Создание направленного движения с использованием магнитоуправляемых материалов — НИР

Результаты этапа: 1. Экспериментально исследовано движение объектов из магнитоуправляемых материалов в вязкой немагнитной жидкости вблизи горизонтального дна сосуда в однородном вращающемся магнитном поле. Магнитное поле, вращающееся в вертикальной плоскости, создается при помощи двух пар катушек Гельмгольца. Объекты вращаются в том же направлении, что и поле, и движутся вдоль дна. В качестве объектов рассмотрены вытянутые тела из намагничивающегося эластомера различной формы и капли магнитной жидкости. Изготовлены образцы эллипсоидальных тел различной вытянутости на основе силикона с никелевыми микрочастицами. Получены зависимости средней скорости движения центра масс тела вдоль дна от частоты магнитного поля для тел разных размеров, различных амплитуд поля, различных окружающих жидкостей и различной гладкости дна. Во всех случаях получены немонотонные зависимости с одним максимумом: средняя скорость возрастает вместе с увеличением частоты, затем тело начинает вращаться неравномерно и скорость уменьшается. По достижении критического значения частоты тело перестает вращаться и останавливается. Диапазон частот, в котором движется центр масс твердого тела, и максимальная средняя скорость уменьшаются при уменьшении амплитуды поля и вытянутости тела, а также при увеличении вязкости окружающей жидкости. Тело достаточно тяжелое и не левитирует. При постоянном направлении вращения магнитного поля тело катится вдоль дна только в одном направлении, как при твердотельном качении. В отличии от тела капля при достаточной частоте поля левитирует около дна, не касаясь его, и может изменять свою форму. Построены зависимости высоты левитации капли над дном в зависимости от частоты приложенного поля. Обнаружено два различных случая движения капли МЖ вдоль дна. При некоторых параметрах магнитного поля капля имеет форму близкую к эллипсоиду вращения и катится вдоль дна, как твердое тело. Также обнаружены параметры магнитного поля, когда капля становится S-образной и движется вдоль дна в противоположном направлении. В экспериментах обнаружены значения амплитуды поля, при которых капля при достижении критической частоты разрывается на две капли меньшего объема. Зависимость средней скорости капли от частоты поля немонотонная при движении в обоих направлениях. Максимальное значение средней скорости капли слабо зависит от амплитуды поля, но значение частоты, при которой достигается максимум средней скорости убывает при увеличении амплитуды. 2. Теоретически и экспериментально исследуется левитация и движение магнита в малом объеме магнитной жидкости на твердой горизонтальной подложке. Форма магнитной жидкости вокруг магнита и высота левитации магнита исследована теоретически и экспериментально для различных объемов магнитной жидкости. При теоретическом исследовании магнитное поле моделируется при помощи пакета программ ANSYS. Написана программа нахождения формы свободной поверхности заданного малого объема магнитной жидкости около постоянного магнита на горизонтальной плоскости. Построена зависимость высоты левитации магнита от объема магнитной жидкости. Проведено сравнение экспериментов и теории. В случае, когда магнитная жидкость, в которую помещается магнит, имеет в начальный момент не симметричную форму, возникает горизонтальная сила, под действием которой магнит движется вдоль плоскости. Экспериментально исследовано движение магнита по тонкой узкой полосе магнитной жидкости. Экспериментально исследована скорость движения магнита в зависимости от толщины и длины слоя магнитной жидкости, а также от количества магнитной жидкости, находящейся на магните в начальный момент времени. Показано, что при увеличении объема магнитной жидкости в слое или на магните средняя скорость движения увеличивается. 3. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование поведения формы поверхности капли магнитной жидкости на цилиндрическом теле из хорошо намагничивающегося материала (концентратор магнитного поля), в окружающей немагнитной жидкости в циклически возрастающем и убывающем однородном приложенном магнитном поле. Разработана методика расчета формы контакта магнитной и немагнитной жидкости. Рассмотрен случай, когда над концентратором расположена горизонтальная пластина. Показано, что при некотором значении магнитного поля капля может перекрыть зазор между концентратором и плоскостью (образовывать перемычку). Построены теоретическая и экспериментальная зависимость минимального необходимого объема перемычки от приложенного магнитного поля. Обнаружено существование критических значений магнитного поля и объема. При полях меньше критического перемычка, заданного типа не образуется ни для каких объемов магнитной жидкости. При объеме меньшем критического перемычка не образуется ни при каких значениях магнитного поля. Теоретические и экспериментальные результаты хорошо согласуются. 4. Теоретически исследована капля тяжелой, несжимаемой, однородной, изотермической магнитной жидкости конечного объема на горизонтальной плоскости в магнитном поле вертикального линейного проводника в случае не смачивания. Магнитная жидкость окружена немагнитной жидкостью с той же плотностью. Изучено, как свободная поверхность меняет свою статическую форму при квазистатическом изменении тока в проводнике. Показана возможность гистерезиса формы жидкости при циклическом увеличении и уменьшении тока, а также скачкообразных изменений при определенных значениях тока.

Результаты этапа: В проекте проведены экспериментальные и теоретические исследования деформации и движения объемов магнитоуправляемых материалов в различных магнитных полях. Показана возможность создания направленного движения, при использовании объемов магнитоуправляемых материалов, в переменных внешних магнитных полях. Также показана возможность использования этих движений при создании новых типов устройств (насосов, дозаторов, клапанов, прерывателей). В качестве магнитоуправляемых материалов были использованы магнитные жидкости (МЖ) и намагничивающиеся эластомеры (НЭ). МЖ и НЭ – это среды, состоящие из частиц ферромагнетика нано- и микро- размеров, диспергированных в жидкости или упругом эластомере. Рассмотрены деформации, возникающие при использовании комбинации этих материалов (МЖ и НЭ). Представлены эксперименты по созданию различных движений на основе МЖ, содержащей твердый намагничивающийся шар, который может быть выполнен из НЭ. Разработана методика создания вытянутых тел из намагничивающихся эластомеров и экспериментальные методики измерения физических свойств намагничивающихся эластомеров. 1. Экспериментально исследован подъем переменного объема магнитной жидкости, содержащей неподвижный намагничивающийся шар, в цилиндрическом сосуде, в переменном вертикальном однородном магнитном поле. При этом намагничивающийся шар может быть выполнен из наманичивающегося эластомера. Объем магнитной жидкости в сосуде может изменятся за счет притока жидкости из большого сосуда с магнитной жидкостью в котором уровень не изменяется, и который расположен вне магнитного поля. Для этого исследования создана экспериментальная установка по созданию переменных однородных магнитных полей и новые гидродинамические ячейки. Уровень магнитной жидкости поднимается при увеличении магнитного поля. Над магнитной жидкостью помещаем немагнитную несмешивающуюся жидкость меньшей плотности. В возрастающем магнитном поле деформация поверхности магнитной жидкости приводит к подъему уровня немагнитной жидкости, что можно использовать для создания перекачивающего устройства. Показана возможность управления движением в переменных однородных магнитных полях. Теоретически исследована осесимметричная задача статики переменного объема магнитной жидкости и находящейся сверху немагнитной жидкости в вертикальном магнитном поле с учетом силы тяжести, поверхностного натяжения, нелинейной зависимости намагниченности магнитной жидкости от магнитного поля, гистерезиса угла смачивания МЖ стенки сосуда в переменном магнитном поле. Написана программа численного расчета нелинейного дифференциального уравнения второго порядка, полученного при решении задачи, с использованием методов Рунге-Кутта и пристрелки, с учетом заданного угла смачивания на стенке сосуда и заданного объема немагнитной жидкости. Построены зависимости высоты подъема жидкостей от приложенного магнитного поля. Получено хорошее согласование теоретических и экспериментальных результатов. На основе этого исследования может быть создан новый тип перекачивающего устройства. 2. Теоретически решены две осесимметричные задачи определения статической формы поверхности магнитной жидкости в неоднородных магнитных полях в случае гидроневесомости. Исследована левитация шара из намагничивающегося эластомера, частично погруженного в магнитную жидкость, в немагнитной жидкости той же плотности на горизонтальной плоскости в вертикальном однородном приложенном магнитном поле. Получено аналитическое выражение для поверхностной магнитной силы, действующей на шар в безындукционном приближении, когда поверхностным натяжением можно пренебречь, магнитная проницаемость магнитной жидкости постоянна. Найдены зависимости высоты левитации шара от объема магнитной жидкости и приложенного магнитного поля. Показано, что при увеличении (уменьшении) приложенного магнитного поля, шар будет подниматься (опускаться). Это движение может быть использовано для создания магнитожидкостной перемычки. Проведено моделирование магнитожидкостной перемычки между двумя коническими поверхностями и внешним цилиндром н оси которых проходит линейный проводник с током. Показано, что наличие конусов позволяет перемычке выдерживать перепад давления. Возможен следующий циклический процесс: при увеличении давления магнитожидкостная перемычка разрушается и открывает зазор; давление выравнивается и перемычка восстанавливается. Такие магнитожидкостные перемычки в неоднородных магнитных полях могут быть использованы при создании клапанов, дозаторов и прерывателей. 3. Разработана экспериментальная методика создания вытянутых образцов из намагничивающегося эластомера. При создании эластомеров использованы двухкомпонентный силикон, силиконовое масло и различные намагничивающиеся частицы микро и нано размеров. Предложена методика экспериментального определения вязкоупругих свойств полученных НЭ в однородном магнитном поле. В эксперименте цилиндрический образец из НЭ подвешивался вдоль оси катушек Гельмгольца. Свободный нижний конец тела скреплялся с центром стержня, который закручивался на начальный угол. Далее производилась видеосъемка затухающих колебаний стержня с последующей раскадровкой и построением графика затухания колебаний. Построена математическая модель, являющаяся обобщением модели Кельвина-Фойгта и учитывающая остаточные деформации, возникающие в НЭ при наличии приложенного однородного магнитного поля. Из сравнения теории и эксперимента определены коэффициенты упругости и вязкости в этой модели. Показано, что эти параметры могут зависить от величины приложенного магнитного поля. Экспериментально и теоретически исследована деформация тонкого цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера на силиконовой основе в приложенном неоднородном осесимметричном магнитном поле электромагнитной катушки. Теоретически и экспериментально обнаружена бистабильность деформации такого тела в некотором диапазоне токов в катушке.Явление удлинения тонкого цилиндрического тела из НЭ в неоднородном переменном магнитном поле может быть использован для создания прерывателя. 4. Экспериментально исследовано движение пружины и гантелевидного тела (два шара, соединенных упругой связью) из НЭ около горизонтального дна сосуда в переменном магнитном поле. Тела погружают в различные окружающие жидкости (воздух, вода, глицерин и их смести). В качестве переменного магнитного поля рассмотрено пульсирующее (включающееся и выключающееся) однородное магнитное поле направленное под острым углом к горизонтали. Длинная ось тела и направление магнитного поля лежат в одной вертикальной плоскости. При включении магнитного поля длинная ось тела стремится ориентироваться вдоль направления магнитного поля, при этом длина тела уменьшается (тело сжимается). При выключении магнитного поля тело падает (длинная ось становится горизонтально) и разжимается (возвращается к первоначальной длине). При этом центр тяжести тела смещается по горизонтали и вытянутое тело продвигается вдоль дна. Экспериментально измерялась скорость движения тела вдоль дна от частоты включения магнитного поля. Рассмотрены частоты до 3,5 Гц. Скорость движения вдоль дна увеличивается при возрастании частоты магнитного поля. Обнаружено, что направление движения зависит от окружающей жидкости. Например, в воде пружина и гантеля движутся в положительном направлении (направление вдоль дна, с которым магнитное поле образует острый угол), а в глицерине тела движутся в обратном направлении. Таким образом, показано, что движение вытянутого тела из НЭ в переменном наклонном магнитном поле может быть использовано для создания микро-робота или движителя.

