Что такое магнитное поле

Безопасность электромагнитных полей

Основная статья: Электромагнитная безопасность

В связи со всё большим распространением источников ЭМП в быту (СВЧ-печи, мобильные телефоны, теле-радиовещание) и на производстве (оборудование ТВЧ, радиосвязь), большое значение приобретают нормирование уровней ЭМП и изучение возможного влияния ЭМП на человека. Нормирование уровней ЭМП проводится раздельно для рабочих мест и санитарно-селитебной зоны.

Контроль за уровнями ЭМП возложен на органы санитарного надзора и инспекцию электросвязи, а на предприятиях — на службу охраны труда.

Предельно-допустимые уровни ЭМП в разных радиочастотных диапазонах различны.

Геомагнетизм

Магнитные поля создаются движущимися зарядами, но тогда какова природа геомагнетизма? Наша планета обладает магнитным полем, которое защищает ее от вредного солнечного излучения, причем диаметр поля в несколько раз превосходит диаметр Земли. По форме оно неоднородно, на «солнечной стороне» сжимается под воздействием солнечного ветра, а с ночной стороны растягивается в виде длинного широкого хвоста.

Считается, что на нашей планете магнитные поля создаются движением токов в ядре, которое состоит из жидкого металла. Это называется «гидромагнитное динамо». Когда вещество достигает температуры в несколько тысяч градусов по Кельвину, его проводимость становится достаточно высокой, чтобы движения, даже в среде со слабым намагничиванием, начали создавать электрические токи, которые, в свою очередь, и создают магнитные поля.

В локальных областях магнитные поля создаются намагниченными горными породами из верхних слоев планеты, образующих земную кору.

Составляющие геомагнитного поля.

Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на cледующие три основные части.

1. Основное магнитное поле Земли, испытывающее медленные изменения во времени (вековые вариации) с периодами от 10 до 10 000 лет, сосредоточенными в интервалах 10–20, 60–100, 600–1200 и 8000 лет. Последний связан с изменением дипольного магнитного момента в 1,5–2 раза.

2. Мировые аномалии – отклонения от эквивалентного диполя до 20% напряженности отдельных областей с характерными размерами до10 000 км. Эти аномальные поля испытывают вековые вариации, приводящие к изменениям со временем в течение многих лет и столетий. Примеры аномалий: Бразильская, Канадская, Сибирская, Курская. В ходе вековых вариаций мировые аномалии смещаются, распадаются и возникают вновь. На низких широтах имеется западный дрейф по долготе со скоростью 0,2° в год.

3. Магнитные поля локальных областей внешних оболочек с протяженностью от нескольких до сотен км. Они обусловлены намагниченностью горных пород в верхнем слое Земли, слагающих земную кору и расположенных близко к поверхности. Одна из наиболее мощных – Курская магнитная аномалия.

4. Переменное магнитное поле Земли (так же называемое внешним) определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности и в ее атмосфере. Основными источниками таких полей и их изменений являются корпускулярные потоки замагниченной плазмы, приходящие от Солнца вместе с солнечным ветром, и формирующие структуру и форму земной магнитосферы.

Сила Лоренца

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Формула для нахождения силы Лоренца:

где ​\( q \)​ – заряд частицы, ​\( v \)​ – скорость частицы, ​\( B \)​ – модуль вектора магнитной индукции, ​\( \alpha \)​ – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​\( B_\perp \)​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.

Важно! Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно. В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы

В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.

Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:

где ​\( m \)​ – масса частицы, ​\( v \)​ – скорость частицы, ​\( B \)​ – модуль вектора магнитной индукции, ​\( q \)​ – заряд частицы.

В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:

Угловая скорость движения заряженной частицы:

Важно! Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы

Если вектор скорости направлен под углом ​\( \alpha \)​ (0° < \( \alpha \) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

В этом случае вектор скорости частицы можно представить как сумму двух векторов скорости, один из которых, ​\( \vec{v}_2 \)​, параллелен вектору \( \vec{B} \), а другой, \( \vec{v}_1 \), – перпендикулярен ему. Вектор \( \vec{v}_1 \) не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор \( \vec{v}_2 \) меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости \( \vec{v}_1 \). Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности – ​\( T \)​.

Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору \( \vec{B} \). Частица движется по винтовой линии с шагом ​\( h=v_2T \)​.

Важно! Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:

Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».

Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:

• сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;
• изобразить силы, действующие на заряженную частицу;
• определить вид траектории частицы;
• разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;
• составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;
• выразить силы через величины, от которых они зависят;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

Теоретическое обоснование

Если в проводящем контуре течёт ток, то ток создаёт магнитное поле.

Будем вести рассмотрение в квазистатическом приближении, подразумевая, что переменные электрические поля достаточно слабы либо меняются достаточно медленно, чтобы можно было пренебречь порождаемыми ими магнитными полями.

Ток считаем одинаковым по всей длине контура (пренебрегая ёмкостью проводника, которая позволяет накапливать заряды в разных его участках, что вызвало бы неодинаковость тока вдоль проводника и заметно усложнило бы картину).

