Магнитное поле помогает оздоровлению мышц. В спортзал можно не ходить?

1 декабря 2020

Автор фото, Getty Images

Недавнее исследование, проведенное учеными из Национального университета Сингапура, показало, что один из белков, входящих в состав нашей мышечной ткани, реагирует на слабое магнитное поле, стимулируя мышечный рост.

С возрастом люди постепенно теряют мышечную массу и силу. Причины этого до сих пор толком не известны, поэтому изучение всех аспектов мышечного здоровья представляет немалый интерес, как для ученых, так и для всех, кто столкнулся с проблемой возрастной потери мышечной массы.

Команда под руководством доцента Альфредо Франко-Обрегона из Института инноваций и технологий здравоохранения при сингапурском университете (iHealthtech) обнаружила, что белок TRPC1 реагирует на слабые колебания магнитного поля.

Такая реакция обычно наблюдается во время физических упражнений. Эту чувствительность к воздействию магнитного поля можно использовать для стимуляции восстановления мышц, что может улучшить качество жизни пациентов с нарушенной подвижностью.

Результаты совместного исследования ученых из сингапурского университета и швейцарского Федерального технологического института опубликованы в журнале Advanced Biosystems.

Магнитное поле и здоровье мышц

Магнитные поля, которые исследователи использовали для стимуляции мышц, всего в 10-15 раз сильнее, чем магнитное поле Земли, но намного слабее, чем привычный нам стержневой магнит. Это дало ученым возможность предположить, что мышцы человека естественным образом реагируют на слабое магнитное поле.

Чтобы проверить эту теорию, группа исследователей сначала использовала специальную экспериментальную установку, чтобы нейтрализовать влияние всех окружающих магнитных полей. Исследователи обнаружили, что мышечные клетки действительно росли медленнее, когда они были защищены от воздействия всех магнитных полей окружающей среды.

Автор фото, Westend61

Подпись к фото,

Об отказе от физических упражнений в исследовании не говорится — какая незадача для лентяев…

Эти наблюдения убедительно подтвердили идею о том, что магнитное поле Земли естественным образом взаимодействует с мышцами, вызывая биологические реакции.

Чтобы продемонстрировать участие TRPC1 в качестве своего рода «антенны», реагирующей на магнитное поле, исследователи с помощью генной инженерии создали мышечные клетки, из генома которых был удален белок TRPC1.

Оказалось, что клетки-мутанты не реагируют на любое магнитное поле. Затем исследователи смогли восстановить магнитную чувствительность путем избирательной доставки TRPC1 к этим клеткам.

Метаболические изменения, аналогичные тем, которые достигаются при физических упражнениях, наблюдались в предыдущих клинических испытаниях и исследованиях, проведенных доцентом Франко-Обрегоном. Как оказалось, для стимуляции мышечных клеток достаточно воздействия магнитного поля в течение всего 10 минут в неделю.

Почему это важно

Здоровье мышц сильно влияет на общее метаболическое состояние человека — вес, уровень сахара в крови, инсулина и холестерина, и в целом на самочувствие человека. Особенно это важно для людей с различными заболеваниями, которым трудно поддерживать высокий уровень физической активности в повседневной жизни.

Магнитные поля, симулируя работу мышц, могут помочь пациентам, неспособным выполнять упражнения из-за травм, болезней или слабости. Сейчас ученые исследуют возможности снижения зависимости пациентов от лекарственных препаратов при лечении таких заболеваний, как диабет.

«Мы надеемся, что наши исследования помогут снизить количество прописываемых препаратов для лечения заболеваний, и таким образом уменьшить побочные эффекты от лекарств и повысить качество жизни пациентов», — говорит Франко-Обрегон.

Магнитное поле земли и здоровье человека

Сейфулла Р.Д. 
М.: ООО «Самполиграфист», 2013. 120 с.

Магнитное поле Земли в первом приближении представляет собой диполь, полюса которого располагаются рядом с полюсами планеты. Магнитное поле – разновидность электромагнитного поля, создаваемого движущимися электрическими зарядами или токами и оказывающая силовое воздействие на движущиеся заряды или токи. Поле определяет магнитосферу, которая отклоняет частицы солнечного ветра. Они накапливаются в радиационных поясах – двух концентрических областях в форме экватора вокруг Земли. Около магнитных поясов эти частицы могут «высыпаться» в атмосферу и приводить к появлению полярных сияний. Нашу планету окружает магнитное поле, которое существует с момента её формирования. Всё, что находится на Земле подвержено действию невидимых силовых линий этого поля. Именно это обстоятельство заинтересовало нас в большей степени, так как структура и функция Земли, а также и человеческого организма тесным образом связана с наличием электрических зарядов, которые определяют все процессы, связанные с жизнедеятельностью всех организмов, находящихся на её поверхности, в воде, в почве, в воздухе. Земля обладает электрическим и магнитным полем. Вся планета имеет отрицательный заряд, а ионосфера положительный. Линии напряженности электрического поля направлены сверху (от ионосферы) вниз (к Земле). Напряженность поля порядка Е = 120 – 130 в/м. Проведя несложные вычисления был сделан вывод, что в электромагнитном поле Земли заключена колоссальная энергия. Проблема получения энергии из магнитного поля Земли весьма актуальна для человечества. Такой приёмник — генератор был сделан ещё в 1889 году Николой Тесла, но правительство США запретило разглашать эту тайну по коммерческим соображениям. В теле человека имеется своё силовое поле, вследствие протекания крови по сосудам. В здоровом теле человека и в нормальных атмосферных условиях имеется полное соответствие и взаимодействие внешнего и внутреннего магнитных полей. Кроме того, существует магнитное поле Солнца, космических галактик и Земли, которые оказывают своё действие на поведение человека и животных (перелётных птиц, рыб, членистоногих, насекомых), которые безошибочно определяют направления движения на тысячи километров.

Оказалось, что изменение магнитного поля Земли является причиной многих заболеваний, которые лечатся другими способами, что требует особого внимания специалистов и лечащих врачей. Так называемые магнитные бури, в которых принимают участие Солнце, солнечный ветер, а также магнитное поле Земли создают много проблем и являются причиной ненормального поведения человека, в том числе и криминального, а также тяжелейших заболеваний: инсультов мозга, инфарктов миокарда, психических расстройств, ДТП и другого криминального и суицидального поведения, о чем пойдёт речь ниже. Японский врач – исследователь Киочи Накагава обратил внимание в середине ХХ века на то, что дефицит магнитного поля Земли является причиной многочисленных заболеваний, которые он объединил общим названием синдром дефицита магнитного поля Земли . Накагава, а также другие ученые поддержали это открытие и предложили проводить коррекцию магнитного поля при его дефиците, при помощи магнитотерапии, что позволило проводить профилактику и лечение многих заболеваний при помощи компенсации недостающего магнитного поля. Это касается, прежде всего, сердечно-сосудистой системы, которая занимает в настоящее время первое место среди других заболеваний. Дело в том, что каждая молекула в магнитном поле вытягивается и поляризуется. Один её конец становится северным магнитным полюсом, а другой — южным. В таком виде каждая молекула легче вступает в электрохимические реакции и в организме идёт правильный обмен веществ. Резкое усиление магнитного поля при магнитной буре или геомагнитной зоне всегда отрицательно сказывается на самочувствии человека. Однако, отсутствие или ослабление магнитного поля является для организма критической ситуацией. Дополнительным фактором риска является электромагнитный смог (создаваемый компьютерными дисплеями, электробытовыми приборами, TV и другими) уменьшают воздействие на наш организм геомагнитного поля Земли. У вернувшихся из космического полёта космонавтов обнаруживали остеопороз, тяжелую депрессию и другие патологические состояния. Важной составляющей для нормализации физиологических функций является восстановление полярности клеток и активизация работы ферментных систем, а также улучшения кровообращения. Автор в течение 33 лет занимается проблемами спортивной фармакологии со спортсменами высшей квалификации, что требует нестандартных, недопинговых подходов (к подготовке спортсменов экстра — класса) особенно восстановления. Поэтому нас заинтересовала, в своё время, проблема дефицита магнитного поля Земли и соответствующие меры её коррекции для того, чтобы повысить работоспособность физически одарённых спортсменов без применения искусственных стимуляторов. Автор не ставил перед собой задачи процитировать всех авторов, которые занимались проблемами магнитного поля Земли, так как их существует многие тысячи как в нашей стране, так и за рубежом, а попытался продемонстрировать основные тенденции этой проблемы, касающихся здоровья человека.

Издание носит научно-популярный характер. В космосе постоянно работают и накапливают необходимый опыт для межпланетных полётов коллективы отечественных и зарубежных ученых исследователей для перспективы создания постоянно действующих обитаемых станций с человеком и разработки полезных ископаемых.
 

---

Часть I.
Природа магнитного поля Земли и влияние его на человека

Глава 1. Вселенная и строение солнечной системы
Глава 2. Солнечная система во вселенной
Глава 3. Напряженность магнитного поля Земли
Глава 4. Позитивные свойства магнитного поля Земли
Глава 5. Роль магнитного поля в жизнедеятельности человека
Глава 6. Атмосфера Земли
Глава 7. Влияние магнитных бурь на организм человека

Часть II.
Электрические и магнитные свойства при передаче нервного импульса

Глава 8. Поляризация мембраны живой клетке
Глава 9. Живые ткани как источник энергетических потенциалов
Глава 10. Синдром дефицита магнитного поля Земли
Глава 11. Коррекция магнитного поля спортсменов при помощи магнитотерапии
Глава 12. Естественный баланс дефицита магнитного поля Земли
Глава 13. Влияние магнитного поля Земли на космонавтов
Глава 14. Биоэлектрические явления (при эпилепсии) в процессах передачи информации в организме
Глава 15. Патофизиологические причины эпилепсии
Глава 16. Межнейронные связи при передаче информации в организме 
Глава 17. Необходимые условия для нормальной работы ЦНС
Глава 18. Профилактическое действие магнитотерапии при дефиците магнитного поля
Глава 19. О пользе магнитов при дефиците магнитного поля Земли
Глава 20. Перспективы развития цивилизаций

Тюменский индустриальный университет » Профессор Аркадий Дмитриев о природе магнитного поля Земли

Профессор Аркадий Дмитриев о природе магнитного поля Земли

26.04.2021

В Год науки и технологий мы продолжаем рассказывать об известных профессорах и молодых учёных ТИУ, чьи имена прославляют университет на весь мир, об их уникальных разработках. Согласно плану научных мероприятий и заявленной темой апреля «Освоение космоса», мы публикуем в рубрике «Интеллектуальный марафон «Люди, посвятившие себя науке» статью о профессоре Аркадии Дмитриеве и его исследованиях по созданию термоэлектрической модели магнитного поля Земли.

В научных кругах Аркадий Дмитриев известен как специалист в области наук о Земле. В середине восьмидесятых годов ХХ века он разработал технологию поиска месторождений нефти и газа геофизическим методом. Эта технология ему помогла открыть северо-восточную часть нефтяного Приобского месторождения. Также он предложил  элементы теории электрохимического образования сульфидных руд, повысив тем самым эффективность поисков и расшифровку генезиса гидротермальных месторождений. Метод Дмитриева стал основополагающим и был рекомендован для распространения по всему Советскому Союзу.

Последние пять лет доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры Прикладной геофизики ТИУ Аркадий Дмитриев работает над научно-экспериментальными исследованиями по созданию термоэлектрической модели магнитного поля Земли и других планет Солнечной системы.

Термоэлектрическая модель магнитного поля Земли Дмитриева

В 1915 году Альберт Энштейн выделил пять вопросов, важных для учёных всего мира, один из них – изучение магнитного поля Земли. Если кто-то изучит, освоит, поймёт это явление – это будет невероятное событие в науке, говорил он.

Впервые объяснить существование магнитных полей Земли и Солнца попытался Дж. Лармор в 1919 году, предложив концепцию динамо, согласно которой поддержание магнитного поля небесного тела происходит под действием гидродинамического движения электропроводящей среды.

Сорок с лишним лет Аркадий Дмитриев изучал все модели, предложенные американскими, европейскими, японскими специалистами в области магнитного поля. Термоэлектрическая модель Дмитриева, по его словам, достаточно проста, теория базируется на эффекте Зеебека и предусматривает направленное движение электрических токов в металлическом ядре Земли.

«Я взял в проработку все физические процессы, которые присутствуют в космосе. Наткнулся на эффект Зеебека, который заключается в том, что если к металлу (пруту) приложить с одной стороны свечку, с другой холод, то по нему побежит электрический ток, — рассказывает Аркадий Николаевич. — Я начал размышлять. Необходимые условия создаются в ядре Земли, состоящем в основном из железа и никеля при температуре порядка 4-6 тысяч кельвинов. Прикладываем эффект Зеебека – раз металл есть, значит, при разности температур электроны должны двигаться направленно от горячо нагретой части ядра к его  более холодной, вследствие чего возникает электрический ток, который и приводит к возникновению магнитного поля».

Совмещение Закона термодинамики и эффекта Зеебека позволило учёному вывести и предложить первоначальную модель, на разработку механизма которой  было потрачено еще много лет. Многие промежуточные достижения он подтверждал открытиями других учёных.

 Откуда у Земли магнит

Магнитное поле защищает поверхность Земли от солнечного ветра и вредного космического излучения. При отсутствии магнитного поля наша атмосфера разрушилась бы. Как формируется магнитное поле и откуда в Земле магнит, профессор Дмитриев поясняет: «Меня всегда интересовали физические поля нашей планеты, тем более я как геофизик обязан применять гравитационное,  магнитное, тепловое поля на практике с помощью приборов. В 70-е годы прошлого столетия меня заинтересовала книга японского астрофизика по электромагнитному полю Земли. Итальянский учёный Анзелини открыл интересное явление – теоретически рассчитал и обнаружил, что внутреннее ядро, состоящее из двух частей: внешнего – расплавленного и внутреннего – твёрдого, постепенно остывает. Другие учёные подтвердили динамику температуры. Ядро находится в динамическом температурном режиме, следовательно, обязательно должны появиться термоэлектрические токи в ядре, причем направленные».

Почему на Земле меняются полюса магнитного поля

Земля меняет свои магнитные полюса местами – северный становится южным, и наоборот. Инверсии магнитного поля происходили через интервалы времени от десятков тысяч лет до огромных промежутков спокойного магнитного поля в десятки миллионов лет, когда инверсии не происходили. В настоящее время северный полюс, по словам профессора Дмитриева, стремительно движется от Канады в сторону России, в то время как южный остаётся малоподвижным.

