг. Магнитные линии тоже.

Северный полюс обозначается латинской буквой N (от английского слова North). А южный — буквой S (от английского слова South).

Наша планета — это один большой магнит. У нее тоже есть северный и южный полюса. Но есть один нюанс — географические полюса отличаются от физических. Да-да, на северном полюсе, который наверху карты, находится южный физический полюс. Ну и наоборот, на южном географическом — северный физический. Не паникуйте, компас показывает вам географический полюс. Да, компас — это магнитная стрелка, и должен по идее показывать физический полюс, но стрелка окрашена так, чтобы направившись на северный физический полюс, показать южный географический. Чтобы люди не путались.

Опыт Эрстеда

Самое главное экспериментальное доказательство того, что магнитное поле возникает из-за движения зарядов — это опыт Эрстеда. В1820 году Эр­стед опыт­ным пу­тём свя­зал элек­три­че­ст­во и маг­не­тизм с по­мо­щью экс­пе­ри­мен­та с от­кло­не­ни­ем стрел­ки ком­па­са.

Это явление использовали, когда создавали первые ам­пер­мет­ры, так как от­кло­не­ние стрел­ки про­пор­цио­наль­но ве­ли­чи­не то­ка. Оно ле­жит в ос­но­ве лю­бо­го элек­тро­маг­ни­та.

А вот и видео эксперимента:

Источник: YouTube-канал «ШКОЛА ОНЛАЙН»

Магнитное поле создается только

Автор На чтение 14 мин. Опубликовано 12.12.2019

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.

Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.

Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.

Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.

Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.

Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.

Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.

Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.

Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:

Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).

Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.

А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.

Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.

Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:

При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.

Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).

Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:

Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.

Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.

Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.

Тема: что собой представляет магнитное поле, его принцип действия.

Многие знают о существовании так называемого магнитного поля. Самым распространенным предметом, вокруг которого оно существует является обычный постоянный магнит. Что мы о нем знаем и как он себя обычно проявляет? Это кусок из твердого материала, притягивающий к себе железные предметы. Он может иметь любую форму, ее предают при изготовлении с учетом конкретного предназначения магнита. Магниты имеют полюса — южный и северный. Если взять два куска магнита и попытаться их соединить, то в одном случае они попытаются притянутся друг к другу, а в другом случае они будут стремится оттолкнуться. Одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Помимо этого если одни целый магнит разбить на два куска (не важно, будут ли он и равны или нет) мы получим уже два разных магнита, у которых будут свои магнитные полюса и своя интенсивность притягивания. В этом случае сила магнетизма будет зависеть от размеров этих самых магнитов. Почему же так происходит? В чем заключается суть этих интересных явлений, связанных с магнетизмом?

А суть магнитного поля заключается в следующем. Из школьной физики вы должны были помнить, что существуют так называемые электрические заряды (электроны и ионы). В твердых веществах носителями электрических зарядов являются электроны, а в жидких и газообразных — ионы. Магнитные поля, как и любые другие поля, являются особым видом материи, которая проявляет себя в виде некой силы, невидимой глазу. Хотя точнее будет, пожалуй, говорить электромагнитные поля так как именно в суммарной форме они себя проявляют (электрическое и магнитное поле).

Итак, магнитное поле существует вокруг движущегося электрического заряда. Именно движущегося. Вокруг электрических зарядов, что находятся в статическом состоянии существует только электрическое поле. Но поскольку заряды находятся в постоянном движении, то речь скорей идет о интенсивности этого движения. Одно дело когда электроны (частицы, имеющие отрицательный электрический заряд) просто сконцентрированы в металлическом шаре (максимальным будет именно электрическое поле вокруг шара) и в этом случае их динамическое движение будет гораздо меньше проявляться нежели в случае их непосредственного движения по проводнику (именно тут мы увидим максимальное магнитное поле) от одного полюса источника питания к другому.

Получается, что суть магнитного поля заключается в его образовании именно вокруг движущихся электрических зарядов. И чем быстрее будет двигаться заряд по проводнику, тем больше будет интенсивность магнитного поля вокруг этого самого заряда. Кроме этого магнитные поля могут суммироваться если они имеют одну и ту же направленность. После чего уже имеем — чем быстрее движется электрический заряд и чем больше количество этих зарядов, движение которых совпадает по направлению, тем сильнее будет электромагнитное поле вокруг этих зарядов (и вокруг этого электрического проводника, по которому они перемещаются).

Теперь можно понять, почему вокруг обычной медной катушки, по которой течет постоянный ток, появляется магнитное поле и от чего зависит его интенсивность. Просто само движение тока, электронов (заряженных частиц с отрицательным знаком) по катушки и порождает электромагнитные поля. И чем больше количество витков у этой катушки, больше ток, проходящий по ней, тем больше и сила магнитного поля вокруг нее. А почему тогда лампочка, по которой бежит ток, не имеет такого магнитного поля (интенсивного) как у катушки? Просто электрическая энергия у лампочки больше расходуется именно на свет и тепло, и в меньшей степени на электромагнитное поле. В то время как у плотно намотанной, сконцентрированной катушки большая часть электрической энергии тратится именно на создание магнитного поля и совсем незначительная его часть на выделение тепла.

А как работают постоянные магниты? Ведь по ним же не течет ток. Токи есть, только это микротоки, порождаемые движением электронов внутри самого вещества. Тут все дело в однонаправленности этих токов и способности вещества удерживать постоянное состояние этой однонаправленности. Движение электронов присутствует во всех веществах, но вот магнитные свойства проявляются только у тех, которые обладают ферромагнитными свойствами. Ферромагнетики, это вещества, которые легко могут менять (при определенных условиях) и стабильно удерживать определенную внутреннюю структуру своих частиц, влияющую на магнитные свойства этого вещества.

Итак, мы берем вещество, с хорошими ферромагнитными свойствами, помещаем его в постоянное электромагнитное поле высокой интенсивности, после чего наблюдаем перестраивание внутренней структуры этого вещества. Появляется однонаправленность его магнитных частиц. В итоге, это вещество само становится магнитом. Все его внутреннии частички (атомы, молекулы) с одной стороны образовали южный магнитный полюс, а с другой стороны — северный. В результате мы получили обычный магнит. Если этот магнит поместить в переменное магнитное поле (большой интенсивности), сильно нагреть, подвергать сильным механическим ударам, то в итоге мы может размагнитить наше ферромагнитное вещество. Оно утратит свои магнитные свойства.

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами, поэтому само понятие возникло в электродинамике одновременно с понятием «электрическое поле». Оно было введено сначала М. Фарадеем, а чуть позже – Дж. Максвеллом, чтобы объяснить, почему электрические заряды имеют такую относительно небольшую дальность взаимодействия.

В эфире

Отцы электродинамики считали, что поле создается путем деформации эфира – невидимой умозрительной среды, заполняющей все сущее (Эйнштейн во время работы над теорией относительности упразднил понятие эфира). Хотя современным людям это и может показаться странным, но до 20 века физики действительно не сомневались в некой субстанции, пронизывающей все сущее. То, как магнитные поля создаются и какова их природа, физики не могли объяснить.

Когда в обиход вошла специальная теория относительности (СТО), а эфир «официально убрали», пространство стало «пустым», однако поля даже в вакууме продолжали взаимодействовать, а ведь это невозможно между нематериальными объектами (по крайней мере согласно СТО), поэтому физики сочли нужным присвоить некоторые атрибуты электрическим и магнитным полям. Создаются такие понятия, как масса, импульс и энергия полей.

Свойства магнитного поля

Первое его свойство объясняет природу происхождения: магнитное поле может возникнуть только под воздействием движущихся зарядов (электронов) электрического тока. Силовая характеристика магнитного поля называется магнитной индукцией, она присутствует в любой точке поля.

Воздействие поля распространяется только на движущиеся заряды, магниты и проводники. Оно может быть двух типов: переменного и постоянного. Измерить магнитное поле можно только с помощью специальных приборов, оно не фиксируется человеческими органами чувств (хотя биологи считают, что некоторые животные могут воспринимать изменения в нем). Суть еще одного свойства магнитного поля состоит в том, что оно имеет электродинамическую природу не только потому, что может влиять только на движущиеся заряды, но и потому, что само порождается движением зарядов.

Как увидеть

Хотя органы чувств человека и не могут зафиксировать присутствие магнитного поля, его направление можно определить с помощью намагниченной стрелки. Однако «увидеть» магнитное поле можно с помощью листа бумаги и простых железных опилок. На постоянный магнит необходимо положить лист бумаги, а опилки посыпать сверху, после чего железная стружка выстроится по замкнутым и непрерывным силовым линиям.

Направленность силовых линий определяется с помощью правила правой руки, которое также носит название «правило буравчика». Если взять проводник в руку таким образом, чтобы большой палец был по направлению тока (ток движется от минуса к плюсу), то остальные пальцы укажут направление силовых линий.

Геомагнетизм

Магнитные поля создаются движущимися зарядами, но тогда какова природа геомагнетизма? Наша планета обладает магнитным полем, которое защищает ее от вредного солнечного излучения, причем диаметр поля в несколько раз превосходит диаметр Земли. По форме оно неоднородно, на «солнечной стороне» сжимается под воздействием солнечного ветра, а с ночной стороны растягивается в виде длинного широкого хвоста.

Считается, что на нашей планете магнитные поля создаются движением токов в ядре, которое состоит из жидкого металла. Это называется «гидромагнитное динамо». Когда вещество достигает температуры в несколько тысяч градусов по Кельвину, его проводимость становится достаточно высокой, чтобы движения, даже в среде со слабым намагничиванием, начали создавать электрические токи, которые, в свою очередь, и создают магнитные поля.

В локальных областях магнитные поля создаются намагниченными горными породами из верхних слоев планеты, образующих земную кору.

Движение полюсов

С 1885 года началась регистрация движения магнитных полюсов. За последний век южный полюс (полюс в Южном полушарии) переместился на 900 километров, а северный (арктический) магнитный полюс с 1973 года за 11 лет переместился на 120 км, а за следующие десять лет – еще на 150. Согласно последним данным, скорость смещения арктического полюса увеличилась с 10 километров в год до 60.

Хотя ученые знают, как создается магнитное поле Земли, повлиять на движение полюсов не могут и предполагают, что довольно скоро произойдет очередная инверсия. Это естественный процесс, такое на планете не впервые, однако чем подобный процесс обернется для людей – неизвестно.

Технологии – Неразрушающий контроль | Marposs

ПРЕИМУЩЕСТВА

При сравнении вихретокового контроля с другими методами неразрушающего контроля, выделяют следующие некоторые из наиболее важных преимуществ:

• Он не требует осмотра от оператора, чтобы определить, соответствие детали или она отбраковывается. Таким образом, устраняется человеческая ошибка.

• Подготовка поверхности не требуется (хотя детали не нужно чистить и сушить), что позволяет встраивать вихретоковый контроль в производственные линии заказчика.

• Отсутствие повреждений поверхности или загрязнения благодаря бесконтактной характеристике вихретокового контроля.

• Высокая скорость вихретокового контроля может адаптироваться к типичным показателям производственных линий.

ОПИСАНИЕ

В настоящее время качество производимых деталей зависит не только от их размеров, но и от их безопасности. Надежность механических компонентов, которые могут повлиять на безопасность пользователя, является обязательной гарантией качества продукции. Неразрушающий контроль, проводимый с помощью вихретокового контроля, не влияет на полезность испытанных образцов и является надежным и экономически эффективным способом обеспечения, следующего:

• Производимые детали не подвержены поверхностным дефектам, таким как трещины, пористость, прогары и т. д.

• Изготовленные детали изготавливаются из соответствующего материала.

• Правильная поверхностная твердость и правильная глубина корпуса были получены после процесса термообработки.

• Наличие резьбы в резьбовых отверстиях.

Это семейство неразрушающих испытаний основано на вихретоковом контроле, в основе которого лежит образование небольших петель электрического тока, индуцируемых внутри проводящих материалов, изменяющихся во времени магнитным полем.

