Источники магнитного поля

Что такое магнитное поле

В 1831 году Майкл Фарадей установил закон электромагнитной индукции, обнаружив, что меняющееся во времени магнитное поле создает электрическое. Выяснилось, что первично электромагнитное поле, а электрические и магнитные поля — различные его проявления. Электромагнитная волна — это электрическое и магнитное поля, взаимно превращающиеся друг в друга.

Джеймс Кларк Максвелл предположил, что возникновение магнитного поля происходит также и при изменении электрического поля. Математическое выражение для силы, с которой магнитное поле воздействует на проводник, названной силой Ампера, проще всего записать в виде векторной формулы:

\(d\overrightarrow F\;=\;Id\overrightarrow l\;\times\;\overrightarrow B\)

\(I\) здесь — сила тока, протекающего через проводник; \(l\) — вектор длины проводника; \(В\) — характеристика поля. Величина В называется магнитной индукцией и является аналогом электрической напряженности.

Способы наблюдения магнитного поля

Обнаружение того факта, что некоторые предметы, например, натертый тканью янтарь, способны притягивать другие предметы, произошло еще в античные времена, а возможно, и раньше.

Долгое время электрические процессы пребывали «в тени» магнитных. Именно природные магниты интересовали естествоиспытателей в первую очередь: их действие стабильно, а электрические свойства натертого янтаря быстро пропадают. Итальянский математик, естествоиспытатель и врач Джероламо Кардано, живший в XIV веке, на опыте убедился, что электрические взаимодействия тел существенно отличаются от магнитных. Так, натертый янтарь может притягивать легкие тела из разных веществ, а магнит — только железо.

Как проявляется магнитное поле, опыты

Ханс Кристиан Эрстед в 1820 году провел эксперимент, который подтвердил взаимосвязь между электричеством и магнетизмом: магнитная стрелка, поднесенная к проводнику с током, отклоняется.

Но еще до Эрстеда, в XVIII веке, разные ученые наблюдали взаимодействие электричества и магнитов, например, Франсуа Жан Доминик Араго описывал разные факты о магнитном действии электрических разрядов.
Андре Мари Ампер предположил, что суть явления магнетизма — в движении заряда, и 24 сентября 1820 года подключил к вольтову столбу две проволочные спирали, которые повели себя, как магниты: одними концами отталкивались, а другими — притягивались. Приблизив к ним два обычных провода с током, ученый обнаружил, что они тоже взаимодействуют: притягиваются, если токи направлены одинаково, и отталкиваются, если токи направлены в противоположные стороны. Таким образом ученый открыл принцип работы электромагнита: железный предмет, находящийся внутри спирали с током, намагничивается и во много раз усиливает магнитное поле.

Приборы первого поколения

Первые индикаторы, измерявшие непосредственно магнитное поле, представляли собой намагниченную стрелку, подвешенную на упругой нити. Величину ее отклонения, прямо пропорциональную напряженности измеренного поля, определяли при помощи оптической системы. Приборы такого типа обеспечивают чувствительность до 4–5 \(\gamma\).

Приборы второго поколения

Такие приборы называются феррозондовыми. Такое устройство представляет собой два стержня с обмотками, поверх которых надета измерительная катушка. Когда на обмотки подают ток, стержни намагничиваются, и в катушке возникает напряжение. Можно подобрать такую величину тока и его частоту, что поле катушки скомпенсируется геомагнитным полем в опорном пункте, и напряжение не появится. Если геомагнитное поле изменится при перемещении к другому пункту, изменится и намагниченность стержней, соответственно в катушке появится сигнал. Чувствительность феррозондовых магнитометров составляет 2–4 \(\gamma\).

Приборы третьего поколения

Приборы третьего поколения, производство которых стало возможным в 60-х годах ХХ столетия, используют уже квантовый эффект — зависимость частоты электромагнитного излучения атомов вещества от внешнего магнитного поля.

Протонные магнитометры содержат сосуд с водой или керосином, в молекулах этих жидкостей много атомов водорода, ядра которых состоят из протонов. Сосуд помещен внутрь катушки. Когда на ее обмотки подают ток, жидкость намагничивается: протоны выстраиваются вдоль поля катушки. Затем ток быстро выключают, и протоны начинают вращаться, как волчки, вокруг линий магнитного поля Земли. Крутящиеся протоны представляют собой миниатюрные магниты. При их движении в обмотке возникает переменное напряжение, частота которого определяется величиной геомагнитного поля в данной точке. Абсолютная погрешность протонных магнитометров составляет около 1 \(\gamma\). В квантовых оптических магнитометрах атомам газа энергию сообщают мощной световой вспышкой. Полученную энергию атомы отдают, излучая электромагнитные волны с частотой, прямо пропорциональной напряженности магнитного поля. Точность этих приборов еще выше — до 0,1 \(\gamma\).

Кроме отклонения стрелки, есть и другой способ обнаружить магнитные силовые линии — достаточно насыпать на лист железные опилки и положить постоянный магнит рядом с ними, или пропустить сквозь центр листа, перпендикулярно его поверхности, провод под током. Опилки сами распределятся по листу, создав окружности вокруг магнита или провода. Графически магнитные силовые линии выглядят почти так же, как линии напряженности электростатического поля, но если первые всегда замкнуты, то вторые разомкнуты, так как идут от положительно заряженных частиц к отрицательно заряженным.

Существуют ли в природе источники магнитного поля

Самые ранние сведения об использовании природного магнита в качестве компаса содержатся в китайских летописях, составленных примерно в 1100 году до н. э. Так, император Хуанг Ти одержал решающую победу над врагом, напав на него в густом тумане с тыла. Ему помог простейший компас — установленная на повозке деревянная фигурка человека с вытянутой рукой, внутри которой был помещен магнетит. Рука всегда указывала на юг.

Геомагнитное, или естественное магнитное, поле Земли изучают магнитотеллурическими методами. Его величина зависит от размеров и глубины залегания намагниченных объектов, например залежей железных руд. Магнитометрами измеряют aбcoлютную величину магнитного поля либо его относительные значения, которые сравнивают с измерениями в опорных пунктах. Напряженность зeмного поля на магнитном полюсе равняется 5 эрстедам (Э), а на экваторе — 0,35 Э.

Электрические поля, которые возникают в атмосфере при разнице электрических напряжений, также связаны с магнитным полем Земли. Они возникают, например, при появлении в атмосфере заряженных частиц во время грозы. Вокруг движущихся зарядов возникают магнитные поля, которые возбуждают вихревое электрическое поле.

Оболочка, наиболее удаленная от поверхности Земли: ее верхняя граница расположена на расстоянии 70–80 тысяч километров. С дневной стороны она распространяется на 8–14, с ночной — на несколько сотен земных радиусов, образуя так называемый «хвост».

Магнитное поле межзвездной среды, создаваемое солнечным ветром, примерно в 100 тысяч раз слабее магнитного поля нашей планеты и вытянуто вдоль спиральных рукавов. Магнитосфера всех тел в Солнечной системе определяется давлением солнечного ветра, а также собственными характеристиками конкретного небесного тела. Например, Юпитер быстро вращается, поэтому находящийся в его недрах хороший проводник — металлический водород — создает мощное магнитное поле, напряженность которого у поверхности планеты в двадцать раз больше, чем напряженность магнитного поля у поверхности Земли.