Site Loader

Содержание

Тесты по физике на тему «Магнитное поле» ( 11 класс)


Тесты по теме « Магнитное поле». Физика 11 класс

Вариант 1

1.Выберите наиболее правильное продолжение фразы: «Магнитное поле создается …»:

А. Атомами железа.

Б. Электрическими зарядами.

В. Магнитными зарядами.

Г. Движущимися электрическими зарядами.

2. Чем объясняется взаимодействие двух параллельных проводников с постоянным током?

А. Взаимодействием электрических зарядов.

Б. Действием электрического поля одного проводника с током на ток в другом проводнике.

В. Действием магнитного поля одного проводника с током на ток в другом проводнике.

Г. Действием электрического поля одного проводника на заряды в другом проводнике.

3. Какое из приведенных ниже выражений характеризует силы действия магнитного поля на проводник с током?

А. Bvl sinα. Б. Bqv sin В. BS cosα . Г. LI. Д. Blv sinα. Е. BIv sinα.

4.Укажите единицу измерения магнитного потока:

А. Вебер (Вб). б. Тесла (Тл). В. Генри (Гн.) Г. Кулон (Кл). Д.Фарада (Ф).

5. Укажите правильный вариант изображений линий магнитной индукции проводника с током текущим перпендикулярно плоскости рисунка:

,

1

1 2 3 4

А. 1. Б.2. В.3. Г.4.

6.Куда направлена сила, действующая на проводник с током, внесенный в магнитное поле?

В

А. вверх.

Б. вниз.

В. К наблюдателю.

Г. От наблюдателя.

Д. Вправо.

Е влево.

Ж. Сила равна нулю.

7. Назовите прибор (устройство), в котором используется движение заряженной частицы в магнитном поле по криволинейной траектории:

А. Громкоговоритель.

Б. Амперметр.

в. Масс- спектрограф.

Г. МГД- генератор.

Д. Электромагнит.

8.Чему равна сила, действующая на заряд 10-7 Кл, движущийся со скоростью 600м/с в магнитном поле с индукцией 0.02 Тл, если скорость направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции?

А. 3*10-11 Н.

Б. 12 *10-11 Н.

В. 12 *10-7 Н.

Г. 3 *10-7 Н.

Д.С ила равна нулю.

9. Как направлен вектор магнитной индукции в точке 2 около проводника с током?

А. вверх.

Б. вниз.

В. Влево.

Г. Вправо.

Д. К наблюдателю.

Е. От наблюдателя.

10. Как направлена сила, действующая на отрицательный заряд, внесенный в магнитное поле?

В

А. вверх.

Б. вниз.

В. Влево.

Г. Вправо.

Д. К наблюдателю.

Е. От наблюдателя.

Ж. Сила равна нулю

11. Рамка площадью 0.2 м2 расположена в однородном магнитном поле с индукцией 2 Тл. Плоскость рамки расположена перпендикулярно линиям магнитной индукции. Как изменится магнитный поток через эту рамку при повороте плоскости рамки на 900?

А. Увеличится на 0.1Вб.

Б. Увеличится на 0.4 Вб.

В. Не изменится.

Г. Уменьшится на 0.4 Вб.

Д. Уменьшится на 0.1 Вб.

12.Как изменится сила, действующая на прямолинейный проводник с током в однородном магнитном поле, при увеличении магнитной индукции в 3 раза и уменьшении силы тока в нем в 3 раза?

А. Увеличится в 9 раз.

Б. Увеличится в 3 раза.

В. Не изменится.

Г. Уменьшится в 3 раза.

Д. Уменьшится в 9 раз.

13. На рисунке пять различных траекторий полета частиц в однородном магнитном поле, линии индукции которого направлены перпендикулярно плоскости рисунка к наблюдателю. Какая траектория принадлежит электрону с наибольшей кинетической энергией?

3

2

1

В 4

5

А. 1. Б.2. В.3. Г.4. Д.5.

14.Как изменится радиус кривизны траектории движения частицы в магнитном поле при уменьшении скорости в 2 раза и увеличении магнитной индукции в 2 раза?

А. Увеличится в 4 раза.

Б. Увеличится в 2 раза.

В. Не изменится.

Г. Уменьшится в 2 раза.

Д. Уменьшится в 4 раза.

Тесты по теме « Магнитное поле». Физика 11 класс.

Вариант 2

1.Подберите наиболее правильное продолжение фразы: «Магнитное поле оказывает силовое действие …»

А. Только на покоящиеся электрические заряды.

Б. Только на движущиеся электрические заряды.

В. Как на движущиеся так и на покоящиеся заряды.

Г. Только на магнитные заряды.

Д. На любые тела обладающие массой.

2.Что наблюдается в опыте Эрстеда?

А. Два проводника взаимодействуют друг с другом.

Б. Проводник с током действует на электрические заряды.

В. Магнитная стрелка поворачивается вблизи заряженного проводника.

Г. Магнитная стрелка поворачивается вблизи проводника с током.

Д. Магнитная стрелка поворачивается вблизи магнита.

3. Какое из приведенных ниже выражений характеризует величину магнитного потока, созданного проводником с током?

А. Bvl sinα. Б. Bqv sin

В. BS cosα. Г. LI. Д. Blv sinα. Е. BIv sinα.

4.Укажите единицу измерения магнитной индукции:

А. Вебер (Вб). б. Тесла (Тл). В. Генри (Гн). Г. Кулон (Кл). Д. Фарада (Ф)

5. Укажите правильный вариант изображений линий магнитной индукции проводника с током, текущим перпендикулярно плоскости рисунка:

1

1 2 3 4

А. 1 Б.2 В.3 Г.4

6. Куда направлена сила, действующая на положительно заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле?

В

А. вверх.

Б. вниз.

В. К наблюдателю.

Г. От наблюдателя.

Д. Вправо.

Е. Влево.

Ж. Сила равна нулю.

7. Назовите прибор (устройство), в котором используется поворот рамки с током в магнитном поле

А. Громкоговоритель.

Б. Амперметр.

в. Масс- спектрограф.

Г. МГД- генератор.

Д. Электромагнит.

8.Чему равна сила, действующая на проводник с током 2 А в магнитном поле с индукцией 0.04 Тл, если длина активной части проводника 10 см и проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции?

А.8Н.

Б.8*10-3Н.

В. 2Н.

Г. 2*10-2 Н.

Д. Сила равна нулю.

9.Как направлен вектор магнитной индукции в точке С около проводника с током?

..,

. С

А. вверх.

Б. вниз .

В. Влево.

Г. Вправо.

Д. К наблюдателю.

Е. От наблюдателя.

Ж. Сила равна нулю.

10. как направлена сила , действующая на проводник с током в магнитном поле

В

А. вверх.

Б. вниз.

В. Влево.

Г. Вправо.

Д. К наблюдателю.

Е. От наблюдателя.

Ж. Сила равна нулю.

11. как изменится магнитный поток в катушке индуктивностью 1 Гн при изменении силы тока в ней от 1 А до 2 А?

А. Увеличится на 1 Вб.

Б. Увеличится на 2 Вб.

В. Не изменится.

Г. Уменьшится на 2 Вб.

Д. Уменьшится на 1 Вб.

12. Как изменится сила, действующая на заряженную частицу, движущуюся в однородном магнитном поле, при увеличении магнитной индукции в 3 раза и увеличении скорости частиц в 3 раза?

А. Увеличится в 9 раз.

Б. Увеличится в 3 раза.

В. Не изменится.

Г. Уменьшится в 3 раза.

Д. Уменьшится в 9 раз.

13. Две заряженные частицы пролетают в магнитное поле. Отношение радиуса кривизны их траектории R1/R1=2. Каково отношение масс частиц m1/m2, если известно, что отношение их зарядов q1/q2=2, а скорости частиц одинаковы?

А. 2. Б. 4. В. 0.5.. С. 0.25.

14.Как изменится радиус кривизны траектории движения частицы в магнитном поле при уменьшении скорости в 2 раза и увеличении магнитной индукции в 2 раза?

А. Увеличится в 4 раза.

Б. Увеличится в 2 раза.

В. Не изменится.

Г. Уменьшится в 2 раза.

Д. Уменьшится в 4 раза.

Ответы:

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

1Вариант

Г

В

А

А

Б

Г

В

В

Е

Ж

Г

В

Б

Д

2 вариант

Б

Г

Г

Б

Б

В

Б

Б

А

Ж

А

А

Д

Б

Контрольная работа 11 кл М п ЭМИ ЭМК ЭМВ

Контрольная работа на тему: «МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ»

ВАРИАНТ 1

ЧАСТЬ А Выберите один верный ответ

1. Магнитное поле создается

1) электрическими зарядами

2) магнитными зарядами

3) движущимися электрическими зарядами

4) любым телом

2. Линии магнитной индукции вокруг проводника с током правильно показаны в случае


1)А 3

2) Б 4) Г

3. Прямолинейный проводник с током находится между полюсами магнита (проводник расположен перпендикулярно плоскости листа, ток течет к читателю). Сила Ампера, действующая на проводник, направлена

1) вправо → 3) вверх ↑

2) влево ← 4) вниз

4. Траектория полета электрона, влетевшего в однородное магнитное поле под углом 60°

1) прямая 3) парабола

2) окружность 4) винтовая линия

5.Какой из ниже перечисленных процессов объясняется явлением электромагнитной индукцией?

1) взаимодействие проводников с током.