новый магнит открывает дорогу управляемому термоядерному синтезу

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) впервые создали поле с индукцией в 20 тесла при относительно высокой температуре при помощи крупного сверхпроводящего электромагнита. Это самое сильное в своём роде магнитное поле, когда-либо полученное учёными.

Это достижение приближает человечество ещё на один шаг к созданию термоядерной электростанции, которая будет производить больше энергии, чем потребляет.

Управляемый термоядерный синтез позволит получать «чистую энергию», которая наконец позволит человечеству отказаться от использования углеводородов в энергетике, а значит, сократить количество выбросов парниковых газов в атмосферу.

Топливо для термоядерного синтеза будут получать из обыкновенной воды, которая является возобновляемым ресурсом планеты.

Исследователям остаётся «всего ничего»: найти способ получать и сохранять эту энергию.

Демонстрационное устройство SPARC в представлении художника.

Термоядерные реакции являются источником энергии звёзд, и Солнце не исключение. Синтез заключается в слиянии двух небольших атомов в один большой с высвобождением огромного количества энергии.

Однако в светилах этот процесс происходит при запредельно высокой температуре (сотни миллионов градусов Цельсия). Такой жар не способен выдержать ни один твёрдый материал.

Чтобы безопасно «удержать» источник энергии Солнца здесь, на Земле, необходимо создать способ улавливания и удержания столь сильно раскалённого вещества. Это можно сделать, «подвесив» вещество в пространстве так, чтобы оно ни с чем не соприкасалось.

Для этого учёные и стремятся создать сильнейшее магнитное поле. Оно запирает внутри себя горячий суп из протонов и электронов, известный под названием плазма, и играет роль «невидимой бутылки».

У электронов и протонов есть электрический заряд, поэтому контролировать их с помощью магнитного поля — вполне посильная задача. В настоящее время для этого используется специальная установка для магнитного удержания плазмы — токамак.

Большинство созданных на сегодняшний день токамаков создают магнитное поле с помощью обычных электромагнитов из меди. При этом самая большая версия подобного устройства, ITER, которая строится во Франции, использует так называемые низкотемпературные проводники.

Главным новшеством, привнесённым инженерами MIT в устройство, которое должно удержать под контролем термоядерный синтез, является применение высокотемпературных сверхпроводников (слово «высокотемпературный» в данном случае подразумевает работу при относительно больших температурах, не близ абсолютного нуля). Такие сверхпроводники обеспечивают гораздо более сильное магнитное поле в меньшем пространстве.

Ещё в 2015 году ядерные физики из MIT разработали концепцию термоядерной электростанции нового типа — ARC. Однако для начала они приняли решение создать тестовое устройство, примерно вполовину меньшее, чем задуманный прототип, и назвали его SPARC.

К этому историческому моменту исследователи из MIT шли последние три года.

Этот проект стал возможным благодаря новому виду сверхпроводящего материала, поступившему в продажу несколько лет назад.

Этот материал производится в виде плоского, похожего на ленту, провода. Как мы уже писали, он позволяет создать мощное магнитное поле в малом объёме пространства. Для сравнения, с помощью низкотемпературных сверхпроводящих магнитов тех же характеристик можно было бы достигнуть лишь в устройстве в 40 раз большего размера.

Сильное магнитное поле в сравнении с размерами устройства — главное преимущество проекта ARC.

«Мы заняли нишу, которая заключается в использовании традиционной физики плазмы, традиционных инженерных решений конструкции токамаков, но с использованием новой магнитной технологии. Таким образом нам не требовалось инноваций в полудюжине разных областей. Мы лишь улучшили магнит, а затем приложили базу знаний, полученную в течение последних десятилетий», – объясняет Мартин Гринвальд (Martin Greenwald), старший научный сотрудник Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза MIT.

Такой подход позволит в относительно краткие сроки создать экономически выгодную термоядерную электростанцию, сообщается в пресс-релизе института.

В ходе испытаний новый магнит подключался поэтапно, в результате чего исследователям удалось создать магнитное поле с индукцией 20 тесла. Магнит состоит из 16 пластин, каждая из которых сама по себе могла бы стать самым мощным высокотемпературным сверхпроводящим магнитом в мире.

Внешний вид одной из 16 пластин, из которых состоит показавший рекордные характеристики магнит.

Следующим шагом станет непосредственно строительство SPARC – уменьшенной версии термоядерной электростанции. Её строительство планируют завершить в 2025 году.

Её успешное введение в работу будет говорить о том, что полномасштабная коммерчески выгодная термоядерная электростанция возможна на практике. А значит, после этого можно будет смело начать строительство этого прорывного устройства.

«Теперь я искренне уверена в том, что SPARC сможет достичь положительной чистой энергии, основываясь на характеристиках, которые продемонстрировали магниты. Следующим шагом будет масштабирование, постройка настоящей электростанции.

Впереди ещё много трудностей, не последней из которых является разработка конструкции, обеспечивающей надежную и стабильную работу. И, понимая, что цель здесь – коммерциализация, ещё одна серьёзная проблема будет экономической. Как спроектировать эти электростанции, чтобы их строительство и ввод в эксплуатацию были рентабельны?», – рассуждает Мария Зубер (Maria Zuber), вице-президент по исследованиям Массачусетского технологического института.

Зубер отмечает, что производство энергии с помощью термоядерного синтеза станет грандиозным научным достижением. Это позволит человечеству продолжать жить и развиваться на планете, сократив загрязнение атмосферы и изменение климата до возможного минимума.

К слову, ранее мы писали о создании самого мощного магнитного поля в лабораторных условиях. Сообщали мы и о создании рекордного магнитного поля на маленькой катушке, а также о получении материала, впервые ставшего сверхпроводником при комнатной температуре.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

Физики смогли сделать «невозможное»: создавать и уничтожать магнитные поля дистанционно

Ученые придумали способ создавать и уничтожать магнитные поля издалека, имитировав несуществующий материал с отрицательной магнитной проницаемостью.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, коротко о нем рассказывает Live Science.

Сила магнитного поля уменьшается с расстоянием от магнита. Доказанная в 1842 г. теорема Ирншоу гласит, что невозможно создать точку максимальной напряженности магнитного поля в пустом пространстве. Однако исследователи из Istituto Italiano Di Tecnologia (Италия) взяли за основу работу в области оптики, где используются метаматериалы, обладающие свойствами, не присущими никаким природным материалам, чтобы обойти ограничения на разрешение, устанавливаемые длиной волны света. Точно так же, предположили итальянские физики, гипотетические магнитные материалы позволят сделать невозможное в мире магнитных полей.

Исследователи представили теорию, основанную на материале с магнитной проницаемостью -1. В таком материале направление магнетизма, индуцированного внутри материала, будет противоположным направлению начального магнитного поля.

Такого гипотетического материала с отрицательной проницаемостью не существует, и тогда физики предложили имитировать его при помощи электрического тока, проходящего через провода, расположенные в определенном порядке. Известно, что ток индуцирует магнетизм и наоборот. 

Чтобы создать поле на расстоянии, руководитель исследования Роза Мах-Батль и ее команда создали полый цилиндр, состоящий примерно из 20 проводов, окружающих один длинный внутренний провод. Когда ток проходит по этим проводам, он создает магнитное поле, которое выглядит так же, как если бы длинный внутренний провод находился снаружи устройства. «Мы создаем иллюзию наличия этого источника на расстоянии», — пояснила Мах-Батль.