По закону Био — Савара — Лапласа, величина вектора магнитной индукции, создаваемой некоторым элементарным (в смысле геометрической малости участка проводника, рассматриваемого как элементарный источник магнитного поля) током в каждой точке пространства, пропорциональна этому току. Суммируя поля, создаваемые каждым элементарным участком, приходим к тому, что и магнитное поле (вектор магнитной индукции), создаваемое всем проводником, также пропорционально порождающему току.

Рассуждение выше верно для вакуума. В случае присутствия магнитной среды (магнетика) с заметной (или даже большой) магнитной восприимчивостью, вектор магнитной индукции (который и входит в выражение для магнитного потока) будет заметно (или даже во много раз) отличаться от того, каким бы он был в отсутствие магнетика (в вакууме). Мы ограничимся здесь линейным приближением, тогда вектор магнитной индукции, хотя, возможно, возросший (или уменьшившийся) в заметное количество раз по сравнению с отсутствием магнетика при том же контуре с током, тем не менее остаётся пропорциональным порождающему его току.

Тогда магнитный поток, то есть поток поля вектора магнитной индукции:

Φ=∫SB⋅dS{\displaystyle \Phi =\int \limits _{S}\mathbf {B} \cdot \mathbf {dS} }

через любую конкретную фиксированную поверхность S (в частности и через интересующую нас поверхность, краем которой является наш контур с током) будет пропорционален току, так как пропорционально току B всюду под интегралом.

Заметим, что поверхность, краем которой является контур, может быть достаточно сложна, если сложен сам контур. Уже для контура в виде просто многовитковой катушки такая поверхность оказывается достаточно сложной. На практике это приводит к использованию некоторых упрощающих представлений, позволяющих легче представить такую поверхность и приближённо рассчитать поток через неё (а также в связи с этим вводятся некоторые дополнительные специальные понятия, подробно описанные в отдельном параграфе ниже). Однако здесь, при чисто теоретическом рассмотрении нет необходимости во введении каких-то дополнительных упрощающих представлений, достаточно просто заметить, что как бы ни был сложен контур, в данном параграфе мы имеем в виду «полный поток» — то есть поток через всю сложную (как бы многолистковую) поверхность, натянутую на все витки катушки (если речь идет о катушке), то есть о том, что называется потокосцеплением. Но поскольку нам здесь не надо конкретно рассчитывать его, а нужно только знать, что он пропорционален току, нам не слишком интересен конкретный вид поверхности, поток через которую нас интересует (ведь свойство пропорциональности току сохраняется для любой).

Итак, мы обосновали:

Φ {\displaystyle \Phi \ }~ I,{\displaystyle \ I,}

этого достаточно, чтобы утверждать, введя обозначение L для коэффициента пропорциональности, что

Φ=LI.{\displaystyle \Phi =LI.}

В заключение теоретического обоснования покажем, что рассуждение корректно в том смысле, что магнитный поток не зависит от конкретной формы поверхности, натянутой на контур. (Действительно, даже на самый простой контур может быть натянута — в том смысле, что контур должен быть её краем — не единственная поверхность, а разные, например, начав с двух совпадающих поверхностей, затем одну поверхность можно немного прогнуть, и она перестанет совпадать со второй). Поэтому надо показать, что магнитный поток одинаков для любых поверхностей, натянутых на один и тот же контур.

Но это действительно так: возьмём две такие поверхности. Вместе они будут составлять одну замкнутую поверхность. А мы знаем (из закона Гаусса для магнитного поля), что магнитный поток через любую замкнутую поверхность равен нулю. Это (с учетом знаков) означает, что поток через одну поверхность и другую поверхность — равны. Что доказывает корректность определения.

3.5 Силовые линии магнитного поля

Магнитное поле, как и
электростатическое, удобно представлять в графической форме – с помощью силовых
линий магнитного поля.

Силовая линия
магнитного поля – это линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с
направлением вектора магнитной индукции.

Силовые линии магнитного
поля проводят так, что их густота пропорциональна величине магнитной индукции:
чем больше магнитная индукция в некоторой точке, тем больше густота силовых
линий.

Таким образом, силовые линии магнитного поля имеют сходство с силовыми
линиями электростатического поля.

Однако им свойственны и некоторые
особенности.

Рассмотрим магнитное поле,
созданное прямым проводником с током I.

Пусть этот проводник перпендикулярен плоскости рисунка.

В различных точках,
расположенных на одинаковых расстояниях от проводника, индукция одинакова по
величине.

Направление вектора В в
разных точках показано на рисунке.

Линией, касательная к которой во всех точках совпадает с направлением
вектора магнитной индукции, является окружность.

Следовательно, силовые
линии магнитного поля в этом случае представляют собой окружности, охватывающие
проводник. Центры всех силовых линий расположены на проводнике.

Таким образом, силовые линии магнитного поля замкнуты (силовые линии
электростатического не могут быть замкнуты, они начинаются и заканчиваются на зарядах).

Поэтому магнитное поле
является вихревым (так называют поля, силовые линии которых замкнуты).

