Kako nastane zemeljsko magnetno polje? Magnetno polje: vzroki in značilnosti

Znana je široka uporaba magnetnih polj v vsakdanjem življenju, proizvodnji in znanstvenih raziskavah. Dovolj je, da poimenujemo takšne naprave, kot so generatorji izmeničnega toka, elektromotorji, releji, pospeševalci delcev in različni senzorji. Oglejmo si podrobneje, kaj je magnetno polje in kako nastane.

Kaj je magnetno polje - definicija

Magnetno polje je polje sile, ki deluje na premikajoče se nabite delce. Velikost magnetnega polja je odvisna od hitrosti njegovega spreminjanja. Glede na to značilnost ločimo dve vrsti magnetnih polj: dinamično in gravitacijsko.

Gravitacijsko magnetno polje nastane le v bližini elementarnih delcev in se oblikuje glede na značilnosti njihove strukture. Viri dinamičnega magnetnega polja so gibajoči se električni naboji ali naelektrena telesa, vodniki s tokom in namagnetene snovi.

Lastnosti magnetnega polja

Veliki francoski znanstvenik Andre Ampère je uspel ugotoviti dve temeljni lastnosti magnetnega polja:

1. Glavna razlika med magnetnim in električnim poljem ter njegova glavna lastnost je, da je relativno. Če vzamete naelektreno telo, ga pustite nepremično v nekem referenčnem okviru in postavite magnetno iglo v bližino, potem bo, kot običajno, kazalo proti severu. To pomeni, da ne bo zaznal nobenega polja razen zemeljskega. Če začnete premikati to nabito telo glede na puščico, se bo začelo vrteti - to pomeni, da ko se naelektreno telo premika, poleg električnega nastane tudi magnetno polje. Tako se magnetno polje pojavi, če in samo če obstaja gibljiv naboj.
2. Magnetno polje deluje na drug električni tok. Torej ga je mogoče zaznati s sledenjem gibanja nabitih delcev - v magnetnem polju se bodo oddaljili, vodniki s tokom se bodo premikali, okvir s tokom se bo vrtel, magnetizirane snovi se bodo premikale. Tu se moramo spomniti magnetne igle kompasa, običajno modre barve - navsezadnje je le kos magnetiziranega železa. Vedno je obrnjena proti severu, ker ima Zemlja magnetno polje. Naš ves planet je ogromen magnet: na severnem polu je južni magnetni pas, na južnem geografskem polu pa severni magnetni pol.

Poleg tega lastnosti magnetnega polja vključujejo naslednje značilnosti:

1. Jakost magnetnega polja opisujemo z magnetno indukcijo – to je vektorska količina, ki določa jakost, s katero magnetno polje vpliva na gibljive naboje.
2. Magnetno polje je lahko konstantno in spremenljivo. Prvo ustvarja električno polje, ki se s časom ne spreminja; indukcija takega polja je tudi konstantna. Drugi se najpogosteje ustvari z uporabo induktorjev, ki jih napaja izmenični tok.
3. Magnetno polje ni mogoče zaznati s človeškimi čutili in ga zabeležijo le posebni senzorji.

Viri magnetnega polja so premikanje električni naboji (tokovi) . Magnetno polje se pojavi v prostoru, ki obkroža vodnike s tokom, tako kot se pojavi električno polje v prostoru, ki obkroža stacionarne električne naboje. Magnetno polje trajnih magnetov ustvarjajo tudi električni mikrotokovi, ki krožijo znotraj molekul snovi (Amperejeva hipoteza).