  1. отклонение магнитной стрелки при прохождении по про­воду электрического тока.

  2. возникновение электрического тока в замкнутой катуш­ке при увеличении силы тока в катушке, находящейся рядом с ней.

  3. возникновение силы, действующей на прямой проводник с током.

6. Легкое проволочное кольцо подвешено на нити. При вдвигании в кольцо магнита северным полюсом оно будет:

  1. отталкиваться от магнита

  2. притягиваться к магниту

  3. неподвижным

  4. сначала отталкиваться, затем притягиваться

7. На рисунке представлен график зависимости заряда от времени в колебательном контуре. Значения амплитуды заряда и периода его изменения равны

1,5 нКл, 2 мкс

  1. 3 нКл, 4 мкс

  2. 1,5 нКл, 4 мкс

  3. 3 нКл, 2 мкс

ЧАСТЬ В

8. Установите соответствия технических устройств из левого столбца таблицы с физическими явлениями, используемыми в них, в правом столбце.

Устройства

А. электродвигатель

Б. компас

В. гальванометр

Г. МГД — генератор

Явления

  1. действие магнитного поля на постоянный магнит

  2. действие магнитного поля на движущийся электрический заряд

  3. действие магнитного поля на проводник с током

Решите задачи.

9. В однородном магнитном поле движется со скоростью 4 м/с перпендикулярно линиям магнитной индукции провод длиной 1,5м. Модуль вектора индукции магнитного поля равен 50 мТл. Определить ЭДС индукции, которая возникает в проводнике.

10. На какой частоте работает радиопередатчик, излучающий волну длиной 30 м?

ЧАСТЬ С

Решите задачу.

11. По горизонтальным рельсам, расположенным в вертикальном магнитном поле с индукцией 0,01 Тл, скользит проводник длиной 1 м с постоянной скоростью 10 м/с. Концы рельсов замкнуты на резистор сопротивлением 2 Ом. Найдите количество теплоты, которое выделится в резисторе за 4 с. Сопротивлением рельсов и проводника пренебречь.

Контрольная работа на тему: «МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ»

ВАРИАНТ 2

ЧАСТЬ А Выберите один верный ответ

1. Движущийся электрический заряд создает

  1. только электрическое поле

  2. только магнитное поле

  3. как электрическое, так и магнитное поле

  4. только гравитационное поле

2. На рисунке изображен цилиндрический проводник, по которому идет электрический ток. Направление тока указано стрелкой. Как направлен вектор магнитной индукции в точке С?

1)в плоскости чертежа вверх

  1. в плоскости чертежа вниз

  2. от нас перпендикулярно плоскости чертежа

  3. к нам перпендикулярно плоскости чертежа

3. На проводник с током, внесенный в магнитное поле, действует сила, направленная

1)вверх

2)влево

  1. к нам перпендикулярно плоскости чертежа

  2. от нас перпендикулярно плоскости чертежа

4. Скорость электрона направлена перпендикулярно магнитной индукции. Сила Лоренца направлена

1) вправо→

2) влево←

3)вверх ↑

4) вниз

5. Легкое металлическое кольцо подвешено на нити. При вдвигании в кольцо постоянного магнита оно отталкивается от него. Это объясняется

  1. намагничиванием кольца

  2. электризацией кольца

  3. возникновением в кольце индукционного тока

  4. возникновением в магните индукционного тока

6. В проволочное алюминиевое кольцо, висящее на нити, вносят полосовой магнит: сначала южным полюсом, затем северным. Кольцо при этом:

  1. в обоих случаях притянется к магниту

  2. в обоих случаях оттолкнется от магнита

  3. в первом случае притянется, во втором — оттолкнется

  4. в первом случае оттолкнется, во втором — притянется

7.

На рисунке представлен график зависимости силы тока от времени в колебательном контуре. Значения амплитуды силы тока и частоты ее изменения равны

  1. 10мА,8Гц

  2. 10мА,4Гц

  3. 5мА,0,125Гц

4) 5 мА, 0,25 Гц

ЧАСТЬ В

8. Установите соответствия технических устройств из левого столбца таблицы с физическими явлениями, используемыми в них, в правом столбце.

Явления

  1. действие магнитного поля на постоянный магнит

  2. действие магнитного поля на проводник с током

  3. действие магнитного поля на движущийся электрический заряд

Устройства

A. громкоговоритель

Б. электронно-лучевая трубка

B. амперметр
Г. компас

Решите задачи.

9. В однородном магнитном поле перпендикулярно направлению вектора индукции, модуль которого 0,1 Тл, движется проводник длиной 2 м со скоростью 5 м/с. Определить ЭДС индукции, которая возникает в проводнике.

10. Какова длина волны телевизионного сигнала, если несущая частота равна 50 МГц?

ЧАСТЬ С

11. Решите задачу.

Плоский проволочный виток площадью 1000 см2, имеющий сопротивление 2 Ом, расположен в однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл таким образом, что его плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции. На какой угол был повернут виток, если при этом по нему прошел заряд 7,5 мКл?

Ответы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

в-1 3 1 1 4 3 1 3 3132 0,3В 1МГц 20МДж

в-2 3 4 4 3 3 2 3 2321 1В 6м 120°

IAP RAS — Negative influence of self-generated magnetic fields on ion acceleration by super-power laser pulses

Магнитное поле помешало сверхмощному лазеру разогнать протоны

Международная группа ученых обнаружила, что лазерное ускорение протонов испытывает отрицательное влияние со стороны возникающих в процессе ускорения магнитных полей при высоких мощностях используемого лазерного излучения. Это является дополнительной сложностью на пути внедрения более компактных лазерных технологий вместо традиционных методов ускорения частиц в медицинских и других приложениях. Статья была опубликована в журнале Nature Communications.

Возглавляемая профессором Политехнической школы в Париже Жульеном Фуксом (Julien Fuchs) международная группа ученых, в состав которой вошли также сотрудники Института прикладной физики РАН из Нижнего Новгород, в ходе экспериментов по ускорению протонов лазерными импульсами мощностью в десятки тераватт (1 тераватт = 1012 ватт) обнаружила, что на процесс ускорения значительное влияние оказывают сверхсильные магнитные поля, возникающие в облучаемой мишени. Сила этих полей достигала в эксперименте величины около 1 гигагаусса, что в миллионы раз превышает самые сильные магнитные поля, которые создаются электромагнитами. Из-за этих полей энергия протонов, полученная в эксперименте, оказалась в несколько раз ниже ожидаемой.

Лазерное ускорение протонов является перспективной технологией для использования в целом ряде областей, главной из которых является протонная лучевая терапия раковых опухолей. Идея использовать для уничтожения опухоли ионизирующее излучение в виде потока протонов возникла более полувека назад. По сравнению с обычно используемым в этих целях рентгеновским излучением протоны обладают значительно более высокой селективностью и позволяют заметно снизить величину дозы, получаемой окружающими опухоль здоровыми тканями. Однако требуемая для лучевой терапии энергия протонов – около 200–300 МэВ – долгое время была доступна только на больших и дорогих ускорителях, работающих на основе традиционных радиочастотных технологий. Развитие в последние годы технологии создания сверхпроводящих магнитов позволило снизить размеры и стоимость ускорителей, что привело к росту количества центров, предоставляющих услугу протонной лучевой терапии, однако проблема её доступности в полной мере не решена до сих пор.

Дальнейшее уменьшение размеров протонных ускорителей возможно за счет использования лазерных технологий. Современные лазерные системы далеко ушли от привычных всем лазерных указок, уровней и дальномеров. Созданы лазеры, мощность которых в десятки раз превосходит мощность всех электростанций, работающих в мире. Конечно, такую мощность они развивают лишь на чрезвычайно короткий промежуток времени – не более триллионной доли секунды – однако, как было выяснено около 15 лет назад, излучение подобных лазеров можно использовать для эффективного ускорения частиц.

При облучении тонких металлических фольг сверхмощные лазеры полностью их сжигают и разрушают, создавая горячую плазму, из которой летят в том числе и пучки быстрых протонов. При этом, в отличии от традиционных ускорителей, в которых величина ускоряющих полей ограничена прочностью создающих их магнитов и электродов, в лазерном ускорении разрушение фольги не мешает процессу ускорения, и ускоряющие поля превосходят поля в традиционных ускорителях в тысячи раз. Это позволяет также в тысячи раз сократить размеры ускорителя – уменьшив их от нескольких метров до нескольких миллиметров.

На сегодняшний день одной из основных проблем лазерного ускорения протонов является увеличение энергии получаемых протонов. Рекордом является ускорение их до почти 100 МэВ, однако для медицинских приложений это число надо еще, как минимум, удвоить. Одним из очевидных путей сделать это является использование все более мощных лазеров. Именно его исследовала команда Ж. Фукса. Эксперименты были проведены на двух лазерных установках – в центре LULI, во Франции, и в Национальной лаборатории в Сандии, США. Мощность использованных лазерных импульсов достигала 200 тераватт.

При этом ученые ожидали получить энергию протонов выше 100 МэВ, однако она составила лишь 40 МэВ – такие энергии сейчас умеют получать на значительно менее мощных лазерных системах. Проведённый анализ показал, что причиной заниженного результата оказалось отрицательное влияние на процесс ускорения сверхсильных магнитных полей, которые возникают под действием лазерного излучения в мишени. Численное моделирование показало, что их величина скорее всего превышала 1 гигагаусс, что приводило к эффективному торможению нагреваемых лазером электронов, которые и должны были ускорять протоны. В результате протоны недополучали энергию.

