Откуда берётся магнитное поле и чем обусловлено его существование? / Справочник :: Бингоскул
Откуда берётся магнитное поле и чем обусловлено его существование?добавить в закладки удалить из закладок
Содержание:
Магнитное поле образуется вокруг проводников, через которые проходит электрический ток и возле материалов с магнитным моментом: естественных или искусственных. Является составляющей электромагнитного поля. Изначально предполагалось, что поле генерируют магнитные заряды, однако причина его существования кроется в ином. Рассмотрим, чем порождается магнитное поле, условия его появления.
Пространство вокруг постоянного магнита или проводника с электрическим током находится в состоянии, которое называют магнитным полем, оказывающим влияние на окружающую материю. Проявляется в прикладывании механической силы, изменении проводимости и даже габаритов. В последнем случае наблюдается явление магнитострикции – изменение размеров тела вследствие изменения его намагниченности.
Например, жужжание трансформаторов порождается деформацией их сердечников.
Явление начали изучать в 1820 году. Французский физик Ампер заметил притягивание и отталкивание расположенных параллельно проводников, по которым протекают разно и одинаково направленные токи соответственно. Его датский коллега Эрстед установил изменение направления стрелки компаса, расположенной возле проводника с током.
Кроме проводников магнитные свойства проявляют естественные материалы, входящие в состав ряда руд – притягивают к себе крохотные предметы с большим содержанием железа – опилки, стружку, мелкие гвозди. Подвешенная на нитку пластина или брусок из такого материала ориентируется по направлению север-юг.
После удаления источника магнитного поля от железного предмета его магнитные свойства резко ослабевают, но часть намагниченности остаётся – железо превращается в слабый естественный магнит. Почему? По какой причине сталь притягивается магнитом, а алюминий – нет?
Перемещающиеся заряды образуют так называемый тоннель вокруг себя, слабеющий при отдалении от источника.
Этот тоннель напоминает по форме тор, он наблюдается, если проводник свернуть в бублик.
У перемещающегося заряда он направляется вдоль оси вращения. Представлено вихревой деформацией пространства, поэтому всегда имеет два полюса, даже если образовывается вокруг единой частицы.
Чем же обусловлено существование магнитного поля? Почему одни материалы (железо) магнитятся хорошо, а другие (алюминий) – нет. Причина – расположение магнитных доменов в веществе. Домен – группа атомов с однородной однонаправленной намагниченностью. У железа эти домены под действием магнитных сил поворачиваются в одну сторону (б), на алюминий они не оказывают влияния (а).
В зависимости от свойств материалы в природе разделяют на:
- Ферромагнетики – обладают магнитными свойствами вне поля.
- Парамагнетики – магнитятся в направлении поля.
- Диамагнетики – магнитятся против направления поля.
- Антиферромагнетики – вещества с равными противоположно направленными магнитными моментами.
- Ферримагнетики – антиферромагнетики с разными по величине магнитными моментами.
Сверхпроводники и плазма взаимодействуют с рассматриваемой субстанцией особым образом.
Поделитесь в социальных сетях:
31 октября 2021, 16:06
Физика
Could not load xLike class!
Магнитное поле Земли . Полный справочник пчеловода
Магнитное поле Земли существует потому, что внутренние структуры земного шара обладают магнитными свойствами. Можно сказать, что Земля представляет собой огромный магнит, у которого есть Северный и Южный магнитные полюсы. Внешними причинами, которые обусловливают существование магнитного поля Земли, являются природные системы электрических токов в ионосфере.
Магнитное поле Земли складывается из двух различных по происхождению компонентов: постоянного поля, существование которого обусловлено магнетизмом самого земного шара, и переменного поля, порождаемого электрическими токами, протекающими в верхних проводящих слоях атмосферы (ионосферы) и за ее пределами.
Переменное магнитное поле Земли характеризуется спокойными и возмущенными вариациями (изменениями) магнитного поля. Основные составляющие спокойных вариаций: солнечно-суточные вариации и лунно-суточные вариации.
