Что называется магнитной силовой линией: Силовые линии магнитного поля – направление, свойства

МАГНИТНЫЕ СИЛОВЫЕ ЛИНИИ — это… Что такое МАГНИТНЫЕ СИЛОВЫЕ ЛИНИИ?



МАГНИТНЫЕ СИЛОВЫЕ ЛИНИИ

МАГНИТНЫЕ СИЛОВЫЕ ЛИНИИ

воображаемые линии, по направлению к-рых действуют магнитные силы в магнитном поле. Представление о характере магнитного поля какого-либо магнита можно получить, насыпав на картон, положенный на магнит, железные опилки, к-рые при этом расположатся по М. с. л. По густоте М. с. л. в каком-либо месте магнитного поля можно судить о его силе в этом месте. Последняя характеризуется величиной, наз. напряженностью магнитного поля, представляющей собой число условных М. с. л., проходящих через площадку в 1 см2, проведенную в данном месте магнитного поля перпендикулярно М. с. л.

Технический железнодорожный словарь. — М.: Государственное транспортное железнодорожное издательство.
Н. Н. Васильев, О. Н. Исаакян, Н. О. Рогинский, Я. Б. Смолянский, В. А. Сокович, Т. С. Хачатуров.
1941.

.

• МАГНИТНЫЕ БУРИ
• МАГНИТНЫЙ МЕРИДИАН

Смотреть что такое «МАГНИТНЫЕ СИЛОВЫЕ ЛИНИИ» в других словарях:

• МАГНИТНЫЕ СИЛОВЫЕ ЛИНИИ — (линии напряженности) воображаемые линии, которые проводят для изображения силового магнитного поля, при этом они располагаются таким образом, что касательные к ним в каждой точке пространства совпадают по направлению с вектором напряжённости.… …   Большая политехническая энциклопедия

• магнитные силовые линии — Воображаемые замкнутые кривые линии, направление касательных к которым в каждой точке совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля в этих точках. [Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и технология неразрушающего контроля.… …   Справочник технического переводчика

• Силовые линии векторного поля — Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей …   Википедия

• МАГНИТНЫЕ ПОЛЮСЫ — области на поверхности магнита (намагниченного тела), где (см.) магнитного поля наибольшая. Обычно участок поверхности, из которого выходят магнитные силовые (см.) магнитного поля, называется северным (N) или положительным М. п., а участок, в… …   Большая политехническая энциклопедия

• МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ — конфигурации магнитного поля, способные длит. время удерживать заряж. ч цы внутри определ. объёма пр ва. М. л. природного происхождения явл. магн. поле Земли; огромное кол во захваченных и удерживаемых им косм. заряж. ч ц высоких энергий (эл нов… …   Физическая энциклопедия

• МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ — конфигурации магн. поля, способные длительное время удерживать заряж. частицы или плазму в ограниченном объёме. Естеств. М. л. является, напр., магн. поле Земли, захватившее плазму солнечного ветра и удерживающее её в виде радиац. лоясов Земли.… …   Физическая энциклопедия

• МАГНИТНЫЕ ПОЛЮСЫ — (Magnetic poles) 1. Точки земной поверхности, где сходятся все изогоны, а наклонение равно 90° (т. е. стрелка стоит вертикально). 2. Магнитные полюсы в магните точки, из которых как бы выходят силовые линии. Эти точки лежат на некотором… …   Морской словарь

• Магнитные ловушки —         конфигурации магнитного поля (См. Магнитное поле), способные длительное время удерживать заряженные частицы внутри определённого объёма пространства. М. л. природного происхождения является магнитное поле Земли; огромное число захваченных …   Большая советская энциклопедия

• МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА — Простейшие проявления магнетизма известны очень давно и знакомы большинству из нас. Однако объяснить эти, казалось бы, простые явления на основе фундаментальных принципов физики удалось лишь сравнительно недавно. Существуют магниты двух разных… …   Энциклопедия Кольера

• ГОСТ 16110-82: Трансформаторы силовые. Термины и определения — Терминология ГОСТ 16110 82: Трансформаторы силовые. Термины и определения оригинал документа: 8.2. Аварийный режим трансформатора Режим работы, при котором напряжение или ток обмотки, или части обмотки таковы, что при достаточной… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Основные свойства и характеристики магнитного поля. — Студопедия

Электромагнетизм

Магнитное поле— это материя, которая возникает вокруг источников электрического тока, а также вокруг постоянных магнитов (рис.1.1). В пространстве магнитное поле отображается как совокупление сил, которые способны оказать воздействие на намагниченные тела. Это действие объясняется наличием движущих разрядов на молекулярном уровне.

Рис. 1.1

Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле. Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.

Свойства магнитного поля:
1. Магнитное поле возникает под воздействие движущих зарядов электрического тока.
2. В любой своей точке магнитное поле характеризуется вектором физической величины под названием магнитная индукция, которая является силовой характеристикой магнитного поля.
3. Магнитное поле может воздействовать только на магниты, на токопроводящие проводники и движущиеся заряды.
4. Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа
5. Магнитное поле измеряется только специальными приборами и не может быть воспринятым органами чувств человека.
6. Магнитное поля является электродинамическим, так как порождается только при движении заряженных частиц и оказывает влияние только на заряды, которые находятся в движении.
7. Заряженные частицы двигаются по перпендикулярной траектории.

Размер магнитного поля зависит от скорости изменения магнитного поля. Соответственно этому признаку существуют два вида магнитного поля: динамичное магнитное поле и гравитационное магнитное поле. Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей строения этих частиц.

Магнитный момент возникает в том случае, когда магнитное поле воздействует на токопроводящую раму. Другими словами, магнитный момент — это вектор, который расположен на ту линию, которая идет перпендикулярно раме.

Магнитное поле можно изобразить графически с помощью магнитных силовых линий. Эти линии проводятся в таком направлении, так чтобы направление сил поля совпало с направлением самой силовой линии. Магнитные силовые линии являются непрерывными и замкнутыми одновременно.

Направление магнитного поля определяется с помощью магнитной стрелки. Силовые линии определяют также полярность магнита, конец с выходом силовых линий — это северный полюс, а конец, с входом этих линий, это южный полюс.

Очень удобно наглядно оценить магнитное поле с помощью обычных железных опилок и листка бумаги.
Если мы на постоянный магнит положим лист бумаги, а сверху насыпим опилок, то частички железа выстроятся соответственно силовым линиям магнитного поля.

Направление силовых линий для проводника удобно определять по знаменитому правилу буравчикаилиправилу правой руки(рис.1.2). Если мы обхватим проводник рукой так, чтобы большой палец смотрел по направлению тока (от плюса к минусу), то 4 оставшиеся пальцы покажут нам направление силовых линий магнитного поля.

Рис. 1.2

· Закон Ампера

Закон Ампера показывает, с какой силой действует магнитное поле на помещенный в него проводник. Эту силу также называют силой Ампера.

Формулировка закона: сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, вектору магнитной индукции, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником.

Энергия, заключенная в магнитном поле, может проявлять себя в виде электромагнитных сил, которые возникают при взаимодействии магнитного поля с движущимися электрическими зарядами

50

Если поместить в магнитное поле проводник с током I, то между электронами, проходящими по проводнику, и магнитным полем возникнут электромагнитные силы, которые, складываясь, образую т результирующую силу F, стремящуюся вытолкнуть проводник из магнитного поля. Электромагнитная сила F, действующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле и расположенный перпендикулярно направлению поля, равна произведению силы тока I, индукции магнитного поля В и длины проводника :

.

Если проводник расположен под углом α к силовым магнитным, то сила, Н,

.

Направление действия силы F обычно определяют по правилу левой руки (рис.1.3).

Рис. 1.3

В результате воздействия таких механических сил при одинаковом направлении тока лежащие рядом проводники будут притягиваться друг к другу (рис. 1.4, а), при разном направлении тока — отталкиваться (рис. 1.4, б). На явлении взаимодействия магнитного поля и проводника с током основано устройство различных электрических машин и приборов, например, измерительных приборов магнитоэлектрической системы. Особенно большие силы между проводниками возникают в электрических цепях при коротких замыканиях.