В дальнейшем ученые планируют провести аналогичные исследования для более коротких лазерных импульсов. Численное моделирование показывает, что для них отрицательное влияние магнитного поля будет менее значительным. В частности, такие эксперименты будут проведены в Институте прикладной физики РАН, где создан и функционирует лазерный комплекс PEARL, способный генерировать излучение мощностью до 500 тераватт. Здесь же профессор Ж. Фукс возглавляет лабораторию, созданную в 2014 году в рамках программы мегагрантов Министерства образования и науки РФ (договор № 14.Z50.31.0007). В рамках этого же договора было поддержано участие сотрудников ИПФ РАН в обсуждаемой работе.

Результат численного моделирования. Структура магнитного поля в мишени и траектории нескольких случайно выбранных электронов

P. S. Пресс-релиз по опубликованной статье был также подготовлен Университетом города Осака

Артём Коржиманов, старший научный сотрудник ИПФ РАН

1 Подберите наиболее правильное продолжение фразы Магнитные поля создаются


1)Подберите наиболее правильное продолжение фразы  «Магнитные поля создаются…

  1. атомами железа

  1. электрическими зарядами

  1. магнитными зарядами.

  1. движущимися электрическими зарядами.

2)Чем объясняется взаимодействие двух параллельных проводников с постоянным током?

  1. Взаимодействием электрических зарядов.

  1. Действием электрического поля одного проводка с током на ток в другом проводнике

  1. Действием магнитного поля одного проводника
    с током на ток в  другом  проводнике

  1. Действием электрического поля одного проводка на заряды в другом проводнике.

4)Укажите единицу измерения магнитного потока:

  1. Вебер (В6).

  1. Тесла (Тл).

  1. Генри (Гн).

  1. Кулон (Кл).

  1. Фарада (Ф).

.

5) Укажите правильный вариант изображения линий
магнитной индукции проводника с током, текущим перпендикулярно плоскости рисунка


1

2

3

4

5

.

6) Куда направлена сила, действующая на проводник током, внесенный в магнитное поле ?



  1. Вверх.

  1. К наблюдателю.

  1. От наблюдателя.

  1. Вправо.

  1. Влево.

  1. Сила равна нулю.

  1. Назовите прибор (устройство), в котором используется движение заряженной частицы в магнитном поле по криволинейной траектории:

  1. Громкоговоритель.  

  1. Амперметр.  

  1. Масс-спектрограф.

  1. МГД- генератор.

  1. Электромагнит.

.

8)Чему равна сила, действующая на заряд 10-7 Кл, движущийся со скоростью 600 м/с в магнитном поле с индукцией 0.02 Тл, если скорость направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции?

  1. 3*10 -11 Н

  1. 12*10 -11 Н

  1. 12*10  -7 Н

  1. 3 * 10 -7 Н

  1. Сила равна нулю

.

9)Как направлена сила, действующая на отрицательный заряд, внесенный в магнитное поле ?



  1. Вверх.

  1. Влево.

  1. Вправо.

  1. К наблюдателю.

  1. От наблюдателя.

  1. Вниз

10) Рамка площадью 0,2 м2 расположена в однородном магнитном поле с индукцией 2 Тл. Плоскость рамки расположена перпендикулярно линиям магнитной индукции. Как изменится магнитный поток через эту рамку при повороте плоскости рамки на 900?           

  1. Увеличится на 0,1 Вб.

  1. Увеличится на 0,4 Вб.

  1. Не изменится.

  1. Уменьшится на 0.4 Вб.

  1. Уменьшится на 0.1 Вб.

11) Как изменится сила, действующая на прямолинейный проводник с током в однородном магнитном поле, при увеличении магнитной индукции в 3 раза и уменьшении силы тока ней в 3  раза?

  1. Увеличится  в 9 раз.

  1. Увеличится в 3 раза.

  1. Не изменится.

  1. Уменьшится в 3 раза.

  1. Уменьшится в 9 раз.

12)На  рисунке показаны пять различных траекторий полета частиц в однородном магнитном поле, линии индукции которого направлены перпендикулярно плоскости рисунка к наблюдателю. Какая траектория принадлежит электрону с наибольшей кинетической
энергией



1

2

3

4

5

13)Как направлена сила, действующая на отрицательный заряд, внесенный в магнитное поле ?



  1. Вверх.

  1. Вниз.

  1. Влево.

  1. Вправо.

  1. К наблюдателю.

  1. От наблюдателя.

  1. Сила равна нулю

14) Как изменится радиус кривизны траектории движения заряженной частицы в магнитном поле при уменьшении ее скорости в 2 раза и увеличении магнитной индукции в 2 раза?

  1. Увеличится в 4 раза.

  1. Увеличится в 2 раза.

  1. Не изменится.

  1. Уменьшится в 2 раза.

  1. Уменьшится в 4 раза.

Принципы работы МРТ. Центр МРТ Верум в Ижевске

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

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

Физические принципы МРТ

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

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

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

Применение МРТ

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

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

Технология МРТ особенно полезна при следующих процессах в организме:

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

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

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

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

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

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

Магнитное поле создается только

Автор На чтение 14 мин. Опубликовано

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.

Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.

Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.

Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.

Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.

Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.

Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.

Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.

Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:

Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).

Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.

А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.

Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.

Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:

При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.

Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).

Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:

Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.

Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.

Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.

Тема: что собой представляет магнитное поле, его принцип действия.

Многие знают о существовании так называемого магнитного поля. Самым распространенным предметом, вокруг которого оно существует является обычный постоянный магнит. Что мы о нем знаем и как он себя обычно проявляет? Это кусок из твердого материала, притягивающий к себе железные предметы. Он может иметь любую форму, ее предают при изготовлении с учетом конкретного предназначения магнита. Магниты имеют полюса — южный и северный. Если взять два куска магнита и попытаться их соединить, то в одном случае они попытаются притянутся друг к другу, а в другом случае они будут стремится оттолкнуться. Одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Помимо этого если одни целый магнит разбить на два куска (не важно, будут ли он и равны или нет) мы получим уже два разных магнита, у которых будут свои магнитные полюса и своя интенсивность притягивания. В этом случае сила магнетизма будет зависеть от размеров этих самых магнитов. Почему же так происходит? В чем заключается суть этих интересных явлений, связанных с магнетизмом?

А суть магнитного поля заключается в следующем. Из школьной физики вы должны были помнить, что существуют так называемые электрические заряды (электроны и ионы). В твердых веществах носителями электрических зарядов являются электроны, а в жидких и газообразных — ионы. Магнитные поля, как и любые другие поля, являются особым видом материи, которая проявляет себя в виде некой силы, невидимой глазу. Хотя точнее будет, пожалуй, говорить электромагнитные поля так как именно в суммарной форме они себя проявляют (электрическое и магнитное поле).

Итак, магнитное поле существует вокруг движущегося электрического заряда. Именно движущегося. Вокруг электрических зарядов, что находятся в статическом состоянии существует только электрическое поле. Но поскольку заряды находятся в постоянном движении, то речь скорей идет о интенсивности этого движения. Одно дело когда электроны (частицы, имеющие отрицательный электрический заряд) просто сконцентрированы в металлическом шаре (максимальным будет именно электрическое поле вокруг шара) и в этом случае их динамическое движение будет гораздо меньше проявляться нежели в случае их непосредственного движения по проводнику (именно тут мы увидим максимальное магнитное поле) от одного полюса источника питания к другому.

Получается, что суть магнитного поля заключается в его образовании именно вокруг движущихся электрических зарядов. И чем быстрее будет двигаться заряд по проводнику, тем больше будет интенсивность магнитного поля вокруг этого самого заряда. Кроме этого магнитные поля могут суммироваться если они имеют одну и ту же направленность. После чего уже имеем — чем быстрее движется электрический заряд и чем больше количество этих зарядов, движение которых совпадает по направлению, тем сильнее будет электромагнитное поле вокруг этих зарядов (и вокруг этого электрического проводника, по которому они перемещаются).

Теперь можно понять, почему вокруг обычной медной катушки, по которой течет постоянный ток, появляется магнитное поле и от чего зависит его интенсивность. Просто само движение тока, электронов (заряженных частиц с отрицательным знаком) по катушки и порождает электромагнитные поля. И чем больше количество витков у этой катушки, больше ток, проходящий по ней, тем больше и сила магнитного поля вокруг нее. А почему тогда лампочка, по которой бежит ток, не имеет такого магнитного поля (интенсивного) как у катушки? Просто электрическая энергия у лампочки больше расходуется именно на свет и тепло, и в меньшей степени на электромагнитное поле. В то время как у плотно намотанной, сконцентрированной катушки большая часть электрической энергии тратится именно на создание магнитного поля и совсем незначительная его часть на выделение тепла.

А как работают постоянные магниты? Ведь по ним же не течет ток. Токи есть, только это микротоки, порождаемые движением электронов внутри самого вещества. Тут все дело в однонаправленности этих токов и способности вещества удерживать постоянное состояние этой однонаправленности. Движение электронов присутствует во всех веществах, но вот магнитные свойства проявляются только у тех, которые обладают ферромагнитными свойствами. Ферромагнетики, это вещества, которые легко могут менять (при определенных условиях) и стабильно удерживать определенную внутреннюю структуру своих частиц, влияющую на магнитные свойства этого вещества.

