Исследование воздействия магнитного поля вблизи линий электропередачи

Защита от электромагнитного излучения — это важная составляющая мер обеспечения здоровых условий жизни для населения. Во всем мире существуют правила и нормы, задающие допустимые пределы и критерии на воздействие магнитного поля. Однако определение этих допустимых пределов является предметом научных и инженерных дискуссий на протяжении десятилетий. Численное моделирование играет решающую роль в процессе проектирования электрической инфраструктуры — и даже в разработке законодательных норм, регламентирующих её функционирование и использование.

Изучение воздействия магнитных полей низкого уровня интенсивности

Воздействие магнитных полей не является новым явлением; на самом деле оно изучается и обсуждается десятилетиями. Как именно магнитные поля влияют на нас?

Как отмечается в докладе Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) за 2016 год, «Низкочастотные электрические поля влияют на организм человека так же, как они влияют на любой другой материал, состоящий из заряженных частиц». Проще говоря, электрические поля вызывают циркулирующие токи внутри тела, и сила этих токов зависит от силы магнитных полей вне тела.

Как магнитные поля от линий электропередачи влияют на находящихся поблизости людей? Изображение из Unsplash.

Чрезвычайно большие токи могут, по сути, стимулировать наши нервы или мышцы или даже вызывать выделение тепла. Однако до сих пор ученые не нашли доказательств того, что низкоуровневые поля, генерируемые системами, работающими в пределах требуемых пределов, являются вредными.

Несмотря на минимальный риск причинения вреда, существуют стандарты, гарантирующие, что индуцированные токи в организме человека не вызывают негативных последствий. Высокая плотность тока в организме человека может, например, привести к следующим последствиям:

Такие организации, как Международный комитет по защите от неионизирующих излучений (МКЗНИ) указывает 0. 2–0.4 мкТл как нормальный уровень воздействия, который характерен для типового жилого дома или офиса, в то время как магнитная индукции ближе к 100 мкТл считается повышенным уровнем. Что происходит при длительном воздействии магнитного поля любого обозначенного уровня?

Все, от осложнений беременности и депрессии до катаракты и головных болей, упоминается в следованиях как потенциальный риск длительного воздействия электромагнитных полей. Исследования 1970-х годов утверждали, что детская лейкемия может развиться при воздействии магнитных полей низкого уровня интенсивностия, но дальнейшие исследования показали, что это предположение не имеет доказательной базы . С тех пор было проведено множество исследований на тему того, как низкоуровневое воздействие магнитных полей может повлиять на наше здоровье.

Из-за ограниченных исследовательских заключений принятые стандарты по воздействию магнитного поля не имеют жестких числовых ограничений. Вместо этого введенные стандарты действуют в качестве меры предосторожности, которой должны придерживаться правительства (муниципальные и государственные) и заинтересованные стороны проекта, такие как застройщики и промышленники.

Конкретный кейс в Швеции

В Швеции власти всё больше и больше обращают внимание на проблему воздействия электромагнитного поля низкого уровня интенсивности. В последние 20 лет они стали чаще заниматься этим вопросом. Шведское управление по радиационной безопасности вынесло следующие рекомендации в ответ на опасения и риски:

• Разместите новые линии электропередачи и электроустановки таким образом, чтобы воздействие магнитных полей было ограниченным
• Избегайте размещения новых домов и школ вблизи электроустановок с магнитными полями высокой интенсивности
• Ограничьте поля, которые сильно отклоняются от нормального уровня для домов, школ, дошкольных учреждений и офисов
• Реализуйте эти меры с разумными материальными затратами

В соответствии с этими рекомендациями застройщикам необходимо оценить уровни воздействия магнитного поля на запланированных объектах проекта, чтобы получить необходимые разрешения. Для этого они часто обращаются к таким консалтинговым компаниям, как Sweco.

Sweco, один из крупнейших технических консультантов в Швеции и Евросоюзе, активно участвует в проектах по оценке воздействия магнитного поля. Густав Холмквист, руководитель проектов энергетического департамента Sweco с 2006 года, недавно работал над конкретным проектом, в котором подрядчик хотел построить сооружение вблизи нескольких силовых линий электропередачи, работающих на 400 кВ/50 Гц, и параллельной железнодорожной линией передачи, работающей на 16.7 Гц.

Схема двух параллельных линий передачи. Изображения предоставлены компанией Sweco.

Клиент Sweco хотел узнать: «Каково влияние линий передачи, расположенных параллельно и работающих на разных частотах?» Инженеры Sweco в свою очередь решили не только ответить на конкретный вопрос клиента, но и помочь ему визуализировать и понять результаты. Для этого они применили инструменты численного моделирования…

Использование численного моделирования для исследования воздействия магнитного поля

Были использованы CAD-проекты двух линий электропередачи. Для анализа низкочастотных магнитных полей параллельных линий передачи Холмквист смоделировал обе линии передачи на разных частотах в 3D-постановке в программном обеспечении COMSOL Multiphysics®. Было важно учесть высоту и подвеску кабелей линии электропередачи в 3D.

Холмквист также импортировал в модель 3D-топологию всей местности около линий электропередачи. Таким образом, он смог увидеть влияние различных частот, то как они взаимодействуют друг с другом и как топология местности влияет на магнитные поля. «Обычно расчеты выполняются для фиксированной высоты ниже линии передачи», – отмечает Холмквист. «Включение в модель полной топологии местности дает более точный и развернутый ответ».

3D-модель линий электропередачи и окружающей местности, а также представление расчётной области. Изображения предоставлены компанией Sweco.

Включение детального представления местности сделало модель довольно большой: не только сама топология была сложной и изрезанной но и общая площадь составила более километра в длину и полукилометра в ширину. Тем не менее, требовались точные вычисление в частотной области в каждой точке пространства. Грамотно использовав функцию Assembly в COMSOL Multiphysics, Холмквист смог сократить число сеточных элементов с 4.5 миллионов до 0.5 миллиона.