Это магнитное поле создается переменным током, протекающим из небольшой катушки обмотки, встроенной в вихретоковый датчик.

Такое первичное магнитное поле генерирует вихревые токи в испытуемых проводящих материалах, а вихревые токи генерируют вторичное изменяющееся во времени магнитное поле, которое взаимодействует с другим полем.

Взаимодействие между первичным и вторичным магнитным полем затем используется для анализа наличия поверхностных дефектов наряду со свойствами материала. Кроме того, наличие поверхностных дефектов может изменить путь вихревых токов, в то время как могут быть обнаружены различные металлургические характеристики (то есть поверхностная твердость или глубина корпуса). Это приводит к изменениям электропроводности и магнитной проницаемости образца.Также эти изменения затем обнаруживаются и анализируются для оценки отклонений в отношении надлежащих характеристик тестируемого образца.

Вихретоковый контроль требует взаимное движение между испытываемой деталью и вихретоковым датчиком. Простота применения, включающая вихревые токи и его бесконтактные характеристики, позволяет реализовать автоматическое применение для достижения 100% контроля производства. В дополнение к этому вихретоковый контроль, имеет более высокие скорости тестирования, чем любая другая неразрушающая технология, позволяющая сократить время цикла.

 

ПРИМЕНЕНИЕ

Большинство механических компонентов, от самых простых винтов до самых сложных механических деталей, могут быть испытаны в ходе вихретокового контроля для выявления поверхностных дефектов. Измерения происходят в автоматическом или полуавтоматическом режимах для мониторинга, следующего:

• Трещины на коленвале и распредвале (образуются при шлифовании и/или нагреве).
• Прогары и пористости на блоках двигателя (вызванные проблемами с литьем).
• Трещины на винтах, вызванные процессом горячей/холодной штамповки.
• Трещины, вызванные механической обработкой, и пористости, вызванные дефектами литья на тормозных дисках/барабанах.
• Трещины на шаровом пальце, клетке ШРУС (шарнир равных угловых скоростей), валах автоматической бесступенчатой трансмиссии и шкиве (образуются в процессе нагрева и обработки).
• Прогары и пористости в легкосплавных дисках.

PressTec GRIP | Солан-Д

Функция самофиксации (Grip) обеспечивает крепление магнитных плит PressTEC на плитах ТПА. Инновационный магнитный контур генерирует силу крепления как к плитам машины, так и к пресс-форме, позволяя максимально использовать все технические возможности термопластавтомата.

Преимущества

• Лучше качество литьевых изделий. Пресс-форма, магнитная система и термопластавтомат становятся единым блоком, скрепленным магнитной силой GRIP, не допуская никаких вибраций и деформаций пресс-формы, гарантируя при этом более высокую точность и качество конечных изделий.
• Высокие эксплуатационные свойства. Уменьшенная до 37 мм толщина позволяет увеличить межплитовое расстояние и использовать более высокие пресс-формы, уменьшить удлинение толкателей и сопел, обеспечить лучшее управление температурой расплава полимера.
• Сокращение времени литья. Сниженный вес магнитных плит позволяет работать с более короткими циклами литья, снижая износ и энергопотребление.
• Мощность. Патентованный магнитный контур гарантирует максимальную концентрацию магнитного поля. Каждый отдельный магнитный полюс СЕВЕР / ЮГ создает силу крепления 640 daN, что соответствует, в среднем, силе крепления 90 тонн/м в зоне контакта с пресс-формой.
• Отсутствие рассеивания магнитного поля. Двунаправленный магнитный контур исключает любые рассеивания магнитного поля и влияние на работу электрооборудования машины.
• Надежность. Монолитная конструкция и полностью металлическая поверхность гарантирует длительный период службы без обслуживания.
• Простота и безопасность. Единственный оператор без специальной подготовки может решить задачу по замене пресс-формы без необходимости работать внутри ТПА. Он всегда остается на безопасном расстоянии от пресс-формы. Интерфейс для различных машин обеспечивается международными стандартами EUROMAP/SPI/JIS.
• Скорость установки. Процедуры JIT (точно в срок) и SMED (смена формы за минуту) оптимальны при снижении временных затрат на замену пресс-формы на 90% в сравнении с классическими системами крепления. Время простоя машины четко планируется и фиксируется регламентом по замене пресс-форм.
• Экономия энергии. Во время работы машины электроэнергия не потребляется. Магнитное поле создается только высокоэнергетическими постоянными магнитами на неопределенно длительный период времени.

Технические характеристики:

Магнитное усилие в зоне полюсов	до 16 кг/см²
Магнитное усилие в зоне контакта с пресс-формой	до 90 т/м²
Толщина модуля	37 мм
Макс. рабочая температура в зоне контакта	120 °С
Глубина магнитного потока	20 мм
Зона действия датчиков зазора	0,2 мм
Стандартное напряжение	200-480 В, 50/60 Гц
Крепежные отверстия и отверстия для толкателей	согласно стандартам EUROMAP/SPI/JIS
Центровочное кольцо на неподвижной плите	стандартно
Центровочное кольцо на подвижной плите	по запросу
Блок управления ST 400	стандартно
Стандартные кнопки	стандартно
Система IPC	по запросу
Датчики наличия пресс-формы	стандартные на каждой плите
Система защиты UCS	стандартно
Система защиты FCS	стандартно

PressTEC может быть изготовлен с конфигурациями по запросу, без функции GRIP:

• PT Classic — толщина модулей 46 мм.
• QP/HT — для температур до 180 °С в контакте с формой. Толщина 54 мм.
• VS — для боковой загрузки пресс-формы. Толщина 46 мм.
• ROT — для мультипликационной машины с поворотным столом. Толщина 51 мм.

Перейти на сайт Tecnomagnete

Из-за чего образуется магнитное поле

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

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

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

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

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

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

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

Магнитные поля и линии магнитного поля

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определение магнитного поля и описание силовых линий различных магнитных полей.

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

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

Маленькие компасы, используемые для проверки магнитного поля, его не побеспокоят. (Это аналогично тому, как мы тестировали электрические поля с помощью небольшого пробного заряда. В обоих случаях поля представляют только объект, создающий их, а не тестирующий их зонд.) На рисунке 2 показано, как магнитное поле появляется для токовой петли и длинный прямой провод, который можно исследовать с помощью небольшого компаса.Небольшой компас, помещенный в эти поля, выровняется параллельно линии поля в своем местоположении, а его северный полюс будет указывать в направлении B . Обратите внимание на символы, используемые для ввода и вывода из бумаги.

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

Установление соединений: концепция поля

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

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

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

Последнее свойство связано с тем, что северный и южный полюса не могут быть разделены. Это явное отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются и заканчиваются на положительных и отрицательных зарядах.Если бы магнитные монополи существовали, то силовые линии магнитного поля начинались бы и заканчивались на них.

Сводка раздела

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

Концептуальные вопросы

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

Глоссарий

Магнитное поле:

представление магнитных сил

B — поле:

другой термин для обозначения магнитного поля

силовые линии магнитного поля:

графическое изображение силы и направления магнитного поля

направление силовых линий магнитного поля:

направление, на которое указывает северный конец стрелки компаса

Магнитное поле Земли

Магнитосфера защищает поверхность Земли от заряженных частиц солнечного ветра и генерируется электрическими токами, расположенными во многих различных частях Земли.Он сжимается с дневной (солнечной) стороны за счет силы приходящих частиц и расширяется с ночной стороны. (Изображение не в масштабе.) Разница между магнитным севером и «истинным» севером.

Магнитное поле Земли (и поверхностное магнитное поле ) приблизительно представляет собой магнитный диполь, с S-полюсом магнитного поля около географического северного полюса Земли (см. Магнитный северный полюс) и другим северным полюсом магнитного поля вблизи географического географического полюса Земли. южный полюс (см. Южный магнитный полюс).Это делает компас удобным для навигации. Причину возникновения поля можно объяснить теорией динамо. Магнитное поле распространяется бесконечно, но ослабевает по мере удаления от источника. Магнитное поле Земли, также называемое геомагнитным полем , , которое эффективно распространяется на несколько десятков тысяч километров в космос, формирует магнитосферу Земли. Палеомагнитное исследование австралийского красного дацита и подушечного базальта оценило возраст магнитного поля как минимум 3,5 миллиарда лет. ^{[1] [2]}

Важность

Моделирование взаимодействия между магнитным полем Земли и межпланетным магнитным полем.

Земля в значительной степени защищена от солнечного ветра, потока энергичных заряженных частиц, исходящих от Солнца, своим магнитным полем, которое отклоняет большинство заряженных частиц. Некоторые из заряженных частиц солнечного ветра захвачены в радиационном поясе Ван Аллена.Меньшему количеству частиц солнечного ветра удается перемещаться, как по линии передачи электромагнитной энергии, в верхние слои атмосферы и ионосферу Земли в зонах полярных сияний. Единственный раз, когда солнечный ветер наблюдается на Земле, — это когда он достаточно силен, чтобы вызывать такие явления, как полярное сияние и геомагнитные бури. Яркие полярные сияния сильно нагревают ионосферу, заставляя ее плазму расширяться в магнитосферу, увеличивая размер плазменной геосферы и вызывая утечку атмосферного вещества в солнечный ветер.Геомагнитные бури возникают, когда давление плазмы, содержащейся внутри магнитосферы, достаточно велико, чтобы раздуваться и тем самым искажать геомагнитное поле.

Солнечный ветер отвечает за общую форму магнитосферы Земли, и колебания ее скорости, плотности, направления и увлекаемого магнитного поля сильно влияют на локальную космическую среду Земли. Например, уровни ионизирующего излучения и радиопомех могут варьироваться от сотен до тысяч раз; а форма и расположение магнитопаузы и головной ударной волны перед ней могут изменяться на несколько радиусов Земли, подвергая геосинхронные спутники прямому солнечному ветру.Эти явления собирательно называются космической погодой. Механизм атмосферного разрыва вызван захватом газа пузырьками магнитного поля, которые срываются солнечными ветрами. ^[3] Изменения напряженности магнитного поля коррелировали с изменением количества осадков в тропиках. ^[4]

Магнитные полюса и магнитный диполь

Основные статьи: Северный магнитный полюс и Южный магнитный полюс Магнитное склонение от истинного севера в 1700 г.

Положение магнитных полюсов можно определить как минимум двумя способами ^[5] .

Часто магнитный (наклонный) полюс рассматривается как точка на поверхности Земли, где магнитное поле полностью вертикально. Другими словами, угол наклона поля Земли составляет 90 ° на северном магнитном полюсе и -90 ° на южном магнитном полюсе. На магнитном полюсе компас, удерживаемый в горизонтальной плоскости, указывает случайным образом, в то время как в противном случае он указывает почти на северный магнитный полюс или от Южного магнитного полюса, хотя существуют местные отклонения. Два полюса перемещаются независимо друг от друга и не находятся в прямо противоположных положениях на земном шаре.Магнитный полюс падения может быстро перемещаться, для Северного магнитного полюса ^[6] проводились наблюдения до 40 км в год.

Магнитное поле Земли можно точно описать полем магнитного диполя, расположенного рядом с центром Земли. Ориентация диполя определяется осью. Два положения, в которых ось диполя, которая лучше всего соответствует геомагнитному полю, пересекает поверхность Земли, называются Северным и Южным геомагнитными полюсами. Для наилучшего соответствия диполь, представляющий геомагнитное поле, должен быть размещен примерно в 500 км от центра Земли.Это заставляет внутренний радиационный пояс опускаться ниже в южной части Атлантического океана, где поверхностное поле является самым слабым, создавая то, что называется южноатлантической аномалией.

Если бы магнитное поле Земли было идеально дипольным, геомагнитный и магнитный полюса падения совпадали. Однако важные недиполярные члены в точном описании геомагнитного поля приводят к тому, что положения двух типов полюсов находятся в разных местах.

