устройство из Российского квантового центра
После того как врач произносит «Давайте снимем кардиограмму!», вы уже направляетесь к кушетке и собираетесь снимать ботинки и рубашку, чтобы медсестра смогла закрепить на груди и конечностях десяток электродов. Но все оказывается совсем не так: вы подходите к соседнему столу, рядом с которым на держателе закреплена небольшая коробочка. Проходит несколько секунд — и все, кардиограмма снята. Никаких кушеток, никаких проводов, никаких электродов.
Да и сама эта кардиограмма тоже непроста: с ее помощью врач может более чем за сутки обнаружить признаки скорого инфаркта, может увидеть признаки бессимптомно протекающей ишемической болезни сердца. По своей информативности такая коробочка может дать результат, сопоставимый с возможностями самого дорогого и сложного диагностического комплекса — позитрон-эмиссионного томографа. Это картина из совсем близкого будущего: уже сейчас в лабораториях Российского квантового центра ученые работают над действующими прототипами магнитных сенсоров, которые в будущем смогут слушать не только сердце, но, возможно, и мозг.
От токов к полям
Изобретение электрокардиографии (ЭКГ) в конце XIX — начале XX века впервые позволило медикам в прямом эфире наблюдать за работой сердца. Электрические токи, проходящие по сердцу по мере его сокращений, отражались на фотопленке (а потом на бумаге) в виде чередований пиков — их форма могла указывать на ишемическую болезнь сердца, на другие типы поражений. Однако у ЭКГ при всем ее удобстве были и остаются существенные недостатки. Например, с ее помощью мы можем регистрировать не все токи, а только те, которые текут в сторону электродов, снимающих показания. Кроме того, ЭКГ фиксирует не сами токи напрямую, а разницу потенциалов на коже, которые связаны с токами сердца лишь опосредованно. В результате у ЭКГ возникают «слепые зоны», участки сердечной мышцы, состояние которых не видно или видно недостаточно хорошо в общепринятой электрокардиографии. Из-за этого медики не могли, например, обнаруживать некоторые типы «бессимптомной» ишемической болезни сердца и некоторые другие патологии.
В 1963 году двое американских ученых — Герхард Боул и Ричард Макфи — попытались впервые обойти эту проблему и уловить не разность потенциалов на коже, а магнитные поля, которые порождаются непосредственно токами в сердечной мышце. Они использовали магнитные катушки с металлическими сердечниками, но результаты оказались более чем скромными: индукция магнитного поля, которое генерируют биотоки, составляет лишь 10−14−10−10 Тл (для сравнения: величина магнитного поля Земли около 5•10−5 Тл). Поэтому на первой стадии ученые фиксировали в основном шумы. Ситуация улучшилась, когда магнитокардиограмму попытались снять в специальной комнате, изолированной от внешних магнитных полей, но в клинический метод МКГ превратилась только с появлением СКВИДов (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device), сверхпроводящих магнитных датчиков, которые фиксировали сверхслабые магнитные поля (до 1014 Тл) благодаря квантовому эффекту Джозефсона.
История клинической практики магнитокардиографии не была простой — многие врачи ранее заявляли, что этот метод не дает существенного улучшения диагностики по сравнению с ЭКГ. Однако последние данные, в особенности японских медиков, где магнитная диагностика распространена шире, указывают, что МКГ дает существенные преимущества.
СКВИДы позволили создать первые медицинские кардиографы, пригодные для широкого использования в клинической практике. Однако даже современные приборы такого типа крайне дороги (они стоят около $1−1,5 млн), для их работы требуется, чтобы датчики, джозефсоновские контакты, находились в сверхпроводящем состоянии. А это означает, что магнитокардиографы требуют сложной и дорогой криогенной системы, работающей с жидким гелием. Эти устройства сопоставимы по сложности и дороговизне с компьютерным томографом, и при всех своих преимуществах они вчистую проигрывают обычной электрокардиографии, поскольку та значительно дешевле и проще.
Дешево и чувствительно
Группа ученых из Российского квантового центра (РКЦ) нашла способ решить эту проблему: они создали высокочувствительные магнитные сенсоры, способные работать при комнатной температуре, компактные и в сотни раз более дешевые, чем техника на базе СКВИДов. «Мы используем квантовый эффект — обменное взаимодействие в тонких пленках из ферримагнетиков, состоящих из железа и редкоземельных металлов», — говорит доктор физико-математических наук Владимир Белотелов, руководитель группы «Магнитооптика, плазмоника и нанофотоника» РКЦ, доцент кафедры фотоники и физики микроволн физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Ферримагнетики — «промежуточный» материал между ферромагнетиками и антиферромагнетиками. Если в ферромагнитном материале магнитные моменты атомов за счет квантового обменного взаимодействия выстраиваются в одном направлении (так получаются постоянные магниты), а в антиферромагнетиках магнитные моменты соседних атомов направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга, то в ферримагнетиках они компенсируются лишь частично.
Сенсоры, которые создает группа Владимира Белотелова, сделаны из монокристаллической пленки феррит-граната R3Fe5O12 (R обозначает редкоземельный элемент). Чтобы детектировать внешнее магнитное поле, магнитные моменты атомов в этой пленке раскручивают управляющими катушками до частоты в сотни килогерц. В результате в пленке возникают миллиарды согласованно вращающихся и прецессирующих «волчков» — атомов. «Если сенсоры оказываются во внешнем магнитном поле, даже очень слабом, то оно порождает асимметрию в этой прецессии. Возникающая асимметрия и регистрируется — либо самими катушками, в которых появляются так называемые кратные гармоники, либо с помощью лазера», — объясняет Владимир Белотелов. Второй метод точнее, но и сложнее: прецессия намагниченности меняет поляризацию отраженного от пленки лазерного луча. Этот метод обеспечивает вполне достаточную чувствительность для магнитокардиографии — 10−11−10−13 Тл. Сейчас ученые работают над проектом, поддержанным Российским научным фондом (РНФ), который так и называется «Сверхчувствительные сенсоры магнитного поля для магнитокардиографии».
Сенсор такого типа уже создан, но на пути к серийному производству предстоит еще много сделать: нужно, например, заставить сенсоры не «слышать» магнитное поле Земли, поля электрических и электронных приборов — весь тот магнитный шум, который нас постоянно окружает. Для этого датчики будут работать в группе. Поле сердца гораздо сильнее зависит от точки в пространстве (оно более неоднородно), чем магнитный шум. Поэтому картина с группы сенсоров позволяет после математической обработки «вычесть» помехи. Но сперва нужно откалибровать датчики, научить их работать хотя бы в «тепличных условиях».
Тепличные условия в данном случае — это гигантский металлический контейнер с дверью 10-сантиметровой толщины. Это расположенная в полуподвале здания Российского квантового центра безмагнитная камера, внутри которой три человека и экспериментальное оборудование изолированы от магнитного поля Земли. По словам Владимира Белотелова, магнитоизолирующая камера ослабляет внешнее поле примерно в тысячу раз. Ученые уже пытаются снять магнитную кардиограмму у крыс: крысу, предварительно усыпив, укладывают на доску, в которой находится датчик. Начинается эксперимент: ученые параллельно снимают «обычную» и магнитную кардиограмму. «Это только первый шаг, нам еще нужно научиться отсекать помехи и шумы, очищать полезный сигнал, но мы рассчитываем, что уже через пару лет у нас будет готовый к производству прибор», — говорит Владимир Белотелов.
По своей информативности эта коробочка может дать результат, сопоставимый с возможностями сложного диагностического комплекса — позитрон-эмиссионного томографа.
Сердце и мозг
Однако ученые не планируют останавливаться на достигнутом. Группа Белотелова уже работает над еще более чувствительными сенсорами — с использованием плазмонов. Если на монокристаллическую магнитную пленку нанести тонкий слой металла с прорезями, то при взаимодействии с лазерным излучением на границе двух сред возникают плазмон-поляритоны — квазичастицы, представляющие собой устойчивые коллективные колебания электронного газа, взаимодействующего с фотонами электромагнитного поля. «Поляритоны очень чувствительны к изменению магнитного поля», — говорит Белотелов. По его словам, использование этой технологии позволит решить значительно более сложную задачу, нежели создание магнитокардиографа, — магнитоэнцефалографию (МЭГ), то есть считывание колебаний магнитного поля, порождаемого очень слабыми токами в мозгу.
Сейчас для регистрации этих слабых токов используется электроэнцефалография (ЭЭГ), но она имеет те же недостатки, что и ЭКГ: по электрическим потенциалам на коже головы нужно восстановить, какие токи протекают в глубине мозга. Можно, конечно, вживить электроды прямо в мозг — такой метод иногда используется в научных экспериментах (например, для управления протезами), но этот способ вряд ли подходит для рутинных обследований. Умение более точно регистрировать электрические токи в мозге открывает массу возможностей — от создания действительно удобных интерфейсов «мозг-компьютер» и «чтения мыслей» до массы медицинских применений. Плазмонные датчики могут обеспечить необходимое для этого микронное пространственное разрешение, но за это надо будет платить снижением чувствительности. «Чтобы шагнуть в сторону магнитоэнцефалографии, нам нужно поднять чувствительность датчиков на три порядка величины. Это задача, над которой мы сейчас думаем», — говорит Владимир Белотелов.