У этой иллюзии есть реальные применения: например, создав магнитное поле, сосредоточенное на раковой опухоли, можно было бы доставлять лекарство прямо в опухоль глубоко в теле с помощью капсул, сделанных из магнитных наночастиц, без инъекций или операции. Также метод может позволить подавлять магнитные поля дистанционно. В квантовых вычислениях это позволит уменьшить «шума» от внешних полей, которые могут мешать измерениям. Еще одно применение может заключаться в улучшении транскраниальной магнитной стимуляции, при которой магниты используются для воздействия на нейроны мозга при лечении депрессии.

Фото: Shutterstock

Зачем чувствовать магнитное поле?

Лженаука: бесполезные медицинские приборы

Сверхмощный магнит сделали при помощи петельки из фольги и импульсного лазера. Он в сотни раз сильнее обычных магнитов, но намного меньше их и работает очень недолго — Наука

Поле в несколько тесла соответствует медицинскому томографу. Такие поля могут притягивать все железные и стальные предметы в радиусе свыше метра, поэтому эксплуатировать их нужно очень осторожно. Разделить два таких магнита без специальных инструментов практически невозможно.

Поля в десять тесла и выше получают в больших электромагнитах, они нужны для того, чтобы управлять пучками элементарных частиц в ускорителях типа Большого адронного коллайдера. Поля еще мощнее вне микроскопических объемов получить практически невозможно. Этому мешают как технические ограничения (катушку разрывает сила Ампера), так и фундаментальные физические законы.

«В силу закона сохранения энергии увеличение силы поля без возрастания затрат энергии потребует уменьшения занимаемого им объема, — комментируют исследователи. — А большая концентрация энергии приводит к большому давлению и, как следствие, малому времени жизни таких полей».

Сегодня физики знают несколько методов получения магнитных полей, и один из самых перспективных основан на использовании мощных лазерных импульсов. Тем не менее ученые непрерывно ищут способ создать как можно более экстремальные поля наиболее простым способом. Обычно в качестве инструмента для этого физики рассматривают самые большие петаваттные лазерные установки. Впрочем, во Вселенной можно найти поля на много порядков мощнее, например, около вращающихся нейтронных звезд, но они недоступны для современных земных технологий.

Авторы новой статьи предложили использовать для создания магнитного поля очень короткий, продолжительностью в десятки фемтосекунд (1 фс = 10^–15 секунды) лазерный импульс, направленный на специальным образом изогнутую петлю из тонкой фольги. Объем, который ограничивает эта петля, составляет всего несколько микрометров в поперечнике, но именно благодаря компактному размеру взаимодействие излучения с металлом приводит к появлению очень мощного магнитного поля. В ходе работы ученые смоделировали несколько разных ситуаций — с разной формой петли и с разной продолжительностью лазерного импульса. Расчеты показали, что индукция магнитного поля для рассмотренных параметров может достигать семи тысяч тесла.

Мощное поле в рассмотренной системе возникает за счет тока, который создают покидающие металл электроны. Лазерный импульс выбивает электроны из одной пластины конденсатора на другую так, что на облучаемой пластине создается недостаток, а на тыльной — избыток электронов. Конденсатор замкнут проводником, через который система пытается как можно быстрее переместить заряд для того, чтобы прийти в равновесие. Ток получается при этом настолько сильным, что микроскопическая петля на очень короткое время становится на порядки более мощным магнитом, чем массивные устройства с толстыми сверхпроводящими кабелями.

Физики отмечают, что для реализации такой схемы лучше всего подходят компактные, так называемые настольные фемтосекундные лазеры. Как рассказал «Чердаку» один из авторов исследования Федор Корнеев, такие экстремально сильные поля можно применять не только стандартным для них образом, например для управления быстрыми частицами, генерации излучения или стабилизации плазмы, но и при исследовании высокоэнергетических астрофизических явлений в микрообъемах около фокуса лазерного пучка.

 Алексей Тимошенко

Принципы дагностического метода

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

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

Физические принципы МРТ

Известно, что более 70% человеческого тела образованы молекулами воды, каждая из которых содержит два ядра водорода или протоны. Это означает, что почти в каждом человеческом органе и тканях содержится большое количество молекул воды. Между тем, ученые выяснили, что магнитные моменты некоторых протонов в молекулах воды совпадают с направлением поля, когда он был помещен в сильное магнитное поле. Это привело к тому, что это явление можно использовать для разработки новой передовой медицинской технологии обработки изображений, поэтому была изобретена МРТ. Конечно, чтобы получить изображение человеческого тела, следует использовать другие устройства и технологии.

Прежде всего, необходимо создать очень мощное магнитное поле. Чтобы создать это сильное магнитное поле, нам нужен радиочастотный передатчик. Функция этого устройства заключается в создании электромагнитного поля. Когда большое количество электронов, протекающих по металлическому кольцу вокруг устройства МРТ, генерируется сильное магнитное поле. Проще говоря, фотоны этого поля имеют только правую энергию, известную как резонансная частота, для переворота спина выровненных протонов. Чем более мощная и продолжительная продолжительность поля, тем больше будут задействованы совпадающие спины. Протон начнет распадаться в исходное состояние спин-вниз, и во время этой процедуры фотоны будут выпущены. Именно эта связь между напряженностью поля и частотой позволяет использовать ядерный магнитный резонанс для визуализации. Для различных частей тела человека может быть применено дополнительное магнитное поле, обеспечивающее простой способ контроля, где протоны активируются радиофотонами. Следует упомянуть, что когда градиентные катушки создают мощное магнитное поле, во время работы будут большие шумы. Поэтому необходимо предпринять некоторые усилия для уменьшения этого шума, в противном случае он может достичь приблизительно 130 децибел (порог человеческой боли), что будет очень вредно для человеческого организма

Принцип, по которому можно построить изображения, состоит в том, что различные органы или ткани внутри человеческого тела имеют разное количество молекул воды, поэтому различные положения человеческого тела возвращаются в равновесное состояние с разной скоростью. Используя компьютер для расчета, можно получить изображения органов и тканей. Иногда для визуализации МРТ можно использовать метод инъекции, который называется контрастными агентами. Контрастные агенты можно вводить внутривенно или непосредственно в сустав. Первый метод может помочь улучшить появление кровеносных сосудов, опухолей или воспаления. Второй способ сродни артрографии. МРТ широко используется для получения изображений большинства частей человеческого тела.

Применение МРТ

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

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

Технология МРТ особенно полезна при следующих процессах в организме:

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

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

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

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

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

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

Центр сильных магнитных полей

12 января 2021 года

В Южно-Уральском государственном университете сотрудники лаборатории функциональных материалов изучают сверхпроводимость и квантовые кооперативные явления. Работа лаборатории — результат совместной деятельности челябинских вузов: ЮУрГУ и ЧелГУ. В будущем университеты намерены создать еще одну совместную исследовательскую площадку — Центр сильных магнитных полей.

Два ведущих вуза Челябинской области намерены создать в регионе Центр сильных магнитных полей. В нем ученые из Южно-Уральского государственного университета и Челябинского государственного университета будут изучать методику создания магнитных полей, свойства тел при воздействии этих полей на них, а также магнитные материалы. Между научными коллективами двух вузов давно установилась прочная связь: совместные исследования проводятся в области математики, физики, химии. Лабораторией функциональных материалов, открытой в ЮУрГУ в 2017 году, руководит советник при ректорате ЧелГУ Дмитрий Батаев. Сотрудники лаборатории изучают сверхпроводимость и квантовые кооперативные явления в низкоразмерных системах, материалы с памятью формы, с магнитокалорическим эффектом. Также в лаборатории работают с углеродными материалами и наноразмерными структурами. «За три года было проведено немало успешных исследований. Прямо сейчас реализуется крупный международный российско-немецкий проект №18–42–06201 “Фундаментальные основы сжижения природного газа с помощью магнитного охлаждения”. Он финансируется РНФ-Helmholtz. Проект направлен на решение фундаментальной задачи физики конденсированного состояния и физики металлов и сплавов — разработку материалов с заданными свойствами, пригодных для применения в новой перспективной технологии сжижения газов с помощью магнитокалорического эффекта»,— рассказал руководитель лаборатории функциональных материалов ЮУрГУ Дмитрий Батаев.

Владимир Ховайло, доктор физико-математических наук, профессор, руководитель Центра энергоэффективности НИТУ МИСиС:

— Основные задачи создаваемого центра — это исследования магнитокалорического эффекта (МКЭ) в сильных магнитных полях, направленные прежде всего на разработку материалов для сжижения природных и криогенных газов, и исследования магнитных свойств материалов, перспективных для разработки новых постоянных магнитов, в частности, таких, которые не содержат редкоземельных элементов.

Очевидных преимуществ в повседневной жизни людей данные исследования не принесут. Тем не менее изучение магнитокалорического эффекта позволит создать технологию для ожижения как природных, так и криогенных (азот, неон, аргон, гелий) газов, что в итоге позволит удешевить стоимость природных газов для конечного потребителя. Что касается исследования новых постоянных магнитов, их разработка позволит снизить стоимость конечных продуктов, например электродвигателей, электроприводов и т. п., за счет уменьшения содержания в них дорогих редкоземельных элементов.