Характеристики поля

Напряженность поля у поверхности Земли составляет менее 30 микротеслов (0.3 гаусса) на территории, включающей большую часть Южной Америки и Южной Африки, до более чем 60 микротеслов (0,6 гаусса) вокруг магнитных полюсов в северной Канаде и на юге Австралии, а также в части Сибири. Средняя напряженность магнитного поля во внешнем ядре Земли составила 25 Гаусс, что в 50 раз сильнее, чем магнитное поле на поверхности. ^{[9] [10]}

Поле аналогично полю стержневого магнита. Магнитное поле Земли в основном вызвано электрическими токами в жидком внешнем ядре.Ядро Земли горячее, чем 1043 К, температура точки Кюри, выше которой ориентация спинов в железе становится случайной. Такая рандомизация приводит к потере намагниченности вещества.

Конвекция расплавленного железа внутри внешнего жидкого ядра, наряду с эффектом Кориолиса, вызванным общим вращением планеты, имеет тенденцию организовывать эти «электрические токи» в валки, выровненные вдоль полярной оси север-юг. Когда проводящая жидкость течет через существующее магнитное поле, индуцируются электрические токи, которые, в свою очередь, создают другое магнитное поле.Когда это магнитное поле усиливает исходное магнитное поле, создается динамо-машина, которая поддерживает себя. Это называется теорией динамо, и она объясняет, как поддерживается магнитное поле Земли.

Еще одна особенность, которая магнитно отличает Землю от стержневого магнита, — это ее магнитосфера. На больших расстояниях от планеты преобладает поверхностное магнитное поле. Электрические токи, индуцированные в ионосфере, также создают магнитные поля. Такое поле всегда создается вблизи того места, где атмосфера находится ближе всего к Солнцу, вызывая ежедневные изменения, которые могут отклонять поверхностные магнитные поля на величину до одного градуса.Типичные суточные колебания напряженности поля составляют около 25 нанотесла (нТл) (т.е. ~ 1: 2000), с вариациями в течение нескольких секунд, как правило, около 1 нТл (т.е. ~ 1:50 000). ^[11]

Вариации магнитного поля

Геомагнитные вариации с момента последнего обращения.

Токи в ядре Земли, создающие ее магнитное поле, возникли по крайней мере 3 450 миллионов лет назад. ^{[12] [13]}

Магнитометры обнаруживают мельчайшие отклонения в магнитном поле Земли, вызванные железными артефактами, печами, некоторыми типами каменных построек и даже канавами и мусором в археологической геофизике.С помощью магнитных инструментов, адаптированных на основе бортовых детекторов магнитных аномалий, разработанных во время Второй мировой войны для обнаружения подводных лодок, были нанесены на карту магнитные вариации на дне океана. Базальт — богатая железом вулканическая порода, составляющая дно океана — содержит сильно магнитный минерал (магнетит) и может локально искажать показания компаса. Искажение было признано исландскими мореплавателями еще в конце 18 века. Что еще более важно, поскольку присутствие магнетита придает базальту измеримые магнитные свойства, эти магнитные вариации предоставили еще один способ изучения глубоководного дна океана.Когда вновь образованная порода охлаждается, такие магнитные материалы регистрируют магнитное поле Земли.

Часто магнитосфера Земли поражается солнечными вспышками, вызывающими геомагнитные бури, вызывающие проявления полярных сияний. Кратковременная нестабильность магнитного поля измеряется с помощью K-индекса.

Недавно в магнитном поле были обнаружены утечки, которые взаимодействуют с солнечным ветром Солнца способом, противоположным первоначальной гипотезе. Во время солнечных бурь это может привести к крупномасштабным отключениям электроэнергии и сбоям в работе искусственных спутников. ^[14]

См. Также Магнитная аномалия

Инверсия магнитного поля

Основная статья: Инверсия геомагнитного поля

Основываясь на изучении лавовых потоков базальта во всем мире, было высказано предположение, что магнитное поле Земли меняет направление на противоположное. с интервалами от десятков тысяч до многих миллионов лет, со средним интервалом примерно 300 000 лет. ^[15] Однако последнее подобное событие, названное инверсией Брюнес – Матуяма, произошло примерно 780 000 лет назад.

Нет четкой теории относительно того, как могли произойти геомагнитные инверсии. Некоторые ученые создали модели ядра Земли, в которых магнитное поле лишь квазистабильно, а полюса могут самопроизвольно перемещаться из одной ориентации в другую в течение от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Другие ученые предполагают, что геодинамо сначала отключается самопроизвольно или из-за какого-то внешнего воздействия, такого как удар кометы, а затем перезапускается с магнитным «северным» полюсом, указывающим либо на север, либо на юг.Внешние события вряд ли будут обычными причинами инверсий магнитного поля из-за отсутствия корреляции между возрастом ударных кратеров и временем инверсий. Независимо от причины, когда магнитный полюс переключается из одного полушария в другое, это называется инверсией, тогда как временные изменения наклона диполя, которые перемещают ось диполя через экватор, а затем возвращаются к исходной полярности, известны как отклонения.

Исследования потоков лавы на горе Стинс, штат Орегон, показывают, что магнитное поле могло смещаться со скоростью до 6 градусов в день в какой-то момент истории Земли, что значительно усложняет популярное понимание того, как работает магнитное поле Земли. . ^[16]

Палеомагнитные исследования, подобные этим, обычно состоят из измерений остаточной намагниченности магматических пород в результате вулканических событий. Осадки, отложенные на дне океана, ориентируются в соответствии с местным магнитным полем, сигнал, который может быть записан по мере их затвердевания. Хотя залежи магматических пород в основном парамагнитны, они действительно содержат следы ферри- и антиферромагнитных материалов в виде оксидов железа, что дает им способность обладать остаточной намагниченностью.Фактически, эта характеристика довольно часто встречается во многих других типах горных пород и отложений, обнаруженных по всему миру. Одним из наиболее распространенных оксидов, обнаруживаемых в естественных отложениях горных пород, является магнетит.

В качестве примера того, как это свойство магматических пород позволяет нам определить, что поле Земли в прошлом менялось, рассмотрим измерения магнетизма на океанских хребтах. Прежде чем магма выйдет из мантии через трещину, она имеет чрезвычайно высокую температуру, превышающую температуру Кюри любого закиси железа, который она может содержать.Лава начинает охлаждаться и затвердевать, когда попадает в океан, позволяя этим оксидам железа в конечном итоге восстановить свои магнитные свойства, в частности, способность удерживать остаточную намагниченность. Если предположить, что единственное магнитное поле, присутствующее в этих местах, связано с самой Землей, эта затвердевшая порода становится намагниченной в направлении геомагнитного поля. Хотя напряженность поля довольно мала, а содержание железа в типичных образцах горных пород невелико, относительно небольшая остаточная намагниченность образцов находится в пределах разрешающей способности современных магнитометров.Затем можно измерить возраст и намагниченность застывших образцов лавы, чтобы определить ориентацию геомагнитного поля в древние эпохи.

Обнаружение магнитного поля

Отклонения модели магнитного поля от данных измерений, данных, созданных спутниками с чувствительными магнитометрами

Напряженность магнитного поля Земли была измерена Карлом Фридрихом Гауссом в 1835 году и с тех пор неоднократно измерялась, показывая относительное ослабление около 10% за последние 150 лет. ^[17] Спутник Magsat и более поздние спутники использовали 3-осевые векторные магнитометры для исследования трехмерной структуры магнитного поля Земли. Более поздний спутник Эрстеда позволил провести сравнение, показывающее динамическое геодинамо в действии, которое, похоже, порождает альтернативный полюс под Атлантическим океаном к западу от Южной Африки. ^[18]

Правительства иногда используют подразделения, специализирующиеся на измерении магнитного поля Земли. Это геомагнитные обсерватории, обычно являющиеся частью национальной геологической службы, например, обсерватория Эскдалемуир Британской геологической службы.Такие обсерватории могут измерять и прогнозировать магнитные условия, которые иногда влияют на связь, электроэнергию и другую деятельность человека. (См. Магнитную бурю.)

Международная сеть магнитных обсерваторий в реальном времени с более чем 100 взаимосвязанными геомагнитными обсерваториями по всему миру с 1991 года регистрирует магнитное поле Земли.

Военные определяют местные характеристики геомагнитного поля по порядку. для обнаружения аномалий на естественном фоне, которые могут быть вызваны значительным металлическим объектом, например, затопленной подводной лодкой.Обычно эти детекторы магнитных аномалий используются в самолетах, таких как британский Nimrod, или буксируются в качестве инструмента или набора инструментов с надводных кораблей.

В коммерческих целях геофизические разведочные компании также используют магнитные детекторы для выявления естественных аномалий рудных тел, таких как Курская магнитная аномалия.

Животные, включая птиц и черепах, могут обнаруживать магнитное поле Земли и использовать это поле для навигации во время миграции. ^[19] Коровы и дикие олени склонны выстраивать свои тела с севера на юг во время отдыха, но не тогда, когда животные находятся под высоковольтными линиями электропередач, что заставляет исследователей полагать, что причиной этого является магнетизм. Дайсон, П.Дж. (2009). «Биология: электрические коровы». Nature 458 (7237): 389. DOI: 10.1038 / 458389a. PMID 19325587.

Внешние ссылки

• Уильям Дж. Брод, Будет ли компас указывать на юг? . New York Times, 13 июля 2004 г.
• John Roach, Почему меняется магнитное поле Земли? . National Geographic, 27 сентября 2004 г.
• Когда север идет на юг . Проекты в области научных вычислений, 1996.
• Трехмерный имитатор заряженных частиц в магнитном поле Земли . Инструмент, предназначенный для трехмерного моделирования заряженных частиц в магнитосфере. [Требуется подключаемый модуль VRML]
• Великий Магнит, Земля , История открытия магнитного поля Земли Дэвидом П. Стерном.
• Исследование магнитосферы Земли , Образовательный веб-сайт Дэвида П. Стерна и Маурисио Передо

электромагнетизм | Определение, уравнения и факты

Электромагнетизм , наука о заряде, а также о силах и полях, связанных с зарядом.Электричество и магнетизм — два аспекта электромагнетизма.

Британская викторина

Викторина «Все о физике»

Кто был первым ученым, проведшим эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какая единица измерения для циклов в секунду? Проверьте свою физическую хватку с помощью этой викторины.

Электричество и магнетизм долгое время считались отдельными силами.Только в 19 веке они стали рассматриваться как взаимосвязанные явления. В 1905 году специальная теория относительности Альберта Эйнштейна без сомнения установила, что оба аспекта являются аспектами одного общего явления. Однако на практике электрические и магнитные силы ведут себя по-разному и описываются разными уравнениями. Электрические силы создаются электрическими зарядами, находящимися в состоянии покоя или в движении. С другой стороны, магнитные силы создаются только движущимися зарядами и действуют исключительно на движущиеся заряды.

Электрические явления происходят даже в нейтральной материи, потому что силы действуют на отдельные заряженные составляющие. В частности, электрическая сила отвечает за большинство физических и химических свойств атомов и молекул. Он невероятно силен по сравнению с гравитацией. Например, отсутствие только одного электрона на каждый миллиард молекул у двух 70-килограммовых (154-фунтовых) людей, стоящих на расстоянии двух метров (двух ярдов) друг от друга, оттолкнет их с силой в 30 000 тонн. В более привычном масштабе электрические явления ответственны за молнии и гром, сопровождающие определенные штормы.

Электрические и магнитные силы могут быть обнаружены в областях, называемых электрическими и магнитными полями. Эти поля имеют фундаментальную природу и могут существовать в космосе вдали от заряда или тока, которые их породили. Примечательно, что электрические поля могут создавать магнитные поля и наоборот, независимо от любого внешнего заряда. Как обнаружил в своей работе английский физик Майкл Фарадей, изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, лежащее в основе производства электроэнергии. Напротив, изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, как пришел к выводу шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл.Математические уравнения, сформулированные Максвеллом, включают световые и волновые явления в электромагнетизм. Он показал, что электрические и магнитные поля путешествуют вместе в пространстве как волны электромагнитного излучения, при этом изменяющиеся поля взаимно поддерживают друг друга. Примерами электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве независимо от материи, являются радио- и телевизионные волны, микроволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Все эти волны движутся с одинаковой скоростью, а именно скоростью света (примерно 300 000 километров или 186 000 миль в секунду).Они отличаются друг от друга только частотой, с которой колеблются их электрическое и магнитное поля.