Итак, мы берем вещество, с хорошими ферромагнитными свойствами, помещаем его в постоянное электромагнитное поле высокой интенсивности, после чего наблюдаем перестраивание внутренней структуры этого вещества. Появляется однонаправленность его магнитных частиц. В итоге, это вещество само становится магнитом. Все его внутреннии частички (атомы, молекулы) с одной стороны образовали южный магнитный полюс, а с другой стороны — северный. В результате мы получили обычный магнит. Если этот магнит поместить в переменное магнитное поле (большой интенсивности), сильно нагреть, подвергать сильным механическим ударам, то в итоге мы может размагнитить наше ферромагнитное вещество. Оно утратит свои магнитные свойства.

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами, поэтому само понятие возникло в электродинамике одновременно с понятием «электрическое поле». Оно было введено сначала М. Фарадеем, а чуть позже – Дж. Максвеллом, чтобы объяснить, почему электрические заряды имеют такую относительно небольшую дальность взаимодействия.

В эфире

Отцы электродинамики считали, что поле создается путем деформации эфира – невидимой умозрительной среды, заполняющей все сущее (Эйнштейн во время работы над теорией относительности упразднил понятие эфира). Хотя современным людям это и может показаться странным, но до 20 века физики действительно не сомневались в некой субстанции, пронизывающей все сущее. То, как магнитные поля создаются и какова их природа, физики не могли объяснить.

Когда в обиход вошла специальная теория относительности (СТО), а эфир «официально убрали», пространство стало «пустым», однако поля даже в вакууме продолжали взаимодействовать, а ведь это невозможно между нематериальными объектами (по крайней мере согласно СТО), поэтому физики сочли нужным присвоить некоторые атрибуты электрическим и магнитным полям. Создаются такие понятия, как масса, импульс и энергия полей.

Свойства магнитного поля

Первое его свойство объясняет природу происхождения: магнитное поле может возникнуть только под воздействием движущихся зарядов (электронов) электрического тока. Силовая характеристика магнитного поля называется магнитной индукцией, она присутствует в любой точке поля.

Воздействие поля распространяется только на движущиеся заряды, магниты и проводники. Оно может быть двух типов: переменного и постоянного. Измерить магнитное поле можно только с помощью специальных приборов, оно не фиксируется человеческими органами чувств (хотя биологи считают, что некоторые животные могут воспринимать изменения в нем). Суть еще одного свойства магнитного поля состоит в том, что оно имеет электродинамическую природу не только потому, что может влиять только на движущиеся заряды, но и потому, что само порождается движением зарядов.

Как увидеть

Хотя органы чувств человека и не могут зафиксировать присутствие магнитного поля, его направление можно определить с помощью намагниченной стрелки. Однако «увидеть» магнитное поле можно с помощью листа бумаги и простых железных опилок. На постоянный магнит необходимо положить лист бумаги, а опилки посыпать сверху, после чего железная стружка выстроится по замкнутым и непрерывным силовым линиям.

Направленность силовых линий определяется с помощью правила правой руки, которое также носит название «правило буравчика». Если взять проводник в руку таким образом, чтобы большой палец был по направлению тока (ток движется от минуса к плюсу), то остальные пальцы укажут направление силовых линий.

Геомагнетизм

Магнитные поля создаются движущимися зарядами, но тогда какова природа геомагнетизма? Наша планета обладает магнитным полем, которое защищает ее от вредного солнечного излучения, причем диаметр поля в несколько раз превосходит диаметр Земли. По форме оно неоднородно, на «солнечной стороне» сжимается под воздействием солнечного ветра, а с ночной стороны растягивается в виде длинного широкого хвоста.

Считается, что на нашей планете магнитные поля создаются движением токов в ядре, которое состоит из жидкого металла. Это называется «гидромагнитное динамо». Когда вещество достигает температуры в несколько тысяч градусов по Кельвину, его проводимость становится достаточно высокой, чтобы движения, даже в среде со слабым намагничиванием, начали создавать электрические токи, которые, в свою очередь, и создают магнитные поля.

В локальных областях магнитные поля создаются намагниченными горными породами из верхних слоев планеты, образующих земную кору.

Движение полюсов

С 1885 года началась регистрация движения магнитных полюсов. За последний век южный полюс (полюс в Южном полушарии) переместился на 900 километров, а северный (арктический) магнитный полюс с 1973 года за 11 лет переместился на 120 км, а за следующие десять лет – еще на 150. Согласно последним данным, скорость смещения арктического полюса увеличилась с 10 километров в год до 60.

Хотя ученые знают, как создается магнитное поле Земли, повлиять на движение полюсов не могут и предполагают, что довольно скоро произойдет очередная инверсия. Это естественный процесс, такое на планете не впервые, однако чем подобный процесс обернется для людей – неизвестно.

Урок по физике в 8-м классе «Магнитные явления»

Цели урока: формировать умение логически мыслить при проведении анализа опытов (Эрстеда, наблюдение магнитных линий с помощью металлических опилок), выдвигать гипотезы, наблюдать и экспериментировать, делать выводы и высказывать собственные суждения.

Задачи урока.

  • Образовательные: учащиеся должны добыть знания о магнитном поле; сформировать представление об источнике магнитного поля и его свойствах.
  • Развитие мышления: формирование у учащихся умений строить цепочку логических рассуждений; высказывать собственные суждения; формулировать выводы и заключения; работать с учебником.
  • Воспитательные: объективно оценивать трудовой вклад своих товарищей в совместно произведенный “продукт”; демонстрировать собственные достижения; развивать коммуникативные способности учащихся: принимать участие в обсуждении новых знаний о магнитном поле, защищать интересы группы, способствовать формированию элементов материалистического мировоззрения, познакомив учащихся со взаимосвязанностью электрических и магнитных полей.

Оборудование: постоянные магниты (по одному на группу), стеклянные пластинки (по одной на группу), магнитные стрелки на подставках, железные опилки, соединительные провода, ключи, реостаты (по одному на группу), источник тока (один на группу), раздаточный материал (карточки – задания, тесты).

Ход урока

I. Организационный момент (психологический настрой учащихся).

Постановка проблемной ситуации. (Приложение 1. Слайд 2)

Вопросы:

  1. Как вбить в стену гвоздь, не повредив электропроводки?
  2. Вам нужно постелить на пол линолеум, но в полу идет кабель. Как найти его расположение?

II. Выдвижение гипотез учащимися.

Вывод: чтобы ответить на поставленные вопросы, нам не хватает знаний.

Все мы знакомы с прибором для определения сторон света. Как он называется? Из чего состоит? Почему магнитная стрелка устанавливается всегда определенным образом?

Ответы учащихся. (Приложение 1. Слайд 3)

Объявляется тема и цели урока (тему формулируют сами учащиеся).

III. Изучение нового материала.

Проведение фронтального эксперимента (Опыт Эрстеда). (Приложение 1. Слайд 4)

Вопрос: как объяснить отклонение магнитной стрелки от проводника, по которому течет электрический ток?

2) Работа в малых группах (ответы на теоретические вопросы, проведение экспериментов и объяснение их результатов).

Задания:

  1. а) Выводы из опыта Эрстеда.
    б) Какая существует связь между электрическим током и магнитным полем?
  2. а) Почему для изучения магнитного поля можно использовать железные опилки?
    б) Как располагаются железные опилки в магнитном поле? Докажите.
  3. а) Положите на магнит стеклянную пластинку, насыпьте железных опилок и слегка постучите по нему. Что можно наблюдать?
    б) Что называют магнитной линией магнитного поля?
  4. а) Что представляют собой магнитные линии магнитного поля тока?
    б) Для чего вводят понятие магнитных линий поля?
  5. Доказать на опыте, что направление магнитных линий связано с направлением тока.

3) Заслушиваются ответы учащихся (по одному человеку от группы). Во время отчета третьей группы учащиеся проводят эксперимент по наблюдению картины магнитных линий. (Приложение 1. Слайд 6)

IV. Рефлексия. Итоги урока.

Проводится тестирование учащихся с последующей самооценкой.

  1. Выберите наиболее правильное продолжение фразы: “Магнитное поле оказывает силовое действие…”
    …только на покоящиеся электрические заряды.
    …только на движущиеся электрические заряды.
    …как на движущиеся, так и на покоящиеся электрические заряды.
  2. Выберите наиболее правильное продолжение фразы: “Магнитные поля создаются…”
    А…как неподвижными, так и движущимися электрическими зарядами.
    Б…неподвижными электрическими зарядами.
    В…движущимися электрическими зарядами.
  3. Что наблюдается в опыте Эрстеда? Выберите правильное утверждение.
    А…Проводник с током действует на электрические заряды.
    Б…магнитная стрелка поворачивается вблизи проводника с током.
    В…магнитная стрелка поворачивается вблизи заряженного проводника.
  4. “Поворот магнитной стрелки вблизи проводника с током объясняется тем, что на нее действует…” Выберите правильное утверждение.
    А… магнитное поле, созданное движущимися в проводнике зарядами.
    Б…электрическое поле, созданное зарядами проводника.
    В…электрическое поле, созданное движущимися зарядами проводника.
  5. Выберите наиболее правильное продолжение фразы: “Движущийся электрический заряд создает…”
    А…только электрическое поле.
    Б…как электрическое, так и магнитное.
    В…только магнитное поле.

V. (Приложение 1. Слайд 7). Проверка теста.

VI. Домашнее задание 56, 57. Вопросы.

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-светильник 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.Стажировался в Cosmos в начале 2017 года.

