Закон электромагнитной индукции — формулы, определение, примеры

Магнитный поток

Прежде, чем разобраться с тем, что такое электромагнитная индукция, нужно определить такую сущность, как магнитный поток.

Представьте, что вы взяли обруч в руки и вышли на улицу в ливень. Чем сильнее ливень, тем больше через этот обруч пройдет воды — поток воды больше.

Если обруч расположен горизонтально, то через него пройдет много воды. А если начать его поворачивать — уже меньше, потому что он расположен не под прямым углом к вертикали.

Теперь давайте поставим обруч вертикально — ни одной капли не пройдет сквозь него (если ветер не подует, конечно).

Магнитный поток по сути своей — это тот же самый поток воды через обруч, только считаем мы величину прошедшего через площадь магнитного поля, а не дождя.

Магнитным потоком через площадь ​S​ контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции ​B​, площади поверхности ​S​, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла ​α​ между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):

Магнитный поток Ф — магнитный поток [Вб] B — магнитная индукция [Тл] S — площадь пронизываемой поверхности [м^2] n — вектор нормали (перпендикуляр к поверхности) [-]

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​α магнитный поток может быть положительным (α < 90°) или отрицательным (α > 90°). Если α = 90°, то магнитный поток равен 0. Это зависит от величины косинуса угла.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура, магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Пятерка по физике у тебя в кармане!

Решай домашку по физике на изи. Подробные решения помогут разобраться в сложной теме и получить пятерку!

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция — явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

Майкл Фарадей провел ряд опытов, которые помогли открыть явление электромагнитной индукции.

Опыт раз. На одну непроводящую основу намотали две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй — подключены к источнику тока.

При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.

Опыт два. Первую катушку подключили к источнику тока, а вторую — к гальванометру. При этом вторая катушка перемещалась относительно первой. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.

Опыт три. Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется вдвигается (выдвигается) относительно катушки

Вот, что показали эти опыты:

1. Индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции.


2. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.


3. Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Почему возникает индукционный ток? Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Онлайн-курсы физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

Закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) звучит так:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Математически его можно описать формулой:

Закон Фарадея Ɛi — ЭДС индукции [В] ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с]

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре всегда направлен так, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из ​N витков (то есть он — катушка), то ЭДС индукции будет вычисляться следующим образом.

Закон Фарадея для контура из N витков Ɛi — ЭДС индукции [В] ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с] N — количество витков [-]

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением ​R​:

Закон Ома для проводящего контура Ɛi — ЭДС индукции [В] I — сила индукционного тока [А] R — сопротивление контура [Ом]

Если проводник длиной l будет двигаться со скоростью ​v​ в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ​B​ ЭДС электромагнитной индукции равна:

ЭДС индукции для движущегося проводника Ɛi — ЭДС индукции [В] B — магнитная индукция [Тл] v — скорость проводника [м/с] l — длина проводника [м]

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

• вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле.
  Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле
• вследствие изменения во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея

Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:

• в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца
• в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Правило Ленца

Чтобы определить направление индукционного тока, нужно воспользоваться правилом Ленца.

Академически это правило звучит следующим образом: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Давайте попробуем чуть проще: катушка в данном случае — это недовольная бабуля. Забирают у нее магнитный поток — она недовольна и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток хочет обратно отобрать.

Дают ей магнитный поток, забирай, мол, пользуйся, а она такая — «Да зачем сдался мне ваш магнитный поток!» и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток выгоняет.

Физика. Электричество итог / Физика. Электричество итог / Магнитное поле

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

Свойства магнитного поля:

1. Магнитное поле возникает вокруг любого проводника с током.

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

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

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

Характеристики магнитного поля:

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

, где l – плечо пары сил (расстояние между точками приложения сил).

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

, где — магнитный момент контура с током.

Единица измерения магнитной индукции – Тесла [Тл].

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

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

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

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

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

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

— относительная магнитная проницаемость среды,

— абсолютная магнитная проницаемость среды.

