Чем порождается магнитное поле: 1. Чем порождается магнитное поле?

Урок физики в 9-м классе «Электромагнитное поле»

Цели урока:

образовательные: изучить новое понятие
“электромагнитное поле”; повторить ранее
пройденные определения электрического поля,
магнитного поля, условия их возникновения,
свойства; закрепить правила правой и левой руки с
помощью упражнений.
воспитательные: воспитывать
добросовестное отношение к учебе, прививать
навыки как самостоятельной работы, так и работы в
коллективе, воспитывать познавательную
потребность и интерес к предмету.
развивающие: развивать способность
быстро воспринимать информацию и выполнять
необходимые задания; развивать логическое
мышление и внимание, умение анализировать,
сопоставлять полученные результаты, делать
соответствующие выводы.

Оборудование: проводник с током и магнитная
стрелка для проведения опыта Эрстеда; катушка,
соединённая с гальванометром, постоянный магнит
для демонстрации явления электромагнитной
индукции.

Ход урока.

Организационный момент.

Цели нашего сегодняшнего урока : во-первых,
повторить и обобщить знания по теме “Магнитное
поле”, а во-вторых, познакомиться с новым видом
материи – электромагнитным полем, определить
условия его возникновения в пространстве.
Электромагнитное поле играет важную роль в нашей
жизни.

Повторение ранее пройденного учебного
материала.

Приготовились к устному опросу:

Как в пространстве создаётся электрическое
поле?

Чем в пространстве порождается магнитное поле?

Как его можно изобразить графически?

Перечислите основные свойства силовых линий?

Какое поле называется однородным, какое
неоднородным?

Сформулируйте правило правой руки, правило
левой руки.

Как рассчитать модуль вектора магнитной
индукции?

Зависит ли он от силы тока, длины проводника,
силы, действующей на проводник ?

Какое направление имеет вектор магнитной
индукции?

В чем заключается суть явления
электромагнитной индукции?

А теперь выполним несколько упражнений.
Откройте, пожалуйста, тетради, запишите
сегодняшнее число, Классная работа.

На доске и на листочках, лежащих перед вами
приведены четыре задания.

Определить полюсы постоянного магнита и
изобразить линии магнитной индукции поля (рис. 1).

Показать направление силовых линий магнитного
поля рамки с током (рис. 2).

В магнитное поле внесены 4 проводника с током.
Каково направление силы, действующей на каждый
проводник (рис. 3).

Определить знак заряда частицы (рис.4).

Молодцы ребята! Вы хорошо усвоили материал.
Переходим к изучению новой темы. Запишите,
пожалуйста, тему урока “ Электромагнитное
поле”.

 Объяснение нового
материала.

Ребята, мы повторили с вами электрическое и
магнитное поля, и на примерах убедились, что они
неразрывно связаны. В 8 классе вы узнали, что
электрический ток порождает магнитное поле: в
1820 году Эрстед провел следующий опыт (опыт
Эрстеда, магнитная стрелка поворачивается
вблизи проводника с током). А в этом году вы
познакомились с явлением электромагнитной
индукции, открытое 29 августа 1831года Фарадеем,
выяснили, что магнитное поле само способно
порождать электрический ток (показываю опыт
Фарадея, рис. 125, 126 [1]).

В этом же году в Англии родился Джеймс Клерк
Максвелл, который сделал важнейшее научное
открытие. Оно позволило более глубоко понять
сущность явления электромагнитной индукции.

Давайте вспомним, что такое электрический ток? (Ребята
отвечают) Правильно – это направленное
движение заряженных частиц под действием
электрического поля. Получается, что

Земля как магнит: Геомагнитное поле

Алексей Левин
«Популярная механика» №9, 2010

В 1905 году Эйнштейн назвал одной из пяти главных загадок тогдашней физики причину земного магнетизма.

В том же 1905 году французский геофизик Бернар Брюнес провел в южном департаменте Канталь замеры магнетизма лавовых отложений эпохи плейстоцена. Вектор намагниченности этих пород составлял почти 180 градусов с вектором планетарного магнитного поля (его соотечественник П. Давид получил аналогичные результаты даже годом раньше). Брюнес пришел к заключению, что три четверти миллиона лет назад во время излияния лавы направление геомагнитных силовых линий было противоположным современному. Так был обнаружен эффект инверсии (обращения полярности) магнитного поля Земли. Во второй половине 1920-х годов выводы Брюнеса подтвердили П. Л. Меркантон и Монотори Матуяма, но эти идеи получили признание лишь к середине столетия.

Сейчас мы знаем, что геомагнитное поле существует не менее 3,5 млрд лет и за это время магнитные полюса тысячи раз обменивались местами (Брюнес и Матуяма исследовали последнюю по времени инверсию, которая сейчас носит их имена). Иногда геомагнитное поле сохраняет ориентацию в течение десятков миллионов лет, а иногда — не более пятисот веков. Сам процесс инверсии обычно занимает несколько тысячелетий, и по его завершении напряженность поля, как правило, не возвращается к прежней величине, а изменяется на несколько процентов.

Механизм геомагнитной инверсии не вполне ясен и поныне, а уж сто лет назад он вообще не допускал разумного объяснения. Поэтому открытия Брюнеса и Давида только подкрепили эйнштейновскую оценку — действительно, земной магнетизм был крайне загадочен и непонятен. А ведь к тому времени его исследовали свыше трехсот лет, а в XIX веке им занимались такие звезды европейской науки, как великий путешественник Александр фон Гумбольдт, гениальный математик Карл Фридрих Гаусс и блестящий физик-экспериментатор Вильгельм Вебер. Так что Эйнштейн воистину глядел в корень.

Как вы думаете, сколько у нашей планеты магнитных полюсов? Почти все скажут, что два — в Арктике и Антарктике. На самом деле ответ зависит от определения понятия полюса. Географическими полюсами считают точки пересечения земной оси с поверхностью планеты. Поскольку Земля вращается как твердое тело, таких точек всего две и ничего другого придумать нельзя. А вот с магнитными полюсами дело обстоит много сложнее. Например, полюсом можно счесть небольшую область (в идеале опять-таки точку), где магнитные силовые линии перпендикулярны земной поверхности. Однако любой магнитометр регистрирует не только планетарное магнитное поле, но и поля местных пород, электрических токов ионосферы, частиц солнечного ветра и прочих дополнительных источников магнетизма (причем их средняя доля не так уж мала, порядка нескольких процентов). Чем точнее прибор, тем лучше он это делает — и потому все больше затрудняет выделение истинного геомагнитного поля (его называют главным), источник которого находится в земных глубинах. Поэтому координаты полюса, определенные с помощью прямого измерения, не отличаются стабильностью даже в течение короткого отрезка вре

новые данные, новые сомнения • Светлана Ястребова • Новости науки на «Элементах» • Нейробиология, Физика

Сообщения об обнаружении магниторецепции у людей неизменно вызывают большой интерес не только среди ученых, но и в СМИ. Так было и на этот раз, когда в марте вышла статья американо-японской группы ученых под руководством Джозефа Киршвинка. Однако наличие этого «шестого чувства» у Homo sapiens надо еще подтвердить, а также выявить его механизмы. В связи с этим полезно вспомнить, что вообще мы знаем о магниторецепции и видел ли хоть кто-то обеспечивающие ее клетки. Исследований на эти темы достаточно, и полученные данные часто противоречат друг другу — но тем интереснее.