Российские центры и лаборатории сильных магнитных полей можно пересчитать на пальцах одной руки. Наиболее известные из них — это лаборатория сильных магнитных полей Института физики имени Киренского СО РАН, основная специализация которой — разработка экспериментальных методик измерений в сильных магнитных полях, исследование магнитных и транспортных свойств материалов (в частности, электросопротивления) в сильных магнитных полях. Также в этот список входит лаборатория сильных магнитных полей при Саровском физико-техническом институте, которая занимается разработкой систем для генерации сильных магнитных полей до 60 Тесла, это примерно в 60 раз больше, чем может быть создано при помощи самого мощного постоянного магнита. Как уже отмечалось выше, основной изюминкой центра при ЮУрГУ будет исследование МКЭ и магнитных свойств перспективных материалов для постоянных магнитов.

---

Ольга Квашенкина, руководитель лаборатории «Самоорганизующиеся высокотемпературные наноструктуры», доцент Высшей школы прикладной физики и космических технологий Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ):

— Центр сильных магнитный полей Южно-Уральского государственного и Челябинского государственного университетов будет устроен по принципу любого научного центра. В нем наверняка будут организованы тематические кластеры, развивающие узкие научные направления, связанные с изучением магнитных полей, а также с изучением взаимодействия магнитный полей с окружающей средой. Мне кажется, вообще изучение магнитных взаимодействий довольно перспективная тема. Она всегда была интересна с точки зрения быстродействия: электрические взаимодействия в веществах медленнее, чем магнитные.

В плане прикладного значения можно выделить несколько направлений. Во-первых, это магнитные носители информации, а именно создание сверхъемкой памяти на основе регулирования магнитной доменной структуры на наноуровне. Это очень интересно, перспективно, так как касается в том числе и Data Science и пока коммерческого продукта в этой области еще не создано. Во-вторых, это элементы спинтроники — раздела квантовой электроники, занимающегося созданием электроники на основе спинового токопереноса, то есть, по сути, искусственной регуляции магнитных моментов электрона и общей доменной структуры вещества. Как итог — создание квантовых компьютеров и быстродействующих элементов для них. Надеюсь, что это наше скорое будущее. В этом направлении необходимо развиваться, и создание такого центра — верный шаг.

Подобный центр уже есть и функционирует в Нижнем Новгороде. При этом нужно помнить, что каждый центр уникален как с технологической, так и с научной точки зрения. Поэтому создание центра сильных магнитных взаимодействий дополнит и расширит конкурентное преимущество нашей страны как в научном, так, надеюсь, и в технологическом плане.

---

Антон Конаков, старший научный сотрудник НИЛ кафедры теоретической физики физического факультета Университета Лобачевского, кандидат физико-математических наук:

— Исследованиe магнитных явлений привлекает внимание человека не то что со времен гения науки Николы Теслы — еще с древних греков, а изобретение компаса, например, относят к промежутку времени ранее 1100 года до н. э. В современном мире различные приборы, использующие магнитные поля, стали незаменимым помощником человека: для магнитной записи информации, для магнитной сепарации, для магнитного охлаждения до сверхнизких температур или магнитного удержания плазмы. Не секрет, что один из наиболее распространенных сейчас диагностических методов в медицине — магнитно-резонансная томография — базируется на использовании сильных магнитных полей.

Исследования магнитных полей и магнитных явлений широко распространены в России и мире; центров магнитных исследований достаточно много, и они разбросаны от Лос-Аламоса (США) до Токио (Япония). Тематику таких исследовательских центров можно (достаточно условно) разделить на три направления:

1) Разработка новых методов получения стационарных и импульсных сильных и сверхсильных магнитных полей, создание установок для генерации сильных и сверхсильных магнитных полей. Расширение диапазона сильных магнитных полей и способов их генерации необходимо как в фундаментальной науке, например для создания ускорителей элементарных частиц и исследования уникальных явлений микромира, так и для решения прикладных задач, например для развития высокоскоростного железнодорожного транспорта. Создание сверхсильных магнитных полей также интересно в фундаментальной физике для понимания процессов, происходящих с веществом в звездах.

2) Исследование взаимодействия сильных и сверхсильных магнитных полей с веществом и биологическими объектами. В настоящее время это наиболее важно для приложений в биомедицине.

3) Разработка и изучение новых магнитных материалов с собственными уникальными характеристиками, а также исследование изменения их свойств во внешних магнитных полях. Новые магнитные материалы находят активное применение в новом направлении электроники — спинтронике, где управление происходит не только на уровне электронных, но и магнитных свойств объектов.

В России существует несколько научных центров и лабораторий, специализирующихся на исследованиях в области физики магнитных явлений и магнитных материалов: в Санкт-Петербургском политехе Петра Великого (специализация на создании новых устройств для генерации сильных и сверхсильных магнитных полей), в Екатеринбурге (город в связи с понятными географическими и геологическими причинами можно назвать российской столицей изучения магнитных явлений и магнитных материалов), в красноярском Институте физики им. Л. В. Киренского СО РАН (разработка методик создания сильных импульсных магнитных полей и исследование свойств магнитных материалов в сильных магнитных полях).

В Нижегородской области основные центры исследования магнитных полей — это Саров (РЦЯЦ ВНИИЭФ и СарФТИ), где в 2001 году был установлен до сих пор не побитый рекорд генерации импульсного сверхсильного магнитного поля амплитудой 3 кТл (в 2 тыс. раз больше, чем в традиционном МР-томографе), а также Нижний Новгород, где в Университете Лобачевского и Институте физики микроструктур РАН с 2000-х годов активно ведутся исследования новых материалов для полупроводниковой (Университет Лобачевского) и металлической (ИФМ РАН) спинтроники, получен ряд приоритетных на мировом уровне научных результатов.

Новый челябинский центр в ЮУрГУ и ЧелГУ объединяет в себе черты двух направлений — синтеза новых магнитных материалов для различных практических применений и исследования их свойств, в том числе магнитокалорических (с приложением в области магнитного охлаждения), в сильных магнитных полях, и является конкурентом научным центрам Екатеринбурга, Красноярска и Нижнего Новгорода.

---

Александр Семенов, заведующий кафедрой физической электроники и технологии СПбГЭТУ ЛЭТИ, доктор технических наук:

— Исследование физических эффектов в сильных магнитных полях является весьма актуальной задачей, требующей использования целого ряда уникального оборудования и экспериментальных стендов.

Инфраструктура центра позволяет проводить систематические исследования магнитокалорического эффекта в перспективных материалах, работающих при низких температурах в высоких магнитных полях. Результаты данных исследований создадут основу для разработки принципиально новой энергоэффективной технологии сжижения природного газа с помощью магнитного охлаждения, будут способствовать разработке новых эффективных магнитокалорических материалов и устройств на их основе. В рамках этого направления в центре могут изучаться фундаментальные проблемы физики магнитных явлений, связанные с исследованием влияния термических и механических воздействий на структурные, гистерезисные, магнитотепловые и иные физические свойства перспективных микро- и наноструктурированных магнитных материалов, которые в будущем могут стать основой новой технологии сжижения природного газа с помощью магнитокалорического эффекта.

При этом исследования, проводимые таким центром, носят важное прикладное значение. Природный газ является одним из основных источников энергии как в настоящее время, так и в обозримом будущем. Для хранения и транспортировки этого типа энергии требуется сжижение, но для этого процесса требуются сложные энергоемкие компрессорные устройства, работающие при криогенных температурах (при температурах ниже 150 К эффективность сжижения традиционными методами довольно низкая). В то же время существует принципиально иной подход к сжижению газов в качестве хранилища будущей энергии — технология магнитного охлаждения. Принимая во внимание недавний прогресс в разработке сверхпроводящих магнитов с магнитными полями до 15–22 Тл, этот тип охлаждения при криогенных температурах может вызвать революцию в технологии сжижения газа.

---

Александр Самардак, проректор Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) по научной работе (вуз — участник «Проекта 5–100»):

— Центры сильных магнитных полей — это элемент научной инфраструктуры, в котором сосредоточено дорогостоящее оборудование для исследований физических свойств материалов в широком температурном и полевом диапазонах. Как правило, такого рода центры комплектуются измерительными комплексами типа PPMS Quantum Design, а также импульсными источниками магнитного поля. Это очень сложное научное оборудование, так как измерения проводятся в широчайшем температурном диапазоне — от жидкого гелия до 1000 К, часть используемого оборудования криогенное.

Инфраструктура центров позволяет измерять большинство физических свойств материалов в широком диапазоне температур (от 4 до 1000 К) и магнитных полей (примерно от 0 до 14 Т для стационарных полей и до 50–70 Т для импульсных). В частности, можно исследовать сверхпроводимость, магнитные свойства, транспортные свойства, свойства материалов под давлением, оптические свойства, термодинамические характеристики и прочее. Полученная информация исчерпывающе характеризует исследуемые материалы. Возможность разработки своих измерительных модулей позволяет проводить уникальные научные эксперименты на мировом уровне.

Материалы, разрабатываемые и исследуемые в такого рода центрах, используют абсолютно во всех сферах науки и техники: в медицине, авиа- и кораблестроении, энергетике, приборостроении, микроэлектронике и т. д. За счет новых или улучшенных свойств материалов можно оптимизировать существующие или создать принципиально новые системы и оборудование. Приведу пример: если получится синтезировать безредкоземельные постоянные магниты на основе фазы тетратенита (это сплав FeNi), произойдет технологическая революция в области энергетики, так как эти материалы придут на замену дорогостоящим постоянным магнитам на основе редкоземельных элементов.