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

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

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

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

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

.

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

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

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

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

Результат действия силы Ампера – движение проводника в данном направлении.

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

Сила Лоренца – сила действия магнитного поля на движущийся заряд.

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

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

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

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

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

Единица измерения – Вебер [Вб].

Способы измерения магнитного потока:

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

2. Изменение площади контура, помещённого в магнитное поле

3. Изменение силы тока, создающего магнитное поле

4. Изменение расстояния контура от источника магнитного поля

5. Изменение магнитных свойств среды.

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

Отличия вихревого электрического поля от электростатического:

1. Источник вихревого поля – изменяющееся магнитное поле.

2. Линии напряжённости вихревого поля замкнуты.

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

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

. Измеряется в Вольтах [В].

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

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

ЭДС индукции в замкнутом контуре порождает индукционный ток.

.

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

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

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

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

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

, где L – коэффициент пропорциональности, индуктивность.

Единица измерения индуктивности – Генри [Гн].

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

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

Закон Фарадея для самоиндукции: .

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока.

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

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

.

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

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

Условия возникновения колебаний:

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

.

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

3. Электрическое сопротивление цепи должно быть малым.

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

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

Вывод: заряд конденсатора изменяется по гармоническому закону.

Напряжение на конденсаторе: .

Сила тока в контуре: .

Величина — амплитуда силы тока.

. Отличие от заряда на .

Период свободных колебаний в контуре:

Энергия электрического поля конденсатора:

Энергия магнитного поля катушки:

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

Полная энергия колебательной системы: .

В идеальном контуре полная энергия не изменяется.

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

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

Закон Ома примет вид:

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

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

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

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

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

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

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

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

Для контура с конденсатором и резистором: .

Теория Максвелла об электромагнитном поле:

1 положение:

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

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

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

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

2 положение:

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

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

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

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

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

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

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

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

Условие возникновения электромагнитной волны – движение заряда с ускорением.

Уравнение электромагнитной волны:

— циклическая частота электромагнитных колебаний

t – время от начала колебаний

l – расстояние от источника волны до данной точки пространства

— скорость распространения волны

— время движения волны от источника до данной точки.

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

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

Свойства электромагнитных волн:

1. Все электромагнитные волны – поперечные

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

— относительная диэлектрическая проницаемость среды

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

— относительная магнитная проницаемость среды

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

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

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

5. Плотность потока энергии волн – интенсивность волны:

— вектор Умова-Пойнтинга.

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

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

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

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

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

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

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

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

Прецессия, достаточная для создания магнитного поля — ScienceDaily

Потоки расплавленного металла могут генерировать магнитные поля. Этот так называемый динамо-эффект создает космические магнитные поля, подобные полям планет, лун и даже астероидов. В ближайшие годы этот эффект призван продемонстрировать уникальный в мировом масштабе эксперимент, в котором стальной барабан, содержащий несколько тонн жидкого натрия, вращается вокруг двух осей. Он будет проводиться на новом объекте DRESDYN в Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), независимой немецкой исследовательской лаборатории. Недавно опубликованное исследование в научном журнале Physical Review Letters подтверждает шансы эксперимента на успех.

Подобно тому, как динамо-машина велосипеда преобразует движение в электричество, движущиеся проводящие жидкости могут генерировать магнитные поля. Так называемое магнитное число Рейнольдса (произведение скорости потока жидкости, расширения и проводимости) в первую очередь определяет, действительно ли создается магнитное поле.

Во время впечатляющего эксперимента ученые из группы Фрэнка Стефани из Института гидродинамики HZDR стремятся достичь критического значения, необходимого для возникновения динамо-эффекта. Для этого стальной цилиндр диаметром два метра, содержащий восемь тонн жидкого натрия, будет вращаться вокруг одной оси до десяти раз в секунду и один раз в секунду вокруг другой, наклоненной относительно первой. Технический термин для этого движения, которое часто сравнивают с наклонным волчком, — прецессия.

«Наш эксперимент на новом объекте DRESDYN призван продемонстрировать, что прецессии как естественного двигателя потока достаточно для создания магнитного поля», — говорит Андре Гизеке, ведущий автор исследования. В его моделировании и во время сопутствующих экспериментов с водой — макет был в шесть раз меньше, чем большая динамо-машина — ученые исследовали структуру потока, вызванного прецессией.

«К нашему удивлению, мы наблюдали симметричную двойную ролевую структуру в определенном диапазоне скорости прецессии, которая должна обеспечивать динамо-эффект при магнитном числе Рейнольдса 430», — говорит физик.

Не решено: роль прецессии в геодинамо

Центр Земли состоит из твердого ядра, окруженного слоем расплавленного железа. «Расплавленный металл индуцирует электрический ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле», — объясняет Гизеке. Распространено мнение, что за это геодинамо отвечает конвекция, вызванная плавучестью, вместе с вращением Земли. Однако роль прецессии в формировании магнитного поля Земли до сих пор совершенно неясна.

Ось вращения Земли наклонена на 23,5 градуса относительно плоскости ее орбиты. Ось вращения меняет положение в течение примерно 26 000 лет. Это прецессирующее движение в пространстве считается одним из возможных источников энергии для геодинамо. Миллионы лет назад у Луны также было мощное магнитное поле, о чем свидетельствуют образцы горных пород, полученные в ходе миссий «Аполлон». По мнению экспертов, основной причиной этого могла быть прецессия.

Ожидается, что эксперименты с жидким натрием в HZDR начнутся в 2020 году. В отличие от предыдущих лабораторных экспериментов с геодинамо, внутри стального барабана не будет пропеллера, который использовался в первом успешном эксперименте с динамо в Риге, Латвия, в 1999, в котором принимали активное участие ученые HZDR. Этот и другие эксперименты в Карлсруэ, Германия, и Кадараше, Франция, стали новаторскими исследованиями для лучшего понимания геодинамо.

«В принципе, мы можем определить три разных параметра для экспериментов в DRESDYN: вращение, прецессию и угол между двумя осями», — говорит Гизеке. С одной стороны, он и его коллеги рассчитывают получить ответы на фундаментальный вопрос: действительно ли прецессия создает магнитное поле в проводящей жидкости. С другой стороны, их интересует, какие компоненты потока ответственны за создание магнитного поля и в какой точке происходит насыщение.

Двойная роль в Контейнере

«В ходе моделирования мы обнаружили, что стационарные волны инерции возникают в широком диапазоне параметров. Однако в определенном диапазоне мы заметили характерную структуру двойной роли, которая оказалась чрезвычайно эффективной. для динамо-эффекта. В принципе, мы уже знаем о такой структуре скорости благодаря французскому динамо-эксперименту, в котором она была искусственно создана двумя пропеллерами, тогда как в нашем эксперименте по прецессии она должна возникнуть естественным образом».

Исследователи HZDR использовали специальную ультразвуковую технологию для измерения структуры потока. «Мы были очень удивлены тем, насколько хорошо данные эксперимента соответствуют результатам моделирования. Поэтому у нас есть чрезвычайно надежный прогноз для основного эксперимента DRESDYN. Например, мы знаем, при каких скоростях вращения возникает динамо-эффект и какое магнитное поле структур, которые мы можем ожидать», — говорит Гизеке.

Научное сообщество, связанное с динамо-машинами, с нетерпением ожидает результатов запланированного эксперимента, который во многих отношениях будет работать на пределе технических возможностей. «Мы также ожидаем подробного понимания общей динамики потоков жидкого металла под воздействием магнитных полей. Это позволит нам сделать выводы о потоках в промышленном секторе», — сказал Гизеке.

И последнее, но не менее важное: магнитная проточная томография, разработанная в HZDR в рамках исследований динамо, представляет интерес для многих областей литья стали и выращивания кристаллов. Работа частично финансировалась Альянсом Гельмгольца «Технологии жидких металлов» (LIMTECH).