Читайте научные факты, а не беллетристику …

Никогда еще не было более важного времени для объяснения фактов, сохранения знаний, основанных на фактах, и для демонстрации последних научных, технологических и инженерных достижений. «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.

Что такое магнитные поля и как они формируют Вселенную?

Вы не можете его увидеть, но он всегда рядом и повсюду вокруг вас. Магнитное поле Земли защищает вас от вредного космического излучения и предотвращает разрушение нашей атмосферы солнечными ветрами.

Для большинства из нас он почти никогда не привлекает внимания. В наблюдательной астрономии магнитные полюса Земли гораздо менее важны, чем географические полюса, на которые мы опираемся при выравнивании наших экваториально установленных телескопов.

Подробнее от Люси Грин:

Однако подумайте: магнитное поле Земли, вероятно, сделало возможной жизнь на этой планете, в то время как более далекие космические магнитные поля являются причиной того, что пульсары действуют как радиомаяки, а огромные облака электропроводящего газа принимают странные и необычные формы.

Что касается магнитных полей, то мы лучше всего знакомы с землей, и ее происхождение лежит в электрических токах, протекающих в расплавленном железе, составляющем внешнее ядро ​​нашей планеты.

Что такое магнитные поля?

Магнитные поля создаются вокруг движущихся заряженных частиц

Магнетизм — это сила, которая тесно связана с электричеством. Всякий раз, когда протекает электрический ток, в окружающем пространстве возникает соответствующее магнитное поле, или, в более общем смысле, движение любой заряженной частицы будет создавать магнитное поле.

Попробуйте включить и выключить чайник и посмотрите, сможет ли приложение компаса вашего смартфона обнаружить магнитное поле, возникающее при прохождении тока по кабелю.

Эти поля имеют направление, поэтому у Земли есть северный и южный полюсы.

Когда два магнитных поля приближаются друг к другу, они будут пытаться выровняться, потенциально заставляя физические объекты заставлять их двигаться — стрелка компаса имеет магнитное поле, и поэтому всегда будет пытаться выровняться с полем Земли и указывать на север.

Точно так же движение заряженной частицы будет изменяться при прохождении через намагниченную область из-за взаимодействия электрического и магнитного полей.

Изменение направления зависит от заряда и массы частицы, силы и направления магнитного поля и скорости движения частицы.

Планетарный магнетизм

Давайте сделаем шаг назад и посмотрим на Землю с поверхности Луны. Отсюда мы можем видеть сушу, океаны и атмосферу.

Однако мы не видим того, как магнитное поле Земли охватывает все это и распространяется в космос.

Большую часть времени Луна находится внутри магнитного поля Земли.Он появляется только на несколько дней во время новолуния.

Когда это происходит, Луна движется в солнечный ветер — внешнюю атмосферу Солнца, которая расширяется в космос со скоростью миллиона миль в час.

Этот ветер не может проникнуть в магнитное поле Земли и вместо этого врезается прямо в него. Хотя это взаимодействие невидимо для человеческого глаза, оно производит нечто впечатляющее: полярное сияние.

Когда солнечный ветер сталкивается с магнитным полем Земли, он добавляет к нему энергию, которая ускоряет заряженные частицы в нашу атмосферу.Когда частицы взаимодействуют с атмосферным газом, они передают свою энергию и заставляют газ светиться.

Солнечный ветер не может достичь нашей атмосферы, потому что он также содержит магнитное поле.

Мы узнали, что любое магнитное поле, пронизывающее электрически заряженный газ (плазму), связано с этим газом; они не могут быть легко разделены или разъединены, как известен процесс.

Итак, когда порывистый поток намагниченной плазмы достигает магнитного поля Земли, он обтекает его, заставляя его двигаться и колебаться, как ветроуказатель на ветру.

Это свойство не позволяет солнечному ветру достигать нашей атмосферы и уносить ее, как это произошло на Марсе. Он также обеспечивает нам защиту от электрически заряженных космических лучей.

Это свойство сохранения жизни планетных магнитных полей означает, что их важно учитывать при изучении экзопланет. Пока что мы не можем напрямую наблюдать магнитное поле экзопланеты.

Но если метод их обнаружения будет разработан в будущем, присутствие магнитного поля вокруг экзопланеты, вероятно, повлияет на то, какие из них станут объектами дальнейших исследований.

Диаграмма, показывающая магнитное поле Сатурна. Предоставлено: Студия научной визуализации НАСА / Лаборатория реактивного движения NAIF

.

Магнитное поле Солнца было открыто в 1908 году американским астрономом Джорджем Эллери Хейлом.

Невозможно искать и изучать космические магнитные поля без возможности обнаружения их на расстоянии с помощью электромагнитного излучения.

В 1896 году голландский физик Питер Зееман проводил эксперименты, когда обнаружил, что сильное магнитное поле может влиять на свет, излучаемый «светящимся паром».

Спектральные линии, испускаемые паром, были уширены или, в крайнем случае, расщеплены на несколько составляющих.

В статье, опубликованной в 1897 году, Зееман предположил, что его открытие может быть использовано для обнаружения космических магнитных полей.

Действительно, именно этот метод был использован Хейлом для обнаружения магнитного поля солнечных пятен.

Эффект Зеемана также поляризует свет определенными способами, которые можно использовать для понимания силы и направления удаленного магнитного поля, что позволяет астрономам исследовать удаленный магнетизм путем изучения электромагнитного излучения.

Фактически, Солнце позволяет нам близко исследовать космический магнетизм. Наблюдения за Солнцем обеспечивают фантастический уровень детализации, который действительно показывает нам, насколько динамичными могут быть звездные магнитные поля.

Солнце имеет общее магнитное поле, которое соединяет северный и южный магнитные полюса, которые близки к гелиографическим северным и южным полюсам, как и на Земле.

Жгуты магнитного потока, магнитные поля, изгибающиеся между пятнами, можно обнаружить по светящемуся заряженному газу, прослеживающему их пути.Предоставлено: НАСА / Центр космических полетов Годдарда / SDO

.

Малый магнетизм

Но при более внимательном рассмотрении солнечной атмосферы обнаруживаются дуги магнитного поля, соединяющие пары солнечных пятен и скрученные структуры магнитного поля, известные как магнитные веревки.

Эти веревки обнаруживаются, потому что светящийся, электрически заряженный газ прослеживает их, подобно тому, как железные опилки, разбрызгиваемые вокруг стержневого магнита, выравниваются по силовым линиям.

Если вы посмотрите на Солнце с течением времени, вы увидите, что эти магнитные структуры всегда меняются и часто прорываются в Солнечную систему.

Динамическая активность Солнца с пространственным разрешением, подпитываемая магнетизмом, дает нам представление о том, чем занимаются и другие звезды. И не только звезды главной последовательности обладают важными магнитными полями.

Пульсары — это подмножество нейтронных звезд. Сформированные из коллапсирующих ядер звезд большой массы, подвергшихся взрыву сверхновой, они вращаются чрезвычайно быстро.

Во время вращения они испускают импульсы радиоволн, как если бы они были космическими маяками. Некоторые из них мигают много раз в секунду.

Когда Джоселин Белл-Бернелл открыла пульсары в 1967 году, они рассматривались как любопытные объекты и в шутку назывались LGM для маленьких зеленых человечков.

Но радиовспышки можно понять, если совместить очень быстро вращающуюся звезду с сильным магнитным полем.

Когда умирающая звезда коллапсирует, ее магнитное поле также втягивается в материал самой звезды, увеличивая напряженность поля в триллион раз по сравнению с земной.

Наличие поля заставляет заряженные частицы вращаться вокруг силовых линий магнитного поля, и когда это происходит, могут создаваться радиоволны.Радиосигнал будет сконцентрирован на северном и южном магнитных полюсах нейтронной звезды.

Последний ингредиент в создании пульсара — это смещение между осью вращения звезды и осью, соединяющей магнитные полюса.

Это означает, что когда нейтронная звезда вращается, радиолуч будет перемещаться по космосу, и наши радиотелескопы могут его обнаружить.

Фактически, нейтронные звезды являются рекордсменами по магнетизму: другая подгруппа этих звезд обладает самыми сильными магнитными полями во Вселенной, в тысячу раз сильнее, чем у пульсаров.

Эти объекты неудивительно известны как магнетары.

Лучи пульсара пересекают пространство, потому что ось его магнитных полюсов не совпадает с осью его вращения. Кредит: dani3315 / iStock / Getty Images

Галактический магнетизм

Магнитное поле Земли и магнитное поле Солнца благодаря солнечному ветру — не единственные поля, в которые мы погружаемся.

Наша Галактика, Млечный Путь, тоже имеет магнитное поле, хотя его сила в десятки тысяч раз меньше, чем у Земли.

Что общего у галактического поля с Землей, так это то, что в основе его существования лежит вращение.

Магнитные поля в астрофизических объектах создаются динамо-машинами — механизмом, в котором вращение электропроводящей жидкости (например, расплавленного железа в ядре планеты) преобразуется в магнитную энергию.

Таким образом, скорость вращения астрономического объекта является важным аспектом магнитных полей и динамо.

В этом контексте мы можем понять, почему у Земли относительно сильное поле, тогда как Марс, который когда-то считался более похожим на Землю, чем сегодня, нет.