Комментарии подготовлены при поддержке «Проекта 5-100»

Оригинал статьи: https://www.kommersant.ru/doc/4639978

В Германии сгенерировано рекордное магнитное поле

В Германии под руководством выпускника Харьковского госуниверситета Сергея Жерлицына сгенерировано рекордное магнитное поле величиной 91,4 тесла, которое уже активно используется для проверки свойств материалов будущего. Для сравнения: магнитное поле Земли составляет порядка 10^-5 тесла, магниты стандартного холодильника достигают 0,05 тесла, магниты Большого адронного коллайдера достигают значений 8,3 тесла, а магнитные поля нейтронных звезд составляют от 10⁶ до 10⁸ тесла.

Электромагниты — это устройства, в которых используется эффект создания магнитного поля в проводнике при прохождении в нем электрического тока. Обычно электромагнит состоит из проводящей обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении тока по обмотке. Такая катушка использовалась в недавних работах, в ходе которых было получено магнитное поле рекордной величины. Исследованиями руководил выпускник Харьковского государственного университета Сергей Жерлицын, который с марта 2011 года возглавляет отделение магнитных технологий и исследовательской инфраструктуры Дрезденской лаборатории высоких магнитных полей в Центре имени Гельмгольца.

Жерлицын и его коллеги создали катушку, вес которой составил около 200 кг. По этой катушке ученые пропускали электрической ток, что приводило к созданию магнитного поля мощностью 91,4 Тл на период до нескольких миллисекунд. При этом катушка оставалась невредимой в ходе эксперимента.

Столь сильные поля, доступные для исследований в течение некоторого времени, а не имеющие взрывной характер, впервые были получены учеными в лабораторных условиях.

«Мы не стремились установить рекорд и достичь максимально возможного значения магнитного поля. Мы проводили исследования в области материаловедения», — так комментирует достижение своей лаборатории ее директор Йоахим Возница. Используя такое мощное магнитное поле, ученые могут делать ряд важных исследований, в частности, как говорится в соответствующем пресс-релизе, с помощью таких полей можно будет проверить свойства «сверхпроводников или тех веществ, которые используются в передовых инновационных электронных устройствах».

Проблема, возникающая при создании высоких магнитных полей путем их генерации проходящим по медной катушке электрическим током, заключается в том, что магнитное поле оказывает влияние на электрический ток, пытаясь «выдавить» его за пределы катушки, что влечет к разрыву меди уже при полях величиной 25 Тл.

Поле в 100 Тл создает внутри меди давление, которое в 40 000 раз превышает атмосферное давление на уровне моря.

Но именно такие сильные поля и необходимы исследователям для того, чтобы изучать поведение электрических зарядов в новых материалах, которым будет найдено широкое применение в ближайшем будущем.

Чтобы решить проблему разрыва катушки при генерации магнитного поля, ученые используют не чистую медь, в особые сплавы, которые способны выдержать высокое давление. Для укрепления катушки снаружи контур помещается в специальный футляр, созданный из сверхпрочного материала, подобного тому, из которого делаются пуленепробиваемые жилеты.

Впрочем, если магнитное поле в 91,4 Тл является рекордным по величине, то по своему времени жизни это далеко не рекордный показатель, ведь в американской лаборатории Лос-Аламос магнитное поле величиной 89 Тл удерживалось в течение нескольких лет.

Но эта проблема вскоре будет решена и в Дрезденской лаборатории: специальная двойная катушка, которая способна выдержать сильное магнитное поле в течение долгого срока, уже почти готова и в ближайшее время будет введена в эксплуатацию.

Работа с сильными магнитными полями уже вызвала большой интерес к Дрезденской лаборатории со стороны ученых всего мира. В связи с большим количеством желающих поставить здесь свои эксперименты число экспериментальных установок (сейчас их пять) до 2015 года будет увеличено более чем в два раза.

вопросов и ответов — Вырабатывают ли вращающиеся магниты энергию? Где я могу найти дополнительную информацию по этой теме?

Вращающиеся магниты создают энергию? Где я могу найти дополнительную информацию по этой теме?

Первый закон термодинамики состоит в том, что материю / энергию нельзя «создать» или разрушить. Мы можем преобразовывать энергию из одной формы в другую. Например, в автомобиле мы преобразуем химическую энергию (фактически, энергию связи электронов) в тепло, которое, в свою очередь, преобразуется в кинетическую энергию (движение).

У вашего вопроса есть аналогичный ответ. Когда вы вращаете магнит, вы используете кинетическую энергию для его перемещения. Эта кинетическая энергия может быть преобразована в электрическую, используя свойства электромагнетизма. Поскольку вы не можете «создавать» энергию, количество произведенной электроэнергии всегда будет таким же или меньше, чем количество энергии, которое вы вкладываете. На самом деле, это не может быть точно таким же, потому что всегда есть хоть какое-то энергия преобразуется в тепло за счет трения. Эта потраченная впустую энергия приводит к «эффективности» преобразования энергии менее 100%.Классическое применение вашего примера — электрический генератор.

Один из самых полезных и прекрасно симметричных принципов физики — это связь между электричеством и магнетизмом. Эту связь можно описать так. Электроны ощущают силу магнитного поля. Это потому, что электроны ведут себя как крошечные магниты с северным и южным полюсами. Таким образом, магнитное поле будет влиять на электроны в этом поле. Если поле движется, электроны в нем будут пытаться двигаться.И наоборот, если у нас есть движущиеся электроны (например, электрический ток в проводе), эти движущиеся заряды создают магнитную силу (из-за их магнитоподобных свойств). Итак, если вы приклеите магнит к оси и поверните ось, вы создадите вращающееся магнитное поле. Оберните кусок проволоки вокруг вращающегося магнита, и в проволоке возникнет электрический ток (движущиеся электроны). Это называется индукцией. Если вы намотаете провод несколько раз, вы увеличите наведенный ток. В этом можно убедиться, если у вас есть очень чувствительный амперметр для измерения тока.Теперь мы также можем взять кусок провода и намотать его, а затем пропустить через него электрический ток. Из-за магнитных свойств электронов эта катушка становится электромагнитом. И мы могли бы пойти еще дальше. Возьмите этот электромагнит и раскрутите его (мы будем использовать так называемые «контактные кольца», чтобы наши провода не скручивались), и у вас есть еще одно вращающееся магнитное поле, из которого вы можете индуцировать электричество.

Следующее, о чем нам нужно поговорить, — это идея постоянного и переменного тока, для которой у нас нет места.Но есть много хороших веб-сайтов, где вы можете получить дополнительную информацию по этой теме. Вот некоторые из них, с которыми я столкнулся: генератор переменного тока, генераторы, магнетизм.

Автор:

Кейт Велч, Radialogical Controls Group (Другие ответы Кейта Велча)

Связанные страницы:

Если энергия вырабатывается генератором, как генератор формирует энергию?

Что такое магнитное поле?

Что такое магнитное поле?

Эксперименты с магнитами и нашим окрестности

---

Что такое магнитное поле?

Магнит создает векторное поле, магнитное поле во всех точках вокруг него.Его можно определить как измерение силы, которую поле оказывает на движущуюся заряженную частицу, такую ​​как электрон. Сила (F) равна заряду (q), умноженному на скорость частица, умноженная на величину поля (B), или F = q * v x B, где направление F находится под прямым углом к ​​v и B в результате пересечения продукт. Это определяет силу и направление магнитного поля в любом точка.

Что создает магнитное поле?

Магнитное поле можно создать движущимся заряды, например токоведущий провод.Магнитное поле также может быть создаваемый спиновым магнитным дипольным моментом и орбитальным магнитным диполем момент электрона в атоме.

Какая связь между ток и магнитные поля?

Это Правило правой руки для магнитных поле от протекающего тока и магнитное поле в катушке.

Когда в проводе течет ток, возникает магнитное поле. создается вокруг проволоки.Чтобы визуализировать это, возьмите правую руку, согните пальцы и высуньте большой палец наружу. Теперь покажите пальцем направление тока, протекающего в проводе (при использовании обычного тока где ток течет от + конца батареи к минусу аккумулятор. ПРИМЕЧАНИЕ: электроны текут от минусового конца батареи к плюсовому полюсу. конец, и называется электронным током вместо обычного тока). В направление, в котором ваши пальцы изогнуты вокруг проволоки, — это направление магнитное поле вокруг провода.Например, если бы ток приближался прямо с этой страницы к вам, ваш большой палец будет указывать на вас и ваши пальцы укажут направление против часовой стрелки к магнитному поле вокруг провода.

Показывает магнитное поле вокруг провода, по которому течет ток.

Показывает силу магнитного поля вокруг провода. это тем сильнее, чем ближе вы к проводу.Х внутри провода означает что ток течет в провод, прочь от вас.

Здесь показано поле вокруг двух рядом расположенных проводов, несущих ток в том же направлении. Провода притягиваются друг к другу, и сблизятся.

Показывает напряженность магнитного поля вокруг двух проводов. Текущий течет в оба провода. Обратите внимание, как магнитное поле немного сильнее на стороне провода от другого провода? Это показывает что магнитное поле вокруг провода влияет на то, как ток течет в соседние провода.

Здесь показано поле вокруг двух рядом расположенных проводов, несущих ток в противоположных направлениях. Провода отталкиваются друг от друга, и раздвинутся дальше друг от друга.

Показывает напряженность магнитного поля вокруг двух проводов. Текущий втекает в проволоку справа и выходит из проволоки слева. Обратите внимание, как магнитное поле немного сильнее на стороне провода. лицом к другому проводу? Это показывает, что магнитное поле вокруг Wire влияет на то, как ток течет в соседних проводах.

Если у вас есть катушка с проволокой, просто изогните ее. пальцами правой руки вокруг катушки в том же направлении, что и ток течет. Ваш большой палец будет указывать на северный магнитный полюс, который катушка проволоки создаст.