Солнечно-суточные вариации синхронизированы с местным временем и зависят от магнитной активности Солнца в данный день. Амплитуда и фаза этих вариаций изменяются в течение суток и на протяжении года. В течение суток происходят небольшие изменения магнитного поля, которые связаны с токами в ионосфере, величина же этих токов, в свою очередь, зависит от суточных колебаний ультрафиолетового излучения Солнца. На протяжении года максимальные значения амплитуды этих вариаций отмечаются в период летнего солнцестояния (22 июня), а минимальные — в период зимнего солнцестояния (22 декабря). Эти изменения магнитного поля зависят также от географической широты. Поскольку солнечно-суточные вариации магнитного поля Земли на протяжении года носят циклический характер, то можно предположить, что пусковым механизмом, вызывающим начало яйцекладки матки в конце зимы и прекращение яйцекладки в начале осени, является достижение определенного значения величины амплитуды переменной составляющей магнитного поля Земли в годичном цикле ее изменения.
В литературе прошлых лет, да и в наше время, можно встретить утверждения о том, что при строительстве сотов в дуплах, пещерах пчелы ориентируют их с учетом магнитного поля Земли. Чаще всего при этом сообщается, что соты ориентируются в направлении север — юг. Есть утверждения также и о том, что пчелы роя как бы переносят в новое гнездо ту ориентацию сотов, которая была в материнском гнезде (направление сотов в этих гнездах совпадает), и для этого используют магнитную ориентацию. Однако дальнейшие исследования показали, что направление и величина магнитного поля Земли не влияют ни на строительную деятельность пчел, ни на развитие рабочих особей семьи, ни на поведение пчел в гнезде.
Другое дело, когда пчела передвигается в пространстве, — она не может не испытывать на себе действия магнитного поля Земли. Это связано с тем, что тело пчелы обладает свойствами четко выраженного магнитного диполя, ось которого совпадает с продольной осью ее тела. При передвижении в магнитном поле Земли пчела (своеобразный магнитик), в соответствии с законом электромагнитной индукции, будет испытывать на своем теле силы взаимодействия с этим полем (своеобразный «магнитный ветер»). Причем величина и направление этих сил взаимодействия будут зависеть от угла, под которым пчела пересекает магнитное поле Земли, и скорости полета пчелы.
Многие из нас полагают, что время начала вылета пчел утром и окончания лета пчел вечером привязаны только к восходу и заходу Солнца. Однако это не совсем так. Оказывается, что такое поведение пчел связано также и с суточными изменениями магнитного поля Земли и пчелы очень хорошо чувствуют этот 24-часовый ритм.
Было также установлено, что при указании направления на источник медосбора пчелы-танцовщицы допускают «ошибку», которая зависит от ориентации сотов в пространстве относительно магнитного поля Земли и времени дня.
Vital Signs of the Planet
Магнитосфера Земли, как она выглядела бы, если бы у нас были «очки магнитного поля». Форма создается взаимодействием солнечного ветра с собственным магнитным полем Земли. Предоставлено: Калифорнийский университет Риджентс
Алан Буис,
Лаборатория реактивного движения НАСА
Среди четырех скалистых планет в нашей Солнечной системе можно сказать, что «магнитная» индивидуальность Земли вызывает зависть у ее межпланетных соседей.
В отличие от Меркурия, Венеры и Марса, Земля окружена огромным магнитным полем, называемым магнитосферой.
Созданная мощными динамическими силами в центре нашего мира, наша магнитосфера защищает нас от эрозии нашей атмосферы солнечным ветром (заряженные частицы, которые наше Солнце постоянно извергает в нас), эрозии и излучения частиц от выбросов корональной массы (массивные облака энергетических намагниченная солнечная плазма и излучение), а также космические лучи из дальнего космоса. Наша магнитосфера играет роль привратника, отталкивая эту нежелательную энергию, вредную для жизни на Земле, удерживая большую ее часть на безопасном расстоянии от поверхности Земли в двойных зонах в форме пончиков, называемых поясами Ван Аллена.