Внутри Земли вращающаяся расплавленная оболочка означает, что ее динамо-машина все еще действует. У Марса, с другой стороны, была динамо-машина, но она перестала действовать, когда внутренность этой меньшей планеты остыла и затвердела, оставив только остатки ее магнитного поля, запертые в скалах.

Когда дело доходит до шкалы времени, звезды и планеты могут занять от часов до недель, чтобы совершить один оборот.

Но эти тела существуют так долго, что за время их жизни прошло достаточно времени, чтобы поддерживать и даже развивать свои магнитные поля.

Например, Солнце вращается каждые 27 дней и существует около 4,5 миллиардов лет. Если предположить, что скорость вращения была постоянной в течение всего этого времени, Солнце могло бы повернуться более 60 миллиардов раз.

Однако, когда дело доходит до галактик, дело обстоит иначе. Возьмем Млечный Путь: наша Галактика вращается один раз в несколько сотен миллионов лет, а это значит, что ей хватило времени сделать всего несколько сотен оборотов.

Итак, хотя динамо-машина важна для нашей Галактики, есть и другие дополнительные процессы, которые оказывают влияние и которые все еще необходимо понять.

В 2017 году группа ученых из Института радиоастрономии Макса Планка опубликовала работу, показывающую, что наблюдения галактик можно использовать для исследования магнитных полей, когда Вселенная была намного моложе.

Их исследование галактики, находящейся на расстоянии почти пяти миллиардов световых лет, позволяет нам заглянуть в раннюю Вселенную, чтобы изучить историю и эволюцию магнитных полей, давая понимание вопроса, на который астрономы давно хотели ответить: как долго существуют магнитные поля. существовал для?

Магнитные поля великолепны и распространены по всему космосу.От планет и звезд до галактик и не только.

Наряду с гравитацией, магнетизм отвечает за формирование и управление тем, что мы наблюдаем. Итак, в следующий раз, когда вы посмотрите вверх — независимо от того, на что вы смотрите — вспомните о невидимой силе, которая помогает формировать нашу Вселенную.

Это изображение со спутника Planck Европейского космического агентства показывает структуру магнитного поля нашей Галактики. Предоставлено: Авторские права: ESA / Planck Collaboration. Благодарность: М.-А. Miville-Deschênes, CNRS — Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-XI, Orsay, France

История магнитной астрономии

1600 — Уильям Гилберт, первый человек, исследовавший магнетизм с помощью научных методов, публикует свою работу в томе под названием De Magnete .

1865 — Профессор физики Джеймс Клерк Максвелл публикует статью, в которой он объединяет области электричества и магнетизма в единую теорию.

1901 — Кристиан Биркеланд из Норвегии начинает строить «Терреллы» (маленькие Земли), чтобы проверить свою теорию о том, что полярное сияние формируется электронами, ударяющими по магнитным полюсам Земли.

1908 — Американский астроном Джордж Эллери Хейл обнаружил магнетизм на Солнце, предоставив первое свидетельство наличия магнитных полей за пределами Земли.

1942 — Шведский физик Ханнес Альфвен предполагает, что когда магнитное поле пронизывает электропроводящий газ, они становятся неразделимы.

2012 — После 35 лет путешествий в космосе космический корабль «Вояджер-1» наконец покидает Солнечную систему, покидая обширный пузырь солнечного магнетизма.

Люси — профессор физики и научный сотрудник Университета Королевского общества в лаборатории космических исследований Малларда.Эта статья впервые появилась в мартовском выпуске номера BBC Sky at Night Magazine за март 2018 года.

Можно ли создавать магнитные волны?

Категория: Физика Опубликовано: 13 января 2016 г.

Изображение из общественного достояния, источник: Кристофер С. Бэрд

Да, с помощью магнитов можно создавать электромагнитные волны. Нет, невозможно создать магнитные волны без электрического поля.Электрические поля создаются электрическими зарядами. Например, если вы статически зарядили воздушный шар, потерев его о волосы, воздушный шар создаст электрическое поле. Магнитные поля создаются магнитами. Например, магнит на холодильник создает магнитное поле и прилипает к нему. Электрические поля и магнитные поля не являются отдельными сущностями. На самом деле они являются гранями одной единой сущности: электромагнитного поля.

Хотя электрические заряды могут создавать электрические поля, магнитные поля могут также создавать электрические поля.Точно так же, хотя магниты могут создавать магнитные поля, электрические поля также могут создавать магнитные поля. Фактически, каждый раз, когда вы меняете магнитное поле, вы создаете электрическое поле. Это называется законом индукции Фарадея. Точно так же каждый раз, когда вы меняете электрическое поле, вы создаете магнитное поле. Это называется законом Максвелла-Ампера. Интересно то, что изменяющееся электрическое поле создает изменяющееся магнитное поле, которое создает изменяющееся электрическое поле, которое создает изменяющееся магнитное поле и так далее.Вместо того, чтобы рассматривать электрическое поле и магнитное поле как отдельные сущности, которые постоянно создают друг друга в процессе циклической обратной связи, правильнее рассматривать их просто как один единый объект: электромагнитное поле. Из-за этого циклического процесса обратной связи электромагнитные поля, которые меняются во времени, становятся самоподдерживающимися и распространяются в космос, даже если электрические заряды или магниты, запустившие процесс, исчезают. Мы называем такие самоподдерживающиеся вариации электромагнитного поля «электромагнитными волнами» или «электромагнитным излучением».»Знакомый пример электромагнитных волн — видимый свет. Все электромагнитные волны распространяются со скоростью света, потому что все они фактически являются светом того или иного вида.

Итак, невозможно создать чисто магнитные волны. Сам акт создания волн в магнитном поле автоматически создает соответствующие электрические поля и приводит к электромагнитному излучению. Например, если вы возьмете стержневой магнит и встряхнете им над головой, вы не создадите магнитные волны.Вы создаете электромагнитных волн. В частности, вы создаете очень слабые, очень низкочастотные радиоволны. Это не фигура речи. Вращение стержневого магнита буквально создает радиоволны, распространяющиеся во всех направлениях. Однако эти радиоволны очень низкочастотные, поэтому не думайте, что вы можете начать транслировать музыку нового поколения на свой радиоприемник, размахивая стержневым магнитом.

Темы: электрическое поле, электромагнетизм, магнит, магнитное поле

Можете ли вы создать магнитное поле удаленно?

T WO CENTURIES назад Датский физик Ганс Кристиан Эрстед продемонстрировал, что движение электрического заряда создает магнетизм.Это было первое наблюдение широкомасштабного явления. Заряженные облака частиц, которые плавают в космосе, при своем движении создают огромные межзвездные магнитные поля. Выплескивание расплавленного металла в ядре Земли создает северный и южный магнитные полюса планеты. Даже возбуждение нервных клеток в человеческом мозге создает ничтожное количество магнетизма.

Послушайте эту историю

Ваш браузер не поддерживает элемент

Больше аудио и подкастов на iOS или Android.

Повсеместное распространение таких электрически генерируемых магнитных полей, тем не менее, создает проблемы, начиная от прагматических до эзотерических. Например, врачи, просматривающие снимки MRI , должны компенсировать фоновый магнетизм. Между тем экспериментаторам, проводящим прецизионные тесты, возможно, придется построить сложные экраны, чтобы скрыть магнитный эффект чего-то столь же простого, как электрический провод, проходящий через стену их лаборатории.

Тогда было бы полезно иметь возможность управлять, ограничивать или формировать магнитные поля на расстоянии.Полезно, но, видимо, невозможно. В 1842 году британский физик Сэмюэл Эрншоу математически продемонстрировал, что максимальная сила магнитного поля не может находиться вне его источника. Другими словами, каждое такое поле должно окружать объект, который его порождает, и исходить от него. И так было до тех пор, пока Роза Мах-Батль из Автономного университета Барселоны не нашла способ обойти выводы Эрншоу. На самом деле она не доказала, что он ошибался. Но она показала, что несколько магнитных полей, каждое из которых подчиняется теореме Ирншоу по отдельности, могут коллективно обойти ее.

Как они описывают в Physical Review Letters , доктор Мах-Батль и ее коллеги реализовали свой трюк удивительно простым способом, разместив 20 прямых проводов рядом друг с другом в форме цилиндра 40 см высотой и 8 см диаметром. , с 21-й, проходящей через центр цилиндра. Когда они пропустили электрический ток через все 21 провод, сложный узор из линий магнитного поля расцвел в окружающей области, образуя формы, которые менялись в зависимости от силы и направления отдельных токов.

Выбрав правильную комбинацию токов, исследователи обнаружили, что они смогли создать рисунок поля, который исходил от виртуальной версии 21-го провода, который проходил не через середину цилиндра, а, скорее, на 2 см снаружи. Другими словами, если бы устройство, производящее генерацию, было защищено от наблюдателя, в стиле Волшебника страны Оз, занавесом, это выглядело бы для этого наблюдателя так, как будто это поле появляется из ниоткуда.

Переход от демонстрации доктора Мах-Батля к чему-то, что можно было бы использовать на практике для управления удаленными магнитными полями, будет долгим путешествием.Но если этот путь удастся совершить, потенциальные приложения выходят далеко за рамки очистки нечетких сканов MRI . Дистанционно создаваемые поля такого типа можно использовать для направления медицинских наноботов через кровоток для доставки лекарств в определенную ткань или для направления их к злокачественной опухоли и удаленного повышения их температуры по прибытии, чтобы сварить ее до смерти. . Также, вероятно, найдутся приложения в квантовых вычислениях. Многие конструкции квантовых компьютеров основаны на улавливании атомов в определенных точках космоса — трудный подвиг, который можно было бы упростить с помощью этой ловкости рук.