После выполнения нескольких исследований на разных частотах Холмквист использовал операцию General Extrusion, чтобы отобразить суммарное поле, полученное в рамках исследований в частотной области, на карте местности. Таким образом, он смог показать клиентам, как именно магнитные поля двух линий передачи взаимодействуют друг с другом, и как топология окружающей местности влияет на воздействие магнитного поля на людей поблизости.

Воздействие магнитного поля вдоль линий передачи. Изображение предоставлено компанией Sweco.

Новые возможности

Преимущества моделирования для такого типа проектов стали очевидны Холмквисту после того, как он показал результаты заказчику. «Клиент был очень заинтересован в том, как мы провели анализ», – говорит Холмквист. «Они не видели магнитных полей, вычисленных с таким уровнем детализации, только аналитические функции, которые становятся неточными для неидеальных случаев». Он высоко оценивает возможности по постобработке в программном обеспечении COMSOL® и позиционирует их как мощный способ показать клиентам полученные результаты.

Холмквист видит огромный потенциал для использования моделирования в области энергетики. «Мы можем продолжить исследования для областей с высокой интенсивностью, чтобы исследовать методы уменьшения магнитного поля, например, экранирование», – говорит Холмквист.

Исследуя уровни воздействия окружающих нас электромагнитных полей, независимо от того, находится ли это воздействие на незначительном или небезопасном уровне, мы, по крайней мере, будем знать, чего ожидать, и не будем, за неимением лучшего слова, шокированы (игра слов на английском — использовано слово «shocked»).

Дополнительные материалы

• Узнайте больше о компании Sweco на их веб-сайте или свяжитесь с Густавом Холмквистом для обсуждения технических вопросов
• Узнайте больше о глобальных исследованиях воздействия магнитного поля:
  • WHO
  • CDC

Зачем ровно 4 года назад NASA прострелила ночное небо мыса Канаверал ракетой Atlas V? / Хабр

12 марта 2015 года с мыса Канаверал стартовала очередная миссия NASA по изучению динамики магнитного поля Земли. На этот раз предметом исследования стал процесс перезамыкания силовых линий магнитного поля.

В результате бомбардировки Земли заряженными частицами со стороны Солнца, силовые линии магнитного поля нашей матушки могут претерпевать разрывы и пересоединения, что вызывает огромные всплески энергии, которые отражаются в атмосфере в виде прекрасных аврор.

Для того чтобы лучше понять физику этого процесса, NASA на деньги американских налогоплательщиков дырявит небо дорогущей аппаратурой. Тебе же, для того чтобы погрузиться в тему, достаточно просто заглянуть под кат.

На борту Atlas V находились 4 спутника миссии под названием Magnetospheric Multiscale mission (MMS),  основной целью которой служит изучение феномена перезамыкания силовых линий магнитного поля Солнца в магнитосфере Земли, следствием которого является достаточно опасный процесс взрывного характера, выражающийся в виде выброса заряженных частиц, который может повредить действующие аппараты на орбите.

Эта миссия единственная в своем роде, занимающаяся данной проблемой. Её примечательной особенностью является геометрическая хореография расположения спутников относительно друг друга. Для того чтобы аппаратура смогла собрать адекватные данные, спутники должны сформировать правильную пирамиду на пути разворачивающегося перед холодными глазами космических странников феномена.

Магнитные поля могут быть найдены в каждом уголке Вселенной. Планеты, звезды, галактики, черные дыры и многие другие тела создают магнитные поля, которые обвивают своих создателей или свободно скитаются по окружающему пространству.

Присоединенные одним концом к положительно заряженной стороне, а другим к отрицательно заряженной, силовые линии магнитного поля обычно замкнуты и образуют петли. Но иногда происходит разрыв линии с последующим замыканием в новую петлю. Разрыв и замыкание этих линий высвобождает большое количество энергии, разгоняя окружающие заряженные частицы до скоростей близких к скорости света.

Цитируя слова Jim Burch, главного исследователя MMS, сказанные им 10 марта 2015 года:

Как именно происходит разрыв магнитной линии с последующим замыканием, является совершенно неизведанным процессом

Когда подобный феномен происходит с магнитными линиями Солнца, то происходят солнечные вспышки, которые отправляют массивный кусок солнечной атмосферы в космическое пространство на правах свободного плавания, иногда прямиком на Землю. Такое событие называется выбросом корональных масс и является достаточно опасным явлением, которое может вызвать значительные проблемы с электроникой на Земле и повредить спутники на орбите.

Перезамыкание магнитных линий также происходит и намного ближе к Земле: магнитные линии Солнца время от времени достают и до Земных магнитных линий. Это и является катализатором перераспределения магнитных линий и как следствие их перезамыкания.

В большинстве случаев следствием этого процесса является поток заряженных частиц, устремленный по направлению к Земной атмосфере, что генерирует одно из самых зрелищных событий на Земле — северные сияния. Но этот же эффект является и причиной геомагнитных бурь, которые являются источником сильных электромагнитных волн, способных уничтожить электронику и вызвать отключение электричества.

С помощью миссии MMS человечество хочет понять, каким образом устроен этот одновременно красивый и опасный феномен.

• Стоимость миссии: 1. 1 миллиард $
• Вес каждого спутника: 1.36 тонны
• Упакованный размер каждого спутника: Октогональная форма (правильный восьмиугольник) 1.2 метра в высоту, 3.65 метра в ширину
• Способ упаковки в ракету-носитель:  свадебный торт
• Размер в рабочем состоянии каждого спутника:  28.65 метра в высоту, 120.7 метров в ширину

Впечатляет, не так ли?

Каким образом?

На орбите спутники сформировали пирамиду, находясь на расстоянии 10 км друг от друга, для составления 3d изображения изучаемого процесса. В каждом спутнике есть модуль GPS, который обеспечивает точность позиционирования до 100 метров.

Аппараты миссии собирают данные в местах, где вероятность засечь такие события максимальна — на линии Солнце — Земля в магнитопаузе.