Замкнутость силовых линий означает ещё одну, очень важную особенность
магнитного поля – в природе не существует (по крайней мере, пока не обнаружено)
магнитных зарядов, которые являлись бы источником магнитного поля определённой
полярности.

Поэтому не бывает отдельно
существующе-го северного или южного магнитного полюса магнита.

Даже если распилить пополам
постоянный магнит, то получится два магнита, каждый из которых имеет оба полюса.

Динамо-эффект

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Геомагнитное поле это. Геомагнитное поле

( a. geomagnetic field; н. Geomagnetfeld, erdmagnetisches Feld; ф. champ geomagnetique; и. campo geomagnetico) — магнитное поле Земли, создаваемое в основном действием источников, расположенных внутри Земли, a также в магнитосфере и ионосфере. Г. п. в каждой точке характеризуется вектором напряжённости, направление и величина к-рого определяются тремя ортогональными компонентами (северной, восточной и вертикальной) и модулем полного вектора, склонением (угол между горизонтальной компонентой и геогр. меридианом) и наклонением (угол между полным вектором и горизонтом). Bеличина вектора напряжённости магнитного поля Земли измеряется в нанотеслах (нTa) и меняется от 6,8·* 105нTa на полюсах до 3·* 105нTa на экваторе. Геомагнитное поле в первом приближении можно представить полем однородно намагниченного шара, магнитный момент к-рого направлен под углом 11,5° к оси вращения Земли, или полем диполя. Полюсы геомагнитные (однородно намагниченного шара) и полюсы магнитные (реальные полюсы Земли) задают систему геомагнитных координат (широта геомагнитная, меридиан геомагнитный) и магнитных координат (широта магнитная, меридиан магнитный). Oтклонения Г. п. от поля диполя (шара) наз. аномалиями ( см. Геофизическая аномалия ). Г. п. характеризуется неоднородной пространств. структурой и широким спектром вариаций. Это объясняется тем, что оно создаётся за счёт источников разл. природы. Возникновение осн. компонентов (96-99%) поля, согласно наиболее распространённой гипотезе, объясняется движением электропроводящего вещества в жидкой части ядра, к-poe приводит к самовозбуждению главного магнитного поля (ГМП). Изменения ГМП состоят из глобальных, к к-рым относятся уменьшение магнитного момента co скоростью 25 нTa в год, смещение к З. («зап. дрейф») co скоростью 0,2° в год и изменения (вековые вариации) c амплитудами 150-180 нTa в год, охватывающие крупные регионы. Xарактерное время вариаций ГМП от 20 до 2,4·* 103лет определяется из прямых наблюдений и археомагнитных данных; палеомагнитные наблюдения позволили выявить также смену полярности, т.н. инверсии, к-рые происходят через интервалы времени от 5·* 105до 5·* 107лет.

Свойства магнитного поля

Первое его свойство объясняет природу происхождения: магнитное поле может возникнуть только под воздействием движущихся зарядов (электронов) электрического тока. Силовая характеристика магнитного поля называется магнитной индукцией, она присутствует в любой точке поля.

Воздействие поля распространяется только на движущиеся заряды, магниты и проводники. Оно может быть двух типов: переменного и постоянного. Измерить магнитное поле можно только с помощью специальных приборов, оно не фиксируется человеческими органами чувств (хотя биологи считают, что некоторые животные могут воспринимать изменения в нем). Суть еще одного свойства магнитного поля состоит в том, что оно имеет электродинамическую природу не только потому, что может влиять только на движущиеся заряды, но и потому, что само порождается движением зарядов.

Как увидеть

Хотя органы чувств человека и не могут зафиксировать присутствие магнитного поля, его направление можно определить с помощью намагниченной стрелки. Однако «увидеть» магнитное поле можно с помощью листа бумаги и простых железных опилок. На постоянный магнит необходимо положить лист бумаги, а опилки посыпать сверху, после чего железная стружка выстроится по замкнутым и непрерывным силовым линиям.

Направленность силовых линий определяется с помощью правила правой руки, которое также носит название «правило буравчика». Если взять проводник в руку таким образом, чтобы большой палец был по направлению тока (ток движется от минуса к плюсу), то остальные пальцы укажут направление силовых линий.

Примечания

1. Если учитывать и действие электрического поля E, то формула (полной) силы Лоренца принимает вид:

   F→=qE→+qv→×B→.{\displaystyle {\vec {F}}=q{\vec {E}}+q.}

   При отсутствии электрического поля (или если член, описывающий его действие, специально вычесть из полной силы) имеем формулу, приведённую в основном тексте.

2. Это определение с современной точки зрения менее фундаментально, чем приведённое выше (и является просто его следствием), однако с точки зрения близости к одному из практических способов измерения магнитной индукции может быть полезным; также и с исторической точки зрения.
3. То есть в наиболее фундаментальном и простом для ознакомления виде.
4. То есть в частном случае постоянных токов и постоянных электрического и магнитного полей или — приближённо — если изменения настолько медленны, что ими можно пренебречь.
5. Являющаяся частным магнитостатическим случаем закона Ампера — Максвелла (см. в статье далее).

Феномен, который до сих пор плохо объяснен

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

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

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

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