«Эти процессы циклические и неуправляемые. Всё зависит от внутренних свойств планеты. В представлении обывателя ось жёсткая, следовательно, полюсы должны стоять на месте, — говорит Аркадий Николаевич. — Я доказал обратное. Магнитная ось не является жёсткой, она гибкая и связана с неоднородным распределением электронов за счёт асимметрии центробежной силы. Наша Земля наклонена к орбите, и если посмотреть на ее разрезы, параллельные эклиптике, то можно заметить, что западная часть северного полушария и восточная часть южного полушария более подвержены влиянию центробежной силы. Таким образом,  происходит оттягивание электронов от оси вращения планеты, в результате чего образуется смещенная примерно на 11

0 «пустота» — некоторое разреженное от электронов пространство. Этот канал обеспечивает более легкий выход наружу планеты полоидальному (внешнему, дипольному) магнитному полю, порождаемому тороидальным магнитным полем (внутренним), создаваемым внутри ядра термоэлектрическими токами Земли. Следовательно, полоидальное поле и есть магнитное поле нашей Земли.

Проблему смены полюсов Дмитриев объяснил через реверс токов, который происходит от холодной части ядра к более нагретой и, наоборот, за счет их поочередного перегрева джоулевым теплом. Тем самым, он нашёл ответы на вопросы, на которые теория магнитогидродинамо, разрабатываемая на протяжении ста лет, не может доказательно ответить. Также за счет гибкости магнитной оси удается объяснить и ее другие механизмы – экскурсы, джерки.

Материалы на тему научно-экспериментальных исследований по созданию термоэлектрической модели магнитного поля Земли и других планет Солнечной системы Аркадий Дмитриев начал публиковать с 2016 года, больше в зарубежных изданиях. Обоснованность этой модели привлекает ученых, в связи с чем к нему поступают запросы на публикацию статей от редакций ряда журналов Японии, Швейцарии, Швеции, Испании, Финляндии.

«На ближайшее будущее планирую провести лабораторные исследования этого планетарного события. Надеюсь на  содружество с научными коллективами, занимающимися подобными задачами и имеющими техническую базу для реализации лабораторного проекта», — отметил Аркадий Дмитриев.

1 мая Аркадий Дмитриев отметит свой 83 день рождения. Он полон сил и идей. Пожелаем же ему крепкого здоровья, долгих лет жизни и новых достижений на благо отечественной науки!

 

Отдел медиа и внешних коммуникаций

Вконтакте

Facebook

Twitter

Google+

Проявить магнитное поле: ученые НИТУ «МИСиС» создали уникальный прибор, позволяющий визуализировать магнитное поле

Научному коллективу НИТУ «МИСиС» удалось решить проблему определения магнитных полей в пространстве: при помощи разработанного магнитометра можно получать точную информацию о силе, конфигурации, величине и даже дефектах магнитного поля. Прибор будет применяться для тестирования магнитных полей и создания оптимальной конфигурации магнитной системы при создании экономичных и массовых моделей магнитно-резонансных томографов (МРТ) для городских поликлиник и частных медицинских кабинетов.

Точное определение магнитного поля и его параметров является важным условием развития современных технологий — автоматизация промышленной техники и системы определения координат, магнитные карты и сотовые телефоны — все они и многие другие основаны на определении магнитного поля Земли. Мощное магнитное поле удерживает конструкцию во время сварочных или монтажных работ, определяет дефекты в стратегических объектах: полотне железной дороги, трубопроводах, мостах, с его помощью достигнут рекорд скорости наземного транспорта — 603 км/ч, которую развивает знаменитый шанхайский поезд-маглев и тд.

Однако существующие методы обнаружения и оценки магнитных полей, так называемые методы «декорации» (например, магнитная жидкость и пластины) весьма условны, и не дают точной информации. Чтобы определить распределение магнитных полей в пространстве, требуется применение специальных приборов. Именно эту проблему и удалось решить коллективу инженеров кафедры цветных металлов и золота НИТУ «МИСиС».

«Сканирующий магнитометр, созданный в нашей лаборатории, представляет собой немагнитную сканирующую систему на основе 2D-плоттера, трехкомпонентный датчик магнитного поля и систему сбора данных, — рассказал руководитель проекта, научный сотрудник кафедры цветных металлов и золота НИТУ „МИСиС“ к.ф.-м.н. Сергей Гудошников. Оригинальность прибора заключается в том, что при его изготовлении широко распространенные модули используются в новом качестве — для визуализации локальных магнитных различных магнитных объектов».

Сканирующий магнитометр позволяет измерить компоненты магнитного поля вблизи поверхности исследуемого объекта, после чего по этим данным можно построить картину магнитного поля для каждой точки. Например, на рисунке 2, полученным при помощи созданного магнитометра, можно увидеть как выглядит магнитное поле над полюсом магнита.

Как можно использовать эти данные? Например, можно измерить магнитное поле и, при наличии неоднородностей поля, обнаружить возможные дефекты.

Сканирующий магнитометр, разработанный в НИТУ «МИСиС» будет применяться для тестирования магнитных полей и создания оптимальной конфигурации магнитной системы при создании экономичных и массовых моделей магнитно-резонансных томографов (МРТ). Такие МРТ, в отличие от основанных на сверхпроводящих системах, будут на порядок дешевле в обслуживании, и планируются к массовому применению в городских поликлиниках и частных медицинских кабинетах.

Прибор уже прошел лабораторные испытания и используется для тестирования постоянных магнитов в системах «низкополевого» магниторезонансного томографа (МРТ).

Работа проведена при финансовой поддержке Министерства науки высшего образования Российской Федерации в рамках выполнения обязательств по Соглашению о предоставлении субсидии от 26 сентября 2017 г. № 14.578.21.0255 (уникальный идентификатор соглашения RFMEFI57817X0255).

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 – внеурочная деятельность (конкурсная работа) – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана)

• Участник: Обрезкова Алиса Сергеевна
• Руководитель: Гурьянова Галина Александровна

Техника безопасности

1. Будьте внимательны, дисциплинированны, аккуратны, точно выполняйте указания учителя.
2. Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описание, уясните ход её выполнения.
3. Не оставляйте рабочего места без разрешения учителя.
4. Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.
5. Не держите на рабочем столе предметы, не требующиеся при выполнении задания.
6. Не устанавливайте на краю стола штатив, во избежание его падения.
7. После выполнения измерений электронным секундомером выключите его, отсоединив разъём.
8. Источник тока электрической цепи подключайте в последнюю очередь. Не включать собранную цепь без проверки и разрешения учителя.
9. При сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно соединяйте с клеммами.
10. Следите, чтобы изоляция проводов была исправна, а на концах проводников были наконечники.
11. Не касайтесь руками мест соединений. Не использовать провода с нарушенной изоляцией. Все изменения в цепи производите после отключения источника тока.
12. При проведении опытов не допускайте предельных нагрузок измерительных приборов. После снятия показаний цепь разомкнуть. По указанию учителя разобрать цепь.
13. При сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно соединяйте с клеммами.
14. Обнаружив неисправность в электрических устройствах, находящихся под напряжением, немедленно отключите источник электропитания и сообщите об этом учителю.
15. Берегите оборудование и используйте его по назначению.
16. При получении травмы обратитесь к учителю.

Введение

В своей работе по теме «Магнитное поле» я проведу и объясню три эксперимента, описанные в учебнике Перышкина А.В. Физика. 8 класс.

Цель работы: расширение кругозора, повышение эрудиции, развитие интереса к экспериментальной физике, умений демонстрировать и объяснять опыты, научиться работать самостоятельно.

Выдвигаемая гипотеза: проверить на опытах предположение, что вокруг проводника с электрическим током существует магнитное поле, которое возможно имеет закономерность в направлении и связано с направлением тока.

Магнитные явления были известны ещё в древнем мире: компас был изобретён более 4000 лет назад, и к XII веку он стал известен в Европе. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом, и возникло представление о магнитном поле.

Первыми экспериментами, показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется связь, были опыты датского физика Х.Эрстеда (1777-1851). В своём знаменитом опыте, описываемом ныне во всех школьных учебниках физики и проведённом в 1820 году, он обнаружил, что провод, по которому идёт ток, действует на магнитную стрелку (то есть подвижный магнит).

Эрстед не только провёл свой опыт, но и сделал правильный вывод: «электрический конфликт не ограничен проводящей проволокой, а имеет довольно обширную сферу активности вокруг этой проволоки». Переводя на современный язык, это можно понимать так: «действие тока есть не только внутри провода (его нагревание), но и вокруг (магнитное поле)».

Открытие Эрстеда вызвало необычайный интерес его современников-физиков и послужило началом ряда исследований, показавших сходство магнитного действия тока и действия постоянного магнита. Для поиска ответа проделаем опыт.

Опыт № 1. Дугообразный электромагнит

Возьму дугообразный электромагнит и закреплю его в штативе. Соединю катушки электромагнита через ключ с источником тока. Поднесу якорь к сердечнику и замкну ключ. Якорь притянулся к сердечнику. На крючок якоря буду подвешивать грузы 0,5 кг, потом 1 кг. Якорь не отрывается. Разомкну ключ, и грузы упадут.

Вывод из опыта № 1

Вокруг катушки с током существует магнитное поле. Железо, введенное внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки. Намагничивается сердечник и притягивает якорь с подвешенным грузом. Катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса – северный и южный. Электромагниты обладают большой подъемной силой.

4 мая 1825 года Вильям Стерджен (английский ученый) на заседании Британского общества ремесел продемонстрировал работу своего электромагнита. Это был согнутый в виде подковы железный стержень длиной 30 см и диаметром 1,3 см. На нем в один слой была намотана медная проволока, подключенная к химическому источнику тока. Электромагнит Стерджена удерживал груз, весом в 1,5 раза превосходящим вес самого магнита. При весе в 2 кг он поднимал металлический груз в 3,6 кг. На тот момент он был намного мощнее природных магнитов того же размера. Еще в 1823 году ученый на основе электромагнита построил «вращающееся колесо Стерджена» — по сути первую модель электромотора.

Стерджена, Джеймс Джоуль, экспериментируя с электромагнитом учителя, в том же 1825 году смог увеличить подъемную силу до 20 кг. С этого момента начинается своеобразная гонка между учеными по совершенствованию электромагнита и наращиванию его подъемной силы. Через семь лет после своего изобретения Уильям Стерджен создает электромагнит с подъемной силой в 160 кг, а еще через восемь лет – электромагнит с подъемной силой в 550 кг.

Кстати подковообразная форма электромагнита, очень удачная как показали дальнейшие исследования, была выбрана Уильямом Стердженом чисто случайно. Эта форма используются и по сей день. Хотя конечно же в наше время изготавливаются электромагниты самых разнообразных форм.

Вскоре после того, как было построено еще несколько крупных магнитов и все убедились в их силе, надежности, компактности и удобстве, было предложено использовать электромагниты для подъема железных и стальных деталей на металлургических и металлообрабатывающих заводах.

В России вплоть до революции Общество конно-железных дорог и омнибусов использовало магниты для очистки овса от железных гвоздей. В Европе и Америке магниты широко применяли на мельницах по очистке зерна.

В 30-х годах нашего столетия был создан один из крупнейших электромагнитов, предназначенный для устройства, с помощью которого разрушали бракованное литье. Груз, выполняющий эту операцию, весил 200000 Н. Использование электромагнита в этом устройстве позволяло сбрасывать груз обычным поворотом выключателя.

Вскоре были созданы еще более крупные магниты, способные поднимать груз весом до 500000 Н.

Магнитная очистка зерна на мельницах стала прообразом одного из чрезвычайно важных в настоящее время применений магнитов. Речь идет о так называемых магнитах сепараторах. Принцип их действия состоит в том, что смесь полезного вещества и «пустой породы» подается по конвейеру и проходит мимо полюсов магнита. Если пустая порода магнитна, то она будет извлечена из смеси. Принцип сепаратора с использованием естественных магнитов был предложен еще в 1792 г., т.е. до изобретения электромагнита.

Электромагниты нашли широкое применение в промышленности, технике, медицине. Например, в батискафе французского профессора Пиккара, исследовавшего не так давно глубочайшие океанские впадины, мощный электромагнит удерживал железный балласт.

С их помощью можно также поднимать и перемещать массивные объекты, например, автомобили перед утилизацией. Они также используются в транспортировке. Поезда в Азии и Европе используют электромагниты для перевозки автомобилей. Это помогает им двигаться на феноменальных скоростях.

Генеральный директор компании Walker Magnetics, г-н Брайан Твейтс с гордостью представляет самый большой в мире подвесной электромагнит. Его вес (88 т) примерно на 22 т превышает вес действующего победителя Книги Рекордов Гиннеса из США. Его грузоподъемность составляет приблизительно 270 тонн. 

Электромагниты получили настолько широкое распространение, что трудно назвать область техники, где бы они не применялись в том или ином виде. Они содержатся во многих бытовых приборах — электробритвах, магнитофонах, телевизорах и т.п. Устройства техники связи — телефония, телеграфия и радио немыслимы без их применения.

Электромагниты являются неотъемлемой частью электрических машин, многих устройств промышленной автоматики, аппаратуры регулирования и защиты разнообразных электротехнических установок. Развивающейся областью применения электромагнитов является медицинская аппаратура. Наконец, гигантские электромагниты для ускорения элементарных частиц применяются в синхрофазотронах.

Вес электромагнитов колеблется от долей грамма до сотен тонн, а потребляемая при их работе электрическая мощность — от милливатт до десятков тысяч киловатт.

Опыт № 2. Магнитные линии катушки с током

Возьму катушку, смонтированную на подставке из оргстекла, соединю ее через ключ с источником тока. На подставку насыпаю ровным слоем металлические опилки. Замыкаю ключ и чуть-чуть постукиваю по платформе. Цепочки, которые образуют в магнитном поле железные опилки, показывают форму магнитных линий магнитного поля. Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются замкнутыми линиями. Вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному.

Вывод из опыта № 2

1. Вокруг катушки с током есть магнитное поле 
2. Катушка с током похожа на полосовой магнит и у нее есть тоже два полюса – северный и южный
3. Чем больше число витков в катушке, тем сильнее её магнитное поле.
4. Чем больше сила тока, тем сильнее магнитное поле.
5. Наличие сердечника усиливает магнитное поле.

Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой на много превышает диаметр называют соленоидом, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно.

Опыт № 3. Магнитное поле прямого проводника с током

Беру прибор, в котором прямой проводник пропущен сквозь лист картона. На картон насыпаю тонкий и равномерный слой железных опилок, включаю ток, и опилки слегка встряхиваю. Под действием магнитного поля тока железные опилки располагаются вокруг проводника не беспорядочно, а по концентрическим окружностям.

Вывод из опыта № 3

Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой кривые, охватывающие проводник.

Вывод из проделанных опытов

Проведенные опыты подтверждают выдвинутую гипотезу. Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга. Ток следует рассматривать как источник магнитного поля.