Условно мы утверждаем, что магнитное поле имеет связанное с ним направление, так что поле выходит за северный конец магнит, проходит через воздух или другие материалы поблизости и снова попадает на юг конец магнита.Внутри магнита поле течет с юга назад. к северу.

Таким образом, ток течет от + к — батареи, и магнитные поля текут с севера на юг от магнита.

Что мы знаем о силовых линиях магнитного поля?

Силовые линии магнитного поля — это способ визуализации магнитного поля. поле. Когда они нарисованы, расстояние между ними является показателем напряженность поля. Чем они ближе, тем сильнее поле.Для Например, количество линий на квадратный сантиметр является мерой прочности магнитного поля. В частности, 1 Гаусс эквивалентен 1 силовой линии магнитного поля в пределах 1 квадрата. сантиметр. Также направление касательной к силовая линия — это направление магнитного поля в этой точке и направление, на которое укажет компас ..

Из чего сделаны магнитные поля?

В области физика элементарных частиц — изучение основных строительных блоков всех что мы знаем.Раньше мы думали, что электроны, протоны, нейтроны и фотоны были все, что было. Однако затем мы обнаружили множество другие частицы, из которых состоят протоны и нейтроны. Сегодня, мы знаем о 12 частицах, 4 электрослабых силах и 1 сильной силе. Они являются:

Фермионы (носители вещества)		Бозоны (носители силы)
Лептоны	Кварки	Унифицированный электрослабый	Сильный
электронное нейтрино	вверх	фотон	глюон
электрон	вниз	W-
мюонное нейтрино	шарм	Вт +
мюон	странно	Zo
тау нейтрино	верх
тау	низ

Итак, как один магнит ощущает присутствие еще один магнит, когда они подходят друг к другу? Я не думаю, что физики действительно знаю ответ на этот вопрос.Они знают, что электромагнитное поле на самом деле состоит из огромного количества фотонов, но виртуальные безмассовые фотоны составляют магнитное поле, и как одно поле влияет на другие магнитные поля на расстоянии, и движется ли магнитное поле со скоростью света, как гравитационные волны? Возможно, вы откроете для себя некоторые из этих ответы.

Две отличные книги о том, как мы электронов, протонов, нейтронов и фотонов ко всему вышеперечисленному:
«Взаимодействие», Шелдон Глэшоу, Warner Books, 1988, ISBN 0-446-38946-3
«Элегантная Вселенная», Брайан Грин, Винтаж Книги, 1999, ISBN 0-375-70811-1

---

магнитных полей | Протокол

Магнитные поля имеют фундаментальное значение для электромагнетизма и лежат в основе многих практических приложений, от компасов до магнитно-резонансной томографии.

Магнитные поля или B-поля могут создаваться движущимися зарядами, такими как электрический ток, или объектами, такими как стержневые магниты, из-за микроскопической динамики зарядов внутри магнитного материала.

Это видео покажет, как визуализировать магнитные поля, создаваемые проводником с током и постоянным стержневым магнитом. Кроме того, это видео также продемонстрирует силу, создаваемую магнитными полями, создаваемыми током на другом проводе с током.

Магнитные поля можно визуализировать с помощью силовых линий магнитного поля.Это вымышленные линии, которые помогают понять распределение и направление магнитных полей.

Касательная к силовой линии магнитного поля отражает локальное направление магнитного поля, а плотность линий отражает силу местного магнитного поля, которое в случае стержневого магнита уменьшается по мере удаления от его поверхности. Различные конфигурации токопроводов вызывают разные вариации в распределении магнитного поля.

Например, длинный прямой провод, по которому проходит электрический ток, создает магнитное поле, направление которого, представленное «линиями магнитного поля», совпадает с направлением касательной окружности провода.

В случае стержневого магнита силовые линии магнитного поля покидают северный полюс магнита и входят в южный полюс магнита. Это похоже на картину магнитного поля, создаваемого соленоидом, который представляет собой цилиндрическую катушку с проволокой, по которой проходит ток.

Направление магнитного поля, создаваемого током, можно определить по «правилу правой руки». Правило гласит, что если большой палец указывает направление тока, пальцы, извивающиеся вокруг проводника, указывают направление магнитного поля.Таким образом, стержневой магнит, поднесенный близко к проводнику, выравнивается с генерируемым локальным магнитным полем.

Теперь мы знаем, что магнитные поля, создаваемые любым проводником или магнитом, взаимодействуют с близлежащими магнитными материалами. Кроме того, генерируемые магнитные поля также взаимодействуют с движущимися электрическими зарядами, как те, что находятся во втором проводнике с током.

Когда движущийся заряд «q» вводится в магнитное поле «B», поле оказывает на заряд силу «F». Это называется силой Лоренца.Сила пропорциональна магнитному полю «B», заряду «q» и его скорости «v» и определяется векторным произведением скорости заряда и магнитного поля, умноженного на заряд. Таким образом, сила направлена ​​в направлении, перпендикулярном как движению заряда, так и магнитному полю, определяемому «правилом большого пальца правой руки».

Изучив основы магнитных полей, давайте проведем простой эксперимент, чтобы визуализировать эти силовые линии магнитного поля и продемонстрировать, как сила Лоренца, создаваемая сгенерированным магнитным полем, влияет на параллельный провод с током.

Соберите необходимые материалы и инструменты, а именно источник постоянного тока, пластиковую доску с несколькими иглами компаса и прямым проводящим проводом, проходящим через ее центр, и постоянный стержневой магнит.

Посмотрите на пластиковую доску с отверстием в центре. Он закреплен с помощью нескольких игл циркуля вокруг центрального отверстия с помощью штифтов, так что иглы могут свободно вращаться.

Также обратите внимание, что проводящий провод проходит через центральное отверстие платы.Убедитесь, что провод перпендикулярен плате. Подключите провод к источнику постоянного тока с помощью кабелей с зажимами.

Включите источник тока и установите источник тока на +5 ампер. Наблюдайте за поведением стрелок компаса.

Затем выключите источник питания и поменяйте местами положительный и отрицательный кабели. Затем включите источник питания, чтобы изменить направление тока, протекающего через провод, и снова понаблюдайте за стрелками компаса.

Теперь выключите и отключите источник тока и получите аналогичную пластиковую плату с магнитными иглами, но без проводящего провода, пропущенного через нее.Затем определите северный полюс стержневого магнита.

Расположив длинную ось стержневого магнита параллельно плате, приблизьте северный полюс к плате сбоку. Следите за стрелками компаса на предмет изменения ориентации.

Теперь переверните стержневой магнит так, чтобы южный полюс был ближе к доске. Еще раз наблюдайте за стрелками компаса на предмет изменения ориентации.

Сначала соберите раму с двумя стержнями, одна из которых проходит горизонтально по верху рамы, а другая — вертикально и соединяет основание с первой перекладиной.Затем прикрепите к раме якорь или скотчем среднюю часть двух длинных проводящих проводов. Вывесьте один конец обоих проводов из рамы так, чтобы два провода были параллельны друг другу.

Теперь подключите концы двух проводов к переключателю и клеммам. Затем подключите установку к батарее.

Убедитесь, что провода подключены таким образом, что ток течет в одном направлении по обоим проводам. Затем нажмите выключатель, чтобы подключить аккумулятор к проводящим проводам.

Наблюдайте за двумя проводами, когда по ним проходит ток.Затем выключите переключатель, чтобы остановить ток по проводам.

Поменяйте направление переключателя на обратное, чтобы изменить направление тока, протекающего по проводам. Наблюдайте за двумя проводами при включенном токе.

Теперь, ознакомившись с протоколами, обратимся к результатам проведенных экспериментов.

В эксперименте со стрелками компаса сначала стрелки ориентированы случайным образом. При подаче тока стрелки компаса выстраиваются в соответствии с местным магнитным полем по кругу.

При изменении направления тока местное магнитное поле меняет местами, что, в свою очередь, меняет ориентацию стрелок компаса.

Точно так же, когда северный полюс стержневого магнита приближается к стрелкам компаса, он создает локальное магнитное поле, и стрелки компаса выравниваются по этим местным линиям магнитного поля.

И когда стержневой магнит переворачивается, направление магнитного поля также меняется на противоположное, что меняет ориентацию стрелок компаса.

В эксперименте с двумя длинными проводами провода притягиваются друг к другу, когда ток, протекающий по ним, имеет одинаковое направление. Это происходит из-за силы Лоренца, создаваемой магнитным полем.

Согласно правилу правой руки, левый провод создает магнитное поле, которое направлено в направлении, перпендикулярном потоку тока в месте расположения правого провода. Теперь используйте другое правило правой руки и поместите пальцы вдоль направления тока и магнитных полей.Затем вытянутый большой палец указывает направление силы Лоренца. В этом случае сила направлена ​​к левому проводу и поэтому притягивает.

С другой стороны, когда ток в двух проводах идет в противоположных направлениях друг к другу, правило правой руки показывает, что направление силы Лоренца на правом участке провода далеко от левого провода, создавая силу отталкивающий. Поэтому два провода раздвигаются.

Магнитные поля встречаются повсюду вокруг нас и в настоящее время используются в различных приложениях, от навигации до клинической среды.Давайте теперь посмотрим на пару общих применений магнитных полей.

Столетия назад династия Сун в Китае изобрела первый магнитный компас, который использовался для навигации. С тех пор мы полагаемся на компас, который работает в тандеме с собственным магнитным полем Земли для определения направления.