Но магнитосфера Земли не является идеальной защитой. Изменения солнечного ветра могут нарушить его, что приведет к «космической погоде» — геомагнитным бурям, которые могут проникать в нашу атмосферу, угрожая космическим кораблям и астронавтам, нарушая работу навигационных систем и нанося ущерб энергосистемам. С положительной стороны, эти бури также производят эффектное северное сияние на Земле.
Поскольку силы, генерирующие магнитное поле Земли, постоянно меняются, само поле также находится в постоянном движении, его сила то растет, то ослабевает со временем. Это приводит к тому, что положение северного и южного магнитных полюсов Земли постепенно смещается и полностью меняется примерно каждые 300 000 лет или около того.
Предоставлено: Европейское космическое агентство/Технический университет Дании (ESA/DTU Space).Чтобы понять силы, управляющие магнитным полем Земли, нужно сначала отделить четыре основных слоя земной «луковицы» (твердой Земли):
- Кора, в которой мы живем, составляет около 19 миль (31 километров) в среднем на суше и около 3 миль (5 километров) на дне океана.
- Мантия, горячая вязкая смесь расплавленной породы толщиной около 1800 миль (2900 километров).
- Внешнее ядро толщиной около 1400 миль (2250 километров), состоящее из расплавленного железа и никеля.
- Внутреннее ядро, твердая сфера толщиной примерно 759 миль (1221 км) из железа и никеля, примерно такая же горячая, как поверхность Солнца.
Почти все геомагнитное поле Земли создается в жидком внешнем ядре. Подобно кипящей воде в печи, конвективные силы (которые перемещают тепло из одного места в другое, обычно через воздух или воду) постоянно взбивают расплавленные металлы, которые также закручиваются водоворотами, движимыми вращением Земли.
Когда эта вращающаяся масса металла движется вокруг, она генерирует электрические токи шириной в сотни миль, которые текут со скоростью тысячи миль в час по мере вращения Земли. Этот механизм, отвечающий за поддержание магнитного поля Земли, известен как геодинамо.
На поверхности Земли магнитное поле образует два полюса (диполь). Северный и южный магнитные полюса имеют противоположные положительные и отрицательные полярности, как стержневой магнит. Невидимые линии магнитного поля движутся по замкнутой непрерывной петле, втекая в Землю на северном магнитном полюсе и выходя на южном магнитном полюсе. Солнечный ветер сжимает форму поля на стороне Земли, обращенной к Солнцу, и вытягивает его в длинный хвост на стороне, обращенной к ночи.
Изучение прошлого магнетизма Земли называется палеомагнетизмом. Прямые наблюдения магнитного поля ведутся всего несколько столетий назад, поэтому ученые полагаются на косвенные доказательства. Магнитные минералы в древних ненарушенных вулканических и осадочных породах, озерных и морских отложениях, потоках лавы и археологических артефактах могут выявить силу и направления магнитного поля, когда произошла инверсия магнитных полюсов и многое другое. Изучая глобальные свидетельства и данные со спутников и геомагнитных обсерваторий, а также анализируя эволюцию магнитного поля с помощью компьютерных моделей, ученые могут построить историю того, как поле менялось в течение геологического времени.
Простая визуализация магнитосферы Земли во время равноденствия.
Авторы и права: Студия научной визуализации НАСА. Земля окружена системой магнитных полей, называемой магнитосферой. Магнитосфера защищает нашу родную планету от вредного солнечного и космического излучения, но она может менять форму в ответ на поступающую от Солнца космическую погоду. Предоставлено: Студия научной визуализации НАСА.срединно-океанических хребтов Земли, где формируются тектонические плиты, предоставляют палеомагнетикам данные примерно на 160 миллионов лет назад. Поскольку лава постоянно извергается из хребтов, она растекается и остывает, а содержащиеся в ней богатые железом минералы выравниваются с геомагнитным полем, указывая на север. Как только лава остывает примерно до 1300 градусов по Фаренгейту (700 градусов по Цельсию), сила и направление магнитного поля в это время «вмораживаются» в скалу. Эта запись магнитного поля может быть обнаружена путем отбора проб и радиометрического датирования породы.