Человека пронизывают мириады магнитных полей различного происхождения. Мы привыкли к магниту и относимся к нему снисходительно, как к устаревшему атрибуту школьных уроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. Я подсчитала – у меня в квартире их десятки: в электробритве, динамике, магнитофоне, в банке с гвоздями, наконец, я сама тоже магнит: биотоки, текущие во мне, рождаю вокруг причудливый пульсирующий узор магнитных линий. Земля, на которой мы живем, — гигантский голубой магнит. Солнце – желтый плазменный шар – еще более грандиозный магнит. Галактики и туманности, едва различимые радиотелескопами, — непостижимые по размерам магниты…

Ссылка на видеоролик: https://yadi.sk/i/fEaNL3z_3Jfbx3

Представление о магнитном поле / Хабр

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.
 

Спин

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.

Что такое магнетизм? | Магнитные поля и магнитная сила

Магнетизм — это один из аспектов комбинированной электромагнитной силы. Это относится к физическим явлениям, возникающим из-за силы, вызванной магнитами, объектами, которые создают поля, которые притягивают или отталкивают другие объекты.

Согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия, магнитное поле воздействует на частицы в поле за счет силы Лоренца. Движение электрически заряженных частиц порождает магнетизм.Сила, действующая на электрически заряженную частицу в магнитном поле, зависит от величины заряда, скорости частицы и силы магнитного поля.

Все материалы обладают магнетизмом, некоторые сильнее, чем другие. Постоянные магниты, сделанные из таких материалов, как железо, испытывают сильнейшее воздействие, известное как ферромагнетизм. За редким исключением, это единственная форма магнетизма, достаточно сильная, чтобы ее могли почувствовать люди.

Противоположности притягиваются

Магнитные поля генерируются вращающимися электрическими зарядами, согласно HyperPhysics.Все электроны обладают свойством углового момента или спина. Большинство электронов имеют тенденцию образовывать пары, в которых один из них имеет «спин вверх», а другой — «спин вниз», в соответствии с принципом исключения Паули, который гласит, что два электрона не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии одновременно. В этом случае их магнитные поля направлены в противоположные стороны, поэтому они компенсируют друг друга. Однако некоторые атомы содержат один или несколько неспаренных электронов, спин которых может создавать направленное магнитное поле. По данным Ресурсного центра неразрушающего контроля (NDT), направление их вращения определяет направление магнитного поля.Когда значительное большинство неспаренных электронов выровнены своими спинами в одном направлении, они объединяются, чтобы создать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы его можно было почувствовать в макроскопическом масштабе.

Источники магнитного поля биполярные, с северным и южным магнитными полюсами. По словам Джозефа Беккера из Университета Сан-Хосе, противоположные полюса (северный и южный) притягиваются, а подобные полюса (северный и северный, или южный и южный) отталкиваются. Это создает тороидальное поле или поле в форме пончика, поскольку направление поля распространяется наружу от северного полюса и входит через южный полюс.

Земля сама по себе является гигантским магнитом. Согласно HyperPhysics, планета получает свое магнитное поле от циркулирующих электрических токов внутри расплавленного металлического ядра. Компас указывает на север, потому что маленькая магнитная стрелка в нем подвешена, так что он может свободно вращаться внутри своего корпуса, выравниваясь с магнитным полем планеты. Как ни парадоксально, то, что мы называем Северным магнитным полюсом, на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные магнитные полюса стрелок компаса.

Ферромагнетизм

Если выравнивание неспаренных электронов продолжается без приложения внешнего магнитного поля или электрического тока, образуется постоянный магнит. Постоянные магниты — результат ферромагнетизма. Приставка «ферро» относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые наблюдался в форме естественной железной руды, называемой магнетитом, Fe ₃ O ₄ . Кусочки магнетита можно найти разбросанными на поверхности земли или вблизи нее, и иногда они намагничиваются.Эти встречающиеся в природе магниты называются магнитными камнями. «Мы до сих пор не уверены в их происхождении, но большинство ученых считают, что магнитный камень — это магнетит, в который попала молния», — говорится в сообщении Университета Аризоны.

Вскоре люди узнали, что можно намагнитить железную иглу, поглаживая ее магнитным камнем, в результате чего большинство неспаренных электронов в игле выстраиваются в одном направлении. По данным НАСА, примерно в 1000 году нашей эры китайцы обнаружили, что магнит, плавающий в чаше с водой, всегда выстраивался в направлении север-юг.Таким образом, магнитный компас стал огромным помощником в навигации, особенно днем ​​и ночью, когда звезды были скрыты облаками.

Было обнаружено, что другие металлы, помимо железа, обладают ферромагнитными свойствами. К ним относятся никель, кобальт и некоторые редкоземельные металлы, такие как самарий или неодим, которые используются для создания сверхпрочных постоянных магнитов.

Другие формы магнетизма

Магнетизм принимает множество других форм, но, за исключением ферромагнетизма, они обычно слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать за исключением чувствительных лабораторных приборов или при очень низких температурах.Диамагнетизм был впервые открыт в 1778 году Антоном Бругнамсом, который использовал постоянные магниты в поисках материалов, содержащих железо. По словам Джеральда Кюстлера, широко публикуемого независимого немецкого исследователя и изобретателя, в его статье «Диамагнитная левитация — исторические вехи», опубликованной в Румынском журнале технических наук, Бругнамс заметил: «Только темный и почти фиолетовый висмут проявлял конкретное явление в исследовании; когда я положил его кусок на круглый лист бумаги, плавающий на воде, он оттолкнулся обоими полюсами магнита.

Было установлено, что висмут обладает самым сильным диамагнетизмом из всех элементов, но, как обнаружил Майкл Фарадей в 1845 году, это свойство всей материи отталкиваться магнитным полем.

Диамагнетизм вызван орбитальным движением электронов, создающих крошечные токовые петли, которые создают слабые магнитные поля, согласно HyperPhysics. Когда к материалу прикладывается внешнее магнитное поле, эти токовые петли имеют тенденцию выравниваться таким образом, чтобы противостоять приложенному полю.Это заставляет все материалы отталкиваться постоянным магнитом; однако результирующая сила обычно слишком мала, чтобы быть заметной. Однако есть некоторые заметные исключения.

Пиролитический углерод, вещество, похожее на графит, демонстрирует даже более сильный диамагнетизм, чем висмут, хотя и только вдоль одной оси, и фактически может подниматься над сверхсильным редкоземельным магнитом. Некоторые сверхпроводящие материалы демонстрируют еще более сильный диамагнетизм ниже своей критической температуры, поэтому над ними можно левитировать редкоземельные магниты.(Теоретически из-за их взаимного отталкивания один может левитировать над другим.)

Парамагнетизм возникает, когда материал временно становится магнитным при помещении в магнитное поле и возвращается в свое немагнитное состояние, как только внешнее поле удаляется. При приложении магнитного поля некоторые из неспаренных электронных спинов выравниваются с полем и преодолевают противоположную силу, создаваемую диамагнетизмом. Однако, по словам Дэниела Марша, профессора физики Южного государственного университета Миссури, эффект заметен только при очень низких температурах.

Другие, более сложные формы включают антиферромагнетизм, при котором магнитные поля атомов или молекул выстраиваются рядом друг с другом; и поведение спинового стекла, которое включает как ферромагнитные, так и антиферромагнитные взаимодействия. Кроме того, ферримагнетизм можно рассматривать как комбинацию ферромагнетизма и антиферромагнетизма из-за многих общих черт между ними, но, по данным Калифорнийского университета в Дэвисе, он все же имеет свою уникальность.

Электромагнетизм

Когда провод перемещается в магнитном поле, поле индуцирует в проводе ток.И наоборот, магнитное поле создается движущимся электрическим зарядом. Это соответствует закону индукции Фарадея, который лежит в основе электромагнитов, электродвигателей и генераторов. Заряд, движущийся по прямой линии, как по прямому проводу, создает магнитное поле, которое вращается вокруг провода по спирали. Когда этот провод превращается в петлю, поле приобретает форму пончика или тора. Согласно Руководству по магнитной записи (Springer, 1998) Marvin Cameras, это магнитное поле можно значительно усилить, поместив ферромагнитный металлический сердечник внутрь катушки.

В некоторых приложениях постоянный ток используется для создания постоянного поля в одном направлении, которое можно включать и выключать вместе с током. Это поле может затем отклонить подвижный железный рычаг, вызывая слышимый щелчок. Это основа телеграфа, изобретенного в 1830-х годах Сэмюэлем Ф. Б. Морзе, который позволял осуществлять связь на большие расстояния по проводам с использованием двоичного кода, основанного на импульсах большой и малой длительности. Импульсы посылались опытными операторами, которые быстро включали и выключали ток с помощью подпружиненного переключателя с мгновенным контактом или ключа.Другой оператор на принимающей стороне затем переводил слышимые щелчки обратно в буквы и слова.

Катушка вокруг магнита также может двигаться по шаблону с изменяющейся частотой и амплитудой, чтобы индуцировать ток в катушке. Это основа для ряда устройств, в первую очередь для микрофона. Звук заставляет диафрагму двигаться внутрь и наружу с волнами переменного давления. Если диафрагма соединена с подвижной магнитной катушкой вокруг магнитопровода, она будет производить переменный ток, аналогичный падающим звуковым волнам.Затем этот электрический сигнал может быть усилен, записан или передан по желанию. Крошечные сверхсильные магниты из редкоземельных металлов теперь используются для изготовления миниатюрных микрофонов для сотовых телефонов, сообщил Марш Live Science.

Когда этот модулированный электрический сигнал подается на катушку, он создает колеблющееся магнитное поле, которое заставляет катушку двигаться внутрь и наружу по магнитному сердечнику по той же схеме. Затем катушка прикрепляется к подвижному диффузору динамика, чтобы он мог воспроизводить слышимые звуковые волны в воздухе.Первым практическим применением микрофона и динамика был телефон, запатентованный Александром Грэмом Беллом в 1876 году. Хотя эта технология была усовершенствована и усовершенствована, она все еще является основой для записи и воспроизведения звука.

Применения электромагнитов почти бесчисленны. Закон индукции Фарадея составляет основу многих аспектов нашего современного общества, включая не только электродвигатели и генераторы, но и электромагниты всех размеров. Тот же принцип, который используется гигантским краном для подъема старых автомобилей на свалку металлолома, также используется для выравнивания микроскопических магнитных частиц на жестком диске компьютера для хранения двоичных данных, и каждый день разрабатываются новые приложения.

Штатный писатель Таня Льюис внесла свой вклад в этот отчет.

Дополнительные ресурсы

Напряженность магнитного поля: сила, действующая на движущийся заряд в магнитном поле

Задачи обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите влияние магнитных полей на движущиеся заряды.
• Используйте правило правой руки 1, чтобы определить скорость заряда, направление магнитного поля и направление магнитной силы на движущийся заряд.
• Рассчитайте магнитную силу движущегося заряда.

Каков механизм воздействия одного магнита на другой? Ответ связан с тем фактом, что весь магнетизм вызван током, потоком заряда. Магнитные поля действуют на движущиеся заряды , и поэтому они действуют на другие магниты, у всех из которых есть движущиеся заряды.

Магнитная сила, действующая на движущийся заряд, — одна из самых фундаментальных известных. Магнитная сила так же важна, как электростатическая или кулоновская сила.Однако магнитная сила более сложна как по количеству влияющих на нее факторов, так и по ее направлению, чем относительно простая кулоновская сила. Величина магнитной силы F на заряде q , движущемся со скоростью v в магнитном поле с напряженностью B , определяется как

F = qvB sin θ ,

, где θ — угол между направлениями v и B. Эту силу часто называют силой Лоренца .Фактически, именно так мы определяем напряженность магнитного поля B — в терминах силы, действующей на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Единица СИ для напряженности магнитного поля B называется тесла (T) в честь эксцентричного, но блестящего изобретателя Николы Тесла (1856–1943). Чтобы определить, как тесла соотносится с другими единицами СИ, мы решаем F = qvB sin θ для B .

[латекс] B = \ frac {F} {qv \ sin \ theta} \\ [/ latex]

Поскольку sin θ является безразмерным, тесла составляет

[латекс] 1 \ text {T} = \ frac {1 \ text {N}} {\ text {C} \ cdot \ text {m / s}} = \ frac {1 \ text {N}} {\ текст {A} \ cdot \ text {m}} \\ [/ latex]

(обратите внимание, что C / s = A).Иногда используется другое устройство меньшего размера, называемое гаусс (G), где 1 G = 10 ⁻⁴ Tл. Самые сильные постоянные магниты имеют поля около 2 Тл; сверхпроводящие электромагниты могут достигать 10 Тл или более. Магнитное поле Земли на ее поверхности составляет всего около 5 × 10 ⁻⁵ Тл, или 0,5 Гс.

Направление магнитной силы F перпендикулярно плоскости, образованной v и B , как определено правилом правой руки 1 (или RHR-1 ), которое показано на Фигура 1.RHR-1 утверждает, что для определения направления магнитной силы на положительный движущийся заряд вы указываете большим пальцем правой руки в направлении v , пальцами в направлении B и перпендикуляром к ладонь указывает в направлении F . Один из способов запомнить это — это одна скорость, и поэтому большой палец представляет ее. Есть много линий поля, поэтому пальцы представляют их. Сила направлена ​​в том направлении, в котором вы толкаете ладонью.Сила, действующая на отрицательный заряд, прямо противоположна силе, действующей на положительный заряд.

Рис. 1. Магнитные поля действуют на движущиеся заряды. Эта сила — одна из самых основных известных. Направление магнитной силы на движущийся заряд перпендикулярно плоскости, образованной v и B, и следует правилу правой руки –1 (RHR-1), как показано. Величина силы пропорциональна q, v, B и синусу угла между v и B.

Подключение: заряды и магниты

На статические заряды не действует магнитная сила.Однако на движущиеся заряды действует магнитная сила. Когда заряды неподвижны, их электрические поля не влияют на магниты. Но когда заряды движутся, они создают магнитные поля, которые действуют на другие магниты. Когда есть относительное движение, возникает связь между электрическим и магнитным полями — одно влияет на другое.

Пример 1. Расчет магнитной силы: магнитное поле Земли на заряженном стеклянном стержне

За исключением компасов, вы редко видите или лично испытываете силы из-за небольшого магнитного поля Земли.Чтобы проиллюстрировать это, предположим, что в физической лаборатории вы натираете стеклянный стержень шелком, помещая на него положительный заряд 20 нКл. Вычислите силу, действующую на стержень из-за магнитного поля Земли, если вы бросите его с горизонтальной скоростью 10 м / с на запад в место, где поле Земли направлено на север параллельно земле. (Направление силы определяется правилом правой руки 1, как показано на рисунке 2.)