Южный магнитный полюс Земли расположен рядом с ее северным географическим полюсом. Таким образом, северный магнитный полюс стрелки компаса совпадает с магнитным полем Земли и указывает на географический север Земли.

Магнитные поля также находят множество применений в области медицины и медицинской диагностики. Чаще всего магнитные поля используются в магнитно-резонансной томографии или МРТ. Сканеры МРТ используют сильные магнитные поля и градиенты поля для создания изображений внутренней части тела.

Вы только что посмотрели введение JoVE в магнитные поля. Теперь вы должны знать, как визуализировать магнитные поля с помощью стрелок компаса, и понимать, как сила Лоренца магнитного поля, создаваемого током, влияет на другой почти параллельный ток.Спасибо за просмотр!

Магнитное поле Земли и его изменения во времени

Сложные конвекционные токи в ядре Земли создают вокруг Земли огромное магнитное поле, защищающее нас от заряженных солнечных частиц, исходящих от Солнца. Однако магнитное поле Земли не всегда было одинаковым. Скалы Земли обеспечивают запись геомагнитных инверсий и изменений во времени геомагнитного поля. Д-р Даниэль Франко и его команда из Национальной обсерватории Бразилии используют сложные численные модели, чтобы лучше понять структуру магнитного поля Земли и то, что может вызвать эти изменения в геологических временных масштабах.

Земля окружена невидимым, но мощным щитом: ее магнитным полем. Это то, что заставляет северное сияние танцевать в небе вокруг Северного и Южного полюсов и защищает жизнь на Земле от интенсивного потока солнечных частиц, несущихся через Солнечную систему от нашего Солнца. Но как мы можем понять то, чего даже не видим?

Люди использовали магнитное поле Земли для навигации в течение сотен лет с помощью компасов, и это остается для нас самым простым способом увидеть магнитное поле Земли в действии.Ученые также могут измерять его интенсивность в точках вокруг поверхности Земли, а также ее ориентацию, а спутники играют жизненно важную роль в ее постоянном мониторинге.

Стабильность современного магнитного поля важна не только для защиты жизни на Земле, но и для наших технологий. Мобильные телефоны зависят от него, чтобы правильно определять свое местоположение. Усиление солнечного ветра (геомагнитные бури) может нарушить работу энергосетей, связи, спутников и навигационных систем, и без стабильного магнитного поля, защищающего Землю, мы были бы невероятно уязвимы для событий солнечной бури.

Доктор Франко стремится лучше понять структуру магнитного поля Земли и то, что может вызвать эти изменения в геологических временных масштабах.

Мы надеемся, что понимание того, как магнитное поле изменилось с течением времени, даст нам ключ к пониманию того, как оно может колебаться в будущем. Скалы Земли содержат подсказки о ее магнитном поле в прошлом (палеомагнитные записи), которые геофизики, такие как доктор Даниэль Франко из Национальной обсерватории Бразилии, могут собрать вместе, чтобы понять, как могло бы вести себя палеомагнитное поле.

Создание магнитного поля
Чтобы понять, почему магнитное поле Земли изменяется с течением времени, мы сначала должны понять, как оно формируется. Магнитное поле может быть создано магнитом, куском постоянно намагниченного металла, который может притягивать или отталкивать другие материалы. Магнит создает невидимое магнитное поле, которое описывает область воздействия вокруг магнита. Магниты имеют два полюса, обычно называемые северным и южным полюсами, и магнитное поле течет от северного полюса вокруг внешней стороны магнита к южному полюсу.Хорошо известно, что магнитное поле Земли имеет северный полюс и южный полюс (мы называем этот тип магнитного поля осевым диполем), и когда вы стоите на поверхности Земли с компасом, стрелка будет совмещена с полем, указывающим на Северный полюс. Однако это нечто гораздо более сложное, чем металлический магнит, создающий магнитное поле Земли.

Сложные численные модели помогают геологам
лучше понять изменения палеомагнитного поля Земли и причины их возникновения.

Магнитное поле также может быть создано динамо-машиной. Это когда протекающий электрический ток создает магнитное поле. Глубоко внутри Земли постоянно движется жидкость, способная проводить электрические токи. Внутреннее ядро ​​Земли очень горячее, более 5000 ° C, и это тепло вызывает конвекционные токи в жидком металлическом внешнем ядре Земли. Когда планета вращается, эти конвекционные потоки направляются в колонны, по которым движутся электрические токи, создавая огромное магнитное поле, которое распространяется в космос вокруг Земли.

Доктор Франко использует сложные численные модели, чтобы лучше понять структуру магнитного поля Земли, динамо-машину, которая управляет геомагнетизмом и палеосекулярными вариациями.

Магнитное поле Земли имеет структуру, похожую на простой магнит, с северным и южным полюсами. Ученые, измеряющие магнитное поле Земли, заметили, что положение полюсов полностью не зафиксировано. Например, северный полюс «блуждал» последние сто лет, медленно направляясь в сторону Сибири.Однако геологические данные магнитного поля Земли показывают, что это не единственный тип магнитных колебаний, которые происходят.

Палеомагнетизм
Изучение горных пород, регистрирующих магнитное поле Земли и его колебания в течение миллионов лет, известно как палеомагнетизм. Магнитное поле Земли записывается в определенных минералах, которые содержатся в определенных типах горных пород, особенно в вулканических породах, образовавшихся во время вулканической активности. Эти минералы богаты железом, и, хотя лава все еще жидкая, они выравниваются с магнитным полем Земли, как стрелка компаса.После того, как лава остыла и превратилась в скалу, эти минералы являются прямой записью силы и ориентации магнитного поля Земли в то время.

Полярные сияния, окружающие как северный магнитный полюс (aurora borealis), так и южный магнитный полюс (aurora australis), возникают, когда сильно заряженные электроны солнечного ветра взаимодействуют с элементами атмосферы Земли.

Геологи сопоставили данные о палеомагнетизме Земли, насчитывающие более миллиарда лет. Еще в 20-х годах прошлого века геологи, изучавшие эту летопись, заметили нечто странное.Некоторые из магнитных минералов были выровнены в направлении, противоположном сегодняшнему магнитному полю, что свидетельствует о том, что в определенные моменты истории Земли северный и южный полюсы диполя Земли поменялись местами. Следовательно, магнитное поле Земли на протяжении своей истории претерпевало как большие, так и небольшие изменения; эти изменения с течением времени известны как палеосекулярные вариации.

Движение магнитных полюсов и скорость изменения полярности во времени контролируются тем, насколько магнитное поле Земли структурировано в виде осевого диполя.

Изучение геомагнитных инверсий
Доктор Франко и его команда, в которую входят аспиранты Веллингтон Пауло де Оливейра и Фелипе Барбоса Венансио де Фрейтас, используют сложные числовые модели, чтобы лучше понять изменения в палеомагнитном поле Земли и причины их возникновения. Они исследовали геологический интервал, где наблюдается необычно большое количество палеомагнитных инверсий (эта высокая скорость инверсии составляет около 6 инверсий на миллион лет).Гиперзона смешанной полярности Иллварра возникла между 267 и 229 миллионами лет назад, и команда собрала подробный набор данных палеомагнитной информации, включая полярность магнитного поля (ориентацию северного и южного полюсов осевого диполярного поля Земли) и палеосекулярные вариации. (долгосрочные временные вариации магнитного поля Земли в локальном, региональном и глобальном масштабах) на протяжении этого периода.

Магнитное поле Земли больше похоже на осевой диполь (с противоположными северным и южным полюсами).

Исследователи сравнили этот период частых геомагнитных инверсий с другими периодами, когда было отмечено такое же количество инверсий. Они обнаружили, что движение магнитных полюсов во времени, возможно, контролируется тем, насколько магнитное поле Земли структурировано как осевой диполь. Большая часть магнитного поля Земли является частью дипольной структуры (один северный полюс и один южный полюс), однако существуют дополнительные сложные процессы, которые иногда вызывают небольшие изменения магнитного поля, что означает, что меньшая часть общей структуры похожа на диполь, и может быть даже несколько полюсов.Команда отметила, что эти периоды геологического времени, которые регистрировали более высокую скорость геомагнитных инверсий, происходили, когда осевая дипольная структура магнитного поля Земли была слабее — что также совпадает с более высоким тепловым потоком на границе ядро-мантия — с большим количеством этих вариаций. в его общей структуре.

Что вызывает геомагнитные инверсии?
Целью доктора Франко и его команды было достичь лучшего понимания того, как геомагнитные инверсии и палеосекулярные вариации развиваются в зависимости от температурного градиента.Это давно стало предметом споров среди геологов, изучающих инверсии палеомагнитного поля. Неясно, как палеосекулярные вариации происходят из-за изменений в самом ядре Земли, а также из-за их связи с отводом тепла из ядра и перемещением через границу между ядром Земли и мантией.

Команда использовала свою численную модель для изучения взаимосвязи между тепловым потоком на границе ядра и мантии (сколько тепла перемещается из внешнего ядра в нижнюю мантию) и тем, насколько магнитное поле Земли похоже на дипольную структуру.

«Прошлое — ключ к настоящему» — важная концепция для геологов. Информация из геологической истории Земли может помочь объяснить современную Землю и то, что мы можем ожидать в будущем.

Исследователи обнаружили, что при меньшей передаче тепла от ядра к мантии магнитное поле Земли ведет себя больше как осевой диполь (с противоположными северным и южным полюсами), и поэтому магнитное поле реверсируется реже при меньшем тепловом потоке. . И наоборот, когда тепловой поток на границе ядро-мантия увеличивается, происходит более высокая скорость инверсий магнитного поля Земли, поскольку ее структура становится менее похожей на диполь.Это говорит о том, что в геологические периоды времени, когда наблюдается высокая скорость геомагнитных инверсий, таких как гиперзона смешанной полярности Иллварра, происходит большее перемещение тепла от ядра Земли в ее мантию.

