Магнітне поле діє з деякою силою на будь-який провідник з струмом, що знаходиться в цьому полі.

Наявність цієї сили легко встановити на досліді. Схема установки зображена на Рис 4. а.

В цій установці провідник АВ підвищений на гнучких проводах, які під’єднані до джерела струму. Провідник АВ розміщений між полюсами підковоподібного магніту тобто знаходиться в магнітному полі. При замиканні електричного кола провідник починає рухатись (Рис 4. б.)

Якщо прибрати магніт, то провідник зі струмом рухатись не буде. Отже, з сторони магнітного поля на провідник з струмом діє сила яка відхиляє провідник від початкового положення.

Рис 4

Дослід показує, що при зміні направлення струму змінюється і направлення руху провідника, а значить і направлення діючої на нього сили.

Якщо в цьому досліді не змінювати направлення струму, а змінити місцями полюса магніту, тобто змінити направлення магнітного поля, то зміниться на протилежне направлення сили, що діє на провідник. Особливо важливе значення має обертання провідника з струмом в магнітному полі.

На Рис 5 зображений прибор на якому можна здійснити таке обертання.

 Рис 5

В цьому приборі ABCD – легка прямокутна рамка що знаходиться на вертикальній вісі. На рамку намотана обмотка, що складається з декількох десятків витків проволоки, що покрита ізоляцією. Кінці обмотки приєднані до металевих кілець “к” . Один кінець обмотки приєднаний до одного кільця, другий до другого. Кільця знаходяться на тій же вісі, що й рамка з обмоткою. Обмотку рамки вмикають в коло джерела струму за допомогою кілець і металевих пластинок – щіток “щ”.  Рамка встановлюється в магнітному полі, між магнітними лінями магнітного поля магнітів.

Площина ABCD розміщена паралельно магнітними лініям магнітного поля магнітів. При замиканні кола рамка встановлюється так що площина її обмотки знаходиться перпендикулярно магнітним лініям. Таке положення рамки називається рівновагою (на Рис 5 показано пунктиром).

При зміні направлення струму в обмотці, рамка повертається на 180° і по інерції проходить трохи дальше положення рівноваги. Щоб рамка ще раз повернулась на 180°  потрібно змінити направлення струму. Якщо змінювати напрям стуму в потрібні моменти, то рамка буде обертатись постійно.

Для автоматичного змінювання напрямку струму існує спеціальний прилад, що називається колектор. Простий колектор складається з двох ізольованих півкілець, що знаходяться на тій же вісі, що й рамка, значить обертається разом з рамкою. Кінці обмотки рамки приєднані до півкілець. Обмотку вмикають в електричне коло за допомогою щіток.

Рамка з таким колектором зображена на Рис 6

Рис 6.

Коли кільце F доторкається до щітки 2 струм в обмотці рамки направлений від D до C як показано (Рис 6. а.) Рамка при цьому повертається на 180°. Після цього повороту рамки до щітки 2 підходить півкільце Е. Тепер струм в обмотці направлений від А до В (Рис 6. б.) тобто направлення струму змінилось на протилежне. Внаслідок цього рамка робить новий поворот на 180°  і т.д. Виходить безперервне обертання рамки.

Tweet

Поділитись

Що таке магнітне поле | Що таке магнетизм

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Известно, что магниты, обращенные друг к другу одно­имёнными полюсами (например, северными), отталки­ваются, а разноимёнными — притягиваются. Кусочек же­леза, находящийся вблизи магнита, притягивается к нему. При этом он «намагничивается», то-есть сам становится как бы магнитиком. Сила притяжения или отталкивания будет различна в зависимости от того, в каком месте и на каком расстоянии от магнита находится другой магнит или кусочек железа. Обычно говорят, что магнит создаёт вокруг себя магнитное силовое поле или просто магнитное поле. Другими словами, в пространстве вокруг магнита действуют магнитные силы. Величина магнитного поля в каком-либо месте пространства поблизости от магнита определяется силой, с которой магнитик или кусочек же­леза, помещённый в это место, притягивается к магниту. Чем больше сила притяжения, тем больше поле. Эту силу можно измерить, например, с помощью обыкновенных ве­сов: к одной из чашек весов прикрепляется маленький кусочек железа, а на другую кладутся гирьки, уравнове­шивающие силу притяжения кусочка железа к магниту. В существовании магнитного поля можно убедиться на таком наглядном опыте. Если поместить в вертикальную стеклянную трубку два прямых магнитика — одноимён­ными полюсами навстречу (рис. 1),— то верхний магнитик, отталкиваясь от нижнего магнитика, будет «парить» над ним. Пытаясь сблизить магнитики, мы заметим, что между ними есть что-то пружинящее. Из этого опыта ясно, что между магнитиками в трубке, кроме воздуха, находится ещё какая-то материя. Эта особого рода материя и назы­вается магнитным полем.