Za opis magnetnega polja je potrebno uvesti silo, ki je podobna vektorju napetosti električno polje. Ta značilnost je vektor magnetne indukcije Vektor magnetne indukcije določa sile, ki delujejo na tokove ali gibljive naboje v magnetnem polju.
Za pozitivno smer vektorja se šteje smer od južnega pola S do severnega pola N magnetne igle, ki je prosto nameščena v magnetnem polju. Tako je s preučevanjem magnetnega polja, ki ga ustvari tok ali trajni magnet z majhno magnetno iglo, mogoče na vsaki točki v prostoru

Da bi kvantitativno opisali magnetno polje, je treba navesti metodo za določanje ne samo
smer vektorja a in njegov modulModul vektorja magnetne indukcije je enak razmerju največje vrednosti
Amperska sila, ki deluje na ravni vodnik s tokom, na jakost toka jaz v prevodniku in njegovo dolžino Δ l :

Amperova sila je usmerjena pravokotno na vektor magnetne indukcije in smer toka, ki teče skozi prevodnik. Za določitev smeri Amperove sile se običajno uporablja pravilo leve roke: če postavite levo roko tako, da indukcijske črte vstopijo v dlan, iztegnjeni prsti pa so usmerjeni vzdolž toka, bo abducirani palec pokazal smer sile, ki deluje na vodnik.

Medplanetno magnetno polje

Če bi bil medplanetarni prostor vakuum, bi lahko bila edina magnetna polja v njem le polja Sonca in planetov ter polje galaktičnega izvora, ki se razteza po spiralnih vejah naše Galaksije. V tem primeru bi bila polja Sonca in planetov v medplanetarnem prostoru izjemno šibka.
Pravzaprav medplanetarni prostor ni vakuum, ampak je napolnjen z ioniziranim plinom, ki ga oddaja Sonce (sončni veter). Koncentracija tega plina je 1-10 cm -3, značilne hitrosti so med 300 in 800 km/s, temperatura je blizu 10 5 K (spomnimo se, da je temperatura korone 2 × 10 6 K).
sončen veter– odtok plazme iz sončne korone v medplanetarni prostor. Na ravni Zemljine orbite je povprečna hitrost delcev sončnega vetra (protonov in elektronov) okoli 400 km/s, število delcev je več deset na 1 cm3.

Angleški znanstvenik William Gilbert, dvorni zdravnik kraljice Elizabete, je leta 1600 prvi dokazal, da je Zemlja magnet, katerega os ne sovpada z osjo vrtenja Zemlje. Posledično okoli Zemlje, kot okoli vsakega magneta, obstaja magnetno polje. Leta 1635 je Gellibrand odkril, da se zemeljsko magnetno polje počasi spreminja, Edmund Halley pa je izvedel prvo magnetno raziskavo oceanov na svetu in ustvaril prve magnetne karte na svetu (1702). Leta 1835 je Gauss izvedel sferično harmonično analizo zemeljskega magnetnega polja. V Göttingenu je ustvaril prvi magnetni observatorij na svetu.

Nekaj ​​besed o magnetnih karticah. Običajno vsakih 5 let porazdelitev magnetnega polja na zemeljskem površju predstavijo magnetni zemljevidi treh ali več magnetnih elementov. Na vsaki od teh kart so narisane izolinije, vzdolž katerih ima določen element konstantno vrednost. Črte enake deklinacije D imenujemo izogone, naklone I imenujemo izokline, velikosti skupne jakosti B pa izodinamične črte ali izodine. Izomagnetne črte elementov H, Z, X in Y imenujemo izolinije vodoravne, navpične, severne oziroma vzhodne komponente.

Vrnimo se k risbi. Prikazuje krog s kotnim polmerom 90° - d, ki opisuje lego Sonca na zemeljski površini. Veliki krožni lok, narisan skozi točko P in geomagnetni pol B, seka ta krog v točkah H' n in H' m, ki označujeta položaj Sonca v trenutkih geomagnetnega poldneva in geomagnetne polnoči točke P. Ti trenutki so odvisni od zemljepisne širine točke P. Položaji Sonce ob lokalnem pravem poldnevu in polnoči sta označena s točkama H n oziroma H m. Ko je d pozitiven (poletje na severni polobli), potem jutranja polovica geomagnetnega dneva ni enaka večerni. Na visokih zemljepisnih širinah se lahko geomagnetni čas večino dneva zelo razlikuje od pravega ali srednjega časa.
Ko smo že pri časovnih in koordinatnih sistemih, spregovorimo še o upoštevanju ekscentričnosti magnetnega dipola. Ekscentrični dipol se od leta 1836 počasi premika navzven (sever in zahod). Ali je prečkal ekvatorialno ravnino? okoli leta 1862. Njegova radialna pot se nahaja na območju otoka Gilbert v Tihem oceanu

VPLIV MAGNETNEGA POLJA NA TOK

Znotraj vsakega sektorja se hitrost sončnega vetra in gostota delcev sistematično spreminjata. Raketna opazovanja kažejo, da se oba parametra močno povečata na meji sektorja. Konec drugega dne po prehodu meje sektorja gostota zelo hitro, nato pa se po dveh ali treh dneh počasi začne povečevati. Hitrost sončnega vetra počasi upada drugi ali tretji dan po tem, ko doseže svoj vrh. Sektorska struktura in opažene spremembe v hitrosti in gostoti so tesno povezane z magnetosferskimi motnjami. Sektorska struktura je precej stabilna, tako da se celotna struktura toka vrti s Soncem za vsaj nekaj sončnih obratov in potuje čez Zemljo približno vsakih 27 dni.

Zato je sam koncept nastal v elektrodinamiki hkrati s konceptom "električnega polja". Najprej ga je uvedel M. Faraday, nekoliko kasneje pa J. Maxwell, da bi pojasnil, zakaj imajo električni naboji tako relativno kratek medsebojni doseg.

V zraku

Očetje elektrodinamike so verjeli, da polje nastane z deformacijo etra - nevidnega špekulativnega medija, ki napolnjuje vse, kar obstaja (Einstein je med delom na teoriji relativnosti ukinil koncept etra). Čeprav se to sodobnim ljudem morda zdi nenavadno, do 20. stoletja fiziki res niso dvomili o določeni substanci, ki prežema vse, kar obstaja. Fiziki niso mogli pojasniti, kako nastanejo magnetna polja in kakšna je njihova narava.

Ko je prišla v uporabo posebna teorija relativnosti (SRT) in je bil eter »uradno odstranjen«, je postal prostor »prazen«, vendar so polja medsebojno delovala tudi v vakuumu, kar je med nematerialnimi objekti (vsaj glede na to) nemogoče. do SRT), zato so fiziki menili, da je treba električnim in magnetnim poljem pripisati nekaj atributov. Ustvarjeni so koncepti, kot so masa, zagon in energijska polja.

Lastnosti magnetnega polja

Njegova prva lastnost pojasnjuje naravo njegovega izvora: magnetno polje lahko nastane le pod vplivom gibljivih nabojev (elektronov) električnega toka. Jakost magnetnega polja se imenuje magnetna indukcija; prisotna je na kateri koli točki polja.

Vpliv polja velja le za gibljive naboje, magnete in prevodnike. Lahko je dveh vrst: spremenljiva in konstantna. Magnetno polje je mogoče izmeriti le s posebnimi instrumenti, človeška čutila ga ne zaznajo (čeprav biologi verjamejo, da lahko zaznajo spremembe v njem). Bistvo druge lastnosti magnetnega polja je, da ima elektrodinamično naravo, ne samo zato, ker lahko vpliva samo na gibljive naboje, ampak tudi zato, ker samo nastane z gibanjem nabojev.

Kako videti

Čeprav človeška čutila ne morejo zaznati prisotnosti magnetnega polja, lahko njegovo smer določimo z magnetizirano puščico. Vendar pa lahko "vidite" magnetno polje z uporabo lista papirja in preprostih železnih opilkov. Na trajni magnet morate položiti list papirja in nanj posuti žagovino, nato pa se bodo železni opilki poravnali vzdolž zaprtih in neprekinjenih silnic.

Smer poljskih črt se določi s pravilom desne roke, ki se imenuje tudi "pravilo gimleta". Če vzamete prevodnik v roko tako, da je palec v smeri toka (tok se premika od minusa do plusa), bodo preostali prsti kazali smer daljnovodov.

Geomagnetizem

Magnetna polja ustvarjajo premikajoči se naboji, toda kakšna je potem narava geomagnetizma? Naš planet ima magnetno polje, ki ga ščiti pred škodljivim sončnim sevanjem, premer polja pa je nekajkrat večji od premera Zemlje. Je heterogene oblike, na »sončni strani« se skrči pod vplivom sončnega vetra, na nočni strani pa se raztegne v obliki dolgega širokega repa.

Menijo, da na našem planetu magnetna polja nastajajo zaradi gibanja tokov v jedru, ki je sestavljeno iz tekoče kovine. To se imenuje "hidromagnetni dinamo". Ko snov doseže temperaturo nekaj tisoč stopinj Kelvina, postane njena prevodnost dovolj visoka, da začnejo gibanja, tudi v šibko magnetiziranem okolju, ustvarjati električne tokove, ti pa magnetna polja.

V lokalnih območjih magnetna polja ustvarjajo magnetizirane kamnine iz zgornjih plasti planeta, ki tvorijo zemeljsko skorjo.

Gibanje pola

Od leta 1885 se je začela registracija gibanja magnetnih polov. V zadnjem stoletju se je južni pol (pol na južni polobli) premaknil za 900 kilometrov, severni (arktični) magnetni pol pa se je od leta 1973 v 11 letih premaknil za 120 kilometrov, v naslednjih desetih letih pa še za 150 Po zadnjih podatkih se je stopnja premikov arktičnega pola povečala z 10 kilometrov na leto na 60.

Čeprav znanstveniki vedo, kako nastane zemeljsko magnetno polje, ne morejo vplivati ​​na gibanje polov in predvidevajo, da bo kmalu prišlo do nove inverzije. To je naraven proces, to ni prvič na planetu, vendar ni znano, kako se bo takšen proces izkazal za ljudi.

Magnetno polje in njegove značilnosti. Ko gre električni tok skozi prevodnik, a magnetno polje. Magnetno polje predstavlja eno izmed vrst snovi. Ima energijo, ki se kaže v obliki elektromagnetnih sil, ki delujejo na posamezne gibajoče se električne naboje (elektrone in ione) in na njihove tokove, to je električni tok. Gibajoči se nabiti delci pod vplivom elektromagnetnih sil odstopajo od prvotne poti v smeri, ki je pravokotna na polje (slika 34). Nastane magnetno polje le okoli gibajočih se električnih nabojev, njegovo delovanje pa sega tudi samo na gibljive naboje. Magnetna in električna polja neločljivi in ​​skupaj tvorijo eno samo elektromagnetno polje. Vsaka sprememba električno polje vodi do pojava magnetnega polja in obratno, vsako spremembo magnetnega polja spremlja pojav električnega polja. Elektromagnetno polješiri s svetlobno hitrostjo, to je 300.000 km/s.

Grafični prikaz magnetnega polja. Grafično je magnetno polje predstavljeno z magnetnimi silnicami, ki so narisane tako, da smer silnice v vsaki točki polja sovpada s smerjo silnic polja; magnetne silnice so vedno neprekinjene in zaprte. Smer magnetnega polja v vsaki točki lahko določimo z magnetno iglo. Severni pol puščice je vedno nastavljen v smeri poljskih sil. Konec trajnega magneta, iz katerega izhajajo poljske črte (sl. 35, a), se šteje za severni pol, nasprotni konec, v katerega vstopijo silnice polja, pa je južni pol (poljske črte potekajo znotraj magneta niso prikazani). Porazdelitev poljskih črt med poloma ravnega magneta je mogoče zaznati z uporabo jeklenih opilkov, posutih na list papirja, položen na pole (slika 35, b). Za magnetno polje v zračni reži med dvema vzporednima nasprotnima poloma trajnega magneta je značilna enakomerna porazdelitev magnetnih silnic (slika 36) (poljske črte, ki potekajo znotraj magneta, niso prikazane).

riž. 37. Magnetni tok, ki prodira skozi tuljavo, ko sta njeni legi pravokotni (a) in nagnjeni (b) glede na smer magnetnih silnic.

Za bolj vizualno predstavitev magnetnega polja so poljske črte postavljene manj pogosto ali gostejše. Na tistih mestih, kjer je magnetno polje močnejše, so poljske črte bližje druga drugi, na mestih, kjer je šibkejše, pa bolj narazen. Silnice se nikjer ne sekajo.

V mnogih primerih je priročno obravnavati magnetne silnice kot neke elastične raztegnjene niti, ki se nagibajo k krčenju in se tudi odbijajo (imajo medsebojni bočni potisk). Ta mehanski koncept silnic omogoča jasno razlago nastanka elektromagnetnih sil med interakcijo magnetnega polja in prevodnika s tokom, pa tudi dveh magnetnih polj.

Glavne značilnosti magnetnega polja so magnetna indukcija, magnetni pretok, magnetna prepustnost in jakost magnetnega polja.

Magnetna indukcija in magnetni tok. Intenzivnost magnetnega polja, to je njegova sposobnost za ustvarjanje dela, je določena s količino, imenovano magnetna indukcija. Močnejše kot je magnetno polje, ki ga ustvari trajni magnet ali elektromagnet, večjo indukcijo ima. Magnetno indukcijo B lahko označimo z gostoto linij magnetnega polja, to je številom poljskih linij, ki potekajo skozi površino 1 m 2 ali 1 cm 2, ki se nahaja pravokotno na magnetno polje. Obstajajo homogena in nehomogena magnetna polja. V enakomernem magnetnem polju ima magnetna indukcija v vsaki točki polja enako vrednost in smer. Polje v zračni reži med nasprotnima poloma magneta ali elektromagneta (glej sliko 36) se lahko šteje za homogeno na določeni razdalji od njegovih robov. Magnetni tok Ф, ki poteka skozi katero koli površino, je določen s skupnim številom magnetnih silnic, ki prodirajo to površino, na primer tuljava 1 (slika 37, a), torej v enotnem magnetnem polju

F = BS (40)

kjer je S površina prečnega prereza površine, skozi katero potekajo magnetne silnice. Iz tega sledi, da je v takem polju magnetna indukcija enaka toku, deljenemu s površino prečnega prereza S:

B = F/S (41)

Če je katera koli površina nameščena poševno glede na smer linij magnetnega polja (sl. 37, b), bo tok, ki prodira vanjo, manjši, kot če je pravokotna na njen položaj, tj. F 2 bo manjši od F 1 .

V sistemu enot SI se magnetni pretok meri v weberjih (Wb), ta enota ima dimenzijo V*s (volt-sekunda). Magnetna indukcija v enotah SI se meri v teslu (T); 1 T = 1 Wb/m2.

Magnetna prepustnost. Magnetna indukcija ni odvisna samo od jakosti toka, ki teče skozi ravni vodnik ali tuljavo, temveč tudi od lastnosti medija, v katerem nastane magnetno polje. Količina, ki označuje magnetne lastnosti medija, je absolutna magnetna prepustnost? A. Njegova merska enota je henry na meter (1 H/m = 1 Ohm*s/m).
V mediju z večjo magnetno prepustnostjo električni tok določene jakosti ustvari magnetno polje z večjo indukcijo. Ugotovljeno je bilo, da ima magnetna prepustnost zraka in vseh snovi, razen feromagnetnih materialov (glej § 18), približno enako vrednost kot magnetna prepustnost vakuuma. Absolutna magnetna prepustnost vakuuma se imenuje magnetna konstanta, ? o = 4?*10 -7 H/m. Magnetna prepustnost feromagnetnih materialov je več tisoč in celo desettisočkrat večja od magnetne prepustnosti neferomagnetnih snovi. Razmerje magnetne prepustnosti? in kakšna snov za magnetno prepustnost vakuuma? o se imenuje relativna magnetna prepustnost:

? = ? A /? O (42)

Jakost magnetnega polja. Jakost And ni odvisna od magnetnih lastnosti medija, temveč upošteva vpliv jakosti toka in oblike vodnikov na jakost magnetnega polja v dani točki prostora. Magnetna indukcija in napetost sta povezani z razmerjem

H = B/? a = B/(?? o) (43)

Posledično je v mediju s konstantno magnetno prepustnostjo indukcija magnetnega polja sorazmerna z njegovo jakostjo.
Jakost magnetnega polja se meri v amperih na meter (A/m) ali amperih na centimeter (A/cm).

Magnetno polje To je zadeva, ki nastane pri virih električnega toka, pa tudi pri trajnih magnetih. V vesolju se magnetno polje prikazuje kot kombinacija sil, ki lahko vplivajo na namagnetena telesa. To delovanje je razloženo s prisotnostjo pogonskih izpustov na molekularni ravni.

Magnetno polje nastane samo okoli električnih nabojev, ki se gibljejo. Zato sta magnetno in električno polje integralna in skupaj tvorita elektromagnetno polje. Komponente magnetnega polja so med seboj povezane in vplivajo druga na drugo ter spreminjajo svoje lastnosti.

Lastnosti magnetnega polja:
1. Magnetno polje nastane pod vplivom pogonskih nabojev električnega toka.
2. V kateri koli točki je magnetno polje označeno z vektorjem fizikalne količine, imenovane magnetna indukcija, ki je jakostna značilnost magnetnega polja.
3. Magnetno polje lahko vpliva le na magnete, prevodnike s tokom in gibljive naboje.
4. Magnetno polje je lahko konstantno ali izmenično
5. Magnetno polje se meri le s posebnimi instrumenti in ga človeški čuti ne morejo zaznati.
6. Magnetno polje je elektrodinamično, saj nastane samo z gibanjem nabitih delcev in vpliva samo na naboje, ki se gibljejo.
7. Nabiti delci se gibljejo po pravokotni poti.

Velikost magnetnega polja je odvisna od hitrosti spreminjanja magnetnega polja. Glede na to lastnost obstajata dve vrsti magnetnih polj: dinamično magnetno polje in gravitacijsko magnetno polje. Gravitacijsko magnetno polje se pojavi le v bližini elementarnih delcev in se oblikuje glede na strukturne značilnosti teh delcev.

Magnetni moment nastane, ko magnetno polje deluje na prevodni okvir. Z drugimi besedami, magnetni moment je vektor, ki se nahaja na črti, ki poteka pravokotno na okvir.

Magnetno polje lahko predstavimo grafično z uporabo magnetnih silnic. Te črte so narisane v taki smeri, da smer silnic polja sovpada s smerjo same silnice polja. Magnetne silnice so neprekinjene in hkrati zaprte.

Smer magnetnega polja se določi z magnetno iglo. Silnice določajo tudi polariteto magneta, konec z izhodom silnic je severni pol, konec z vhodom teh linij pa južni pol.

Zelo priročno je vizualno oceniti magnetno polje z navadnimi železnimi opilki in kosom papirja.
Če na trajni magnet položimo list papirja in nanj potresemo žagovino, se bodo delci železa poravnali glede na silnice magnetnega polja.

Smer električnih vodov za prevodnik je priročno določena s slavnim gimlet pravilo oz pravilo desne roke. Če z roko ovijemo vodnik tako, da bo palec kazal v smeri toka (od minusa proti plusu), nam bodo preostali 4 prsti kazali smer magnetnih silnic.

In smer Lorentzove sile je sila, s katero magnetno polje deluje na nabit delec ali prevodnik s tokom, glede na pravilo leve roke.
Če levo roko postavimo v magnetno polje tako, da 4 prsti gledajo v smeri toka v prevodniku in silnice prehajajo v dlan, bo palec pokazal smer Lorentzove sile, sile, ki deluje na prevodnik, postavljen v magnetno polje.

To je vse. Ne pozabite zastaviti morebitnih vprašanj v komentarjih.