Рис. 2. Положительно заряженный объект, движущийся строго на запад в области, где магнитное поле Земли направлено на север, испытывает силу, направленную прямо вниз, как показано.Отрицательный заряд, движущийся в том же направлении, почувствовал бы силу, направленную прямо вверх.

Стратегия

Нам дан заряд, его скорость, сила и направление магнитного поля. Таким образом, мы можем использовать уравнение F = qvB sin θ , чтобы найти силу.

Решение

Магнитная сила

F = qvB sin θ

Мы видим, что sin θ = 1, поскольку угол между скоростью и направлением поля равен 90º.{-11} \ text {N} \ end {array} \\ [/ latex].

Обсуждение

Эта сила совершенно незначительна для любого макроскопического объекта, что согласуется с опытом. (Он рассчитывается только с одной цифрой, поскольку поле Земли меняется в зависимости от местоположения и приводится только с одной цифрой.) Магнитное поле Земли, однако, оказывает очень важное влияние, особенно на субмикроскопические частицы. Некоторые из них рассматриваются в книге «Сила движущегося заряда в магнитном поле: примеры и приложения».

Сводка раздела

• Магнитные поля действуют на движущийся заряд q , величина которой равна

  F = qvB sin θ ,

  , где θ — угол между направлениями v и B .

• Единица СИ для напряженности магнитного поля B — тесла (Тл), которая связана с другими единицами

  [латекс] 1 \ text {T} = \ frac {1 \ text {N}} {\ text {C} \ cdot \ text {m / s}} = \ frac {1 \ text {N}} {\ текст {A} \ cdot \ text {m}} \\ [/ latex]

• Направление силы на движущийся заряд задается правилом правой руки 1 (RHR-1): направьте большой палец правой руки в направлении v , пальцы в направлении B , а перпендикуляр к ладони указывает в направлении F .
• Сила перпендикулярна плоскости, образованной v и B . Поскольку сила равна нулю, если v параллельно B , заряженные частицы часто следуют за линиями магнитного поля, а не пересекают их.

Концептуальные вопросы

1. Если заряженная частица движется по прямой линии через некоторую область пространства, можете ли вы сказать, что магнитное поле в этой области обязательно равно нулю?

Задачи и упражнения

1.Каково направление магнитной силы на положительный заряд, который движется, как показано в каждом из шести случаев, показанных на рисунке 3?

Рисунок 3.

2. Повторите упражнение 1 для отрицательного заряда.

3. Каково направление скорости отрицательного заряда, который испытывает магнитную силу, показанную в каждом из трех случаев на рисунке 4, если предположить, что он движется перпендикулярно B ?

Рисунок 4.

4. Повторите рис. 4 для положительного заряда.

5. Каково направление магнитного поля, которое создает магнитную силу для положительного заряда, как показано в каждом из трех случаев на рисунке ниже, при условии, что B перпендикулярно v ?

Рисунок 5.

6. Повторите упражнение 5 для отрицательного заряда.

7. Какова максимальная сила, действующая на алюминиевый стержень с зарядом в 0,100 мкКл, который вы проходите между полюсами постоянного магнита напряжением 1,50 Тл со скоростью 5,00 м / с? В каком направлении сила?

8.(а) Самолеты иногда приобретают небольшие статические заряды. Предположим, что сверхзвуковая струя имеет заряд 0,500 мкКл и летит строго на запад со скоростью 660 м / с над южным магнитным полюсом Земли, где магнитное поле 8,00 × 10 ⁻⁵ -T направлено прямо вверх. Каковы направление и величина магнитной силы на плоскости? (b) Обсудите, подразумевает ли значение, полученное в части (a), это существенное или незначительное влияние.

9. (a) Протон космических лучей движется к Земле в точке 5.00 × 10 ⁷ испытывает магнитную силу 1,70 × 10 ⁻¹⁶ Н. Какова напряженность магнитного поля, если между ним и скоростью протона существует угол 45 °? (b) Соответствует ли значение, полученное в части (a), известной напряженности магнитного поля Земли на ее поверхности? Обсуждать.

10. Электрон, движущийся со скоростью 4,00 × 10 ³ м / с в магнитном поле 1,25 Тл, испытывает магнитную силу 1,40 × 10 ⁻¹⁶ Н. Какой угол составляет скорость электрона с магнитным полем. ? Есть два ответа.

11. (a) Физик, выполняющий чувствительное измерение, хочет ограничить магнитную силу, действующую на движущийся заряд в своем оборудовании, до значения менее 1,00 × 10 ⁻¹² Н. Каким может быть наибольший заряд, если он движется со скоростью максимальная скорость 30,0 м / с в поле Земли? (b) Обсудите, будет ли трудно ограничить заряд до значения, меньшего, чем значение, указанное в (a), сравнив его с типичным статическим электричеством и отметив, что статическое электричество часто отсутствует.

Глоссарий

Правое правило 1 (RHR-1):

правило определения направления магнитной силы на положительно движущийся заряд: когда большой палец правой руки указывает в направлении скорости заряда v , а пальцы указывают в направлении магнитного поля B , тогда сила, действующая на заряд, перпендикулярна и направлена ​​от ладони; сила, действующая на отрицательный заряд, перпендикулярна ладони

Сила Лоренца:

Сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле

тесла:

Тл — единица измерения напряженности магнитного поля в системе СИ; [латекс] 1 \ text {T} = \ frac {1 \ text {N}} {\ text {A} \ cdot \ text {m}} \\ [/ latex]

магнитная сила:

сила, действующая на заряд, возникающая при его движении в магнитном поле; сила Лоренца

гаусс:

Гс — единица напряженности магнитного поля; 1 G = 10 ^–4 T

Избранные решения проблем и упражнения

1.(a) Влево (Запад) (b) На страницу (c) Вверх (Север) (d) Нет силы (e) Вправо (Восток) (f) Вниз (Юг)

3. (a) Восток (справа) (b) На страницу (c) Юг (внизу)

5. (a) На страницу (b) Запад (слева) (c) Со страницы

7. 7,50 × 10 ⁻⁷ Н перпендикулярно силовым линиям магнитного поля и скорости

9. (a) 3,01 × 10 ⁻⁵ Тл (b) Это немного меньше, чем напряженность магнитного поля 5 × 10 ⁻⁵ Тл на поверхности Земли, поэтому она согласована.

10. (a) 6,67 × 10 ⁻¹⁰ C (принимая поле Земли равным 5,00 × 10 ⁻⁵ Тл) (b) Менее типичного статического, поэтому сложно

Магнитная сила на движущемся электрическом заряде

Величина магнитной силы

Магнитная сила, действующая на заряженную частицу q, движущуюся в магнитном поле B со скоростью v (под углом θ к B), равна [latex] \ text {F} = \ text {qvBsin} (\ theta) [/ latex].

Задачи обучения

Основные выводы

Ключевые моменты

• Магнитные поля действуют на движущиеся заряженные частицы.
• Направление магнитной силы [латекс] \ text {F} [/ latex] перпендикулярно плоскости, образованной [латексом] \ text {v} [/ latex] и [латексом] \ text {B} [ / латекс], как определено правилом правой руки.
• Единица СИ для величины напряженности магнитного поля называется тесла (Тл), что эквивалентно одному Ньютону на амперметр. Иногда вместо этого используется меньшая единица измерения Гаусс (10 ^-4 Тл).
• Когда выражение для магнитной силы комбинируется с выражением для электрической силы, комбинированное выражение известно как сила Лоренца.

Ключевые термины

• Кулоновская сила : электростатическая сила между двумя зарядами, как описано законом Кулона
• магнитное поле : Состояние в пространстве вокруг магнита или электрического тока, в котором существует обнаруживаемая магнитная сила и где присутствуют два магнитных полюса.
• тесла : В Международной системе единиц — производная единица плотности магнитного потока или магнитной индукции. Символ: T

Величина магнитной силы

Как один магнит притягивает другой? Ответ основан на том факте, что весь магнетизм основан на токе, потоке заряда. Магнитные поля действуют на движущиеся заряды , и поэтому они действуют на другие магниты, у всех из которых есть движущиеся заряды.

Магнитная сила, действующая на движущийся заряд, — одна из самых фундаментальных известных. Магнитная сила так же важна, как электростатическая или кулоновская сила. Однако магнитная сила более сложна как по количеству влияющих на нее факторов, так и по ее направлению, чем относительно простая кулоновская сила. Величина магнитной силы [латекс] \ text {F} [/ latex] на заряд [латекс] \ text {q} [/ latex], движущийся со скоростью [латекс] \ text {v} [/ latex] в напряженность магнитного поля [латекс] \ text {B} [/ latex] определяется по формуле:

[латекс] \ text {F} = \ text {qvBsin} (\ theta) [/ latex]

, где θ — угол между направлениями [латекс] \ text {v} [/ latex] и [latex] \ text {B} [/ latex].Эта формула используется для определения магнитной силы [латекс] \ text {B} [/ latex] в терминах силы, действующей на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Единица СИ для величины напряженности магнитного поля называется тесла (Тл) в честь гениального и эксцентричного изобретателя Николы Тесла (1856–1943), внесшего большой вклад в наше понимание магнитных полей и их практического применения. Чтобы определить, как тесла соотносится с другими единицами СИ, мы решаем [latex] \ text {F} = \ text {qvBsin} (\ theta) [/ latex] для [latex] \ text {B} [/ latex] :

[латекс] \ text {B} = \ frac {\ text {F}} {\ text {qvsin} (\ theta)} [/ latex]

Поскольку sin θ является безразмерным, тесла составляет

[латекс] 1 \ text {T} = \ frac {1 \ text {N}} {\ text {C} * \ text {m} / \ text {s}} = \ frac {1 \ text {N} } {\ text {A} * \ text {m}} [/ latex]

Иногда используется еще одна меньшая единица измерения, называемая гауссом (G), где 1 G = 10 ⁻⁴ Tл.Самые сильные постоянные магниты имеют поля около 2 Тл; сверхпроводящие электромагниты могут достигать 10 Тл или более. Магнитное поле Земли на ее поверхности составляет всего около 5 × 10 ⁻⁵ Тл, или 0,5 Гс.

Направление магнитной силы [латекс] \ text {F} [/ latex] перпендикулярно плоскости, образованной [латексом] \ text {v} [/ latex] и [латексом] \ text {B} [ / латекс], как определено правилом правой руки, которое проиллюстрировано на рисунке 1. В нем говорится, что для определения направления магнитной силы на положительный движущийся заряд вы указываете большим пальцем правой руки в направлении [латекса ] \ text {v} [/ latex], пальцы в направлении [latex] \ text {B} [/ latex], а перпендикуляр к ладони указывает в направлении [latex] \ text {F} [ /латекс].Один из способов запомнить это — это одна скорость, и поэтому большой палец представляет ее. Есть много линий поля, поэтому пальцы представляют их. Сила направлена ​​в том направлении, в котором вы толкаете ладонью. Сила, действующая на отрицательный заряд, прямо противоположна силе, действующей на положительный заряд.

Правило правой руки : Магнитные поля действуют на движущиеся заряды. Эта сила — одна из самых основных известных. Направление магнитной силы на движущийся заряд перпендикулярно плоскости, образованной v и B, и следует правилу правой руки –1 (RHR-1), как показано.Величина силы пропорциональна q, v, B и синусу угла между v и B.

Направление магнитной силы: правило правой руки

Правило правой руки используется для определения направления магнитной силы на положительный заряд.

Задачи обучения

Примените правило правой руки, чтобы определить направление магнитной силы на заряд

Основные выводы

Ключевые моменты

• При рассмотрении движения заряженной частицы в магнитном поле релевантными векторами являются магнитное поле B, скорость частицы v и магнитная сила, действующая на частицу F.Все эти векторы перпендикулярны друг другу.
• Правило правой руки гласит, что для определения направления магнитной силы на положительный движущийся заряд большой палец правой руки должен указывать в направлении v, пальцы в направлении B, а сила (F) равна направлен перпендикулярно ладони правой руки.
• Направление силы F, действующей на отрицательный заряд, противоположно указанному выше (так что направлено от тыльной стороны руки).

Ключевые термины

• Правило правой руки : Направление угловой скорости ω и углового момента L, на которое указывает большой палец правой руки, когда вы сгибаете пальцы в направлении вращения.

Направление магнитной силы: правило правой руки

До сих пор мы описывали величину магнитной силы, действующей на движущийся электрический заряд, но не направление. Магнитное поле является векторным полем, поэтому приложенная сила будет ориентирована в определенном направлении. Есть умный способ определить это направление, используя не что иное, как вашу правую руку. Направление магнитной силы F перпендикулярно плоскости, образованной v и B , как определено правилом правой руки, которое проиллюстрировано на рисунке выше.Правило правой руки гласит, что: чтобы определить направление магнитной силы на положительный движущийся заряд, ƒ, направьте большой палец правой руки в направлении v , пальцы в направлении B и перпендикулярно ладони указывает в направлении F .

Правило правой руки : Магнитные поля действуют на движущиеся заряды. Эта сила — одна из самых основных известных. Направление магнитной силы на движущийся заряд перпендикулярно плоскости, образованной v и B, и следует правилу правой руки –1 (RHR-1), как показано.Величина силы пропорциональна q, v, B и синусу угла между v и B.

Один из способов запомнить это — наличие одной скорости, представленной соответственно большим пальцем. Есть много линий поля, обозначенных пальцами соответственно. Сила направлена ​​в том направлении, в котором вы толкаете ладонью. Сила, действующая на отрицательный заряд, прямо противоположна силе, действующей на положительный заряд. Поскольку сила всегда перпендикулярна вектору скорости, чистое магнитное поле не будет ускорять заряженную частицу в одном направлении, но будет производить круговое или спиральное движение (концепция, более подробно исследуемая в будущих разделах).Важно отметить, что магнитное поле не оказывает силы на статический электрический заряд. Эти два наблюдения согласуются с правилом, согласно которому магнитные поля не действуют, , , .

20.1 Магнитные поля, силовые линии и сила — Физика

Задачи обучения разделу

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Обобщите свойства магнитов и опишите, как некоторые немагнитные материалы могут намагничиваться
• Описывать и интерпретировать рисунки магнитных полей вокруг постоянных магнитов и токоведущих проводов
• Вычислить величину и направление магнитной силы в магнитном поле и силы, действующей на провод с током в магнитном поле.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

• (5) Студент знает природу сил в физическом мире.Ожидается, что студент:
  • (G) исследуют и описывают взаимосвязь между электрическими и магнитными полями в таких приложениях, как генераторы, двигатели и трансформаторы.

Кроме того, лабораторное руководство по физике для средней школы рассматривает содержание этого раздела лаборатории под названием «Магнетизм», а также следующие стандарты:

• (5) Научные концепции. Студент знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
  • (ГРАММ) исследовать и описывать взаимосвязь между электрическими и магнитными полями в таких приложениях, как генераторы, двигатели и трансформаторы.