Что в итоге

Спустя год после запуска миссии удалось зафиксировать первое событие перезамыкания. Пролетая в непосредственной близости от перезамкнувшихся линий в так называемом регионе диссипации спутники задетектировали само событие и поток заряженных частиц, устремившихся по прямой линии от места события на скорости тысяч километров в секунду, прорываясь через магнитное поле Земли, обычно удерживающее их. Как только частицы проходят сквозь магнитный барьер они разворачиваются на 180 градусов, что сигнализирует об образовании новых магнитных линий после, того как старые были разрушены солнечными.

Эти результаты полностью совпали с компьютерной симуляцией.

С момента запуска MMS пролетел через эти регионы в магнитном поле Земли уже тысячи раз, каждый раз собирая информацию о динамике силовых линий магнитного поля Земли. После первого прямого наблюдения этого явления, было зафиксировано еще около десятка подобных случаев, что дало больше данных для изучения этого фундаментального феномена.

Магнитное поле прямого проводника. Магнитные линии (Гребенюк Ю.В.) 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей |

 Введение

На прошлых уроках мы упоминали о магнитном действии электрического тока. Можно сделать вывод, что электрические и магнитные явления связанны между собой. На данном уроке, тема которого «Магнитное поле прямого проводника. Магнитные линии»,  мы начнём подтверждать этот вывод.

Человечество собирает знания о магнитных явлениях более 4500 лет (первые упоминания об электрических явлениях датируются тысячелетием позже). В середине 19-го века учёные начали уделять внимание поиску взаимосвязей между явлениями электричества и магнетизма, поэтому, накопленные ранее, теоретические и экспериментальные сведения, отдельно по каждому явлению, стали хорошей базой для создания единой электромагнитной теории.

Природный магнит

Вероятнее всего, необычные свойства природного минерала магнетита (см. рис. 1) были известны в Месопотамии ещё в бронзовом веке, а после возникновения железной металлургии нельзя было не заметить, что магнетит притягивает железные изделия.

Рис. 1. Магнетит (Источник)

О причинах такого притяжения думал ещё древнегреческий философ Фалес Милетский, который объяснял его особой одушевлённостью этого минерала, поэтому, неудивительно, что слово магнит тоже имеет греческие корни. Старинная греческая легенда рассказывает о пастухе по имени Магнус. Он обнаружил однажды, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к чёрному камню. Этот камень стали называть «камнем Магнуса» или просто «магнитом», по названию местности, где добывали железную руду (холмы Магнезии в Малой Азии).

Магнитными явлениями интересовались ещё в Древнем Китае, так китайские мореплаватели в 11-ом веке уже пользовались морскими компасами.

Первое в Европе описание свойств природных магнитов сделал француз Пьер де Марикур. В 1269 году он отправил приятелю в Пикардию документ, который вошёл в историю науки как «Письмо о магните». В этом документе француз рассказывал о своих опытах с магнетитом, он заметил, что в каждом куске этого минерала есть две области, которые особенно сильно притягивают железо. Марикур усмотрел параллель между этими областями и полюсами небесной сферы, поэтому мы теперь говорим о южном и северном магнитном полюсе.

В 1600 году английский ученый Уильям Гильберт опубликовал труд «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле». В этой книге Гильберт привёл все известные свойства природных магнитов, а также описал свои опыты с шаром из магнетита, с помощью которого он воспроизвёл основные черты земного магнетизма.

После Гильберта вплоть до начала 19-го века наука о магнетизме практически не развивалась.

Как объяснить то, что наука о магнетизме, в сравнении с учением об электричестве, развивалась очень медленно? Главная проблема заключалась в том, что магниты в то время существовали только в природе, их невозможно было получить в лабораторных условиях. Это очень сильно ограничивало возможности экспериментаторов.

Электричество находилось в более выгодном положении – его можно было получать и накапливать. Первый генератор статических зарядов в 1663 году построил бургомистр Магдебурга Отто фон Герике (см. рис. 2)

Рис. 2. Немецкий физик Отто фон Герике и первый генератор статического электричества (Источник)

В 1744 году немец Эвальд Георг фон Клейст, а в 1745 году голландец Питер ван Мушенбрук изобрели лейденскую банку – первый электрический конденсатор (см. рис. 3), в то время появились и первые электрометры. В результате к концу 18-го века наука знала об электричестве намного больше, чем о магнетизме.

Рис. 3. Лейденская банка (Источник)

Однако в 1800 году Алессандро Вольта изобрёл первый химический источник электрического тока – гальваническую батарею (вольтов столб) (см. рис. 4). После этого открытие связи между электричеством и магнетизмом оказывалось делом неизбежным.

Стоит заметить, что открытие такой связи могло произойти через несколько лет после изобретения лейденской банки, однако французский учёный Лаплас не предал значение тому, что параллельные проводники при прохождению по ним тока в одном направлении притягиваются.

Рис. 4. Первая гальваническая батарея (Источник)

Опыт Эрстеда

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед, который вполне сознательно пытался получить связь между магнитными явлениями и электрическими, установил, что провод, по которому течёт электрический ток, отклоняет магнитную стрелку компаса. Первоначально Эрстед располагал проводник с током перпендикулярно стрелке – стрелка оставалась неподвижной. Однако на одной из лекций он расположил проводник параллельно стрелке, и она отклонилась.

Для того чтобы воспроизвести опыт Эрстеда необходимо к источнику тока через реостат (сопротивление) подключить проводник, возле которого расположена магнитная стрелка (см. рис. 5).  При протекании тока по проводнику наблюдается отклонение стрелки, это доказывает, что электрический ток в проводнике оказывает влияние на магнитную стрелку.

Рис. 5. Опыт Эрстеда (Источник)

Задача 1

На рисунке 13 изображена линия магнитного поля проводника с током. Укажите направление тока.