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

Уравнения Максвелла по-прежнему обеспечивают полное и элегантное описание электромагнетизма вплоть до субатомного масштаба, но не включая его. Однако интерпретация его работ в 20 веке расширилась. Специальная теория относительности Эйнштейна объединила электрические и магнитные поля в одно общее поле и ограничила скорость всей материи скоростью электромагнитного излучения.В конце 1960-х физики обнаружили, что у других сил в природе есть поля с математической структурой, подобной структуре электромагнитного поля. Эти другие силы представляют собой сильное взаимодействие, ответственное за энергию, выделяемую при ядерном синтезе, и слабое взаимодействие, наблюдаемое при радиоактивном распаде нестабильных атомных ядер. В частности, слабые и электромагнитные силы были объединены в общую силу, называемую электрослабой силой. Цель многих физиков объединить все фундаментальные силы, включая гравитацию, в одну великую единую теорию, до сих пор не достигнута.

Важным аспектом электромагнетизма является наука об электричестве, которая занимается поведением агрегатов заряда, включая распределение заряда в материи и движение заряда с места на место. Различные типы материалов классифицируются как проводники или изоляторы в зависимости от того, могут ли заряды свободно перемещаться через составляющие их вещества. Электрический ток — это мера потока зарядов; законы, управляющие токами в материи, важны в технологиях, особенно в производстве, распределении и контроле энергии.

Понятие напряжения, как и понятия заряда и тока, является фундаментальным в науке об электричестве. Напряжение — это мера склонности заряда перетекать из одного места в другое; положительные заряды обычно имеют тенденцию перемещаться из области высокого напряжения в область более низкого напряжения. Распространенная проблема в электричестве — это определение взаимосвязи между напряжением и током или зарядом в данной физической ситуации.

Эта статья стремится дать качественное понимание электромагнетизма, а также количественную оценку величин, связанных с электромагнитными явлениями.

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 своими спинами в одном направлении, они объединяются, чтобы создать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы его можно было почувствовать в макроскопическом масштабе.

Источники магнитного поля дипольные, 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 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 вблизи нее, 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, в который попала молния», — говорится в сообщении Университета Аризоны.

Вскоре люди узнали, что можно 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 выстраивается 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 многих 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. Морзе, 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.

Катушка вокруг магнита также может 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 сейчас 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 входить и выходить 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 улучшена и усовершенствована, она все еще является основой для записи и воспроизведения звука.

Применение электромагнитов практически бесчисленное множество. 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

электромагнетизм — Как движущиеся заряды создают магнитные поля?

Если вы плохо знакомы со специальной теорией относительности, невозможно по-настоящему объяснить это явление. Лучшее, что можно сделать, — это дать вам правило , пропитанное эзотерическими идеями, такими как «электромагнитное поле» и «лоренц-инвариантность». Конечно, это не то, что вам нужно, и это правильно, поскольку физика никогда не должна сводиться к безосновательному принятию правил, установленных свыше.

Дело в том, что магнетизм — это не что иное, как электростатика в сочетании со специальной теорией относительности . К сожалению, вы не найдете много книг, объясняющих это — либо авторы ошибочно полагают, что уравнения Максвелла не имеют оправдания и должны приниматься на веру, либо они слишком погрязли в своих собственных эзотерических обозначениях, чтобы остановиться, чтобы задуматься о том, что они говорят. Единственная известная мне книга, которая правильно трактует эту тему, — это книга Перселла «Электричество и магнетизм », которая недавно была переиздана в третьем издании.(Второе издание отлично подойдет, если вы сможете найти копию.)

Краткий эвристический набросок идеи заключается в следующем. Предположим, есть линия положительных зарядов, движущаяся по оси $ z $ в положительном направлении — ток. Рассмотрим положительный заряд $ q $, расположенный в $ (x, y, z) = (1,0,0) $, движущийся в отрицательном направлении $ z $. 2} $, где $ v $ — скорость $ q $ в исходном кадре.Это знаменитое сокращение длины, предсказанное специальной теорией относительности.

Если текущие заряды оказываются ближе друг к другу, то очевидно, что $ q $ будет ощущать большую электростатическую силу от оси $ z $ в целом. Он будет испытывать дополнительную силу в положительном направлении $ x $, от оси, сверх того, что мы ожидали, просто сидя в лабораторной раме. По сути, закон Кулона — это закон силы только , действующий на заряд, но только система покоя заряда действительна для использования этого закона для определения силы, которую испытывает заряд.

Вместо того, чтобы постоянно переключаться между кадрами, мы изобретаем магнитное поле как математическое устройство, которое выполняет то же самое. При правильном определении он будет полностью объяснять эту аномальную силу, которая, по-видимому, испытывает заряд, когда мы наблюдаем его не в его собственной системе покоя. В примере, который я только что рассмотрел, правило правой руки говорит вам, что мы должны приписать магнитное поле току, вращающемуся вокруг оси $ z $, так, чтобы он указывал в положительном направлении $ y $ в месте расположения $ q $.Скорость заряда находится в отрицательном направлении $ z $, и поэтому $ q \ vec {v} \ times \ vec {B} $ указывает в положительном направлении $ x $, как мы узнали из изменения системы отсчета. .

Магнитное поле — Энциклопедия Нового Света

Электромагнетизм

Электричество · Магнетизм Магнитостатика Закон Ампера · Электрический ток · Магнитное поле · Магнитный поток · Закон Био – Савара · Магнитный дипольный момент · Закон Гаусса для магнетизма · Электродинамика Свободное пространство · Закон силы Лоренца · ЭДС · Электромагнитная индукция · Закон Фарадея · Ток смещения · Уравнения Максвелла · ЭМ поле · 10 Электромагнитное излучение -Потенциалы Вихерта · Тензор Максвелла · Вихретоковый · Ковариантный состав Электромагнитный тензор · EM Тензор энергии-напряжения · Четырехтоковый · Четырехпотенциальный ·

Магнитное поле — это невидимое физическое явление, вызванное («индуцированное») электрическим током.Ток может быть таким же малым, как вращающийся электрон в атоме, или таким большим, как ток в домашней проводке или электрические токи, протекающие в ядре Земли. Магнитное поле обнаруживается силой, которую оно создает на заряженную частицу, движущуюся через него, или на магнитный диполь, такой как постоянный магнит. Магнитные поля, которые измеряются в единицах Тесла (Тл), сильно различаются по силе от примерно 1/30 000 Тл для магнитного поля Земли до 1/100 Тл для магнита холодильника, 1/6 Тл для Солнца и 50000 Тл. для белых карликов.Магнитное поле Земли защищает планету от солнечного ветра, заряженные частицы которого иногда проникают сквозь щит и следуют за линиями магнитного поля к полюсам, где их нисхождение вызывает танцующее «северное сияние», северное сияние.

Магнитное и электрическое поля очень интерактивны: изменяющееся магнитное поле индуцирует электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле индуцирует магнитное поле. Когда два поля напрямую связаны как перпендикулярные взаимодействующие вертикальные волны, колеблющиеся и распространяющиеся вместе, они несут энергию в виде электромагнитного излучения в его различных формах, от видимого света до рентгеновских лучей и радиоволн.

Перелетные птицы и морские черепахи, а также люди-моряки, следящие за компасом, ориентируются по магнитному полю Земли. Понимание и управление магнитными полями было основой использования электричества людьми, поскольку магнитные поля активны в каждом электрическом генераторе и каждом электродвигателе. Эффекты магнитного поля применяются как в микрофонах для записи звука, так и в громкоговорителях для его проецирования, а классический магнитофон использовал эффекты магнитного поля при записи звуковых сигналов на ленту, а затем и при их воспроизведении.

Научные инструменты, такие как циклотроны, гальванометры и масс-спектрометры, используют эффекты магнитных полей для изучения физических явлений и анализа материалов. Импульсы сильных магнитных полей используются в FMRI (функциональная магнитно-резонансная томография) для мониторинга активности мозга и в МРТ для визуализации тканей по всему телу.

Железные опилки, посыпанные на лист бумаги, покрывающий стержневой магнит (магнитный диполь), очерчивают как магнит, так и невидимое иначе магнитное поле линий, проходящих между полюсами магнита (отмеченными буквами N и S).Каждая железная опилка сама становится маленьким магнитом и выравнивается с магнитным полем.

Основы магнитного поля

B и H

Обычно физики относятся к магнитному полю в «пустом» пространстве с помощью символа B {\ displaystyle \ mathbf {B}} и используют второй термин, H {\ displaystyle \ mathbf {H}} (напряженность магнитного поля ), чтобы охарактеризовать магнитное поле, которое проходит через магниточувствительный материал, такой как железо, которое вносит вклад во внутреннее магнитное поле.Физики также называют H {\ displaystyle \ mathbf {H}} вспомогательным магнитным полем или намагничивающим полем . Среди инженеров-электриков H {\ displaystyle \ mathbf {H}} известен как напряженность магнитного поля , напряженность магнитного поля или напряженность магнитного поля , , а B {\ displaystyle \ mathbf {B}} известен как плотность магнитного потока , магнитная индукция, или просто магнитное поле, , как используется физиками.

шт.

Магнитное поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}} имеет единицы СИ — тесла (Т), что эквивалентно Веберам на квадратный метр (Вб / м²) или вольт-секундам на квадратный метр (В · с / м²).(Вебер — это единица измерения магнитного потока в системе СИ, определяемая как величина потока, необходимая для индукции в окружающем проводящем контуре электродвижущей силы в 1 вольт, если поток уменьшается до нуля в течение одной секунды.) ^{[1] [2 ] [3]} В единицах cgs, B {\ displaystyle \ mathbf {B}} имеет единицы гаусса (G), где 1T = 10 000G. Векторное поле H {\ displaystyle \ mathbf {H}} измеряется в Амперах на метр (А / м) в СИ или эрстеде (Э) в единицах cgs.

Векторные поля

Магнитное поле математически относится к классу векторных полей, которые определяются в каждой точке своего региона как величиной, так и направлением.Магнитное поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}}, величина которого измеряется в Теслах, и напряженность магнитного поля H {\ displaystyle \ mathbf {H}}, величина которой измеряется в Амперах на метр, поэтому оба являются более правильными представлен вектором (похожим на стрелку), а полное поле представлено множеством стрелок, направления которых вместе показывают кривую магнитного поля, простирающуюся между двумя магнитными полюсами.

Постоянные магниты и магнитные полюса

Направление магнитного поля около полюсов магнита можно определить, поместив рядом компас.Как видно здесь, магнитное поле направлено к южному полюсу магнита и от его северного полюса.

Постоянные магниты — это объекты, которые создают свои собственные постоянные магнитные поля. Все постоянные магниты имеют как северный, так и южный полюс. (Магнитные полюса всегда образуют пары север-юг.) Подобно полюсам, они отталкиваются, а противоположные полюса притягиваются. (См. Сила на магнитном диполе из-за неоднородности B ниже.) Магнетизм в постоянном магните возникает из-за свойств атомов (в частности, электронов), составляющих его.Каждый атом действует как маленький индивидуальный магнит. Если эти магниты выровнены, они объединяются, чтобы создать макроскопический магнитный эффект. Подробнее о том, что происходит как под микроскопом, так и под микроскопом, можно найти в статье ферромагнетизм.

Если позволить свободно вращаться, магнит повернется так, чтобы указывать направление магнитного поля в своем местоположении. Компас — это небольшой магнит, который использует этот эффект, чтобы указывать направление местного магнитного поля. По определению, направление магнитного поля в точке — это направление, на которое хотел бы указывать северный полюс магнита.