Между одноименными полюсами магнитиков существуют силы отталкивания

Магнитное поле очень наглядно можно представить, рисуя вокруг магнита так называемые магнитные силовые линии, т. е. линии, вдоль которых действуют притя­гивающие или отталкивающие силы. На рис. 2 показано распределение силовых линий вокруг прямого и под­ковообразного магнитов; силовые линии выходят из северного конца и входят в южный. Магнитные стрелки, внесён­ные в это поле, будут располагаться вдоль силовых линий.

Магнитные силовые линии вокруг прямого и подковообразного магнитов. Вдоль этих линий располагаются магнитные стрелки

В начале XIX столетия датским учёным Эрстедом (1777—1857) было сделано очень важное открытие, кото­рое во многом изменило и расширило учение о магнетизме. Эрстед заметил, что магнитная стрелка вблизи провод­ника с постоянным электрическим током также отклоняется. Это означает, что электрический ток создаёт вокруг себя магнитное поле (рис. 3). Опыты показа­ли, что вокруг проводника, свёрнутого в спираль (такой проводник назы­вается намагничивающей катушкой), образуется магнитное поле, очень похожее на магнитное силовое поле магнита (рис. 4). Если ток выключить, то магнитное поле пропадёт, включить снова — оно опять появится. Там, где протекает электрический ток, всегда есть и магнитное поле.

Вблизи проводника с электричеством стрелка отклоняется; это оказывает, что электрический ток создает магнитное поле

Катушка, по которой течет ток, создает силовое поле, похожее на поле постоянного магнита

Так как катушка (проводник, свёрнутый в спираль), по которой течёт ток, подобна магниту, то её можно исполь­зовать при изучении силового магнитного поля. Возьмём, для простоты, катушку, состоящую из одного витка про­волоки. Если такой виток, когда по нему течёт ток (мы будем называть этот ток круговым), подвесить в магнит­ном поле, то под действием магнитных сил плоскость витка повернётся, закручивая подводящие проводники (рис. 5). Измеряя силу закручивания, мы можем оценить величину магнитного поля. Нетрудно заметить, что равновесие витка устойчиво тогда, когда силовые линии перпендикулярны к его плоскости. Но мы знаем, что магнитная стрелка в поле магнита находится в состоянии устойчивого равнове­сия тогда, когда она расположена вдоль силовых линий. Значит, виток с током или круговой ток мы можем представить себе как очень короткий магнитик с южным и се­верным полюсами, расположенными на противоположных его плоскостях (этот магнитик на рис. 5 расположен ря­дом с витком).

Виток с круговым током в магнитном поле поворачивается так, чтобы магнитный момент совпал с направлением магнитного поля

Магнитное действие кругового тока в физике принято оценивать особой величиной, называемой магнитным моментом. Этот момент определяет величину и направление соответствующего «короткого магнитика». Чем больше электрический ток в витке и чем больше площадь витка, тем больше магнитный момент и соответствующий ему «магнитик». Обычно на рисунках магнитный момент изо­бражают в виде стрелки, перпендикулярной к плоскости кругового тока (см. рис. 5). Устойчивое положение витка с круговым током в магнитном поле будет, следовательно, тогда, когда магнитный момент — «магнитик» — направ­лен вдоль силовой линии.

В чём причина того, что магнитное поле возникает вся­кий раз, как начинает течь электрический ток? В настоя­щее время твёрдо установлено, что электрический ток есть не что иное, как движение электрических зарядов. Такими зарядами в металлических проводниках являются мель­чайшие частицы материи — электроны, а в жидкостях и газах — электрически заряженные частицы — ионы (Подробно об электрическом токе рассказывается в брошюре: Э. И. Адирович, Электрический ток. «Научно-популярная библио­тека» Гостехиздата, 1953 г. ). Возникает вопрос, не появляется ли магнитное поле в ре­зультате движения зарядов? Опыты показали, что это так. Магнитное поле вокруг покоящихся зарядов отсутствует, но обязательно возникает, как только заряды начинают двигаться.

Русский физик А. А. Эйхенвальд (1863—1944) проде­лал такой опыт. Он зарядил тело положительным электри­чеством (это можно сделать, например, поднося к телу натёртую суконкой стеклянную палочку) и поместил вблизи очень чувствительный компас. Пока тело было не­подвижно, магнитная стрелка компаса не испытывала от­клонения. Но как только учёный быстро передвигал заря­женное тело, то-есть заставлял заряды перемещаться в пространстве, тотчас же магнитная стрелка компаса от­клонялась на некоторый угол, что указывало на присутст­вие магнитного поля. Из этого опыта Эйхенвальд сделал вывод, что магнитное поле возникает всякий раз, когда движутся заряды, независимо от их величины и знака.

Знаменитый английский учёный М. Фарадей (1794— 1867) нашёл, что при известных условиях магнитное поле вызывает в катушке электрический ток, т. е. обнаружил явление, обратное описанному выше. Для возникновения такого тока необходимо, чтобы магнитное поле вблизи ка­тушки изменялось, и силовые линии этого поля пересекали её витки. Это происходит, например, тогда, когда мы вдви­гаем магнит в катушку или выдвигаем его (рис. 6, а). Возникающий при этом кратковременный ток Фарадей назвал индукционным (от латинского слова «индукция», что значит наведение). Индукционный ток возникает и в том случае, если вблизи такой катушки находится другая катушка, в которой течёт ток, и сила тока изменяется (на­пример, в момент замыкания или размыкания цепи, как показано на рис. 6, б).

В катушке возникает индукционный ток, если вблизи изменится магнитное поле

Русский академик Э. X. Ленд (1804—1865), подробно изучавший явление, открытое Фарадеем, показал, что индукционный ток даёт собственное магнитное поле, кото­рое направлено навстречу (см. стрелку на рис. 6, а) магнитному полю, вызвавшему индукционный ток. Пользуясь этой закономерностью, Ленц установил правило для опре­деления направления индукционных токов.

Позже английский физик Максвелл (1831—1879) на основе работ Эрстеда, Фарадея и других исследователей создал так называемую теорию электромагнитного поля. Из этой теории следует, что всякое изменение магнитного поля в каком-либо месте пространства сопровождается возникновением в этом же месте электрического поля, и, наоборот, изменение электрического поля вызывает магнитное поле. Следовательно, магнитное и электриче­ское поля в пространстве всегда взаимосвязаны. Такое сложное поле Максвелл назвал электромагнитным.

Теория Максвелла играет большую роль в науке и тех­нике. Радиоволны и свет есть не что иное, как распростра­няющиеся в пространстве электромагнитные поля.

• ← Вступ
• Джерела магнітного поля →

ESA Science & Technology — Background Science

Линии магнитного поля Земли

Все магнитные объекты производят невидимые силовые линии, которые проходят между полюсами объекта. Земля похожа на гигантский стержневой магнит с силовыми линиями магнитного поля, исходящими от юга к северному магнитному полюсу. Заряженные частицы захватываются этими силовыми линиями, образуя магнитосферу Земли.

Однако силовые линии магнитного поля Земли не симметричны относительно ее магнитной оси, в отличие от линий стержневого магнита. Воздействие непрерывного потока солнечных частиц (солнечного ветра) вызывает сжатие линий, обращенных к Солнцу. Линии поля, обращенные от Солнца, растягиваются и удлиняются, образуя хвост магнитосферы Земли. Магнитный пузырь в форме пули, образованный силовыми линиями магнитного поля Земли, называется магнитосферой Земли. Магнитосфера простирается в космический вакуум в среднем примерно на 60 000 километров в сторону Солнца и тянется более чем на 300 000 километров от Солнца в виде хвоста магнитосферы.

Районы околоземного пространства

В основном в пустом пространстве между планетами преобладает солнечный ветер — поток электрически заряженных частиц (в основном электронов и протонов), которые выбрасываются Солнцем со сверхзвуковой скоростью. К счастью, магнитное поле Земли достаточно сильное, чтобы защитить нашу планету от этой солнечной бури, обычно предотвращая ее попадание в атмосферу или на поверхность. Однако ряд узнаваемых слоев и границ можно наблюдать в околоземном пространстве, где встречаются солнечный ветер и магнитное поле Земли. Эти регионы будут детально изучены Cluster.

Первым признаком любого взаимодействия между солнечным ветром и магнитным полем Земли является ударная волна в космосе на Сторона Земли, обращенная к Солнцу. Этот носовой удар похож на звуковой удар, возникающий, когда сверхзвуковой самолет замедляется и преодолевает звуковой барьер. Головная ударная волна Земли создается, когда сверхзвуковой солнечный ветер внезапно замедляется по мере приближения к магнитному щиту планеты: магнитосфере.

Край магнитосферы известен как магнитопауза. Когда Солнце более активно, повышенное давление солнечного ветра сдавливает магнитосферу. В такие моменты магнитопауза смещается намного ближе к Земле, пока она не окажется всего в 35 000 километров над планетой вместо обычных 60 000 километров.

Однако в защите Земли есть два слабых места. Эти выступы возникают над северным и южным магнитными полюсами планеты. Частицы солнечного ветра, просачивающиеся в магнитосферу, по спирали спускаются к Земле вдоль силовых линий магнитного поля. Когда они ударяются об атомы в верхних слоях атмосферы, они вызывают мерцающие цветные полосы, известные как полярные сияния (северное и южное сияние).

Последнее обновление: 1 сентября 2019 г.

Непостоянное магнитное поле Земли | Управление научной миссии

Непостоянство Земли
Магнитное поле

Магнитное поле нашей планеты постоянно меняется, говорят исследователи, которые начинают понимать, как оно ведет себя и почему.

Прослушайте эту историю в потоковом аудио, в загружаемом файле или получите помощь.

29 декабря 2003 г.: Каждые несколько лет ученый Ларри Ньюитт из Геологической службы Канады отправляется на охоту. Он хватает свои перчатки, парку, модный компас, запрыгивает в самолет и летит над канадской Арктикой. Мало что движется среди разбросанных островов и морского льда, но добыча Ньюитта всегда рядом — всегда в движении, изменчивая, неуловимая.

Его добыча — северный магнитный полюс Земли.

На данный момент он расположен на севере Канады, примерно в 600 км от ближайшего города: Резолют-Бей, население 300 человек, где на популярной футболке написано «Резолют-Бэй — это не конец света, но вы можете увидеть его из здесь.» Ньюитт останавливается там за закусками и припасами — и убежищем, когда погода портится. «Что часто бывает, — говорит он.

Справа: Движение северного магнитного полюса Земли через канадскую Арктику, 18:31–2001. Предоставлено: Геологическая служба Канады. [подробнее]

Ученым давно известно, что магнитный полюс движется. Джеймс Росс впервые обнаружил полюс в 1831 году после изнурительного арктического путешествия, во время которого его корабль на четыре года застрял во льдах. Никто не вернулся до следующего века. В 1904 году Руаль Амундсен снова нашел полюс и обнаружил, что он сдвинулся — по крайней мере, на 50 км со времен Росса.

Полюс продолжал двигаться в течение 20-го века на север со средней скоростью 10 км в год, в последнее время ускорившись «до 40 км в год», — говорит Ньюитт. Такими темпами он покинет Северную Америку и достигнет Сибири через несколько десятилетий.

Отслеживание северного магнитного полюса — работа Ньюитта. «Обычно мы выезжаем и проверяем его местонахождение раз в несколько лет», — говорит он. «Нам придется совершить больше поездок, теперь, когда он движется так быстро».

Магнитное поле Земли меняется и другими способами: стрелки компаса в Африке, например, смещаются примерно на 1 градус за десятилетие. А глобально магнитное поле ослабло на 10% с 19 века. Когда об этом упомянули исследователи на недавнем собрании Американского геофизического союза, многие газеты опубликовали эту историю. Типичный заголовок: «Магнитное поле Земли разрушается?»

Вероятно, нет. Как бы замечательно ни звучали эти изменения, «они незначительны по сравнению с тем, что магнитное поле Земли делало в прошлом», — говорит профессор Калифорнийского университета Гэри Глатцмайер.

Иногда поле полностью переворачивается. Северный и южный полюса меняются местами. Такие инверсии, зафиксированные в магнетизме древних горных пород, непредсказуемы. Они приходят через неравные промежутки времени, в среднем около 300 000 лет; последний был 780 000 лет назад. Мы просрочили для другого? Никто не знает.

Слева: Магнитные полосы вокруг срединно-океанических хребтов раскрывают историю магнитного поля Земли на протяжении миллионов лет. Изучение прошлого магнетизма Земли называется палеомагнетизмом. Изображение предоставлено: USGS. [подробнее]

Согласно Глатцмайеру, продолжающееся падение на 10% не означает, что разворот неизбежен. «Поле все время увеличивается или уменьшается», — говорит он. «Мы знаем это из изучения палеомагнитной записи». Современное магнитное поле Земли на самом деле намного сильнее обычного. Дипольный момент, мера напряженности магнитного поля, теперь равен 8 × 10 ²² ампер × м ² . Это в два раза больше, чем в среднем за миллион лет 4×10 ²² ампер × м ² .

Чтобы понять, что происходит, говорит Глатцмайер, нам нужно отправиться… в центр Земли, где создается магнитное поле.

В центре нашей планеты лежит твердый железный шар, горячий, как поверхность Солнца. Исследователи называют это «внутренним ядром». Это действительно мир внутри мира. Внутреннее ядро ​​на 70% шире Луны. Он вращается со своей собственной скоростью, на 0,2° долготы в год быстрее, чем Земля над ним, и у него есть собственный океан: очень глубокий слой жидкого железа, известный как «внешнее ядро».

Справа: схематическая диаграмма недр Земли. Внешнее ядро ​​является источником геомагнитного поля.

Магнитное поле Земли создается океаном железа, который представляет собой электропроводящую жидкость, находящуюся в постоянном движении. Сидя на горячем внутреннем ядре, жидкое внешнее ядро ​​бурлит и бурлит, как вода в кастрюле на раскаленной плите. Во внешнем ядре также есть «ураганы» — водовороты, питаемые силами Кориолиса вращения Земли.

Используя уравнения магнитогидродинамики, раздела физики, изучающего проводящие жидкости и магнитные поля, Глатцмайер и его коллега Пол Робертс создали суперкомпьютерную модель недр Земли. Их программное обеспечение нагревает внутреннее ядро, перемешивает металлический океан над ним, а затем рассчитывает результирующее магнитное поле. Они запускают свой код сотни тысяч смоделированных лет и смотрят, что происходит.

То, что они видят, имитирует реальную Землю: магнитное поле возрастает и ослабевает, полюса дрейфуют и иногда переворачиваются. Изменения — это нормально, они усвоили. И неудивительно. Источник поля, внешнее ядро, само бурлит, бурлит, бурлит. «Там внизу царит хаос, — отмечает Глатцмайер. Изменения, которые мы обнаруживаем на поверхности нашей планеты, являются признаком этого внутреннего хаоса.

Они также узнали, что происходит во время магнитного переворота. Для завершения инверсии требуется несколько тысяч лет, и за это время, вопреки распространенному мнению, магнитное поле не исчезает. «Все становится сложнее, — говорит Глатцмайер. Магнитные силовые линии у поверхности Земли закручиваются и запутываются, а магнитные полюса появляются в непривычных местах. Например, над Африкой может появиться южный магнитный полюс, а над Таити — северный полюс. Странный. Но это по-прежнему планетарное магнитное поле, и оно по-прежнему защищает нас от космической радиации и солнечных бурь.

Вверху: Суперкомпьютерные модели магнитного поля Земли. Слева — нормальное диполярное магнитное поле, типичное для долгих лет между сменами полярности. Справа — своего рода сложное магнитное поле Земли во время инверсии. [подробнее]

И, в качестве бонуса, Таити может быть отличным местом, чтобы увидеть северное сияние. В такое время работа Ларри Ньюитта была бы другой. Вместо того, чтобы дрожать в Решительной бухте, он мог наслаждаться теплой южной частью Тихого океана, прыгая с острова на остров, охотясь за магнитными полюсами, пока над головой пляшут северные сияния.