Сибирские ученые расширят знания о магнитном резонансе
Международный томографический центр СО РАН получил мегагрант на изучение ядерной спиновой гиперполяризации в многократно переключаемых полях. Руководителем проекта, запланированного на три года, является крупнейший в мире специалист в области магнитного резонанса Джеффри Боденхаузен. При его непосредственном участии специалисты МТЦ СО РАН намерены расширить методическую базу исследуемой темы, а также получить результаты, позволяющие усовершенствовать методы диагностики различных заболеваний.«Как известно, ядерный магнитный резонанс (ЯМР) является мощным инструментом исследований, широко применяемым в различных областях науки. Помимо приложений в химии и биологии, все наверняка слышали о магнитно-резонансной томографии (МРТ) — повсеместно используемом методе медицинской диагностики. Кроме того, ЯМР и МРТ позволяют детально исследовать структуру и свойства различных объектов на макро-, микро- и молекулярном уровне. Магнитные свойства атомов делают возможным использование магнитного резонанса для изучения широкого класса соединений как неорганической, так и органической природы. При этом все методы ЯМР имеют общий недостаток — низкую чувствительность (по сравнению с другими спектроскопическими методами). Одним из подходов повышения чувствительности является применение гиперполяризованных спиновых систем», — рассказывает директор МТЦ СО РАН доктор физико-математических наук Константин Львович Иванов.
Спин — это собственный момент импульса частицы, электрона либо атомного ядра. Наличие у частиц спина также приводит к существованию у него магнитного момента, с которым имеет дело магнитный резонанс. Ядерный магнитный резонанс — это явление резонансного поглощения электромагнитного излучения (радиочастотный диапазон) системой ядерных магнитных моментов, помещенных во внешнее магнитное поле. Интенсивность сигнала ЯМР прямо пропорциональна спиновой поляризации — относительной разности заселенностей состояний ядерных спинов.
Проект сибирских ученых в первую очередь связан с развитием и применением методов спиновой гиперполяризации, позволяющей существенно (на несколько порядков) повысить чувствительность ЯМР/МРТ. Известно несколько методик гиперполяризации, таких как оптическая накачка благородных газов, химическая поляризация ядер, динамическая поляризация ядер (ДПЯ) и индуцируемая параводородом поляризация ядер (ИППЯ). Специалисты МТЦ СО РАН остановились на развитии и применении последних двух методик. В ДПЯ гиперполяризация создается за счет переноса поляризации с электронных спинов (для этого в образец добавляют стабильные радикалы — химически стабильные частицы с неспаренным электроном) в ИППЯ — с использованием спинового изомера молекулы Н2 с нулевым спином (параводорода). Несмотря на то что данный спиновый изомер сам по себе не имеет магнитного момента и поэтому не дает сигнала ЯМР, он находится в существенно неравновесном спиновом состоянии. При помощи химических реакций гиперполяризацию параводорода можно конвертировать в значительное усиление ЯМР-сигналов. Сегодня ДПЯ и ИППЯ имеют целый ряд приложений, которые принципиально невозможны с использованием равновесно поляризованных спиновых состояний. К таким приложениям можно отнести изучение химических реакций, исследование метаболизма, проведение экспериментов по молекулярной томографии. Развитие подобных технологий может позволить эффективнее обнаруживать различные патологии на ранних стадиях прогрессирования болезней. «В МТЦ СО РАН имеются возможности для работы в ультраслабых полях от нескольких нанотесла до сильных полей, применяемых в ЯМР-спектроскопии (порядка 10 тесла). Для сравнения — магнитное поле Земли равно 50 микротесла, то есть мы планируем работать в полях как много больше, так и много меньше поля Земли.
Реализация проекта начнется с 2021 года, однако в МТЦ СО РАН на сегодняшний день уже имеется признанный международным ЯМР-сообществом научный задел по указанной тематике исследований: уникальные разработки по методам ЯМР с переключением магнитного поля, по применению параводорода для усиления сигналов ЯМР, по работе с долгоживущими спиновыми состояниями и по развитию методов переноса поляризации. В проекте официально участвует только МТЦ СО РАН, но планируется привлечь к работе ряд иностранных ученых, в том числе сотрудников лаборатории Джеффри Боденхаузена из Высшей нормальной школы Парижа (École Normale Supérieure Paris). В лаборатории имеется уникальное научное оборудование, позволяющее проводить эксперименты по ДПЯ, на котором будут проводиться стажировки сотрудников МТЦ СО РАН.
«Джеффри Боденхаузен является одним из наиболее известных в мире специалистов в области магнитного резонанса — его имя и достижения, безусловно, известны каждому ученому, работающему в области ЯМР.
То, что он согласился участвовать в проекте, является большим успехом для МТЦ СО РАН и, несомненно, послужит укреплению репутации нашего института в России и за рубежом. Мы ожидаем плодотворной работы по проекту и новых научных результатов», — добавляет Константин Иванов.
Грант сибирских ученых в первую очередь направлен на фундаментальные исследования, его результаты будут иметь, прежде всего, научно-практическую значимость. Полученные методические разработки в дальнейшем могут применяться различными коллективами и лабораториями, работа которых связана с развитием методов спиновой гиперполяризации и ЯМР в слабых и ультраслабых магнитных полях. Практических применений можно ожидать от части проекта, связанной с использованием гиперполяризованных долгоживущих состояний для быстрого и эффективного скрининга (тестирования) лекарств методами ЯМР, в клинической и фармацевтической сфере.
Константин Львович Иванов благодарит за участие в планировании исследований и написании заявки на грант научного руководителя МТЦ СО РАН академика Ренада Зиннуровича Сагдеева, заместителя директора МТЦ СО РАН по научной работе доктора физико-математических наук Матвея Владимировича Федина, заведующую лабораторией фотохимических радикальных реакций МТЦ СО РАН доктора физико-математических наук Александру Вадимовну Юрковскую, ученого секретаря МТЦ СО РАН кандидата химических наук Людмилу Владимировну Яньшоле.
Астрономы обнаружили самое мощное магнитное поле во Вселенной
Учёные отыскали небесное тело, которое оказалось самым мощным известным магнитом во всей Вселенной. Речь идёт о нейтронной звезде, расположенной почти в 20 тысячах световых лет от Земли.Достижение описано в научной статье, опубликованной в издании Astrophysical Journal Letters.
Вести.Ru подробно рассказывали о нейтронных звёздах вообще и о магнетарах – особых нейтронных звёздах, по праву считающихся самыми сильными во Вселенной магнитами.
Теперь учёные измерили магнитное поле магнетара GRO J1008-57 и обнаружили, что оно составляет около одного миллиарда тесла. Как утверждается в пресс-релизе исследования, это самое сильное из когда-либо измеренных магнитных полей. И уж конечно ни в какое сравнение с ним не идёт рекорд, установленный физиками на Земле: 2800 тесла.
Магнитные поля пульсаров далеко превосходят те, что по силам создать человеку.
Измерить магнитное поле далёкого небесного тела – сложная задача. Астрономы не могут дотянуться до него магнитометром. Им приходится довольствоваться излучением, достигающим земных телескопов.
GRO J1008-57 – это рентгеновский пульсар. Он образует тесную пару с обычной звездой и “крадёт” у неё вещество при помощи своего мощного тяготения. Эта падающая на нейтронную звезду материя сильно раскаляется и излучает в рентгеновском диапазоне.
В 2017 году китайский орбитальный рентгеновский телескоп Insight-HXMT обнаружил в излучении GRO J1008-57 спектральную линию, известную как линия циклотронного резонансного рассеяния. Не утомляя читателя подробностями, скажем, что по энергии квантов этой линии можно рассчитать напряжённость магнитного поля.
Исследователи подчёркивают, что спектральная линия была обнаружена с колоссальной достоверностью: более 20 сигм. Между тем золотым стандартом надёжности результата является всего лишь пять сигм. Таким образом, совершенно исключено, что наблюдавшаяся линия является лишь ложной тревогой, случайной комбинацией шумов.
Измеренная энергия квантов в 90 килоэлектронвольт соответствовала огромному магнитному полю в миллиард тесла. Подчеркнём, что эти цифры вполне укладываются в существующие представления. По некоторым оценкам, самые сильные магнетары имеют поля до ста миллиардов тесла. Но эти цифры основаны на не очень надёжных дополнительных предположениях о связи между магнитным полем пульсара и скоростью его вращения вокруг своей оси. Измерение по данным телескопа Insight-HXMT сделано более надёжным способом.
Теперь GRO J1008-57 может стать объектом пристального внимания учёных. Ведь такие колоссальные магнитные поля, как считают теоретики, меняют свойства материи и даже самого вакуума. Сама природа устроила для физиков непревзойдённую по своим возможностям лабораторию.
К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о первой карте магнитного поля нейтронной звезды. Писали мы и об измерении магнитного поля чёрной дыры.
Самое сильное магнитное поле на Солнце нашлось там, где не ждали
По результатам наблюдения одной из групп солнечных пятен японские астрофизики обнаружили маленькую (около 1000 км в диаметре) светлую область на поверхности Солнца, магнитное поле в которой составляет 6250 Гаусс. Это одно из самых сильных полей, зарегистрированных на Солнце за всю историю измерений (110 лет), и самое сильное из достоверно определенных. Но интереснее всего то, что эта область формально находится вне солнечного пятна — то есть там, где столь сильное поле ожидалось меньше всего.
Солнце, как и любая «обычная» звезда (а мы не будем говорить о всякой экзотике вроде нейтронных звезд или белых карликов), — это гигантский самогравитирующий шар горячей плазмы. Плазма, в свою очередь, — это газ с преимущественным содержанием заряженных частиц (электронов, ионов и т. п.). В горячей плазме эти частицы движутся с очень большими скоростями. Как известно из основ электродинамики, там, где есть движущиеся заряженные частицы (то есть, по сути, электрический ток), есть и магнитное поле. И чем быстрее движется заряд — тем сильнее поле. Поэтому естественно, что магнитные поля являются неизменными спутниками жизни звезд, и в частности Солнца. Более того, эти поля управляют многими проявлениями активности звезд: вспышками, выбросами вещества, образованием пятен.
Солнце обладает крупномасштабным дипольным магнитным полем (см. Магнитные поля Солнца), медленно «закручивающимся» вокруг нашей звезды из-за ее вращения и в конечном итоге меняющим свои полюса примерно раз в 11 лет (физика этого процесса ясна еще не до конца, но он порождает знаменитый цикл солнечной активности).
Индукция (грубо говоря, сила) этого поля на поверхности Солнца в среднем составляет около 1 гаусс. Это сравнимо с магнитным полем на поверхности Земли. В этом смысле Солнце, как звезда, — далеко не самая «замагниченная». Поля так называемых «магнитных звезд» в тысячи и десятки тысяч раз сильнее. Но в отдельные моменты времени в отдельных областях поверхности нашего светила магнитные поля могут возрастать на порядки, что приводит к вспышкам и вызывает корональные выбросы массы. Эти быстрые потоки плазмы возмущают межпланетное магнитное поле, а достигая магнитосферы Земли, вызывают полярные сияния, магнитные бури и прочие явления, влияющие на жизнь людей. Поэтому изучение магнитных полей Солнца — одновременно и прикладная задача, и, конечно же, чисто научная. Кроме того, на примере Солнца можно также в деталях изучать магнетизм похожих на него звезд.
Темные пятна на поверхности Солнца — еще одно из проявлений локального усиления магнитного поля звезды. Систематически наблюдаемые вот уже более 400 лет, солнечные пятна — в некотором роде не более чем оптическая иллюзия: не такие они уж и темные на самом деле. Пятна — это области фотосферы Солнца с пониженной температурой. В среднем поверхность Солнца разогрета примерно до 6000 K, а вот пятна «остыли» до ~4500 K. Как известно, светимость нагретого тела меняется как четвертая степень его температуры (см. Законы теплового излучения). Отсюда и получается, что пятна выглядят примерно в 3 раза более тусклыми, а на контрасте с ярким окружением — почти черными.
При чем здесь магнитное поле? Базовая картина возникновения солнечных пятен на данный момент выглядит следующим образом. Пятна получаются там, где силовые линии крупномасштабного магнитного поля как бы всплывают из-под поверхности Солнца, образуя компактную особенность — петлю (рис. 1). Линии магнитного поля в основаниях петли собраны в плотные пучки, что эффективно усиливает поле в этом месте до 3–4 тысяч гаусс. Столь сильное поле препятствует подводу тепла из внутренних областей Солнца к поверхности тем, что частично подавляет конвекцию вещества: в основании петли плазма остывает и наблюдается как пятно (рис.
2). Отсюда же понятно, что пятна возникают парами и имеют разную полярность — северную или южную — в зависимости от того, как направлены в них линии локального магнитного поля (соответственно, из поверхности или в поверхность звезды).
Впервые магнитное поле Солнца было обнаружено и достоверно измерено в 1908 году американцем Дж. Хэйлом и как раз в одном из пятен (G. E. Hale, 1908. On the Probable Existence of a Magnetic Field in Sun-Spots). Тогда величина поля оказалось равной 2 килогаусс, что в 2–4 тысячи раз больше, чем магнитное поле Земли (но почти в 10 раз меньше, чем поле современного аппарата магнитно-резонансной томографии, примерно в 50 раз меньше самых сильных полей, создаваемых человеком, и в миллиарды раз меньше полей некоторых нейтронных звезд).
Наблюдение за солнечными пятнами и изучение их магнитных полей — одна из повседневных задач современной гелиофизики. Этим занимается в том числе и японская космическая обсерватория Hinode, выведенная на орбиту еще в 2006 году. В феврале 2014 года с ее помощью наблюдали одну из пар пятен, видимых тогда на Солнце (получившую обозначение NOAA 11967, рис. 3). Авторы исследования — сотрудники японской Национальной астрономической обсерватории Такенори Окамото (Takenori J. Okamoto) и Такаси Сакураи (Takashi Sakurai). Они и представили свои результаты в статье, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Ученые провели спектральные наблюдения пары пятен, позволившие измерить величину магнитного поля в разных ее частях. В центре большего пятна поле оказалось примерно в 4 тысячи раз больше, чем в среднем по Солнцу (то есть около 4 килогаусс). Это было вполне ожидаемо. Однако в светлой области между пятнами индукция оказалась еще больше и составила рекордные 6250 Гаусс. И вот это уже было сюрпризом. К слову, в 2013 году немецкие исследователи уже отчитывались о возможном обнаружении поля в 7 килогаусс в полутени солнечного пятна (M. van Noort et al.
, 2013. Peripheral downflows in sunspot penumbrae). Но это была всё же часть самого пятна, и полученная оценка была скорее косвенной (см. врезку про эффект Зеемана).
Главная проблема в том, что в светлой области между пятнами конвекция почти не подавлена и, казалось бы, сильного поля там быть не может. Поэтому авторам пришлось искать дополнительное объяснение этому парадоксу. Выглядит оно, в их представлении, следующим образом. Каждое солнечное пятно порождает радиальный поток плазмы, который со скоростью в несколько километров в секунду движется от центра пятна во внешние области. Это наблюдательный факт, называемый эффектом Эвершеда. Детали его еще не до конца прояснены, но вероятнее всего он связан с изменением наклона линий магнитного поля: вдали от центра пятна линии из вертикальных становятся горизонтальными и как бы стелются по поверхности звезды.
Поток Эвершеда существует как у северного, так и у южного пятна, но у одного из них он может оказаться сильнее. Тогда он способен немного прижать линии поля на границе соседнего пятна, от чего плотность энергии поля, а вместе с ней и величина самого поля должны существенно увеличиться (рис. 4). Это и есть идея, которая, в целом, объясняет полученные данные.
Интересно, что рецензент статьи, как указывают авторы в одном из примечаний к тексту, предложил и другую возможную интерпретацию: усиление поля в изучаемой области произошло из-за явления пересоединения (наложения) силовых линий магнитного поля (см. статью «Загадка солнечных вспышек»). При этом детально такая версия в статье не обсуждается.
В любом случае, полученные наблюдательные данные накладывают дополнительные ограничения на структуру и силу потоков вещества, наблюдающихся внутри пар солнечных пятен, — в том числе и потока Эвершеда, физика которого, напомним, еще до конца не ясна. Любая модель, описывающая эти потоки, теперь должна допускать образование полей, по силе не уступающих обнаруженному. А глубокое понимание физики солнечных пятен — это, в конечном итоге, понимание многочисленных эруптивных процессов происходящих на Солнце, влияющих на нашу глобально электрифицированную цивилизацию всё больше и больше.
Источник: Takenori J. Okamoto, Takashi Sakurai. Super-strong Magnetic Field in Sunspots // The Astrophysical Journal Letters. 2018. DOI: 10.3847/2041-8213/aaa3d8.
Антон Бирюков
Тесла (единица измерения) – Вики
У этого термина существуют и другие значения, см. Тесла.Те́сла (русское обозначение: Тл; международное обозначение: T) — единица измерения индукции магнитного поля в Международной системе единиц (СИ), равная индукции такого однородного магнитного поля, в котором на 1 метр длины прямого проводника, перпендикулярного вектору магнитной индукции, с током силой 1 ампер действует сила 1 ньютон.
Через основные единицы СИ тесла выражается следующим образом:
Через производные единицы СИ тесла выражается соотношениями:
В соответствии с правилами СИ, касающимися производных единиц, названных по имени учёных, наименование единицы тесла пишется со строчной буквы, а её обозначение «Тл» — с заглавной.
Соотношения с другими единицами измерения магнитной индукции:
Единица названа в честь изобретателя Николы Тесла. В Международную систему единиц (СИ) тесла введён решением XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году одновременно с принятием СИ в целом[1].
А так же МТЛ это беседа во всероссийской социальной сети – Вконтакте. Официальным создателем является Амнезия. Но после некоторых несоглашений, эта беседа распалась, как кемы. На данный момент, этой беседе, 5 месяцев и создателем этой именно беседы является Ева Голденски.
Характерные значения
- Во внешнем космосе магнитная индукция составляет от 0,1 до 10 нанотесла (от 10−10 Тл до 10−8 Тл).
- Магнитное поле Земли значительно варьируется во времени и пространстве. На широте 50° магнитная индукция в среднем составляет 5⋅10−5 Тл, а на экваторе (широта 0°) — 3,1⋅10−5 Тл.
- Сувенирный магнит на холодильнике создает поле около 5 миллитесла.
- Отклоняющие дипольные магниты Большого адронного коллайдера — от 0,54 до 8,3 Тл.
- В солнечных пятнах — 10 Тл.
- Рекордное значение постоянного магнитного поля, достигнутое людьми без разрушения установки — 100,75 Тл[2]
- Рекордное значение импульсного магнитного поля, когда-либо наблюдавшегося в лаборатории — 2,8⋅103 Тл[3]
- Магнитные поля в атомах — от 1 до 10 килотесла (103 — 104 Тл).
- На нейтронных звёздах — от 1 до 100 мегатесла (106 Тл — 108 Тл).
- На магнетарах — от 0,1 до 100 гигатесла (108 — 1011 Тл).
Кратные и дольные единицы
Десятичные кратные и дольные единицы образуют с помощью стандартных приставок СИ.
| Кратные | Дольные | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| величина | название | обозначение | величина | название | обозначение | ||
| 101 Тл | декатесла | даТл | daT | 10−1 Тл | децитесла | дТл | dT |
| 102 Тл | гектотесла | гТл | hT | 10−2 Тл | сантитесла | сТл | cT |
| 103 Тл | килотесла | кТл | kT | 10−3 Тл | миллитесла | мТл | mT |
| 106 Тл | мегатесла | МТл | MT | 10−6 Тл | микротесла | мкТл | µT |
| 109 Тл | гигатесла | ГТл | GT | 10−9 Тл | нанотесла | нТл | nT |
| 1012 Тл | тератесла | ТТл | TT | 10−12 Тл | пикотесла | пТл | pT |
| 1015 Тл | петатесла | ПТл | PT | 10−15 Тл | фемтотесла | фТл | fT |
| 1018 Тл | эксатесла | ЭТл | ET | 10−18 Тл | аттотесла | аТл | aT |
| 1021 Тл | зеттатесла | ЗТл | ZT | 10−21 Тл | зептотесла | зТл | zT |
| 1024 Тл | иоттатесла | ИТл | YT | 10−24 Тл | иоктотесла | иТл | yT |
| рекомендовано к применению применять не рекомендуется | |||||||
Примечания
Магнитные рекорды / Хабр
Сегодня поговорим о рекордных магнитах и немного о том, зачем они нужны.
2 атмосфер. Т.е. для конструктора магнита поле в 100 Т эквивалетно попытке создать баллон на 40000 атмосфер — крайне непростая задача. Отсюда же видно, что мощные магниты с большим рабочим объемом (как у ИТЭР) — это еще большая сложность, чем просто мощные магниты.
Еще одним необычным рекордом являются сверхпроводящие магниты немецкого стелларатора Wendelstein 7-X со сложнейшей геометрией.
Итак, начнем мы с определения некоторых координат. Для постоянных магнитов, которые выпускает промышленность, характерны значения поля от 0,01 до 0,5 Т, причем неодимовые магниты в 0,5 Т уже воспринимаются как “сильные”. Рекорд, который можно выжать из постоянных магнитов ~1,5 Т у самой поверхности.
В электрических машинах (двигателях, генераторах, трансформаторах) поле внутри железных магнитопроводов ограничивается насыщением железа, полями где-то в 1,8-2,2 Т. В воздушном зазоре типичного асинхронного двигателя вы увидите скорее всего поле 0,5-0,8 Т, для рекордных по энергомассовым характеристикам BLDC моторов (4-5 кВт/кг) — 1…1,2 Т.
Довольно оригинальным применением силы неодимовых магнитов является 19 кВт электродвигатель (на снимке — красный цилиндр), 2 таких крутят насосы окислителя и горючего на новом ракетном двигателе «Резерфорд» компании Rocket lab.
Где-то начиная с 1,5 Т обычные медные электромагниты начинают испытывать трудности, прежде всего с отводом тепла. Необходимость перемежать медь с трубками водяного охлаждения, а также растущее межвитковое напряжение вздувает размеры магнита гораздо быстрее, чем растет поле. Витки, которые располагаются дальше от рабочего объема вносят относительно небольшой вклад в поле, а значит ток в основном расходуется на нагрев магнита, а не на создание поля.
Медь
Однако с 1930х годов и почти до сих пор рекордные стационарные поля достигались в практически обычных водоохлаждаемых медных магнитах. Это так называемые Биттеровские магниты, представляющие собой медную пластинку свитую в спираль и имеющую хитрую систему продольных каналов охлаждения.
2), электрические мощности в 1,10 и даже 30 мегаватт, и расход охлаждающей воды в десятки и сотни литров в секунду. Первый магнит на 10 Т был пущен в 1936 году, и следующие 30 лет держал рекорд по стационарному полю.
Американские биттеровские магниты 60-х годов на 25 Тесла.
Эта конструкция магнитов затем неоднократно оптимизировалась, и на сегодня рекорд поля в таких магнитах доведен до 38,5 Т в китайской лаборатории CHMFL. Мощность магнита составила 28,5 МВт с расходом охлаждающей воды в 500 литров в секунду (кстати, похоже к мощности магнита надо добавить еще примерно такую же на насосы, которые прокачивают эту воду через магнит). Ток около 36 тысяч ампер. При этом рекордное поле достигается в объеме диаметром всего 32 мм и длинной около 70 мм.
Китайский рекордный резистивный магнит — один заход спирали соленоида (из сплава CuAg), разрез и набор коаксиальных катушек.
Резистивные магниты сегодня подошли к лимитам возможностей материалов, и максимальное доступное поле в них растет в основном экстенсивно — за счет наращивания мощности системы питания и охлаждения, увеличения количества катушек. Подобные магниты сегодня в основном используются для изучения очень разнообразных физических явлений в небольших образцах, зачастую при низкой температуре. Поэтому такие магниты работают в центрах коллективного использования, когда физики привозят свои образцы и аппаратуру, устанавливают ее на магнит и измеряют нужные им величины. Для маленьких образцов вполне удобно использовать магниты с небольшим просветом, типа 20-30 мм.
Верхушка биттеровского магнита на 30 Т без крышки. Здесь видно отверстие исследовательской камеры и щели для подачи охлаждающей воды.
Однако есть еще одно применение больших магнитных полей сегодня — это ЯМР-томография, т.е. построение карт плотности тканей за счет взаимодействия водорода с радиоизлучением в сильном магнитном поле. Чем выше поле — тем большее пространственное разрешение системы.
Для таких систем нужен довольно большой рабочий объем магнита а также высокая гомогенность поля. Исследования в области сверхпроводимости в свою очередь требуют криостатов, которые с трудом помещаются в диаметр 32 мм, да и поле для некоторых сверхпроводников нужно больше.
Немножко забегая вперед — сверхпроводящий ЯМР-томограф со сверхвысоким полем (21Т), просветом 110 мм и пример получаемого изображения с разрешением в 26 мкм
Поэтому с 80х годов 20 века появляется направление гибридных магнитов, идея которых заключается в том, чтобы поместить биттеровский магнит внутрь сверхпроводящего, поля которых сложатся. Это позволяет поднимать поле и дальше без роста и без того монструозных требований по мощности и расходу охлаждающей воды.
Гибриды
Вставка магнита Биттера внутрь сверхпроводящего означает, что последний должен иметь рабочий просвет в 400-800 мм, т.е. значительно больше, чем рекорды, которые мы видели до этого. Магниты с большими рабочими объемами но меньшим полем пришли в лаборатории сильных магнитных полей от разработчиков токамаков, где в конце 70х были созданы сверхпроводящие магниты на основе холодных сверхпроводников — ниобата олова и титана. В середине 80х в французской лаборатории сильных магнитных полей LNCMI создают гибридный магнит из 11Т сверхпроводящего и 22Т биттеровского с общим полем в 31Т, а в 2000 году американская National MagLab запускает установку гибридом с полем в 45Т, которая является рекордной до сих пор среди всех магнитов с постоянным полем.
Корпус всего магнита (слева) и криостата (справа)
Разрез гибридного магнита по криостату. Кстати, конструкция внешнего сверхпроводящего магнита, спроектированная для этой установки затем была использована еще в трех рекордных магнитах.
45 тесловый гибрид использует три внешних сверхпроводящих магнита и 4 внутренних резистивных типа “Биттер-флорида”. Резистивная часть потребляет 29 мегаватт при токе 74 кА и создает поле в 31 Т.
Сверхпроводящая часть магнита создает поле в 14 Т и состоит из внешних обмоток из NbTi и внутренних из Nb3Sn, работает на токе в 8 кА при температуре 4,2 К. Просвет криостата сверхпроводящего магнита — 500 мм.
Сверхпроводящий внешний магнит гибрида на 45Т
И внутренний биттеровский магнит. Так 2,5 метра корпуса превращается в 32 мм рабочей камеры.
Для сравнения, напомню, что тороидальный магнит ИТЭР имеет ток проводинка в 68 кА, поле 12,8 Т при просвете 9000х7000 мм, т.е. можно представить, насколько далеко ИТЭР двинул вперед технологии низкотемпературных сверхпроводящих магнитов.
Кстати, в лабораторных магнитах используют проводник с гораздо меньшим током, наматывая больше витков — это упрощает систему питания да и сам проводник. Обратной стороной этого является бОльшие электрические напряжения в системе, когда сверхпроводник внезапно переходит в нормальное состояние.
Кроме ИТЭР эти технологии двинулись вперед с появлением промышленных высокотемпературных сверхпроводников. Если низкотемпературные СП в принципе не позволяют создать поля выше 22 Т, т.е. они могут быть только частью рекордного магнита, то для ВТСП этот лимит расширяет до как минимум 45 Т.
Зависимость критической плотности тока от поля у разных сверхпроводников. Кстати, вы задумывались когда-нибудь, что за оборудование используется для построения этих диаграмм и почему они упираются в 45Т?
Сегодня новое направление создания рекордных магнитов — это полностью сверхпроводящие и сейчас все ведущие лаборатории мира (Китай, Нидерланды, Франция, США)проектируют СП-магниты на 30+ Т. Здесь тоже пока впереди всех флоридская MagLab, где началась сборка полностью сверхпроводящего магнита на 32 Т. Здесь 15 Т будет создаваться внешними магнитами из NbTi и Nb3Sn, а еще 17 — двухслойным ВТСП магнитом из YBCO лент. “Высокотемпературные” сверхпроводники здесь используются как имеющие гораздо более высокие критические поля при температуре жидкого гелия, чем “низкотемпературные”.
Проект полностью сверхпроводящего магнита на 32Т
Технологии данного магнита потребовали почти 10 лет разработок, основные проблемы лежали в области очень высоких пондеромоторных сил со стороны мощного магнитного поля на витки с током. Механические напряжение в YBCO катушках достигает 700 МПа — здесь, кстати, хорошо помогает то, что ВТСП-лента по сути в основном состоит из никелевого сплава с высокими прочностными характеристиками — медь такие напряжения не выдерживает.
НИОКР высокопольного ВТСП магнита.
Второй класс проблем связан с аварийной потерей сверхпроводящего состояния, и вывода тока из катушек. В частности, чтобы избежать пережога из-за медленного распространения нормальной зоны в катушки встроены нагреватели, которые при обнаружении перехода прогревают всю катушку, так чтобы энергия поля выделялась более равномерно.
Буквально недавно была изготовлена внутренняя рабочая катушка из ВТСП ленты, скоро можно ожидать запуска и сборки магнита.
Этот магнит будет обладать “холодным” рабочим объемом, и хорошо подойдет для изучения конденсированных состояний материи и квантовых эффектов в твердом теле, при этом по эксплуатационным расходам это совершенно другой класс устройств, в частности криостат, система криоснабжения и внешний СП-магнит из НТСП являются серийными изделиями, выпускаемымим фирмой Oxford Instruments.
Вообще oxford instruments — крупнейший поставщик сверхпроводящих магнитов, в основном для всякого научно-лабораторного применения на поля 3-15Т. В проекте ИТЭР эта фирма, например, поставляет магниты на 6Т для гиротронов
Вообще прежде чем перейти к следующим рекордсменам, хочется сказать о нескольких применениях таких магнитов за пределами просто предоставления стенда с высоким магнитыми полем.
Одним из основных прикладных потребителей серийных высокополевых магнитов являются ЯМР-спектрометры, рабочий инструмент химиков. Фирма Bruker, в частности, серийно производит спектрометры с полем до 23,5Т (у таких установок, кстати, есть довольно большие проблемы с экранированием такого поля от окружающих людей и предметов).
2.
В сочетании с силовым подкреплением в виде стальной матрицы и захолаживанием жидким азотом (для снижения сопротивления, что уменьшает потребное напряжение, что облегчает изоляцию в таком магните) в 2012 году импульсные медные магниты достигли 101,2 Т в течении 1 миллисекунды — это значение на сегодня является рекордом (и принадлежит оно коллаборации американской ядерной оружейной лаборатории LANL и флоридской MagLab).
Видео про достижение рекордного значения поля в 101,2 Т. Впрочем, видно тут мало что, да и вообще такое ощущение, что конструкция магнита засекречена, известны только общие значения
Такое значение достигается также с помощью нескольких вложенных катушек, внешние из которых дают длинный импульс (около 2 секунд) амплитудой до 45 Т, а внутренние — короткий импульс в 65 Т. Такая схема позволяет выдерживать напряжения в проводнике за пределом текучести материалов.
Интересно, что мощность такого магнита достигает нескольких гигаватт.
Генератор, который закорачивают на внешние обмотки магнита для получения рекордных импульсных полей.
К сожалению, пока не видно каких-то путей по заметному увеличению значения поля в многоразовой установке. Однако если разрушение установки нам не страшно, то 101 Т — далеко не предел.
Самым простым вариантом тут является кусок меди, свернутый в виток, на который подключается высоковольтные конденсаторы. Такая схема позволяет получить и 300 и 400 тесла, правда на очень короткое время (порядка микросекунды) в объеме нескольких кубических миллиметров, что для экспериментатора, который занимается изучением топологии поверхностей Ферми в твердых телах, например, является довольно сложными ограничениями.
Импульс поля на одноразовом магните.
Довольно элегантный выход из этих ограничений был найден еще в 50х годах путем изобретения взрывомагнитных генераторов.
Здесь затравочное магнитное поле в 10-20 Т сжимается до 2800 (!)Т. Делается это с помощью металлического цилиндрического лейнера, который с помощью цилиндрической взрывной волны от заряда взрывчатки коллапсирует к своей оси. При этом продольное магнитное поле увеличивается примерно в 100-200 раз. По сравнению с предыдущей схемой во взрывомагнитном генераторе можно получить чуть большее время импульса магнитного поля, и чуть бОльший объем для образца, правда ценой гораздо более сложной постановки эксперимента.
Взрывомагнитный генератор и его принципиальная схема.
Еще в 50х годах с помощью ВМГ были измерены разнообразные характеристики материалов в экстремальном магнитном поле — проводимость, вращение поляризации (эффект фарадея), сжатие магнитного поля ядра атома и т.п. Еще одним интересным результатом является возможность ускорения такими магнитными полями металлических объектов до скоростей порядка 100 км/с.
Ограничения по полю у взрывомагнитных генераторов в свою очередь опять довольно фундаментально и связано с давлением магнитного поля, которое достигает десятков мегабар и останавливает металлический лейнер. 3000 тесла тут видимо является асимпотическим пределом.
В свою очередь, бОльшие значения давления (гигабары) достигаются в установках лазерной имплозии, и чисто теоретически такие установки способны создать магнитные поля в десятки тысяч и даже 100 тысяч тесла, правда в течении наносекунд и в микронных объемах. Сам сфокусированный лазерный импульс от петаваттного лазера имеет переменное магнитное поле амплитудой еще больше — миллион тесла и выше. Конечно, условия, в которых возникает такое поле (плотная плазма температурой в сотни эВ — десятки кэВ) далеки от интересов прикладной науки, но весьма интересны науке фундаментальной.
История рекордов магнитного поля для разных типов установок (многоразовых :))
Завершая обзор магнитных рекордов стоит вспомнить про магнетары — молодые нейтронные звезды с высокими магнитными полями.
2 для вещества в 10000 раз плотнее свинца. Наблюдения за магнетарами (и обычными нейтронными звездами, поля которых в тысячи раз меньше) позволяют лучше понять поведения материи и пространства в подобных условиях, дополняя лабораторные исследования рекордными магнитами.
Магнитное поле земли – ООО «УК Энерготехсервис»
В Северном полушарии разворачивается научный детектив: от канадской Арктики к Сибири с невиданной скоростью движется Северный магнитный полюс. Почему так быстро? И в чем причины этого движения? Ученые высказывают версии.
Кирилл Журенков
Официальный информационный повод «пришел» в первых числах февраля: эксперты раньше срока обновили так называемую Мировую магнитную модель (WMM), описывающую основные параметры магнитного поля Земли.
За сложной формулировкой — напряженная интрига: оказывается, это было сделано потому, что Северный магнитный полюс движется и за последнее время сильно ускорился! Например, прямо сейчас он близок к географическому Северному полюсу, а там уж и до Сибири рукой подать.
Эффектные заголовки о том, что магнитный полюс «сбежал» от Канады к России, уже появились в ведущих мировых СМИ. Однако геополитика тут ни при чем: ученые в поисках ответов пытаются заглянуть под поверхность Земли, где происходят загадочные процессы. Попробуем разобраться.
Сначала — о самом Северном магнитном полюсе. Это некая условная точка, на которую указывает стрелка любого компаса, а интрига в том, что он находится в постоянном движении.
Впервые необычный дрейф заметил еще английский математик Генри Геллибранд 400 лет назад.
— Это было большим монументальным открытием: полюс не статичен, он находится в динамике,— цитирует The New York Times геофизика из Швейцарской высшей технической школы Цюриха Эндрю Джексона. Впрочем, сейчас речь о другом.
Как отмечает газета, полюс не просто движется — он движется так, что ученые не могут это предсказать.
Занятный факт: за пару столетий магнитный север перебывал на многих островах арктического архипелага и, наконец, двинулся в сторону Сибири.
Чем нынешняя ситуация принципиально отличается от того, что было, скажем, полвека назад? Очень просто: скорость движения полюса резко возросла. Судите сами: в течение XX века она составляла примерно 10 км в год, однако с 1980-х выросла до 55 км. А важно это потому, что магнитный полюс увязан с навигацией. «Огонек» обратился за разъяснениями в Институт физики Земли РАН.
— Для навигации необходимо знать значение «местного склонения» в каждой конкретной точке на Земле или над ней,— поясняют в институте.
— Магнитное склонение — это угол между направлением на Северный географический полюс и направлением на Северный магнитный полюс (именно на него указывает магнитная стрелка компаса). Магнитное склонение, таким образом, используется как поправка к показаниям компаса.
Если ее не учесть, то путешественник прибудет не туда, куда надо. Величина магнитного склонения варьируется тем больше, чем ближе мы находимся к магнитным полюсам Земли.
Поскольку инструментально измерить магнитное склонение в каждой точке земной поверхности невозможно, то основные параметры магнитного поля Земли можно определить по заранее вычисленной модели магнитного поля, одной из которых и является модель WMM.
Вот факт: модель WMM сегодня используется во всех устройствах, оснащенных компасом (от GPS-навигаторов до смартфонов), то есть точные измерения важны, к примеру, для военных или гражданской авиации.
Но сложность в том, что оба магнитных полюса, и Северный, и Южный, находятся в постоянном движении: соответственно в каждой точке меняется и магнитное склонение, а значит, и модель WMM надо постоянно обновлять.
Обычно это делают раз в пять лет, но в этот раз, в связи с ускорением полюса, 2020 года не дождались.
Можно ли заметить сдвиг «невооруженным глазом»? Вопрос в том, где именно вы находитесь. Условно говоря, на Северном полюсе вы, использую «старую» модель, рискуете промахнуться с пунктом назначения, а в Москве разница заметна не будет.
И все же она важна: как сообщалось, в некоторых аэропортах мира даже приходится «переименовывать» полосы, это сделали, например, в Фэрбенксе, на Аляске, еще в 2009-м (большие белые цифры на краю взлетно-посадочной полосы как раз указывают на магнитный курс полосы). Эксперты, впрочем, отмечают: катастрофы нет, ведь саму модель вовремя обновили и теперь промахнуться никто не должен.
А для россиян и вовсе предусмотрен бонус: мы станем чаще наблюдать северное сияние, ведь оно возникает в стратосфере как раз вблизи магнитного полюса.
Ученые, в свою очередь, озабочены другим: они пытаются понять, почему движение магнитного полюса вдруг ускорилось.
Ну, например, одна из версий, изложенная в авторитетном научном журнале Nature, гласит: столь быстрое движение полюса может быть связано с высокоскоростным потоком расплавленного железа — как раз под Канадой.
По предположению ученых из Лидсского университета (Великобритания), этот поток, похоже, «размазывает» и ослабляет магнитное поле под Канадой, вот полюс и перетягивает к Сибири, где находится еще одна большая магнитная область.
При этом большинство ученых сходятся в главном: подземная жизнь Земли (особенно в связке с магнитным полем планеты) для нас во многом еще загадка.
Однако, пожалуй, самое драматичное, что связано с этим дрейфом,— в другом. Оказывается, движение магнитных полюсов может быть началом так называемой инверсии магнитного поля планеты, когда ее полюса просто поменяются местами.
Тут надо пояснить. Вообще-то смена полярности магнитного поля Земли — редкое явление. Она может не меняться, скажем, миллионы лет, но бывало и так, что этот срок значительно сокращался — до десятков тысяч. В среднем, как подсчитали ученые, за последнее время инверсии случались примерно каждые 200–250 тысяч лет.
Но именно сейчас пауза затянулась: инверсии не было уже 780 тысяч лет… Не пора ли? Специалисты предупреждают: при инверсии уменьшается защита планеты от космической радиации, так что повод для беспокойства все-таки есть.
Конечно, ничего апокалиптического случиться не должно, ведь предыдущие инверсии не убили живые организмы на Земле.Однако вопрос о том, как на нее может отреагировать, к примеру, наша техника, открыт и актуален.
Как актуален и другой вопрос: возможно, это никакая не инверсия, а всего лишь временные колебания? Впрочем, даже в этом вопросе единства у ученых пока что не наблюдается.
Причины движения Северного магнитного полюса кроются в механизме генерации магнитного поля нашей планеты, или геодинамо. Магнитное геодинамо «работает» во внешнем жидком ядре Земли на глубине от 2900 до 5150 км. Оно имеет сложный механизм, и мы вряд ли когда-то сможем познать его полностью.
И все же кое-что нам известно: главными условиями возникновения магнитного поля Земли является ее быстрое вращение вокруг своей оси и источник тепла в ее ядре. Существуют разные математические и даже физические модели геодинамо, но они лишь позволяют имитировать основные особенности поведения геомагнитного поля.
Предсказывать его мы, к сожалению, не умеем.
Впрочем, могу успокоить: если перемещение полюса вовремя обнаруживать и учитывать в моделях магнитного поля (WMM, IGRF), проблем быть не должно.
Что, собственно, и сделали в начале 2019-го: WMM была досрочно обновлена в той ее части, которая относится к приполярным областям (при смещении полюса именно там погрешность навигационных приборов будет максимальной). Дело, правда, не только в навигации.
Магнитное поле защищает нас от космического излучения, и его ослабление на порядки может привести к воздействию повышенной радиации на биосферу Земли. А это уже серьезно.
Возможно ли, что нынешнее движение Северного магнитного полюса связано с будущей инверсией (когда Северный и Южный магнитные полюса Земли меняются местами.— «О»)? Да, это возможно. Но вероятность того, что инверсия будет и что ее не будет — одинакова. Как я уже говорил, предсказывать поведение геомагнитного поля мы не можем.
Однако архео- и палеомагнитологи, то есть ученые, изучающие поведение и структуру магнитного поля Земли в прошлом, давно обнаружили: перед инверсией напряженность геомагнитного поля значительно уменьшается (поле практически «выключается»), а амплитуда и скорость перемещения магнитных полюсов возрастают.
Так вот в последние десятилетия мы действительно наблюдаем эти «признаки инверсии».
Согласно современным представлениям, процесс инверсии магнитного поля Земли может длиться от 200 до 8000 лет.
Так что теперь нужно последить за происходящим еще полвека, а то и пару веков. И уж потом определить, будет она или нет. Словом, ждем и следим.
А заодно ведем изыскания в области геомагнетизма, сегодня они в первую очередь направлены на понимание механизма генерации магнитного поля Земли.
Когда у нашей планеты возникло магнитное поле? Почему оно возникло? Каким оно было миллионы и миллиарды лет назад? Для этого ведутся активные палеомагнитные и археомагнитные исследования «ископаемого магнетизма» — изучение магнитных минералов, которые во время формирования породы «сохраняют» величину и направление магнитного поля Земли на тот момент времени.
Полученные данные используются для совершенствования математических моделей магнитного геодинамо, а эти модели, в свою очередь, позволяют лучше и точнее изучить эволюцию магнитного поля Земли в прошлом. Возможно, когда-нибудь это позволит нам заглянуть и в его будущее.
Спецпроект «Огонька» о передовых достижениях физики
Читать далее
За изменения климата в масштабах сотен и тысяч лет отвечает магнитное поле Земли
21.04.2020 17:58:00
Предположительно последний раз смена магнитных полюсов Земли произошла около 780 тыс.
лет назад. Иллюстрация Depositphotos/PhotoXPress.ru
Какие физические процессы могут быть ответственны за изменения климата? В масштабах десятков миллионов и более лет таковыми, безусловно, являются движения материков. За изменения климата в масштабах нескольких лет могут быть ответственны изменения активности Солнца и извержения вулканов. А вот причины изменений климата в масштабах веков не исследованы и остаются неведомы.
Ливермор и его команда
Никем не показано, что климат в масштабах столетий должен быть стационарным. Чередование ледниковых периодов и периодов потеплений может являться частью колебательного процесса, физику и геофизику которого еще только предстоит понять. Поэтому естественно обратиться к поиску физических процессов, которые ответственны за изменения климата. Кандидатов не так уж много.
1. Изменение активности Солнца в масштабах столетий и тысячелетий. Наиболее известен и лучше всего изучен солнечный цикл с длительностью около 11 лет (цикл Швабе).
Выделяют также удвоенный цикл Швабе длиной около 22 лет (цикл Хейла), имея в виду, что состояние глобального магнитного поля Солнца возвращается к исходному через два полных 11-летних цикла.
То есть циклы Хейла и Швабе определяются магнитным полем Солнца.
В поведении солнечной активности имеются также гораздо менее выраженные циклы большей длительности: например, цикл Гляйсберга с периодом около одного века, а также сверхдлинные циклы длиной в несколько тысяч лет.
Таким образом, изменения климата на Земле в масштабах сотен лет в принципе могут определяться циклом солнечной активности. Однако такие циклы пока изучены недостаточно, чтобы делать научные выводы об их влиянии на земной климат. Пока это только одна из гипотез.
2. Изменение орбиты Земли. Орбита нашей планеты теоретически могла бы меняться под влиянием притяжения к другим планетам Солнечной системы. Однако ни теоретических, ни экспериментальных данных о существенном изменении земной орбиты под влиянием тяготения в настоящее время нет.
Поэтому данную гипотезу можно рассматривать как чистую спекуляцию.3. Прецессия земной оси. Прецессия – процесс, который наблюдал каждый, вращая волчок. Полный цикл земной прецессии составляет около 2765 лет. Это явление, прецессия земной оси, ответственным за изменения климата в масштабах столетий не может быть.
Кроме того, в результате прецессии меняется освещенность Северного и Южного полушарий, когда льды таят на Северном полюсе, они наращивались бы на юге, и наоборот. Однако ледниковые периоды и потепления проходили по всей земле.
4. Изменения магнитного поля земли. При инверсии северный магнитный полюс и южный магнитный полюс меняются местами. Предположительно последний раз инверсия магнитных полюсов произошла около 780 тыс. лет назад. И она тоже ответственной за изменения климата за время существования Homo sapiens быть не могла.
Недавно при исследовании истории магнитного поля новейшими методами обнаружилось, что после последнего временного сдвига оси, который произошел около 40 тыс. лет назад, северная стрелка компаса еще несколько тысячелетий указывала на современный южный полюс.
А глобально полюса, напомню, менялись местами примерно 780 тыс. лет назад. Такое запаздывание (подобное эффекту гистерезиса) с точки зрения физики Земли само по себе интересно.
Но поскольку оно происходит не чаще чем раз в сотни тысяч лет, ответственным за изменения климата в масштабах десятилетий и столетий оно быть не может.
Однако возможен и более мягкий процесс, когда изменения магнитного поля Земли, как по его напряженности, так и в географическом положении полюсов, происходят на сравнительно небольшую величину, без смены северного магнитного полюса на южный магнитный, а южного на северный. Оба эти процесса детектированы в последнее время.
Показано, что за последние несколько сотен лет напряженность магнитного поля Земли плавно, но довольно заметно снизилась, а положение северного и южного магнитных полюсов значительно изменилось.
Как отметил руководитель этих исследований геофизик из Лидского университета доктор Фил Ливермор, ученых уже давно интересует, почему северный магнитный полюс, который ранее располагался в окрестностях островов Элсмир в канадской Арктике, в последние два десятилетия перемещается на север, сдвигаясь в сторону России примерно на 50–55 км каждый год.
Ливермор и его команда пытаются найти ответ на этот вопрос с ноября 2013 года – с тех пор, как Европейское космическое агентство запустило спутниковую космическую миссию Swarm, нацеленную на изучение магнитного поля Земли.
Три года назад исследователи заметили, что магнитное поле в северных приполярных районах сильно и быстро меняется, так что получалась своеобразная «ромашка» из чередующихся зон с аномально слабым и аномально сильным магнитным полем.
Иногда напряженность поля в «лепестках» всего за сезон менялась на значение, равное половине общей силы магнитного поля планеты.
Как предполагают ученые, в последнюю треть прошлого века такой «лепесток», расположенный под Канадой, резко поменял форму. Его границы сильно расширились, из-за чего сила его воздействия на магнитное поле Земли упала, а движение полюса в сторону России резко ускорилось.
В результате, отмечает Ливермор, два года назад северный магнитный полюс пересек линию перемены дат и официально оказался в Восточном полушарии. По последним прогнозам геофизиков, скорость и траектория его движения в ближайшие годы не изменятся, так что магнитный полюс сдвинется еще на 390–660 км к югу, но северных берегов Евразии не достигнет.
Причиной изменения напряженности магнитного поля и его положения могут быть струи расплавленного метала, двигающиеся с большой скоростью по близким к круговым орбитам под Северным полюсом планеты, увидеть которые стало возможным благодаря исследованиям со спутников.
Кто управляет Гольфстримом
Может ли изменение напряженности и географического положения магнитных полюсов Земли быть ответственным за изменения климата в масштабах веков и десятилетий? Теоретически ответ на этот вопрос, безусловно, является положительным.
Изменение положения магнитных полюсов планеты и напряженности магнитного поля может влиять на интенсивность и направление океанических течений, подобных Гольфстриму. Вспомним, что вода – это электролит. Даже чистая вода.
Концентрация положительных ионов водорода (H+) и отрицательных ионов гидроксильной группы (OH−) имеет порядок 10–7. Другими словами, в ионизированном состоянии находится одна десятимиллионая часть массы воды.
Величина как будто бы небольшая, но если речь идет о движениях громадных масс, масса ионов воды в них воистину колоссальна.
Так, Гольфстрим (протяженностью тысячи километров и шириной того же порядка) движет более тысяч кубических километров воды, а значит, в ионизированном состоянии находится порядка миллиарда кубометров катионов ионов водорода и анионов гидроксида. Под действием постоянно действующих на ионы воды сил в направлениях океанских течений могут происходить изменения.
Разумеется, для оценки влияния изменения напряженности магнитного поля Земли на течения типа Гольфстрима требуется проведение математического моделирования. Но из рассмотрения проблемы на качественном физическом уровне ясно, что такое влияние может быть очень серьезным, вплоть до изменения направления океанских течений.
Изменение положения магнитных полюсов планеты и напряженности магнитного поля при взаимодействии с ионизированной атмосферой Земли может влиять на интенсивность муссонов и их направление.
В верхних слоях атмосферы ионы возникают под действием коротковолнового солнечного излучения.
В нижних – ионизаторами нейтральных атомов и молекул являются главным образом радиоактивное излучение и космические лучи.
Взаимодействие магнитного поля Земли с ионами воздуха в нижних слоях (тропосфера и стратосфера) и в верхних слоях (мезосфера и термосфера) имеет разную физическую природу и различается по порядку величины.
Однако взаимодействие ионов воздуха с магнитным полем Земли и в том, и в другом случае существенно влияет на муссоны (ветры, возникающие на границе суши и океана), на хамсины (изнуряющие жаркие ветры в Африке и на Ближнем Востоке), а также на частоту, интенсивность и направление ураганов.
А значит, это может влиять на климат как в региональных масштабах, так и в масштабе планеты.
Возвращение к Птолемею
Другой результат изменения магнитного поля Земли – наложение на прецессию, определяемую вращением Земли вокруг Солнца и магнитным полем Солнца в орбите Земли, прецессии, определяемой изменением магнитного поля самой Земли.
В случае взаимодействия изменения магнитного поля Земли с прецессией, определяемой вращением Земли вокруг Солнца, может иметь место прецессия прецессии, имеющая частоту, определяемую движением магнитного поля Земли и изменением его интенсивности.
Если для простоты предположить, что обнаруженное Ливермором с соавторами движение северного магнитного полюса в действительности является круговым, то прецессия прецессии Земли по форме напоминает эпициклы – круговое движение вокруг двигающейся по кругу орбиты. Впервые эпициклы были введены 2 тыс. лет назад Клавдием Птолемеем для объяснения движения планет с учетом гравитации Солнца и других небесных тел.
Когда стало понятно, что, движения любых масс определяются законом всемирного тяготения, теория эпициклов Птолемея была признана ошибочной.
Однако в случае прецессии прецессии магнитного поля Земли эпициклы прецессии вращения Земли, а не траектория движения Земли, возможно, являются правильным описанием в достаточно неплохом приближении происходящих изменений оси магнитного поля Земли.
Которое, в свою очередь, может оказаться ответственным за изменения климата в масштабах тысячелетий, столетий и десятилетий.
Прецессия прецессии Земли, безусловно, может отвечать за изменение климата в масштабах десятков, сотен и тысяч лет.
Нью-Йорк
Магнитное поле Земли
В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли.
Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?
Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен.
Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения.
Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.
Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, — теория динамо-эффекта — предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.
Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по «направлению».
Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический.
Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.
Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра.
Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля.
Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).
Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро.
В недавней работе ученые из Массачусетсткого технологического института предложили сразу два возможных механизма образования «скалистых» планет без ядра.
Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то формулу для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.
Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами.
Не так давно исследователи установили, что Земля «помнит» о смене полюсов. Анализ таких «воспоминаний» показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз.
Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.
Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время «переходного периода» на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.
Кроме «следов» плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить опасные изменения. Настолько резких «движений» поля ученые не регистрировали уже очень давно.
Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. «Толщина» магнитного поля в этом районе не превышает трети от «нормальной». Исследователи давно обратили внимание на эту «прореху» в магнитном поле Земли.
Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.
На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере.
Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства.
Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и «выбрасывает» их в космическое пространство.
Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле.
Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально. Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля.
Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.
Мы знаем о магнитном поле Земли (геомагнитном поле), что оно ориентирует стрелку компаса в направлении север-юг, благодаря ему совершены великие физические открытия, до сих пор геомагнитное поле используется для воздушной, водной, подводной и космической навигации.
Однако далеко не все знают, что геомагнитное поле оказывает очень глубокое влияние на геофизические, биофизические и экологические процессы на Земле. Оно сыграло выдающуюся роль в эволюции Земли, в происхождении и защите жизни на Земле.
Поэтому ниже будет рассказано об основных свойствах геомагнитного поля и о его влиянии на эволюцию нашей планеты.
Напряжённость геомагнитного поля невелика, на поверхности Земли она изменяется от 0.3 эрстед на магнитном экваторе до 0.6 эрстед на магнитных полюсах, которые, не совпадают с соответствующими географическими полюсами.
Отклонение магнитных полюсов от географических в настоящее время достигает 2000-3000 км.
Геомагнитное поле пронизывает все три оболочки Земли: литосферу, гидросферу и атмосферу, воздействует на живую и неживую природу, на все четыре царства природы: растительное, животное, минеральное и, конечно, человеческое.
Магнитное поле Земли также оказывает существенное влияние на климат и погоду. Изменения его интенсивности могут привести к значительным колебаниям в температуре, в атмосферном давлении и в частоте выпадения осадков, а также к бурям, ураганам и другим стихийным бедствиям.
Геомагнитное поле намагничивает все минералы и горные породы. Магнитную память о древнем геомагнитном поле сохраняют входящие в состав всех горных пород ферримагнитные минералы. Их естественная остаточная намагниченность появляется во время их образования и сохраняется полностью или частично до нашего времени.
Оно также намагничивает почвы, оказывая заметное влияние на плодородие последних. Проведённые эксперименты показали, что подмагничивание почв в более сильных, чем земное, полях может ускорить рост растений.
Этот любопытный факт прямой связи подмагничивания почв с их плодородием может иметь важное прикладное значение для сельского хозяйства.
Геомагнитное поле состоит из главного геомагнитного поля, источники которого находятся во внешнем электропроводящем ядре Земли, аномального, создаваемого намагниченными горными породами, и внешнего геомагнитных полей. Вклад главного геомагнитного поля составляет более 95%. В соответствии с общей теорией геомагнетизма Гаусса главное геомагнитное поле состоит из дипольной и недипольной частей.
В первом приближении теории геомагнитное поле является полем диполя, наклоненного к оси вращения Земли на угол 10-12 градусов. Аномальное поле составляет около 3% геомагнитного поля, а внешнее, связанное с солнечно-земными взаимодействиями, – менее 1%. Измерения магнитного поля Земли выполняются на магнитных обсерваториях, магнитные съемки бывают сухопутными, водными, воздушными и спутниковыми.
Силовые линии и напряжённость геомагнитного поля находятся в непрерывном изменении. Изменения (вариации) геомагнитного поля имеют периоды как в сотни и тысячи лет, так и от нескольких месяцев, до долей секунд.
Кроме того, имеется тенденция смещения силовых линий геомагнитного поля на запад со скоростью 0.2 градуса в год (так называемый западный дрейф).
Длиннопериодные вариации с периодом от 60 до 1800 и более лет называются «вековыми», короткопериодные (с периодом меньше одного года) очень различны как по своим периодам, так и по своей природе.
Источники вековых вариаций, по современным представлениям, находятся в ядре Земли, источники короткопериодных – в верхних слоях атмосферы, в ионосфере и магнитосфере. Интенсивность короткопериодных вариаций зависит от активности солнечно-земных взаимодействий.
На Земной поверхности существуют так называемые магнитные аномалии, напряженность которых существенно превышает среднее аномальное геомагнитное поле. Магнитные аномалии во многих случаях связаны с залежами полезных ископаемых. Таким образом, непосредственные измерения геомагнитного поля прямо связаны с поиском полезных ископаемых (включая алмазы) как на суше, так и на дне мирового океана.
Согласно современным представлениям, геомагнитное поле образовалось приблизительно через 1 миллиард лет после образования самой планеты Земля, возраст которой составляет около 4,5 миллиарда лет. В результате дифференциации вещества Земли возникла различные по физическим свойствам оболочки.
В результате Земля состоит из земной коры, мантии, внешнего жидкого электропроводящего металлического ядра и внутреннего твёрдого ядра. Геомагнитное поле оказало влияние на эволюцию и свойства тела Земли, биосферу и человека.
В последнее время было убедительно доказано, что у различных организмов – от бактерий до позвоночных – выявляются поведенческие реакции на изменения геомагнитного поля. Это свидетельствует о том, что геомагнитное поле воспринимается этими организмами и является существенным компонентом их среды обитания. Всё это в полной мере относится и к человеку.
Ведь нам известно, как люди реагируют на изменения магнитной активности, многие люди очень чувствительны к магнитным бурям. Поэтому магнитное поле Земли имеет огромное экологическое значение. Более того, оно делает возможной саму жизнь на Земле.
Последнее связано с тем, что геомагнитное поле образует магнитосферу Земли, которая является природным барьером на пути солнечного ветра и космического излучения к поверхности Земли.
Радиационные зоны магнитосферы захватывают и удерживают частицы высоких энергий солнечного и космического излучений за пределами атмосферы Земли.
Магнитосфера простирается на расстояние порядка десяти земных радиусов (радиус Земли составляет 6371 км) в направлении Солнца и на расстояние порядка 1000 земных радиусов в противоложном направлении.
Солнечный ветер представляет собой постоянный поток плазмы, состоящей из высокоэнергетических протонов, электронов, и небольшого количества ядер гелия, ионов кислорода, кремния, серы, железа и др., которые ежедневно с огромной скоростью приближаются к нашей планете. Скорости этих частиц у орбиты Земли достигают 350 и даже 700 километров в секунду, что в тысячи раз больше скорости звуковых волн в сухом воздухе.
Итак, именно геомагнитное поле является одним из обязательных условий существования и развития жизни на Земле, потому что, как уже было сказано выше, оно, наравне с атмосферой, защищает Землю от пагубного разрушительного воздействия солнечного ветра и космических лучей.
Более того, жизнь на Земле могла возникнуть только после дифференциации вещества Земли, возникновения ядра и, соответственно, геомагнитного поля.
До появления геомагнитного поля поверхность Земли подвергалась непрерывному воздействию «стерилизующей» космической радиации, которая препятствовала началу биогенеза.
После возникновения жизни она миллиарды лет развивалась в присутствии различных геомагнитных явлений: магнитных вариаций и пульсаций разных периодов, магнитных бурь, полярных сияний. Ко всем этим магнитным эффектам живые организмы приспосабливались и эволюционировали таким образом, чтобы использовать их для улучшения своего существования.
Вспышки на солнце вызывают изменения интенсивности солнечного ветра, что в свою очередь является основной причиной возмущения геомагнитного поля и магнитосферы. А эти возмущения являются источником наиболее интенсивных геомагнитных сигналов на Земле – магнитных бурь и суббурь.
Суббурей называется магнитная буря, имеющая локальный географический характер и меньший в сравнении с магнитной бурей «размах». Всем известно, что магнитные бури вызывают у многих людей плохое самочувствие, связанное с повышением или понижением давления, и другие побочные эффекты.
Учёные установили, что в состав человеческой крови и лимфы входят ионы железа, а, как известно, железо обладает магнитным моментом и способностью намагничиваться в магнитном поле.
Может быть именно поэтому человек так чувствителен к любому, даже самому незначительному изменению интенсивности геомагнитного поля.
Любопытно отметить ещё один факт. При использовании биомагнитных изображений учёным удалось показать, что частота «мозговых» волн человека охватывает диапазон геомагнитных микропульсаций и осцилляций геомагнитных бурь.
Конечно, магнитное поле Земли более интенсивно, чем волны мозга, но вопрос о возможной реакции мозга на стимуляцию внешним магнитным полем остаётся открытым. Есть ещё много загадок, связанных с геомагнитным полем.
Некоторые исследования показали, что навигация птиц, пчел и других представителей фауны тесно связана с направлением геомагнитного поля.
Следует обратить особое внимание на то, что прямые измерения геомагнитного поля в магнитных обсерваториях проводятся только на протяжении последних 400 лет.
Полученных данных явно недостаточно для изучения вековых вариаций с периодами 600, 900, 1800 и более лет, а тем более для познания эволюции геомагнитного поля, которое существует не менее четырёх миллиардов лет.
В связи с этим в середине 50-ых годов ХХ века был разработан так называемый палеомагнитный метод исследования древнего геомагнитного поля.
Палеомагнитный метод основан на так называемой магнитной памяти горных пород: способности «запоминать» величину и направление древнего геомагнитного поля, в котором намагничивалась горная порода во время своего образования.
Палеомагнитные данные получаются при «считывании» магнитной информации, которую несёт горная порода и датирования горной породы радиоактивными методами, позволяющее примерно определить возраст исследуемой породы (эпоху её образования). При изучении большого числа разновозрастных горных пород и обобщении полученной таким образом палеомагнитной информации была создана так называемая магнито-хронологическая шкала инверсий, указывающая нам, в какие геологические эпохи направление древнего геомагнитного поля совпадало с современным, а когда оно было ему прямо противоположно.
Палеомагнитные исследования показали, что изменяется не только интенсивность геомагнитного поля, но и знак. То есть, регулярно происходят инверсии (переполюсовки) магнитного поля Земли, при которых северный и южный магнитный полюса меняются местами. За последние 600 миллионов лет геологической истории инверсий насчитывается более тысячи.
Инверсии магнитных полюсов не являются отличительной особенностью нашей планеты. На Солнце смены полярности магнитного поля происходят регулярно, каждые 11 лет. Это является доказанным фактом в физике космоса. Инверсии магнитного поля Земли в среднем происходят с периодом около 1 миллион лет, а продолжительность инверсии составляет в среднем 5000 лет.
Описанные выше палеомагнитные исследования привели также к созданию так называемой концепции тектоники литосферных плит, согласно которой восстановленное по палеомагнитным данным (наблюдаемое) движение магнитных полюсов Земли трактуется как движение в противоположную сторону соответствующих блоков земной коры (континентов, литосферных плит и т.п.) при неподвижных магнитных и географических полюсах. Согласно концепции вся литосфера Земли состоит из 10-12 крупных плит, которые перемещаются относительно друг друга со скоростью от одного до десяти сантиметров в год. При масштабном раздвижении литосферных плит возникают океаны, при сжатии – горные массивы. Концепция объясняет современную структуру материков как следствие раскола древнего праматерика Пангеи и раздвижения его отдельных частей под действием силы вращения Земли. При раздвижении обломков Пангеи (современных материков) между ними образовались Атлантический, Индийский и др. океаны.
Кстати, учёные обнаружили интереснейший факт: на континентах слои с прямо и обратно намагниченными горными породами чередуются вглубь по вертикали, а на океанском дне такое чередование происходит по горизонтали, по обе стороны от срединных океанских хребтов.
То есть если по одну сторону от океанского хребта есть обратнонамагниченный слой горных пород, то по другую сторону океанского хребта есть такой же «слой-близнец», расположенный симметрично относительно хребта. Аналогично для прямонамагниченных слоёв.
Это было установлено при исследовании аномального геомагнитного поля океана в окрестности подводных срединных океанских хребтов.
Измерения показали, что по обе стороны подводного хребта наблюдаются симметричные системы положительных и отрицательных геомагнитных аномалий, источниками которых и являются прямо и обратно намагниченные слои подводных пород.
Такую магнитную структуру дна мирового океана в рамках тектоники плит можно объяснить, связав образование в центрах срединных хребтов новых горных пород в результате магмоизвержений и их движение в стороны от хребтов с инверсиями геомагнитного поля.
То есть, на осях подводных срединно-океанских хребтов в результате магмоизвержений происходит образование новой океанской коры, которая симметрично растекается в стороны. Эта кора намагничивается в действующем в эпоху её образования геомагнитном поле. Если после этого происходит инверсия геомагнитного поля, то следующий, образованный в результате нового магмоизвержения, слой океанской коры будет намагничен противоположно предыдущему. Отсюда такая интересная магнитная структура дна мирового океана, которая может образоваться, если наряду с инверсией геомагнитного поля происходит и расширение (спрединг) дна мирового океана.
Однако, следует отметить, что с точки зрения геомагнетизма концепцию тектоники литосферных плит нельзя считать окончательно научно обоснованной, так как все расчеты движения плит выполнялись при предположении, что магнитные полюса Земли неподвижны и совпадают с географическими.
Однако, в настоящее время северный магнитный полюс смещен на 2000 км от географического, а южный магнитный – на 3000 км от южного географического.
Кроме того, измерения показывают, что силовые линии магнитного поля непрерывно перемещаются по поверхности Земли, при этом изменяются и напряженность геомагнитного поля и положения магнитных полюсов.
Во время инверсий геомагнитного поля, продолжительность которых составляет тысячи лет, напряжённость магнитного поля близка к нулю.
Как было сказано выше, в отсутствие геомагнитного поля деструктивные высокоэнергетические частицы солнечного ветра смогут достигнуть поверхности Земли и уничтожить всё живое.
Конечно, в отсутствие магнитного поля частицы солнечного и космического излучений могут частично тормозиться в верхних слоях атмосферы и, при достижении поверхности Земли, частично терять свои разрушающие свойства. Но, тем не менее, магнитный барьер в верхней атмосфере отсутствует.
Инверсии геомагнитного поля, в процессе протекания которых могут произойти непредсказуемые изменения в живой и неживой природе на поверхности Земли, являются своеобразными революциями и могут оказывать огромное влияние на ход эволюции Земли. Значит ли это, что во время следующей инверсии геомагнитного поля на Земле исчезнет вся биосфера и прекратится всякая жизнь?…
Здесь следует упомянуть, что за время прямых измерений геомагнитного поля (последние 400 лет) ни одной инверсии мы пока не наблюдали. Все инверсии были восстановлены по косвенным признакам: измерениям магнитного сигнала древних горных пород.
При этом предполагается, что этот магнитный сигнал остаётся неизменным в течение тысяч и миллионов лет со времени формирования и намагничивания горной породы в древнем геомагнитном поле и что он несёт нам информацию о величине и направлении древнего геомагнитного поля соответствующей геологической эпохи. Эти предположения не всегда выполняются.
Помимо прочего в некоторых случаях благодаря своим физико-химическим свойствам горная порода намагничивается в направлении, обратном направлению намагничивающего поля, то есть прямо противоположно приложенному полю. Это необычное, но, тем не менее, реально встречающееся явление получило название самообращения намагниченности.
В связи с существованием феномена самообращения, палеомагнитные данные, несущие информацию об обратнонамагниченных горных породах и трактующиеся как инверсии геомагнитного поля, требует более тщательной проверки.
Геомагнитное поле «пронизывает» все сферы жизни человека. Стоит ли говорить, что вся современная морская и воздушная навигация осуществляется при использовании компаса, который, как известно, всегда ориентируется по направлению юг-север.
Конечно, помимо компаса при навигации используются и геодезические измерения. А вот подводные лодки при движении ориентируются только на направление геомагнитного поля.
Измерения геомагнитного поля также широко используются в сейсмологии в качестве предвестников землетрясений.
Список рекомендуемой литературы:
В.И. Трухин и др. Магнетизм почв. Ярославль, 1995.
В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын. Общая и экологическая геофизика, Москва, Физматлит, 2005.
Дж. Джекобс. Земное ядро, Москва, Мир, 1979.
Jacobs. Reversals of the Earth’s magnetic field. Cambridge, Cambridge University Press, 1994.
декан физического факультета МГУ профессор В.И.ТрухинМагнитное 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
Конвертер магнитной индукции • Магнитостатика, магнетизм и электродинамика • Компактный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц измерения
Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисления.Конвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер реактивной мощностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Обмотка, якорь, ярмо и контакты электромеханического реле
Общие сведения
Удивительным образом идеи одного человека могут повлиять на последующее развитие человеческого общества в целом. Таким человеком был Майкл Фарадей, не слишком разбирающийся в хитросплетениях современной ему математики, но прекрасно понимающий физический смысл известных к тому времени сведений о природе электричества и магнетизма благодаря выдвинутой им концепции полевых взаимодействий.
Слева направо: Андре-Мари Ампер, Карл Фридрих Гаусс, Хендрик Антон Лоренц, Ханс Кристиан Э́рстед, Ипполит Пикси; источник: Wikimedia.orgСуществованию современного общества, основанного на использовании электричества, магнетизма и электродинамики, мы обязаны целой плеяде замечательных учёных. Среди них надо отметить Ампера, Эрстеда, Генри, Гаусса, Вебера, Лоренца и, безусловно, Максвелла. В конечном итоге они свели науку об электричестве и магнетизме в единую картину, которая послужила основой целой когорте изобретателей, создавших своими творениями предпосылки для появления современного информационного общества.
В аккумуляторных дрелях обычно используется универсальный двигатель, который может работать как на постоянном, так и на переменном токе
Мы живём в окружении электродвигателей и генераторов: они наши первые помощники на производстве, на транспорте и в быту. Любой уважающий себя человек не мыслит существования без холодильника, пылесоса и стиральной машины. В приоритете также микроволновая печь, фен, кофемолка, миксер, блендер и — предел мечтаний — электромясорубка и хлебопечка. Безусловно, кондиционер тоже страшно полезная штука, но если нет средств для его приобретения, то сойдёт и простой вентилятор.
У некоторых мужчин запросы несколько скромнее: пределом мечтаний самого неумелого мужчины является электродрель. Некоторые из нас, безуспешно пытаясь завести автомобиль в сорокаградусный мороз и безнадежно терзая стартер (тоже электродвигатель), втайне мечтают о приобретении машины производства Tesla Motors на электродвигателях и аккумуляторах, чтобы забыть навсегда о проблемах бензиновых и дизельных моторов.
Электродвигатели повсюду: они поднимают нас в лифте, они перевозят нас в метро, электричках, трамваях, троллейбусах и скоростных поездах. Они доставляют нам воду на этажи небоскрёбов, приводят в действие фонтаны, откачивают воду из шахт и колодцев, прокатывают сталь, поднимают тяжести, работая в различных кранах. И делают очень много других полезных дел, приводя в движение станки, инструменты и механизмы.
Даже экзоскелеты для людей с ограниченными возможностями и для военных выполнены с использованием электродвигателей, не говоря уже о целой армии промышленных и исследовательских роботов.
Сегодня электродвигатели трудятся в космосе — достаточно вспомнить марсоход Curiosity. Они трудятся на земле, под землёй, на воде, под водой и даже в воздухе — не сегодня, так завтра (статья написана в ноябре 2015 г.) самолёт Solar Impulse 2 наконец-то закончит своё кругосветное путешествие, а беспилотным летательным аппаратам на электродвигателях уж просто несть числа. Недаром вполне серьёзные корпорации сейчас трудятся над сервисами доставки почтовых отправлений с помощью беспилотных летательных аппаратов.
Историческая справка
Этот дизель-генератор мощностью 12,5 кВт из экспозиции Военного музея связи и электроники в г. Кингстоне, Онтарио, использовался на радиостанциях при освоении канадского севера
Построенная в 1800 году итальянским физиком Алессандро Вольта химическая батарея, названная впоследствии по имени изобретателя «вольтов столб», воистину оказалась «рогом изобилия» для учёных. Она позволяла приводить в движение электрические заряды в проводниках, то есть создавать электрический ток. Новые открытия с использованием вольтова столба непрерывно следовали одно за другим в различных областях физики и химии.
Например, английский учёный сэр Гемфри Дэви в 1807 году, изучая электролиз расплавов гидроксидов натрия и калия, получил металлический натрий и калий. Ранее, в 1801году, он же открыл электрическую дугу, хотя русские считают её первооткрывателем Василия Владимировича Петрова. Петров в 1802 году описал не только саму дугу, но и возможности её практического применения для целей плавки, сварки металлов и восстановления их из руд, а также освещения.
Слева направо: Майкл Фарадей, Вильгельм Эдуард Вебер, Петер Барлоу, Джозеф Генри, Джеймс Кларк Максвелл
Но самое важное открытие совершил датский физик Ханс Кристиан Эрстед: 21 апреля 1820 года во время демонстрации опытов на лекции он заметил отклонение стрелки магнитного компаса при включении и отключении электрического тока, протекающего через проводник в виде проволоки. Так впервые была подтверждена взаимосвязь между электричеством и магнетизмом.
Следующий шаг сделал французский физик Андре Мари Ампер несколько месяцев спустя после знакомства с опытом Эрстеда. Любопытен ход рассуждений этого учёного, изложенных в сообщениях, направленных им одно за другим во Французскую академию наук. Сначала, наблюдая поворот стрелки компаса у проводника с током, Ампер предположил, что магнетизм Земли тоже вызван токами, обтекающими Землю в направлении с запада на восток. Отсюда им был сделан вывод, что магнитные свойства тела могут быть объяснены циркуляцией внутри него тока. Далее Ампер довольно смело заключил, что магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него, а магнитное взаимодействие обусловлено не особыми магнитными зарядами, а просто движением электрических зарядов, т. е. током.
Ампер тут же занялся экспериментальным исследованием этого взаимодействия и установил, что проводники с током, текущим в одном направлении притягиваются, а в противоположном — отталкиваются. Взаимно перпендикулярные проводники не взаимодействуют друг с другом.
Трудно удержаться, чтобы не привести открытый Ампером закон в его собственной формулировке:
«Сила взаимодействия движущихся зарядов пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, как и в законе Кулона, но, сверх того, ещё зависит от скоростей этих зарядов и направления их движения».
Очень простой электродвигатель из куска проволоки и сильного магнита, извлеченного из старого жесткого диска
Так в физике были открыты фундаментальные силы, зависящие от скоростей.
Но настоящим прорывом в науке об электричестве и магнетизме стало открытие Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции — возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Независимо от Фарадея явление электромагнитной индукции было также открыто Джозефом Генри в 1832 году, попутно открывшим явление самоиндукции.
Публичная демонстрация Фарадеем 29 августа 1831 года была выполнена на изобретённой им установке, состоящей из вольтова столба, выключателя, железного кольца, на котором были намотаны на противоположных сторонах две одинаковые катушки из медного провода. Одна из катушек через выключатель подключалась к батарее, к концам другой был подключён гальванометр. При включении и отключении тока гальванометр фиксировал появление тока разного направления во второй катушке.
В опытах Фарадея электрический ток, названный индукционным током, появлялся и при внесении магнита внутрь катушки или его выдвижения из катушки, нагруженной на измерительную цепь. Аналогично, ток появлялся и при внесении/выдвижении меньшей катушки с током внутрь/из большой катушки из предыдущего опыта. Причём направление индукционного тока менялось на противоположное при внесении/выдвижении магнита или малой катушки с током в соответствии с правилом, сформулированным русским учёным Эмилем Христиановичем Ленцем. в 1833 году.
На основании произведённых опытов Фарадей вывел закон для электродвижущей силы, впоследствии названный его именем.
Идеи и результаты экспериментов Фарадея были переосмыслены и обобщены другим великим соотечественником — гениальным английским физиком и математиком Джеймсом Клерком Максвеллом — в его четырёх дифференциальных уравнениях электродинамики, названных позднее уравнениями Максвелла.
Надо отметить, что в трёх из четырёх уравнений Максвелла фигурирует магнитная индукция в виде вектора магнитного поля.
Магнитная индукция. Определение
Биполярный шаговый двигатель состоит из ротора в форме постоянного магнита и статора, в котором находятся две обмотки с сердечниками, образующие электромагниты
Магнитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Она определяет, с какой силой F магнитное поле действует на заряд q, движущийся со скоростью v. Обозначается латинской буквой В (произносится как вектор Б) и сила рассчитывается по формуле:
F = q [v∙B]
где F —сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на заряд q; v — скорость движения заряда; B — индукция магнитного поля; [v × B] — векторное произведение векторов v и B.
Алгебраически выражение может быть записано в виде:
F = q∙v∙B∙sin α
где α — угол между векторами скорости и магнитной индукции. Направление вектора F перпендикулярно им обоим и направлено по правилу левой руки.
Магнитная индукция является основной фундаментальной характеристикой магнитного поля, аналогичной вектору напряжённости электрического поля.
В Международной системе единиц СИ магнитная индукция поля измеряется в теслах (Тл), в системе СГС — в гауссах (Гс)
1 Тл = 10⁴ Гс
С другими величинами измерения магнитной индукции, применяемыми в различных приложениях, и их переводами из одной величины в другую, можно ознакомиться в конвертере физических величин.
Измерительные приборы для измерения величины магнитной индукции называются тесламетрами или гауссметрами.
Магнитная индукция поля. Физика явлений
В зависимости от реакции на внешнее магнитное поле, все вещества делятся на три группы:
Динамический громкоговоритель, используемый в системных блоках настольных компьютеров; звук создается за счет перемещения звуковой катушки с током в магнитном поле постоянного магнита; катушка соединена с диффузором, который преобразует ее колебания в звуковые колебания воздуха
- Диамагнетики
- Парамагнетики
- Ферромагнетики
Термины диамагнетизм и парамагнетизм были введены Фарадеем в 1845 году. Для количественной оценки этих реакций введено понятие магнитной проницаемости. В системе СИ введена абсолютная магнитная проницаемость, измеряемая в Гн/м, и относительная безразмерная магнитная проницаемость, равная отношению проницаемости данной среды к проницаемости вакуума. У диамагнетиков относительная магнитная проницаемость несколько меньше единицы, у парамагнетиков — несколько больше единицы. У ферромагнетиков магнитная проницаемость значительно больше единицы и носит нелинейный характер.
Явление диамагнетизма заключается в способности вещества противодействовать воздействию внешнего магнитного поля за счёт намагничивания против его направления. То есть, диамагнетики отталкиваются магнитным полем. При этом атомы, молекулы или ионы диамагнетика приобретают магнитный момент, направленный против внешнего поля.
Явление парамагнетизма заключается в способности вещества намагничиваться при воздействии внешнего магнитного поля. В отличие от диамагнетиков, парамагнетики втягиваются магнитным полем. При этом атомы, молекулы или ионы парамагнетика приобретают магнитный момент в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля. При снятии поля парамагнетики не сохраняют намагниченность.
Визуализация информации на карте с магнитной полосой с помощью магнитной пленки-визуализатора и магнитного тонера для лазерного принтера
Явление ферромагнетизма заключается в способности вещества спонтанно намагничиваться при отсутствии внешнего магнитного поля или намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля и сохранять намагниченность при снятии поля. При этом большинство магнитных моментов атомов, молекул или ионов параллельны друг другу. Такой порядок сохраняется до температур, ниже определённой критической, называемой точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри для данного вещества, ферромагнетики превращаются в парамагнетики.
Магнитная проницаемость сверхпроводников равна нулю.
Абсолютная магнитная проницаемость воздуха приблизительно равна магнитной проницаемости вакуума и в технических расчётах принимается равной 4π• 10 ⁻⁷ Гн/м
Особенности поведения магнитного поля в диамагнетиках
Как указывалось выше, диамагнитные материалы создают индуцированное магнитное поле, направленное против внешнего магнитного поля. Диамагнетизм является квантово-механическим эффектом, присущим всем веществам. В парамагнетиках и ферромагнетиках он нивелируется за счёт иных, более сильных, эффектов.
Левитация пиролитического углерода в магнитном поле неодимовых магнитов
К диамагнетикам относятся, например, такие вещества, как инертные газы, азот, водород, кремний, фосфор и пиролитический углерод; некоторые металлы — висмут, цинк, медь, золото, серебро. Многие другие неорганические и органические соединения также являются диамагнетиками, в том числе и вода.
В неоднородном магнитном поле диамагнетики смещаются в область более слабого поля. Магнитные силовые линии как бы выталкиваются диамагнитными материалами за пределы тела. На этом свойстве построено явление диамагнитной левитации. В достаточно сильном магнитном поле, создаваемом современными магнитами, возможна левитация не только различных диамагнетиков, но и мелких живых существ, состоящих в основном из воды.
Магнит падает в алюминиевом желобе очень медленно в связи с тем, что в алюминии образуется тормозящее магнитное поле
Учёным из Университета Нимингена, Нидерланды, удался опыт по подвешиванию в воздухе лягушки в поле с магнитной индукцией порядка 16 Тл, а исследователям из лаборатории НАСА, использовавшим магнит на сверхпроводниках — левитация мыши, которая, как биологический объект, гораздо ближе к человеку, чем лягушка.
Все проводники проявляют диамагнетизм под действием переменного магнитного поля.
Суть явления состоит в том, что под действием переменного магнитного поля в проводниках индуцируются вихревые токи — токи Фуко — направленные против действия внешнего магнитного поля.
Особенности поведения магнитного поля в парамагнетиках
Колебания магнитного маятника полностью затухают после одного качка над алюминиевой поверхностью из-за тормозящего эффекта
Совершенно иным является взаимодействие магнитного поля с парамагнетиками. Поскольку атомы, молекулы или ионы парамагнетиков обладают собственным магнитным моментом, они выстраиваются в направлении внешнего магнитного поля. Тем самым создаётся результирующее магнитное поле, превышающее исходное поле.
К парамагнетикам относятся алюминий, платина, щелочные и щелочноземельные металлы литий, цезий, натрий, магний, вольфрам, а также сплавы этих металлов. Парамагнетиками также являются кислород, оксид азота, оксид марганца, хлорное железо и многие другие химические соединения.
Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, их магнитная проницаемость чуть больше единицы. В неоднородном магнитном поле парамагнетики втягиваются в область более сильного поля. В отсутствие магнитного поля парамагнетики не сохраняют намагниченность, поскольку из-за теплового движения собственные магнитные моменты их атомов, молекул или ионов направлены хаотично.
Особенности поведения магнитного поля в ферромагнетиках
Ферромагнитная жидкость в магнитном поле; ферромагнитная жидкость представляет собой коллоидную систему, состоящую из ферромагнитных или ферримагнитных частицы в органическом растворителе
Благодаря присущему им свойству самопроизвольно намагничиваться, ферромагнетики образуют природные магниты, которые известные человечеству с глубокой древности. Магнитам приписывались магические свойства, их использовали в различных религиозных ритуалах и даже при постройке зданий. Первый прообраз компаса, изобретённый китайцами во втором–первом веках до нашей эры, пытливые пращуры-первооткрыватели использовали для возведения домов согласно правилам фэн-шуй. Использование компаса как средства навигации началось уже в 11 веке для путешествий через пустыни по Великому Шёлковому пути. Позднее применение компаса в морском деле сыграло значительную роль в развитии мореплавания, открытия новых земель и освоения новых морских торговых путей.
Ферромагнитная жидкость
Ферромагнетизм является проявлением квантово-механических свойств электронов, обладающих спином, т.е. собственным дипольным магнитным моментом. Проще говоря, электроны ведут себя подобно крошечным магнитикам. На каждой заполненной электронной оболочке атома может находиться только парное число электронов с противоположными спинами, т.е. магнитное поле таких электронов направлено в противоположные стороны. Из-за этого у атомов, имеющих парное число электронов, общий магнитный момент равен нулю, поэтому ферромагнетиками являются только атомы с незаполненной внешней оболочкой, имеющие непарное число электронов.
К ферромагнетикам относятся металлы переходных групп (железо, медь, никель) и редкоземельные металлы (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий и эрбий), а также сплавы этих металлов. Ферромагнетиками являются и сплавы вышеперечисленных элементов с неферромагнитными материалами; сплавы и соединения хрома и марганца с неферромагнитными элементами, а также некоторые из металлов группы актиноидов.
В накопителях на жестких магнитных дисках поверхность дисков покрыта тонким слоем ферромагнитного материала
Ферромагнетики имеют значение магнитной проницаемости намного больше единицы; зависимость их намагничивания под действием внешнего магнитного поля носит нелинейный характер и для них характерно проявление гистерезиса — если снять действие магнитного поля, ферромагнетики остаются намагниченными. Чтобы убрать эту остаточную намагниченность, необходимо приложить поле обратного направления.
График зависимости магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля H в ферромагнетике, называемый кривой Столетова, показывает, что при нулевой напряженности магнитного поля H = 0 магнитная проницаемость имеет небольшое значение μ₀; затем, по мере роста напряженности, магнитная проницаемость быстро растет до максимума μmax, затем медленно падает до нуля.
Пионером исследования свойств ферромагнетиков был русский физик и химик Александр Столетов. Ныне кривая зависимости магнитной проницаемости от напряжённости магнитного поля носит его имя.
Современные ферромагнитные материалы находят широкое применение в науке и технике: многие технологии и приборы основаны на их использовании и на использовании явления магнитной индукции. Например, в вычислительной технике: первые поколения ЭВМ имели память на ферритовых сердечниках, информация хранилась на магнитных лентах, гибких дискетах и жёстких дисках. Впрочем, последние используются в компьютерах до сих пор и выпускаются сотнями миллионов штук в год.
Применение магнитной индукции в электротехнике и электронике
Память на ферритовых сердечниках диаметром около 1 мм использовалась в компьютерах до середины семидесятых годов прошлого века; одно кольцо использовалось для запоминания одного бита информации; объем этой части матрицы памяти размером около 8×8 см — 1024 (32×32) ферритовых кольца, в которых может храниться 1024 бита, или 1 Кбит информации
В современном мире существует множество примеров использования магнитной индукции поля, в первую очередь в силовой электротехнике: в генераторах электричества, трансформаторах напряжения, в разнообразных электромагнитных приводах различных устройств, инструментов и механизмов, в измерительной технике и в науке, в различных физических установках для проведения экспериментов, а также в средствах электрической защиты и аварийного отключения.
Электродвигатели, генераторы и трансформаторы
Английским физиком и математиком Питером Барлоу в 1824 году был описан изобретённый им униполярный двигатель, ставший прообразом современных электродвигателей постоянного тока. Изобретение ценно также тем, что было сделано задолго до открытия явления электромагнитной индукции.
Ныне практически во всех электродвигателях используется сила Ампера, которая действует на контур с током в магнитном поле, заставляя его двигаться.
Ещё Фарадеем для демонстрации явления магнитной индукции в 1831 году была создана экспериментальная установка, важной частью которой было устройство, ныне известное как тороидальный трансформатор. Принцип действия трансформатора Фарадея и сейчас используется во всех современных трансформаторах напряжения и тока вне зависимости от мощности, конструкции и сферы применения.
Мощные электродвигатели насосной станции в Торонто, Онтарио
Помимо этого Фарадей научно обосновал и доказал экспериментально возможность преобразования механического движения в электричество с помощью изобретённого им униполярного генератора постоянного тока, ставшего прототипом всех генераторов постоянного тока.
Этот мотор-генератор из экспозиции Канадского музея науки и техники в Оттаве использовался на электростанции в Ниагара-Фоллз, шт. Нью-Йорк
Первый генератор переменного тока был создан французским изобретателем Ипполитом Пикси в 1832 году. Позднее, по предложению Ампера, он был дополнен коммутационным устройством, которое позволяло получать пульсирующий постоянный ток.
В основе практически всех генераторов электроэнергии, использующих принцип магнитной индукции, лежит возникновение электродвижущей силы в замкнутом контуре, который находится в изменяющемся магнитном поле. При этом либо магнитный ротор вращается относительно неподвижных катушек статора в генераторах переменного тока, либо обмотки ротора вращаются относительно неподвижных магнитов статора (ярма) в генераторах постоянного тока.
Самый мощный генератор в мире, построенный в 2013 году для АЭС «Тайшань» китайской компанией DongFang Electric, может вырабатывать мощность 1750 МВт.
Помимо генераторов и электродвигателей традиционного типа, связанных с преобразованием механической энергии в электрическую энергию и обратно, существуют так называемые магнитогидродинамические генераторы и двигатели, работающие на ином принципе.
Реле и электромагниты
При подаче напряжения на обмотку реле его якорь притягивается к сердечнику и контакты замыкаются (2)
Изобретённый американским учёным Дж. Генри электромагнит стал первым исполнительным механизмом на электричестве и предшественником всем знакомого электрического звонка. Позднее на его основе Генри создал электромагнитное реле, которое стало первым автоматическим коммутационным устройством, имеющим бинарное состояние.
Работа реле
Это реле Морзе из экспозиции Военного музея связи и электроники в Кингстоне, Онтарио, использовалось в ранних телеграфных станциях, где сигналы воспринимались на слух и записывались телеграфистом на бумагу
Слаботочное реле Генри стало также предпосылкой создания телеграфа, использовавшего простую в технической реализации кодировку Морзе: для передачи точки применялось короткое замыкание контактов ключа на передающей стороне, а для передачи тире — более длительное замыкание. Реле на приёмной стороне под действием протекающего тока, в свою очередь, замыкало контакты более мощного электромагнита, который опускал графитовый стержень на движущуюся бумажную ленту, записывая таким образом передаваемый сигнал. Подъём грифеля над лентой осуществлялся автоматически за счёт механической пружины. В более ранних конструкциях ленты не было и сигналы воспринимались на слух и записывались на бумагу вручную.
Динамический микрофон Shure, используемый в видеостудии TranslatorsCafe.com
При передаче телеграфного сигнала на большие расстояния реле использовались в качестве усилителей постоянного тока, коммутируя подключение внешних батарей промежуточных станций для дальнейшей передачи сигнала.
Динамические головки и микрофоны
В современной аудиотехнике широко применяются электромагнитные динамики, звук в которых появляется из-за взаимодействия подвижной катушки, прикрепленной к диффузору, через которую протекает ток звуковой частоты, с магнитным полем в зазоре неподвижного постоянного магнита. В результате катушка вместе с диффузором движутся и создают звуковые волны.
В динамических микрофонах используется та же конструкция, что и в динамической головке, однако в микрофоне, наоборот, колеблющаяся под воздействием акустического сигнала подвижная катушка с мини-диффузором в зазоре неподвижного постоянного магнита генерирует электрический сигнал звуковой частоты.
Измерительные приборы и датчики
Несмотря на обилие современных цифровых измерительных приборов, в технике измерений до сих пор используются приборы магнитоэлектрического, электромагнитного, электродинамического, ферродинамического и индукционного типов.
Во всех системах вышеперечисленных типов используется принцип взаимодействия магнитных полей либо постоянного магнита с полем катушки с током, либо ферромагнитного сердечника с полями катушек с током, либо магнитных полей катушек с током.
За счёт относительной инерционности таких систем измерений, они применимы для измерений средних значений переменных величин.
Автор статьи: Сергей Акишкин
Unit Converter articles were edited and illustrated by Анатолий Золотков
Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.
Магнитное поле Земли – Объяснение науки
Земля уникальна среди внутренних планет нашей Солнечной системы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) тем, что обладает сильным магнитным полем. Именно это невидимое поле, заставляющее стрелку компаса указывать на север, использовалось мореплавателями на протяжении веков и использовалось перелетными птицами и некоторыми наземными животными, чтобы найти свой путь.
Другая важная функция магнитного поля Земли состоит в том, что оно защищает нас от вредного излучения из космоса.В этом посте я расскажу о причинах возникновения магнитного поля Земли и о той защите, которую оно нам дает, которую мы должны были бы искусственно обеспечить, если бы человечество когда-либо построило колонии на других планетах.
Магнитное поле Земли ведет себя так, как будто внутри Земли находится гигантский стержневой магнит. Полюса этого невидимого магнита, обозначенные как Nm и Sm на схеме ниже, лежат близко к реальным или географическим полюсам, обозначенным как N и S. См. Примечание 1.
Сила магнитного поля измеряется в теслах, названа в честь сербско-американского физика, инженера и изобретателя Николы Тесла (1856-1943), как показано ниже.Магнитное поле в 1 тесла – довольно сильное магнитное поле. Например, небольшой стержневой магнит имеет напряженность поля около 0,01 тесла. Магнитное поле Земли намного слабее этого. Она колеблется в пределах 30-65 миллионных долей тесла – или 30-65 микротесла – и сильнее у магнитных полюсов и слабее у экватора.
Портрет Николы Теслы на сербской банкноте в 100 динаров
Что вызывает магнитное поле Земли?
Общепринятая теория известна как теория динамо.Детали теории довольно сложны. Таким образом, в нем говорится, что магнитное поле Земли создается движениями, вызываемыми вращением Земли, известными как «конвекционные токи» во внешнем ядре, которое является жидким и, поскольку оно сделано из железа, является хорошим проводником электричества. . Согласно этой теории, чтобы любая планета имела магнитное поле, часть ее внутренней части должна состоять из жидкости, которая проводит электричество, и должна вращаться достаточно быстро, чтобы генерировать конвекционные токи.
А как насчет других внутренних планет?
- Марс не имеет магнитного поля, потому что он намного меньше Земли. Его меньший размер означает, что за время, прошедшее с момента образования планет, примерно 4,5 миллиарда лет назад, его внутренняя часть остыла сильнее, чем внутренняя часть Земли, настолько, что вся ее внутренняя часть представляет собой твердое тело, и не может быть никаких конвекционных токов для создания. магнитное поле.
- Венера такого же размера, что и Земля, имеет такой же состав и имеет жидкое внешнее ядро.Однако у Венеры нет магнитного поля, потому что она вращается слишком медленно (для одного вращения требуется 243 дня), чтобы создать конвекционные токи внутри нее.
- Самая внутренняя планета Меркурий имеет очень слабое магнитное поле, около 1% от силы поля Земли. Это удивительно, но до сих пор не полностью изучено. Предполагалось, что у Меркурия не было магнитного поля по той же причине, что и у Марса – его небольшой размер означал, что внутренняя часть планеты остыла настолько, что все ее ядро было твердым.Кроме того, как и Венера, Меркурий вращается очень медленно, раз в 59 земных дней, а это означало, что даже если бы внешнее ядро было все еще жидким, его вращение было бы слишком медленным, чтобы создавать какое-либо магнитное поле. Однако визит космического зонда Mariner 10 на планету в 1974 году показал, что это предположение было неверным, но астрономы ни тогда, ни сейчас не смогли прийти к выводу о том, почему существует магнитное поле. Возможно, ядро все еще жидкое, или может быть, что внутри твердого ядра есть какой-то застывший постоянный магнит.На данный момент трудно понять, как мы когда-нибудь узнаем правду.
Влияние отсутствия магнитного поля на Венеру
В предыдущем посте я обсуждал терраформирование Венеры. Это долгосрочный инженерный проект невообразимо огромного масштаба, который человечество может решить предпринять в далеком будущем, если для этого будет веская причина. Терраформирование сделает планету пригодной для жизни до такой степени, что людям не нужно будет носить какое-либо специальное снаряжение, такое как космические скафандры.После терраформирования Венера будет иметь температуру и атмосферу, аналогичные тем, которые существуют на Земле в настоящее время. Однако отсутствие глобального магнитного поля создаст значительные препятствия для людей, поселившихся на Венере.
Магнитное поле Земли образует защитный экран, называемый магнитосферой, защищающий нас от потока электрически заряженных частиц Солнца, называемого солнечным ветром. Это показано на схеме ниже.
Изображение из НАСА
Венера, поскольку у нее нет магнитного поля, нет магнитосферы. См. Примечание 2 . Это означает, что его атмосфера медленно уносится в космос солнечным ветром. Однако, если люди терраформируют Венеру, потеря атмосферы не будет большой проблемой. Количество потерянной атмосферы будет очень небольшим за время жизни человека. Развитая цивилизация, способная терраформировать планету, легко сможет восполнить выбросы газов в космос.
Более серьезная проблема заключается в том, что солнечный ветер препятствует образованию озонового слоя.На Земле есть область атмосферы на высоте около 30 км над поверхностью Земли, где концентрация газообразного озона является максимальной (NASA 2013).
Изображение из НАСА
Этот озоновый слой предотвращает попадание большей части вредных ультрафиолетовых лучей Солнца на поверхность Земли. На терраформированной Венере без магнитосферы электрически заряженные частицы солнечного ветра поглощали бы любой озон, образующийся в верхних слоях атмосферы. Без защитного озонового слоя высокие уровни ультрафиолетового излучения, попадающего на поверхность планеты, будут означать, что любой, кто рискнет выйти на улицу, подвергнется высокому риску рака кожи.Отсутствие защитного озонового слоя также предотвратит все формы сельского хозяйства, поскольку УФ-излучение разрушит все органические молекулы.
Еще одна опасность для здоровья заключается в том, что многие частицы солнечного ветра и другие смертоносные частицы из космоса, известные как космические лучи, которые отклоняются вокруг Земли ее магнитосферой, попадут на поверхность планеты, подвергая ее жителей серьезному риску заражения. плохое здоровье, так как космические лучи, как известно, влияют на процесс деления клеток. Следовательно, люди будут подвержены риску рака и нарушений роста, но информация об этом отрывочна, потому что единственными людьми, которые отважились выйти за пределы магнитосферы, были астронавты Аполлона в конце 1960-х – начале 1970-х годов.Большинство из них сообщали, что видели вспышки света, даже когда их глаза были закрыты, что было связано с космическими лучами, прошедшими через их скафандр, и их тела рассматривались как вспышки света, когда они попадали в заднюю часть их глаз. С тех пор у них катаракта развилась в гораздо более раннем возрасте, чем можно было бы ожидать. Если бы во время их путешествий случилась солнечная буря, они, вероятно, были бы убиты.
Решением этого чрезвычайно серьезного препятствия было бы создание искусственного магнитного поля Венеры, и это будет темой моего следующего поста.
И, наконец,
Надеюсь, вам понравился этот пост. В будущем я также напишу о геомагнитных инверсиях, когда магнитное поле Земли становится все слабее и слабее, а затем переключается, так что северный полюс становится южным, и наоборот, и о том факте, что магнитные полюса не фиксируются, а постепенно меняются. движущийся.
The Science Geek, с большим количеством корректуры и редактирования его многострадальной жены, миссис Гик.
Банкноты
(1) Сказать, что магнитное поле Земли похоже на стержневой магнит, – это только приближение. Истинная природа магнитного поля Земли более сложна, чем это. Есть много магнитных аномалий, когда магнитное поле Земли намного сильнее или намного слабее, чем это было бы с простой моделью стержневого магнита.
(2) Строго говоря, это не совсем так. У Венеры нет глобального магнитного поля планеты. Однако взаимодействие между электрически заряженными частицами солнечного ветра и атмосферой Венеры вызывает очень слабое и переменное магнитное поле, которое может достигать нуля.15 микротесла (Lumann, Russell, 1997).
Список литературы
Луман, J.G. and Russell, C.T (1997) Venus: Magnetic Field and Magnetosphere, Доступно по адресу: http://www-ssc.igpp.ucla.edu/personnel/russell/papers/venus_mag/ (дата обращения: 17 апреля 2016 г.).
NASA (2013) Ozone hole watch, Доступно по адресу: http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/facts/ozone_SH.html (дата обращения: 17 апреля 2016 г.).
Нравится:
Нравится Загрузка…
СвязанныеОпубликовано Стивом Херли
Привет, меня зовут Стив Херли. У меня докторская степень по астрономии, я живу недалеко от Манчестера на северо-западе Англии. Мой блог (http://thesciencegeek.org) – это довольно легкий блог, посвященный различным научным темам, но в первую очередь астрономии. Он написан в стиле, который легко понять не ученым. Публикации подробности об изданных мною книгах см. на http: // thesciencegeek.org / about / Просмотреть все сообщения Стива Херли
01-01 | Магнитное поле Земли – магнитные единицы – Тесла, Гаусс – напряженность магнитного поля • Магнитно-резонансная томография | ЯМР МРТ | Основы, введение, основные принципы, факты, история
01-01 Введение
его веб-сайт направлен на объяснение МРТ – технологии, основанной на магнетизме и электричестве. Чтобы понять теорию и практику МРТ, ее применения и подводные камни, нужно понимать основы магнетизма и электричества.Поэтому вначале мы рассмотрим и напомним вам некоторые из них.
Слово магнетизм происходит от Магнезии, города в западной части Малой Азии, недалеко от турецкого города Измир. По словам Плиния Старшего, пастырь Магнес шел по горам около 1000 г. до н.э. и был привлечен к земле гвоздями на своих сандалиях. Когда он исследовал причину, он обнаружил, что магнитный камень, магнитный оксид железа, был ответственен за это притяжение.Он также мог намагничивать металл, натирая его магнитом. Это произошло 3000 лет назад, и потребовалось все время, чтобы попытаться объяснить это явление. По сей день в магнетизме есть оттенок колдовства, потому что он создается чем-то, что не видно непосредственно (рис. 01-01).
Рисунок 01-01: Делаем видимыми силовые линии магнитного поля: железные опилки, рассыпанные на стекле, лежащем на двух стержневых магнитах, ориентируются по силовым линиям, отмечающим их направление и расположение. Они сосредоточены на концах магнита, где поле наиболее интенсивно. (N = северный магнитный полюс; S = южный магнитный полюс). |
Магнитное поле Земли на экваторе составляет приблизительно 0,5 Гс или 0.00005 T. Поле электрического консервного ножа составляет примерно 0,2 G, а компьютерного монитора 0,1 G (оба на расстоянии 30 см). Большинство аппаратов для клинической МРТ работают в диапазоне от 5000 до 15000 Гс или от 0,5 до 1,5 Тл, некоторые ниже, например, при 0,3 Тл, некоторые выше, например, при 3,0 Т. резистивный или сверхпроводящий, оба являются разными видами электромагнитов.
Для физиков напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (А / м), тогда как плотность магнитного потока измеряется в Гауссе (Г), древней единице, или Тесла (Тл), современной единице СИ.1 Тл равняется 10 кГс или 10000 Гс. Часто единица Тесла слабо используется для определения напряженности магнитного поля, как мы и здесь. Таблица 01-01 дает обзор блоков.
Таблица 01-01:
Основные магнитные термины и единицы измерения.
электромагнетизм – Насколько сильно магнитное поле Земли в космосе?
Насколько сильно магнитное поле Земли в космосе?
На каком расстоянии? Магнитное поле Земли грубо моделируется наклонным диполем (т.{3} \ tag {1} $$ где $ R_ {E} $ – радиус Земли, $ B_ {o} $ – примерно 31 200 нТл (т.е. средняя величина поля на поверхности Земли вблизи магнитного экватора), а $ r $ – расстояние от центра Земля.
Как видите, к моменту достижения ~ 4 $ R_ {E} $ магнитное поле упало до ~ 490 нТл.
Будет ли оно достаточно сильным, чтобы притягивать к Земле какие-либо магниты?
Я сомневаюсь, что можно было бы создать сценарий для проверки этого, поскольку все объекты в космосе вращаются по орбите со скоростью несколько км / с.Некоторые космические аппараты действительно используют магнитное поле Земли для управления ориентацией / ориентацией, но обычно они вызывают лишь небольшие вращения, а не радиальные силы или силы эффективного сопротивления.
или оттолкнуть его, если он обращен к аналогичному магнитному полюсу?
Я очень в этом сомневаюсь.
Означает ли это, что неодимовый магнит с силой 1,4 тесла и гипотетически того же размера, что и Земля, может намного лучше защитить себя от солнечного ветра?
Если бы у нас было более сильное поле и область источника была бы размером с Землю, тогда да.Если вы использовали что-то размером с небольшой магнит на холодильник, то нет. Вы можете увидеть это, изменив (в уравнении 1 выше) $ R_ {E} \ rightarrow r_ {o} \ sim 1 cm $ и $ B_ {o} \ rightarrow b_ {o} \ sim 1 T $. Размер источника уменьшился на ~ 8 порядков, а напряженность поля увеличилась только на ~ 5-6.
Земля защищает нас от солнечного ветра, потому что эти частицы заряжены, поэтому они реагируют на магнитное поле. Магнитосфера Земли также создает головную ударную волну перед Землей, которая обеспечивает дополнительную защиту, поскольку замедляет любые втекающие частицы и отклоняет их (из-за градиентов магнитного поля).
Я написал более подробную информацию о влиянии солнечного ветра на https://physics.stackexchange.com/a/214509/59023.
Из лаборатории Теслы в Лос-Аламос: мощные магниты совершают полный оборот
На этой неделе на сайте Energy.gov мы вновь возвращаемся к легендарному соперничеству между двумя наиболее важными в истории изобретателями и инженерами в области энергетики: Томасом Эдисоном и Николя Тесла. Проверяйте каждый день, чтобы узнать больше об их жизни, их изобретениях и о том, как их вклад все еще влияет на то, как мы используем энергию сегодня.Поддержите своего фаворита с помощью хэштегов #teamedison и #teamtesla в социальных сетях или проголосуйте на нашем сайте.
В марте 2012 года ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории установили мировой рекорд, достигнув магнитного импульса 100,75 тесла, что примерно в 2 000 000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли.
Установка импульсного поля в Национальной лаборатории Лос-Аламоса включает в себя батареи конденсаторов, генераторы и технические системы, необходимые для поддержки множества мощных магнитов.Один из них – многозарядный магнит 100 тесла, который создает самое мощное неразрушающее магнитное поле в мире.
Изучение магнитов и их свойств неразрывно связано с одним из наших изобретателей на этой неделе: Николя Тесла. Тесла открыл вращающееся магнитное поле в 1882 году, физический принцип, который заметно фигурировал во многих его будущих изобретениях. Тесла (Тл), удостоенная награды очень немногих ученых, была обозначена как единица измерения плотности магнитного потока или силы магнитного поля в 1956 году.Тесла используется в качестве единицы измерения для очень сильных магнитных полей и является стандартом Международной системы единиц (СИ), а гаусс (Г) обычно используется для более слабых магнитных полей. Единица измерения определяется масштабом: одна тесла равна 10 000 гаусс. Для сравнения: магнитное поле Земли имеет плотность магнитного потока около 50 микротесла, или 0,00005 тесла.
Этот многозарядный магнит 100 тесла, названный так потому, что его можно использовать снова и снова, не разрушаясь силой создаваемого им магнитного поля, является пульсирующим – это означает, что поле, которое он генерирует, может поддерживаться только на короткое время. промежуток времени.Сам магнит расположен внутри контейнера с жидким азотом, который поддерживает температуру -198,15 градусов по Цельсию (-324,67 градусов по Фаренгейту), что предотвращает перегрев магнита из-за мощного импульса электричества. Устройство импульсного поля и его набор магнитов доступны для использования исследователями и учеными из академических кругов и частного сектора в качестве назначенного пользователя.
Магнит 100 тесла в Лос-Аламосской национальной лаборатории используется для изучения сверхпроводимости, того, как различные материалы ведут себя под воздействием очень сильного магнитного поля, и его даже можно использовать в качестве наномасштабного микроскопа.Все это стало возможным благодаря новаторским открытиям, сделанным Никола Тесла более века назад.
Магнитное поле Земли
Что такое магнитное поле Земли?
Магнитное поле Земли, также известное как геомагнитное поле, – это магнитное поле, которое распространяется из недр Земли в космос. В космосе магнитное поле Земли встречается с солнечным ветром, который представляет собой поток заряженных частиц, состоящих в основном из смеси материалов, содержащихся в солнечной плазме, состоящей в основном из ионизированного водорода (электронов и протонов), исходящего от Солнца.Величина магнитного поля Земли у поверхности колеблется от 25 до 65 микротеслав (от 0,25 до 0,65 гаусс).
Магнитное поле Земли (магнитный диполь) в настоящее время наклонено под углом примерно 10 градусов по отношению к оси вращения Земли. Это как если бы стержневой магнит был помещен под этим углом в центре Земли. Северный геомагнитный полюс, расположенный недалеко от Гренландии в северном полушарии, на самом деле является южным полюсом магнитного поля Земли, а южный геомагнитный полюс – северным полюсом.Почему северный полюс Земли на самом деле является южным магнитным полюсом? Северный полюс компаса указывает на Северный полюс Земли. Поскольку в отличие от полюсов притяжения, это на самом деле означает, что наш северный полюс действительно является южным магнитным полюсом.
Рисунок магнитного поля Земли (предоставлено Питером Рейдом, 2009 г.)
Что вызывает магнитное поле Земли
Магнитное поле Земли создается турбулентным движением электропроводящей жидкости, большая часть которой состоит из железа.Однако, поскольку эти взаимодействия происходят глубоко внутри Земли, их прямое измерение и наблюдение практически невозможно. Ученые почти уверены, что магнитное поле Земли вызвано тем, что ее твердое железное ядро окружено жидким океаном горячего жидкого металла. Таким образом, хотя части внешнего ядра Земли слишком глубоки, чтобы ученые могли их измерить напрямую, мы можем сделать вывод о движении ядра, наблюдая за изменениями магнитного поля.
Почему магнитное поле Земли меняет направление?
Последняя инверсия геомагнитного поля Земли произошла около 780 000 лет назад.Историческая скорость разворота для Земли, кажется, составляет один раз в несколько сотен тысяч лет, но она сильно варьировалась; по крайней мере в двух случаях поле сохраняло одну полярность в течение десятков миллионов лет. . «Считается, что магнитное поле Земли создается жидкими движениями в жидкости, внешней части ядра Земли, которая в основном состоит из железа. Процесс обращения вспять не является буквально« периодическим », как на Солнце, магнитное поле которого меняется каждые 11 лет. Почему это так?
На самом деле на Земле есть два магнитных поля. Есть также более слабое поле, распределенное вокруг планеты, не расположенное вдоль оси север-юг.Исследователи предполагают, что это слабое поле создается ближе к поверхности внешнего ядра Земли, в то время как более сильное поле север-юг создается по всему ядру, включая самые глубокие его части. Считается, что оба поля являются результатом движения электронов от горячих атомов железа в конвективном потоке ядра, которое больше похоже на жидкость, чем на твердое тело . Движение заряженных частиц по планете создает магнитное поле точно так же, как движение электрического тока по проводу.
Для получения отличной дополнительной информации о переключении магнитного поля Земли см .:
Что вызывает периодические изменения магнитного поля Земли? Были ли успешные попытки смоделировать это явление?
Смена магнитного полюса происходит все время (геологическое)
Почему шлепки магнитного поля Земли
Надвигающийся магнитный переворот Земли: геомагнитный разворот может произойти раньше, чем ожидалось
Проверьте свой Понимание: правда в отношении ложных вопросов
Ч32 Магнетизм | |||||||||||
По определению, магнитное поле линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс. Силовые линии магнитного поля не могут пересекаться, так же как силовые линии электрического поля не могут. | |||||||||||
Магнитное поле | |||||||||||
Магнитное поле Земли представляет собой стержень. магнит. Следует отметить, что мы знаем, что северный полюс стрелки компаса указывают на Северный полюс. Это означает, что Северный полюс нашей Земли действительно Южный полюс. | |||||||||||
Магнитная сила на движущемся заряде | |||||||||||
F = q v X B Выполним единичный анализ N = C (м / с) тесла Н = (Кл / с) м тесла Н = А · м Тесла T = N / Am | |||||||||||
Мне НЕ НРАВИТСЯ эта правая линейка, отличная от Закон ампер | Посмотрите вправо, большой палец по-прежнему ток, а пальцы остаются магнитным полем.Ладонь представляет направление силы. Примечание: скорость – это направление потока заряда | ||||||||||
Пример Протон движется в магнитное поле 2,00 Тесла. поле. Протон перпендикулярен полю и движется со скоростью 62,5 м / с. Что такое центростремительное ускорение протона? Почему вы знаете, что это центростремительное движение? | F C = q v X B м а = 1.6e-19 (62,5) (2) 1.673e-27 a = 2e-17 a = 1,20 x 10 10 м / с 2 | ||||||||||
Движение Заряженные частицы в магнитном поле | |||||||||||
Пример Альфа-частица (ядро атома гелия) состоит из двух протонов и двух нейтронов. Луч альфа-частиц разогнался до скорости 510 5 м / с.Этот пучок тяжелых частиц попадает в вертикальное магнитное поле 1 тесла. Сколько времени нужно на альфа частица, чтобы завершить полный круг? | F C = q v X B м v 2 / r = q v X B г = м v / q B г = 4 (1,67e-27) (5e5) / 1,6e-19 (1) r = 20.9e-3 метра | ||||||||||
Магнитный Сила, действующая на токоведущий провод | |||||||||||
Пример А Медный стержень 20 см массой 0.02 кг проводит ток 10 А в положительное направление x. Пусть вверх будет положительное направление y. Что это величина минимального магнитного поля, необходимого для левитации стержня? (Это основу вашего текущего баланса lab.) | F = I L X B м (г) = I L X B 0,02 (10) = 10 (0,2) (В) B = 0,010 тесла | ||||||||||
Петли из Ток и магнитный момент | |||||||||||
Электрический поля применяют тангенциальную силу и ускоряют электроны o Работайте !!! Магнитный Поля создают центростремительную силу и заставляют электроны следовать по кругу. путь не могу работать | В газовая хроматография, масс-спектрометрия, ионы разной массы следуют по круговой пути разного радиуса, позволяющие разделить разные изотопы тот же элемент. | ||||||||||
F = I L X B r X F = I Lr х В τ = I A X B | Кому Увеличьте Крутящий момент, намотайте проволоку. Оберните десять раз, затем десять раз Крутящий момент. τ = N I A X B | ||||||||||
Пример Каждый из 10 витков провода по вертикали, прямоугольная петля пропускает ток 0,25 А. Петля имеет высоту 8.0 см и | Вертикальные стороны (левая и правая) перпендикулярны B F = N (I L X B) F = 10 (0,25) (0,08) (0,049) F = 0,00898N (слева и справа) Верхняя и нижняя части не совсем параллельны поэтому он не отменяет sin25 = 0,423 F = N (I L X B) sin25 F = 10 (0,25) (0,15) (0,049) (0,423) F = 0,007766 N (сверху и снизу) (б) Ток вокруг петли равен противоположный dir слева, справа и снизу вверх, таким образом, ZERO (в) τ = r X F τ = N I A B sin65 10 (.25) (. 15) (0,08) (. 049) (0,906) τ = 0,00133 Нм | ||||||||||
ширина 15 см. Горизонтальное магнитное поле величиной 4,910 −2 Т ориентирован под углом θ = 65 относительно нормали к плоскости петли. а. Находить величина магнитной силы с каждой стороны петли. г. Находить чистая магнитная сила на петле. г. Находить магнитный момент на петле. | |||||||||||
Ампер Закон об электрических токах, Магнитные поля | |||||||||||
B ● dl = o I B ● Δl = o I Где o = 4π x 10 -7 Т м / А Для длинного провода магнитное поле образует круговой путь по мере снижения интенсивности, , так что dl равно 2πr; обычно становится B = o I / (2πr) Справа ЕДИНСТВЕННАЯ правая правило руки мне нравится, и вариация, приведенная выше, основана на этой правой руке правило | |||||||||||
Пример Рассмотреть длинные прямые токоведущие провода.По одному проводу проходит ток 1,0 A в положительном направлении y; другой провод пропускает ток 2,0 А в положительное направление x. Рассчитайте величину чистого магнитного поля. в точках A и B. | |||||||||||
В точке A B = o I / 2πr B = o (I 1 + I 2 ) / 2πr B = 4π x 10 -7 (1 + 2) / 2π (0,2) B = 30 x 10 -7 тесла | В точке B B = o (I 2 – I 1 ) / 2πr B = 4π x 10 -7 (2 – 1) / 2π (.2) B = 10 x 10 -7 тесла | ||||||||||
Текущий Петли и соленоиды | |||||||||||
| Внутри соленоида упрощается закон Ампера. BL = o I N (N равно количество петель, если 1, отменяется) B = o I N / L B = o In | |||||||||||
Пример Один из ребят, перешедших в мою Программа undergradphysics сделала это с одной целью – изготовить большие соленоиды.Он сделал это, чтобы увеличить напряжение для дуги или ионизации пути между соленоидом. и земля. (Наш отдел физики обычно сильно пахнет озоном.) Какова длина этот провод с током 2 А, обернутый вокруг вашей трубы из ПВХ длиной 1 метр 2 (Диаметр 6 см), чтобы создать магнитное поле в 1 тесла? | B ● дл = o I B = o I N / L B = o In или (n = B / o I) Длина = N * 2 π r = п L * π д = (B / o I) L π d = 1 / (4πe-7 * 2) 1 π.06 = 75000 метров | ||||||||||
Магнетизм в Материале | |||||||||||
Ферромагнетик Парамагнитный | |||||||||||
Магнитное поле Земли, также известное как геомагнитное поле, – это магнитное поле, которое простирается от недр Земли до места встречи с солнечным ветром, потоком заряженных частиц, исходящих от Солнца.Его величина на поверхности Земли колеблется от 25 до 65 микротеслав (от 0,25 до 0,65 гаусс). Грубо говоря, это поле магнитного диполя, наклоненного в настоящее время под углом примерно 10 градусов по отношению к оси вращения Земли, как если бы стержневой магнит был расположен под этим углом в центре Земли. Однако, в отличие от стержневого магнита, магнитное поле Земли изменяется со временем, потому что оно создается геодинамо (в случае Земли, движением расплавленных сплавов железа во внешнем ядре).
Северный и Южный магнитные полюса широко блуждают, но достаточно медленно, чтобы обычные компасы оставались полезными для навигации.Однако с нерегулярными интервалами, в среднем несколько сотен тысяч лет, поле Земли меняет местами, и Северный и Южный магнитные полюса относительно резко меняются местами. Эти перевороты геомагнитных полюсов оставляют рекорды в горных породах, которые представляют ценность для палеомагнетиков при расчетах геомагнитных полей в прошлом. Такая информация, в свою очередь, полезна при изучении движений континентов и океанов в процессе тектоники плит. Магнитосфера – это область над ионосферой, простирающаяся на несколько десятков тысяч километров в космос, защищая Землю от заряженных частиц солнечного ветра и космических лучей, которые в противном случае разделили бы верхние слои атмосферы, включая озоновый слой, защищающий Землю. от вредного ультрафиолета.
Магнитное поле Земли служит для отражения большей части солнечного ветра, заряженные частицы которого в противном случае разрушили бы озоновый слой, защищающий Землю от вредного ультрафиолетового излучения. Один из механизмов снятия изоляции заключается в улавливании газа пузырьками магнитного поля, которые срываются солнечными ветрами. Расчеты потери углекислого газа из атмосферы Марса в результате поглощения ионов солнечным ветром показывают, что рассеяние магнитного поля Марса привело к почти полной потере его атмосферы.