Уловка еще требует доработки. Для достижения таких желаемых приложений команде необходимо уметь моделировать сложные магнитные поля в трех измерениях. В настоящее время, ограниченные имитацией поля, создаваемого одним электрическим проводом, они не могут этого сделать. Но стоит помнить, что первоначальный эксперимент Эрстеда, из которого в конечном итоге произошла вся электротехника, был еще проще. В нем использовались только батарея, магнитный компас и единственный провод. Из желудей вырастают большие дубы.■

Эта статья появилась в разделе «Наука и технологии» печатного издания под заголовком «Вне левого поля»

Создание карты магнитного поля Земли · Границы для молодых умов

Абстракция

Земля имеет твердое внутреннее ядро ​​и жидкое внешнее ядро, оба из которых сделаны из железа и никеля. По металлу проходит электрический ток, который питается от движения жидкости. Электрический ток создает магнитное поле, которое распространяется от ядра на поверхность Земли и за ее пределы.Ожидается, что магнитное поле, сформированное ядром Земли, будет выровнено с осью вращения, но оно немного отклоняется по причинам, которые не совсем понятны. Стрелка компаса обычно указывает не на истинный север (ось вращения Земли), а на магнитный северный полюс. Угол между истинным севером и магнитным севером в любом конкретном месте на Земле называется углом склонения. Карты угла склонения очень сложны, и из-за потока внешнего ядра положение магнитного севера со временем перемещается.

Введение

Внешнее ядро ​​Земли

Планету Земля можно разделить на четыре слоя: твердое внутреннее ядро ​​в центре, жидкое внешнее ядро ​​, , скалистую мантию и кору на поверхности, на которой мы живем. Ядро Земли имеет ширину около 6800 км и начинается примерно на полпути к центру планеты (рис. 1b). Он на девять десятых состоит из железа и никеля [1]. Внутреннее ядро ​​размером с Луну. Он очень горячий (> 5000 ° C) и твердый из-за чрезвычайно высокого давления, создаваемого весом материала над ним.

  • Рис. 1 — (a) Иллюстрация силовых линий магнитного поля от простого стержневого магнита, аналогичного магнитному полю Земли.
  • Как и Земля, южный полюс (обозначенный буквой «S») на самом деле находится в северном полушарии. (b) Ядро Земли видно в центре планеты. Скалистая мантия и кора на этом снимке прозрачны. Внешнее ядро ​​показано оранжевым цветом, а внутреннее ядро ​​показано более темной сферой в центре.Магнитное поле (синие линии) создается во внешнем сердечнике. Справа — вид художника на магнитный спутник Swarm, который чувствует изменение направления компаса, когда он летит через магнитное поле Земли по своей орбите (серая линия). © ESA / ATG Medialab. Рисунок 1a, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth’s_mintage_field_pole.svg

Еще дальше от центра Земли находится жидкое внешнее ядро ​​размером с Марс. Металл все еще очень горячий (> 3000 ° C), но, несмотря на высокое давление, внешнее ядро ​​на самом деле очень жидкое, так как тепло преодолевает влияние давления.Внешнее ядро ​​течет так же легко, как вода на поверхности Земли. Это означает, что металл постоянно движется и течет, как океаны. Подобно тому, что происходит, когда вы быстро размешиваете чашку чая, быстрое вращение Земли один раз в день заставляет жидкость во внешнем ядре тоже вращаться.

Ядро пытается остыть. Однако каменистая мантия между ядром и поверхностью действует как покров, не позволяя ядру остыть слишком быстро. Ядро пытается найти другие способы избавиться от избыточного тепла и энергии.Один из способов сделать это — создать магнитное поле. Магнитное поле может проходить до поверхности Земли, позволяя ядру высвободить небольшое количество энергии.

Электричество создает магнитное поле

Магнетизм и электричество физически связаны — вы обычно получаете одно, когда создается другое, и это также происходит внутри ядра. Жидкий металл сердечника слишком горячий, чтобы быть постоянным магнитом, таким как магнит на холодильник, но это электропроводящий материал , как медная проволока.Подобно проводам в вашем доме, жидкое ядро ​​пропускает очень большой электрический ток, который, в свою очередь, создает сильное магнитное поле.

Электричество создается за счет движения жидкого металла, подобно ветряной турбине, которая создает электричество из движения лопастей. Электричество течет вокруг экватора планеты по очень большой петле и создает сильное магнитное поле, выходящее за пределы внешнего ядра. Магнитное поле проходит до поверхности Земли и выходит в космос.

Он создает магнитное поле в форме стержневого магнита (рис. 1а). Магнитное поле распространяется в космос, образуя «пузырь», в котором находится Земля. Этот магнитный пузырь защищает атмосферу планеты от магнитного поля Солнца, которое в противном случае лишило бы земную атмосферу за миллиарды лет.

Способ создания магнитного поля Земли очень сложен и не совсем понятен сегодняшним ученым. Считается, что контур электрического тока в сердечнике не образует идеального круга, проходящего вокруг экватора, поэтому магнитное поле на самом деле несколько «наклонено» примерно на 11 ° от оси вращения Земли.Сила электрического тока также изменяется со временем, что приводит к изменению магнитного поля на поверхности Земли. Наконец, поток жидкого металла «увлекает» магнитное поле на запад. Все эти различные процессы в совокупности делают магнитное поле очень сложным, и трудно предсказать, как оно изменяется с течением времени. Примерно четыре раза каждые миллион лет магнитное поле меняется на противоположное, когда полюса «переворачиваются», хотя для этого требуются тысячи лет.

Магнитное поле на поверхности Земли

Хотя общая форма магнитного поля Земли похожа на простой стержневой магнит, когда вы смотрите на магнитное поле в деталях, все становится намного сложнее.Обычно стрелка компаса указывает приблизительно на север, но не на истинный север (точку, вокруг которой вращается Земля). Угол между истинным севером и направлением стрелки компаса называется склонением . Стрелка компаса указывает на точку, называемую северным магнитным полюсом и .

Магнитное поле очень полезно для навигации. Китайцы использовали базовые компасы еще в 1100-х годах, чтобы определять направление. Первая карта была сделана Эдмундом Галлеем, прославившимся кометой Галлея, для использования кораблями, плывущими по Атлантическому океану в 1699 году.Он понял, что магнитное поле постоянно меняется, и предположил, что в центре Земли есть слой жидкости. Северный магнитный полюс был открыт Джеймсом Клерком Россом в 1831 году в Канаде. Однако, что еще больше усложняет ситуацию, магнитный северный полюс не остается на одном месте, а вместо этого все время перемещается из-за потока внешнего ядра.

В настоящее время (в 2019 году) северный магнитный полюс все еще находится на севере Канады, но он движется со скоростью около 50 км в год и пересечет север России где-то в следующем десятилетии.На Рисунке 2 показано расположение Северного и Южного магнитных полюсов с 1900 по 2020 годы. Обратите внимание, как быстро Северный полюс переместился с 2000 года, в то время как Южный полюс не сильно сдвинулся по сравнению с этим.

  • Рис. 2. Расположение магнитных полюсов показано каждые пять лет (красные точки) с 1900 по 2020 год для северного магнитного полюса (a) и южного магнитного полюса (b) .
  • Обратите внимание, что с 1900 года северный магнитный полюс переместился намного дальше и быстрее, чем южный магнитный полюс.

Создание карты

Теоретически составить карту магнитного поля достаточно просто. Все, что вам нужно, это устройство GPS (например, смартфон), чтобы определить ваше точное местоположение и помочь вам определить направление на истинный север. Вам также понадобится компас. Во-первых, используйте GPS, чтобы определить направление на истинный север. Это можно сделать, поместив две палки в землю вдоль линии постоянной долготы. Встаньте между палками и определите угол между стрелкой компаса и истинной линией севера, которую вы провели с помощью двух палок.Поздравляем, вы измерили склонение! Чтобы составить карту, повторите это измерение в другом месте и в другом. Сделайте это несколько миллионов раз по всему миру, включая океаны и пустыни, и ваша работа будет завершена … по крайней мере, на несколько лет, пока магнитный Север не сдвинется. Очевидно, что это невозможно для человека, но для спутника это возможно.

С 1999 года было три европейских спутника для очень точных измерений магнитного поля Земли.На рисунке 1b показано, как спутник воспринимает магнитное поле, исходящее от внешнего ядра. Нынешнее трио спутников, получившее название Swarm, летает на высоте от 450 до 500 км над поверхностью Земли и движется со скоростью 8 км в секунду. Им требуется около 90 минут, чтобы облететь Землю, и они совершают 15 оборотов в день. Через 4 месяца они производят достаточно измерений по всему миру, чтобы создать карту [2].

Измерения спутников собираются в компьютер, где математический процесс, называемый инверсией, используется для создания карты (или снимка) магнитного поля в фиксированный момент времени.На рисунке 3 показана карта угла склонения на январь 2019 года, показывающая, насколько сложным является магнитное поле на самом деле.

  • Рисунок 3 — Угол склонения для 2019 года (в градусах) по модели Международного опорного геомагнитного поля (IGRF-12).
  • Цвета показывают угол между Магнитным Севером и Истинным Севером. Белые области — это места, где компас указывает почти точно на север. Синие цвета показывают регионы, где компас указывает к западу от истинного севера, а красные цвета показывают, где компас указывает к востоку от истинного севера.Вы можете увидеть очень сложную картину углов склонения по всему миру [3].