Раздел Основные термины

Температура Кюри	домен	электромагнит	электромагнетизм	ферромагнитный
магнитный диполь	магнитное поле	магнитный полюс	намагниченный	северный полюс
постоянный магнит	линейка правая	соленоид	Южный полюс

Магниты и намагничивание

Люди знали о магнитах и ​​магнетизме тысячи лет.Самые ранние записи относятся к древним временам, особенно в области Малой Азии под названием Магнезия — название этого региона является источником таких слов, как магнит . Магнитные породы, найденные в Магнезии, которая сейчас является частью западной Турции, вызвали интерес в древние времена. Когда люди впервые обнаружили магнитные породы, они, вероятно, обнаружили, что некоторые части этих пород притягивают куски железа или других магнитных пород сильнее, чем другие части. Эти области называются полюсами магнита.Магнитный полюс — это часть магнита, которая оказывает самую сильную силу на другие магниты или магнитный материал, например, железо. Например, полюса стержневого магнита, показанного на рисунке 20.2, являются местом сосредоточения скрепок.

Рис. 20.2 Стержневой магнит со скрепками, притянутыми к двум полюсам.

Если стержневой магнит подвешен так, что он свободно вращается, один полюс магнита всегда будет поворачиваться на север, а противоположный полюс — на юг. Это открытие привело к созданию компаса, который представляет собой просто небольшой удлиненный магнит, установленный так, чтобы он мог свободно вращаться.Пример компаса показан на рисунке 20.3. Полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом, а противоположный полюс магнита — южным.

Рис. 20.3 Компас — это удлиненный магнит, установленный в устройстве, которое позволяет магниту свободно вращаться.

Открытие того, что один полюс магнита ориентирован на север, а другой — на юг, позволило людям идентифицировать северный и южный полюса любого магнита. Затем было замечено, что северные полюса двух разных магнитов отталкиваются друг от друга, как и южные полюса.И наоборот, северный полюс одного магнита притягивает южный полюс других магнитов. Эта ситуация аналогична ситуации с электрическим зарядом, когда одинаковые заряды отталкиваются, а разные — притягиваются. В магнитах мы просто заменяем заряд на полюс : полюса отталкиваются, а полюса — притягиваются. Это показано на рисунке 20.4, на котором показано, как сила между магнитами зависит от их взаимной ориентации.

Рис. 20.4. В зависимости от их взаимной ориентации полюса магнита будут притягиваться друг к другу или отталкиваться.

Еще раз рассмотрим тот факт, что полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом магнита. Если противоположные полюса притягиваются, то магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Северному полюсу, должен быть магнитным южным полюсом! Точно так же магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Южному полюсу, должен быть магнитным северным полюсом. Эта ситуация изображена на рис. 20.5, на котором Земля представлена ​​как содержащая гигантский внутренний стержневой магнит с южным магнитным полюсом на географическом Северном полюсе и наоборот.Если бы мы каким-то образом подвесили гигантский стержневой магнит в космосе рядом с Землей, то северный полюс космического магнита был бы притянут к южному полюсу внутреннего магнита Земли. По сути, именно это происходит со стрелкой компаса: ее северный магнитный полюс притягивается к южному полюсу внутреннего магнита Земли.

Рис. 20.5. Землю можно представить как содержащую гигантский магнит, проходящий через ее ядро. Южный магнитный полюс магнита Земли находится на географическом Северном полюсе, поэтому северный полюс магнитов притягивается к Северному полюсу, так северный полюс магнитов получил свое название.Точно так же южный полюс магнитов притягивается к географическому Южному полюсу Земли.

Что произойдет, если разрезать стержневой магнит пополам? Вы получаете один магнит с двумя южными полюсами и один магнит с двумя северными полюсами? Ответ отрицательный: каждая половина стержневого магнита имеет северный и южный полюсы. Вы даже можете продолжить разрезать каждую часть стержневого магнита пополам, и вы всегда получите новый, меньший магнит с двумя противоположными полюсами. Как показано на рисунке 20.6, вы можете продолжить этот процесс вплоть до атомного масштаба, и вы обнаружите, что даже самые маленькие частицы, которые ведут себя как магниты, имеют два противоположных полюса.Фактически, ни в одном эксперименте не было обнаружено никаких объектов с одним магнитным полюсом, от мельчайших субатомных частиц, таких как электроны, до самых больших объектов во Вселенной, таких как звезды. Поскольку магниты всегда имеют два полюса, их называют магнитными диполями — di означает два . Ниже мы увидим, что магнитные диполи обладают свойствами, аналогичными электрическим диполям.

Рис. 20.6. Все магниты имеют два противоположных полюса, от самых маленьких, таких как субатомные частицы, до самых больших, таких как звезды.

Watch Physics

Введение в магнетизм

Это видео представляет интересное введение в магнетизм и обсуждает, в частности, как электроны вокруг своих атомов вносят вклад в наблюдаемые нами магнитные эффекты.

Проверка захвата

К какому магнитному полюсу Земли притягивается северный полюс стрелки компаса?

1. Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
2. Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
3. Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.
4. Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.

Только некоторые материалы, такие как железо, кобальт, никель и гадолиний, обладают сильными магнитными эффектами.Такие материалы называются ферромагнетиками, от латинского слова ferrum , обозначающего железо. Другие материалы обладают слабыми магнитными эффектами, которые можно обнаружить только с помощью чувствительных инструментов. Ферромагнитные материалы не только сильно реагируют на магниты — так, как железо притягивается к магнитам, — но они также могут намагничиваться сами, то есть их можно вызвать намагничиванием или превратить в постоянные магниты (рис. 20.7). Постоянный магнит — это просто материал, который сохраняет свои магнитные свойства в течение длительного времени даже при воздействии размагничивающих воздействий.

Рис. 20.7 Немагниченный кусок железа помещается между двумя магнитами, нагревается, а затем охлаждается или просто постукивается в холодном состоянии. Утюг становится постоянным магнитом с выровненными полюсами, как показано: его южный полюс примыкает к северному полюсу исходного магнита, а его северный полюс примыкает к южному полюсу исходного магнита. Обратите внимание, что силы притяжения создаются между центральным магнитом и внешними магнитами.

Когда магнит приближается к ранее немагниченному ферромагнитному материалу, он вызывает локальное намагничивание материала с противоположными полюсами, расположенными ближе всего, как на правой стороне рисунка 20.7. Это вызывает силу притяжения, поэтому немагнитное железо притягивается к магниту.

То, что происходит в микроскопическом масштабе, показано на Рисунке 7 (а). Области внутри материала, называемые доменами, действуют как маленькие стержневые магниты. Внутри доменов выровнены магнитные полюса отдельных атомов. Каждый атом действует как крошечный стержневой магнит. В немагнитном ферромагнитном объекте домены имеют небольшие размеры и ориентированы случайным образом. В ответ на внешнее магнитное поле домены могут вырасти до миллиметра, выравниваясь, как показано на рисунке 7 (b).Это индуцированное намагничивание можно сделать постоянным, если материал нагреть, а затем охладить, или просто постучать в присутствии других магнитов.

Рис. 20.8 (a) Немагниченный кусок железа или другой ферромагнитный материал имеет произвольно ориентированные домены. (б) При намагничивании внешним магнитом домены демонстрируют большее выравнивание, и некоторые из них растут за счет других. Отдельные атомы выровнены внутри доменов; каждый атом действует как крошечный стержневой магнит.

И наоборот, постоянный магнит можно размагнитить сильными ударами или нагреванием в отсутствие другого магнита.Повышенное тепловое движение при более высокой температуре может нарушить и изменить ориентацию и размер доменов. Для ферромагнитных материалов существует четко определенная температура, называемая температурой Кюри, выше которой они не могут намагничиваться. Температура Кюри для железа составляет 1043 К (770 ° C ° C), что намного выше комнатной температуры. Есть несколько элементов и сплавов, которые имеют температуру Кюри намного ниже комнатной температуры и являются ферромагнитными только ниже этих температур.

Snap Lab

Магниты на холодильник

Мы знаем, что как магнитные полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются. Посмотрим, сможете ли вы показать это на примере двух магнитов на холодильник. Прилипнут ли магниты, если их перевернуть? Почему они вообще прилепляются к дверце холодильника? Что вы можете сказать о магнитных свойствах дверцы холодильника возле магнита? Магниты на холодильник прилипают к металлическим или пластиковым ложкам? Прилипают ли они ко всем типам металла?

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Если держать магнит рядом с немагнитным ферромагнитным материалом, он магнитно поляризует ферромагнитный материал, заставляя атомные магнитные диполи ориентироваться по направлению к внешнему магниту.Это похоже на электрическую поляризацию. Таким образом, ферромагнитный материал намагничивается в присутствии внешнего магнита, и два магнита притягиваются друг к другу. Чтобы магнит прилип к дверце холодильника, дверца должна содержать какой-то ферромагнитный материал. Магниты будут прилипать к ложкам из железа, например к ложкам с железом, но не к ложкам из цветных металлов, таким как ложки из алюминия или серебра, и не будут прилипать к магниту. Магниты также не будут прилипать к пластиковым ложкам.

Проверка захвата

У вас есть один магнит с обозначенными северным и южным полюсами.Как вы можете использовать этот магнит для определения северного и южного полюсов других магнитов?

1. Если северный полюс известного магнита отталкивается полюсом неизвестного магнита при приближении их ближе, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.
2. Если северный полюс известного магнита притягивается к полюсу неизвестного магнита при приближении их, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.

Магнитные поля

Таким образом, мы увидели, что силы могут применяться между магнитами и между магнитами и ферромагнитными материалами без какого-либо контакта между объектами.Это напоминает электрические силы, которые действуют на расстоянии. Электрические силы описываются с использованием концепции электрического поля, которое представляет собой силовое поле вокруг электрических зарядов, которое описывает силу, действующую на любой другой заряд, помещенный в это поле. Точно так же магнит создает вокруг себя магнитное поле, которое описывает силу, действующую на другие магниты, помещенные в это поле. Как и в случае с электрическими полями, графическое представление силовых линий магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля.

Как показано на рисунке 20.9, направление силовых линий магнитного поля определяется как направление, в котором указывает северный полюс стрелки компаса. Если вы поместите компас рядом с северным полюсом магнита, северный полюс стрелки компаса будет отталкиваться и указывать в сторону от магнита. Таким образом, силовые линии магнитного поля направлены от северного полюса магнита к его южному полюсу.

Рисунок 20.9 Черные линии представляют силовые линии магнитного поля стержневого магнита.Линии поля указывают в направлении, в котором будет указывать северный полюс небольшого компаса, как показано слева. Силовые линии магнитного поля никогда не останавливаются, поэтому силовые линии фактически проникают в магнит, образуя полные петли, как показано справа.

Силовые линии магнитного поля можно нанести на карту с помощью небольшого компаса. Компас перемещается от точки к точке вокруг магнита, и в каждой точке проводится короткая линия в направлении стрелки, как показано на рисунке 20.10. Соединение линий вместе показывает путь линии магнитного поля.Другой способ визуализировать силовые линии магнитного поля — это рассыпать железные опилки вокруг магнита. Опилки будут ориентироваться вдоль силовых линий магнитного поля, образуя узор, подобный изображенному справа на рис. 20.10.

Виртуальная физика

Использование компаса для построения карты магнитного поля

Эта симуляция представляет вам стержневой магнит и небольшой компас. Начните с перетаскивания компаса вокруг стержневого магнита, чтобы увидеть, в каком направлении направлено магнитное поле.Обратите внимание, что сила магнитного поля представлена ​​яркостью значков магнитного поля в сетке вокруг магнита. Используйте измеритель магнитного поля, чтобы проверить напряженность поля в нескольких точках вокруг стержневого магнита. Вы также можете изменить полярность магнита или поместить Землю на изображение, чтобы увидеть, как компас ориентируется.

Контроль захвата

С помощью ползунка в правом верхнем углу окна моделирования установите напряженность магнитного поля на 100 процентов.Теперь используйте измеритель магнитного поля, чтобы ответить на следующий вопрос: где магнитное поле самое сильное, а где самое слабое возле магнита? Не забудьте проверить стержневой магнит изнутри.

1. Магнитное поле самое сильное в центре и самое слабое между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом. Силовые линии магнитного поля наиболее плотные в центре и наименее плотные между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.
2. Магнитное поле самое сильное в центре и самое слабое между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.Линии магнитного поля наименее плотны в центре и наиболее плотны между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.
3. Магнитное поле самое слабое в центре и самое сильное между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом. Силовые линии магнитного поля наиболее плотные в центре и наименее плотные между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.
4. Магнитное поле самое слабое в центре и самое сильное между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом, а силовые линии магнитного поля наименее плотные в центре и самые плотные между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.

Рисунок 20.10 Силовые линии магнитного поля можно нарисовать, перемещая небольшой компас от точки к точке вокруг магнита. В каждой точке проведите короткую линию в направлении стрелки компаса. Соединение точек вместе показывает путь линий магнитного поля. Другой способ визуализировать силовые линии магнитного поля — это рассыпать железные опилки вокруг магнита, как показано справа.

Когда два магнита сближаются, силовые линии магнитного поля возмущаются, как это происходит с силовыми линиями электрического поля, когда два электрических заряда сближаются.Соединение двух северных полюсов или двух южных полюсов вызовет отталкивание, и силовые линии магнитного поля будут отклоняться друг от друга. Это показано на рисунке 20.11, где показаны силовые линии магнитного поля, созданные двумя близко расположенными северными полюсами стержневого магнита. Когда противоположные полюса двух магнитов сводятся вместе, силовые линии магнитного поля соединяются и становятся более плотными между полюсами. Эта ситуация показана на рисунке 20.11.

Рис. 20.11 (a) Когда два северных полюса сближаются, силовые линии магнитного поля отталкиваются друг от друга, и два магнита испытывают силу отталкивания.То же самое происходит, если два южных полюса сближаются. (b) Если противоположные полюса сближаются, силовые линии магнитного поля между полюсами становятся более плотными, и магниты испытывают силу притяжения.