Как работает сенсор на основе ферримагнетика
Феррит-гранатовая пленка на предметном столике микроскопа. Это основа сверхчувствительных сенсоров магнитного поля
Основной элемент сенсора — пленка из ферримагнетика. Для создания сенсоров используют феррит-гранат с ионами редкоземельных металлов, например иттрия, лютеция или тулия. Монокристаллическую пленку феррит-граната выращивают с помощью метода эпитаксии на специальной подложке из галлий-гадолиниевого граната. Кристаллическая подложка отличается тем, что почти не имеет дефектов, это «самый правильный» кристалл, известный сегодня. В результате выращенная пленка лишена неоднородностей.
Монокристалл феррит-граната
Чтобы сделать сенсор, нужно создать на поверхности пленки специальный рельеф — это непростая задача, поскольку пленка отличается исключительной твердостью. Полученный квадрат пленки размером в десяток миллиметров помещают внутрь управляющих катушек, которые создают вращающееся с частотой в сотни килогерц внешнее магнитное поле. Оно заставляет намагниченность этой пленки тоже описывать круг. В результате магнитные моменты миллиардов атомов начинают вращаться в унисон. Если сенсор оказывается даже в очень слабом внешнем магнитном поле, то в этом вращении возникает асимметрия, появляются гармоники, которые регистрируются самими управляющими катушками. Еще большей чувствительностью обладает метод регистрации с помощью лазерного луча: колебания намагниченности меняют интенсивность отраженного лазерного излучения.
Схема сверхчувствительных сенсоров магнитного поля
Работа для ферримагнетика
Возможные применения сверхчувствительных магнитных сенсоров вовсе не ограничиваются медицинскими приборами, отмечает коллега Белотелова, Петр Ветошко, предложивший использовать для сенсоров пленки феррит-граната.
По его словам, один из возможных вариантов использования — дефектоскопия. Сенсоры могут чувствовать очень слабые вариации намагниченности, возникающие на микроскопических трещинах в металле. Сейчас для магнитной диагностики металлических конструкций используются сенсоры на базе СКВИДов, поэтому это достаточно дорогой метод исследования (его используют, в частности, для поиска дефектов в конструкциях космических аппаратов). Применение сенсоров на базе феррит-гранатов может сделать этот способ дефектоскопии значительно доступнее.
Магнитные сенсоры могут использоваться в системах передачи информации, например, на подводные лодки с помощью так называемых сверхнизкочастотных магнитных волн.
Кроме того, магнитные сенсоры могут решить проблему обмена данными с электроникой буровых снарядов. Данные на буровой снаряд, который находится на глубине в несколько километров под землей, нельзя передавать с помощью проводов — никакие кабели не выдерживают нагрузок. Сейчас для этого используются колебания давления в буровой жидкости — специальный клапан создает их, а датчик давления преобразует их в электрические сигналы. Однако скорость передачи данных при этом не превышает одного бита в секунду. Магнитные сенсоры могут решить эту проблему, значительно повысив скорость передачи информации.
Высокочувствительные магнитные сенсоры можно использовать в металлодетекторах. Причем, если современные «рамки» генерируют магнитные поля и по отклику находят крупные скопления металла, чувствительные сенсоры способны обнаруживать металлические предметы в пассивном режиме. При этом по конфигурации магнитных полей можно даже отличать предметы друг от друга — например, мобильный телефон от пистолета. Возможно, сенсоры пригодятся и фундаментальной физике. «Сейчас мы работаем над проектом, в рамках которого будем измерять чувствительность феррит-гранатового сенсора при температурах жидкого гелия. Теория предсказывает, что он должен стать гораздо чувствительнее СКВИДа. А это открывает возможность создания высокочувствительных антенн, например, для поиска гравитационных волн», — говорит Петр Ветошко.
Древнее магнитное поле и последние данные «Мессенджера». Возраст магнитного поля Меркурия составляет почти 4 миллиарда лет
«Суть работы в том, что магнитное поле у Меркурия есть уже очень давно. Раньше ученые не имели понятия о том, когда оно возникло. Теперь данные аппарата «Мессенджер» позволили выяснить, что оно появилось не позднее, чем 3,7 — 3,9 миллиарда лет назад», — рассказал «Чердаку» один из авторов статьи Николай Цыганенко, доцент кафедры физики Земли физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.Первые три года «Мессенджер» обращался вокруг планеты, подходя к ней в самой низкой точке орбиты на 200 километров, затем эту высоту снизили примерно до 100 километров, а в последние месяцы его существования — до 30—40 километров. «Это позволило детально измерить магнитное поле и выяснить, что существует древняя остаточная намагниченность коры планеты. Полученный результат означает, что в период формирования этой поверхности — по данным планетохимии Меркурия и статистики кратеров на его поверхности, это происходило около четырех миллиардов лет назад, — магнитное поле планеты уже существовало и оставило свой «отпечаток» в застывающей магме в виде остаточного поля», — рассказал ученый.
Магнитное поле возникает из-за того, что радиоактивный распад и связанное с ним выделение тепла, в сочетании с суточным вращением планеты, вызывают в ее ядре перемешивание вещества (конвекцию). Благодаря высокой электропроводности ядра, состоящего из расплавленного железа, в нем возбуждаются электрические токи, которые порождают магнитное поле. Поле, в свою очередь, усиливает и поддерживает возникшие токи. В Солнечной системе собственные магнитные поля есть у большинства планет. Лишены их только Марс и Венера, и ученые до сих пор точно не знают почему. Возможно, ядра этих планет уже остыли и в них нет расплавленной части.
Магнитное поле Меркурия сравнительно невелико, во много раз слабее земного. Магнитное поле Земли защищает нашу планету от солнечного ветра — потока заряженных частиц, истекающих из Солнца, отклоняя их на расстоянии около 60 тысяч километров от планеты. Для Меркурия это расстояние составляет всего около 1100 километров. Поэтому при сильных вспышках на Солнце и связанных с ними выбросах вещества солнечный ветер может достигать его поверхности. Еще одна особенность магнитного поля Меркурия — центр его симметрии заметно смещен к южному полюсу планеты, отметил Цыганенко.
Основная работа по изучению остаточного поля коры планеты была выполнена Кэтрин Джонсон (Catherine Johnson) из университета Британской Колумбии в Ванкувере (Канада). «Моя роль — в сотрудничестве с Хайе Кортом (Haje Korth) из лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса в Лореле (США) — состояла в построении математической модели магнитного поля Меркурия по данным измерений на аппарате «Мессенджер», — пояснил Цыганенко. — Модель позволила выделить из измерений вклад собственного поля Меркурия, «очистив» его от возмущающих эффектов солнечного ветра».
«Мессенджер» отправился к Меркурию в 2004 году, вышел на орбиту планеты в 2011 году и работал на ней, пока не закончилось топливо для маневров. Аппарат размером около трех метров разбился о поверхность Меркурия 30 апреля на скорости около 14 тысяч километров в час и, по расчетам, оставил на поверхности планеты воронку диаметром 15—20 метров.
Работа с результатами исследования опубликована в журнале Science.
Екатерина Боровикова
Магнитное поле и его свойства
Магнитное поле это материя, которая возникает вокруг источников электрического тока, а также вокруг постоянных магнитов. В пространстве магнитное поле отображается как совокупление сил, которые способны оказать воздействие на намагниченные тела. Это действие объясняется наличием движущих разрядов на молекулярном уровне.
Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле. Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.
Свойства магнитного поля:
1. Магнитное поле возникает под воздействие движущих зарядов электрического тока.
2. В любой своей точке магнитное поле характеризуется вектором физической величины под названием магнитная индукция, которая является силовой характеристикой магнитного поля.
4. Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа
5. Магнитное поле измеряется только специальными приборами и не может быть воспринятым органами чувств человека.
6. Магнитное поля является электродинамическим, так как порождается только при движении заряженных частиц и оказывает влияние только на заряды, которые находятся в движении.
7. Заряженные частицы двигаются по перпендикулярной траектории.
Размер магнитного поля зависит от скорости изменения магнитного поля. Соответственно этому признаку существуют два вида магнитного поля: динамичное магнитное поле и
Магнитный момент возникает в том случае, когда магнитное поле воздействует на токопроводящую раму. Другими словами, магнитный момент это вектор, который расположен на ту линию, которая идет перпендикулярно раме.
Магнитное поле можно изобразить графически с помощью магнитных силовых линий. Эти линии проводятся в таком направлении, так чтобы направление сил поля совпало с направлением самой силовой линии. Магнитные силовые линии являются непрерывными и замкнутыми одновременно.
Направление магнитного поля определяется с помощью магнитной стрелки. Силовые линии определяют также полярность магнита, конец с выходом силовых линий это северный полюс, а конец, с входом этих линий, это южный полюс.
Очень удобно наглядно оценить магнитное поле с помощью обычных железных опилок и листка бумаги.
Если мы на постоянный магнит положим лист бумаги, а сверху насыпим опилок, то частички железа выстроятся соответственно силовым линиям магнитного поля.
Направление силовых линий для проводника удобно определять по знаменитому правилу буравчика или правилу правой руки. Если мы обхватим проводник рукой так, чтобы большой палец смотрел по направлению тока(от плюса к минусу), то 4 оставшиеся пальцы покажут нам направление силовых линий магнитного поля.
А направление силы Лоренца — силы, с которой действует магнитное поле на заряженную частицу или проводник с током, по правилу левой руки.
Если мы расположим левую руку в магнитном поле так, что 4 пальца смотрели по направлению тока в проводнике , а силовые линии входили в ладонь, то большой палец укажет направление силы Лоренца, силы действующей на проводник помещенный в магнитное поле.
На этом собственно всё. Появившиеся вопросы обязательно задавайте в комментариях.
Заметка: учите инглиш? — рейтинг школ английского языка (http://www.schoolrate.ru/) будет вам полезен при выборе.
Если материал был полезен, вы можете отправить донат или поделиться данным материалом в социальных сетях:
Тюменский индустриальный университет » Профессор Аркадий Дмитриев о природе магнитного поля Земли
Профессор Аркадий Дмитриев о природе магнитного поля Земли
26.04.2021
В Год науки и технологий мы продолжаем рассказывать об известных профессорах и молодых учёных ТИУ, чьи имена прославляют университет на весь мир, об их уникальных разработках. Согласно плану научных мероприятий и заявленной темой апреля «Освоение космоса», мы публикуем в рубрике «Интеллектуальный марафон «Люди, посвятившие себя науке» статью о профессоре Аркадии Дмитриеве и его исследованиях по созданию термоэлектрической модели магнитного поля Земли.
В научных кругах Аркадий Дмитриев известен как специалист в области наук о Земле. В середине восьмидесятых годов ХХ века он разработал технологию поиска месторождений нефти и газа геофизическим методом. Эта технология ему помогла открыть северо-восточную часть нефтяного Приобского месторождения. Также он предложил элементы теории электрохимического образования сульфидных руд, повысив тем самым эффективность поисков и расшифровку генезиса гидротермальных месторождений. Метод Дмитриева стал основополагающим и был рекомендован для распространения по всему Советскому Союзу.
Последние пять лет доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры Прикладной геофизики ТИУ Аркадий Дмитриев работает над научно-экспериментальными исследованиями по созданию термоэлектрической модели магнитного поля Земли и других планет Солнечной системы.
Термоэлектрическая модель магнитного поля Земли Дмитриева
В 1915 году Альберт Энштейн выделил пять вопросов, важных для учёных всего мира, один из них – изучение магнитного поля Земли. Если кто-то изучит, освоит, поймёт это явление – это будет невероятное событие в науке, говорил он.
Впервые объяснить существование магнитных полей Земли и Солнца попытался Дж. Лармор в 1919 году, предложив концепцию динамо, согласно которой поддержание магнитного поля небесного тела происходит под действием гидродинамического движения электропроводящей среды.
Сорок с лишним лет Аркадий Дмитриев изучал все модели, предложенные американскими, европейскими, японскими специалистами в области магнитного поля. Термоэлектрическая модель Дмитриева, по его словам, достаточно проста, теория базируется на эффекте Зеебека и предусматривает направленное движение электрических токов в металлическом ядре Земли.
«Я взял в проработку все физические процессы, которые присутствуют в космосе. Наткнулся на эффект Зеебека, который заключается в том, что если к металлу (пруту) приложить с одной стороны свечку, с другой холод, то по нему побежит электрический ток, — рассказывает Аркадий Николаевич. — Я начал размышлять. Необходимые условия создаются в ядре Земли, состоящем в основном из железа и никеля при температуре порядка 4-6 тысяч кельвинов. Прикладываем эффект Зеебека – раз металл есть, значит, при разности температур электроны должны двигаться направленно от горячо нагретой части ядра к его более холодной, вследствие чего возникает электрический ток, который и приводит к возникновению магнитного поля».
Совмещение Закона термодинамики и эффекта Зеебека позволило учёному вывести и предложить первоначальную модель, на разработку механизма которой было потрачено еще много лет. Многие промежуточные достижения он подтверждал открытиями других учёных.
Откуда у Земли магнит
Магнитное поле защищает поверхность Земли от солнечного ветра и вредного космического излучения. При отсутствии магнитного поля наша атмосфера разрушилась бы. Как формируется магнитное поле и откуда в Земле магнит, профессор Дмитриев поясняет: «Меня всегда интересовали физические поля нашей планеты, тем более я как геофизик обязан применять гравитационное, магнитное, тепловое поля на практике с помощью приборов. В 70-е годы прошлого столетия меня заинтересовала книга японского астрофизика по электромагнитному полю Земли. Итальянский учёный Анзелини открыл интересное явление – теоретически рассчитал и обнаружил, что внутреннее ядро, состоящее из двух частей: внешнего – расплавленного и внутреннего – твёрдого, постепенно остывает. Другие учёные подтвердили динамику температуры. Ядро находится в динамическом температурном режиме, следовательно, обязательно должны появиться термоэлектрические токи в ядре, причем направленные».
Почему на Земле меняются полюса магнитного поля
Земля меняет свои магнитные полюса местами – северный становится южным, и наоборот. Инверсии магнитного поля происходили через интервалы времени от десятков тысяч лет до огромных промежутков спокойного магнитного поля в десятки миллионов лет, когда инверсии не происходили. В настоящее время северный полюс, по словам профессора Дмитриева, стремительно движется от Канады в сторону России, в то время как южный остаётся малоподвижным.
«Эти процессы циклические и неуправляемые. Всё зависит от внутренних свойств планеты. В представлении обывателя ось жёсткая, следовательно, полюсы должны стоять на месте, — говорит Аркадий Николаевич. — Я доказал обратное. Магнитная ось не является жёсткой, она гибкая и связана с неоднородным распределением электронов за счёт асимметрии центробежной силы. Наша Земля наклонена к орбите, и если посмотреть на ее разрезы, параллельные эклиптике, то можно заметить, что западная часть северного полушария и восточная часть южного полушария более подвержены влиянию центробежной силы. Таким образом, происходит оттягивание электронов от оси вращения планеты, в результате чего образуется смещенная примерно на 11
Проблему смены полюсов Дмитриев объяснил через реверс токов, который происходит от холодной части ядра к более нагретой и, наоборот, за счет их поочередного перегрева джоулевым теплом. Тем самым, он нашёл ответы на вопросы, на которые теория магнитогидродинамо, разрабатываемая на протяжении ста лет, не может доказательно ответить. Также за счет гибкости магнитной оси удается объяснить и ее другие механизмы – экскурсы, джерки.
Материалы на тему научно-экспериментальных исследований по созданию термоэлектрической модели магнитного поля Земли и других планет Солнечной системы Аркадий Дмитриев начал публиковать с 2016 года, больше в зарубежных изданиях. Обоснованность этой модели привлекает ученых, в связи с чем к нему поступают запросы на публикацию статей от редакций ряда журналов Японии, Швейцарии, Швеции, Испании, Финляндии.
«На ближайшее будущее планирую провести лабораторные исследования этого планетарного события. Надеюсь на содружество с научными коллективами, занимающимися подобными задачами и имеющими техническую базу для реализации лабораторного проекта», — отметил Аркадий Дмитриев.
1 мая Аркадий Дмитриев отметит свой 83 день рождения. Он полон сил и идей. Пожелаем же ему крепкого здоровья, долгих лет жизни и новых достижений на благо отечественной науки!
Отдел медиа и внешних коммуникаций
Вконтакте
Google+
Что такое магнетизм? | Goudsmit Magnetics
Кривая BH позволяет получить представление о следующих магнитных свойствах:
Кривая намагничивания (De-) — кривая BH = кривая гистерезиса
При периодически изменяющемся внешнем магнитном поле H намагниченность ферромагнитного материала отражает кривую намагничивания. Начиная с «исходного» материала без чистого намагничивания, синяя кривая появляется при первом приложении поля (см. изображение ниже).
При достижении плотности потока насыщения с напряженностью магнитного поля Hs, намагниченность не увеличивается.
Остаточная напряженность поля BR
Если затем инвертировать поле, намагниченность при напряженности поля H = 0 не уменьшится полностью до нуля. Существует напряженность остаточного поля BRв результате того, что «области Вейса» не вернулись в исходное состояние.
Напряженность коэрцитивного магнитного поля Hc
Только в случае, если внешняя напряженность поля достигла противоположно направленного значения — напряженность коэрцитивного магнитного поля Hc, намагниченность В = 0, и продукт размагничивается. Площадь петли, через которую проходит переменная намагниченность, является мерой потерь. Материалы с низкими значениями Hc и, следовательно, с небольшими гистерезис-петлями называются мягкими магнитными материалами. Если Hc очень большой, они называются твердыми магнитными материалами.
‘Гистерезис’ присутствует в ферромагнитном материале. Это показано на рисунке ниже. Напряженность магнитного поля H показана вдоль оси x, а степень намагниченности (магнитная индукция) B — вдоль оси у. Если магнитное поле отсутствует, намагниченности в начале нет, и мы снова оказываемся в точке начала координат графика.
Если приложить магнитное поле, ферромагнитный материал становится магнитным. Воздействие продолжается до тех пор, пока все «области Вейса» в материале не будут иметь одинаковую ориентацию. Теперь материал имеет максимальную намагниченность, и увеличение магнитного поля не оказывает дальнейшего влияния на степень намагниченности. Если магнитное поле ослабить, области Вейса по большей части сохранят свое положение.
Когда поле становится более отрицательным, общая намагниченность также изменяет направление. Это продолжается до тех пор, пока все спины не будут ориентированы в другом направлении и намагниченность не изменится. Теперь продукт размагничен.
Назад к содержанию
Кривая гистерезиса (кривая BH)
Физики предложили антенну для разработки сверхчувствительных датчиков магнитного поля нового поколения
Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН предложили новую микроволновую антенну, которая создает однородное магнитное поле в большом объеме и позволяет синхронизировать электронные спины группы дефектов в структуре наноалмаза. Это можно использовать при создании сверхчувствительных магнитных сенсоров нового поколения для применения в магнитоэнцефалографии при изучении и диагностики эпилепсии и других заболеваний. Результаты опубликованы в журнале JETP Letters.
Изучение характеристик магнитного поля необходимо во многих отраслях: от навигации до медицины. Например, магнитоэнцефалография позволяет зарегистрировать магнитные поля, возникающие при работе мозга, а также измерить активность отдельных нейронов. Этот метод используется при диагностике ряда заболеваний, включая эпилепсию и болезнь Альцгеймера, или при подготовке к операциям на головном мозге. Однако для магнитоэнцефалографии нужны сверхчувствительные магнитометры – приборы, которые фиксируют характеристики даже очень слабых магнитных полей.
Ученые постоянно ищут новые способы создания сверхчувствительных магнитометров нового поколения. Такие устройства должны работать при комнатной температуре, малых входных мощностях, быть компактными и обладать низкой стоимостью. Одним из перспективных вариантов является использование дефектов в наноалмазах. Наноалмазы – это углеродные наноструктуры с высоким показателем преломления и высокой теплопроводностью, которые почти не взаимодействуют с другими веществами и могут содержать сложные дефекты внутренней структуры. Например, NV-центры или центры азот-вакансия.
Антенна для наноалмаза
«Такие дефекты создают искусственно: при удалении атома углерода из кристаллической решетки алмаза, образовавшаяся вакансия связывается с внедренным атомом азота. Уникальность структуры дефекта заключается в том, что электронные спины индивидуального центра манипулируются электромагнитным полями. В зависимости от свойств окружающего микроволнового магнитного поля состояние электронного спина NV-центра меняется, и это можно считывать оптическими методами», – объясняет Дмитрий Зуев, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО.
Тем не менее, отклик одного NV-центра недостаточно силен, поэтому для улучшения чувствительности сенсоров нужно использовать целые группы таких дефектов. При этом возникает проблема: реакцию электронных спинов всех центров в объеме наноалмаза необходимо когерентно синхронизировать. Иными словами, все они должны находиться в микроволновом магнитном поле одинаковой интенсивности, чтобы их отклик был одинаковым.
Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН предложили использовать диэлектрическую микроволновую антенну для одновременного управления электронными спинами NV-центров в большом объеме наноалмаза. Антенна представляет собой диэлектрический цилиндр с внутренним отверстием, возбуждаемый электрическим током. В центр отверстия антенны помещают наноалмаз со множеством NV-центров. При подаче входной мощности порядка 5 Вт, диэлектрический цилиндр создает сильное однородное магнитное поле вокруг наноалмаза. За счет этого электронные спины всех NV-центров синхронизируются одинаково и тем самым обеспечивают высокую чувствительность магнитометров.
Полина Капитанова
«Главным вызовом этой работы было добиться когерентного управления электронными спинами NV-центров во всем объеме коммерчески-доступного образца наноалмаза. Мы предложили использовать для этого антенну на основе диэлектрического резонатора, рассчитали нужные параметры антенны и оценили ожидаемый эффект. Экспериментальные исследования были проведены совместно с научной группой профессора А. В. Акимова в Москве. Мы собрали экспериментальный образец и измерили частоту Раби, которая показывает, с какой периодичностью происходит “переворот” спина. Чем больше эта величина, тем лучше. Мы получили частоту Раби в 10 мегагерц. Такого значения в объемном образце никто еще не показывал экспериментально, это прорывной результат», – отмечает Полина Капитанова, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО.
Измерение частоты Раби – первый шаг на пути к определению чувствительности нового датчика. В планах ученых продолжить эксперименты и теоретические исследования по поиску новых конфигураций антенны, которые обеспечат еще более высокое качество магнитометров.
Работы были выполнены в рамках гранта РНФ № 16-19-10367.
Перейти к содержаниюПостроение мультифизической модели для описания задачи магнитной гидродинамики в COMSOL®
Программный пакет COMSOL Multiphysics® изначально создан для работы с мультифизическими моделями: пользователь может легко и непринужденно сочетать в нем модели разных явлений, относящихся к разным областям физики. Чаще всего это можно сделать с помощью встроенных инструментов программного пакета, однако в отдельных случаях потребуются некоторые дополнительные усилия. Рассмотрим именно последнюю вариацию в контексте построения модели из области магнитной гидродинамики (МГД).
Мультифизическое моделирование магнитной гидродинамики.
Моделирование МГД-процессов — принципиально мультифизическая задача, которая требует задания взаимосвязи между потоком жидкости, электрическим током и магнитными полями. Все эти различные полевые величины можно описать дифференциальными уравнениями в частных производных, которые решаются методом конечных элементов.
Постановка МГД-задачи: в канале между двумя магнитами проводящая жидкость с приложенным электрическим полем.
В качестве примере возьмем относительно простую эталонную задачу (схема показана выше) о несжимаемой проводящей жидкости в непроводящем прямоугольном канале, соединяющем два бесконечных резервуара (не показаны) с одинаковым гидростатическим давлением. Два электрода с обеих сторон канала, на которых создана разность потенциалов, пропускают через жидкость электрический ток. Кроме того, сверху и снизу установлены два круглых магнита. Магниты создают статическое магнитное поле \mathbf{B}, в котором в жидкости, обладающей проводимостью \sigma и движущейся со скоростью \mathbf{v}, возникают индуцированные токи \mathbf{J} = \sigma \left( \mathbf{v \times B}\right) . Помимо этих индуцированных токов присутствуют также токи, возникающие ввиду граничных условий для электрического потенциала V, поэтому суммарный ток в жидкости равен:
\mathbf{J} = \sigma \left( – \nabla V + \mathbf{v \times B}\right)
Этот ток, протекающий через магнитное поле, приводит к возникновению объемной силы, воздействующей на жидкость и равной \mathbf{F = J \times B} , в результате чего жидкость перекачивается из одного резервуара в другой.{-1} \mathbf{(B+B_r)} \right) = \mathbf{0}
где \mathbf{B_r} — остаточная магнитная индукция, которая не равна нулю только в доменах, соответствующих магнитам. Чтобы решить лишь уравнение выше, нужно использовать только узелAmpère’s Law в интерфейсе Magnetic and Electric Fields.
Предполагается, что свойства стенок канала не влияют на э/м поля, поэтому в модели они не учитываются. Для настройки задачи используется определенных набор свойств материала и граничных условий. В качестве граничных условий для магнитного поля используется условие Magnetic Insulation (Магнитная изоляция) на всех внешних границах, кроме плоскости XY, к которой применяется условие Perfect Magnetic Conductor (Идеальный магнитный проводник), чтобы эффективно описать использованную в модели симметрию системы. Области, представляющие собой электроды, должны доходить до самых границ области моделирования, соприкасаясь с границами Magnetic Insulation (Магнитная изоляция), что позволит замкнуть контур с током, обеспечив обратный путь для него. К внешним границам электродов применяются условия Ground (Заземление) и Terminal (Терминал) с опцией Voltage (Напряжение), а условия Electric Insulation (Электрическая изоляция) — к остальным доступным границам.
Кроме того, нам также требуется расчитывать поток жидкости в канале. Предположим, что поток является ламинарным, и, следовательно, будем решать уравнения Навье — Стокса в области канала. В случае турбулентного потока можно выбарать соответствющую модель турбулентности. Условие Open Boundary (Открытая граница) применяется на обоих концах канала, задавая нулевое избыточное давление. Также используется условие Symmetry (Симметрия) в плоскости XY. Расчетная область показана на рисунке ниже.
Иллюстрация расчетной области и граничных условий.
Поток будет обусловлен объемной силой, возникающей в результате взаимодействия электрических токов в жидкости и магнитных полей, которое можно выразить как \mathbf{F = J \times B}. Такое выражение для силы не включено в виде готовой опции в пакет (в интерфейс Magnetic and Electric Fields), так что потребуется немного ручных манипуляций. Чтобы найти встроенные выражения для компонентов плотности тока и магнитного поля, можно активировать режим отображения Equation View и/или сформировать отчет по модели, что описано в одной из статей Базы знаний, посвященной заданию пользовательских мультифизических связей. С помощью этих встроенных выражений можно задать объемную силу, воздействующую на жидкость, как показано на следующем снимке экрана.
Скриншот узла Force с заданным выражением для вычисления компонентов силы.
И наконец, чтобы реализовать обратную связь вычисляемого поля скоростей с электромагнитным расчетом используем уже упомянутое ранее условие Velocity (Lorentz Term) в интерфейсе Magnetic and Electric Fields, как показано на следующем скриншоте. Обратите внимание, что пакет автоматически распознает рассчитываемое поле скорости флюида, которое можно сразу использовать при задании данного условия. Вот и всё! Полная связка двух физических явлений создана.
Скриншот, демонстрирующий использование вычисляемой скорости жидкости при настройке условия в интерфейсе Magnetic and Electric Fields (Магнитные и электрические поля).
Настройка сетки и решателей для МГД-модели
В контексте настройки конфигурации сетки, размера элементов и порядка дискретизации ключевое внимание нужно обратить на вычислительный размер модели. Расчет магнитных и электрических полей в жидкости и окружающих областях в модели — наиболее сложная вычислительная задача, так что предпочтительно свести к минимуму общее количество элементов сетки в ней. Основываясь на универсальной практике решения статических линейных задач, можно предположить, что хорошим стартовым вариантом будет использование элементов второго порядка. Таким образом, мы можем для переменных, связанных с расчетом потока жидкости, перейти на P2+P2 дискретизацию, т.е. при этом и скорость, и давление будут описываться базовыми функциями второго порядка. Для магнитных и электрических полей по умолчанию также выбрана дискретизация второго порядка. При выборе для всех полей дискретизации второго порядка будет также использоваться и второй порядок для дискретизации геометрии. Задача подробного исследования по сеточной сходимости не рассматривается в данной заметке. Мы оставим ее в качестве дополнительного упражнения для заинтересованного читателя.
В процессе решения этой задачи в программном пакете автоматически будет использован так называемый сегрегированный подход: программа поочередно будет рассчитывать электромагнитные поля и поля скоростей в поиске самосогласованного решения, для каждого поля при этом решается линейная подсистема уравнений с собственным оптимизированным итерационным решателем. Данная мультифизическая задача по определению нелинейная, поэтому из общих соображений полезно знать о проблемах, которые могут возникнуть при решении подобных задач, и о способах их устранения, которые описаны в этой статье Базы знаний о повышении сходимости нелинейных стационарных моделей.
Результаты проведенного мультифизического анализа показаны на следующем графике. Отчетливо наблюдается эффект «насоса»: из-за приложенного напряжения через жидкость протекает ток, и поскольку заряды движутся в магнитном поле, на них воздействует сила, которая, в свою очередь, сообщается жидкости.
Результаты расчета МГД-модели, демонстрирующие возникновение эффекта «насоса», обусловленного мультифизическими взаимосвязями физических явлений.
Упрощение МГД-модели
На данный момент мы успешно построили модель, включающую расчет магнитных полей, электрических токов и течения жидкости, и реализовали двунаправленные взаимосвязь между всеми исходными уравнениями, описывающими физические процессы. В такой постановке каждое физическое явление может влиять на остальные. Однако оказывается, что в данном конкретном случае полная связка всех физик не требуется. Давайте посмотрим, чем это обусловлено и как это позволит упростить нашу модель.
Взглянув на все управляющие уравнения выше, можно увидеть, что среди них только два включают взаимосвязи между физическими явлениями. Это уравнение \mathbf{F = J \times B}, определяющее силу, воздействующую на жидкость из-за тока в магнитном поле, и уравнение суммарного тока в жидкости \mathbf{J} = \sigma \left( – \nabla V + \mathbf{v \times B}\right). Второе уравнение указывает на то, что ток возникает как из-за приложенного напряжения, так и в результате движения проводящей жидкости в магнитном поле. Однако, если предположить, что первый член уравнения намного больше второго (то есть – \nabla V \gg \mathbf{v \times B}), текущее уравнение можно упростить до: \mathbf{J} = \sigma \left( – \nabla V \right) . Это значит, что ток не зависит от решения задачи о течении жидкости, поэтому CFD-уравнения можно решать отдельно от уравнений электромагнитного поля. Таким образом, сначала можно рассчитать электромагнитные поля, а затем использовать их на входе задачи о потоке, в результате чего задача становится связанной однонаправлено.
Можно сделать и еще одно упрощение. Строго говоря, магнитное поле возникает под действием магнитов, а также из-за течения тока. Однако, в случае рассматриваемых здесь граничной задачи и свойств материала, магнитное поле, возникающее из-за течения тока, намного слабее, чем магнитное поле от магнитов. Таким образом, возможно сделать допущение о том, что магнитное поле возникает исключительно благодаря магнитам (то есть токи не создают значительного магнитного поля). В предположении нулевого тока можно задать магнитные поля и электрические токи отдельно с помощью интерфейсов Magnetic Fields, No Currents (Магнитные поля, без токов) и Electric Currents (Электрические токи) соответственно. В этих физических интерфейсах имеются наборы граничных условий и моделей материалов, похожие на уже описанные выше.
В основе интерфейса Magnetic Fields, No Currents лежит уравнение \nabla \cdot \left( \mu_0 \mu_r \mathbf{H + B_r} \right) = 0, намного менее сложное с вычислительной точки зрения, чем набор уравнений в интерфейсе Magnetic and Electric Fields (Магнитные и электрические поля). Кроме того, это уравнение можно решать независимо от рассчета электрических токов.
Скриншот конфигурации упрощенной модели.
На скриншоте выше показана конфигурация новой модели после вышеупомянутых упрощений. В выражении для объемной силы, действующей на жидкость, используются другие названия переменных, а в остальном модель предельно похожа на предыдущую. Но обратите внимание на то, что расчет для трех разных физических интерфейсов происходит в три шага. Уравнения, описываемые интерфейсами Magnetic Fields, No Currents и Electric Currents можно решать отдельно, но обязательно до решения уравнений интерфейса Laminar Flow.
Результаты расчета упрощенной МГД-модели.
Время решения значительно сокращается при решении упрощенного варианта по сравнению с полным, поскольку физические уравнения решаются раздельно, а программе не требуется проходить несколько взаимосвязанных итераций для нахождения самосогласованного решения. Из показанных выше результатов можно видеть, что решения практически идентичны. Безусловно, все сделанные допущения и упрощения имеют свои ограничения и пределы использования. Всегда полезно сверять результаты с моделью, в которой реализована двусторонняя связка, ведь возможности и гибкость платформы COMSOL Multiphysics позволяют легко построить обе модели — полную и упрощенную, — сравнить их и изменить любым требуемым образом. Готовы приступить к построению собственной мультифизической модели? Свяжитесь с вашим территориальным представительством COMSOL!
Рассмотренная в данной заметке учебная модель доступна для скачивания. Обратите внимание, что для этого потребуется войти в учетную запись COMSOL Access, а также наличие лицензии на ПО.
Основной предмет: как возникает магнитное поле Земли?
В школе нам показали, что нагрев стержневого магнита приводит к потере его магнетизма. Как же тогда, если железное ядро Земли имеет температуру, достаточно высокую для его разжижения, оно генерирует огромное магнитное поле?
Parvez M. Ashraf, Дакка, Бангладеш
Физические процессы, лежащие в основе этих двух явлений, различны. При нагревании постоянный магнит теряет свой магнетизм, потому что его относительно хорошо выровненные магнитные домены, которые представляют собой крошечные магниты, возбуждаются и выравниваются более беспорядочно.
Магнетизм ядра Земли обусловлен электропроводностью жидкого металла, который он содержит. Считается, что магнитное поле возникает в соответствии с так называемой моделью геодинамо: движение расплавленного ядра вызывает электрические токи, которые, в свою очередь, создают магнетизм Земли.
Рон Дипполд, Сан-Диего, Калифорния, США
В куске ферромагнитного материала, такого как железо, есть магнитные домены. Они выровнены случайным образом, поэтому нет никакого эффекта магнетизма.Если вы выровняете домены, например, поглаживая материал другим магнитом, все эти субдомены действуют согласованно как один большой домен, и теперь у вас есть стержневой магнит. Если затем нагреть его, они вернутся к случайному расположению.
Считается, что ядро Земли действует иначе, как динамо-машина. Вокруг его твердого внутреннего ядра находится внешнее ядро - слой жидкого железа и никеля толщиной 2500 километров. Конвекционные токи и вращение планеты поддерживают его циркуляцию.
Для работы поля Земли потребовалось бы затравочное магнитное поле, такое как у Солнца.Когда металл внешнего сердечника вращался через затравочное поле, магнитная индукция генерировала электрический ток. Этот ток создал электрическое поле, которое произвело собственное магнитное поле Земли.
Чтобы ответить на этот вопрос или задать новый, напишите по адресу [email protected].
Вопросы должны быть научными вопросами о повседневных явлениях, а вопросы и ответы должны быть краткими. Мы оставляем за собой право редактировать элементы для ясности и стиля. Пожалуйста, укажите почтовый адрес, номер телефона в дневное время и адрес электронной почты.
New Scientist Ltd сохраняет полный редакторский контроль над опубликованным содержанием и оставляет за собой все права на повторное использование материалов вопросов и ответов, которые были отправлены читателями на любом носителе или в любом формате.
Вы также можете отправить ответы по почте по адресу: The Last Word, New Scientist, 25 Bedford Street, London WC2E 9ES.
Применяются правила и условия.
Что создает магнитное поле Земли?
Путешествие, чтобы увидеть северное или южное сияние, вошло в список желаний почти каждого.Но неизвестно большинству, эти прекрасные проявления света вызваны опасными космическими лучами, которые были отклонены магнитным полем нашей Земли.
Магнитные поля вокруг планет ведут себя так же, как стержневой магнит. Но при высоких температурах металлы теряют свои магнитные свойства. Итак, ясно, что горячее железное ядро Земли не является тем, что создает магнитное поле вокруг нашей планеты.
Напротив, магнитное поле Земли вызвано динамо-эффектом.
Эффект работает так же, как динамо-фонарь на велосипеде.Магниты в динамо-машине начинают вращаться при нажатии на педали велосипеда, создавая электрический ток. Затем электричество используется для включения света.
Этот процесс также работает в обратном порядке. Если у вас есть вращающийся электрический ток, он создаст магнитное поле.
На Земле течение жидкого металла во внешнем ядре планеты генерирует электрические токи. Вращение Земли вокруг своей оси заставляет эти электрические токи образовывать магнитное поле, которое распространяется вокруг планеты.
Магнитное поле чрезвычайно важно для поддержания жизни на Земле. Без этого мы были бы подвержены воздействию большого количества солнечной радиации, и наша атмосфера могла бы свободно просачиваться в космос.
Это, вероятно, то, что случилось с атмосферой на Марсе. Поскольку в ядре Марса нет текущего жидкого металла, он не производит такого же динамо-эффекта. Это оставило планету с очень слабым магнитным полем, из-за чего ее атмосфера была унесена солнечными ветрами, оставив ее непригодной для жизни.
Магнитное поле Земли, подобное магнитному полю стержневого магнита, наклоненного на 11 градусов от оси вращения Земли. Предоставлено: Dea / D’Arco Editor / Getty Images
Королевский институт Австралии имеет образовательный ресурс, основанный на этой статье. Вы можете получить к нему доступ здесь.
Вишну Варма Р. Веджаян
Вишну Варма Р. Веджаян — студент-физик из Лондонского университета королевы Марии, интересующийся научными работами и исследованиями в области физики.Он проходил стажировку в Cosmos в начале 2017 года.
Читайте научные факты, а не беллетристику …
Никогда еще не было более важного времени, чтобы объяснять факты, ценить знания, основанные на фактах, и демонстрировать последние научные, технологические и инженерные достижения. «Космос» издается Королевским институтом Австралии, благотворительной организацией, призванной связывать людей с миром науки. Финансовые взносы, какими бы большими они ни были, помогают нам предоставлять доступ к достоверной научной информации в то время, когда она больше всего нужна миру.Пожалуйста, поддержите нас, сделав пожертвование или купив подписку сегодня.
Происхождение магнитного поля Земли остается загадкой | MIT News
Микроскопические минералы, извлеченные из древнего обнажения Джек-Хиллз в Западной Австралии, были предметом интенсивных геологических исследований, поскольку они, похоже, несут на себе следы магнитного поля Земли, появившиеся еще 4,2 миллиарда лет назад. Это почти на 1 миллиард лет раньше, чем предполагалось, когда возникло магнитное поле, и почти во времена образования самой планеты.
Но какой бы интригующей ни была эта история происхождения, команда под руководством Массачусетского технологического института нашла доказательства обратного. В статье, опубликованной сегодня в журнале « Science Advances », команда исследователей исследовала кристаллы того же типа, называемые цирконами, которые были извлечены из того же обнажения, и пришла к выводу, что собранные ими цирконы ненадежны в качестве регистраторов древних магнитных полей.
Другими словами, до сих пор не решено, существовало ли магнитное поле Земли раньше, чем 3,5 миллиарда лет назад.
«Нет надежных доказательств существования магнитного поля до 3,5 миллиардов лет назад, и даже если бы поле существовало, было бы очень трудно найти доказательства его существования в цирконах Jack Hills», — говорит Кауэ Борлина, аспирантка. в Департаменте наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Это важный результат в том смысле, что мы знаем, чего больше не искать».
Борлина — первый автор статьи, в которую также входят профессор EAPS Бенджамин Вайс, главный научный сотрудник Эдуардо Лима и научный сотрудник Джахандар Рамезан из Массачусетского технологического института, а также другие сотрудники из Кембриджского университета, Гарвардского университета, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Университет Алабамы и Принстонский университет.
Возбужденное поле
Считается, что магнитное поле Земли играет важную роль в обеспечении обитаемости планеты. Магнитное поле не только задает направление стрелок компаса, но и действует как своего рода щит, отражающий солнечный ветер, который в противном случае мог бы разъедать атмосферу.
Ученые знают, что сегодня магнитное поле Земли создается за счет затвердевания жидкого железного ядра планеты. Охлаждение и кристаллизация ядра приводит в движение окружающее жидкое железо, создавая мощные электрические токи, которые создают магнитное поле, простирающееся далеко в космос.Это магнитное поле известно как геодинамо.
Многочисленные доказательства показали, что магнитное поле Земли существовало по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад. Однако считается, что ядро планеты начало затвердевать всего 1 миллиард лет назад, а это означает, что магнитное поле должно было быть вызвано каким-то другим механизмом до 1 миллиарда лет назад. Уточнение того, когда именно сформировалось магнитное поле, могло помочь ученым с самого начала выяснить, что его сгенерировало.
Борлина говорит, что происхождение магнитного поля Земли может также пролить свет на ранние условия, в которых зародились первые формы жизни на Земле.
«В первый миллиард лет Земли, между 4,4 миллиардами и 3,5 миллиардами лет, именно тогда зарождалась жизнь», — говорит Борлина. «Наличие магнитного поля в то время имеет разные последствия для окружающей среды, в которой зародилась жизнь на Земле. Это мотивация нашей работы ».
«Не могу доверять циркону»
Ученые традиционно использовали минералы в древних породах для определения ориентации и интенсивности магнитного поля Земли во времени.По мере образования и охлаждения горных пород электроны в отдельных зернах могут смещаться в направлении окружающего магнитного поля. Как только горная порода остывает до определенной температуры, известной как температура Кюри, ориентация электронов, так сказать, устанавливается в камне. Ученые могут определить свой возраст и использовать стандартные магнитометры для измерения их ориентации, оценки силы и ориентации магнитного поля Земли в данный момент времени.
С 2001 года Вайс и его группа изучают намагниченность горных пород и зерен циркона в Джек-Хиллз с непростой целью установить, содержат ли они древние записи магнитного поля Земли.
«Цирконы Джек-Хиллз — одни из самых слабомагнитных объектов, изученных в истории палеомагнетизма», — говорит Вайс. «Кроме того, эти цирконы включают самые старые из известных материалов Земли, а это означает, что существует множество геологических событий, которые могли бы сбросить их магнитные записи».
В 2015 году отдельная исследовательская группа, которая также начала изучать цирконы Джек-Хиллз, утверждала, что они нашли доказательства наличия магнитного материала в цирконах, возраст которых составляет 4,2 миллиарда лет — первое свидетельство того, что магнитное поле Земли могло существовать до 3.5 миллиардов лет назад.
Но Борлина отмечает, что команда не подтвердила, действительно ли обнаруженный ими магнитный материал образовался во время или после кристалла циркона, образовавшегося 4,2 миллиарда лет назад — цель, которую он и его команда взяли на себя в своей новой статье.
Борлина, Вайс и их коллеги собрали камни на том же обнажении Джека Хиллз и из этих образцов извлекли 3754 зерна циркона, каждое около 150 микрометров в длину — это примерно ширина человеческого волоса. Используя стандартные методы датирования, они определили возраст каждого зерна циркона, который колебался от 1 миллиарда до 4 лет.2 миллиарда лет.
Около 250 кристаллов были старше 3,5 миллиардов лет. Команда изолировала и визуализировала эти образцы, ища признаки трещин или вторичных материалов, таких как минералы, которые могли отложиться на кристалле или внутри него после того, как он полностью сформировался, и искала доказательства того, что они значительно нагреваются за последние несколько миллиардов. лет с момента их образования. Из этих 250 они идентифицировали только три циркона, которые были относительно свободны от таких примесей и, следовательно, могли содержать подходящие магнитные записи.
Затем команда провела подробные эксперименты с этими тремя цирконами, чтобы определить, какие виды магнитных материалов они могут содержать. В конце концов они определили, что магнитный минерал под названием магнетит присутствует в двух из трех цирконов. Используя квантовый алмазный магнитометр высокого разрешения, команда исследовала поперечные сечения каждого из двух цирконов, чтобы отобразить расположение магнетита в каждом кристалле.
Они обнаружили магнетит, лежащий вдоль трещин или поврежденных зон внутри цирконов.По словам Борлина, такие трещины — это пути, по которым вода и другие элементы попадают внутрь породы. Такие трещины могли пропускать вторичный магнетит, который оседал в кристалле намного позже, чем когда первоначально образовался циркон. В любом случае, говорит Борлина, доказательства очевидны: эти цирконы нельзя использовать в качестве надежных регистраторов магнитного поля Земли.
«Это свидетельство того, что мы не можем доверять этим измерениям циркона для регистрации магнитного поля Земли», — говорит Борлина. «Мы показали это до 3.5 миллиардов лет назад мы до сих пор не знаем, когда возникло магнитное поле Земли ».
«Для меня эти результаты вызывают большие сомнения в способности цирконов Джека Хиллса точно регистрировать интенсивность палеомагнитного поля до 3,5 миллиардов лет», — говорит Энди Биггин, профессор палеомагнетизма Ливерпульского университета, не участвовал в исследовании. «Тем не менее, эти дебаты, как палеомагнитный эквивалент Брексита, бушуют с 2015 года, и я был бы очень удивлен, если бы это было последнее слово по этому поводу.Практически невозможно доказать отрицательный результат, и ни методы, ни интерпретации не подлежат сомнению ».
Несмотря на эти новые результаты, Вайс подчеркивает, что предыдущие магнитные анализы этих цирконов все еще очень ценны.
«Команда, которая сообщила о первоначальном магнитном исследовании циркона, заслуживает большой похвалы за попытку решить эту чрезвычайно сложную проблему», — говорит Вайс. «В результате всей работы обеих групп мы теперь намного лучше понимаем, как изучать магнетизм древних геологических материалов.Теперь мы можем начать применять эти знания к другим минеральным зернам и зернам с других планетных тел ».
Это исследование частично поддержано Национальным научным фондом.
Что такое магнитное поле?
Всем известно, насколько забавными могут быть магниты. Кто из нас в детстве не любил видеть, сможем ли мы склеить наше столовое серебро? А как насчет тех маленьких магнитных камешков, которые мы могли бы расположить так, чтобы они образовали практически любую форму, потому что они слиплись? Что ж, магнетизм — это не просто бесконечный источник удовольствия или пользы для научных экспериментов; это также один из основных физических законов, на которых основана Вселенная.
Притяжение, известное как магнетизм, возникает при наличии магнитного поля, которое является силовым полем, создаваемым магнитным объектом или частицей. Он также может создаваться изменяющимся электрическим полем и обнаруживается по силе, которую оно оказывает на другие магнитные материалы. Поэтому область изучения магнитов известна как электромагнетизм.
определение:
Магнитные поля можно определить разными способами в зависимости от контекста. Однако в общих чертах это невидимое поле, которое оказывает магнитное воздействие на вещества, чувствительные к магнетизму.Магниты также оказывают друг на друга силы и крутящие моменты через создаваемые ими магнитные поля.
Визуализация солнечного ветра, соприкасающегося с магнитосферой Земли. Подобно дипольному магниту, он имеет силовые линии, северный и южный полюсы. Кредит: JPLОни могут генерироваться в непосредственной близости от магнита, электрическим током или изменяющимся электрическим полем. Они диполярны по своей природе, что означает, что у них есть как северный, так и южный магнитный полюс. Стандартная международная единица измерения (СИ), используемая для измерения магнитных полей, — это Тесла, в то время как меньшие магнитные поля измеряются в единицах Гаусса (1 Тесла = 10 000 гуасс).
Математически магнитное поле определяется величиной силы, которую оно оказывает на движущийся заряд. Измерение этой силы согласуется с Законом силы Лоренца, который может быть выражен как F = qvB , где F — магнитная сила, q — заряд, v — скорость, а магнитная сила. поле B . Это отношение является векторным произведением, где F перпендикулярно (->) всем другим значениям.
Полевые линии:
Магнитные поля могут быть представлены непрерывными силовыми линиями (или магнитным потоком), которые исходят из северных магнитных полюсов и входят в южные полюса.Плотность линий указывает на величину поля, будучи более сконцентрированной на полюсах (где поле сильное) и расширяясь и ослабевая по мере удаления от полюсов.
Однородное магнитное поле представлено расположенными на одинаковом расстоянии параллельными прямыми линиями. Эти линии непрерывны, образуют замкнутые петли, идущие с севера на юг и снова повторяющиеся. Направление магнитного поля в любой точке параллельно направлению близлежащих силовых линий, и локальная плотность силовых линий может быть сделана пропорциональной ее напряженности.
Линии магнитного поля напоминают поток жидкости в том смысле, что они обтекаемые и непрерывные, и появляется больше (или меньше линий) в зависимости от того, насколько близко наблюдается поле. Силовые линии полезны как представление магнитных полей, позволяя упростить и выразить в математических терминах многие законы магнетизма (и электромагнетизма).
Самый простой способ наблюдать магнитное поле — это поместить железные опилки вокруг железного магнита. Расположение этих опилок будет соответствовать линиям поля, образуя полосы, соединяющиеся на полюсах.Они также появляются во время полярных сияний, когда видимые полосы света совпадают с местным направлением магнитного поля Земли.
История обучения:
Изучение магнитных полей началось в 1269 году, когда французский ученый Петрус Перегринус де Марикур с помощью железных игл нанес на карту магнитное поле сферического магнита. Места, где эти линии пересекались, он назвал «полюсами» (по отношению к полюсам Земли), которые, по его словам, есть у всех магнитов.
В 16 веке английский физик и естествоиспытатель Уильям Гилберт из Колчестера повторил эксперимент Перегринуса.В 1600 году он опубликовал свои выводы в договоре ( De Magnete ), в котором заявил, что Земля является магнитом. Его работа была неотъемлемой частью установления магнетизма как науки.
Вид на восточное небо во время пика полярного сияния этим утром. Предоставлено: Боб КингВ 1750 году английский священнослужитель и философ Джон Мичелл заявил, что магнитные полюса притягиваются и отталкиваются друг от друга. Он заметил, что сила, с которой они это делают, обратно пропорциональна квадрату расстояния, иначе известному как закон обратных квадратов.
В 1785 году французский физик Шарль-Огюстен де Кулон экспериментально подтвердил магнитное поле Земли. Затем французский математик и геометр XIX века Симеон Дени Пуассон создал первую модель магнитного поля, которую представил в 1824 году.
К 19 веку дальнейшие откровения уточнили и бросили вызов ранее существовавшим представлениям. Например, в 1819 году датский физик и химик Ганс Кристиан Орстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг него магнитное поле.В 1825 году Андре-Мари Ампер предложил модель магнетизма, в которой эта сила возникла из-за постоянно протекающих контуров тока, а не диполей магнитного заряда.
В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей показал, что изменяющееся магнитное поле порождает окружающее электрическое поле. По сути, он открыл электромагнитную индукцию, которая характеризовалась законом индукции Фарадея (он же закон Фарадея).
Клетка Фарадея на электростанции в Хаймбахе, Германия. Предоставлено: Wikipedia Commons / Frank VincentzМежду 1861 и 1865 годами шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свои теории электричества и магнетизма, известные как уравнения Максвелла.Эти уравнения не только указали на взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, но и показали, что сам свет является электромагнитной волной.
Область электродинамики получила дальнейшее развитие в конце 19-го и 20-го веков. Например, Альберт Эйнштейн (который предложил закон специальной теории относительности в 1905 году) показал, что электрическое и магнитное поля являются частью одного и того же явления, наблюдаемого из разных систем отсчета. Появление квантовой механики также привело к развитию квантовой электродинамики (КЭД).
Примеры:
Классическим примером магнитного поля является поле, созданное железным магнитом. Как упоминалось ранее, магнитное поле можно проиллюстрировать, окружив его железными опилками, которые будут притягиваться к его силовым линиям и образовывать петлю вокруг полюсов.
Более крупные примеры магнитных полей включают магнитное поле Земли, которое напоминает поле, создаваемое простым стержневым магнитом. Считается, что это поле является результатом движения ядра Земли, которое разделено на твердое внутреннее ядро и расплавленное внешнее ядро, которое вращается в направлении, противоположном Земле.Это создает динамо-эффект, который, как полагают, приводит в действие магнитное поле Земли (также известное как магнитосфера).
Компьютерное моделирование поля Земли в период нормальной полярности между инверсиями. [1] Линии представляют собой силовые линии магнитного поля: синие, когда поле направлено к центру, и желтые, когда поле находится далеко. Предоставлено: NASA . Такое поле называется дипольным полем, потому что оно имеет два полюса — северный и южный, расположенные на обоих концах магнита, — где напряженность поля максимальна.В середине между полюсами сила составляет половину своего полярного значения и простирается на десятки тысяч километров в космос, образуя магнитосферу Земли.
Было показано, что другие небесные тела обладают собственными магнитными полями. Сюда входят газовые и ледяные гиганты Солнечной системы — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Магнитное поле Юпитера в 14 раз сильнее, чем у Земли, что делает его самым сильным магнитным полем среди всех планетных тел. Ганимед, спутник Юпитера, также обладает магнитным полем и является единственной луной в Солнечной системе, которая имеет такое магнитное поле.
Считается, что когда-то Марс обладал магнитным полем, аналогичным земному, что также было результатом динамо-эффекта внутри него. Однако из-за массивного столкновения или быстрого охлаждения внутри Марс потерял свое магнитное поле миллиарды лет назад. Считается, что именно из-за этого Марс потерял большую часть своей атмосферы и способность удерживать жидкую воду на своей поверхности.
Когда доходит до этого, электромагнетизм является фундаментальной частью нашей Вселенной, прямо там, где находятся ядерные силы и гравитация.Понимание того, как это работает и где возникают магнитные поля, является не только ключом к пониманию того, как возникла Вселенная, но также может помочь нам когда-нибудь найти жизнь за пределами Земли.
Мы написали много статей о магнитном поле для Universe Today. Вот что такое магнитное поле Земли, Готово ли магнитное поле Земли к изменению? Магнитные поля.
Если вам нужна дополнительная информация о магнитном поле Земли, ознакомьтесь с руководством НАСА по исследованию солнечной системы на Земле. А вот ссылка на Обсерваторию Земли НАСА.
Мы также записали серию Astronomy Cast, посвященную планете Земля. Послушайте, Эпизод 51: Земля.
Источники:
Нравится:
Нравится Загрузка …
Дополнительная информация о геомагнитных полях
Магнитосфера по форме напоминает комету в ответ на динамическое давление солнечный ветер.Он сжат со стороны, направленной к Солнцу, примерно до 10 земных радиусов и имеет вытянутый в виде хвоста на стороне от Солнца более чем на 100 земных радиусов. В магнитосфера отклоняет поток большинства частиц солнечного ветра вокруг Земли, в то время как Силовые линии геомагнитного поля направляют движение заряженных частиц в магнитосфере.
Дифференциальный поток ионов и электронов внутри магнитосферы и в ионосфера образуют текущие системы, которые вызывают изменения в напряженности магнитного поля Земли. Эти ВНЕШНИЕ токи в ионизированном верхняя атмосфера и магнитосфера различаются на гораздо более короткие шкала времени , чем ВНУТРЕННЯЯ основная Поле и могут создавать магнитные поля величиной до 10% от основного поля .
Это компонент главного поля, моделируемый Международной геомагнитной справкой. Поле (IGRF) и магнитная модель мира (WMM). Другими важными источниками являются поля, возникающие из электрические токи, протекающие в ионизированных верхних слоях атмосферы, и поля, индуцированные токи, текущие в земной коре.Составляющая основного поля медленно меняется во времени и можно грубо описать как стержневой магнит с северным и южным полюсами глубоко внутри Земля и силовые линии магнитного поля, уходящие далеко в космос. Магнитное поле Земли изменяется как в пространстве, так и во времени .
В сети есть несколько хороших сайтов, на которых можно найти информацию о геомагнитное поле. Некоторые из сайтов, которые, по нашему мнению, стоит посетить, включают наши собственные ответы на часто задаваемые вопросы, Scientific American Спросите у экспертов, геологический Обзор Канады и США.С. Геологический Опрос. На сайте AGU есть несколько статей от ученых.
Outreach
Плакат группы по геомагнетизму
Tri-Fold по геомагнетизму
Генерация магнитного поля Земли
Генерация магнитного поля ЗемлиХотя 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 исчезнет примерно через 15 000 лет, если не будет механизма его постоянной регенерации.
Многие механизмы были предложены для объяснения того, 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:
- должна быть токопроводящая жидкость;
- должно быть достаточно энергии, чтобы заставить жидкость двигаться с достаточной скоростью и с соответствующей структурой потока;
- должно быть «затравочное» магнитное поле.
Все эти условия выполняются во внешнем ядре. Расплавленное железо — хороший проводник. Энергии достаточно для возбуждения конвекции, а конвективное движение в сочетании с вращением Земли создает соответствующую картину течения.Еще до того, как магнитное поле Земли было впервые сформировано, магнитные поля присутствовали в форме магнитного поля Солнца. Когда процесс идет, существующее поле действует как начальное поле. Когда поток расплавленного железа проходит через существующее магнитное поле, в результате процесса, называемого магнитной индукцией, генерируется электрический ток. Вновь созданное электрическое поле, в свою очередь, создаст магнитное поле. При правильном соотношении между магнитным полем и потоком жидкости генерируемое магнитное поле может усиливать начальное магнитное поле.Пока есть достаточное движение жидкости во внешнем ядре, процесс будет продолжаться.
Подробная информация …
Странные науки: Магнитное поле Земли
Странные науки: Магнитное поле Земли | manoa.hawaii.edu/ExploringOurFluidEarth Версия для печатиПересекающиеся концепции NGSS:
Основные дисциплинарные идеи NGSS:
Магнитное поле — это трехмерная область вокруг магнита, в которой магнит действует на другие объекты.Невидимое магнитное поле простого стержневого магнита можно визуализировать, поместив вокруг него железные опилки (SF Рис. 7.5). Магнит воздействует на железные опилки, заставляя их двигаться и выравниваться с линиями магнитного поля магнита. У каждого магнита есть северный полюс (часто окрашенный в красный цвет и помеченный буквой «N») и южный полюс (часто окрашенный в синий цвет и помеченный буквой «S»). Противоположные магнитные полюса притягиваются друг к другу. Например, северный полюс одного магнита будет притягиваться к южному полюсу второго магнита.
Земля имеет сильное магнитное поле (SF Рис. 7.6) с магнитными полюсами. Магнитное поле Земли порождает ее ядро, которое в основном состоит из магнитного материала — железа. Магнитное поле Земли создается и поддерживается жидким внешним ядром, движущимся вокруг твердого внутреннего ядра, чтобы индуцировать электрические токи. Эти электрические токи создают магнитные поля, перпендикулярные потоку электрического заряда. Этот процесс описывается теорией динамо и применим ко многим другим небесным телам.
Путешественники уже давно могут перемещаться с места на место с помощью простых магнитных компасов. Стрелки компаса ориентируются на магнитные полюса Земли. Так называемый «Северный полюс» за Полярным кругом на самом деле является южным полюсом магнитного поля Земли. Он называется Северным полюсом, потому что северный полюс стрелок компаса указывает на него. Точно так же южный полюс стрелки магнитного компаса притягивается к северному полюсу магнитного поля Земли, находящемуся у побережья Антарктиды.Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими полюсами Земли.
Набор вопросов:
- Определите следующие термины своими словами:
- магнитное поле
- магнитный полюс
- Если бы вы стояли в Канаде, красный наконечник стрелки вашего магнитного компаса (с меткой «N») указывал бы на Полярный круг. Как это повлияет на вашу навигацию по компасу в этой части мира?
- Если бы вы стояли в Австралии, в каком направлении указывала бы красная буква «N» стрелки вашего компаса? Объясните свои рассуждения, используя термины «магнитное поле» и «магнитный полюс».”
- Магнитное поле Земли находится не совсем на географическом северном полюсе. Как вы думаете, почему люди до сих пор пользуются простым магнитным компасом?
- Изучите, как магнитное поле Земли меняется в разных местах на поверхности планеты.
Exploring Our Fluid Earth, продукт Группы исследований и разработок учебных программ (CRDG) Педагогического колледжа.