Поскольку изменение магнитного поля не предсказуемо дольше 10 лет, эти карты магнитного поля регулярно обновляются каждые 5 лет. Некоторые карты создаются бесплатно группой ученых со всего мира и известны как Международное опорное геомагнитное поле или IGRF [3]. Создание хорошей карты требует больших усилий и требует нескольких месяцев работы. Последняя версия была выпущена в 2015 году, а следующая будет готова к 2020 году.

Магнитная карта на вашем смартфоне

Вероятно, вы больше всего знакомы с использованием магнитного поля Земли для навигации — подумайте о кораблях, плывущих по океану, или о людях, идущих по горам. Однако, если вы когда-либо использовали карту на смартфоне, чтобы найти, куда хотите отправиться, то вы также использовали карту магнитного поля Земли.

Когда вы открываете приложение карты, ваше местоположение обычно отображается в виде маленькой точки со стрелкой или треугольником, указывающим направление, в котором вы смотрите.Смартфоны используют встроенный цифровой компас для определения направления магнитного севера. Однако, поскольку карты выровнены по истинному северу, программное обеспечение телефона должно корректировать разницу склонения. Телефон использует ваше местоположение по GPS для определения правильного угла по карте склонений, например IGRF. Из рисунка 3 видно, что в некоторых частях света этот угол может достигать 45 °.

Заключение

Создание карт магнитного поля Земли — сложный процесс, который необходимо повторять не реже одного раза в 5 лет, чтобы карты оставались актуальными.Карты могут рассказать нам о внешнем ядре Земли, и они также полезны для многих практических приложений, которые вы, вероятно, испытали, например, для навигации по городу с помощью смартфона.

Глоссарий

Внешнее ядро ​​: Слой жидкого металла внутри Земли, начиная примерно на полпути к центру.

Электропроводящий материал : Материал, позволяющий электричеству легко проходить через него.

Склонение : Угол между магнитным и истинным севером.

Магнитный север : Точка на поверхности Земли, где магнитное поле направлено прямо к центру Земли.

Заявление о конфликте интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.


Список литературы

[1] Lowrie, W. 2007. Основы геофизики, 2-е изд. .Кембридж: Издательство Кембриджского университета.

[2] Olsen, N., Hulot, G., Lesur, V., Finlay, C.C, Beggan, C., Chulliat, A., et al. 2015. Модель начального поля Swarm для геомагнитного поля 2014 года. Geophys. Res. Lett . 42: 1092–8. DOI: 10.1002 / 2014GL062659

[3] Thébault, E., Finlay, C.C, Beggan, C.D., Alken, P., Aubert, J., Barrois, O., et al. 2015. Международное опорное геомагнитное поле (IGRF): 12-е поколение. Земля Планеты Космос 67:79. DOI: 10.1186 / s40623-015-0228-9

В чем разница между электрическим и магнитным полем?

Виктор де Шванберг / Библиотека научных фотографий

В чем, помимо происхождения, разница между магнитным полем и электрическим?

Адам Грей , Манчестер, Великобритания

Электрическое и магнитное поля являются составляющими электромагнитного поля.

Эти два компонента занимают разные плоскости относительно причины электромагнитного поля, например движущегося электрического заряда. Это единственное различие, а также то, является ли заряд, генерирующий поле, неподвижным или движущимся.

Брайан Поллард , Лонсестон, Корнуолл, Великобритания

Между электрическим и магнитным полями существует взаимосвязь, в которой изменение одного приводит к изменению другого. Электромагнитная волна состоит из полей обоих типов, которые колеблются вперед и назад.

Связь между электрическим и магнитным полями — это то, что позволяет формировать электромагнитные волны, включая свет и тепло. Эти отношения имеют фундаментальное значение для работы Вселенной в ее нынешнем виде.

Помимо этих аспектов электромагнетизма, электрическое поле образуется между положительным и отрицательным потенциалами напряжения. Пример магнитного поля, который знаком большинству людей, создается извне между северным и южным магнитными полюсами стержневого магнита и продолжается внутри магнита между полюсами, образуя петлю.

Все магнитные поля образуют эти петли — свойство, обнаруженное английским ученым 19 века Майклом Фарадеем. Он применил петли в предметах повседневного обихода, таких как электрические трансформаторы и двигатели.

Джейсон Дикер , Лонсестон, Тасмания, Австралия

И электрическое, и магнитное поля являются следствием притяжения и отталкивания электрических зарядов. Однако магнитный эффект вызывается движущимися электрическими зарядами, а электрическое поле — неподвижными зарядами.

Например, магнитное поле, наблюдаемое в простом стальном стержневом магните, является результатом орбитальных и вращающихся зарядов субатомных частиц.

Однако движение относительное, поэтому, например, человек, движущийся с линией зарядов, не будет воспринимать магнитное поле, которое было бы у неподвижного человека рядом с движущимися зарядами.

Этот эффект полностью объясняется специальной теорией относительности Эйнштейна, которая появилась в 1905 году, почти через полвека после того, как шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл объединил электричество и магнетизм в единую теорию электромагнетизма в 1860-х годах.

Хотя многие люди говорят, что релятивистские эффекты Эйнштейна можно увидеть только при высоких скоростях, таких как движение объектов в пространстве, электроны в проводе, которые движутся как ток, создавая магнитную силу, перемещаются со скоростью около миллиметра в секунду, даже если электромагнитная волна в электрическом токе движется намного быстрее.

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 контентом 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.

Магнитные поля на Земле: магнитные поля размером с черную дыру

  • Новый метод лазера и микротрубок позволяет ученым создавать огромных магнитных поля для исследований.
  • Предыдущие лабораторные магнитные поля были ничтожными и не производили впечатления ни по чьей вине.
  • Эти мощные магнитные поля могут изменить то, как исследователи изучают многие явления.

    Ученые экспериментируют со способом генерировать огромные магнитные поля на Земле. По словам ученых, их размер будет приближаться к размеру магнитных аномалий, обнаруженных в черных дырах. Секрет заключается в том, чтобы подорвать точный вид наноструктуры с помощью лазерного луча нужного типа, чтобы вызвать намагничивающую имплозию.

    🤯 Вам нравится крутая физика. И мы тоже. Давайте вместе порезвимся.

    «Имплозия микротрубок, вызванная сверхмощными лазерными импульсами, используется для создания сверхсильных магнитных полей», — объясняют исследователи из Университета Осаки в своей статье .Это очень точно настроенный процесс, от материалов до того, как контролируется сама реакция:

    «Горячие электроны настолько энергичны, что некоторые из них покидают целевую стенку и попадают в полость. Поверхностные ионы ускоряются внутрь за счет расширения в вакуум. В идеальной ситуации магнитное поле не развивается. Однако, если в систему вводится предварительно засеянное магнитное поле, необычное магнитное поле может быть создано в центре с на порядок большим коэффициентом увеличения.”

    Этот контент импортирован из {embed-name}. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

    Представьте себе микроволновую печь, внутри которой ничего нет. Зефир не образует самопроизвольно. Но если вы поместите туда зефир, , теперь , вы можете наблюдать, как зефир вырастает во много раз своего первоначального размера. Посев реакции микропробирки небольшим магнитным полем дает ей что-то взорваться.В этом случае затравочное поле «внешним лазерно-плазменным устройством, таким как катушка конденсатора» также стимулируется лазером. (Помните, что электромагниты — это тоже просто тугие мотки проводов.)

    Ученые говорят, что их подход делает магнитные поля более устойчивыми и практичными, отчасти из-за «геометрически уникальной» формы, которую создает механизм. Они объясняют:

    «Цилиндрически сходящийся поток, состоящий из релятивистских электронов и ионов, бесконечно малых закрученных предварительно заданным магнитным полем в противоположных направлениях, может эффективно создавать сверхсильные спиновые токи и, следовательно, сверхсильные магнитные поля.Кроме того, нынешняя геометрия может лучше подходить для многих практических целей ».
    📩 Сделайте свой почтовый ящик более привлекательным .

    Эта формулировка очень осторожна по сравнению с подробным списком предыдущих попыток. «Было использовано много подходов, включая взрывчатые вещества, электромагнитные взрывы, мощные лазеры и Z-пинчи».

    Подобно ядерному термоядерному реактору, космическое магнитное поле, генерируемое на Земле, основано на искусственных имитациях естественных явлений, которые часто занимают тысячи или даже миллионы лет и происходят в гигантских масштабах.На Земле слишком много «взрывчатых веществ», и ваше устройство больше не является кандидатом для практических исследований.

    Почему все это так важно? Что ж, как криогенное охлаждение для квантовых исследований, некоторые виды экспериментов очень выигрывают от изучения в магнитном поле или вблизи него.

    «[S] uch области могут реализовать новые экспериментальные инструменты для фундаментальных исследований и поддержки различных приложений. Примеры включают физику плазмы и пучка, астро- и солнечную физику, атомную и молекулярную физику, а также материаловедение », — поясняют исследователи.

    Беспрецедентно большое исследовательское магнитное поле без необходимости беспрецедентно большой мощности катализатора может склонить шансы в пользу ученых.

    Кэролайн Делберт Кэролайн Делберт — писатель, редактор книг, исследователь и заядлый читатель.

    Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на пианино.io

    .

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *