Как появляется магнитное поле

Содержание

В данной статье рассматривается понятие магнитного поля, его характеристики, источники и технические применения, а также взаимодействие с другими физическими явлениями, демонстрируя его значимость и широкий спектр применений в нашей повседневной жизни.

Магнитное поле: основные принципы и влияние на окружающую среду обновлено: 29 августа, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Магнитное поле – это физическое явление, которое окружает магниты и электрические токи. Оно играет важную роль в нашей жизни, влияя на множество процессов и явлений. Магнитные поля используются в различных областях, от техники и медицины до космических исследований. В данной статье мы рассмотрим основные характеристики магнитного поля, его источники и взаимодействие с другими физическими явлениями, а также применение в технике и медицине.

Нужна помощь в написании работы?

Написание учебной работы за 1 день от 100 рублей. Посмотрите отзывы наших клиентов и узнайте стоимость вашей работы.

Магнитное поле Земли: простое объяснение

Наша планета Земля окружена магнитным полем, которое также называют магнитным полем Земли. Если смотреть со стороны, то магнитное поле Земли по форме напоминает стержневой магнит. Это означает, что вы можете представить себе огромный стержневой магнит под поверхностью Земли, наклоненный к оси вращения Земли. Южный полюс этого магнита направлен в сторону географического северного полюса Земли.

Магнитное поле Земли имеет интенсивность от 30 микротесла (мкТл) до 60 мкТл. Основная часть магнитного поля Земли возникает в жидком внешнем ядре Земли в результате конвекции расплавленного железа.

Помимо обеспечения ориентации по компасу, магнитное поле Земли выполняет еще одну жизненно важную задачу: экранирует солнечный ветер, то есть защищает нас от опасного излучения из космоса. В состав космического излучения, кроме электронов, протонов, входят и другие частицы, движущиеся в пространстве с огромными скоростями.

Как создается магнитное поле Земли?

Основная часть магнитного поля возникает внутри Земли. Поэтому в этом разделе мы сначала покажем вам, как устроено ядро Земли, а затем кратко остановимся на так называемой «теории динамо».

Структура ядра Земли

Вы можете представить себе Землю, разделенную на четыре сферические оболочки и одну сферу (смотрите рисунок 1 ниже). Каждая сферическая оболочка изготовлена из разных материалов и имеет разную толщину. Сфера находится в центре, а четыре сферические оболочки окружают сферу одна за другой. В следующем списке показана структура Земли, начиная с поверхности Земли и заканчивая ее центром.

На самом деле магнитного поля не существует!

Сферическая оболочка 1 — земная кора: толщина 5 — 70 км.
Сферическая оболочка 2 — верхняя мантия: глубина около 660 км.
Сферическая оболочка 3 — нижняя мантия: глубина 660 — 2900 км.
Сферическая оболочка 4 — внешнее ядро: глубина 2900 — 5150 км.
Сфера — внутреннее ядро Земли: глубина от 5150 до 6371 км.

Теория динамо

Внешнее ядро состоит в основном из жидкого, электропроводящего железа. Внешний слой внешнего ядра Земли холоднее внутреннего ядра Земли. Эта разница температур приводит к возникновению конвекционных течений. Это означает, что жидкое железо во внешнем ядре сильно перемещается вперед и назад. К этому движению добавляется ещё и вращение земли.

Следующее наблюдение стало решающим для магнитного поля Земли, а именно, магнитное поле «задерживается» в проводнике. Если проводник движется, магнитное поле должно следовать за ним. Именно это и происходит во внешнем ядре Земли. Внешнее магнитное поле попадает в земное ядро и задерживается жидким железом. Затем это внешнее магнитное поле следует за движениями жидкого железа.

Во внешнем ядре Земли существует градиент вращения: чем ближе вы находитесь к внутреннему ядру, тем быстрее вы вращаетесь вокруг оси вращения Земли. Этот градиент вращения заставляет жидкое железо испытывать силу Кориолиса и, таким образом, отклоняться в спиралевидные траектории. Внешнее магнитное поле следует за этим спиральным движением, образуя искаженные кольца. Такое «магнитное кольцо» соответствует электрическому току. Этот электрический ток, в свою очередь, создает магнитное поле, которое усиливает внешнее магнитное поле. Как итог, создается магнитное поле Земли.

Таким образом, составляющие магнитного поля Земли следующие: конвекционные токи, вращение Земли и электропроводящая жидкость в ядре Земли.

Примечание! Основная идея магнитного поля Земли: уже существующее магнитное поле в ядре Земли приводит к электрическому току. Этот электрический ток, в свою очередь, создает магнитное поле, которое усиливает исходное магнитное поле.

Теперь вам может быть интересно, откуда берется внешнее магнитное поле. На самом деле, малейшего теплового движения во внешнем ядре Земли достаточно для возникновения случайного электрического тока. Затем этот электрический ток создает внешнее магнитное поле, которое усиливается динамо-эффектом и формирует магнитное поле Земли.

Динамо-эффект

На данный момент мы имеем вращающуюся жидкую проводящую массу. Однако этого недостаточно для создания и поддержания магнитного поля. Потребовалось бы, например, внешнее магнитное поле, омывающее Землю: последнее вызывало бы ток в металлическом ядре, который производил бы магнитное поле Земли.

Проблема в том, что Земля не купается во внешнем магнитном поле. Не достаточно мощное поле во всяком случае.

Таким образом, если бы был точечный магнитный импульс, электрический ток появится в ядре Земли, но он будет рассеиваться очень быстро, и магнитное поле Земли также будет быстро исчезать.

Очевидно, что Земля обладает очень реальным магнитным полем. Современное объяснение магнитного поля Земли — эффект динамо.

Он еще не объясняет происхождение магнитного поля, но он объясняет, как это поле — настоящее — удается поддерживать, не исчезая.

Итак, давайте возьмем планету Земля, как это описано выше: с жидким, вращающимся металлическим сердечником.

Предположим, что Земля была в прошлом в ранее существовавшем внешнем магнитном поле. Как было сказано выше, это поле вызовет ток в жидких частях ядра, и этот ток создаст магнитное поле Земли, противоположное внешнему полю.

Теперь мы должны учитывать конвекционные явления, связанные с внутренним теплом Земли, и явления вращения жидких масс, связанные с вращением Земли. Это два первичных источника энергии, которые будут постепенно преобразовываться в электромагнитную энергию и излучать магнитное поле.

Эти металлические «циклоны», расплавленные во внешнем ядре, принимают форму вращающихся цилиндров, которые будут выравниваться с осью вращения Земли (таким образом, по оси Север-Юг). Делая это, линии электрического тока, индуцированные магнитным полем, будут как бы наматываться на себя, образуя катушку, и растягиваться в длину конвекцией. Линии электрического тока удлиняются : это если индуктивная катушка становится больше, а магнитное поле сильнее.

Таким образом, возникает эффект, когда катушка растягивается и позволяет увеличить количество магнитной энергии от тепловой конвекции и эффекта Кориолиса за счет вращения Земли.

В результате магнитное поле Земли, в противоположность рассеиванию, умудряется поддерживать себя: вращение и конвекция Земли в ядре постоянно накачивают энергию в электромагнитную систему, чтобы компенсировать потери.

Теперь, когда производится магнитная энергия, первоначальное магнитное поле, в котором, как говорят, купалась Земля, может исчезнуть: в этом больше нет необходимости.

Создаваемое магнитное поле поддерживается слоями расплавленного жидкого металла, которые поднимаются на поверхность.

Когда эти слои достигают внешнего предела ядра, конвекции (в этом слое) больше нет, и поле исчезает. Тем не менее это поле будет иметь наведенные электрические токи в нижних слоях, которые также будут производить свое магнитное поле, и увековечить производство магнитного поля.

Таким образом, пока существует конвекция в ядре и вращение нашей планеты, производящее силы Кориолиса, магнитное поле будет существовать.

Конвекционные движения сложны, имеют хаотические составляющие и иногда могут менять направление. Поэтому возможно, что магнитное поле Земли изменится и магнитные полюса будут двигаться и могут даже повернуть вспять. В истории нашей планеты эти инверсии происходили 300 раз за последние 200 миллионов лет, примерно каждые 660 000 лет; последняя произошла около 780 000 лет назад.

Феномен, который до сих пор плохо объяснен

Как было сказано во введении, если источник планетарного магнитного поля называется динамо-эффектом и существуют хорошие теории для его объяснения, то его происхождение остается неизвестным. Как уже говорилось, для этого потребовалось начальное магнитное поле, даже слабое или локальное.

Этот источник остается неизвестным, но если бы его не было с самого начала, жизнь, вероятно, не развивалась бы, по крайней мере, не так сильно и не так хорошо на этой планете. Это один из многих параметров, которые дали Земле необходимые ингредиенты для появления и поддержания жизни, и которые могут объяснить, почему жизнь, наконец, является чем-то гораздо более редким, чем первоначально представлялось.

Кроме того, форма магнитного поля и линии поля сложны и зависят от многих факторов: текучести магмы, локальных изменений температуры, химического состава магмы.

Численное моделирование все еще с трудом учитывает реальные наблюдения, несмотря на то, что мы постепенно приближаемся к функциональной модели.

Магнитные линии

Прямолинейные проводники, обладающие высокими показателями токопроводимости, имеют более плотные магнитные линии. Они распределяются по концентрическим окружностям, в центре которых располагается данный прямолинейный проводник.

Важно замечание. Чтобы определить направление линий магнитного поля, пользуются так называемым правилом буравчика. Оно гласит: если воображаемый буравчик расположить таким образом, что он будет ввинчиваться вдоль прямолинейного проводника под током, то траектория вращения рукояти буравчика совпадает с направлением магнитных линий.

Еще одной неотъемлемой характеристикой магнитного поля является однородность (неоднородность) распределения магнитных линий и самого поля. Эти составляющие, создаваемые одним и тем же током и при прочих равных условиях, обладают неоднозначной интенсивностью и направленностью в том или ином пространстве. Такая неоднородность зависит от движущихся магнитных свойств внутри вещества, где поле распространяется.

Магнитная специфика окружающего пространства характеризуются стабильной проницаемостью магнита. Ее принято измерять в генри на метр (г/м).

Таким образом, в числе свойств поля следует перечислить и такой показатель, как абсолютная магнитная проницаемость пустоты. Это – магнитная постоянная.

Под магнитной проницаемостью подразумевают определенное значение, показывающее, насколько часто показатель абсолютной магнитной проницаемости данного пространства или среды отличается от показателя постоянной, относительной проницаемости магнита.

Магнитным полем оказывается прямое воздействие на такие параметры, как:

Изменяющиеся электрические заряды;
Вещества, которые определяют показатели проницаемости магнитного поля;
Постоянные магниты – подразумевающие наличие общего магнитного момента у всех заряженных частиц.

Внутри магнитного поля линии возникают, например, во время приближения постоянного или непостоянного магнита к рассыпанным на картонном листе железным опилкам. Этот опыт является классическим и позволяет наглядно продемонстрировать возникновение линий магнитной индукции внутри поля.

Лень читать?
Задай вопрос специалистам и получи ответ уже через 15 минут
Задать вопрос

Изменения магнитных свойств материалов

Во время усиления постоянства силы тока до полноценного насыщения в катушке с ферромагнитными элементами и последующим исчезновением силы, кривые намагничивания не могут совпадать с линиями размагничивания. Индукция, обладающая в данном случае нулевыми показателями напряженности, не имеет значения, но получает некий параметр, который физики назвали – остаточная магнитная индукция.

Явление ослабевания индукции внутри магнитного поля от намагничивающей интенсивности принято называть гистерезисом.

Чтобы полностью размагнитить проводник, внутри элементов сердечников требуется наличие тока с обратным направлением. В этом случае и возникнет элемент напряженности.

В случае с разными ферромагнитными частицами имеют значение отрезки с разной длиной. То значение, при котором наблюдается окончательное размагничивание того или иного материала, называется коэрцитивная сила.

Если продолжать увеличивать интенсивность действия тока внутри катушки, то и магнитная индукция будет увеличиваться – вплоть до уровня своего насыщения. Но – с совершенно иными направлениями линий магнитной индукции.

Во время полного размагничивания в противоположном направлении можно получить явление остаточной индукции, которое и используется для разработки постоянных магнитов из веществ, обладающих высокими коэффициентами так называемого остаточного магнетизма.

С помощью веществ, имеющих свойство перемагничивания, учеными создаются сердечники для электроприборов, машин и механизмов.

Не нашли ответ?
Просто напиши,с чем тебе нужна помощь
Мне нужна помощь

Причины возникновения магнитных полей

Электрический ток, который является направленным движением ионов в электролитах и электронов в металлах, порождает магнитное поле.

Обрати внимание!

Существование магнитного поля связано с движением электрических отрицательных и положительных зарядов.

Рис. (1). Кольцевые токи внутри вещества

Согласно планетарной модели в центре атома расположено ядро, вокруг которого вращаются электроны, образуя элементарные кольцевые токи внутри вещества. Если токи направлены одинаково, то магнитные поля, которые они создают, также совпадают по направлению, усиливая друг друга.

Тела, внутри и вокруг которых длительное время сохраняется магнитное поле, называются постоянными магнитами .

Обрати внимание!

Вещества, которые могут сильно притягиваться магнитами, называются ферромагнетиками . К ним относятся железо, никель, кобальт. Вещества, которые слабо притягиваются магнитами, — парамагнетики (алюминий, литий, магний, натрий, цезий, вольфрам). Д иамагнетики не могут притягиваться магнитом (цинк, медь, эбонит, золото, серебро, свинец, кремний, германий).

Действие магнитного поля на другие тела (магнитные стрелки, железные опилки) подтверждает его существование.