Важность палеомагнетизма сегодня
Сложные численные модели, такие как та, которую использовал доктор Франко и его команда, которые используются для лучшего понимания структуры магнитного поля Земли, динамо-машины, которая управляет геомагнетизмом и палеосекулярными вариациями, являются относительно недавним научным прорывом. .Это невероятно сложные системы, которые оказывают огромное влияние на жизнь на Земле. Идея «прошлое — ключ к настоящему» — важная концепция для геологов, когда информация из геологической истории Земли изучается в надежде понять, что происходит на Земле сегодня и что мы можем ожидать в будущем. Колебания магнитного поля Земли влияют на всех нас, и поэтому, если мы сможем начать понимать, как такие особенности, как блуждающий в настоящее время северный магнитный полюс, могут иметь значение для общей структуры магнитного поля Земли и что может вызывать эти изменения, мы можем стать лучше. подготовлен к будущим колебаниям невидимого щита Земли.

Личный ответ

Как вы думаете, почему так важно понимать, как может изменяться магнитное поле Земли?

Важность понимания того, как геомагнитное поле может меняться на протяжении геологических эпох, может особенно пролить свет на следующие три момента:

1. Как он меняет полярность;
2. Какие геодинамические механизмы могут быть задействованы, и временные рамки их работы; и
3. Магнитное поле Земли обеспечивает важный щит для жизни — магнитосферу — от частиц высокой энергии, которые приходят с Солнца и из космоса.

Есть надежные доказательства того, что напряженность поля может уменьшаться во время геомагнитных инверсий, что, вероятно, также влияет на магнитосферу. Вот почему важно распознавать «признаки» геомагнитной инверсии и связанные с ней механизмы.

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 правил , пропитанных 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, переданных 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 Purcell Electricity and Magnetism , которая недавно была переиздана в третьем издании. (Второе издание отлично подойдет, если вы найдете копию.)

Краткий эвристический набросок идеи выглядит следующим образом. 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 $.Мы видим, что из-за всех этих зарядов на $ q $ будет некоторая электростатическая сила.

Но давайте попробуем что-нибудь безумное — давайте перейдем к системе отсчета $ q $. В конце концов, законы физики должны соблюдаться со всех точек зрения. Ясно, что заряды, составляющие ток, в этой системе координат будут двигаться быстрее. Но это мало что дает, поскольку в конце концов кулоновская сила явно не заботится о скорости зарядов, а только об их разделении. Но специальная теория относительности говорит нам о другом.2} $, где $ v $ — скорость $ q $ в исходном кадре. Это знаменитое сокращение длины, предсказанное специальной теорией относительности.

Если текущие заряды окажутся 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 $ таким образом, 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. .

физиков рассчитали совершенно новый способ создания сверхсильных магнитных полей

Исследователи предложили новый способ использования лазеров для генерации магнитных полей, которые, по крайней мере, на порядок сильнее, чем все, что мы в настоящее время можем произвести на Земле.

В природе такие сверхсильные поля существуют только в космосе, и они могут быть ключом к использованию чистой энергии ядерного синтеза и моделирования астрофизических процессов в лаборатории.

Это захватывающий материал, но до сих пор физики использовали только теоретические расчеты, чтобы показать, что метод может работать, и он еще не был экспериментально подтвержден по уважительной причине — в настоящее время у нас нет лазеров, достаточно мощных для тестирования. это из.

Но на бумаге эта предпосылка работает благодаря так называемому эффекту Фарадея, который является результатом странного взаимодействия между светом и магнитным полем.

Это немного сложно, но в основном эффект Фарадея относится к тому факту, что если электромагнитная волна, такая как видимый свет, проходит через немагнитную среду, то ее плоскость поляризации будет вращаться в присутствии постоянного магнитного поля. поле.

Если немного подробнее, то когда свет поляризован, это означает, что все световые волны колеблются в одной плоскости. Но угол этой плоскости можно поворачивать.

И из-за эффекта Фарадея, когда свет проходит через среду, плоскость поляризации будет вращаться в соответствии с постоянным магнитным полем.

При чем здесь лазеры? Что ж, побочный эффект эффекта Фарадея заключается в том, что если вы вмешаетесь с поляризацией видимого света, проходящего через магнитную среду, он будет генерировать магнитное поле.

Чем сильнее электромагнитная волна, тем выше магнитное поле, которое она может создать, поэтому, если вы используете действительно сильные лазеры, вы сможете создать действительно крутое поле .

Это идея, над которой физики играли еще в 1960-х годах, но причина, по которой она никуда не делась, заключается в том, что эффект Фарадея также требует, чтобы произошло поглощение — то, что обычно происходит при столкновении электронов.

Как только вы достигнете определенной интенсивности лазера, электроны станут ультрарелятивистскими, что означает, что они сталкиваются намного реже, и обычное поглощение в конечном итоге перестает происходить.

Из-за этого исследователи предположили, что лазер, достаточно мощный для создания сверхсильного магнитного поля, также остановит процесс поглощения, который аннулирует эффект Фарадея.

Но теперь исследователи из России, Италии и Германии выдвинули гипотезу, что при очень высоких интенсивностях лазерных волн поглощение может эффективно обеспечиваться радиационным трением, а не столкновениями электронов.

И этот специфический тип трения, по крайней мере на бумаге, может привести к генерации сверхсильного магнитного поля.

Согласно расчетам команды, достаточно мощный лазер способен создавать магнитные поля силой в несколько гига-Гаусс (Гаусс — единица измерения магнитных полей).

Чтобы представить это в перспективе, гига-Гаусс равен 10 ⁹ Гаусс, или 1 000 000 000 Гаусс. Безумно сильное магнитное поле, создаваемое аппаратом МРТ, может достигать только 70000 Гаусс, тогда как поверхность нейтронной звезды составляет около 10 ¹² Гаусс.

Магнитные поля, которые мы можем создать в лаборатории сегодня, составляют около 10 ⁸ Гаусс — и им сложно эффективно контролировать ядерный синтез в течение длительных периодов времени, и именно здесь этот новый метод пригодится.

Это также позволило бы исследователям воссоздать безумно сильные магнитные условия в космосе внутри лаборатории.

«Новое направление исследований — лабораторная астрофизика — появилось сравнительно недавно, и сейчас оно очень быстро развивается, — сказал один из исследователей Сергей Попруженко из Московского инженерно-физического института в России. «Наша работа представляет особый интерес, потому что открывает новые возможности в этой области».

Задача состоит в том, чтобы экспериментально проверить эту новую технику, чтобы увидеть, работает ли она в реальной жизни, как на бумаге.Но хотя Попруженко прогнозирует, что мы сможем сделать это в «ближайшем будущем», нам нужно подождать, пока у нас не будет достаточно мощного лазера.

Хорошая новость заключается в том, что три из них сейчас строятся в рамках европейского проекта Extreme Light Infrastructure, который строится в Чехии, Румынии и Венгрии, так что мы уже добиваемся прогресса.

«Эти лазерные установки будут способны достигать интенсивностей, необходимых для генерации сверхсильных магнитных полей за счет радиационного трения, а также для наблюдения многих других фундаментальных эффектов сильного поля», — сказал Попруженко.

Исследование было опубликовано в New Journal of Physics.

Генерация магнитного поля Земли

Генерация магнитного поля Земли

Хотя магнитное поле Земли похоже на магнитное поле стержневого магнита, мы должны найти другое объяснение происхождения поля. Постоянные магниты не могут существовать при температурах ядра Земли. Мы также знаем, что у Земли было магнитное поле в течение сотен миллионов лет.Однако мы не можем просто приписать существование нынешнего геомагнитного поля какому-либо событию в далеком прошлом. Магнитные поля распадаются, и мы можем показать, что существующее геомагнитное поле исчезло бы примерно через 15 000 лет, если бы не было механизма его постоянной регенерации.

Было предложено множество механизмов, объясняющих, как генерируется магнитное поле, но единственный механизм, который сейчас считается правдоподобным, аналогичен динамо-машине или генератору — устройству для преобразования механической энергии в электрическую.Чтобы понять, как динамо-машина будет работать в контексте Земли, нам нужно понять физические условия внутри Земли.

Земля состоит из слоев: тонкой внешней коры, силикатной мантии, внешнего ядра и внутреннего ядра. И температура, и давление увеличиваются с глубиной внутри Земли. Температура на границе ядра и мантии составляет примерно 4800 ° C, что достаточно для того, чтобы внешнее ядро ​​могло существовать в жидком состоянии. Однако внутреннее ядро ​​прочное из-за повышенного давления.Ядро состоит в основном из железа с небольшим процентом более легких элементов. Внешнее ядро ​​находится в постоянном движении из-за вращения Земли и конвекции. Конвекция вызывается восходящим движением легких элементов, когда более тяжелые элементы налипают на внутреннее ядро.

Земля изнутри

Фактический процесс создания магнитного поля в этой среде чрезвычайно сложен, и многие параметры, необходимые для полного решения математических уравнений, описывающих проблему, плохо известны.Однако основные понятия несложны. Для возникновения магнитного поля должны быть выполнены несколько условий:

1. должна быть токопроводящая жидкость;
2. должно быть достаточно энергии, чтобы заставить жидкость двигаться с достаточной скоростью и с соответствующей структурой потока;
3. должно быть «затравочное» магнитное поле.