Подобно электрическому полю, магнитное поле сильнее там, где линии более плотные. Таким образом, между двумя северными полюсами на рисунке 20.11 магнитное поле очень слабое, потому что плотность магнитного поля почти равна нулю. Компас, помещенный в эту точку, по сути, будет свободно вращаться, если мы не будем учитывать магнитное поле Земли.Напротив, силовые линии магнитного поля между северным и южным полюсами на рисунке 20.11 очень плотные, что указывает на то, что магнитное поле в этой области очень сильное. Компас, помещенный здесь, быстро выровнялся бы с магнитным полем и указывал бы на южный полюс справа.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Предупреждение о неправильном представлении

Плотность силовых линий магнитного поля на рисунке 20.11 указывает величину силы, которая будет приложена к небольшому испытательному магниту, помещенному в это поле.Плотность не указывает силу между двумя магнитами, создающими поле. Величина силы между двумя магнитами одинакова в обоих случаях на рисунке 20.11. Это можно понять, представив, что вы помещаете один из магнитов в поле другого магнита. Эта ситуация симметрична: магнитные поля выглядят одинаково — за исключением направления — для обеих ситуаций, показанных на рисунке 20.11. Поскольку магниты имеют одинаковую силу, они возмущают магнитное поле противоположного магнита, поэтому магнитное поле необходимо исследовать с помощью небольшого магнитного поля, такого как компас.

Обратите внимание, что магниты — не единственное, что создает магнитные поля. В начале девятнадцатого века люди обнаружили, что электрические токи вызывают магнитные эффекты. Первое важное наблюдение было сделано датским ученым Гансом Кристианом Эрстедом (1777–1851), который обнаружил, что стрелка компаса отклоняется проводом с током. Это было первое существенное свидетельство того, что движение электрических зарядов имеет какую-либо связь с магнитами. Электромагнит — это устройство, которое использует электрический ток для создания магнитного поля.Эти временно индуцированные магниты называются электромагнитами. Электромагниты используются во всем: от крана для разборки металлолома, который поднимает сломанные автомобили, до управления пучком ускорителя частиц с окружностью 90 км и магнитов в машинах для медицинской визуализации (см. Рис. 20.12).

Рисунок 20.12 Прибор для магнитно-резонансной томографии (МРТ). В устройстве используется электромагнит с цилиндрической катушкой для создания основного магнитного поля. Пациент идет в тоннель на каталке.(предоставлено Биллом Макчесни, Flickr)

Магнитное поле, создаваемое электрическим током в длинном прямом проводе, показано на рисунке 20.13. Силовые линии магнитного поля образуют концентрические круги вокруг провода. Направление магнитного поля можно определить с помощью правила правой руки . Это правило проявляется в нескольких местах при изучении электричества и магнетизма. Применительно к прямому токонесущему проводу правило правой руки гласит, что когда большой палец правой руки направлен в направлении тока, магнитное поле будет в том направлении, в котором изгибаются ваши пальцы правой руки, как показано на рисунке 20.13. Если провод очень длинный по сравнению с расстоянием r от провода, сила магнитного поля B будет равна

. B прямой = μ0I2πrB прямой = μ0I2πr

20,1

, где I — ток в проводе в амперах. Единицей измерения магнитного поля в системе СИ является тесла (Тл). Символ μ0μ0 — читается как «мю-ноль» — это константа, называемая «проницаемостью свободного пространства», и задается как

. μ0 = 4π × 10−7T⋅m / A. μ0 = 4π × 10−7T⋅m / A.

20,2

Рисунок 20.13 На этом изображении показано, как использовать правило правой руки для определения направления магнитного поля, создаваемого током, протекающим по прямому проводу. Направьте большой палец правой руки в направлении тока, и магнитное поле будет в том направлении, в котором изгибаются ваши пальцы.

Watch Physics

Магнитное поле, создаваемое электрическим током

В этом видео описывается магнитное поле, создаваемое прямым проводом с током. Он переходит к правилу правой руки для определения направления магнитного поля, а также представляет и обсуждает формулу для силы магнитного поля, создаваемого прямым проводом с током.

Проверка захвата

Длинный прямой провод кладут на столешницу, и электрический ток течет по нему справа налево. Если вы посмотрите на конец провода с левого конца, магнитное поле движется по часовой стрелке или против часовой стрелки?

1. Если направить большой палец правой руки в направлении, противоположном току, пальцы правой руки будут изгибаться против часовой стрелки, поэтому магнитное поле будет направлено против часовой стрелки.
2. Если направить большой палец правой руки в направлении, противоположном току, пальцы правой руки будут изгибаться по часовой стрелке, поэтому магнитное поле будет направлено по часовой стрелке.
3. Если направить большой палец правой руки в направлении тока, пальцы правой руки будут сгибаться против часовой стрелки, поэтому магнитное поле будет направлено против часовой стрелки.
4. Если направить большой палец правой руки в направлении тока, пальцы правой руки будут изгибаться по часовой стрелке, поэтому магнитное поле будет направлено по часовой стрелке.

Теперь представьте, что наматывается проволока на цилиндр, после чего цилиндр снят. В результате получается катушка с проволокой, как показано на рисунке 20.14. Это называется соленоидом. Чтобы найти направление магнитного поля, создаваемого соленоидом, примените правило правой руки к нескольким точкам катушки. Вы должны убедиться, что внутри катушки магнитное поле направлено слева направо. Фактически, еще одно применение правила правой руки — сгибать пальцы правой руки вокруг катушки в направлении, в котором течет ток. Затем ваш большой палец правой руки указывает в направлении магнитного поля внутри катушки: в данном случае слева направо.

Рисунок 20.14 Катушка с проводом, через которую проходит ток, как показано, создает магнитное поле в направлении красной стрелки.

Каждая петля из проволоки создает магнитное поле внутри соленоида. Поскольку силовые линии магнитного поля должны образовывать замкнутые петли, силовые линии замыкают петлю за пределами соленоида. Силовые линии магнитного поля внутри соленоида намного плотнее, чем вне соленоида. Результирующее магнитное поле очень похоже на магнитное поле стержневого магнита, как показано на рисунке 20.15. Напряженность магнитного поля внутри соленоида

. Bsolenoid = μ0NIℓ, Bsolenoid = μ0NIℓ,

20,3

, где N — количество витков в соленоиде, а ℓℓ — длина соленоида.

Рис. 20.15. Железные опилки показывают картину магнитного поля вокруг (а) соленоида и (б) стержневого магнита. Картины полей очень похожи, особенно возле концов соленоида и стержневого магнита.

Виртуальная физика

Электромагниты

Используйте это моделирование, чтобы визуализировать магнитное поле, созданное соленоидом.Обязательно щелкните вкладку с надписью «Электромагнит». Вы можете пропустить через соленоид переменный или постоянный ток, выбрав соответствующий источник тока. Используйте измеритель поля для измерения силы магнитного поля, а затем измените количество витков в соленоиде, чтобы увидеть, как это влияет на напряженность магнитного поля.

Проверка захвата

Выберите аккумулятор в качестве источника тока и установите количество витков на четыре. С ненулевым током, протекающим через соленоид, измерьте напряженность магнитного поля в точке.Теперь уменьшите количество проволочных петель до двух. Как изменится напряженность магнитного поля в выбранной вами точке?

1. При уменьшении количества витков с четырех до двух напряженность магнитного поля не изменится.
2. Напряженность магнитного поля уменьшается до половины своего исходного значения, когда количество витков уменьшается с четырех до двух.
3. Напряженность магнитного поля увеличивается вдвое от исходного значения, когда количество витков уменьшается с четырех до двух.
4. Напряженность магнитного поля увеличивается в четыре раза от исходного значения, когда количество витков уменьшается с четырех до двух.

Магнитная сила

Если движущийся электрический заряд, то есть электрический ток, создает магнитное поле, которое может воздействовать на другой магнит, то по третьему закону Ньютона должно быть верно обратное. Другими словами, заряд, движущийся через магнитное поле, создаваемое другим объектом, должен испытывать силу — и это именно то, что мы находим.В качестве конкретного примера рассмотрим рисунок 20.16, на котором показан заряд q , движущийся со скоростью v → v → через магнитное поле B → B → между полюсами постоянного магнита. Величина F силы, испытываемой этим зарядом, равна

. F = qvBsinθ, F = qvBsinθ,

20,4

где θθ — угол между скоростью заряда и магнитным полем.

Направление силы можно найти с помощью другой версии правила правой руки: сначала мы соединяем хвосты вектора скорости и вектора магнитного поля, как показано на шаге 1 рисунка 20.16. Затем мы сгибаем пальцы правой руки от v → v → к B → B →, как показано в шаге (2) рисунка 20.16. Направление, в котором указывает большой палец правой руки, — это направление силы. Для заряда на рис. 20.16 мы обнаруживаем, что сила направлена ​​внутрь страницы.

Обратите внимание, что множитель sinθsinθ в уравнении F = qvBsinθF = qvBsinθ означает, что к заряду, движущемуся параллельно магнитному полю, приложена нулевая сила, поскольку θ = 0θ = 0 и sin0 = 0sin0 = 0. Максимальная сила, которую может испытывать заряд, — это когда он движется перпендикулярно магнитному полю, потому что θ = 90 ° θ = 90 °. и sin90 ° = 1.sin90 ° = 1.

Рис. 20.16 (а) Протон движется в однородном магнитном поле. (б) Используя правило правой руки, обнаруживается, что сила, действующая на протон, направлена ​​внутрь страницы.

Ссылки на физику

Магнитогидродинамический привод

В романе Тома Клэнси о холодной войне «Охота за Красный Октябрь» Советский Союз построил подводную лодку (см. Рис. 20.17) с магнитогидродинамическим приводом, который был настолько бесшумным, что его невозможно было обнаружить. надводные корабли. Единственная возможная цель создания такой подводной лодки заключалась в том, чтобы дать Советскому Союзу возможность первого удара, потому что эта подводная лодка могла подкрасться к побережью Соединенных Штатов и запустить баллистические ракеты, уничтожая ключевые военные и правительственные объекты, чтобы предотвратить американскую контратаку. .

Рис. 20.17 Российская подводная лодка с баллистическими ракетами класса «Тайфун», на которой базировалась вымышленная подводная лодка «Красный Октябрь».

Магнитогидродинамический привод должен быть бесшумным, поскольку в нем нет движущихся частей. Вместо этого он использует силу, испытываемую заряженными частицами, движущимися в магнитном поле. Основная идея такого привода изображена на рис. 20.18. Соленая вода течет по каналу, идущему от носа к корме подводной лодки. Магнитное поле прикладывается горизонтально к каналу, а напряжение прикладывается к электродам в верхней и нижней части канала, чтобы направить нисходящий электрический ток через воду.Носителями заряда являются положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлора соли. Используя правило правой руки, обнаруживается, что сила, действующая на носители заряда, направлена ​​к задней части судна. Ускоренные заряды сталкиваются с молекулами воды и передают свой импульс, создавая струю воды, которая вылетает из задней части канала. По третьему закону Ньютона на сосуд действует сила равной величины, но в противоположном направлении.

Рис. 20.18 Схематический чертеж магнитогидродинамического привода, показывающий водный канал, направление тока, направление магнитного поля и результирующую силу.

К счастью для всех, оказалось, что такая силовая установка не очень практична. Некоторые предварительные расчеты показывают, что для питания подводной лодки потребуются либо чрезвычайно высокие магнитные поля, либо чрезвычайно высокие электрические токи для получения разумной тяги. Кроме того, прототипы магнитогидродинамических приводов показывают, что они совсем не бесшумны. Электролиз, вызванный пропусканием тока через соленую воду, создает пузырьки водорода и кислорода, что делает эту двигательную установку довольно шумной.Система также оставляет след из хлорид-ионов и хлоридов металлов, который можно легко обнаружить, чтобы определить местонахождение подводной лодки. Наконец, ионы хлора чрезвычайно реактивны и очень быстро разъедают металлические детали, такие как электрод или сам водяной канал. Таким образом, Красный Октябрь остается в сфере фантастики, но его физика вполне реальна.

Проверка захвата

Представьте лодку, приводимую в движение силой заряженных частиц, движущихся в магнитном поле. Если магнитное поле направлено вниз, в каком направлении должен течь ток заряженных частиц, чтобы получить силу, направленную назад?

1. Течение должно течь вертикально сверху вниз, если смотреть сзади лодки.
2. Течение должно течь вертикально снизу вверх, если смотреть сзади лодки.
3. Течение должно течь горизонтально слева направо, если смотреть сзади лодки.
4. Течение должно течь горизонтально справа налево, если смотреть сзади лодки.

Вместо одиночного заряда, движущегося в магнитном поле, рассмотрим теперь постоянный ток I , движущийся по прямому проводу.Если мы поместим этот провод в однородное магнитное поле, как показано на рисунке 20.19, какова сила, действующая на провод или, точнее, на электроны в проводе? Электрический ток включает в себя движущиеся заряды. Если заряды q перемещаются на расстояние ℓℓ за время t , то их скорость будет v = ℓ / t.v = / t. Подставляя это в уравнение F = qvBsinθF = qvBsinθ, получаем

F = q (ℓt) Bsinθ = (qt) ℓBsinθ.F = q (ℓt) Bsinθ = (qt) ℓBsinθ.

20,5

Коэффициент q / t в этом уравнении — не что иное, как ток в проводе.Таким образом, используя I = q / tI = q / t, получаем

F = IℓBsinθ (1.4). F = IℓBsinθ (1.4).

20,6

Это уравнение дает силу, действующую на прямой токоведущий провод длиной в магнитном поле с напряженностью B . Угол θθ — это угол между вектором тока и вектором магнитного поля. Обратите внимание, что ℓℓ — это длина провода, находящегося в магнитном поле, для которого θ ≠ 0, θ ≠ 0, как показано на рисунке 20.19.

Направление силы определяется так же, как и для одиночного заряда.Согните пальцы правой руки от вектора для I к вектору для B , а большой палец правой руки будет указывать в направлении силы, действующей на провод. Для провода, показанного на рис. 20.19, сила направлена ​​внутрь страницы.

Рисунок 20.19 Прямой провод, по которому течет ток I в магнитном поле B . Сила, приложенная к проволоке, направлена ​​внутрь страницы. Длина ℓℓ — это длина провода, равная в магнитном поле.

В этом разделе вы могли заметить симметрию между магнитными и электрическими эффектами.Все эти эффекты подпадают под действие электромагнетизма, который изучает электрические и магнитные явления. Мы видели, что электрические заряды создают электрические поля, а движущиеся электрические заряды создают магнитные поля. Магнитный диполь создает магнитное поле, и, как мы увидим в следующем разделе, движущиеся магнитные диполи создают электрическое поле. Таким образом, электричество и магнетизм — два тесно связанных и симметричных явления.

Рабочий пример

Траектория электрона в магнитном поле

Протон входит в область постоянного магнитного поля, как показано на рисунке 20.20. Магнитное поле выходит из страницы. Если электрон движется со скоростью 3,0 × 106 м / с3,0 × 106 м / с, а напряженность магнитного поля составляет 2,0 Тл, каковы величина и направление силы, действующей на протон?

Рис. 20.20. Протон попадает в область однородного магнитного поля. Магнитное поле исходит из страницы — кружки с точками представляют наконечники векторных стрелок, выходящих из страницы.