Рис. 13. Иллюстрация к задаче

Решение

Для решения данной задачи воспользуемся правилом правой руки. Расположим правую руку так, чтобы четыре согнутых пальца совпадали с направлением магнитных линий, тогда большой палец укажет направление тока в проводнике (см. рис. 14).

Рис. 14. Иллюстрация к задаче

Ответ

Ток течёт из точки B в точку A.

Задача 2

Укажите полюса источника электрического тока, которые замкнуты проводом (магнитная стрелка находится под проводом) (см. рис. 15). Изменится ли ответ, если такое же положение будет занимать стрелка, расположенная над проводом.

Рис. 15. Иллюстрация к задаче

Решение

Направление линий магнитного поля совпадают с направлением северного полюса магнитной стрелки (синяя часть). Следовательно, по правилу правой руки, располагаем руку так, чтобы  четыре согнутых пальца совпадали с направлением магнитных линий и огибали провод, тогда большой палец укажет направление тока в проводнике. Ток протекает от «плюса» к «минусу», поэтому полюса источника электрического тока располагаются как на рисунке 16.

Рис. 16. Иллюстрация к задаче

Если бы стрелка располагалась над проводом, то получили бы противоположное течение тока и знаки полюсов были другими (см. рис. 17).

Рис. 17. Иллюстрация к задаче

Опыт Ампера

После оглашения результатов опыта французский физик и математик Анри Ампер решил заняться экспериментами по выявлению магнитных свойств электрического тока. Вскоре Ампер установил, что если по двум расположенным параллельно проводникам течёт электрический ток в одну сторону, то такие проводники притягиваются (см. рис. 6б) если ток течёт в противоположные стороны – проводники отталкиваются (см. рис. 6а).

Рис. 6. Опыт Ампера (Источник)

Выводы из опыта Ампера

Из своих опытов Ампер сделал следующие выводы:

1. Вокруг магнита, или проводника, или электрически заряженной движущейся частицы существует магнитное поле;
2. Магнитное поле действует с некоторой силой на заряженную частицу, движущуюся в этом поле;
3. Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, поэтому магнитное поле действует на проводник с током;
4. Взаимодействие проводника с током и магнита, а также взаимодействие магнитов можно объяснить, предположив существование внутри магнита незатухающих молекулярных электрических токов.

Таким образом, все магнитные явления Ампер объяснял взаимодействием движущихся заряженных частиц. Взаимодействия осуществляются с помощью магнитных полей этих частиц.

Магнитное поле – особая форма материи, которая существует вокруг движущихся заряженных частиц или тел и действует с некоторой силой на другие заряженные частицы или тела, движущиеся в этом поле.

Магнитные линии. Правило буравчика. Правило правой руки

Издавна для изучения магнитных явлений применяются магнитные стрелки (магниты в виде ромба). Если расположить вокруг магнита большое количество маленьких магнитных стрелок (на подставках, чтобы стрелки могли свободно вращаться), то они определённым образом соориентируются в магнитном поле магнита (см. рис. 9). Оси магнитных стрелок будут проходить вдоль определённых линий. Такие линии называются линиями магнитного поля или магнитными линиями.

За направление линий магнитного поля принимают направление, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки (см. рис. 9).

Рис. 9. Расположение магнитных стрелок вокруг магнита (Источник)

С помощью магнитных линий удобно изображать магнитные поля графически (см. рис. 10)

Рис. 10. Изображение графически магнитных линий (Источник)

Однако для определения направления магнитных линий не обязательно пользоваться магнитными стрелками.

Рис. 11. Расположение железных опилок вокруг проводника с током (Источник)

Если вокруг проводника с током высыпать железные опилки, то через некоторое время опилки, попав в магнитное поле проводника, намагнитятся и расположатся по окружностям, которые охватывают проводник (см. рис. 11). Для определения направления магнитных линий в таком случае можно воспользоваться правилом буравчика — если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля тока. (см. рис. 12). Также можно использовать правило правой руки — если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца укажут направление линий магнитного поля тока (см. рис. 13).

Подведение итогов урока

На этом уроке мы начали изучение магнетизма, обсудили историю изучения данного явления и узнали о линиях магнитного поля.

Список рекомендованной литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «myshared.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «clck.ru» (Источник)
3. Интернет-портал «class-fizika. narod.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. П. 58, вопросы 1–4, стр. 168, задание 40 (2). Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

Вектор магнитной индукции. Линии магнитной индукции и магнитные линии

Вектор магнитной индукции.
Вектор магнитной индукции и
магнитные линии.
Линии магнитной
индукции.
Вектор магнитной
индукции.

3. Что такое магнитное поле и каковы его свойства?

5. 1.Источником магнитного поля являются (является)…

6. 2.Обнаружить магнитное поле можно по..

7. 3.Закончить фразу: «Если электрический заряд неподвижен, то вокруг него существует…

8. 4.Закончить фразу: «Если электрический заряд движется, то вокруг него существует…

9. 2-я часть

10. 5.Закончить фразу: «Вокруг проводника с током существует…

11. 6.Какие силы проявляются во взаимодействии двух проводников с током?

12. 7.Какие утверждения являются верными?

13. 8.На рисунке показана картина магнитных линий прямого тока. В какой точке магнитное поле самое сильное?

14. 9.Два параллельных проводника, по которым текут токи противоположных направлений…

15. 10.Два параллельных проводника длиной по 1 м, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга при протекании по ним

16. 11.Как будут взаимодействовать друг с другом два параллельных проводника А и Б?

17. Как можно обнаружить МП?

18. Изображение магнитного поля

19. СИЛОВЫЕ ЛИНИИ

20. Изображение магнитного поля. Метод силовых линий.

27.

29. ПРАВИЛО БУРАВЧИКА

31. Правило буравчика.

34. Что такое магнитные линии?

35. Свойства магнитных линий:

36. Свойства магнитных линий:

37. Свойства магнитных линий:

38. Магнитное поле соленоида

39. Магнитное поле соленоида

41.

42. Вектор магнитной индукции

43. Правило правой руки для проводника с током

44. Модуль вектора индукции магнитного поля

45. Ампер Андре Мари

47. Токи сонаправлены – силы Ампера навстречу – проводники притягиваются

48. ВЫВОД: определение направления вектора магнитной индукции

49. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

51.

52. 2.Для характеристики магнитного поля в некоторой его точке служит…

53. 3. На рисунке изображено сечение проводника с током в точке А, электрический ток входит перпендикулярно в плоскость рисунка.

54. 4.На рисунке изображена катушка с током. Определить положение полюсов катушки.

55. 5.Как будут взаимодействовать между собой эти катушки с током?

56. 6.Как будут взаимодействовать между собой эти катушки с током?

57. 7.Как будут взаимодействовать между собой эти катушки с током?

58. 8.Как будут взаимодействовать катушка с током и магнит?

59. 9.Как направлен вектор магнитной индукции в центре кругового витка?

60. 10.Индукция магнитного поля равна 3 Тл. Что это значит?

61. 11. На каком из рисунков правильно показано расположение магнитных стрелок компаса (синий – северный полюс стрелки) вблизи

62. Решите задачи

Силовые магнитные линии: физика и наука о магнетизме

Железные опилки выстраиваются параллельно магнитному полю, делая видимой структуру поля. Это простая закуска в приготовлении, и, поскольку опилки находятся в бутылке, они не создают беспорядка.

Тема: 

Инженерия и технологии

Реальные проблемы и решения

Физика

Электричество и магнетизм

Ключевые слова: 

magnetic field

magnet

NGSS and EP&Cs: 

PS

PS2

CCCs

Patterns

Cause and Effect

Scale, Proportion, and Quantity

Structure and Function

Tools and Материалы

• Пластиковая бутылка из-под воды или бутылка из-под содовой на 16 унций (0,5 литра).
• Железные опилки (доступны в научных музеях или у научных поставщиков, или вы можете использовать магнитный песок — черный песок, собранный путем перетаскивания магнита через богатый железом пляжный песок)
• Пластиковая пробирка, которая вставляется в горлышко бутылки и составляет примерно 75% длины бутылки.
• Воронка
• Изоляционная лента
• Магнит-корова или другой цилиндрический магнит, который помещается в пластиковую трубку (также подойдет набор магнитов-кнопок).

Сборка

1. Удалите все этикетки с пластиковой бутылки.
2. Используйте воронку, чтобы заполнить бутылку железными опилками примерно на одну пятую.
3. Оберните верхнюю часть пробирки липкой лентой, чтобы пробирка плотно вошла в горлышко бутылки, полностью закупорив отверстие (см. фото ниже).

4. Вставьте трубку в горлышко бутылки.
5. Вставьте цилиндрический магнит в пробирку и закройте бутылку крышкой. (Нажмите, чтобы увеличить схему этой сборки ниже.)
   

Действия и уведомления

Переверните бутылку на бок и поверните ее. Посмотрите, что происходит с железными опилками. Они образуют трехмерный узор, повторяющий магнитное поле магнита.

Обратите особое внимание на то, что происходит на конце магнита. Здесь железные опилки торчат, как остроконечная панк-стрижка.

Вытряхните магнит из трубки и наблюдайте, как рушатся опилки.

Что происходит?

Каждый атом в куске железа представляет собой магнит с северным полюсом и южным полюсом. Большинство кусков железа не обладают магнитными свойствами, потому что все атомные магниты направлены в разные стороны.

Когда вы подносите магнит к куску железа, магниты атомов железа выстраиваются в линию с приложенным магнитным полем: все северные полюса атомов железа указывают в одном направлении. Поскольку атомы железа выстраиваются в линию, кусок железа становится магнитом и притягивается к исходному магниту.

В куске железа в форме стержня атомы будут стремиться выстроиться так, что все северные полюса обращены к одному концу стержня, а все южные полюса обращены к другому концу. Поскольку железные опилки имеют форму стержня, атомы выстраиваются вдоль длины стержня, а стержни выстраиваются параллельно направлению приложенного магнитного поля. Поле цилиндрического магнита выходит из конца магнита, а затем закручивается рядом с его стороной. Железные опилки торчат, как ежик, на концах магнита, но лежат ровно по бокам (щелкните, чтобы увеличить рисунок ниже).

Поскольку железные опилки сами становятся магнитами, их присутствие слегка меняет форму магнитного поля. Тем не менее, эта закуска дает представление о форме магнитного поля в трех измерениях.

Учтите, что если вы хорошо запечатали пластиковую бутылку, вставив пробирку в ее горлышко, то через несколько часов стенки бутылки начнут прогибаться внутрь, особенно если бутылка внутри влажная. Это происходит потому, что железные опилки начнут ржаветь. По мере того как железо ржавеет, оно соединяется с воздухом, попавшим в бутылку, и удаляет кислород из него. Чтобы бутылка не развалилась, просто проткните небольшое отверстие в пластике канцелярской кнопкой. Черный песок с пляжа, который состоит из магнетита и не ржавеет, также можно использовать вместо железных опилок.

Дальше

Коровьи магниты — это сильные постоянные магниты, изготовленные из альнико, сплава железа, содержащего алюминий, никель и кобальт. Эти магниты доступны в большинстве магазинов кормов.

Владельцы ранчо кормят этими магнитами своих коров. Магнит оседает в первом желудке коровы. Когда корова случайно съедает кусочки стали или железа, магнит притягивает металлические кусочки и удерживает их в первом желудке. Если бы острые куски металла прошли через пищеварительную систему коровы, животное бы страдало от того, что владельцы ранчо называют «аппаратной болезнью».

Похожие закуски

Круги магнетизма

Создайте магнитное поле сильнее, чем у Земли.

Магнитное экранирование

Магнитные линии здесь заканчиваются.

Магнитный фрукт

Узнайте, как оба полюса мощного магнита отталкивают виноград.

Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

Атрибуция: Педагогический институт Exploratorium

Магниты и электромагниты

Электрическое поле точечного заряда направлено радиально наружу от положительного заряда. Магнитное поле стержневого магнита. Электрический источники по своей сути являются «монопольными» или точечными источниками заряда. Магнитные источники по своей сути являются дипольными источниками — вы не можете изолировать северные или южные «монополя».	Индекс Магнитная сила Концепции магнитного поля
Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица	Назад

Магнитное поле Земли: объяснение | Космос

Магнитное поле Земли, также известное как геомагнитное поле, генерируется внутри нашей планеты и распространяется в космос, создавая область, известную как магнитосфера.

Без магнитного поля жизнь на Земле , какой мы ее знаем, была бы невозможна, поскольку она защищает всех нас от постоянной бомбардировки заряженными частицами, испускаемыми солнце — солнечный ветер. (Чтобы узнать, что происходит с планетой, когда она теряет свое магнитное поле, достаточно взглянуть на Марс. )

Земля имеет два набора полюсов: географический полюс и магнитный полюс. Магнитное поле Земли можно визуализировать, если представить себе большой стержневой магнит внутри нашей планеты, примерно выровненный с земной осью. Каждый конец магнита расположен относительно близко (около 10 градусов) к географическим северному и южному полюсам. Линии невидимого магнитного поля Земли движутся по замкнутому непрерывному контуру и почти вертикальны на каждом магнитном полюсе.

Связанный: Событие Кэррингтона: величайшая солнечная буря в истории

Географический Северный и Южный полюса находятся там, где линии долготы сходятся согласно ГИС География (открывается в новой вкладке). Географический Северный полюс расположен посреди Северного Ледовитого океана, а географический Южный полюс находится в Антарктиде.

Магнитные полюса расположены там, где магнитные линии притяжения входят в Землю. Северный магнитный полюс, также известный как Северный полюс погружения, в настоящее время находится на острове Элсмир в Северной Канаде. Когда магнитный компас указывает на север, он выравнивается с магнитным полем Земли и указывает на Северный магнитный полюс, а не на Северный географический полюс, который на самом деле находится примерно в 310 милях (500 километров) согласно Географии ГИС!

(открывается в новой вкладке)

И чтобы еще больше сбить с толку, то, что мы называем Северным магнитным полюсом, на самом деле является южным магнитным полюсом… потерпите меня в этом. Источники магнитного поля диполярны, то есть имеют северный и южный полюса. А когда дело доходит до магнитов, противоположные полюса (N и S) притягиваются, а другие полюса (N и N, S и S) отталкиваются. Поэтому, когда компас указывает на север, он на самом деле притягивается к южному магнитному полюсу, который находится недалеко от географического северного полюса, согласно веб-сайту часто задаваемых вопросов физика Кристофера Бэрда (открывается в новой вкладке) «Удивительные вопросы с неожиданными ответами».

В отличие от географических полюсов, магнитные полюса Земли не являются фиксированными и имеют тенденцию со временем блуждать. Британский полярный исследователь Джеймс Кларк Росс впервые обнаружил магнитный Северный полюс на полуострове Бутис на территории канадского Нунавута в 1831 году, согласно антарктическому туристическому сайту Antarctic Logistics . По данным Королевских музеев Гринвича, с момента своего открытия северный магнитный полюс перемещается примерно на 25 миль (40 километров) в год в северо-западном направлении . Более того, магнитные полюса Земли также «перевернулись», в результате чего север стал югом, а юг — севером. Эти перевороты магнитного поля происходят с нерегулярными интервалами каждые 200 000 лет или около того.

Что вызывает магнитное поле Земли?

Магнитное поле Земли генерируется так называемым процессом геодинамо. Согласно National Geographic , для того чтобы планета могла генерировать собственное магнитное поле в процессе геодинамо, она должна обладать следующими характеристиками:

• Планета вращается достаточно быстро
• Внутри нее должна быть жидкая среда  
• Внутренняя жидкость должна обладать способностью проводить электричество
• Ядро должно иметь внутренний источник энергии, который приводит в движение конвекционные потоки внутри жидкости.

Генерация магнитного поля Земли происходит глубоко внутри Земли, в слое, известном как внешнее ядро, если быть точным. По данным Геологической службы США , здесь конвективная энергия медленно движущегося расплавленного железа преобразуется в электрическую и магнитную энергию. Затем магнитное поле индуцирует электрические токи, которые, в свою очередь, генерируют собственное магнитное поле, которое индуцирует больше электрических токов в петле положительной обратной связи.

Как магнитное поле защищает Землю?

Наш защитный магнитный «пузырь», известный как магнитосфера, защищает нас от вредной космической погоды, такой как солнечный ветер. Без магнитосферы солнечный ветер разрушил бы нашу атмосферу, лишив нашу планету живительного воздуха, которым мы дышим.

По данным НАСА , магнитосфера также защищает Землю от большого количества радиации частиц, испускаемой во время событий выброса корональной массы (CME), а также от космических лучей — фрагментов атомов — падающих на Землю дождем из глубокое пространство. Магнитосфера отталкивает вредную энергию от Земли и удерживает ее в зонах, называемых радиационными поясами Ван Аллена. Эти радиационные пояса в форме пончика могут увеличиваться, когда солнечная активность увеличивается.

Но наш защитный щит не совсем непобедим.

Сообщения по теме:

Во время особенно сильных явлений космической погоды, таких как сильный солнечный ветер или крупные корональные выбросы, магнитное поле Земли нарушается, и геомагнитные бури могут проникать в магнитосферу и приводить к массовым отключениям радио- и энергоснабжения, а также подвергать опасности астронавтов и Землю. орбитальные спутники.

В 1859 году сильная солнечная буря, известная как Кэррингтонское событие, вызвала массовые отказы телеграфной системы, а в 1989, CME сопровождал солнечную вспышку и погрузил всю провинцию Квебек, Канада, в электрическое отключение, которое длилось около 12 часов, согласно заявлению НАСА .

Степень магнитного возмущения от КВМ зависит от магнитного поля КВМ и Земли. Если магнитное поле CME выровнено с полем Земли, направленное с юга на север, CME пройдет мимо с небольшим эффектом. Однако, если CME выровнен в противоположном направлении, это может привести к реорганизации магнитного поля Земли , вызывая сильные геомагнитные бури.

Менее разрушительным и гораздо более красивым побочным эффектом возмущений магнитосферы является полярное сияние над полярными регионами Земли. Это явление известно как северное сияние (Aurora Borealis) в Северном полушарии и Южное сияние (Aurora australis) в Южном полушарии.

Возмущения в магнитном поле Земли направляют ионы вниз к полюсам Земли, где они сталкиваются с атомами кислорода и азота в земной атмосфере , создавая ослепительные световые шоу.

(открывается в новой вкладке)

Инверсия магнитных полюсов

По данным Science Daily (открывается в новой вкладке), только за последние 200 миллионов лет магнитные полюса Земли менялись сотнями раз в процессе, когда север становится югом, а юг становится севером.

По данным НАСА, магнитные полюса переворачиваются примерно каждые 200 000–300 000 лет , хотя с момента последнего переворота прошло более чем в два раза больше времени. Последнее переворот магнитного поля Земли произошло приблизительно 79 лет назад.0000 лет назад, так что мы скорее запоздали с другим. Но не волнуйтесь, магнитные полюса не поменяются за одну ночь, на смену полюсов могут уйти сотни или даже тысячи лет.

Магнитные поля на других планетах

Земля — не единственная планета в Солнечной системе, обладающая магнитным полем. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун демонстрируют магнитные поля, намного более сильные, чем у Земли, по данным Университета Юнион , хотя основные механизмы, управляющие этими магнитными полями, еще не полностью поняты.

Не каждой планете повезло иметь защитный магнитный слой. У Марса нет ни достаточного внутреннего тепла, ни жидкой внутренней части, необходимой для создания магнитного поля. Венера, с другой стороны, имеет жидкое ядро, но вращается недостаточно быстро, чтобы создать магнитное поле.

Дополнительные ресурсы

Если вы хотите узнать больше о том, как ученые исследуют внутреннюю часть нашей планеты и близлежащую космическую среду, даже не отрываясь от земли, ознакомьтесь с этими ресурсами (открывается в новой вкладке) Геологической службы США. Узнайте больше о магнитном поле Земли из этого короткого видео от Arbor Scientific (откроется в новой вкладке). Более подробно изучите магнитные и географические полюса в рамках Австралийской антарктической программы (откроется в новой вкладке).

Библиография

Baird, CS (15 ноября 2013 г.). Почему магнитный компас указывает на географический северный полюс? Научные вопросы с неожиданными ответами. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.wtamu.edu/~cbaird/sq/2013/11/15/why-does-a- Magnetic-compass-point-to-the-geographic-north-pole/ (открывается в новом вкладка)

Буис, А. (3 августа 2021 г.). Магнитосфера Земли: защита нашей планеты от вредной космической энергии – изменение климата: жизненно важные признаки планеты. НАСА. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.climate.nasa.gov/news/3105/earths-magnetosphere-protecting-our-planet-from-harmful-space-energy/ (открывается в новой вкладке)

Есть ли у других планет магнитные поля, как у нашей Земли? Союзный университет. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.uu.edu/dept/physics/scienceguys/2004Sept.cfm (открывается в новой вкладке)

Внутреннее пространство Земли. Национальное географическое общество. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.education.nationalgeographic.org/resource/core (открывается в новой вкладке)

Fox, KC (9 июня 2015 г.). Новый инструмент может отслеживать космическую погоду за 24 часа до достижения Земли. НАСА. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.nasa.gov/feature/goddard/new-tool-could-track-space-weather-24-hours-before-reaching-earth (открывается в новой вкладке)

Магнитный север против географического (истинного) северного полюса. География ГИС. (27 мая 2022 г.). Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.gisgeography. com/ Magnetic-north-vs-geographic-true-pole/ (открывается в новой вкладке)

НАСА. (30 ноября 2011 г.). 2012: Инверсия магнитного полюса происходит все (геологическое) время. НАСА. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.nasa.gov/topics/earth/features/2012-poleReversal.html (открывается в новой вкладке)

Odenqald, S. (13 марта 2009 г.). День, когда солнце принесло тьму. НАСА. Получено 4 июля 2022 г. с https://www.nasa.gov/topics/earth/features/sun_darkness.html (открывается в новой вкладке)

РМГ. Экспедиция Джона и Джеймса Кларк Росс по Северо-Западному проходу 1829–1833 гг. Королевские музеи Гринвича. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.rmg.co.uk/stories/topics/john-james-clarke-ross-north-west-passage-expedition-1829-33 (открывается в новой вкладке)

ScienceDaily. (28 декабря 2009 г.). Пока мир вращается: жидкое внешнее ядро ​​Земли медленно «перемешивается» серией волн длиной в десятилетия. ScienceDaily. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.sciencedaily.com/releases/2009/12/0

222743. htm (открывается в новой вкладке)

Сэр Джеймс Кларк Росс. Антарктическая логистика и экспедиции. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.antarctic-logistics.com/2010/08/28/sir-james-clark-ross/ (открывается в новой вкладке)

USGS. Как ядро ​​Земли генерирует магнитное поле? USGS. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.usgs.gov/faqs/how-does-earths-core-generate- Magnetic-field (открывается в новой вкладке)

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Дейзи Добриевич присоединилась к Space.com в феврале 2022 года в качестве справочного автора, ранее работавшего штатным автором в нашем сестринском журнале All About Space. Прежде чем присоединиться к нам, Дейзи прошла редакционную стажировку в журнале BBC Sky at Night Magazine и работала в Национальном космическом центре в Лестере, Великобритания, где ей нравилось знакомить общественность с космической наукой. В 2021 году Дейзи защитила докторскую диссертацию по физиологии растений, а также имеет степень магистра наук об окружающей среде. В настоящее время она проживает в Ноттингеме, Великобритания.0003

3.1: Магнитные поля — Workforce LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Camosun College
• BCCampus0046

Если магнит подвешен в воздухе, он всегда будет вращаться и ориентироваться на северный и южный полюса Земли. Два конца, называемые магнитными полюсами, находятся там, где сила наиболее сильна.

Между двумя полюсами создается силовое магнитное поле. Вы можете думать об этом как о невидимых силовых линиях, идущих от одного полюса к другому. Магнитные линии (линии потока) непрерывны и всегда образуют петли. Эти невидимые линии можно увидеть, если посыпать железными опилками лист бумаги, помещенный над стержневым магнитом (рис. \(\PageIndex{1}\)).

Магниты имеют определенные правила, регулирующие их работу.

Магнитные силовые линии имеют направление

Эти линии непрерывны и проходят от северного полюса к южному полюсу магнита (Рисунок \(\PageIndex{2}\)).

Магнитные силовые линии всегда образуют полные петли

Линии не начинаются и не заканчиваются на полюсах, а проходят через магнит, образуя полные петли. Если бы вы разрезали магнит пополам, вы могли бы наблюдать магнитное поле между двумя частями магнита (рис. \(\PageIndex{3}\)).

Магнитные силовые линии всегда образуют тесные петли

Это правило объясняет идею притяжения. Линии потока пытаются подтянуться как можно ближе к магниту, как резиновые ленты. Они также пытаются сконцентрироваться на каждом полюсе. Если вы поместите два разных полюса вместе, они попытаются стать одним большим магнитом и укоротить силовые линии (рис. \(\PageIndex{4}\)).

Магнитные силовые линии отталкиваются друг от друга

Если магнитные силовые линии действуют как резиновые ленты, почему бы и нет они проваливаются в центр? Причина в том, что они отталкивают друг друга. Посмотрите на рисунок 3; обратите внимание, что линии имеют тенденцию расходиться по мере удаления от полюсов, а не сходиться или даже оставаться параллельными. Это происходит от их взаимного отталкивания.

Магнитные силовые линии никогда не пересекаются, но всегда должны образовывать отдельные петли

Этот эффект объясняется взаимным отталкиванием каждой магнитной линии. Это объясняет, почему одинаковые полюса отталкиваются друг от друга. Если линии не могут пересекаться друг с другом, то они должны действовать друг против друга. Если бы вы могли видеть силовые линии, они выглядели бы так, как показано на диаграмме (рис. \(\PageIndex{5}\)).

Магнитные силовые линии легче проходят через материал, который может намагничиваться

Магнитные силовые линии будут искажаться, чтобы включить в поле кусок железа. Это приведет к превращению железа во временный магнит. Тогда противоположные полюса двух магнитов будут притягиваться друг к другу и пытаться сократить силовые линии. Это объясняет притяжение ненамагниченных ферромагнитных объектов (рис. \(\PageIndex{6}\)).

Нет изоляции от силовых линий магнитного поля

Все силовые линии магнитного поля должны заканчиваться на противоположном полюсе, а это означает, что их невозможно остановить. Природа должна найти способ вернуть силовые линии магнитного поля обратно к противоположному полюсу. Однако магнитные поля могут быть перенаправлены вокруг объектов. Это форма магнитного экранирования. Окружая объект материалом, который может «проводить» магнитный поток лучше, чем материалы вокруг него, магнитное поле будет стремиться течь вдоль этого материала и избегать объектов внутри. Это позволяет линиям поля заканчиваться на противоположных полюсах, но просто дает им другой маршрут для следования (рисунок \(\PageIndex{7}\)).

Выравнивание атомов

Если взять постоянный магнит и разрезать его пополам, у вас будет два постоянные магниты, каждый с северным и южным полюсом. Если бы вы продолжали резать каждый пополам, у вас было бы больше магнитов. Это говорит о том, что если бы вы могли сократить до атома, он также был бы идеальным постоянным магнитом.

Эту теорию можно распространить и на немагнитные материалы. Каждый из атомов является магнитом, но все они направлены в разные стороны. Если вы сможете получить достаточное количество атомов, направленных в одном направлении, у вас будет магнит. Все, что вам нужно сделать, это подвергнуть кусок металла воздействию линий потока, и атомы выровняются.

Эти атомы имеют тенденцию образовывать группы, называемые доменами. Когда домен становится достаточно большим, весь кусок металла становится доменом и проявляет силу. Когда все атомы выровнены, кусок становится насыщенным и не может стать сильнее.

Эта страница под названием 3.1: Magnetic Fields распространяется по лицензии CC BY, автором, ремиксом и/или куратором выступил Camosun College (BCCampus) (бесплатная загрузка на http://open.bccampus.ca/find-open- учебники)) .

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или страница

   Автор

   Колледж Камосун

   Лицензия

   СС BY

   Показать оглавление

   нет

2. Метки

   1. источник-хим-172040

22.

Глава 22 Магнетизм

Резюме

• Дайте определение магнитному полю и опишите линии магнитного поля различных магнитных полей.

Говорят, что в детстве Эйнштейн был очарован компасом, возможно, размышляя о том, как стрелка чувствует силу без прямого физического контакта. Его способность глубоко и ясно размышлять о действиях на расстоянии, особенно о гравитационных, электрических и магнитных силах, позже позволила ему создать свою революционную теорию относительности. Поскольку магнитные силы действуют на расстоянии, мы определяем магнитное поле как представление магнитных сил. Графическое представление линий магнитного поля очень полезен для визуализации силы и направления магнитного поля. Как показано на рисунке 1, направление линий магнитного поля определяется как направление, в котором указывает северный конец стрелки компаса. Магнитное поле традиционно называют B -полем .