                                     а)                                   б)

Рис. 1.4 Взаимодействие двух проводников с током: а) при одинаковом направлении тока; б) при разном направлении тока

· Характеристики магнитного поля

Магнитная индукция. Интенсивность магнитного поля характеризуется магнитной индукцией В. Чем сильнее магнитное поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом, тем большую индукцию оно имеет. Направление действия электромагнитной силы F на проводник определяется правилом левой руки (рис. 1.3).

Если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии пронизывали ладонь, а вытянутые четыре пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление действия электромагнитной силы.

По этой силе можно судить об интенсивности магнитного поля, т. е. о его магнитной индукции. Если на проводник длиной 1 м с током 1 А, расположенный перпендикулярно магнитным линиям в равномерном магнитном поле, действует сила в 1 Н, то магнитная индукция такого поля равна 1 Тл (тесла).

Магнитная индукция — векторная величина: в каждой точке поля вектор магнитной индукции направлен по касательной к магнитным силовым линиям.

Магнитный поток. Величина, измеряемая произведением магнитной индукции В на площадь S, перпендикулярную вектору магнитной индукции, называется магнитным потоком Ф:

Ф=BS.

Магнитную индукцию выражают в теслах, а площадь — в квадратных метрах, поэтому единица магнитного потока — вебер:

1 Вб = 1 Тл ∙ 1

Магнитодвижущая сила. Способность тока возбуждать магнитное поле характеризуется магнитодвижущей силой (МДС), Действующей вдоль замкнутой магнитной силовой линии. Магнитодвижущая сила Равна току, создающему магнитное поле, и выражается в амперах.

Для проводника с током I МДС равна току I. В общем случае, когда замкнутый контур магнитной силовой линии охватывает несколько токов, суммарная МДС равна сумме токов.

Для катушки с числом витков w и током I (рис.1.5) МДС равна

ƩI=Iw.

Напряженность магнитного поля. Магнитодвижущая сила, приходящаяся на единицу длины магнитной силовой линии, называется напряженностью магнитногополя Н и выражается в амперах на метр (А/м).

Если физические условия вдоль всей длины I магнитной линии одинаковы, то

.

Например, вокруг прямолинейного проводника с током I линии магнитного поля представляют собой концентрические окружности переменного радиуса х, длина каждой из которых I = 2 х. В этом случае напряженность.

.

По мере удаления от проводника напряженность поля снижается.

Рис. 1.5. Тороидальная катушка

Магнитная проницаемость. Магнитная индукция зависит не только от силы тока, проходящего по прямолинейному проводнику или индуктивной катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит абсолютная магнитная проницаемость . Она определяется отношением магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н и измеряется в генри на метр (Гн/м):

.

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума  = 4π ∙ Гн/м. Для воздуха и других неферромагнитных материалов она незначительно отличается от магнитной проницаемости вакуума и при технических расчетах принимается равной 4π ∙ Гн/м. Так как абсолютная магнитная проницаемость для вакуума и указанных ранее материалов практически одинакова, то  называется магнитной постоянной . Абсолютная магнитная проницаемость ца ферромагнитных материалов непостоянна и во много раз превышает магнитную проницаемость вакуума. Число, показывающее, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость  ферромагнитного материала больше магнитной постоянной , называется относительной магнитной проницаемостью , или (сокращенно) магнитной проницаемостью:

.

· Магнитные свойства вещества

Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из сравнительно немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами становятся источниками магнитного поля. В результате этого вектор магнитной индукции при наличии вещества отличается от вектора магнитной индукции в вакууме.

Определение

Магнитная проницаемость веществаμ показывает, во сколько раз вектор магнитной индукции в веществе больше, чем вектор магнитной индукции в вакууме, то есть

=μ⋅

Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.

Вещества, у которых, подобно железу, μ≫1, называются ферромагнетиками.

Важнейшее свойство ферромагнетиков − существование у них остаточного магнетизма. Из ферромагнетиков изготавливают постоянные магниты.

Однако при нагревании до достаточно высокой температуры ферромагнитные свойства у тел исчезают (точка Кюри).

Температура, при которой вещество теряет ферромагнитные свойства, называется температурой или точкой Кюри.

При нагревании постоянного магнита выше этой температуры он перестает притягивать железные предметы. Магнитная проницаемость ферромагнетиков непостоянна, она зависит от магнитной индукции внешнего поля.

Существуют вещества, которые ведут себя подобно железу, т.е. втягиваются в магнитное поле. Эти вещества называют парамагнитными. У них μ>1, но от единицы отличается на величину порядка .

Магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры и уменьшается при ее увеличении. Без намагничивающего поля парамагнетики не создают собственного магнитного поля. Постоянных парамагнетиков нет.

Диамагнетики — вещества, которые выталкиваются из магнитного поля. У диамагнетиков μ<1, отличается от единицы на величину порядка .

Магнитная проницаемость практически не зависит от индукции намагничивающего поля и от температуры. При вынесении диамагнетика из внешнего намагничивающего поля он полностью размагничивается и магнитного поля не создает.

Сверхпроводники − идеальные диамагнетики. Магнитное поле вообще не проникает внутрь сверхпроводника. Это означает, что сверхпроводник является идеальным диамагнетиком. Так как магнитная индукция внутри проводника равна нулю, то по формуле =μ⋅  магнитная проницаемость μ сверхпроводника также равна нулю.

· Намагничивание ферромагнетика. Этапы намагничивания.

Намагничивание ферромагнетиков представляет собой процесс, состоящий из нескольких этапов.

На первом этапе при увеличении напряжённости внешнего магнитного поля увеличиваются размеры тех доменов, у которых собственный магнитный момент образует с внешним полем острый угол. При этом уменьшается объём тех доменов, у которых этот угол тупой.

______________________________

* Обычно размеры домена составляют 10^-4…10^-5 м.

К концу первого этапа домены, у которых упомянутый угол острый, полностью поглощают те, у которых угол между собственным и внешним магнитным полем тупой.

Этот этап намагничивания называют этапом смещения границ.

На втором этапе дальнейшее увеличение напряжённости внешнего магнитного поля вызывает поворот магнитных моментов доменов в сторону внешнего магнитного поля.

Второй этап намагничивания называют этапом вращения.

К концу второго этапа магнитные моменты всех доменов направлены по внешнему магнит-ному полю. По окончании этого этапа наступает третий этап намагничивания – этап насыщения.

В ходе первого и второго этапов намагничивания поле внутри ферромагнетика растёт за счёт увеличения как внешнего магнитного поля, так и магнитного поля, созданного доменами.

На третьем этапе увеличение магнитного поля в ферромагнетике происходит только за счёт роста внешнего магнитного поля. Суммарное магнитное поле доменов не изменяется.

· Явление гистерезиса

Если уменьшать магнитное поле, которое вызвало намагничивание ферромагнетика, то окажется, что зависимость индукции магнитного поля в ферромагнетике от напряжённости внешнего магнитного поля не совпадает с начальной кривой намагничивания.

При уменьшении напряжённости внешнего магнитного поля до нуля, магнитное поле в ферромагнетике не уменьшится до нуля. Индукция магнитного поля в ферромагнетике окажется равной В_ост – остаточной индукции поля в ферромагнетике. Другими словами – образец ферромагнетика после выключения внешнего магнитного поля останется намагниченным.

Для того, чтобы уменьшить индукцию магнитного поля в ферромагнетике до нуля, необходимо изменить направление внешнего магнитного поля на противоположное и начать постепенное увеличение его напряжённости.

При некоторой напряжённости Н_с индукция поля в ферромагнетике уменьшится до нуля. Эту напряжённость принято называть коэрцитивной силой.

Дальнейшее увеличение напряжённости вызывает намагничивание ферромагнетика. Направление намагничивания противоположно первоначальному.

Если после намагничивания до насыщения вновь уменьшать напряжённость внешнего магнитного поля, то процесс пойдёт так, как показано на рисунке.

График зависимости В(Н) замкнётся, образовав так называемую петлю гистерезиса. Само рассматриваемое явление называется явлением гистерезиса.

Явление гистерезиса заключается в том, что значение В при данном Н зависит от того, какое значение Н имела ранее. Например, если ферромагнетик не намагничен, то при Н = 0 В = 0.

Если ферромагнетик ранее находился в магнитном поле с Н >0, то при

Н = 0 В = В_ост

Если же ранее напряжённость была отрицательной, то при Н = 0 В =- В_ост

Ферромагнетики делят на две группы. Основанием для классификации является коэрцитивная сила.

Коэрцитивная сила показывает, насколько трудно размагнитить ферромагнетик. Если коэрцитивная сила велика, то ферромагнетик размагнитить трудно. Такие ферромагнетики называют магнитожёсткими. Из жёстких ферромагнетиков изготавливают постоянные магниты.

Если коэрцитивная сила мала, ферромагнетик можно размагнитить, почти не затрачивая на это энергию. Такие ферромагнетики называют магнитомягкими. Из них изготавливают сердечники трансформаторов.

Контрольные вопросы

1. Может ли существовать магнитное поле независимо от электрического поля?

2. Каким правилом определяются направления силовых магнитных линий?

3. В каких единицах измеряется магнитная индукция?

4. От каких параметров зависит магнитная индукция

4. Что называется относительной магнитной проницаемостью ц?

Общая теория поля или что же такое гравитация / Хабр

Обнаружив, как мне кажется, открытие я обратился к зав. кафедрой физики. «Смотрите – у меня открытие!!!!» Отрезвили меня сразу – показав, то место в списке, где я должен находиться в своей работе, и то может быть. Ну а раз так, решил я, пусть лежит. Зачем дармоедов докторов и кандидатов плодить собственным горбом. Но вот написал первую статью на Хаббарде, да и подумал – повеселю ка я вас друзья своей теорией мироздания.
Не знаю как у вас, но у меня всегда вызывало легкое чувство тошноты уравнение Шредингера с его вероятностью нахождения электрона в точке. Да и сам волновой дуализм наводил на мысль, что надо как то по другому взглянуть на квант излучения. А тут еще постулаты Бора – мол я так решил, потому оно так и живет. Не буду касаться кварков и тем более невидимого гравитона. Итак, жертвам квантовой механики посвящается эта статья.

Раз уж господин Бор имел право высказать свои постулаты, то и я начну с них. Утверждаю, что существуют две и только две изначальные формы материи/энергии. Представлены они на рисунке ниже.

Одну из них для удобства назовем отрицательной формой, а другую положительной. Состоят эти формы из взаимно перпендикулярных силовых линий электрического и магнитного полей и они не могут находиться в кинетическом покое. Теперь рассмотрим варианты их устойчивого существования:

Вариант 1. Квант излучения.

Такая форма имеет линейную скорость равной скорости света и направленной перпендикулярно плоскости силовых линий полей. В придачу к этому, квант имеет угловую скорость вращения силовых линий полей по оси своего линейного движения. Величина угловой скорости определяет длину волны излучения. Ну вот и покончили с квантово-волновым дуализмом. Квант излучения представлен на рисунке ниже.

Вариант 2. Заряженная частица или электрон/протон

Как я уже писал выше, форма материи не имеет права находиться в кинетическом покое, но это совершенно не означает только поступательное движение. Ниже приведена форма материи, которая может не иметь линейной скорости равной скорости света, но угловая скорость хотя бы одной из силовых линий поля, равна угловой скорости света. Угловая скорость света – это новое понятие. Численного значения его я не скажу – не смог вычислить, но в рамках данной гипотезы предполагаю, что она есть. Более того, вращение силовой линии поля с угловой скоростью света приводит к тому, что взаимодействие внешней среды с этой силовой линией поля возможно только до определенного расстояния от оси ее вращения, как показано на рисунке ниже. Рисунок дан для заряженных частиц электрон и протон. Хочу сразу обратить Ваше внимание на то, что эти частицы ничем другим, кроме знаков своего поля не отличаются и имеют только две силовые линии магнитного и электрического полей.

Вариант 3. Нейтрон.

Сразу дам его представление на рисунке ниже.

Можно заметить, что существуют два нейтрона – один образованный отрицательной формой, а второй положительной. И здесь возникает некое кажущееся несоответствие с мирозданием. Но минуту терпения.
Прежде чем перейти к нейтрону придется отвлечься на то, что такое сила гравитации и в соответствии с ней, измеряемая величина притяжения тел.
Давайте нарисуем классическую модель атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра. Как мы знаем, такое вращение заряженных частиц порождает магнитное поле, что собственно и нарисовано на рисунке ниже. При этом, силовые линии магнитного поля замкнуты сами на себя, но всегда найдется не нулевая площадь, которую эти силовые линии будут пересекать. Эта область заштрихована на рисунке.

Для простоты понимания дальнейшего, сформулируем это иначе – любой атом обладает одной не замкнутой силовой линией магнитного поля уходящего в бесконечность и проходящей через его центр. Из поверхности твердого тела выходит «ежик» таких силовых линий разного направления. Как показано на рисунке ниже.

Незамкнутые силовые линии магнитного поля разных тел, находящихся рядом «ищут» свои пары и притягивают тела. Вот эта сила и есть гравитационное притяжение. Т.е. ни что иное, как магнитное поле образованное движением заряженных частиц в атомах вещества. Таким образом, реализуются три основные характеристики гравитационного притяжения

1. Все тела только притягиваются
2. Сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами
3. Сила притяжения прямо пропорциональна количеству и размеру атомов, составляющих эти тела

Ну и для самых пытливых умов описываю эксперимент, который и претендовал на открытие. Друзья, просто взвесьте магнит на не металлических весах и в отсутствии ферромагнетиков. Все дело в том, что у обычного, не намагниченного тела, магнитные силовые линии выходят равномерно во все стороны. А вот у магнита распределение уже другое – по полюсам больше, а вдоль них меньше. И притяжение к Земле, с ее магнитными линиями разное. Причем настолько, что иначе объяснить эту разницу не удается. И взаимодействие с магнитным полем Земли хоть и есть, но не настолько существенное. Тем более, что показатели в Израиле, близко к экватору и в Москве, далеко от него не сильно различаются.
Теперь вернемся к нашему нейтрону. Я думаю, уже понятно, почему он обладает массой. Ведь у него есть такая же магнитная силовая линия, как и те что выходят из поверхности тел. Но почему их два и кто же из них наш привычный нейтрон. Тут я вынужден сделать еще один постулат или скорее серию законов для элементарных энергий:

• Одноименные силовые линии электрического поля отталкиваются не зависимо от их направления.
• Разноименные силовые линии электрического поля притягиваются не зависимо от их направления
• Одноименные силовые линии магнитного поля притягиваются, если их направления совпадают и отталкиваются если их направления противоположны.
• Разноименные силовые линии магнитного поля отталкиваются не зависимо от направления.

Мы живем в мире, где электроны вращаются по орбитам атомов и создают отрицательные магнитные поля. Именно поэтому, новые атомы образуются на том же принципе, а не в силу того, что протон тяжелее электрона. Точно так же, в нашем мире, не может существовать нейтрон с положительными силовыми линиями – он будет антиматерией для нашего мира и будет вытолкнут. Вместо притяжения к нашим телам он будет от них отталкиваться.
Давайте теперь рассмотрим, почему же электроны не «падают» на протоны в ядрах атомов. Это то, ради чего придумывались постулаты Бора. Все довольно банально, с точки зрения представленной концепции. В начале образования атома, когда силовые линии электрических полей положительного и отрицательного элемента материи встретились и начинают притягиваться, элемент с отрицательными силовыми линиями начинает вращаться вокруг элемента с положительными силовыми линиями. К этому его побуждает присутствие внешнего магнитного поля отрицательной величины. Но, по мере сближения, сама эта пара порождает силовые линии магнитного поля. И как только величина магнитного порожденного силового поля превосходит величину окружающего их поля, внешнее поле останавливает дальнейший рост этого поля, не давая электрону «упасть» на протон. Одна из причин отсутствия газа в космосе именно эта – атомы газа, в отсутствии внешнего сдерживающего магнитного поля переходят в кванты излучения, в следствии «падения» электронов на протоны. То же происходит на планетах – черных дырах, где масса постоянно растет и соответственно расстояние между электроном и протоном все время уменьшается. Там так же приходит момент, когда элементарные частицы падают друг на друга возвращаясь к своей независимой друг от друга форме – кванту излучения. Что и является сверхновой звездой.

Вашему вниманию, хочу представить еще одну возможную устойчивую форму «жизни» элементарной энергии, когда и электрическая и магнитная силовые линии вращаются в одной плоскости с угловой скоростью света. Такая частица выглядит для внешнего наблюдателя, как не имеющей ни заряда ни массы.

Ну вот друзья и все на первый раз, если Вам будет интересно, продолжу свои измышления в будущем.

Магнитное пересоединение • Айк Акопян • Научно-популярные задачи на «Элементах» • Физика, Астрофизика

Про астрофизику высоких энергий можно сказать, что эта наука — о том, как разные формы энергии трансформируются в такой вид, который можно наблюдать с Земли в телескопы.

Например, в аккреционных дисках черных дыр (или нейтронных звезд) в излучение превращается гравитационная энергия вещества. Плазма медленно перетекает по аккреционному диску все ближе к черной дыре, теряя гравитационную (потенциальную) энергию и благодаря этому нагреваясь. Энергичные частицы в нагретой плазме начинают излучать, что мы и видим, наблюдая за рентгеновскими двойными. В пульсарах вся энергия берется из вращательного движения нейтронной звезды; механизм их радиоизлучения до конца не понятен, но, по всей видимости, энергия вращения напрямую конвертируется в электромагнитные радиоволны через некоторые экзотические плазменные неустойчивости недалеко от поверхности звезды. В сверхновых второго типа вещество при коллапсе теряет гравитационную энергию. Она затем конвертируется в кинетическую энергию ударной волны, которая постепенно затухает, ускоряя частицы, излучение которых мы и можем наблюдать.

Как можно заметить из этих примеров, у астрофизических систем есть некоторый «резервуар», содержащий большую часть энергии (гравитационное поле, вращение, кинетическая энергия ударной волны и т. д.), которая трансформируется либо напрямую в электромагнитное излучение, либо сперва в энергию заряженных частиц, которые затем излучают (схематически это изображено на рис. 1). В этой задаче мы посмотрим, как можно «извлечь» энергию, хранящуюся в форме магнитного поля.

Чтобы «перекачать» энергию из магнитного поля в частицы, нужно, чтобы магнитное поле совершило работу над частицами. Давайте посмотрим на формулу для силы Лоренца, с которой магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу:

\[F = q\cdot\frac{1}{c}\cdot[\boldsymbol{v}\times\boldsymbol{B}],\]

где v — вектор скорости частицы, q — ее заряд, а B — вектор магнитной индукции. Произведение в квадратных скобках — векторное, поэтому сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно скорости движения частицы. Из-за этого работа, совершаемая магнитным полем, всегда равна нулю.

Это означает, что для совершения работы и, соответственно, выкачивания энергии из магнитного поля, нужно электрическое поле! В хорошо замагниченной плазме, как уже обсуждалось в задаче Северное сияние, частицы движутся по ларморовским орбитам вокруг магнитных силовых линий. В идеальной плазме эти орбиты бесконечно маленькие и частицы везде следуют за магнитными линиями, как бусинки на веревке. Этот эффект называют «вмороженностью» плазмы, и в таком идеальном случае плазма имеет бесконечную проводимость (по сути она является идеальным проводником, где не могут существовать электрические поля).

Однако, если изменения магнитного поля происходят на масштабах соизмеримых с ларморовскими орбитами (простейший случай такого изменения поля от +B к −B показан на рис. 2), то из-за конечной проводимости может возникать электрическое поле. Если поперечный размер области изменения магнитного поля равен δ, то величина генерируемого электрического поля равна

\[E \sim D_\eta \frac{B}{c\delta},\]

где коэффициент \(D_\eta\), называемый магнитной диффузивностью, является мерой «неидеальности» плазмы в маленьком слое толщиной δ. В идеальном случае с бесконечной проводимостью \(D_\eta = 0\).

Такое электрическое поле способно ускорять частицы, выкачивая энергию из магнитного поля. Это явление называют магнитным пересоединением, схематически оно показано на рис. 3.

Магнитное пересоединение способно очень эффективно извлекать энергию из магнитного поля, нагревая при этом плазму. В частности, ученые предполагают, что магнитное пересоединение отвечает за нагрев плазмы в солнечной короне — области над поверхностью Солнца, где энергия магнитного поля во много раз превышает тепловую энергию плазмы. В этой задаче мы оценим, насколько быстро магнитное пересоединение способно перекачивать энергию, и можно ли с помощью простой игрушечной модели объяснить солнечные вспышки.

Задача

Давайте поближе рассмотрим область магнитного пересоединения, заполненную плазмой (рис. 4). В ней возникает электрическое поле, а выше и ниже области с электрическим полем, которую называют токовым слоем, плазма идеально «вморожена» в магнитные силовые линии, и движется вдоль них. Продольный размер области пересоединения обозначим через \(L\), поперечный — \(\delta\). Можно считать, что плазма втекает с некоторой скоростью \(v_{\mathrm{in}}\) в область пересоединения, нагревается электрическим полем \(E\) и утекает со скоростью \(v_{\mathrm{out}}\), забирая энергию.

Движение частиц до области пересоединения можно описать как дрейф (см. задачу Куда дрейфуют частицы?) со скоростью \(v_{\mathrm{in}} = c \frac{E}{B}\).

Найдите характерное время, за которое происходит магнитное пересоединение. Чему оно равно для солнечной короны? Можно считать, что \(\delta\ll L\sim 0{,}1 R_{\bigodot}\) (где \(R_{\bigodot}\) — радиус Солнца), \(B=100\) Г, число частиц в плазме \(n\sim10^{10}\) см⁻³, а коэффициент \(D_\eta\sim10^6\) см²/с. Сравните полученное время с характерной длительностью солнечных вспышек (рис. 5).

Подсказка 1

Количество поступающих в область пересоединения плазмы и энергии равна количеству утекающих. При этом большая часть входящей энергии содержится в магнитном поле, а исходящей — в кинетической энергии плазмы.

Подсказка 2

Характерное время пересоединения — это время, за которое плазма преодолевает расстояние \(L\) со скоростью \(v_{\rm in}\).

Решение

Количество втекающей в слой плазмы за единицу времени должно быть равно количеству вытекающей — это условие называется условием непрерывности. В предположении, что плотность плазмы остается постоянной, уравнение непрерывности выглядит следующим образом:

\[ L v_{\rm in} = \delta v_{\rm out}.\]

Энергия, которая втекает в слой, заключена в основном в магнитном поле, и ее плотность равна \(B^2/8\pi\). Вытекает энергия в форме кинетической энергии плазмы: \(\rho v_{\rm out}^2/2\). Значит, закон сохранения энергии (в данном случае закон сохранения потока энергии за единицу времени) запишется так:

\[ v_{\rm in}\frac{B^2}{8\pi} L = v_{\rm out}\frac{\rho v_{\rm out}^2}{2}\delta,\]

где \(\rho = n m_p\) — плотность плазмы (определяемая в основном массой протонов \(m_p\)). Из этих двух уравнений найдем, что скорость вытекания плазмы \(v_{\rm out}\) не зависит ни от скорости втекания \(v_{\rm in}\), ни от размеров слоя:

\[ v_{\rm out} = \frac{B}{\sqrt{4\pi\rho}}. \]

Эта величина называется Альфвеновской скоростью. Она определяет, с какой скоростью распространяются возмущения магнитного поля в замагниченной плазме.

Как говорилось в подсказке, характерное время пересоединения определяется временем, за которое плазма пересекает область с примерным размером \(L\) со скоростью \(v_{\rm in}\):

\[ t \sim \frac{L}{v_{\rm in}}.\]

Это то время, за которое основная часть плазмы в области размером \(L\) втекает в слой и участвует в пересоединении. Скорость \(v_{\rm in}\) определяется скоростью дрейфа \(cE/B\), а электрическое поле определяется конечной проводимостью на масштабе слоя \(\delta\): \(E=D_\eta B / c\delta\). Таким образом,

\[ v_{\rm in} = \frac{D_\eta}{\delta}. \]

Из уравнения непрерывности найдем, что \(\delta = \sqrt{D_\eta L / v_{\rm out}}\), и, подставив это все в выражение для времени пересоединения, получим:

\[ t = \frac{L}{v_{\rm out}} \left(\frac{Lv_{\rm out}}{D_\eta}\right)^{1/2}. \]

Первый множитель этого выражения — это характерное альфвеновское время \(t_A\) (так как \(v_{\rm out}\) равно альфеновской скорости \(v_A\)). Это время, за которое магнитное возмущение распространяется вдоль слоя размером \(L\). Второй множитель, \( S = \frac{L v_A}{D_\eta}\), называется числом Ландквиста (это безразмерная величина). Чем больше это число, тем ближе плазма к идеальному проводнику. В солнечной короне эта величина огромная (убедитесь, подставив числа): \(S\sim 10^{12}\), так как проводимость плазмы пусть и конечная, но очень большая. Альфвеновское время \(t_A\) для короны составляет 10–100 секунд. Соответственно, характерное время пересоединения равно

\[ t = t_A S^{1/2} \sim 10^7\unicode{x2013}10^8~\text{сек}\sim \text{несколько месяцев}.\]

Послесловие

Описанная в этой задаче модель называется моделью Свита—Паркера. Она была предложена в конце 1950-х годов для объяснения энергетики наблюдаемых тогда солнечных вспышек (E. N. Parker, 1957. Sweet’s mechanism for merging magnetic fields in conducting fluids). Проблема этой модели, как выяснилось, состоит в том, что предсказанное время пересоединения, то есть время, за которое большая часть энергии магнитного поля в петле (рис. 6) перекачивается в частицы, на много порядков больше наблюдаемого времени. В соответствии с моделью Свита—Паркера, как мы получили в задаче, пересоединение должно происходить за много месяцев. В реальности же мы наблюдаем солнечные вспышки и события пересоединения, которые происходят за считанные минуты.

В 1960-х годах была высказана идея, что во время пересоединения, при достаточно маленьком сопротивлении (при большом значении числа Ландквиста), может возникать плазменная неустойчивость, которая значительно ускоряет процесс (H. P. Furth et al., 1963. Finite‐Resistivity Instabilities of a Sheet Pinch). В результате этой неустойчивости, которую называют тиринг-неустойчивостью (от англ. tearing — разрывающая), вместо обычных ламинарных токовых слоев, рассматривавшихся в модели Свита—Паркера (см рис. 4) должны возникать так называемые X-точки, куда холодная плазма втекает вместе с магнитным полем, и О-точки (или плазмоиды, магнитные островки), куда уже нагретая плазма вытекает (рис. 7).

Однако эту картину удалось подтвердить лишь в XXI веке (рис. 8), когда магнитогидродинамические симуляции показали, что тиринг-неустойчивость действительно происходит при достаточно большой (но конечной!) проводимости плазмы.

В модели Свита—Паркера характерное время пересоединения \(t\propto \sqrt{S}\), и поэтому при очень больших значениях числа Ландквиста \(S\) (при очень большой проводимости плазмы) пересоединение длится очень долго. Однако тиринг-неустойчивость значительно ускоряет этот процесс и в этом случае время уже не зависит от значения \(S\) при достаточно большой проводимости.

Сейчас астрофизики знают, что магнитное пересоединение совершенно точно происходит на поверхности Солнца и даже вблизи Земли при взаимодействии солнечного ветра с земной магнитосферой (см. видео). Космическими аппаратами, летающими вблизи области пересоединения в магнитосфере, даже были найдены магнитные структуры, напоминающие вышеупомянутые плазмоиды (T. Karlsson et al., 2015. On the origin of magnetosheath plasmoids and their relation to magnetosheath jets)!

За последние два десятилетия в ряде работ магнитное пересоединение было предложено как механизм перекачки магнитной энергии в ультрарелятивистские частицы во многих релятивистских объектах. В частности, гамма-излучение пульсаров, жесткое рентгеновское излучение короны аккреционных дисков рентгеновских двойных и даже излучение джетов блазаров может быть связано именно с этим процессом. Обзор такого рода астрофизических применений пересоединения можно прочитать в статье D. Kagan et al., 2015. Relativistic Magnetic Reconnection in Pair Plasmas and Its Astrophysical Applications.

ПЕРЕСОЕДИНЕНИЕ МАГНИТНЫХ СИЛОВЫХ ЛИНИЙ • Большая российская энциклопедия

• В книжной версии

  Том 25. Москва, 2014, стр. 665-666

• Скопировать библиографическую ссылку:

  ---

Авторы: Л. М. Зелёный, Х. В. Малова

ПЕРЕСОЕДИНЕ́НИЕ МАГНИ́ТНЫХ СИ­ЛОВЫ́Х ЛИ́НИЙ в плаз­ме, из­ме­не­ние то­по­ло­гии си­ло­вых ли­ний маг­нит­но­го по­ля, свя­зан­ное с на­ру­ше­ни­ем их вмо­ро­жен­но­сти в плаз­му; обыч­но со­про­во­ж­да­ет­ся вы­сво­бо­ж­де­ни­ем сво­бод­ной маг­нит­ной энер­гии, на­ко­п­лен­ной в разл. плаз­мен­ных кон­фи­гу­ра­ци­ях, и её пре­об­ра­зо­ва­ни­ем в те­п­ло­вую и ки­не­тич. энер­гию час­тиц, ко­то­рые мо­гут ус­ко­рять­ся вплоть до ульт­ра­ре­ля­ти­ви­ст­ских ско­ро­стей. При П. м. с. л. воз­ни­ка­ют но­вые маг­нит­ные струк­ту­ры: маг­нит­ные пет­ли, ост­ро­ва, ней­траль­ные точ­ки и ли­нии, но­вые те­че­ния плаз­мы.

На­ру­ше­ние свой­ст­вен­ной иде­аль­ной маг­нит­ной гид­ро­ди­на­ми­ке вмо­ро­жен­но­сти маг­нит­но­го по­ля в плаз­му обу­слов­ли­ва­ет разл. ме­ха­низ­мы П. м. с. л.: ре­зи­стив­ный (вы­зван­ный ко­неч­ной элек­трич. про­во­ди­мо­стью плаз­мы $σ$), инер­ци­он­ный (обу­слов­лен­ный ко­неч­ной мас­сой но­си­те­лей за­ря­да – элек­тро­нов), а так­же свя­зан­ные с эф­фек­том Хол­ла, вяз­ко­стью и ани­зо­тро­пи­ей дав­ле­ния элек­трон­ной ком­по­нен­ты плаз­мы. Ки­не­тич. тео­рия по­зво­ля­ет учесть ме­ха­низм пе­ре­со­еди­не­ния, свя­зан­ный с бес­столк­но­ви­тель­ным ре­зо­нанс­ным Лан­дау за­ту­ха­ни­ем. П. м. с. л. воз­мож­но и при на­ли­чии ано­маль­но­го со­про­тив­ле­ния, воз­ни­каю­ще­го при рас­сея­нии элек­тро­нов на разл. плаз­мен­ных мик­ро­не­ус­той­чи­во­стях. Раз­ли­ча­ют вы­ну­ж­ден­ное и спон­тан­ное (про­ис­хо­дя­щее без внеш­не­го воз­дей­ст­вия) пе­ре­сое­ди­не­ние маг­нит­ных си­ло­вых ли­ний.

Рис. 1. Модель пересоединения Паркера – Свита.

В наи­бо­лее из­вест­ных мо­де­лях вы­нуж­ден­но­го пе­ре­со­еди­не­ния (мо­де­ли Пар­ке­ра – Сви­та, Пет­че­ка и Сы­ро­ват­ско­го) изу­ча­ют­ся те­че­ния плаз­мы под дей­ст­ви­ем внеш­не­го элек­трич. по­ля на­пря­жён­но­стью $\boldsymbol{E}_0$. В этих мо­де­лях маг­нит­ные по­ля ин­дук­ци­ей $\boldsymbol{B}_0$ на гра­ни­цах сис­те­мы на­прав­ле­ны ан­ти­па­рал­лель­но, по­это­му в центр. час­ти сис­те­мы су­ще­ст­ву­ет осо­бая ней­траль­ная ли­ния, где маг­нит­ное по­ле об­ра­ща­ет­ся в нуль. Ско­рость П. м. с. л. оп­ре­де­ля­ет­ся гра­нич­ны­ми ус­ло­вия­ми, т. е. спо­со­бом ор­га­ни­за­ции те­че­ния плаз­мы к об­лас­ти пе­ре­со­еди­не­ния, и чис­лом Ма­ха $M=u/v_A$, где $u=cE_0/B_0$ – ско­рость плаз­мен­но­го по­то­ка, $v_A=B_0/(4πnmi)^{1/2}$ – аль­ве­нов­ская ско­рость, $n$ – кон­цен­тра­ция ио­нов плаз­мы с мас­сой $m_i$, $c$ – ско­рость све­та. Со­глас­но мо­де­ли Пар­ке­ра – Сви­та (рис. 1), про­цесс дис­си­па­ции маг­нит­но­го по­ля осу­ще­ст­в­ля­ет­ся лишь в ма­лой диффу­зи­он­ной об­лас­ти раз­ме­ром $l=L/Re_m^{1/2}$ (здесь $Re_m=4πσv_A L/c^2≫1$ – маг­нитное чис­ло Рей­нольд­са, $L$ – ха­рак­тер­ная ши­ри­на слоя), где ан­ни­ги­ли­ру­ет не­боль­шое ко­ли­че­ст­во маг­нит­но­го по­то­ка. В этом слу­чае ско­рость пе­ре­со­еди­не­ния (от­но­ше­ние ско­ро­сти вте­каю­ще­го по­то­ка к альве­нов­ской ско­ро­сти) рав­на $M=Re_m^{1/2}$.

Мо­дель Пар­ке­ра – Сви­та хо­ро­шо опи­сы­ва­ет про­цес­сы мед­лен­но­го П. м. с. л. в столк­но­ви­тель­ной плаз­ме.

Рис. 2. Модель вынужденного пересоединения Петчека. Пересоединение силовых линий осуществляется в малой диффузионной области l. Синими линиями показаны ударные магнитогидродинамические волны, на котор…

В мо­де­ли Пет­че­ка (рис. 2) под дей­ст­ви­ем скре­щен­ных элек­трич. $\boldsymbol{E}_0$ и маг­нит­но­го $\boldsymbol{B}_0$ по­лей плаз­ма вме­сте с вмо­ро­жен­ны­ми маг­нит­ны­ми си­ло­вы­ми ли­ния­ми дрей­фу­ет со ско­ро­стью $\boldsymbol{u}$ к ней­траль­ной ли­нии, пер­пен­ди­ку­ляр­ной плос­ко­сти ри­сун­ка. Во­круг диф­фу­зи­он­ной об­лас­ти, где про­ис­хо­дит раз­рыв и пе­ре­со­еди­не­ние си­ло­вых ли­ний, рас­по­ло­же­ны че­ты­ре стоя­чие удар­ные вол­ны, пе­ре­се­кая ко­то­рые по­то­ки плаз­мы на­прав­ля­ют­ся на­пра­во или на­ле­во от об­лас­ти пе­ре­со­еди­не­ния. Удар­ные вол­ны из­ги­ба­ют маг­нит­ные си­ло­вые ли­нии; в ито­ге ско­рость пе­ре­со­еди­не­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся до ве­ли­чи­ны $M∼1/\ln Re_m$.

Рис. 3. Модель токового слоя Сыроватского.

В мо­де­ли раз­ры­ва ней­траль­но­го то­ко­во­го слоя Сы­ро­ват­ско­го про­цесс П. м. с. л. рас­смат­ри­ва­ет­ся как ди­на­ми­че­ский и не­ста­цио­нар­ный (рис. 3). Ис­ход­ная кон­фи­гу­ра­ция маг­нит­ных по­лей схо­жа с кон­фи­гу­ра­ци­ей мо­де­ли Пет­че­ка, но в ней под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля реа­ли­зует­ся те­че­ние не ква­зи­ста­цио­нар­но­го, а ку­му­ля­тив­но­го ти­па. По­ток вмо­ро­жен­но­го в плаз­му маг­нит­но­го по­ля, по­сту­паю­щий к ней­траль­ной ли­нии со ско­ро­стью $\boldsymbol{u}$, не ус­пе­ва­ет пе­ре­со­еди­нить­ся и «уп­лот­ня­ет­ся» в ок­ре­ст­но­сти уд­ли­няю­ще­го­ся в обе сто­ро­ны то­ко­во­го слоя, где плот­ность час­тиц бы­ст­ро убы­ва­ет, что при­во­дит к раз­ры­ву слоя. Воз­ни­ка­ют силь­ные им­пульс­ные ин­дук­ци­он­ные элек­трич. по­ля, ко­то­рые мо­гут ус­ко­рять час­ти­цы плаз­мы до боль­ших ско­ро­стей. Мо­дель Сы­ро­ват­ско­го, не­смот­ря на боль­шое ко­ли­че­ст­во уп­ро­щаю­щих пред­по­ло­же­ний, луч­ше дру­гих со­гла­су­ет­ся с совр. дан­ны­ми пря­мых спут­ни­ко­вых из­ме­ре­ний в маг­ни­то­сфе­ре Зем­ли. По­доб­ные ди­на­мич. мо­де­ли вы­ну­ж­ден­но­го пе­ре­со­еди­не­ния ис­поль­зу­ют­ся при ис­сле­до­ва­нии вспы­шек на Солн­це и в ла­бо­ра­тор­ных экс­пе­ри­мен­тах.

Рис. 4. Модель пересоединения магнитных силовых линий Данжи. Xд и Xн – нейтральные области,где происходит пересоединение. Красными стрелками показано направление движения плазмы при обтекании ма…

Про­цесс спон­тан­но­го пе­ре­со­еди­не­ния впер­вые ис­сле­до­ван в уп­ро­щён­ной мо­де­ли Хар­ри­са ней­траль­но­го то­ко­во­го слоя с ан­ти­па­рал­лель­ны­ми маг­нит­ны­ми по­ля­ми и ну­ле­вой по­пе­реч­ной ком­по­нен­той. На­ру­ше­ние вмо­ро­жен­но­сти маг­нит­но­го по­ля при­во­дит к пин­че­ва­нию по­пе­реч­но­го то­ка и об­ра­зо­ва­нию маг­нит­ных ост­ро­вов (см. рис. 1 в ст. Ней­траль­ный то­ко­вый слой). Спон­тан­ный про­цесс П. м. с. л. на­зы­ва­ет­ся раз­рыв­ной не­ус­той­чи­во­стью или ти­ринг-не­ус­той­чи­во­стью. Су­ще­ст­ву­ют её ре­зи­стив­ные, инер­ци­он­ные и ре­зо­нанс­ные мо­ды. Для бес­столк­но­ви­тель­ной кос­мич. плаз­мы ха­рак­тер­на ре­зо­нанс­ная мо­да, свя­зан­ная с за­туха­ни­ем Лан­дау. На­ли­чие нор­маль­ной ком­по­нен­ты маг­нит­но­го по­ля кар­ди­наль­но ме­ня­ет ус­той­чи­вость сис­те­мы. В бес­столк­но­ви­тель­ной плаз­ме раз­рыв­ная не­ус­той­чи­вость ста­би­ли­зи­ру­ет­ся, но маг­нит­ная кон­фи­гу­ра­ция ме­та­ста­биль­на. В сис­те­ме на­ка­п­ли­ва­ет­ся зна­чит. ко­ли­че­ст­во маг­нит­ной энер­гии, ко­то­рая при дос­ти­же­нии по­ро­го­вой ве­ли­чи­ны взрыв­ным об­ра­зом вы­сво­бо­ж­да­ет­ся. Эти свой­ст­ва про­цес­сов П. м. с. л. про­яв­ля­ют­ся в сол­неч­ных вспыш­ках и маг­ни­то­сфер­ных суб­бу­рях. В кос­мич. плаз­ме про­цес­сы П. м. с. л. кон­тро­ли­ру­ют струк­ту­ру и ди­на­ми­ку маг­ни­то­сфер пла­нет. Со­глас­но мо­де­ли Дан­жи (рис. 4), меж­пла­нет­ное и гео­маг­нит­ное по­ля пе­ре­со­еди­ня­ют­ся в ло­бо­вой об­лас­ти на гра­ни­це маг­ни­то­сфе­ры Зем­ли, об­ра­зуя ги­гант­ские маг­нит­ные «труб­ки» диа­мет­ром по­ряд­ка 1–2 ра­диу­сов Зем­ли. Эти маг­нит­ные «труб­ки» с по­то­ком сол­неч­ной плаз­мы, об­те­каю­щей маг­ни­то­сфе­ру, уно­сят­ся на ноч­ную сто­ро­ну Зем­ли и там сно­ва пе­ре­со­еди­ня­ют­ся в об­рат­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти.

Магнитное поле — Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Магнитное поле — это область вокруг магнита, в которой действует магнитная сила. Движущиеся электрические заряды могут создавать магнитные поля. Магнитные поля можно проиллюстрировать линиями магнитного потока. Всегда направление магнитного поля показано направлением линий магнитного потока. Сила магнита связана с промежутками между линиями магнитного потока. Чем ближе магнитные линии друг к другу, тем сильнее магнит.Чем дальше они находятся, тем слабее. Линии потока можно увидеть, поместив железные опилки над магнитом. Железные опилки перемещаются и складываются в линии. Магнитные поля придают энергию другим частицам, которые касаются магнитного поля.

В физике магнитное поле — это поле, которое проходит через пространство и заставляет магнитную силу перемещать электрические заряды и магнитные диполи. Магнитные поля возникают вокруг электрических токов, магнитных диполей и изменяющихся электрических полей.

При помещении в магнитное поле магнитные диполи находятся на одной линии, а их оси параллельны силовым линиям, что можно увидеть, когда железные опилки находятся в присутствии магнита.Магнитные поля также обладают собственной энергией и импульсом с плотностью энергии, пропорциональной квадрату напряженности поля. Магнитное поле измеряется в единицах тесла (единицы СИ) или гаусс (единицы сгс).

Есть некоторые известные виды магнитного поля. Для физики магнитных материалов см магнетизм и магнит, а точнее диамагнетизм. Для магнитных полей, созданных изменением электрических полей, см электромагнетизм.

Электрическое поле и магнитное поле являются составляющими электромагнитного поля.

Закон электромагнетизма был основан Майклом Фарадеем.

Модель магнитного полюса : два противоположных полюса, северный (+) и южный (-), разделенные расстоянием d, образуют поле H (линии).

Физики могут сказать, что сила и крутящий момент между двумя магнитами вызваны отталкиванием или притяжением магнитных полюсов. Это похоже на то, что кулоновская сила отталкивает одни и те же электрические заряды или притягивает противоположные электрические заряды. В этой модели H-поле создается магнитными зарядами , которые «размазаны» вокруг каждого полюса.Итак, H-поле похоже на электрическое поле E , которое начинается с положительного электрического заряда и заканчивается отрицательным электрическим зарядом. Рядом с северным полюсом все линии H-поля направлены в сторону от северного полюса (внутри магнита или снаружи), а около южного полюса (внутри магнита или снаружи) все линии H-поля направлены к южному полюсу. Таким образом, северный полюс чувствует силу в направлении H-поля, тогда как сила на южном полюсе противоположна H-полю.

В модели магнитного полюса элементарный магнитный диполь м образован двумя противоположными магнитными полюсами с силой полюса q _м , разделенными очень малым расстоянием d, так что m = q _м d .

К сожалению, магнитные полюса не могут существовать отдельно друг от друга. Все магниты имеют пары север / юг, которые нельзя разделить, не создавая двух магнитов, каждый из которых имеет пару север / юг. Кроме того, магнитные полюса не учитывают ни магнетизм, создаваемый электрическими токами, ни силу, которую магнитное поле прилагает к движущимся электрическим зарядам.

H -поле и магнитные материалы Редактировать

-поле H определяется как:

H ≡ Bμ0 − M, {\ displaystyle \ mathbf {H} \ \ Equiv \ {\ frac {\ mathbf {B}} {\ mu _ {0}}} — \ mathbf {M},} (определение H в единицах СИ)

При таком определении закон Ампера принимает следующий вид:

∮⁡H⋅dℓ = ∮⁡ (Bμ0 − M) ⋅dℓ = Itot − Ib = Если {\ displaystyle \ oint \ mathbf {H} \ cdot d {\ boldsymbol {\ ell}} = \ oint \ left ( {\ frac {\ mathbf {B}} {\ mu _ {0}}} — \ mathbf {M} \ right) \ cdot d {\ boldsymbol {\ ell}} = I _ {\ mathrm {tot}} -I_ {\ mathrm {b}} = I _ {\ mathrm {f}}}

, где I _f представляет «свободный ток», заключенный в контур, так что линейный интеграл H вообще не зависит от связанные токи. ^[1] Дифференциальный эквивалент этого уравнения см. В уравнениях Максвелла. Закон Ампера приводит к граничному условию:

h2, ∥ − h3, ∥ = Kf, {\ displaystyle H_ {1, \ parallel} -H_ {2, \ parallel} = \ mathbf {K} _ {\ text {f}},}

где K _f — поверхностная плотность свободного тока. ^[2]

Точно так же поверхностный интеграл H по любой замкнутой поверхности не зависит от свободных токов и выделяет «магнитные заряды» внутри этой замкнутой поверхности:

∮S⁡μ0H⋅dA = ∮S⁡ (B − μ0M) ⋅dA = (0 — (- qM)) = qM, {\ displaystyle \ oint _ {S} \ mu _ {0} \ mathbf {H } \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {A} = \ oint _ {S} (\ mathbf {B} — \ mu _ {0} \ mathbf {M}) \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {A } = (0 — (- q_ {M})) = q_ {M},}

, который не зависит от свободных токов.

Таким образом, поле H можно разделить на две ^[3] независимых частей:

H = H0 + Hd, {\ displaystyle \ mathbf {H} = \ mathbf {H} _ {0} + \ mathbf {H} _ {d}, \,}

где H ₀ — приложенное магнитное поле, обусловленное только свободными токами, а H _d — размагничивающее поле, обусловленное только связанными токами.

Магнитное поле H , следовательно, повторно факторно влияет на связанный ток на «магнитные заряды».Силовые линии H петляют только вокруг «свободного тока» и, в отличие от магнитного поля B , также начинаются и заканчиваются вблизи магнитных полюсов.

Связанные страницы Редактировать

Ссылки Редактировать

1. ↑ Джон Кларк Слейтер, Натаниэль Герман Франк (1969). Электромагнетизм (впервые опубликовано в 1947 г.). Courier Dover Publications. п. 69. ISBN 0486622630 .
2. ↑ Дэвид Гриффитс. Введение в электродинамику (3-е изд.). п. 332.
3. ↑ Третий член необходим для изменения электрических полей и токов поляризации; этот член тока смещения покрывается уравнениями Максвелла.

.

Магнитное поле Земли и блуждающие полюса

Представьте себе стержневой магнит внутри Земли, более или менее выровненный с осью, где концы этого магнита лежат близко к географическим северным и южным полюсам планеты. Линии магнитного поля проходят от северного полюса магнита, возвращаясь по петле назад к южному полюсу. На каждом полюсе силовые линии магнитного поля почти вертикальны.

Хотя внутри Земли определенно нет магнитного стержня, то же самое явление происходит вокруг Земли, создавая защитную зону вокруг всей планеты, называемую магнитосферой, согласно НАСА.Магнитосфера Земли защищает нас от вредного космического излучения и солнечного ветра и отвечает за прекрасные полярные сияния, наблюдаемые в высоких широтах Северного и Южного полушарий.

Магнитный и географический полюса Земли расположены друг напротив друга. Другими словами, южный магнитный полюс Земли на самом деле находится около географического Северного полюса. Поэтому, когда мы используем компас для определения нашего местоположения, стрелка компаса на самом деле указывает на южный магнитный полюс в Северном полушарии и на северный магнитный полюс в Южном полушарии.

Магнитные полюса не являются фиксированными и немного блуждают по поверхности планеты относительно географических полюсов. Около 75 процентов напряженности магнитного поля Земли представлено «магнитной полосой». Остальные 25 процентов напряженности магнитного поля Земли, которые можно представить как движущиеся стержневые магниты меньшего размера, исходят от меньших частей движущейся магмы и могут быть тем, что позволяет полюсам двигаться.

Согласно данным, опубликованным Национальными центрами экологической информации в феврале 2019 года, северный магнитный полюс расположен в точке 86.54 N 170,88 E, в Северном Ледовитом океане и направляясь из Канады в Сибирь. Южный магнитный полюс расположен на точке 64,13 ю.ш., 136,02 в.д., недалеко от побережья Антарктиды в направлении Австралии.

Откуда поле?

Хотя это все еще остается загадкой, ученые в целом согласны с тем, что магнитное поле Земли начинается глубоко в ядре планеты. Внешнее ядро ​​планеты состоит из расплавленных металлов, в первую очередь железа, которое является проводником.

«Взбалтывание расплавленного металла во внешнем ядре создает [магнитное] поле за счет так называемого динамо-действия, — сказал Алексей Смирнов, профессор геофизики в Мичиганском технологическом университете.

Действие динамо, или теория динамо, описывает способ, которым планета может выдерживать магнитное поле. Динамо-машина, или источник магнитного поля, создается вращающимся, конвектирующим и электропроводящим материалом, например расплавленным железом внутри Земли.

«Есть много ионизированных атомов и свободных электронов, блуждающих вокруг, плюс есть сложная форма конвекции, происходящая внутри, в сочетании с естественным вращением Земли — есть много движущихся зарядов», — сказал Дуг Инграм, профессор физики и астрономии Техасского христианского университета.

Ученые полагают, что заряды, создаваемые движущимся металлическим материалом, перемещаются вокруг экваториальной области Земли по кругу, что создает северный и южный магнитные полюса на поверхности, сказал Ингрэм.

Иллюстрация того, как магнитное поле Земли защищает планету от солнечной радиации. (Изображение предоставлено Майклом Осадцивом / Университет Рочестера)

Почему движутся полюса?

Динамо-машина Земли устойчива, но нестабильна. Прямо сейчас магнитное поле быстро меняется, и северный магнитный полюс внезапно подскакивает в сторону Сибири.Согласно исследованию 2019 года, опубликованному в журнале Nature, с 1990-х годов северный магнитный полюс сдвигался в среднем примерно на 35 миль (55 км) в год.

По словам Смирнова, возмущения в текущей металлической магме могут быть причиной нестабильности магнитного поля, которое может привести к такому сдвигу полюсов. Движение жидкого железа глубоко под Канадой может немного ослабить магнитное поле в этом месте, что и позволяет северному магнитному полюсу перемещаться в сторону Сибири, говорится в статье Nature.

Другие электромагнитные аномалии можно увидеть повсюду в мире, например, в южной части Африки, где возмущение магнитного поля, подобное водовороту в потоке, может быть вызвано более плотной частью мантии вблизи границы с жидкой внешней средой планеты. ядро.

История смещения полюсов и их разворота

Хотя полюса постоянно смещаются, они также полностью перевернулись, по крайней мере, на несколько сотен ti

.

Разница между электрическим и магнитным полем со сравнительной таблицей

Одно из основных различий между магнитным и электрическим полями заключается в том, что электрическое поле индуцирует вокруг частицы статического заряда, которое является либо отрицательным, либо положительным, тогда как магнитное поле создает вокруг полюсов (т. Е. Северного и южного полюсов) магнит. Некоторые другие различия между ними объясняются ниже в виде сравнительной таблицы

.

Сравнительная таблица

Основа для сравнения	Электрическое поле	Магнитное поле
Определение	Это сила, действующая вокруг частицы электрического заряда.	Область вокруг магнита, в которой полюса проявляют силу притяжения или отталкивания.
Единица	Вольт / метр или Ньютон / кулон	Тесла, (Ньютон × секунда) / (Кулон × метр)
Символ	E	B
Формула
Измерительный прибор	Магнитометр	Электрометр
Полюс	Моно полюс	Диполь
Электромагнитное поле	Перпендикулярно магнитному полю.	Перпендикулярна электрическому полю.
Поле	Вектор	Вектор
Полевая линия	Индуцирует положительный заряд и завершает отрицательный заряд.	Генерируется на северном полюсе и заканчивается на южном полюсе.
Петля	Линии электрического поля не образуют замкнутой петли.	Магнитная линия образует замкнутый контур.
Тип заряда	Отрицательный или положительный заряд.	Северный или южный полюс.
Сила	Сила отталкивания на одноименных зарядах и сила притяжения на разных зарядах.	Сила отталкивания на одинаковых полюсах и сила притяжения на противоположных полюсах.
Размер	Есть в двух измерениях	Остаться в трех измерениях
Работа	Поле может выполнять работу (скорость и направление частиц меняются)	Магнитное поле не может выполнять работу (скорость частиц остается постоянной)

Определение магнитного поля

Область вокруг магнита, где его полюса проявляют силу притяжения или отталкивания, называется магнитным полем.Магнитное поле также индуцирует, когда электрические заряды движутся в пространстве или электрический проводник.

Движущийся носитель заряда и магнит создают линии магнитного потока, которые называются линиями магнитного поля. Это векторная величина, потому что она имеет и величину, и направление. Символ B обозначает магнитное поле и измеряется в Тесла или Ньютон на метр.

Определение электрического поля

Сила, действующая вокруг частицы с электрическим зарядом, называется электрическим полем или напряженностью электрического поля.Другими словами, это область вокруг электрического поля, где существует силовая линия. У него есть величина и направление. Следовательно, это векторная величина. Символ E обозначает электрическое поле, и оно измеряется в ньютонах / кулонах.

Ключевые различия между электрическим полем и магнитным полем

1. Область вокруг электрического заряда, где существует электрическая сила, называется электрическим полем. Область вокруг магнита, где полюс магнита проявляет силу притяжения или отталкивания, называется магнитным полем.
2. Единицей измерения электрического поля в системе СИ является ньютон / кулон, а единицей измерения магнитного поля в системе СИ является тесла.
3. Направление и величина определяют магнитное поле. Таким образом, это векторная величина. Электрическое поле также называют векторным полем.
4. Напряженность электрического поля измеряется электрометром, тогда как магнитометр измеряет напряженность магнитного поля.
5. В электромагнитном поле электрическое поле перпендикулярно магнитному полю, тогда как магнитное поле

.