Геомагнитные бури | Центр прогнозирования космической погоды NOAA / NWS

Условия космической погоды

по шкале NOAA

Максимальные значения за 24 часа

R

нет данных

S

NO DATA

G

NO DATA

Последние наблюдаемые

R

NO DATA

S

NO

G

NO

40009	—
Р3-Р5	—

S1 или выше	—

G

нет данных

R1-R2	—
Р3-Р5	—

S1 или выше	—

G

нет данных

R1-R2	—
Р3-Р5	—

S1 или выше	—

G

нет данных

R

нет данных

S

нет данных

G

нет данных

Текущие условия космической погоды

по шкале NOAA

Геомагнитные бури

Геомагнитная буря — это серьезное возмущение магнитосферы Земли, возникающее при очень эффективном обмене энергией солнечного ветра с окружающей Землей космической средой. Эти бури являются результатом изменений солнечного ветра, которые вызывают серьезные изменения в токах, плазме и полях в магнитосфере Земли. Условиями солнечного ветра, которые эффективны для создания геомагнитных бурь, являются устойчивые (от нескольких до многих часов) периоды высокоскоростного солнечного ветра и, что наиболее важно, направленное на юг магнитное поле солнечного ветра (противоположное направлению поля Земли) на дневной стороне. магнитосферы. Это условие эффективно для передачи энергии солнечного ветра в магнитосферу Земли.

Крупнейшие бури, возникающие в результате этих условий, связаны с выбросами солнечной корональной массы (CME), когда около миллиарда тонн солнечной плазмы со встроенным магнитным полем достигает Земли. CME обычно достигают Земли за несколько дней, но было замечено, что некоторые из самых сильных штормов достигают Земли всего за 18 часов. Еще одним возмущением солнечного ветра, создающим благоприятные условия для геомагнитных бурь, является высокоскоростной поток солнечного ветра (ВСВ). HSS врезаются в более медленный солнечный ветер впереди и создают совместно вращающиеся области взаимодействия или CIR. Эти регионы часто связаны с геомагнитными бурями, которые, хотя и менее интенсивны, чем бури CME, часто могут выделять больше энергии в магнитосфере Земли в течение более длительного интервала.

Штормы также приводят к интенсивным течениям в магнитосфере, изменениям в радиационных поясах и изменениям в ионосфере, включая нагрев ионосферы и верхних слоев атмосферы, называемых термосферой. В космосе кольцо направленного на запад тока вокруг Земли создает магнитные возмущения на земле. Мера этого тока, индекс времени бури возмущений (Dst), исторически использовалась для характеристики размера геомагнитной бури. Кроме того, в магнитосфере возникают токи, которые следуют за магнитным полем, называемые направленными по полю токами, и они связаны с интенсивными токами в авроральной ионосфере. Эти авроральные токи, называемые авроральными электроджетами, также вызывают сильные магнитные возмущения. Вместе все эти токи и магнитные отклонения, которые они вызывают на земле, используются для создания планетарного индекса геомагнитных возмущений, называемого Kp. Этот индекс является основой для одной из трех шкал космической погоды NOAA, геомагнитной бури или G-шкалы, которая используется для описания космической погоды, которая может нарушить работу систем на Земле.

Во время штормов течения в ионосфере, а также энергичные частицы, выпадающие в ионосферу, добавляют энергию в виде тепла, что может увеличить плотность и распределение плотности в верхних слоях атмосферы, вызывая дополнительное сопротивление спутникам в нижних слоях атмосферы. -земная орбита. Локальный нагрев также создает сильные горизонтальные колебания плотности ионосферы, которые могут изменить путь радиосигналов и создать ошибки в информации о местоположении, предоставляемой GPS. В то время как бури создают красивое полярное сияние, они также могут нарушить работу навигационных систем, таких как Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS), и создать вредные геомагнитные индуцированные токи (GIC) в энергосистеме и трубопроводах.