Магнитное поле и человек

Джозеф Киршвинк (Joseph Kirschvink) из Калифорнийского технологического института известен как автор гипотезы «Земли-снежка» (см. статью Сергея Ястребова Кислородная революция и Земля-снежок), согласно которой поверхность нашей планеты несколько раз покрывалась льдом, что приводило к экологическим катастрофам. Менее известна другая заслуга Киршвинка: он открыл магнитофоссилии (см. Magnetofossil) — ископаемые остатки жизнедеятельности бактерий, чувствительных к магнитному полю Земли. Такие микроорганизмы (это не систематическая группа, а скорее «кружок по интересам») существуют и сейчас. Они определяют направление линий магнитного поля, то есть способны к магниторецепции, благодаря кристаллам магнетита (Fe₃O₄) внутри их клеток. Самым старым ныне известным магнитофоссилиям почти два миллиарда лет.

Помимо магниторецепции бактерии и другие организмы, известные примерно с того же времени и находящиеся приблизительно на том же уровне организации, обладают химическим чувством, термо-, фото- и механорецепцией. Аналогичные чувства — зрение, обоняние, ощущение температуры, прикосновений и т. д. — есть и у людей. Логично (по крайней мере, для Киршвинка) предположить, что столь древняя способность, как магнитное чувство, тоже сохранилась у Homo sapiens. Первые эксперименты по поиску магниторецепции у людей Киршвинк начал еще несколько лет назад (см. об этом: E. Hand, 2016. Maverick scientist thinks he has discovered a magnetic sixth sense in humans), и вот теперь вышла полноценная научная статья в рецензируемом журнале eNeuro (C. X. Wang et al. , 2019. Transduction of the Geomagnetic Field as Evidenced from Alpha-band Activity in the Human Brain).

Для проверки предположения о магнитном чувстве у людей в одном из подземных помещений лаборатории Киршвинка собрали систему из катушек Мерритта (см. Merritt coil), ориентированных в одном из трех направлений (верх — низ, север — юг, восток — запад) и генерирующих магнитное поле с индукцией 35 микротесла (рис. 2). Это примерно соответствует величине индукции магнитного поля Земли в месте проведения экспериментов — городе Пасадена, штат Калифорния. От внешних электромагнитных полей установка была экранирована, так как располагалась в клетке Фарадея. Все предметы внутри клетки, кроме системы катушек и установки для регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ), не могли намагничиваться: пол сделали из фанеры, а в деревянном кресле, на котором сидел испытуемый, содержащие железо болты заменили на латунные. «Комната» также была звукоизолирована, а испытуемые большую часть времени должны были сидеть, закрыв глаза.

Горизонтальную и вертикальную составляющие магнитного поля и направление его линий можно было менять. По предположению Киршвинка, детекция каких-то из этих изменений должна была отражаться на электрической активности головного мозга испытуемых, но совершенно не обязана достигать сознания. Простой способ оценить упомянутую электрическую активность — снять ЭЭГ у испытуемого, когда магнитное поле вокруг него неизменно и когда что-то происходит с различными составляющими его индукции.

Если поле постоянное, а не переменное, оно не должно оказать влияния на показания ЭЭГ-электродов. Этим фактом и воспользовался Киршвинк. Его испытуемые — 34 добровольца в возрасте от 18 до 68 лет (европейского, азиатского и африканского происхождения, а также коренные американцы) — по 7 минут сидели с закрытыми глазами в экспериментальном помещении. Никакого конкретного задания у них в этот момент не было. В течение семи минут направление вращения горизонтальной компоненты магнитного поля менялось около ста раз: его вектор время от времени разворачивали по часовой стрелке или против нее. Нечто похожее (в смысле воздействия магнитного поля на мозг — если оно есть) происходит при повороте головы влево или вправо, но в данном случае испытуемые не двигались. Направление вертикального вращения не меняли, так как серия предварительных экспериментов показала: электрическая активность мозга испытуемых из Северного полушария от этого никак не меняется. Поле все время было ориентировано вниз под углом 60–75° к горизонтали. Такое направление соответствовало направлению линий геомагнитного поля в регионах, где родились и выросли испытуемые. Были и моменты, когда искусственное магнитное поле отключали — в качестве контроля. Семиминутные испытания повторяли неоднократно в разные дни.

Во время спокойного бодрствования с закрытыми глазами, когда сознание не занято ничем конкретным, у многих людей на электроэнцефалограмме проявляется альфа-ритм — колебания частотой 8–13 герц и амплитудой 5–100 микровольт. Когда человек сосредотачивает внимание на какой-то поступающей информации, альфа-ритм сменяется другими, при которых электрическая активность клеток мозга менее синхронизирована, — например, бета-ритмом. Соответственно, если Homo sapiens обладают магниторецепцией, амплитуда альфа-колебаний должна падать в момент смены направления вращения магнитного поля.

Такая реакция действительно наблюдалась (на рис. 3 это можно увидеть после первой и третьей розовых линий, также это видно на видеоролике, прилагающемся к исследованию), но лишь у части испытуемых и только тогда, когда поле начинало вращаться против часовой стрелки. Но когда исследователи спрашивали их, чувствовали ли они какие-то изменения, и даже когда в отдельной серии опытов просили ради этого открыть глаза и специально следить за необычными ощущениями, люди давали отрицательный ответ. Иными словами, если магниторецепция у людей и есть, то с сознанием она не связана, а способности к ней у разных людей проявляются в разной степени.

Разумеется, магнитное чувство у людей искали и до того (см., например, A. Sastre et al., 2002. Human EEG responses to controlled alterations of the Earth’s magnetic field, а также новость Возможно, люди способны ощущать магнитное поле, «Элементы», 11. 07.2011), но не находили. Киршвинк и соавторы считают, что дело в силе магнитных полей, использованных в опытах его предшественников: она в два и более раз превышала силу магнитного поля Земли. У многих ориентирующихся по геомагнитному полю животных магнитная чувствительность просто отключается, если величина индукции превышает некий допустимый предел, и это позволяет таким животным не заблудиться, а переключиться на ориентацию по другим системам координат. К тому же 15–20 лет назад данные электроэнцефалограмм обрабатывали другими методами, не способными выявить некоторые важные для исследования магниторецепции отличия. Киршвинк попробовал применить эти старые методы к своим новым данным, и свидетельства снижения амплитуды ЭЭГ при перемене направления вращения поля исчезли.

Железный компас?

Если результаты Киршвинка смогут воспроизвести другие коллективы, наличие магниторецепции у человека можно будет считать установленным. Но никуда не денется вопрос, что именно обеспечивает восприятие магнитных полей человеком. До самого недавнего времени считали, что магнитной чувствительностью обладают белки криптохромы, так как экспрессия человеческих версий этих молекул в теле дрозофил (а свои криптохромы у них при этом не работали) приводила к тому, что эти мушки различали сильно и слабо намагниченные части лабиринта (см. Возможно, люди способны ощущать магнитное поле, «Элементы», 11.07.2011). Однако результаты исследования Киршвинка свидетельствуют о том, что криптохромы тут ни при чем. Эти белки не чувствительны к полярности магнитного поля, а в проведенных экспериментах она оказывала влияние на электрическую активность головного мозга испытуемых.

Помимо криптохромов чувствительность к магнитному полю может обеспечивать магнетит (Fe₃O₄), его мы упомянули в самом начале. Это ферромагнетик, то есть вещество, в котором магнитные моменты атомов упорядочены и в отсутствие заметного магнитного поля. Их направление зависит от полярности такого поля (если оно имеется). Киршвинк и соавторы предполагают, что именно магнетит обеспечивал изменение ЭЭГ испытуемых при наличии магнитного поля. Однако на данный момент рецепторных структур в теле человека, несущих магнетит, не нашли. Известно, что Fe₃O₄ в заметных количествах есть в мозжечке и в стволе мозга (см. S. A. Gilder et al., 2018. Distribution of magnetic remanence carriers in the human brain). Но это не рецепторы, и находятся они глубоко в толще тканей — в то время как магниточувствительные структуры логично было бы вынести ближе к поверхности, дабы повысить число доступных для их восприятия сигналов.

Впрочем, даже у организмов, которым давно и прочно приписали наличие магнитного чувства, не известно точное расположение магниторецепторов и их строение. Взять, например, голубей — птиц, в чьей способности находить дорогу по «магнитным координатам» никто не сомневается (см. новость Тройничный нерв играет определяющую роль в магнитной навигации птиц, «Элементы», 13.08.2018 и популярный синопсис У птичьего компаса обе стрелки синие к статье
Д. А. Кишкинёв, Н. С. Чернецов, 2014. Магниторецепторные системы у птиц: обзор современных исследований). Долгое время считалось, что они делают это благодаря нескольким системам рецепторов и скоплений магниточувствительных молекул — видимо, криптохромам в сетчатке, клеткам с кристаллами магнетита в надклювье и еще каким-то структурам с кристаллами магнетита в лагене — конечном отрезке улитки внутреннего уха. Несколько исследований группы Фляйсснера и Вилчко (см., например, G. Fleissner et al., 2003. Ultrastructural analysis of a putative magnetoreceptor in the beak of homing pigeons) указывали на то, что в надклювье есть несколько групп богатых магнетитом клеток, каждая из которых связана со своей веточкой тройничного нерва. Наличие магниторецепторов в лагене выявили сравнительно недавно, в 2011 году, в лаборатории Дэвида Дикмана в Вашингтонском университете (L. Wu, J. D. Dickman, 2011. Magnetoreception in an Avian Brain in Part Mediated by Inner Ear Lagena).

Истинность обоих предположений подвергли сомнению сотрудники Дэвида Киза (David Keays) из Венского биоцентра. С помощью методов иммуногистохимии, молекулярной биологии и различных вариантов электронной микроскопии они пытались воспроизвести результаты Фляйсснера и Дикмана — и не смогли. В 2012 году в лаборатории Киза показали, что клетки с магнетитом в надклювье голубей не образуют никаких групп. Что еще интереснее, было установлено, что это вовсе не нервные клетки-рецепторы, а клетки иммунной системы — макрофаги (C. D. Treiber et al, 2012. Clusters of iron-rich cells in the upper beak of pigeons are macrophages not magnetosensitive neurons)! Вероятно, эти макрофаги активно поглощают и перерабатывают эритроциты, богатые железосодержащим белком гемоглобином, из-за чего в них самих накапливается железо. В принципе, обнаруженные группой Киза клетки могли бы фагоцитировать и магниторецепторы и поэтому содержать много железа, но эту версию пока никто не подтвердил.

Удар по магнетиту лагены был нанесен позже, в начале 2019 года (E. P. Malkemper et al., 2019. No evidence for a magnetite-based magnetoreceptor in the lagena of pigeons). На сей раз ученые из группы Киза изучали серии срезов внутреннего уха голубей с помощью рентгеновской флуоресцентной микроскопии (см. X-ray fluorescence) и трансмиссионной (просвечивающей) электронной микроскопии. Первая нужна была для выявления железа в лагене, вторая — в том числе для определения, где это железо находится: внутри клеток или вне их. Скоплений кристаллов магнетита не выявили ни в рецепторах лагены, ни в межклеточном пространстве, зато показали загрязнение образцов хромом и железом (рис. 4). Почти полное отсутствие железа в лагене голубей констатировали и за десятилетие до этого (то есть за пару лет до «открытия» магниточувствительности лагены), тогда применили масс-спектрометрию (Y. Zhao et al., 2009. Analysis of magnetic elements in otoliths of the macula lagena in homing pigeons with inductively coupled plasma mass spectrometry). Словом, существование всех возможных магниточувствительных структур у таких известных «навигаторов», как голуби, до сих пор под вопросом.

Кто видел магниторецепторы?

Возникает вопрос: хотя бы у какого-нибудь животного уже удалось достоверно обнаружить магниторецепторы? Увы, пока нет. Большие надежды в этом плане подавал популярный лабораторный объект, круглый червь Caenorhabditis elegans. У этого животного в зрелом возрасте всегда 302 нейрона, и найти в таком количестве клеток магниторецепторы значительно проще, чем в сотнях миллионов птичьих нейронов. Кроме того, C. elegans — единственный организм, для которого известен полный коннектом — все связи, образуемые всеми нервными клетками между собой. То есть в целом уже понятно, чем занимается каждый из этих трехсот с небольшим нейронов.

Андрес Видаль-Гадеа (Andrés Vidal-Gadea) в 2015 году показал, что две клетки C. elegans активируются, если на животное действует специально сгенерированное магнитное поле. Кроме того, червь роет вертикальные ходы в субстрате под определенным корректирующим углом к линиям поля, и этот угол зависит от того, как идут линии магнитного поля Земли на родине животного (см. A. Vidal-Gadea et al., 2015. Magnetosensitive neurons mediate geomagnetic orientation in Caenorhabditis elegans). Нейроны, которые Видаль-Гадеа заподозрил в магниторецепции, носят название AFD (Amphid neurons with finger-like (AfD) ciliated endings): один в левой части головы (AFDL), другой — в правой (AFDR). Ранее было известно, что они чувствительны к концентрации углекислого газа и температуре окружающей среды. Ученые проверили, как обращаются с магнитным полем C. elegans с мутациями в различных генах, активных в определенных чувствительных нейронах. Свое движение вниз в субстрате в поисках пищи с линиями магнитного поля не соотносили только животные с нарушениями экспрессии генов, активных лишь в AFD и более ни в каких других нейронах. Кроме того, в AFDL и AFDR повышалось содержание кальция при стимуляции магнитным полем, а в остальных нервных клетках — нет. Работу по обнаружению магниторецепторов у червя обнародовали еще на конференции Society for Neuroscience в 2013 году. Научную статью по ней хотели опубликовать в Nature, но по каким-то причинам не смогли. «Хватило» только на eLIFE, хороший научный журнал, но все-таки не настолько престижный.

Дэвид Киз и его сотрудники, в нашей истории уже не раз выступавшие в роли «разрушителей легенд», провел множество серий экспериментов в попытке воспроизвести результаты Видаля-Гадеа. Весной 2018 года были опубликованы итоги этих попыток (L. Landler et al., 2018. Comment on «Magnetosensitive neurons mediate geomagnetic orientation in Caenorhabditis elegans«). Поскольку AFD — терморецепторы и регистрируют колебания температуры в десятую долю градуса, австрийцы первым делом предположили, что эти нейроны ощущают не магнитные линии, а тепло, исходящее от генерирующих их катушек. Исследователи попробовали создавать магнитное поле точно такими же катушками, как у Видаля-Гадеа, но оборачивать эти катушки так, чтобы минимизировать распространение тепла от них. Выяснилось, что при дополнительной изоляции черви не ориентируются на линии магнитного поля и не приближаются к магнитам — и это несмотря на то, что поле в экспериментах было в 8000 раз мощнее, чем магнитное поле Земли. То есть такое сильное воздействие было бы сложно не заметить тем, кто реагирует на гораздо более скромные магнитные стимулы (при условии, что его система магниторецепции не отключается от таких зашкаливающих величин). Как-то учитывали эти линии в своих перемещениях только те животные, которых растили на среде с кристаллами магнетита — чего в природе, конечно, не бывает, а вот в результате лабораторного загрязнения такая обстановка может возникнуть.

На этом проблемы и оговорки не закончились. Киз подметил, что в исследовании группы Видаля-Гадеа для проверки направления рытья субстрата 50 червей запускали в один и тот же сосуд. Даже если животные не сталкивались друг с другом, они могли оставлять какие-то химические метки, влияющие на поведение следующих «испытуемых» — и заставляющие их рыть примерно в ту же сторону, что их предшественники. (Сам Киз использовал индивидуальный сосуд для каждого из полусотни своих C. elegans.) Наконец, нашлась несостыковка в поправках на линии магнитного поля Земли. По всей видимости, C. elegans не отличают верх от низа. В таком случае от угла наклона линий магнитного поля Земли к поверхности почвы зависит величина угла корректировки (рис. 5). Чем острее угол вхождения линий в землю (то есть чем ближе к экватору), тем больше должен быть угол корректировки. Поскольку разницы между верхом и низом для C. elegans нет, рядом с экватором в попытке углубиться в субстрат в половине случаев он будет, напротив, выползать на поверхность. А в высоких широтах величина угла корректировки может заставить животное двигаться как вниз, так и по горизонтали (опять же — куда не надо). Избежать этого можно, если ориентироваться на гравитационное поле Земли, то есть уметь различать верх и низ. Но в таком случае и завязанная на магниторецепции сложная система упреждения не нужна.

Интерес без «конфликта интересов»

Парадокс: магниторецепция у многих видов есть, и у человека, судя по последним данным, тоже может иметься. Исследований этого чувства немало. Однако чем больше их становится, тем будто бы сильнее всё запутывается: одни коллективы опровергают результаты других, открытия «закрываются»…

Эта «борьба» кажется утомительной — и одновременно очень интересной. Приятно, когда нет давления догм и когда каждый факт подвергается проверке. Изучение магниторецепции не относится к областям науки, влияющим на повседневную жизнь человека, и это прекрасно. Исследователи магнитного чувства могут (пока что, по крайней мере) не думать, как их открытия будут восприняты обществом, и познавать мир без оглядки на вольных и невольных недоброжелателей. Такой свободы хочется пожелать и всем остальным ученым.

Источник: Connie X. Wang, Isaac A. Hilburn, Daw-An Wu, Yuki Mizuhara, Christopher P. Cousté, Jacob N. H. Abrahams, Sam E. Bernstein, Ayumu Matani, Shinsuke Shimojo and Joseph L. Kirschvink. Transduction of the Geomagnetic Field as Evidenced from Alpha-band Activity in the Human Brain // eNeuro. 2019. DOI: 10.1523/ENEURO.0483-18.2019.

Светлана Ястребова

Магнитное поле Земли старше, чем мы думали

Магнитное поле является естественным «щитом», защищающим нашу планету. Достаточно посмотреть, что стало с нашими соседями по Солнечной системе, давно потерявшими свою атмосферу. Недавно геофизик Джон Тардуно и его коллеги из Университета Рочестера (США) пришли к выводу, что наша магнитосфера возникла значительно раньше, чем предполагалось.

Вспышка на Солнце — мощнейшая за 9 лет

О чем рассказали австралийские цирконы

Порождает магнитное поле Земли ядро нашей планеты, состоящее из жидкого железа. Для поддержания этого процесса необходимо, чтобы планета регулярно избавлялась от части накопившегося в ее недрах тепла. Сейчас процессы выделения земного тепла протекают значительно легче, чем миллиарды лет назад, из-за наличия тектоники плит, способствующей переносу тепловой энергии из глубин планеты к ее поверхности.

Между тем, некоторые специалисты предполагают, что на заре своего существования Земля была лишена магнитного поля. До последнего времени считалось, что его возраст насчитывает 3,45 миллиарда лет. Группе Джона Тардуно удалось доказать, что оно еще старше — не менее четырех миллиардов лет. Об этом рассказали кристаллы, обладающие магнитными свойствами, сохранившиеся в толщах древних пород.

Исследователей привлек регион Джек-Хиллз, расположенный в Западной Австралии. Под ним залегает так называемый Пилабарский щит, где сохранилась первозданная древняя кора Земли возрастом как минимум 3,6 миллиарда лет.

В этом уголке Земли находят древнейшие кристаллы циркона. Для измерения слабых магнитных сигналов от железосодержащих минералов ученые использовали магнитометр высокого разрешения. По этому излучению можно узнать, какими были сила и направление магнитного поля Земли в то время, когда кристаллы сформировались. Таким образом, благодаря цирконам выяснилось, что магнитное поле существовало уже как минимум на 500 миллионов лет раньше, чем до сих пор считала официальная наука, причем его индукция была равна примерно 25 микротесла, что составляет около 12 процентов от современного уровня. Два древних кристалла циркона показали, что примерный возраст магнитного поля может составлять около 4,2 миллиарда лет.

Но ученые пока не торопятся с выводами, так как эти породы 2,6 миллиарда лет назад испытали нагрев до 475 градусов по Цельсию. А это могло привести к перемагничиванию, следовательно, данные магнитной активности могут оказаться неточными. «Среди нас не было консенсуса насчет того когда возникла тектоника и началось движение литосферных плит, — прокомментировал Джон Тардуно в журнале Science. — Наши замеры подтвердили результаты анализа «следов» тектоники в очень древних кристаллах циркона, которые указывали на начало подобных процессов уже 4,4 миллиарда лет назад».

По мнению исследователей, древнее магнитное поле защищало Землю от солнечного ветра. Но иногда солнечным бурям удавалось пробивать естественный щит, лишая атмосферу нашей планеты воды и летучих растений. А вот на Марсе магнитосфера появилась значительно позднее, причем скорость солнечного ветра тогда была в 100 раз выше, чем сегодня. Возможно, именно по этой причине Красная планета превратилась в безжизненную пустыню…

«Точка переворота»

Но это еще не все. Джону Тардуно и его коллегам, похоже, удалось обнаружить точку инверсии магнитосферы, в которой в будущем произойдет смена магнитных полюсов планеты. Об этом исследователи пишут в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Данное место находится в ЮАР, на берегу реки Лимпопо. Дело в том, что местные племена бушменов периодически проводили ритуалы сжигания своих жилищ, корзин с зерном и загонов для скота, чтобы прогнать злых духов. В результате глиняные полы в помещениях прогревались до очень высоких температур, превышающих тысячу градусов по Цельсию. Эта обожженная глина и содержала информацию об изменениях магнитного поля в течение веков.

Так, ученые выяснили, что примерно с XIII по XVI век сила магнитного поля снижалась, причем это происходило куда быстрее, чем сегодня. До недавних пор считалось, что магнитосфера стала слабеть в XIX столетии.

«Геологи достаточно давно считали, что инверсии магнитного поля происходят в случайных точках на поверхности Земли, — комментирует Джон Тардуно. — Наше исследование говорит о том, что на самом деле это может быть не так». По мнению экспертов, именно под данным африканским регионом лежат горячие породы мантии. Высота этих отложений составляет две-три тысячи метров, а тянутся они на несколько сот километров. Это препятствует нормальному движению потоков расплавленной материи в земном ядре, которые, собственно, и порождают магнитное поле.

Авторы исследования заявляют, что пока невозможно с точностью спрогнозировать, начнется ли процесс «переворота» магнитных полюсов в ближайшем будущем, но с большой долей вероятности процесс «стартует» именно в этой точке Земли. Причем такие «перевороты» происходили уже не раз, что было чревато для нашей планеты различными катаклизмами.

Читайте также:

Солнечная система вступает в новую эру

Землю окружает невидимый щит

Магнитное поле Земли не защищает от радиации

Антарктида может растаять с минуты на минуту?

Солнечный ветер подарил планетам воду и жизнь

А существует ли магнитное поле? Альтернативные версии объяснения магнитного поля

Часть I. Стационарное поле

На поставленный в заголовке вопрос любой ответит утвердительно. Иначе чем кусок железа притягивается к магниту, чем стрелка компаса поворачивается на север? Магнитное поле (МП) всесторонне изучено экспериментально, строго описано теоретически, а критерием истинности представлений о нем служит практика. МП вращает роторы электродвигателей, генерирует ток на электростанциях, служит рабочей средой в электромагнитах, трансформаторах, ускорителях заряженных частиц и многих других устройствах современной техники. Этим полем закаляют сталь, устраняют усадочные раковины при выплавке металлов, уничтожают накипь в паровых котлах и трубах теплоснабжения, а также парафиновые отложения в нефтепроводах. Магнитная обработка картофеля, семян растений, автомобильного топлива, простой воды и т.д. приводит к фантастическим результатам, не объяснимым современной наукой.

«Магнетические» явления, как и в средние века, окружены туманом таинственности и соседствуют с магическими. Этим пользуются лжеученые, мошенники и шарлатаны. Если средневековые знахари лечили магнитом порчу и сглаз, то ряд ведущих институтов страны продают магнитотерапевтические аппараты, якобы излечивающие сотни болезней самой разной природы. Астрологи «научно» подкрепляют истинность своих предсказаний воздействием космического МП планет. Не обходятся без МП и многочисленные изобретатели вечных двигателей, обещающие неограниченные потоки бесплатной и экологически чистой энергии.

Вращением магнита создают мифическое торсионное поле, которым обрабатывают настои трав, получая чудодейственные лекарства от различных болезней. Изобретены магниты, защищающие доверчивых людей от шаровых молний. Магнетизмом объясняют прилипание тарелок к человеческому телу и многие другие непонятные явления. МП мы ощущаем руками, поднося кусок железа к магниту, а его структуру можем увидеть глазами, воспользовавшись железными опилками.

Поскольку МП дано нам в ощущениях, измеряется приборами и используется на практике, оно признано особым видом материи. Ему приписали массу и энергию. Однако далеко не все то, что дано нам в ощущениях, является объективной реальностью, то есть материей. Человек обладает богатым воображением и часто чувствует то, чего нет на самом деле. Вспомним «чистую» и «нечистую» силы, леших, барабашек, снежного человека, лох-несское чудовище, НЛО.

Ведь все это кто-то видел, слышал, трогал руками, зафиксировал на фотографиях и в протоколах, а на тарелках инопланетян некоторые даже летали. Ученые тоже часто наблюдают несуществующее — квантование напряжения и температуры, холодный ядерный синтез, многие элементарные частицы, торсионное поле и т.д. Вспомним также историю с флогистоном, учение о котором было господствующим в термодинамике времен Ломоносова. Перетекание этой «огненной материи» от горячей печки хорошо ощущается поднесенной к ней рукой. Теория флогистона давала точное описание тепловых явлений и подтверждалась практикой. Несмотря на это, с развитием науки от флогистона пришлось отказаться.

При этом понимание тепловых процессов стало более строгим, глубоким и простым. А не таким ли «флогистоном» является и МП, понятие о котором досталось нам из истории? В самом деле, что это за материя, которая исчезает при переходе от неподвижной системы отсчета к движущейся вместе с зарядом? Что за поле, если оно не имеет своих материальных носителей — магнитных зарядов, монополей (даже у элементарных частиц магнетизм обусловлен круговыми токами)?

Может ли материальное МП заставить двигаться носители заряда во вторичной обмотке трансформатора, если на них непосредственно не действует, оставаясь локализованным в железном сердечнике? Возможно ли с материалистических позиций объяснить этим полем отклонение заряженной частицы, пролетающей мимо магнита, вне его МП (эффект Ааронова-Бома)? Таких вопросов, как будет показано ниже, можно задавать множество.

Классическая электродинамика Ампера-Фарадея-Максвелла не дает на них ответа. Основываясь на существовании МП, электродинамика часто противоречит логике и фундаментальным законам природы. В настоящей работе будет показано, что МП не существует в природе, оно является нашим вымыслом. Все явления и эффекты, приписываемые магнетизму, имеют чисто электрическую природу и без МП описываются более строго, просто и ясно. По существующим представлениям МП проявляется и фиксируется в двух группах явлений:

стационарное — в силовых эффектах взаимодействия движущихся зарядов, переменное — в появлении ЭДС в замкнутом контуре. Эти эффекты будут рассмотрены, соответственно, в первой и второй частях работы. Взаимодействие точечных зарядов Термин стационарный, то есть постоянный во времени, создает иллюзию чего-то неизменного и неподвижного.

Однако стационарное МП — это принципиально динамическое явление. Оно создается только движущимися зарядами и обнаруживается только ими. Считается, что стационарное МП имеется у пролетающих мимо нас электрических зарядов, вокруг пучков заряженных частиц и проводов с током, внутри соленоидов, у полюсов постоянных магнитов. Во всех этих случаях его источником являются движущиеся заряды (в постоянных магнитах из ферромагнетиков имеются молекулярные кольцевые токи, а в магнитах из сверхпроводников — кольцевые макротоки). Даже у элементарных частиц — электронов, протонов, нейтронов МП обусловлено круговым движением заряженной материи.

Доказательством реальности стационарного МП служат силы, действующие с его стороны на движущиеся электрические заряды. Его регистрируют и измеряют по отклонению пролетающих заряженных частиц, по притяжению или отталкиванию проводов с током, магнитов, соленоидов, по повороту магнитной стрелки, намагничиванию вещества и поляризации элементарных частиц.

Все эти случаи сводятся к силе взаимодействия двух движущихся зарядов, которую и рассмотрим в первую очередь. Неподвижный точечный заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле, напряженность Е которого одинакова во всех направлениях и убывает с расстоянием r как 1/r². Вектор Е направлен по радиусу, а эквипотенциальные поверхности имеют вид сфер с общим центром на заряде (рис. 1, а). Взаимодействие двух неподвижных зарядов q₁, q₂ описывается законом Кулона: где a — расстояние между зарядами, ε —

абсолютная диэлектрическая проницаемость среды. При этом силы F₁₂, действующая со стороны первого заряда на второй, и F₂₁ — со стороны второго на первый, равны и противоположны, то есть в соответствии с третьим законом Ньютона действие равно противодействию. Поле движущегося заряда отлично от поля неподвижного (рис. 1, б). Эквипотенциальные поверхности уже не являются концентрическими сферами, а их центры смещаются вместе с движущимся зарядом. Это связано с тем, что поле распространяется с конечной скоростью, равной скорости света, а каждая следующая его порция испускается из новой точки пространства, куда смещается заряд. Ввиду отличия полей движущегося и неподвижного зарядов сила взаимодействия движущихся зарядов не равна кулоновской F_k(1), а отличается от нее: F = F_k+ F_м (сумма здесь векторная). Добавочная сила Fм, возникающая за счет движения, в классической электродинамике называется магнитной силой и связывается с наличием у движущихся зарядов МП. Она определяется законом Ампера: Прямые скобки здесь означают векторное произведение, В₁ — магнитная индукция, создаваемая первым зарядом в месте нахождения второго, В₂ — вторым на месте первого, v₁ и v₂ — скорости зарядов. Если заряды движутся параллельно друг другу, то магнитная сила, как и кулоновская, является центральной и одинаковой на оба заряда, то есть действие равно противодействию.

Однако в случае непараллельного движения силы F_12М и F_21М не равны друг другу и направлены не по одной линии. А если заряды движутся перпендикулярно друг другу, то магнитная сила действует лишь на один из них, без противодействия на второй (рис. 2) Этот результат противоречит одному из фундаментальных законов природы, гласящему, что действие равно противодействию.

Выражения для магнитных сил (2, 3) противоречат и другому фундаментальному закону природы — принципу относительности Галилея, так как силы зависят от абсолютных скоростей, а должны определяться относительными. Ампер понимал эти противоречия и давал более сложные выражения для сил, которые в дальнейшем забылись. Разрешая противоречия классической электродинамики, Эйнштейн разработал теорию относительности, введя сокращение размеров, замедление времени и прочее для движущихся тел. Введение магнитных сил в классической электродинамике оказалось необходимым ввиду того, что в ней не учитывается отличие электрического поля движущегося заряда от поля неподвижного, а сила взаимодействия движущихся зарядов рассчитывается по статической формуле Кулона (1).

Соответственно электрическое поле движущихся зарядов определяют по статическому уравнению Максвелла divD = ρ (D = εE — электрическая индукция, ρ — объемная плотность заряда). Если бы Эрстед, Ампер, Фарадей, Максвелл и их последователи учли разницу электрических полей, изображенных на рис. 1, а и 1, б, то необходимость введения МП и магнитных сил отпала бы.

Продемонстрируем это на примере взаимодействия токов. Поле тока Проводник, по которому течет постоянный электрический ток, является электрически незаряженным, так как число положительных зарядов в нем равно числу отрицательных и сколько зарядов входит с одной стороны, столько и выходит с другой. Однако, несмотря на компенсацию зарядов, ток создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это связано с тем, что поле движущихся зарядов (в металлах электроны) отлично от поля неподвижных (положительных ионов).

Напряженность поля проводника с током Е = Е_Д— Е_С, где Е_Д — напряженность, создаваемая движущимися зарядами, а Е_С — статическими той же плотности. Электрическое поле цепочки неподвижных зарядов (заряженной нити) из электростатики равно Ес= τ /(2 πε r), где τ — линейная плотность заряда. Вектор Е_С перпендикулярен оси нити и направлен по радиусу r. Если же цепочка зарядов движется со скоростью v, то их поле, как говорят, сносится назад эфирным ветром — оно отстает за счет конечной скорости распространения c (рис. 3). Поэтому его напряженность Приближение справедливо при скоростях v много меньших скорости света с. ^{* )} Суммарное электрическое поле проводника с током где I = v τ — ток,

µ — абсолютная магнитная проницаемость среды. Здесь учтено, что с² = 1/( εµ ). Хотя это поле и обнаружено экспериментально (оно особенно сильно вблизи сверхпроводниковых соленоидов, где протекают большие токи), оно не признается классической электродинамикой. Для описания же создаваемых им эффектов вводят МП с индукцией

Однако МП объясняет лишь часть эффектов (например, взаимодействие двух токов) и не может объяснить, например, воздействие постоянного тока на неподвижный заряд, предсказываемое (5). Взаимодействие токов В 1820 г. Ампер открыл, что два параллельных провода с токами I₁ и I₂ притягиваются, если токи текут в одном направлении, и отталкиваются, если токи встречные, с силой где а — расстояние между проводами, l — их длина. Он объяснил этот факт взаимодействием магнитных полей токов (6). При этом Ампер не знал о существовании у проводов с током электрических полей (5) и не учитывал силу их взаимодействия.

Посмотрим, а не получится ли та же экспериментально измеряемая сила (7) при учете только электрического взаимодействия проводов, без магнитного. Для определенности свободными носителями заряда будем считать положительные частицы. Сила взаимодействия двух проводов с токами I₁, I₂ складывается из четырех составляющих: отталкивания положительных зарядов первого и положительных второго провода F_+1-2, притяжения отрицательных первого и положительных второго F_-1+2, притяжения положительных первого и отрицательных второго F_+1-2, а также отталкивания отрицательных первого и отрицательных второго F_-1-2 (рис. 4) — Последняя составляющая силы между неподвижными отрицательными зарядами определяется из электростатики: где τ₁,

τ₂ — линейные плотности зарядов в проводах. Расчет остальных сил следует вести с учетом движения цепочек зарядов относительно друг друга согласно (4). При этом в соответствии с принципом относительности в качестве скорости v нужно брать относительною скорость, то есть для F_+1-2 v₁, для F_-1+2 v₂, а для F₊₁₊₂ (v₁-v₂). В результате после сокращения статических составляющих сил получим Подставив сюда значение F_c по (9), заменив с 2 на 1/( εµ ), v₁τ₁ на I₁ и v₂τ₂ на I₂, получим выражение Ампера (7). Знак минус означает притяжение. Если один изтоков будет обратного направления, то есть отрицательным, то будет сила отталкивания со знаком плюс. Следовательно, для описания взаимодействия проводов с током не нужно вводить промежуточную среду — МП. Не потеряв, как это сделал Ампер и его последователи, электрическое поле тока, понять и рассчитать это взаимодействие становится проще, строже и нагляднее. При этом отпадают проблемы противоречий с принципом относительности и третьим законом Ньютона.

Намагничивание Наряду с описанными силовыми эффектами стационарное МП проявляет себя в намагничивании вещества. Намагничивание — это приобретение телом магнитного момента p_М= q_М^l, где q_М — положительный и отрицательный магнитные заряды, а l — расстояние между ними (рис. 5, а). Магнитный момент единицы объема вещества M = р_М/V, где V — объем тела, называется намагниченностью. Считается, что она пропорциональна напряженности МП Н: а коэффициент пропорциональности называют магнитной восприимчивостью вещества. Чем больше , тем лучше намагничивается данное вещество.

На самом деле никаких магнитных зарядов q_М типа изображенных на рис. 5, а у намагниченных тел не существует. Реальны же только круговые токи, представляющие собой векторную сумму круговых молекулярных токов и называемые токами Ампера I_А (рис. 5, б). Замена реальной физической картины намагниченного тела (рис. 5, б) на мифический магнитный диполь (рис. 5, а) возможна потому, что на достаточно большом расстоянии от тела МП В этих структур практически одинаково, а именно оно и наблюдается в эксперименте. Различие ближнего МП структур проявляется лишь в специально поставленных экспериментах, в которых, в частности, оказано, что элементарные частицы обладают круговыми токами по рис. 5, б, а не магнитными зарядами по рис. 5, а. Если площадь основания тела S, а высота l , то в соответствии с рис. 5, а его магнитный момент р_М= МSl, а по рис. 5, б p_М= SI_A. Приравнивая эти значения, получим, что I_A = Мl. Если теперь от тока I_A перейти к его плотности на единицу длины тела J_A= I_A/l, то окажется, что

Следовательно, намагниченность М есть не что иное, как линейная плотность кругового тока Ампера. Известно, что ток не может создаваться стационарным МП, как это утверждает соотношение (11) классической электродинамики. ток возбуждается только электрическим полем. Причем, для возбуждения кругового тока электрическое поле должно иметь круговую ЭДС E, то есть быть вихревым. Тогда только при неравной нулю круговой проводимости G o будет ток  I_A= G_oE. В дифференциальной форме это уравнение выглядит так: где

γ_o= G_ol/S — удельная круговая электрическая проводимость вещества, имеющая размерность 1/(Ом•м) или См/м. Из полученного уравнения (13) следует, что для «намагничивания» вещества нужно не МП, а неоднородное, вихревое электрическое поле, ротор которого (то есть dE_y/dx — dE_x/dy) не равен нулю. Такое поле и создают намагничивающие устройства — соленоиды, магниты. Круговая проводимость γ_o характеризует способность вещества «намагничиваться» (по существующей терминологии), а точнее — проводить круговой электрический ток. В диамагнетиках γo мала и отрицательна. В парамагнетиках, где имеются круговые токи неспаренных электронов, ориентируемые вихревым электрическим полем, γ_o положительна.

В ферромагнетиках ниже точки Кюри происходит спонтанная ориентация орбит круговых токов неспаренных электронов и ток Ампера возникает сам собой, без внешних воздействий. При этом γ_o оказывается равной бесконечности. Это означает, что ферромагнетики являются сверхпроводниками, но не обычными с бесконечной линейной проводимостью, а круговыми с бесконечно текущим круговым током. Критическая температура ферромагнитных сверхпроводников равна их точке Кюри. Поэтому ферромагнитные вещества являются самыми высокотемпературными сверхпроводниками. Классические (то есть линейные) сверхпроводники также могут «намагничиваться» вихревым электрическим полем и оставаться постоянными магнитами сколь угодно долго.

Однако протекающий в них круговой ток непрерывный, а не складывающийся из множества молекулярных круговых токов, как в ферромагнетиках. ВЫВОДЫ Таким образом, силы магнитного взаимодействия имеют чисто электрическую природу. Они связаны с отличием электрического поля движущихся зарядов от поля неподвижных. Для их понимания и расчета нет нужды во введении магнитного поля. «Намагничивание» вещества также связано не с магнитным полем, а с возбуждением круговых токов вихревым электрическим полем. Поэтому ферромагнетики являются высокотемпературными сверхпроводниками по круговым токам.

Автор: Петров В.М., канд. физ.- мат. наук, доцент

Тест с ответами: «Магнитное поле»

1. Как взаимодействуют два параллельных проводника, если электрический ток в них протекает в одном направлении:
а) проводники притягиваются +
б) сила взаимодействия равна нулю
в) проводники отталкиваются

2. О чем свидетельствует опыт Эрстеда:
а) об отклонении магнитной стрелки около проводника с током
б) о существовании вокруг проводника с током магнитного поля +
в) о влиянии проводника с током на магнитную стрелку

3. Какая физическая величина имеет единицу 1 тесла:
а) взаимная индукция
б) магнитный поток
в) магнитная индукция +

4. Магнитные линии имеют начало и конец:
а) нет +
б) да
в) время от времени

5. Как изменится период обращения заряженной частицы в однородном магнитном поле при уменьшении ее скорости в 2 раза? Изменением массы частицы пренебречь:
а) уменьшится в 2 раза
б) увеличится в 2 раза
в) не изменится +

6. Однородное магнитное поле – поле, в любой точке которого сила действия на заряд одинакова по модулю и одинакова по направлению:
а) да
б) нет +
в) периодически

7. Магнитный поток через замкнутый виток, помещенный в однородное магнитное поле, зависит:
а) от размера витка
б) от расстояния между вектором магнитной индукции и нормалью к контуру
в) от модуля магнитной индукции +

8. Магнитный поток через замкнутый виток, помещенный в однородное магнитное поле, зависит:
а) от угла между вектором магнитной индукции и нормалью к контуру +
б) от размера витка
в) от расстояния между вектором магнитной индукции и нормалью к контуру

9. Магнитный поток через замкнутый виток, помещенный в однородное магнитное поле, зависит:
а) от размера витка
б) от расстояния между вектором магнитной индукции и нормалью к контуру
в) от площади витка +

10. В пространстве, где находится электрон, создается электрическое и магнитное поля:
а) да
б) нет +
в) зависит от условий

11. В каком случае вокруг движущегося электрона возникает магнитное поле:
1. Электрон движется равномерно и прямолинейно
2. Электрон движется равномерно по окружности
3. Электрон движется равноускоренно прямолинейно
а) только 1
б) 2 и 3
в) все варианты верны +
г) нет верного ответа

12. Девочка качается на качелях, держа в руках постоянный магнит. Магнитное поле обнаружится независимо от того, качели неподвижны или качаются:
а) нет
б) да +
в) только когда качаются качели

13. Вокруг каких зарядов, неподвижных или движущихся, существует электрическое поле:
а) электрическое поле существует вокруг всех зарядов +
б) магнитное поле существует вокруг неподвижных
в) электрическое поле существует вокруг движущихся

14. Вокруг каких зарядов, неподвижных или движущихся, существует магнитное поле:
а) электрическое поле существует вокруг движущихся
б) магнитное поле существует вокруг неподвижных
в) магнитное поле существует вокруг движущихся +

15. Что служит источником магнитного поля:
а) электрический ток +
б) электрический заряд
в) проводник, который включается в цепь

16. Магнитная линия магнитного поля:
а) линия, по которой движутся железные опилки
б) линия, вдоль которой устанавливаются в магнитном поле оси магнитных стрелочек +
в) линия, которая показывает действие магнитного поля на магнитные стрелочки

17. Какова форма магнитных линий магнитного поля прямого проводника с током:
а) замкнутые кривые вокруг проводника
б) радиальные линии, отходящие от проводника как от центра
в) концентрические окружности, охватывающие проводник +

18. Какое направление принято за направление магнитной линии магнитного поля:
а) направление, которое указывает южный полюс магнитной стрелки
б) направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки +
в) направление, в котором устанавливается ось магнитной стрелки

19. Что нужно сделать, чтобы магнитная стрелка, расположенная на магнитной линии магнитного поля прямого проводника с током, повернулась на 180°:
а) отклонить проводник от вертикального положения
б) отключить проводник от источника тока
в) изменить направление электрического тока в проводнике на противоположное +

20. Магнитное поле создаётся электрическим током или заряженными частицами, так ли это:
а) да
б) нет +
в) периодически

21. Взаимодействие проводников с током объясняется явлением электромагнитной индукции, верно ли утверждение:
а) нет +
б) да
в) отчасти

22. За направление вектора магнитной индукции принято направление от … полюса к … полюсу внутри магнита
а) северного полюса к южному
б) южного полюса к северному +
в) не имеет значения

23. У поверхности Земли магнитная стрелка не всегда показывает направление таких линий планеты:
а) ровных
б) электрических
в) магнитных +

24. Вектор магнитной индукции всегда ориентирован … току:
а) параллельно
б) перпендикулярно +
в) он не ориентирован току никак

25. Однородное магнитное поле – это поле, в любой точке которого сила действия на заряд одинакова по модулю и одинакова по направлению, так ли это:
а) да
б) отчасти
в) нет +

26. Магнитное поле – вихревое, т.к. векторные линии поля всегда:
а) разомкнуты
б) замкнуты +
в) параллельны

27. В тех областях пространства, где магнитное поле более сильное, магнитные линии изображают дальше друг от друга, верно ли утверждение:
а) нет +
б) да
в) отчасти

28. Силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения:
а) ионическое поле
б) электрическое поле
в) магнитное поле +

29. Основной силовой характеристикой магнитного поля является:
а) вектор магнитной индукции +
б) вектор электро индукции
в) вектор физической индукции

30. Магнитное поле можно назвать особым видом материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими:
а) электрическим моментом
б) магнитным моментом +
в) электрическими волнами

Генерация магнитного поля Земли

Генерация магнитного поля Земли

Хотя магнитное поле Земли похоже на магнитное поле стержневого магнита, мы должны найти другое объяснение происхождения поля. Постоянные магниты не могут существовать при температурах ядра Земли. Мы также знаем, что у Земли было магнитное поле в течение сотен миллионов лет. Однако мы не можем просто приписать существование нынешнего геомагнитного поля какому-либо событию в далеком прошлом.Магнитные поля распадаются, и мы можем показать, что существующее геомагнитное поле исчезнет примерно через 15 000 лет, если не будет механизма его постоянной регенерации.

Было предложено множество механизмов, объясняющих, как генерируется магнитное поле, но единственный механизм, который сейчас считается правдоподобным, аналогичен динамо-машине или генератору — устройству для преобразования механической энергии в электрическую. Чтобы понять, как динамо-машина будет работать в контексте Земли, нам нужно понять физические условия внутри Земли.

Земля состоит из слоев: тонкой внешней коры, силикатной мантии, внешнего ядра и внутреннего ядра. И температура, и давление увеличиваются с глубиной внутри Земли. Температура на границе ядра и мантии составляет примерно 4800 ° C, что достаточно для того, чтобы внешнее ядро ​​могло существовать в жидком состоянии. Однако внутреннее ядро ​​прочное из-за повышенного давления. Ядро состоит в основном из железа с небольшим процентом более легких элементов. Внешнее ядро ​​находится в постоянном движении из-за вращения Земли и конвекции.Конвекция вызывается восходящим движением легких элементов, когда более тяжелые элементы налипают на внутреннее ядро.

Земля изнутри

Фактический процесс создания магнитного поля в этой среде чрезвычайно сложен, и многие параметры, необходимые для полного решения математических уравнений, описывающих проблему, плохо известны. Однако основные понятия несложны. Для возникновения магнитного поля необходимо выполнение нескольких условий:

1. должна быть токопроводящая жидкость;
2. должно быть достаточно энергии, чтобы заставить жидкость двигаться с достаточной скоростью и с соответствующей структурой потока;
3. должно быть «затравочное» магнитное поле.

Все эти условия выполняются во внешнем ядре. Расплавленное железо — хороший проводник. Энергии достаточно для возбуждения конвекции, а конвективное движение в сочетании с вращением Земли создает соответствующую структуру потока. Еще до того, как магнитное поле Земли было впервые сформировано, магнитные поля присутствовали в форме магнитного поля Солнца. Когда процесс идет, существующее поле действует как начальное поле. Когда поток расплавленного железа проходит через существующее магнитное поле, через процесс, называемый магнитной индукцией, генерируется электрический ток.Вновь созданное электрическое поле, в свою очередь, создаст магнитное поле. При правильном соотношении между магнитным полем и потоком жидкости генерируемое магнитное поле может усиливать начальное магнитное поле. Пока во внешнем ядре имеется достаточное движение жидкости, процесс будет продолжаться.

Подробная информация …

Магнитные поля

Магнитное поле и полюса. Земля окружена
магнитное поле. Магнитные силовые линии происходят с севера и юга
магнитных полюсов , которые находятся примерно на 11,5 градуса от географических Северного и Южного полюсов. Магнитное поле наиболее сильное на магнитных полюсах. Положение магнитных полюсов со временем изменилось и кажется, что они вращаются вокруг географических полюсов по оси, отклоненной от географической оси на 11,5 градусов. Магнитное поле улавливает высокоэнергетические частицы, создаваемые ультрафиолетовым излучением Солнца, тем самым защищая окружающую среду на Земле.

Считается, что магнитное поле создается жидким внешним ядром. Если этот жидкий материал является металлическим, как предполагают геофизические исследования, его течение в результате тепловой конвекции создаст электрический ток. Электрические токи вызывают магнитные поля.

Магнитные аномалии. Напряженность магнитного поля измеряется на поверхности земли магнитометром . Крупномасштабные модели могут быть связаны с конвекционными моделями в жидком внешнем ядре.Местные магнитные особенности или аномалии обычно связаны с разными типами пород. Камни обладают разными магнитными характеристиками, которые в сочетании с общей региональной магнитной картиной создают аномалии. Магнитные аномалии — это области магнетизма, которые выше или ниже среднего магнитного поля для данной области. Положительная магнитная аномалия — это показание, которое превышает среднюю напряженность магнитного поля и обычно связано с более сильными магнитными породами, такими как основные породы или содержащие магнетит породы, под магнитометром.Отрицательная магнитная аномалия — это показание ниже среднего значения магнитного поля. Положительные аномалии также могут быть созданы из-за неровностей поверхности коренных пород под осадочным покровом; скала, которая находится всего в 10 метрах от поверхности и засыпана отложениями, будет иметь более положительные магнитные показания, чем та же скала, которая находится в 80 метрах от поверхности и покрыта отложениями. Точно так же отрицательные аномалии могут возникать в результате образования впадин или грабенов на поверхности коренных пород.

Магнитные характеристики коренных пород, особенно в областях, покрытых ледниковыми отложениями, могут быть очень подробно отображены с использованием значений магнитного поля. Магнитные данные могут даже показать простирание и падение горных пород и очертить контакты между горными породами разного магнетизма.

Смена полярности. Магнитное поле Земли периодически меняло полярность в геологическом прошлом: север становится югом, а юг становится севером. Это явление известно по породам, образовавшимся во время этих периодов обращения.Магнитные минералы кристаллизуются в охлаждающих потоках лавы и направляются к северному магнитному полюсу. Эта магнитная запись навсегда остается в скалах, когда они затвердевают. Изучение палеомагнетизма включает идентификацию более старых магнитных полей, которые окружали Землю в геологическом прошлом.

Лучшими нефтематеринскими породами для детальных палеомагнитных исследований являются мощные скопления пойменных базальтов в недрах континентальных плит. Примерно за последние 5 миллионов лет произошло более двадцати палеомагнитных инверсий; наша текущая ориентация магнитного поля была стабильной в течение последних 700 000 лет.В среднем за последние 20 миллионов лет происходит примерно одно изменение поля каждые 500 000 лет.

Было высказано предположение, что инверсия магнитного поля является результатом изменений направления конвекционного потока в жидком внешнем ядре или периодов отсутствия конвекции. Вполне вероятно, что до начала палеомагнитной инверсии существует короткий период нулевого магнитного поля, что может позволить ультрафиолетовому излучению бомбардировать поверхность Земли и повреждать или убивать различные виды; фактически, вымирание и мутации некоторых видов коррелируют с некоторыми палеомагнитными инверсиями.

Что такое магнитное поле? (с рисунками)

Магнитное поле — это невидимое поле, которое оказывает магнитное воздействие на вещества, чувствительные к магнетизму. Классическим примером одного из них является поле, созданное железным магнитом; Чтобы увидеть, как работает энергия в таком поле, можно поместить небольшой магнит под лист бумаги и насыпать на него железные опилки. По мере того как опилки реагируют на магнитное поле, они медленно ориентируются вдоль оси. Более крупные примеры включают магнитное поле Земли и те, которые создаются другими небесными телами, такими как звезды и планеты.

Магнит-подкова с маркировкой северного и южного полюсов.

Многие люди думают, что магнетизм — это свойство металла, особенно железа, поскольку обычные домашние магниты делают из железа. Электрические токи на самом деле являются силой магнитных полей, которые образуются при движении электрических зарядов.В больших масштабах, как у электромагнита, поле создается пропусканием тока по проводам. В случае домашнего магнита он создается движением электронов по их орбитам. В зависимости от материала и факторов окружающей среды напряженность поля может варьироваться.

Электромагнит припаян к плате.

Магнитные поля обладают многими свойствами, которые ученые и другие исследователи использовали на протяжении веков. В навигации корабли могут ориентироваться с помощью магнитного поля Земли, которое, кстати, находится в нескольких градусах от географических полюсов. В научных исследованиях эти поля могут использоваться для сбора информации о местоположении или объекте; геологи, например, используют инструменты, называемые магнитометрами, для измерения окружающего магнетизма, чтобы больше узнать о подстилающих породах и минеральных материалах.

Стержневой магнит с железными опилками для иллюстрации магнитного поля.

Медицина использует его в таких вещах, как диагностические машины, такие как оборудование для магнитно-резонансной томографии (МРТ).В этом случае поле тщательно формируется и контролируется оператором машины с целью сбора информации о человеческом теле. В альтернативной медицине некоторые целители используют магниты для достижения различных желаемых эффектов. Ученые также могут использовать другие инструменты для создания или изменения магнитных полей с целью узнать больше о Земле.

Оборудование МРТ использует магнитные поля.

Сила магнитного поля сильно различается. Например, аппарат МРТ может вытащить ключи из кармана ничего не подозревающего врача, а бытовой магнит можно легко выбить из дверцы холодильника.