Исследования магнитного поля Земли раскрыли большую часть ее истории.
Например, мы знаем, что за последние 200 лет магнитное поле ослабло примерно на 9 процентов в среднем по миру. Тем не менее, палеомагнитные исследования показывают, что это поле на самом деле является самым сильным за последние 100 000 лет и в два раза превышает его среднее значение за миллион лет.
Мы также знаем, что в магнитосфере есть известное «слабое место», которое присутствует круглый год. Расположенная над Южной Америкой и южной частью Атлантического океана, Южно-Атлантическая аномалия (ЮАА) представляет собой область, где солнечный ветер проникает ближе к поверхности Земли. Он создается комбинированным влиянием геодинамо и наклона магнитной оси Земли. Хотя заряженные солнечные частицы и частицы космических лучей внутри САА могут поджарить электронику космического корабля, они не влияют на жизнь на поверхности Земли.
Мы знаем, что положение магнитных полюсов Земли постоянно меняется. С тех пор, как в 1831 году он был впервые точно обнаружен офицером британского Королевского флота и полярным исследователем сэром Джеймсом Кларком Россом, положение северного магнитного полюса постепенно сместилось на северо-северо-запад более чем на 600 миль (1100 километров), а его поступательная скорость увеличилась с примерно от 10 миль (16 километров) в год до примерно 34 миль (55 километров) в год.
Магнитное поле Земли действует как защитный щит вокруг планеты, отталкивая и улавливая заряженные частицы от Солнца. Но над Южной Америкой и южной частью Атлантического океана необычно слабое место в поле, называемое Южно-Атлантической аномалией, или ЮАА, позволяет этим частицам опускаться ближе к поверхности, чем обычно.
В настоящее время SAA не оказывает видимого влияния на повседневную жизнь на поверхности. Однако недавние наблюдения и прогнозы показывают, что регион расширяется на запад и его интенсивность продолжает ослабевать. Южноатлантическая аномалия также представляет интерес для ученых НАСА, занимающихся изучением Земли, которые следят за изменениями магнитной силы там, как с точки зрения того, как такие изменения влияют на атмосферу Земли, так и как показатель того, что происходит с магнитными полями Земли глубоко внутри земного шара. Предоставлено: Студия научной визуализации НАСА. Магнитные полюса Земли не совпадают с ее геодезическими полюсами, с которыми большинство людей более знакомы. Расположение геодезических полюсов Земли определяется осью вращения, вокруг которой вращается наша планета. Эта ось не вращается равномерно, как глобус на вашем столе. Вместо этого он слегка качается. Это приводит к тому, что положение истинного северного полюса со временем немного смещается. Этому блужданию способствуют многочисленные процессы на поверхности Земли и в ее недрах, но в первую очередь это связано с движением воды вокруг Земли.
С тех пор, как начались наблюдения, положение оси вращения Земли сместилось в сторону Северной Америки примерно на 37 футов (12 метров), но не более чем на 7 дюймов (17 сантиметров) в год. Эти колебания не влияют на нашу повседневную жизнь, но их необходимо учитывать для получения точных результатов от глобальных навигационных спутниковых систем, спутников наблюдения Земли и наземных обсерваторий. Колебания могут рассказать ученым о прошлых климатических условиях, но они являются следствием изменений в континентальных запасах воды и ледяных щитов с течением времени, а не их причиной.
Кредит: NOAA/NCEIБезусловно, самые драматические изменения, влияющие на магнитосферу Земли, — это инверсия полюсов. Во время инверсии полюсов северный и южный магнитные полюса Земли меняются местами. Хотя это может показаться чем-то большим, на самом деле смена полюсов в геологической истории Земли — обычное дело. Палеомагнитные записи, в том числе те, которые показывают изменения напряженности магнитного поля, говорят нам, что магнитные полюса Земли менялись местами 183 раза за последние 83 миллиона лет и по крайней мере несколько сотен раз за последние 160 миллионов лет. Временные интервалы между обращениями сильно колебались, но в среднем составляют около 300 000 лет, причем последнее произошло около 780 000 лет назад. Ученые не знают, что влияет на частоту инверсий полюсов, но это может быть связано с конвекционными процессами в мантии Земли.