Стратегия

Используйте уравнение F = qvBsinθF = qvBsinθ, чтобы найти величину силы, действующей на протон.Угол между векторами магнитного поля и вектором скорости протона составляет 90 ° .90 °. Направление силы можно найти с помощью правила правой руки.

Решение

Заряд протона q = 1.60 · 10−19Cq = 1.60 · 10−19C. Ввод этого значения, заданной скорости и напряженности магнитного поля в уравнение F = qvBsinθF = qvBsinθ дает

F = qvBsinθ = (1,60 × 10−19C) (3,0 × 106 м / с) (2,0T) sin (90 °) = 9,6 × 10−13N. F = qvBsinθ = (1,60 × 10−19C) (3,0 × 106 м / с) (2..

Обсуждение

Это похоже на очень маленькую силу. Однако масса протона составляет 1,67 × 10–27 кг, 1,67 × 10–27 кг, поэтому его ускорение равно a = Fm = 9,6 × 10–13N1,67 × 10–27 кг = 5,7 × 1014 м / с2a = Fm = 9,6. × 10–13N1,67 × 10–27 кг = 5,7 × 1014 м / с2, или примерно в десять тысяч миллиардов раз больше ускорения свободного падения!

Мы обнаружили, что начальное ускорение протона, когда он входит в магнитное поле, направлено вниз в плоскости страницы. Обратите внимание, что по мере ускорения протона его скорость остается перпендикулярной магнитному полю, поэтому величина силы не меняется.Кроме того, из-за правила правой руки направление силы остается перпендикулярным скорости. Эта сила — не что иное, как центростремительная сила: она имеет постоянную величину и всегда перпендикулярна скорости. Таким образом, величина скорости не меняется, и протон совершает круговое движение. Радиус этого круга может быть найден с помощью кинематического соотношения.

F = ma = mv2ra = v2rr = v2a = (3,0 × 106 м / с) 25,7 × 1014 м / с2 = 1,6 см F = ma = mv2ra = v2rr = v2a = (3,0 × 106 м / с) 25.7 × 1014 м / с2 = 1,6 см

20,8

Путь протона в магнитном поле показан на рисунке 20.22.

Рис. 20.22 При перемещении перпендикулярно постоянному магнитному полю заряженная частица будет совершать круговое движение, как показано здесь для протона.

Рабочий пример

Проволока с током в магнитном поле

Теперь предположим, что мы пропустили провод через однородное магнитное поле из предыдущего примера, как показано. Если по проводу проходит ток 1.-направлении, а длина области с магнитным полем 4,0 см, какова сила на проводе?

Стратегия

Используйте уравнение F = IℓBsinθF = IℓBsinθ, чтобы найти величину силы, действующей на провод..-направление. Сила, действующая на провод с током в магнитном поле, является основой всех электродвигателей, как мы увидим в следующих разделах.

Практические задачи

1.

Какова величина силы, действующей на электрон, движущийся со скоростью 1,0 × 106 м / с перпендикулярно магнитному полю 1,0 Тл?

1. 0,8 × 10 ^–13 N
2. 1,6 × 10 ^–14 N
3. 0,8 × 10 ^–14 N
4. 1,6 × 10 ^–13 N

2.

Прямой 10-сантиметровый провод на ток 0,40 А ориентирован перпендикулярно магнитному полю. Если сила на проводе 0,022 Н, какова величина магнитного поля?

1. 1,10 × 10 ^–2 T
2. 0,55 × 10 ^–2 T
3. 1,10 т
4. 0,55 т

Проверьте свое понимание

3.

Если два магнита отталкиваются друг от друга, какой можно сделать вывод об их взаимной ориентации?

1. Либо южный полюс магнита 1 ближе к северному полюсу магнита 2, либо северный полюс магнита 1 ближе к южному полюсу магнита 2.
2. Либо южные полюса магнита 1 и магнита 2 ближе друг к другу, либо северные полюса магнита 1 и магнита 2 расположены ближе друг к другу.

4.

Опишите методы размагничивания ферромагнетика.

1. путем охлаждения, нагрева или погружения в воду
2. путем нагревания, удара и вращения во внешнем магнитном поле
3. молотком, нагреванием и протиранием тканью
4. путем охлаждения, погружения в воду или протирания тканью

5.

Что такое магнитное поле?

1. Направляющие линии внутри и снаружи магнитного материала, указывающие величину и направление магнитной силы.
2. Направляющие линии внутри и снаружи магнитного материала, указывающие величину магнитной силы.
3. Направляющие линии внутри магнитного материала, указывающие величину и направление магнитной силы.
4. Направляющие линии за пределами магнитного материала указывают величину и направление магнитной силы.

6.

Какой из следующих рисунков правильный?

11.3 Движение заряженной частицы в магнитном поле — University Physics Volume 2

Задачи обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните, как заряженная частица во внешнем магнитном поле совершает круговое движение
• Опишите, как определить радиус кругового движения заряженной частицы в магнитном поле

Заряженная частица испытывает силу при движении в магнитном поле.Что произойдет, если это поле будет однородным при движении заряженной частицы? По какому пути следует частица? В этом разделе мы обсуждаем круговое движение заряженной частицы, а также другое движение, возникающее в результате попадания заряженной частицы в магнитное поле.

Самый простой случай имеет место, когда заряженная частица движется перпендикулярно однородному полю B (рис. 11.7). Если поле находится в вакууме, магнитное поле является доминирующим фактором, определяющим движение.Поскольку магнитная сила перпендикулярна направлению движения, заряженная частица следует по кривой траектории в магнитном поле. Частица продолжает следовать по этому изогнутому пути, пока не образует полный круг. Другой способ взглянуть на это состоит в том, что магнитная сила всегда перпендикулярна скорости, поэтому она не действует на заряженную частицу. Таким образом, кинетическая энергия и скорость частицы остаются постоянными. Это влияет на направление движения, но не на скорость.

Рис. 11.7. Отрицательно заряженная частица движется в плоскости бумаги в области, где магнитное поле перпендикулярно бумаге (обозначено маленьким × ··· × — как хвосты стрелок).Магнитная сила перпендикулярна скорости, поэтому скорость изменяется по направлению, но не по величине. Результат — равномерное круговое движение. (Обратите внимание, что поскольку заряд отрицательный, сила противоположна по направлению предсказанию правила правой руки.)

В этой ситуации магнитная сила создает центростремительную силу Fc = mv2r.Fc = mv2r. Учитывая, что скорость перпендикулярна магнитному полю, величина магнитной силы уменьшается до F = qvB.F = qvB. Поскольку магнитная сила F обеспечивает центростремительную силу Fc, Fc, мы имеем

Решение для r дает

Здесь r — радиус кривизны пути заряженной частицы с массой m и зарядом q , движущейся со скоростью v , перпендикулярной магнитному полю с напряженностью B .Время прохождения заряженной частицы по круговой траектории определяется как период, равный пройденному расстоянию (окружности), деленному на скорость. Основываясь на этом и уравнении 11.4, мы можем получить период движения как

. T = 2πrv = 2πvmvqB = 2πmqB, T = 2πrv = 2πvmvqB = 2πmqB.

11,6

Если скорость не перпендикулярна магнитному полю, то мы можем сравнить каждую составляющую скорости отдельно с магнитным полем. Компонент скорости, перпендикулярный магнитному полю, создает магнитную силу, перпендикулярную как этой скорости, так и полю:

vperp = vsinθ, vpara = vcosθ.vperp = vsinθ, vpara = vcosθ.

11,7

, где θθ — угол между v и B . Компонент, параллельный магнитному полю, создает постоянное движение в том же направлении, что и магнитное поле, что также показано в уравнении 11.7. Параллельное движение определяет шаг p спирали, который представляет собой расстояние между соседними витками. Это расстояние равно параллельной составляющей скорости, умноженной на период:

В результате получается спиральное движение, как показано на следующем рисунке.

Рис. 11.8 Заряженная частица движется со скоростью, отличной от направления магнитного поля. Компонент скорости, перпендикулярный магнитному полю, создает круговое движение, тогда как компонент скорости, параллельный полю, перемещает частицу по прямой. Шаг — это расстояние по горизонтали между двумя последовательными кругами. Результирующее движение — спиральное.

Пока заряженная частица движется по спирали, она может попасть в область, где магнитное поле неоднородно.В частности, предположим, что частица перемещается из области сильного магнитного поля в область более слабого поля, а затем обратно в область более сильного поля. Частица может отразиться до того, как войдет в область более сильного магнитного поля. Это похоже на волну на струне, которая движется от очень легкой тонкой струны к твердой стене и отражается назад. Если отражение происходит с обоих концов, частица оказывается в так называемой магнитной бутылке.

Захваченные частицы в магнитных полях обнаружены в радиационных поясах Ван Аллена вокруг Земли, которые являются частью магнитного поля Земли.Эти пояса были обнаружены Джеймсом Ван Алленом при попытке измерить поток космических лучей на Земле (частицы высокой энергии, приходящие извне Солнечной системы), чтобы выяснить, похож ли он на поток, измеренный на Земле. Ван Аллен обнаружил, что из-за вклада частиц, захваченных магнитным полем Земли, поток на Земле был намного выше, чем в космическом пространстве. Полярные сияния, как и знаменитое полярное сияние (северное сияние) в Северном полушарии (рис. 11.9), представляют собой прекрасные проявления света, излучаемого при рекомбинации ионов с электронами, входящими в атмосферу, когда они движутся по спирали вдоль силовых линий магнитного поля.(Ионы — это в основном атомы кислорода и азота, которые первоначально ионизируются в результате столкновений с энергичными частицами в атмосфере Земли.) Полярные сияния также наблюдались на других планетах, таких как Юпитер и Сатурн.

Рис. 11.9 (a) Радиационные пояса Ван Аллена вокруг Земли захватывают ионы, производимые космическими лучами, падающими на атмосферу Земли. (b) Великолепное зрелище северного сияния, или северного сияния, сияет в северном небе над Беар-Лейк недалеко от базы ВВС Эйлсон, Аляска.Этот свет, сформированный магнитным полем Земли, создается светящимися молекулами и ионами кислорода и азота. (кредит b: модификация работы старшего летчика ВВС США Джошуа Стрэнга)

Пример 11.2

Дефлектор луча

Группа исследователей занимается изучением короткоживущих радиоактивных изотопов. Им необходимо разработать способ транспортировки альфа-частиц (ядер гелия) от места их создания к месту, где они столкнутся с другим материалом, образуя изотоп. Пучок альфа-частиц (m = 6.64 × 10–27 кг, q = 3,2 × 10–19 ° C) (m = 6,64 × 10–27 кг, q = 3,2 × 10–19 ° C) изгибается через 90-градусную область с однородным магнитным полем 0,050 Тл (рисунок 11.10) . а) В каком направлении следует приложить магнитное поле? (б) Сколько времени требуется альфа-частицам, чтобы пройти через область однородного магнитного поля?

Рисунок 11.10 Вид сверху на установку дефлектора балки.

Стратегия

1. Направление магнитного поля показано RHR-1. Ваши пальцы указывают в направлении v , а большой палец должен указывать в направлении силы, влево.Следовательно, поскольку альфа-частицы заряжены положительно, магнитное поле должно указывать вниз.
2. Период движения альфа-частицы по окружности
   .
   Поскольку частица движется только по четверти круга, мы можем взять 0,25-кратный период, чтобы найти время, необходимое для обхода этого пути.

Решение

1. Давайте начнем с фокусировки на альфа-частице, входящей в поле в нижней части изображения. Сначала покажите пальцем вверх по странице.Чтобы ваша ладонь открывалась влево, куда указывает центростремительная сила (и, следовательно, магнитная сила), ваши пальцы должны менять ориентацию, пока они не будут указывать на страницу. Это направление приложенного магнитного поля.
2. Период движения заряженной частицы по кругу вычисляется с использованием заданных в задаче массы, заряда и магнитного поля. Это оказывается T = 2πmqB = 2π (6,64 · 10−27 кг) (3,2 · 10−19C) (0,050T) = 2,6 · 10−6s.T = 2πmqB = 2π (6,64 · 10−27 кг) (3,2 · 10−19C) ( 0.050T) = 2,6 × 10−6с. Однако для данной задачи альфа-частица проходит четверть круга, поэтому время, необходимое для этого, будет равно t = 0,25 × 2,61 × 10–6 с = 6,5 × 10–7 с. t = 0,25 × 2,61 × 10–6 с = 6,5 × 10–7 с.

Значение

Это время может быть достаточно быстрым, чтобы добраться до материала, который мы хотели бы бомбардировать, в зависимости от того, насколько короткоживущий радиоактивный изотоп и продолжает испускать альфа-частицы. Если бы мы могли усилить магнитное поле, приложенное к области, это сократило бы время еще больше.Путь, по которому частицы должны пройти, можно было бы сократить, но это может оказаться неэкономичным с учетом экспериментальной установки.

Проверьте свое понимание 11.2

Однородное магнитное поле величиной 1,5 Тл направлено горизонтально с запада на восток. (а) Какая магнитная сила действует на протон в тот момент, когда он движется вертикально вниз в поле со скоростью 4 × 107 м / с? 4 × 107 м / с? (b) Сравните эту силу с массой протона w .

Пример 11.3

Движение по спирали в магнитном поле

Протон входит в однородное магнитное поле 1,0 × 10–4Тл1,0 × 10–4Т со скоростью 5 × 105 м / с и 5 × 105 м / с. Под каким углом должно быть магнитное поле относительно скорости, чтобы шаг результирующего спирального движения был равен радиусу спирали?

Стратегия

Шаг движения относится к параллельной скорости, умноженной на период кругового движения, тогда как радиус относится к перпендикулярной составляющей скорости. После установки равных друг другу радиуса и шага найдите угол между магнитным полем и скоростью или θ.θ.

Решение

Шаг задается уравнением 11.8, период — уравнением 11.6, а радиус кругового движения — уравнением 11.5. Обратите внимание, что скорость в уравнении радиуса связана только с перпендикулярной скоростью, в которой происходит круговое движение. Поэтому мы подставляем синусоидальную составляющую общей скорости в уравнение радиуса, чтобы приравнять шаг и радиус: p = rv∥T = mv⊥qBvcosθ2πmqB = mvsinθqB2π = tanθθ = 81,0 °. p = rv∥T = mv⊥qBvcosθ2πmqB = mvsinθqB2π = tanθθ = 81.0 °.

Значение

Если бы этот угол был 0 °, 0 °, была бы только параллельная скорость, и спираль не образовалась бы, потому что не было бы кругового движения в перпендикулярной плоскости. Если бы этот угол был 90 °, 90 °, было бы только круговое движение, и не было бы движения кругов, перпендикулярных движению. Вот что создает спиральное движение.