Если компас поместить рядом с северным полюсом магнита, он будет направлен в сторону от этого полюса — как полюса отталкиваются. Другими словами, магнитное поле направлено от магнита около его северного полюса. Обратное произойдет, если мы поместим компас около южного полюса магнита; магнитное поле направлено в сторону магнита около его южного полюса. Однако не все магнитные поля можно описать полюсами. Прямой провод с током, например, создает магнитное поле, которое не направлено ни к проводу, ни от него, а вместо этого окружает его.

Визуализация магнитного поля

Сила и направление магнитного поля объекта меняется от положения к положению. Картировать это магнитное поле в принципе просто. Сначала измерьте силу и направление магнитного поля в большом количестве точек. Затем отметьте каждое место стрелкой (называемой вектором), указывающей в направлении магнитного поля, длиной, пропорциональной силе магнитного поля. Это действенный и полезный способ разметки и визуализации магнитного поля объекта.Однако это имеет неприятные последствия — загромождение графика даже при использовании небольшого количества точек. Альтернативный метод визуализации магнитного поля — использование «силовых линий магнитного поля».

Силовые линии магнитного поля B

Различные физические явления приводят к отображению линий магнитного поля. Например, железные опилки, помещенные в магнитное поле, будут выстраиваться таким образом, чтобы визуально показать ориентацию магнитного поля (см. Рисунок вверху). Еще одно место, где визуально отображаются магнитные поля, — полярные сияния, в которых видимые полосы света совпадают с локальным направлением магнитного поля Земли (из-за дипольных взаимодействий частиц плазмы).В этих явлениях появляются линии или кривые, которые следуют вдоль направления местного магнитного поля.

Эти силовые линии дают нам возможность изобразить или нарисовать магнитное поле (или любое другое векторное поле). Технически силовые линии — это набор линий, проходящих через пространство, направление которых в любой точке является направлением локального магнитного поля, а плотность которых пропорциональна величине местного магнитного поля. Обратите внимание, что когда магнитное поле изображается с силовыми линиями, это , а не , что означает, что поле ненулевое только вдоль вытянутых силовых линий.(Использование железных опилок для отображения поля представляет собой нечто вроде исключения из этой картины: магнитное поле на самом деле намного больше вдоль «линий» железа из-за большой проницаемости железа по отношению к воздуху.) Скорее, магнитное поле Обычно поле везде гладкое и непрерывное, и его можно оценить как в любой точке (будь то на силовой линии или нет), глядя на направление и плотность близлежащих силовых линий. Выбор линий поля для такого изображения является произвольным, за исключением требования, чтобы они были разнесены таким образом, чтобы их плотность приближалась к величине местного поля.Уровень детализации изображения магнитного поля можно повысить, увеличив количество линий.

Линии поля — полезный способ представления любого векторного поля, и их часто можно использовать, чтобы довольно просто выявить сложные свойства этого поля. Одним из важных свойств магнитного поля B {\ displaystyle \ mathbf {B}}, которое можно проверить с помощью силовых линий, является то, что оно всегда образует полные петли. Линии магнитного поля не начинаются и не заканчиваются (хотя они могут простираться до бесконечности или от нее).На сегодняшний день не найдено исключений из этого правила.

Даже когда кажется, что магнитное поле имеет конец (например, когда оно выходит около северного полюса или входит около южного полюса магнита), на самом деле это не так. В случае постоянного магнита силовые линии замыкают петлю внутри магнита, идущую с юга на северный полюс. (Чтобы убедиться, что это должно быть правдой, представьте, что помещаете компас внутри магнита. Северный полюс компаса будет указывать на северный полюс магнита, поскольку магниты, наложенные друг на друга, указывают в одном направлении.)

Поскольку силовые линии магнитного поля всегда образуют петли, магнитные полюса всегда образуют пары N и S. Если силовая линия магнитного поля входит в магнит где-то, она должна покинуть магнит в другом месте; не допускается иметь конечную точку. По этой же причине разрезание магнита пополам приведет к получению двух отдельных магнитов, каждый с северным и южным полюсами.

Линии поля также являются хорошим инструментом для визуализации магнитных сил. Имея дело с магнитными полями в ферромагнитных веществах, таких как железо, и в плазме, магнитные силы можно понять, представив, что силовые линии создают напряжение (как резинка) по своей длине и давление, перпендикулярное их длине, на соседние части. силовые линии.«Непохожие» полюса магнитов притягиваются, потому что они связаны множеством силовых линий, в то время как «похожие» полюса отталкиваются, потому что силовые линии между ними не встречаются, а проходят параллельно, давя друг на друга.

Магнитное поле Земли

Эскиз магнитного поля Земли , представляющий источник магнитного поля Земли в виде магнита. Северный полюс Земли находится в верхней части диаграммы, южный — в нижней части. Обратите внимание, что южный полюс этого магнита находится глубоко внутри Земли под Северным магнитным полюсом Земли.Магнитное поле Земли создается во внешней жидкой части ее ядра из-за динамо-машины, производящей там электрические токи.

Из-за магнитного поля Земли компас, помещенный в любом месте на Земле, повернется так, что «северный полюс» магнита внутри компаса будет указывать примерно на север, в сторону северного магнитного полюса Земли на севере Канады. Это традиционное определение «северного полюса» магнита, хотя возможны и другие эквивалентные определения. Одно заблуждение, которое возникает из этого определения, заключается в том, что если сама Земля рассматривается как магнит, южный полюс этого магнита будет тем, что ближе к северному магнитному полюсу, и наоборот.(Противоположные полюса притягиваются, а северный полюс магнита компаса притягивается к северному магнитному полюсу.) Северный магнитный полюс назван так не из-за полярности поля, а из-за его географического положения.

Рисунок справа — это эскиз магнитного поля Земли, представленный силовыми линиями. Магнитное поле в любой заданной точке не направлено прямо к полюсам (или от них) и имеет значительную составляющую вверх / вниз для большинства местоположений. (Кроме того, есть компонент Восток / Запад, поскольку магнитные полюса Земли не совпадают в точности с геологическим полюсом Земли.) Магнитное поле такое, как если бы глубоко внутри Земли был магнит.

Магнитное поле Земли, вероятно, возникает из-за динамо-машины, создающей электрические токи во внешней жидкой части ее ядра. Магнитное поле Земли непостоянно: его сила и расположение полюсов различаются. Полюса даже периодически меняют направление, что называется геомагнитным разворотом.

Действие магнитного поля, B

Магнитное поле оказывает большое влияние на материалы и отдельные частицы.Все эти эффекты могут быть выражены благодаря его влиянию на элементарные заряды и магнитные диполи. Есть четыре элементарных способа воздействия магнитного поля на заряд или магнитный диполь.

1. Боковое усилие на движущийся заряд или ток
2. Крутящий момент на магнитном диполе
3. Сила на магнитном диполе из-за неоднородности B
4. Сила, действующая на заряд из-за изменения B

Заряженная частица дрейфует в однородном магнитном поле.(A) Нет возмущающей силы (B) При наличии электрического поля, E (C) При независимой силе, F (например, гравитации) (D) В неоднородном магнитном поле, grad H

Сила, создаваемая магнитным полем движущегося заряда

Сила, действующая на заряженную частицу

Заряженная частица, движущаяся в магнитном поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}}, будет ощущать боковую силу , которая пропорциональна силе магнитного поля, составляющей скорости, перпендикулярной магнитному полю и заряд частицы.Эта сила известна как сила Лоренца. Сила всегда перпендикулярна скорости частицы и создавшему ее магнитному полю. Ни неподвижная частица, ни движущаяся в направлении силовых линий магнитного поля не испытывают силы. По этой причине заряженные частицы движутся по кругу (или, в более общем смысле, по спирали) вокруг силовых линий магнитного поля; это называется циклотронным движением. Поскольку магнитное поле всегда перпендикулярно движению, магнитные поля не могут действовать на заряженную частицу; одно только магнитное поле не может ускорить или замедлить заряженную частицу.Однако он может изменить направление частицы, даже до такой степени, что сила, приложенная в одном направлении, может заставить частицу дрейфовать в перпендикулярном направлении.

Усилие на токоведущем проводе

Сила, действующая на провод с током, аналогична силе движущегося заряда, как и ожидалось, поскольку провод, несущий заряд, представляет собой совокупность движущихся зарядов. Провод с током будет ощущать боковую силу в присутствии магнитного поля. Сила Лоренца на макроскопическом токе часто упоминается как сила Лапласа .

Правило правой руки: Для обычного тока или движущегося положительного заряда в направлении большого пальца правой руки и магнитного поля вдоль направления пальцев (указывающих от ладони) сила тока будет составлять направление из ладони. Для отрицательного заряда направление силы меняется на противоположное.

Направление силы

Направление силы на положительный заряд или ток определяется по правилу правой руки. См. Рисунок справа.Используя правую руку и указывая большим пальцем в направлении движущегося положительного заряда или положительного тока, а пальцами — в направлении магнитного поля, результирующая сила, действующая на заряд, будет указывать наружу от ладони. Сила, действующая на отрицательно заряженную частицу, противоположна. Если и скорость, и заряд меняются местами, то направление силы остается прежним. По этой причине измерение магнитного поля (само по себе) не может различить, есть ли положительный заряд, движущийся вправо, или отрицательный заряд, движущийся влево.(Оба они будут производить один и тот же ток.) ​​С другой стороны, магнитное поле в сочетании с электрическим полем может различать их, см. Эффект Холла ниже.

Альтернативный трюк, похожий на правило правой руки, — это правило левой руки Флеминга.

Крутящий момент на магнитном диполе

Магнит, помещенный в магнитное поле, почувствует крутящий момент, который попытается выровнять магнит с магнитным полем. Крутящий момент на магните из-за внешнего магнитного поля легко наблюдать, поместив два магнита рядом друг с другом, позволяя одному вращаться.Этот магнитный момент — основа работы компаса. Он используется для определения направления магнитного поля (см. Выше).

Магнитный момент также обеспечивает крутящий момент для простых электродвигателей. Магнит (называемый ротором), помещенный на вращающийся вал, будет ощущать сильный крутящий момент, если подобные полюсы размещены рядом с его собственными полюсами. Если магнит, вызвавший вращение, называемый статором, постоянно переворачивается так, что он всегда имеет одинаковые полюса рядом с ротором, то ротор будет генерировать крутящий момент, который передается на вал.Полярность ротора можно легко изменить, если это электромагнит, изменив направление тока через его катушки.

См. «Вращающиеся магнитные поля» ниже для примера использования этого эффекта с электромагнитами.

Сила на магнитном диполе из-за неоднородности B

Наиболее часто наблюдаемый эффект магнитного поля — это сила между двумя магнитами: одинаковые полюса отталкиваются, а противоположные притягиваются. Фактически, можно выразить эту силу в терминах расположения полюсов и силы (или, в более общем смысле, распределения полюсов) в двух магнитах, притягивающих и отталкивающих друг друга.Эта модель называется «моделью Гилберта» и создает как правильную силу между двумя магнитами, так и правильное поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}} вне магнитов, но неправильное магнитное поле внутри магнитов. (Хотя модель Гилберта полезна в определенных контекстах в качестве математической модели, идея «полюсов» не точно отражает то, что физически происходит внутри магнита; см. Ферромагнетизм.)

Более физически точная картина будет основана на фундаментальном факте, что магнитный диполь испытывает силу, когда помещен в неоднородное внешнее магнитное поле .(В однородном поле он будет испытывать крутящий момент, но не силу.) Южный полюс одного магнита притягивается к северному полюсу другого магнита из-за особого способа, которым каждый из микроскопических диполей в любом магните реагирует на не -однородное поле другого магнита.

Сила, действующая на магнитный диполь, не зависит напрямую от силы или направления магнитного поля B {\ displaystyle \ mathbf {B}}, а только от того, как они меняются в зависимости от местоположения. Магнит будет двигаться, чтобы максимизировать магнитное поле в направлении своего магнитного момента.

Следует проявлять осторожность, чтобы отличить магнитную силу, действующую на магнитный диполь, от магнитной силы, действующей на движущийся заряд. Магнитная сила, действующая на заряд, возникает только тогда, когда заряд движется в боковом направлении. Это чувствуется как для однородных, так и для неоднородных магнитных полей. С другой стороны, магнитная сила на диполе присутствует только в неоднородных (в пространстве) полях и действует в направлении, увеличивающем составляющую магнитного поля в направлении, параллельном магнитному моменту диполя.Также сила, действующая на магнитный диполь, не зависит от его скорости (кроме скоростей, приближающихся к скорости света).

Электрическая сила из-за изменения B

Если магнитное поле в области меняется со временем, оно генерирует электрическое поле, которое образует замкнутые контуры вокруг этой области. Проводящий провод, образующий замкнутый контур вокруг области, будет иметь индуцированное напряжение, создаваемое этим изменяющимся магнитным полем. Этот эффект математически представлен как закон Фарадея и лежит в основе многих генераторов.Следует проявлять осторожность, чтобы понять, что изменяющееся магнитное поле является источником расширенного электрического поля . Изменяющееся магнитное поле не только создает электрическое поле в этом месте; скорее он генерирует электрическое поле, которое образует замкнутые контуры вокруг того места, где изменяется магнитное поле.

Математически закон Фарадея чаще всего представлен в терминах изменения магнитного потока во времени. Магнитный поток является свойством замкнутого контура (например, катушки с проволокой) и является произведением площади на магнитное поле, перпендикулярное этой области.Инженеры и физики часто используют магнитный поток как удобное физическое свойство контура (ов). Затем они выражают магнитное поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}} как магнитный поток на единицу площади. По этой причине поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}} часто называют «плотностью магнитного потока». Преимущество этого подхода в том, что некоторые вычисления упрощаются, например, в магнитных цепях. Однако обычно оно не используется вне электрических цепей, потому что магнитное поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}} действительно является более «фундаментальной» величиной, поскольку оно напрямую связывает всю электродинамику самым простым способом.

Источники магнитного поля

Магнитные поля можно создавать разными способами. Все эти способы основаны на трех элементарных способах создания магнитного поля B {\ displaystyle \ mathbf {B}}.

1. Электрические токи (подвижные заряды)
2. Магнитные диполи
3. Изменение электрического поля

Считается, что эти источники влияют на виртуальные частицы, составляющие поле.

Электрические токи (подвижные заряды)

Все движущиеся заряды создают магнитное поле. ^[4] Магнитное поле движущегося заряда очень сложно, но хорошо известно. (См. Уравнения Ефименко.) Он образует замкнутые петли вокруг линии, указывающей в направлении движения заряда. Напротив, магнитное поле тока вычислить гораздо проще.

Магнитное поле постоянного тока

Ток (I) через провод создает магнитное поле (B {\ displaystyle \ mathbf {B}}) вокруг провода. Поле ориентировано по правилу захвата правой рукой.

Магнитное поле, создаваемое постоянным током (непрерывный поток зарядов, например, через провод, который является постоянным во времени и в котором заряд не накапливается и не истощается в любой точке), описывается Био- Закон Савара. ^[5] Это следствие закона Ампера, одного из четырех уравнений Максвелла, описывающих электричество и магнетизм. Силовые линии магнитного поля, создаваемые токоведущим проводом, образуют концентрические круги вокруг провода. Направление магнитного поля петель определяется правилом правого захвата.(См. Рисунок справа.) Сила магнитного поля уменьшается с удалением от провода.

Токопроводящий провод можно согнуть в петлю так, чтобы поле было сконцентрировано (и в том же направлении) внутри петли. Вне цикла поле будет слабее. Объединение множества таких петель в соленоид (или длинную катушку) может значительно увеличить магнитное поле в центре и уменьшить магнитное поле за пределами соленоида. Такие устройства называются электромагнитами и чрезвычайно важны для создания сильных и хорошо контролируемых магнитных полей.Бесконечно длинный соленоид будет иметь однородное магнитное поле внутри контуров и не иметь магнитного поля снаружи. Электромагнит конечной длины будет создавать по существу такое же магнитное поле, что и однородный постоянный магнит той же формы и размера. Однако у электромагнита есть то преимущество, что вы можете легко изменять силу (даже создавая поле в противоположном направлении), просто управляя входным током. Одним из важных применений является постоянное переключение полярности неподвижного электромагнита, чтобы заставить вращающийся постоянный магнит непрерывно вращаться, используя тот факт, что противоположные полюса притягиваются, а подобные полюса отталкиваются.Это может быть использовано для создания важного типа электродвигателя.

Магнитные диполи

Силовые линии магнитного поля вокруг «магнитостатического диполя», сам магнитный диполь находится в центре и виден сбоку.

Магнитное поле постоянного магнита хорошо известно. (См. Первый рисунок статьи.) Но что вызывает магнитное поле постоянного магнита? Ответ снова заключается в том, что магнитное поле создается, по сути, за счет токов. Но на этот раз это связано с кумулятивным эффектом множества малых «токов» электронов, «вращающихся по орбите» над ядрами магнитного материала.С другой стороны, это происходит из-за структуры самого электрона, которую в некотором смысле можно представить как образующую крошечную петлю тока. (Истинная природа магнитного поля электрона носит релятивистский характер, но эта модель часто работает.) Обе эти крошечные петли моделируются в терминах того, что называется магнитным диполем. Дипольный момент этого диполя может быть определен как ток, умноженный на площадь контура, после чего может быть получено уравнение для магнитного поля, обусловленного этим магнитным диполем.(См. Изображение выше, чтобы увидеть, как выглядит это магнитное поле.) Магнитное поле большего магнита можно рассчитать, сложив магнитные поля многих магнитных диполей.

Изменяющееся электрическое поле

Последний известный источник магнитных полей — это изменяющееся электрическое поле. Как изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, так и изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле. (Эти два эффекта загружаются вместе, образуя электромагнитные волны, такие как свет.) Подобно тому, как силовые линии магнитного поля образуют замкнутые контуры вокруг тока, изменяющееся во времени электрическое поле генерирует магнитное поле, которое образует замкнутые контуры вокруг области изменения электрического поля. Сила этого магнитного поля пропорциональна скорости изменения электрического поля во времени (которая называется током смещения). ^[6] Тот факт, что изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, известен как поправка Максвелла к закону Ампера.

Магнитный монополь (гипотетический)

Магнитный монополь — гипотетическая частица (может существовать, а может и не существовать).Как следует из названия, магнитный монополь должен иметь только один полюс. Другими словами, он обладал бы «магнитным зарядом», аналогичным электрическому заряду. Положительный магнитный заряд будет соответствовать изолированному северному полюсу, а отрицательный магнитный заряд будет соответствовать изолированному южному полюсу.

Современный интерес к этой концепции связан с теориями частиц, особенно с Теориями Великого Объединения и теориями суперструн, которые предсказывают либо существование, либо возможность магнитных монополей.Эти и другие теории вдохновили на поиск монополей. Несмотря на эти усилия, до сих пор не наблюдалось магнитного монополя. (В двух экспериментах были получены события-кандидаты, которые первоначально интерпретировались как монополи, но теперь они считаются неубедительными. Подробности и ссылки см. В разделе «Магнитный монополь».)

Определение и математические свойства B

Существует несколько различных, но физически эквивалентных способов определения магнитного поля B {\ displaystyle \ mathbf {B}}.В принципе, любой из вышеперечисленных эффектов, обусловленных магнитным полем или любым из источников магнитного поля, можно использовать для определения его величины и направления. Его направление в данной точке можно представить как направление, в котором гипотетический гипотетический свободно вращающийся небольшой испытательный диполь повернулся бы в точку, если бы он был помещен в эту точку. Его величина определяется (в единицах СИ) как напряжение, индуцированное на единицу площади токоведущей петли в однородном магнитном поле, нормальном к петле, когда магнитное поле уменьшается до нуля за единицу времени.Единица измерения магнитного поля в системе СИ — тесла.

Вектор магнитного поля — это псевдовектор (также называемый осевым вектором). (Это техническое утверждение о том, как магнитное поле ведет себя, когда вы отражаете мир в зеркале.) Этот факт очевиден из многих определений и свойств поля; например, величина поля пропорциональна крутящему моменту на диполе, а крутящий момент является хорошо известным псевдовектором.

Уравнения Максвелла

Как обсуждалось выше, магнитное поле является векторным полем.(Магнитное поле в каждой точке пространства и времени представлено своим собственным вектором.) Как векторное поле, магнитное поле имеет два важных математических свойства. Эти свойства вместе с соответствующими свойствами электрического поля составляют уравнения Максвелла.

Во-первых, магнитное поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}} никогда не начинается и не заканчивается в точке. Какие бы силовые линии магнитного поля ни входили в область, они в конечном итоге должны покинуть ее. Это математически эквивалентно тому, что дивергенция магнитного B {\ displaystyle \ mathbf {B}} равна нулю.(Такие векторные поля называются соленоидальными векторными полями.) Это свойство называется законом Гаусса для магнетизма и является одним из уравнений Максвелла. Это также эквивалентно утверждению об отсутствии магнитных монополей (см. Выше).

Второе математическое свойство магнитного поля состоит в том, что оно всегда огибает источник, который его создает. Этим источником может быть ток, магнит или изменяющееся электрическое поле, но он всегда находится внутри контуров магнитного поля, которые они создают. Математически этот факт описывается уравнением Ампера-Максвелла.

Измерение магнитного поля B

Существует множество способов измерения магнитного поля B {\ displaystyle \ mathbf {B}}, многие из которых используют эффекты, описанные выше. Устройства, используемые для измерения местного магнитного поля, называются магнитометрами. Важные магнитометры включают использование вращающейся катушки, магнитометров на эффекте Холла, ЯМР-магнитометра, СКВИД-магнитометра и феррозондового магнитометра. Магнитные поля далеких астрономических объектов можно определить, заметив их влияние на местные заряженные частицы.Например, электроны, вращающиеся вокруг силовой линии, будут производить синхотронное излучение, которое можно обнаружить в радиоволнах.

Эффект Холла

Поскольку сила Лоренца зависит от знака заряда (см. Выше), она приводит к разделению зарядов, когда проводник с током помещается в поперечное магнитное поле, с накоплением противоположных зарядов на двух противоположных сторонах проводника в нормальном направлении. магнитному полю, и можно измерить разность потенциалов между этими сторонами.

Эффект Холла часто используется для измерения величины магнитного поля, а также для определения знака доминирующих носителей заряда в полупроводниках (отрицательные электроны или положительные дырки).

СКВИД-магнитометр

См. Также: сверхпроводимость

Сверхпроводники — это материалы, обладающие как отличительными электрическими свойствами (идеальная проводимость), так и магнитными свойствами (например, эффектом Мейснера, при котором многие сверхпроводники могут идеально устранять магнитные поля).Из-за этих свойств оказывается, что петли, которые включают сверхпроводящий материал и их джозефсоновские переходы, могут функционировать как очень чувствительные магнитометры, называемые СКВИДами.

Поле H

Термин «магнитное поле» также может использоваться для описания магнитного поля H {\ displaystyle \ mathbf {H}}. Магнитное поле H {\ displaystyle \ mathbf {H}} похоже на поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}} тем, что является векторным полем, но его единицы часто отличаются. В единицах СИ В {\ displaystyle \ mathbf {B}} и H {\ displaystyle \ mathbf {H}} измеряются в теслах (Т) и амперах на метр (А / м) соответственно; или, в единицах cgs, в гауссах (G) и эрстедах (эрстедах), соответственно.Вне намагничивающихся материалов эти два поля идентичны (за исключением, возможно, постоянного коэффициента преобразования), но внутри магнитного материала они могут существенно различаться. Количественно поля связаны следующими уравнениями:

B = г. до н. Э. ; 0 (H + M) {\ displaystyle \ mathbf {B} = \ mu _ {0} (\ mathbf {H} + \ mathbf {M})} (единицы СИ)

B = H + 4πM {\ displaystyle \ mathbf {B} = \ mathbf {H} +4 \ pi \ mathbf {M}} (единицы cgs),

, где M {\ displaystyle \ mathbf {M}} — плотность намагничивания любого магнитного материала. .

Физическая интерпретация поля H

Когда присутствуют магнитные материалы, полное магнитное поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}} создается двумя разными типами токов, которые необходимо различать: свободный ток и связанный ток. Свободные токи — это обычные токи в проводах и других проводниках, которые можно контролировать и измерять. Связанные токи — это крошечные круговые токи внутри атомов, которые ответственны за намагничивание M {\ displaystyle \ mathbf {M}} магнитных материалов.Хотя реальный источник магнитного поля на электронных орбиталях атомов сложен, магнитные свойства материала можно учесть, если предположить, что он разделен на крошечные блоки, каждый из которых имеет ток, протекающий вокруг его внешней поверхности, перпендикулярно поверхности. ось магнитного поля. В качестве примера связанного тока рассмотрим однородный постоянный стержневой магнит. Кусок железа состоит из множества крошечных областей, называемых магнитными доменами, каждая из которых представляет собой магнитный диполь, по сути, крошечную петлю тока.В стержневом магните полюса большинства этих диполей выровнены, создавая сильное магнитное поле. Если мы сложим токи всех этих крошечных петель, мы обнаружим, что токи уравновешиваются внутри материала, но складываются по сторонам стержня. (Этот ток проходит по сторонам, а не по полюсам.) Ни один заряд не совершает полный обход вокруг магнита (каждый заряд привязан к своей крошечной петле), но результирующий эффект в точности эквивалентен реальному току, протекающему снаружи. поверхность магнита, перпендикулярная оси магнитного поля.(Если намагниченность неоднородна, связанный ток также будет проходить через большую часть магнитного материала.)

Магнитный H {\ displaystyle \ mathbf {H}} полезен, потому что он по-разному обрабатывает эти два типа токов. Свободные токи он обрабатывает обычным образом и поэтому имеет ту же форму, что и магнитное поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}}, которое оно будет генерировать. Магнитные поля H {\ displaystyle \ mathbf {H}} обрабатывают поле внутри магнитного материала (из-за этого магнитного материала) аналогично модели Гилберта.(Вычитая намагниченность из поля B, мы по существу преобразуем связанные источники тока в магнитные заряды типа Гильберта на полюсах.) В отличие от магнитного B {\ displaystyle \ mathbf {B}}, который всегда образует замкнутые контуры, поле из-за того, что магнитные заряды текут наружу (или внутрь в зависимости от знака магнитного заряда) в обоих направлениях от полюсов. И хотя магнитное поле снаружи магнитного материала точно такое же, для обеих моделей магнитные поля внутри совершенно разные.

Соединяя оба источника вместе, мы видим, что магнитное поле H {\ displaystyle \ mathbf {H}} совпадает с магнитным полем B {\ displaystyle \ mathbf {B}} для мультипликативной константы вне магнитных материалов, но полностью отличается от магнитного поля B {\ displaystyle \ mathbf {B}} внутри магнитного материала. Преимущество этого гибридного поля H {\ displaystyle \ mathbf {H}} состоит в том, что эти источники обрабатываются настолько по-разному, что мы часто можем выделить один источник из другого.Например, линейный интеграл магнитного поля H {\ displaystyle \ mathbf {H}} в замкнутом контуре даст полный свободный ток в контуре (а не связанный ток). Это не похоже на магнитное поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}}, где аналогичный интеграл даст сумму как свободного, так и связанного тока. Если кто-то хочет изолировать вклад из-за связанных токов, то поверхностный интеграл H {\ displaystyle \ mathbf {H}} по любой замкнутой поверхности будет выделять «магнитные заряды» на полюсах.

Источники поля H

В отличие от магнитного поля B {\ displaystyle \ mathbf {B}}, которое имеет только такой источник тока, что магнитное поле B {\ displaystyle \ mathbf {B}} вращается вокруг токов, магнитное поле H {\ displaystyle \ mathbf {H }} имеет два типа источников. Первым источником магнитного поля H {\ displaystyle \ mathbf {H}} являются свободные токи , для которых H {\ displaystyle \ mathbf {H}} закручивается так же, как B {\ displaystyle \ mathbf {B}} поле зацикливается на полном токе.Второй источник магнитного поля H {\ displaystyle \ mathbf {H}} — это «магнитные заряды» около полюсов магнитного материала. Точнее, эти «магнитные заряды» рассчитываются как −∇⋅M {\ displaystyle — \ mathbf {\ nabla} \ cdot \ mathbf {M}}.

Использование поля H

Энергия, запасенная в магнитных полях

Чтобы создать магнитное поле, нам нужно произвести работу по установлению свободного тока. Если спросить, сколько энергии требуется для создания определенного магнитного поля с использованием определенного свободного тока, тогда нужно различать свободный и связанный токи.Это свободный ток, который «проталкивают». Связанные токи — нахлебники. Они создают магнитное поле, с которым должен работать свободный ток, не выполняя при этом никакой работы. Если нужно было вычислить энергию создания магнитного поля B {\ displaystyle \ mathbf {B}}, нам нужен способ отделения свободного тока. Магнитный B {\ displaystyle \ mathbf {B}} не может использоваться для определения этого свободного тока, поскольку B {\ displaystyle \ mathbf {B}} не различает связанный и свободный ток.

Магнитное поле H {\ displaystyle \ mathbf {H}} действительно обрабатывает два источника по-разному. Поэтому он полезен при расчете энергии, необходимой для создания магнитного поля со свободным током в присутствии магнитных материалов. В этом случае необходимая плотность энергии, предполагая линейную зависимость между H {\ displaystyle \ mathbf {H}} и B {\ displaystyle \ mathbf {B}}, имеет форму:

u = H⋅B2. {\ Displaystyle u = {\ frac {\ mathbf {H} \ cdot \ mathbf {B}} {2}}.}

Если поблизости нет магнитных материалов, мы можем заменить H {\ displaystyle \ mathbf {H}} с B B.C.E. ; о {\ displaystyle {\ frac {\ mathbf {B}} {\ mu _ {o}}}},

u = B⋅B2 до н. Э. ; о. {\ Displaystyle u = {\ frac {\ mathbf {B} \ cdot \ mathbf {B}} {2 \ mu _ {o}}}.}

Магнитные цепи

Второе использование H {\ displaystyle \ mathbf {H}} — в магнитных цепях, где внутри линейного материала B = до н.э. ; Н {\ displaystyle \ mathbf {B} = \ mu \ mathbf {H}}. Здесь, г. до н. Э. ; {\ displaystyle \ mu} — проницаемость материала. По форме это похоже на закон Ома. J = σE {\ displaystyle \ mathbf {J} = \ sigma \ mathbf {E}}, где J {\ displaystyle \ mathbf {J}} — текущая плотность, σ {\ displaystyle \ sigma} — это проводимость, а E {\ displaystyle \ mathbf {E}} — электрическое поле.Продолжая эту аналогию, мы выводим контрапункт к макроскопическому закону Ома (VR = I {\ displaystyle {\ frac {V} {R}} = I}) как:

Φ = FRm, {\ displaystyle \ Phi = {\ frac {F} {R}} _ {m},}

, где Φ = ∫B⋅dA {\ displaystyle \ Phi = \ int \ mathbf {B } \ cdot d \ mathbf {A}} — магнитный поток в цепи, F = ∫H⋅dl {\ displaystyle F = \ int \ mathbf {H} \ cdot d \ mathbf {l}} — приложенная магнитодвижущая сила. к цепи, а Rm {\ displaystyle R_ {m}} — сопротивление цепи. Здесь сопротивление Rm {\ displaystyle R_ {m}} — величина, аналогичная по своей природе сопротивлению магнитного потока.

Используя эту аналогию, легко вычислить магнитный поток сложной геометрии магнитного поля, используя все доступные методы теории цепей.

История B и H

Разницу между векторами B {\ displaystyle \ mathbf {B}} и H {\ displaystyle \ mathbf {H}} можно проследить до работы Максвелла 1855 года под названием On Faraday’s Lines of Force . Позже это проясняется в его концепции моря молекулярных вихрей, появившейся в его статье 1861 года «О физических силовых линиях — 1861».В этом контексте H {\ displaystyle \ mathbf {H}} представлял чистую завихренность (вращение), тогда как B {\ displaystyle \ mathbf {B}} представлял собой взвешенную завихренность, взвешенную по плотности вихревого моря. Максвелл считал магнитную проницаемость µ мерой плотности вихревого моря. Следовательно, отношение,

(1) Ток магнитной индукции вызывает плотность магнитного тока

B = до н. Э. ; H {\ displaystyle \ mathbf {B} = \ mu \ mathbf {H}}

было по существу вращательной аналогией линейной зависимости электрического тока,

(2) Электроконвекционный ток

J = ρv {\ Displaystyle \ mathbf {J} = \ rho \ mathbf {v}}

где ρ {\ displaystyle \ rho} — плотность электрического заряда.B {\ displaystyle \ mathbf {B}} рассматривался как своего рода магнитный поток вихрей, выровненных в их осевых плоскостях, причем H {\ displaystyle \ mathbf {H}} — окружная скорость вихрей. Теперь, когда µ представляет плотность вихрей, мы можем видеть, как произведение µ на ​​завихренность H {\ displaystyle \ mathbf {H}} приводит к термину «плотность магнитного потока», который мы обозначаем как B {\ displaystyle \ mathbf {B}}.

Уравнение электрического тока можно рассматривать как конвективный ток электрического заряда, который включает линейное движение.По аналогии, магнитное уравнение представляет собой индуктивный ток, включающий спин. В индуктивном токе нет линейного движения в направлении вектора B {\ displaystyle \ mathbf {B}}. Магнитный индукционный ток представляет собой силовые линии. В частности, он представляет собой линии силы закона обратных квадратов.

Расширение приведенных выше соображений подтверждает, что где B {\ displaystyle \ mathbf {B}} соответствует H {\ displaystyle \ mathbf {H}}, а J {\ displaystyle \ mathbf {J}} равно ρ, тогда из закона Гаусса и уравнения непрерывности заряда обязательно следует, что E {\ displaystyle \ mathbf {E}} соответствует D {\ displaystyle \ mathbf {D}}.т.е. B {\ displaystyle \ mathbf {B}} проводит параллели с E {\ displaystyle \ mathbf {E}}, тогда как H {\ displaystyle \ mathbf {H}} проводит параллели с D {\ displaystyle \ mathbf {D}}.

Вращающиеся магнитные поля

Вращающееся магнитное поле — ключевой принцип работы двигателей переменного тока. Постоянный магнит в таком поле будет вращаться, чтобы поддерживать свое выравнивание с внешним полем. Этот эффект был концептуализирован Никола Тесла и позже использован в его и других ранних электродвигателях переменного тока.Вращающееся магнитное поле может быть создано с использованием двух ортогональных катушек с разностью фаз переменного тока 90 градусов. Однако на практике такая система будет питаться по трехпроводной схеме с неравными токами. Это неравенство вызовет серьезные проблемы при стандартизации размеров проводников, поэтому для его преодоления используются трехфазные системы, в которых три тока равны по величине и имеют разность фаз 120 градусов. В этом случае вращающееся магнитное поле будут создавать три одинаковые катушки, имеющие взаимные геометрические углы 120 градусов.Способность трехфазной системы создавать вращающееся поле, используемое в электродвигателях, является одной из основных причин, почему трехфазные системы доминируют в мировых системах электроснабжения.

Поскольку магниты со временем ухудшаются, синхронные двигатели и асинхронные двигатели используют короткозамкнутые роторы (вместо магнита), следующие за вращающимся магнитным полем многослойного статора. Короткозамкнутые витки ротора создают вихревые токи во вращающемся поле статора, и эти токи, в свою очередь, перемещают ротор под действием силы Лоренца.

В 1882 году Никола Тесла определил концепцию вращающегося магнитного поля. В 1885 году Галилео Феррарис независимо исследовал эту концепцию. В 1888 году Тесла получил патент США 381968 (PDF) на свою работу. Также в 1888 году Феррарис опубликовал свое исследование в статье Королевской академии наук в Турине.

Специальная теория относительности и электромагнетизм

Магнитные поля сыграли важную роль в развитии специальной теории относительности.

Проблема с подвижным магнитом и проводником

Представьте себе движущуюся проводящую петлю, проходящую мимо неподвижного магнита.В такой проводящей петле будет генерироваться ток при прохождении через магнитное поле. Но почему? Ответ на этот, казалось бы, невинный вопрос привел Альберта Эйнштейна к разработке своей специальной теории относительности.

Стационарный наблюдатель увидел бы неизменное магнитное поле и движущуюся проводящую петлю. Поскольку петля движется, все заряды, составляющие петлю, также перемещаются. Каждый из этих зарядов будет иметь боковую силу Лоренца, действующую на него, которая генерирует ток.Между тем, наблюдатель в движущейся системе отсчета увидит изменяющееся магнитное поле и стационарных заряда . (Петля не движется в этой системе отсчета наблюдателя. Магнит движется.) Это изменяющееся магнитное поле генерирует электрическое поле .

Стационарный наблюдатель утверждает, что существует только магнитное поле, которое создает магнитную силу на движущийся заряд. Движущийся наблюдатель утверждает, что существует как магнитное, так и электрическое поле, но вся сила обусловлена ​​электрическим полем .Что является правдой? Есть ли электрическое поле? Согласно специальной теории относительности, ответ заключается в том, что оба наблюдателя находятся прямо в своей системе отсчета. Чистое магнитное поле в одной системе отсчета может быть смесью магнитного и электрического полей в другой системе отсчета.

Электрические и магнитные поля — разные аспекты одного и того же явления

Согласно специальной теории относительности, электрические и магнитные силы являются частью единого физического явления, электромагнетизма; электрическая сила, воспринимаемая одним наблюдателем, будет восприниматься другим наблюдателем в другой системе отсчета как смесь электрических и магнитных сил.Магнитную силу можно рассматривать просто как релятивистскую часть электрической силы, когда последняя видна движущемуся наблюдателю.

Более конкретно, вместо того, чтобы рассматривать электрическое и магнитное поля как отдельные поля, специальная теория относительности показывает, что они естественным образом смешиваются в тензор ранга 2, называемый электромагнитным тензором. Это аналогично тому, как специальная теория относительности «смешивает» пространство и время с пространством-временем, а массу, импульс и энергию — с четырьмя импульсами.

Описание формы магнитного поля

Схема квадрупольного магнита (« четырехполюсный ») магнитного поля.Есть четыре стальных полюса, два противоположных магнитных северных полюса и два противоположных магнитных южных полюса.

• Азимутальное магнитное поле проходит с востока на запад.

• Меридиональное магнитное поле проходит с севера на юг. В модели солнечного динамо Солнца дифференциальное вращение солнечной плазмы заставляет меридиональное магнитное поле растягиваться в азимутальное магнитное поле, процесс, называемый омега-эффектом . Обратный процесс называется альфа-эффектом .

• Квадрупольное магнитное поле наблюдается, например, между полюсами четырех стержневых магнитов. Напряженность поля линейно растет с радиальным расстоянием от его продольной оси.

• Соленоидное магнитное поле аналогично дипольному магнитному полю, за исключением того, что сплошной стержневой магнит заменен полым магнитом с электромагнитной катушкой.

• Тороидальное магнитное поле возникает в кольцевой катушке, электрический ток течет по спирали вокруг трубчатой ​​поверхности, и обнаруживается, например, в токамаке.

• Полоидальное магнитное поле создается током, протекающим по кольцу, и обнаруживается, например, в токамаке.

• Радиальное магнитное поле — это поле, в котором силовые линии направлены от центра наружу, подобно спицам в велосипедном колесе. Пример можно найти в преобразователях громкоговорителя (драйвере). ^[7]

• Спиральное магнитное поле имеет форму штопора и иногда наблюдается в космической плазме, такой как Молекулярное Облако Ориона. ^[8]

См. Также

Банкноты

1. ↑ GSU, Напряженность магнитного поля H, hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Проверено 15 ноября 2008 года.
2. ↑ TechTarget, Что такое напряженность магнитного поля? Проверено 15 ноября 2008 года.
3. ↑ Конвертер единиц измерения, Конвертер напряженности магнитного поля. Проверено 15 ноября 2008 года.
4. ↑ В специальной теории относительности это означает, что электрическое поле и магнитное поле должны быть двумя частями одного и того же явления.Для движущегося одиночного заряда или зарядов, движущихся вместе, мы всегда можем перейти к системе отсчета, в которой они не движутся. В этой системе отсчета нет магнитного поля. Тем не менее, физика должна быть одинаковой во всех системах отсчета. Оказывается, электрическое поле также изменяется, создавая ту же силу в исходной системе отсчета. Однако, вероятно, будет ошибкой утверждать, что электрическое поле вызывает магнитное поле, когда учитывается теория относительности, поскольку относительность не поддерживает никакой конкретной системы отсчета.(Так же легко можно сказать, что магнитное поле вызвало электрическое поле). Что еще более важно, не всегда можно перейти в систему координат, в которой все заряды неподвижны. См. Классический электромагнетизм и специальную теорию относительности для получения дополнительной информации.
5. ↑ На практике закон Био-Савара и другие законы магнитостатики часто можно использовать, даже если заряд меняется во времени, если он не меняется слишком быстро. Эта ситуация известна как квазистатическая.
6. ↑ В модели эфира ток смещения — это реальный ток, который возникает из-за того, что электрическое поле «смещает» положительный заряд в одном направлении, а отрицательный — в противоположном в эфире. Затем изменение электрического поля сдвигает эти заряды, вызывая ток в эфире. Эта модель все еще может быть полезной, даже если она неверна, поскольку помогает лучше понять поле смещения.
7. ↑ I.S. Фальконер, М. Большой, и я.М. Сефтон (ред.), Магнетизм: поля и силы, лекция E6, Сиднейский университет. Проверено 15 ноября 2008 года.
8. ↑ Роберт Сандерс, Астрономы находят магнитные Слинки в Орионе, Калифорнийский университет в Беркли. Проверено 15 ноября 2008 года.

Список литературы

• Дерни, Карл Х. и Кертис К. Джонсон. 1969. Введение в современную электромагнетизм . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.
• Фурлани, Эдвард П. 2001. Постоянные магниты и электромеханические устройства: материалы, анализ и применение .Сан-Диего, Калифорния: академический. ISBN 0122699513.
• Гриффитс, Дэвид Дж. 1999. Введение в электродинамику, 3-е изд. Река Аппер Сэдл, штат Нью-Джерси: Prentice Hall. ISBN 013805326X.
• Джексон, Джон Д. 1999. Классическая электродинамика, 3-е изд. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Wiley. ISBN 047130932X.
• Джайлс, Дэвид. 1994. Введение в электронные свойства материалов. Лондон, Великобритания: Chapman & Hall. ISBN 0412495805.
• Nave, R. Напряженность магнитного поля H.hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Проверено 15 ноября 2008 г.
• Оппельт, Арнульф. 2006-11-02. Напряженность магнитного поля. Проверено 15 ноября 2008 г.
• Рао, Наннапанени Н. 1994. Элементы инженерной электромагнетики, 4-е изд. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice Hall. ISBN 0139487468.
• Типлер, Пол и Джин Моска. 2004. Физика для ученых и инженеров: электричество, магнетизм, свет и элементарная современная физика, 5-е изд. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: W.Х. Фриман. ISBN 0716708108.
• Преобразование единиц измерения. Конвертер напряженности магнитного поля. Проверено 15 ноября 2008 г.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 7 августа 2018 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства.Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников New World Encyclopedia, и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

9.3 Магнитное поле Земли — Физическая геология

Глава 9 Внутренние части Земли

Тепло также передается от твердого внутреннего ядра к жидкому внешнему ядру, что приводит к конвекции жидкого железа внешнего ядра. Поскольку железо является металлом и проводит электричество (даже в расплавленном состоянии), его движение создает магнитное поле.

Магнитное поле Земли определяется Северным и Южным полюсами, которые обычно совпадают с осью вращения (Рисунок 9.13). Магнитные силовые линии текут на Землю в северном полушарии и выходят из Земли в южном полушарии. Из-за формы силовых линий магнитная сила движется под разными углами к поверхности в разных местах (красные стрелки на рисунке 9.13). На Северном и Южном полюсах сила вертикальная. В любом месте на экваторе сила горизонтальна, а повсюду между ними магнитная сила находится под некоторым промежуточным углом к ​​поверхности. Как мы увидим в главе 10, различия в этих ориентациях являются важным свидетельством понимания дрейфа континентов как аспекта тектоники плит.

Магнитное поле Земли создается во внешнем ядре за счет конвективного движения жидкого железа, но, как мы обнаружили в главе 8, магнитное поле нестабильно в течение геологического времени. По причинам, которые до конца не изучены, магнитное поле периодически спадает, а затем восстанавливается. Когда он действительно восстанавливается, он может быть ориентирован так, как был до распада, или он может быть ориентирован с обратной полярностью. За последние 250 млн лет произошло несколько сотен инверсий магнитного поля, и их время было совсем не регулярным.Самые короткие из них, которые геологи смогли определить, длились всего несколько тысяч лет, а самые длинные — более 30 миллионов лет в меловом периоде (рис. 9.14).

Рис. 9.13. Изображение магнитного поля Земли в виде стержневого магнита, совпадающего с ядром. Южный полюс такого магнита указывает на Северный полюс Земли. Красные стрелки показывают ориентацию магнитного поля в различных точках на поверхности Земли. [SE после: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/ 1/17 / Earths_Mintage_Field_ Confusion.svg]

Exercise 9.3 Что вам говорит ваш магнитный измеритель угла падения?

Обычные компасы указывают только на северный магнитный полюс, но если у вас есть измеритель магнитного угла наклона (или iPhone с соответствующим приложением *), вы также можете измерить угол магнитного поля в вашем местоположении в вертикальном направлении. смысл. Для выполнения этого упражнения не нужно покупать приложение (или iPhone)!

Используя рисунок 9.13 в качестве руководства, опишите, где бы вы были на Земле, если вертикальные углы будут следующими:

Вверх под небольшим углом Параллельно земле

Вертикальная ориентация	Общее местонахождение	Вертикальная ориентация	Общее местонахождение
Прямо вниз
Вниз под крутым углом

* См. Приложение для определения магнитного наклона по адресу: http: // www.hotto.de/mobileapps/iphonemintageinclinationmeter.html

Рис. 9.14. Хронология инверсии магнитного поля за последние 170 млн лет. Первые 5 млн лет магнитной хронологии более подробно показаны на рис. 9.15. [SE после: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/c/c0/Geomintage_polarity_0-169_Ma.svg]

Изменения в магнитном поле Земли были изучены с помощью математической модели, и было показано, что при запуске модели для моделирования периода в несколько сотен тысяч лет происходят инверсии.Тот факт, что произошли инверсии поля, показывает, что модель является достаточно точным представлением Земли. По словам ведущего автора исследования Гэри Глатцмайера из Калифорнийского университета в Санта-Круз: «Наше решение показывает, как конвекция во внешнем жидком ядре постоянно пытается изменить направление поля, но что твердое внутреннее ядро ​​препятствует инверсии магнитного поля, потому что поле в внутреннее ядро ​​может измениться только в гораздо более длительном масштабе диффузии. Только один раз из многих попыток инверсия оказывается успешной, что, вероятно, является причиной того, что времена между инверсиями поля Земли длинные и распределены случайным образом.Изображение силовых линий магнитного поля Земли в стабильный период и во время переворота показано на рисунке 9.15. Чтобы узнать больше об этих явлениях, посетите сайт Глатцмайера «Геодинамо» по адресу: http://es.ucsc.edu/~glatz/geodynamo.html.

Рис. 9.15. Изображение магнитного поля Земли между инверсиями (слева) и во время инверсии (справа).