Положения Северного магнитного полюса Земли. Показанные полюса представляют собой наклонные полюса, определяемые как положения, в которых направление магнитного поля является вертикальным.
Красными кружками отмечены положения магнитного северного полюса, определенные прямым наблюдением; синими кружками отмечены позиции, смоделированные с использованием модели GUFM (1590–1890 гг.) и модели IGRF-12 (1900–2020 гг.) с шагом в один год. Для 1890–1900 годов была выполнена гладкая интерполяция между двумя моделями. Смоделированные местоположения после 2015 года являются прогнозами. Предоставлено: Cavit, CC BY 4.0, через Викисклад.При смене полюса магнитное поле ослабевает, но не исчезает полностью. Магнитосфера вместе с земной атмосферой по-прежнему продолжают защищать нашу планету от космических лучей и заряженных солнечных частиц, хотя небольшое количество твердых частиц может достигать поверхности Земли. Магнитное поле перемешивается, и на неожиданных широтах может появиться несколько магнитных полюсов.
Земля не всегда вращается вокруг оси, проходящей через ее полюса. Вместо этого он неравномерно колеблется с течением времени, дрейфуя в сторону Северной Америки на протяжении большей части 20-го века (зеленая стрелка).
Это направление резко изменилось из-за изменения массы воды на Земле. Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт. Примерно до 2000 года ось вращения Земли смещалась в сторону Канады (зеленая стрелка, левый глобус). Ученые Лаборатории реактивного движения рассчитали влияние изменений массы воды в разных регионах (в центре земного шара) на смещение направления дрейфа на восток и ускорение скорости (правый глобус). Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт. Взаимосвязь между массой континентальной воды и колебанием оси вращения Земли с востока на запад. Потери воды из Евразии соответствуют колебаниям на восток в общем направлении оси вращения (вверху), а притоки Евразии сдвигают ось вращения на запад (внизу). Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт. Никто точно не знает, когда может произойти следующая инверсия полюсов, но ученые знают, что это не произойдет за одну ночь.
Вместо этого они происходят в течение сотен или тысяч лет. У ученых нет оснований полагать, что переворот неизбежен.
Наконец, существуют «геомагнитные экскурсии»: кратковременные, но значительные изменения напряженности магнитного поля, длящиеся от нескольких столетий до нескольких десятков тысяч лет. Экскурсии происходят примерно в 10 раз чаще, чем инверсии полюсов. Экскурсия может переориентировать магнитные полюса Земли на целых 45 градусов по сравнению с их предыдущим положением и уменьшить силу поля до 20 процентов.
Экскурсионные мероприятия, как правило, носят региональный, а не глобальный характер. За последние 70 000 лет произошло три значительных экспансии: событие Норвежско-Гренландского моря около 64 500 лет назад, событие Лашампа между 42 000 и 41 000 лет назад и событие озера Моно около 34 500 лет назад.
НАБОР ВОПРОСОВ 12 ответов
НАБОР ВОПРОСОВ 12 ответов1 . Источник всего магнетизма
А. крохотные железяки.
B. крошечные домены выровненных атомов.
C. ферромагнитные материалы.
Д . движущийся электрический заряд.
е. ни один из них.
2 . Магнитные компасы, по-видимому, впервые были использованы в
году.А. Колумб.
Б. Греки.
C. Австралийские аборигены.
Д. Викинги.
E. голуби, потом китайцы.
3 . Движущиеся электрические заряды будут взаимодействовать с
А.
Б. магнитное поле.
С . Оба эти.
Д., ни один из них.
электрическое поле. Рассуждение : Движущиеся электрические заряды будут на него действует сила, обусловленная как электрическим, так и магнитным полями.
4 . Если постоянное магнитное поле действует на движущийся заряд с некоторой силой, т. сила направлена
А. против движения.
Б. по направлению движения.
С . под прямым углом к направлению движения.