полюсов Земли в конце концов перевернутся, и что тогда?

Многие аспекты нашей жизни зависят от магнитного поля Земли, закрепленного на Северном и Южном полюсах, от электрической сети, питающей наши компьютеры, до спутников, которые позволяют нам смотреть телевизор.С ним перемещаются черепахи и другие существа. Но, как показывает Аланна Митчелл в своей новой книге The Spinning Magnet , , так было не всегда. В самом деле, так же мало — во всяком случае, в геологическом времени — как 780 000 лет назад полюса поменялись местами. Некоторые ученые полагают, что это может произойти снова, с потенциально катастрофическими последствиями для жизни на Земле. (Почему еще не время паниковать по поводу переворота магнитного поля.)

Когда служба National Geographic догнала ее по телефону из ее дома в Торонто, Митчелл объяснила, как ученый из Мэриленда построил гигантское изобретение, чтобы попытаться имитировать магнитное поле Земли; как спутники заглядывают в ядро ​​Земли глубже, чем когда-либо; и почему то, что называется южноатлантической аномалией, может предвещать новый поворот полюсов.

Предоставлено Penguin Random House

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Мы принимаем это как должное, но прямо у нас под ногами действуют невероятно сложные и непостоянные силы. Отправьтесь в путешествие к центру Земли и объясните, как спутниковые технологии позволяют нам получить беспрецедентный обзор нашей планеты.

Отличный вопрос! За последние 100 лет ученым удалось проникнуть под земную кору и заглянуть внутрь ядра планеты.Первоначально они сделали это с помощью сейсмологии, а в последнее время, глядя на это математически, экстраполяция с информационных спутников дает нам.

Магнитное поле, которое защищает нашу планету от солнечного и галактического излучения, опасных лучей, которые могут нанести вред объектам на нашей планете, генерируется во внешнем ядре. Когда энергия проходит через это ядро, он создает электрический ток, который, в свою очередь, создает магнитный экран, уходящий далеко в космос. В 1980-х годах ученые начали отправлять спутники в атмосферу и получать эти маленькие проблески того, что происходит с магнитным экраном.С помощью математики они могут взять эти расчеты из космоса и посмотреть, что происходит внутри этого расплавленного внешнего ядра, где генерируется поле.

Они нашли феноменально удивительно. Внутри сердечника находится эта абсолютно замученная связка магнитных полей. У вас есть два полюсных магнитных поля, которые защищают нашу планету, северный и южный полюса, но внутри этого расплавленного ядра есть все эти фракции, подобные битве титанов, которые пытаются свергнуть диполь.Если им это удастся, что они делали сотни раз в истории планеты, то северный и южный полюса поменяются местами.

Многие существа обладают так называемым магнетическим шестым чувством. Объясните, как это работает, и какие вредные последствия могут иметь возможные сбои.

Ученые выяснили, что все растения и животные реагируют на магнитное поле нашей планеты. Допустим, вы — кит, пытающийся добраться до побережья Северной Америки, туда, где весной водятся хорошие рыбы, где вы можете откормить себя, размножиться и передать свою ДНК.Если вы не можете понять, как туда добраться, ориентируясь по магнитному полю, это может повлиять на вашу репродуктивную стратегию. Точно так же некоторым черепахам нужно вернуться в ту же бухту в Австралии, чтобы отложить яйца. Беспокойство заключается в том, что они не смогут найти этот пляж, если не смогут ориентироваться по магнитному полю, и могут в конечном итоге отправиться в другое место.

Будет ли это иметь значение, чтобы навредить жизни на Земле? Эта часть не ясна. Прямо сейчас на нашей планете сложилась ситуация, когда около одной трети существ на нашей планете уже в опасности, а некоторые критически в опасности.Итак, вы не говорите о времени, нормальном для жизни на Земле. Большой вопросительный знак относительно возможного переключения полюсов заключается в том, какое влияние это окажет на существ, которые уже серьезно скомпрометированы в своей способности идти туда, куда им нужно.

Промежуток времени: 7 удивительных видов Земли из космоса

Часы: Покадровые снимки, полученные с помощью климатической обсерватории глубокого космоса, открывают беспрецедентные виды нашей планеты в движении.

Электромагнитные помехи в космосе также могут нанести огромный ущерб технологиям, от которых мы зависим.Расскажите нам о магнитной буре 2012 года и о том, как британская компания разработала алгоритм для страховой отрасли, чтобы рассчитать стоимость будущих бурь.

Наши электронные сети очень плотно связаны между собой, поэтому отказ в одной из них может распространиться по всей планете. В 2012 году произошла катастрофа из-за абсолютной супер-бури, которую выпустило солнце. Это масштабное событие, происходящее раз в 150 лет, произошло, когда Солнце повернулось от нашей Земли. Если бы это было на неделю или две раньше, он был бы прямо перед нашей планетой, и судебно-медицинский анализ показывает, что, если бы это произошло, нас отправили бы обратно в викторианскую эпоху с точки зрения наших электрических систем.

Тот факт, что это было почти что не удалось и так хорошо зарегистрированы спутниками, позволил ученым обратиться к правительствам и академикам и сказать: «Послушайте, это было действительно близкое событие. Это могло полностью разрушить наши электронные системы, разве мы не должны начать к этому готовиться? » В результате группа в Великобритании разработала способ взглянуть на экономические издержки этих больших солнечных бурь и попытаться выяснить, что мы можем сделать, чтобы защитить себя. Стоимость может достигать 41 доллара.5 миллиардов в день в экономику США только от одного шторма. И это при условии, что он не распространится за пределы США, что, конечно, распространится.

Давайте вернемся в прошлое, в центральную часть Франции и к ученому по имени

Бернар Брюнес , которого вы называете «забытым человеком магнетизма». Поднимите для нас стул у его камина и объясните, почему он так важен.

Брюнес был геофизиком, который хотел проследить магнитное поле Земли с течением времени. Для этого ему требовалось уникальное образование: толстый кусок нетронутой терракоты, который затем был покрыт горячей базальной лавой из вулкана.Когда терракота нагревается, а затем остывает, некоторые электроны в ее молекулярной структуре становятся ископаемыми магнитами. Они установят координаты магнитного поля в этом точном месте Земли в это точное время, чтобы вы могли очень точно увидеть, что происходило.

Брюнь жил недалеко от Пюи-де-Дом в Центральном массиве, в центре Франции, где есть все эти потухшие вулканы. Приходит известие от одного из его друзей, который работал резчиком по дорогам, и он сказал: «Я только что перерезал дорогу в этом месте под названием Понтфарин, и он показал именно то, что вы ищете.Брюнес пакует долота, садится на лошадь, ездит верхом не менее дня, затем долбляет несколько кусков терракоты с базальтом поверх него и приносит обратно в свою лабораторию.

Что он обнаруживает в терракоте, так это то, что когда эта терракота была перегрета, а затем снова остыла, полюса находились на разных сторонах планеты. Это было абсолютно тревожным открытием для ученых того времени. У них не было , чтобы объяснить, как и почему это могло произойти.У них также не было возможности подтвердить, что это произошло, поэтому были большие сомнения в его находке. В результате он больше никогда не публиковался по этой теме и умер несколько лет спустя от массивного инсульта в возрасте 42 лет. Но это был первый сигнал о том, что сердце расплавленного внешнего ядра нашей планеты подверглось гораздо более сильным пыткам, чем ученые. представлял.

Магнитное поле защищает Землю от солнечной радиации.

Фотография НАСА, SDO

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Сегодня профессор Университета Мэриленда пытается построить работающую модель того, как работает магнитное поле внутри Земли. Расскажите нам о

Дэне Латропе и его «самоподдерживающейся динамо-машине».

Постоянное движение во внешнем ядре — это то, что создает наше магнитное поле. Латроп пытается воссоздать динамо-машину, которая, как мы полагаем, существует внутри ядра Земли. Но вместо расплавленного никеля и металлического материала, который находится внутри нашего реального ядра, у него есть эта огромная сфера, заполненная жидким натрием.Это похоже на вращающийся огромный металлический шар. Он такой огромный, что у него есть собственный ангар в кампусе Мэриленда. Это очень опасно, потому что жидкий натрий чрезвычайно летуч. Но несколько дней в неделю эта штука разжижается и вращается, и они измеряют ее и оценивают, что она делает.

Пока это не увенчалось успехом, или « динамо-», как любят говорить ученые. Это только создало усиление магнитного поля. Латроп хочет воспроизвести то, что происходит в ядре, потому что он хочет увидеть, какие условия должны быть там, чтобы произошел разворот.Все в сообществе геофизиков смотрят на этот эксперимент, потому что один из главных вопросов, на который они пытаются ответить, — когда может произойти разворот.

Итак, сколько у нас осталось? И каковы могут быть последствия для жизни на Земле изменения полярности

?

Мы знаем, что полюса Земли менялись сотни раз. Это динамическая система внутри внешнего ядра, и она должна время от времени разворачиваться, потому что это лишь часть ее работы.Мы знаем, что это было сделано совсем недавно, 780 000 лет назад, поэтому есть люди, которые говорят, что это уже давно пора. Мы знаем, что ядро ​​становится все более нестабильным. Северный магнитный полюс — это , через которое проходит через северное полушарие на 55 километров в год к северо-западу. Это показатель того, что внутри ядра происходит что-то необычное. Мы также знаем, что диполь довольно сильно ослабевает. Если вы посмотрите на спутниковые снимки, вы увидите, что часть магнитного поля уже перевернулась в Южном полушарии.Это то, что называется Южно-Атлантической аномалией. Мы знаем, что это «пятно обратного потока», как его называют ученые, перемещается на Запад и что за последние 60 лет оно увеличилось вдвое, так что теперь оно покрывает около 20 процентов поверхности планеты.

Это говорит нам о приближении разворота? У ученых просто недостаточно информации, чтобы сделать такой вывод. Они говорят, что, несомненно, в какой-то момент полюса снова поменяются местами. Но они не знают, является ли это началом, потому что у них просто недостаточно информации.

Последствия для жизни на Земле потенциально разрушительны. Один ученый, с которым я разговаривал, Дэниел Бейкер из Университета Колорадо, который является экспертом в области солнечного излучения и его влияния на нашу планету, говорит, что у него нет никаких сомнений в том, что некоторые части планеты станут непригодными для жизни. Но мы не можем предсказать, какие именно. Он имеет в виду, что дополнительное ультрафиолетовое излучение, которое повреждает ткани человека и может вызвать мутации, поразит планету, потому что у нас не будет магнитного щита, который защитит нас.

Что, если одна из этих полос дополнительной радиации поразит очень густонаселенную часть планеты? Затем, конечно, есть эффекты для всех существ на планете, а также воздействия на нашу электромагнитную систему, электрическую сеть и все, что мы считаем частью современной цивилизации.

Это интервью было отредактировано для большей ясности.

Саймон Уорролл курирует Книжный разговор . Следуйте за ним в Twitter или simonworrallauthor.ком .

магнетизм | Национальное географическое общество

Магнетизм — это сила, проявляемая магнитами, когда они притягиваются или отталкиваются друг от друга. Магнетизм вызывается движением электрических зарядов.

Каждое вещество состоит из крошечных единиц, называемых атомами. В каждом атоме есть электроны, частицы, несущие электрические заряды. Вращаясь, как волчки, электроны вращаются вокруг ядра или остова атома. Их движение генерирует электрический ток и заставляет каждый электрон действовать как микроскопический магнит.

В большинстве веществ одинаковое количество электронов вращается в противоположных направлениях, что нейтрализует их магнетизм. Вот почему такие материалы, как ткань или бумага, считаются слабомагнитными. В таких веществах, как железо, кобальт и никель, большинство электронов вращаются в одном направлении. Это делает атомы в этих веществах сильно магнитными, но они еще не магниты.

Чтобы стать намагниченным, другое сильномагнитное вещество должно войти в магнитное поле существующего магнита.Магнитное поле — это область вокруг магнита, обладающая магнитной силой.

Все магниты имеют северный и южный полюса. Противоположные полюса притягиваются друг к другу, а одни и те же полюса отталкиваются. Когда вы протираете кусок железа по магниту, северные полюса атомов в железе выстраиваются в одном направлении. Сила, создаваемая выровненными атомами, создает магнитное поле. Железка стала магнитом.

Некоторые вещества могут намагничиваться электрическим током.Когда электричество проходит через катушку с проволокой, создается магнитное поле. Однако поле вокруг катушки исчезнет, ​​как только отключится электрический ток.

Геомагнитные полюса

Земля — ​​это магнит. Ученые не до конца понимают, почему, но они думают, что движение расплавленного металла во внешнем ядре Земли порождает электрические токи. Токи создают магнитное поле с невидимыми силовыми линиями, протекающими между магнитными полюсами Земли.

Геомагнитные полюса не совпадают с Северным и Южным полюсами. Магнитные полюса Земли часто перемещаются из-за активности далеко под поверхностью Земли. Смещение геомагнитных полюсов регистрируется в породах, которые образуются, когда расплавленный материал, называемый магмой, проникает сквозь земную кору и изливается в виде лавы. Когда лава остывает и превращается в твердую породу, сильно магнитные частицы внутри породы намагничиваются магнитным полем Земли. Частицы выстраиваются вдоль силовых линий в поле Земли.Таким образом, горные породы фиксируют положение геомагнитных полюсов Земли в то время.

Как ни странно, магнитные записи горных пород, образовавшихся в одно и то же время, похоже, указывают на разные местоположения полюсов. Согласно теории тектоники плит, скальные плиты, составляющие твердую оболочку Земли, постоянно перемещаются. Таким образом, плиты, на которых застывала порода, переместились с тех пор, как породы зафиксировали положение геомагнитных полюсов. Эти магнитные записи также показывают, что геомагнитные полюса менялись на противоположный вид — сотни раз с момента образования Земли.

Магнитное поле Земли не движется быстро и часто не меняется. Следовательно, это может быть полезным инструментом, помогающим людям сориентироваться. Сотни лет люди использовали магнитные компасы для навигации по магнитному полю Земли. Магнитная стрелка компаса совпадает с магнитными полюсами Земли. Северный конец магнита указывает на северный магнитный полюс.

Магнитное поле Земли доминирует в области, называемой магнитосферой, которая охватывает планету и ее атмосферу.Солнечный ветер, заряженные частицы от Солнца, прижимает магнитосферу к Земле на стороне, обращенной к Солнцу, и растягивает ее в форме капли на теневой стороне.

Магнитосфера защищает Землю от большинства частиц, но некоторые из них просачиваются сквозь нее и попадают в ловушку. Когда частицы солнечного ветра сталкиваются с атомами газа в верхних слоях атмосферы вокруг геомагнитных полюсов, они создают световые эффекты, называемые полярными сияниями.