5 . Для увеличения мощности можно использовать трансформатор
А. Напряжение переменного тока
B. мощность переменного тока
C. напряжение постоянного тока
D. мощность постоянного тока
Обоснование : Трансформаторы не могут изменить
напряжение источника постоянного тока (например, батареи). Они также не могут изменить власть.
6 . Железный стержень становится магнитным, когда
A. На одном конце накапливаются положительные ионы, а на другом – отрицательные.
B. его атомы выровнены, имея положительные заряды с одной стороны и отрицательные заряды с другой.
C. магнитные диполи направлены в одном направлении.
D. его электроны перестают двигаться и смотрят в том же направлении.
е. ни один из них.
Рассуждение : См. стр. 464 вашего текста.
7 . Одинаковые виды магнитных полюсов отталкиваются, в то время как разные виды магнитных столбы
А . привлекать.
Б. также оттолкнуть.
C. может притягивать или отталкивать.
8 . Несколько скрепок свисают с северного полюса магнита. индуцированный полюс в нижней части самой нижней скрепки —
А . Северный полюс.
Б. южный полюс.
C. северный или южный полюс — на самом деле никакой разницы.
9 . Железный гвоздь сильнее притягивается к
.А. северный полюс магнита.
B. южный полюс магнита.
C. северный или южный полюс — на самом деле никакой разницы.
10 . Вокруг каждого движущегося электрона находится
А. магнитное поле.
Б. электрическое поле.
C. оба эти.
Д., ни один из них.
11 . Магнетизм возникает из-за движения электронов, поскольку они
А. двигаться вокруг ядра.
Б. крутиться на своих осях.
C. оба эти.
Д., ни один из них.
12 . Магнитные домены обычно встречаются в
А. железо.
Б. медь.
С. серебро.
д., все это.
е.
ни один из них.Рассуждение : Медь и серебро НЕ магнитятся.
13 . Линии магнитного поля вокруг провода с током
А. проходят радиально от проволоки.
Б . обведите проволоку замкнутыми петлями.
C. оба из них.
Д. Ни то, ни другое.
Обоснование : См. стр. 465, рисунок 24.9.
14 . Сила, действующая на электрон, движущийся в магнитном поле, будет равна наибольшее, когда его направление равно
А. То же, что и направление магнитного поля.
B. прямо противоположно направлению магнитного поля.
C. перпендикулярно направлению магнитного поля.
D. под углом, отличным от 90 градусов, к направлению магнитного поля.
е. ни один из них.
15 . Интенсивность космических лучей, бомбардирующих поверхность Земли, самая большая в
А.
Б. средних широт.
С. экватор.
полюсов. Обоснование : Влетает больше частиц атмосфера вблизи полюсов.
16 . Если мы представим Землю как магнит, ее северный (искающий) полюс ближайший
А. район Гудзонова залива Канады.
Б. Австралия.
C. оба из них.
17 . Какой полюс стрелки компаса указывает на южный полюс магнита?
А . северный полюс
Б. южный полюс
C. оба эти
18 . Для работы неоновых вывесок требуется около 12 000 вольт. Если схема использует 120-вольтовый источник питания, отношение первичного к вторичному включает трансформатор должен быть
А . 1:100.
Б. 100:1.
C. ни один из них.
19 . Магнит А имеет вдвое большую напряженность магнитного поля, чем Магнит В, и при
на определенном расстоянии магнит B притягивается с силой 100 Н.
Величина силы
сила магнита А на магнит В равна
A. около 50 Н.
B . ровно 100 Н.
C. Требуется дополнительная информация.
Рассуждение : На основании 3-го закона Ньютона, они прикладывают равные и противоположные силы.
20 . Первичной обмоткой трансформатора является катушка, подключенная к
.А. нагрузка.
Б. Интернет.
С. ЛЭП.
Д., ни один из них.
21 . Трансформаторы используют переменный ток, поэтому потребуется
.А. Передача энергии от катушки к катушке.
B. напряжение для преобразования.
С . изменение магнитного поля для работы.
D. изменение входного тока.
E. напряженность магнитного поля.
22 . Если стержневой магнит разломить на две части, то каждая часть будет равна
.А.
