Чем порождается магнитное поле

Откуда берется магнитное поле Земли?

Земля имеет магнитосферу: наша планета производит вокруг себя магнитное поле — магнитное поле Земли.

Это магнитное поле важно как для нас, так и для жизни в целом: оно действует как щит, защищающий нас от солнечных ветров. Эти ветры являются потоками заряженных частиц и в противном случае были бы смертельны для очень большой доли живых существ и в конечном итоге сдули бы нашу атмосферу.

Солнце, Юпитер или Сатурн также имеют магнитосферу. У Луны, Марса или Венеры ее нет или больше нет. Поэтому мы можем задаться вопросом, почему Земля и некоторые планеты имеют ее и откуда она взялась.

Источник энергии этого магнитного поля

Планета Земля имеет твердую кору (почва, каменистая), но металлическое сердце, состоящее из железа и никеля, частично жидкого, расплавленного из-за жары. Железо и никель, очень плотные, оказались там под действием силы тяжести при образовании Земли.

Важно то, что ядро Земли является частично жидким: это означает, что внутри нашей планеты происходят движения тепловой конвекции. Тот факт, что ядро металлическое, также имеет решающее значение, потому что это означает, что ядро Земли является проводником электричества и магнитных полей.

В дополнение к этой информации о внутренней структуре Земли, мы должны добавить тот факт, что планета вращается вокруг оси. Это тривиально, но важно по двум основным причинам.

Во-первых, вращение Земли (как и ее внутреннее тепло) — это запас энергии. Если у вас есть огромная вращающаяся масса, вы можете прикрепить к ней шестерню с резиновыми лентами и использовать ее для подъема предметов для питания динамо-машины и выработки электроэнергии, по крайней мере, до тех пор, пока вращающаяся масса не исчерпает свое вращение и не перестанет вращаться. В йо-йо, например, именно вращение йо-йо позволяет ему подняться.

Во-вторых, подобно тому, как вращение Земли является причиной появления циклонов в атмосфере, так и появление вращающихся столбов лавы в жидкой части земного ядра.

Подводя итог: Земля вращается, и это создает вращающиеся массы жидкого и проводящего железа в ядре. Если вы видите механизм формирования магнитного поля с этим, это нормально! Но пока еще не все.

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 эффекта Кориолиса 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.

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.

Вселенная без проводов: ученые раскрыли, как магнитное поле могло появиться «из ничего»

Естественное происхождение магнитных полей во Вселенной долгие годы оставалось загадкой. В ходе недавнего исследования ученые разгадали часть этой головоломки. «Хайтек» рассказывает главное.

Читайте «Хайтек» в

Все астрофизические объекты, которые наблюдают люди, окружены магнитными полями. И не только в окрестностях звезд и планет, но и в глубоком космосе между галактиками и скоплениями. Да, эти поля очень слабые — обычно намного слабее, чем у магнита холодильника. Однако их динамическое значение оказывает глубокое влияние на жизнь Вселенной. Несмотря на десятилетия исследований, происхождение этих космических магнитных полей остается одной из самых глубоких загадок в космологии.

Магнитные поля повсюду

Естественные магнитные поля наблюдаются повсюду во Вселенной. Впервые их обнаружили на Земле тысячи лет назад благодаря их взаимодействию с намагниченными минералами. Они использовались для навигации задолго до того, как люди поняли их природу или происхождение. Магнетизм на Солнце открыли в начале ХХ века благодаря его влиянию на спектр света, излучаемого звездой. С тех пор, используя более мощные телескопы, наблюдавшие глубокий космос, ученые обнаружили, что эти поля повсюду.

И, хотя ученые уже давно научились изготавливать и использовать постоянные магниты и электромагниты, естественное происхождение этих полей во Вселенной оставалось загадкой. В ходе недавнего исследования ученые разгадали часть этой головоломки, однако многие аспекты этого вопроса все еще обсуждаются.

В предыдущих исследованиях ученые поняли, как турбулентность может усиливать ранее существовавшие магнитные поля посредством так называемого динамо-процесса. Но это открытие лишь вызвало больше вопросов. Если турбулентное динамо могло только усиливать существующее, то откуда взялось первичное, «зародышевое» магнитное поле?

В рамках новой работы ученые показали основные процессы, которые генерируют поле от полностью ненамагниченного состояния до точки, где оно достаточно сильное, чтобы механизм динамо усилил его до величин, которые можно наблюдать.

Эффект динамо и Вселенная без проводов

Ученые рассматривали способ создания электрических и магнитных полей в лаборатории. Когда проводники, такие как медная проволока, движутся в них, появляются электрические поля. Затем они могут управлять электрическими токами. Так вырабатывается электричество, которое люди используют каждый день. Благодаря этому процессу индукции большие генераторы или динамо-машины преобразуют механическую энергию в электромагнитную, питающую наши дома и офисы. Ключевой особенностью динамо-машин является то, что для их работы необходимы магнитные поля.

Но во Вселенной нет никаких проводов или больших стальных конструкций, так как же возникают поля? Прогресс в решении этой проблемы начался около века назад, когда ученые задумались над источником магнитного поля Земли. К тому времени исследования распространения сейсмических волн показали, что большая часть планет под более холодными поверхностными слоями мантии была жидкой. Также ученые поняли, что в Земле существовало ядро, состоящее из расплавленного никеля и железа. Исследователи предположили, что конвективное движение этой горячей электропроводящей жидкости и вращение планеты каким-то образом объединяются для создания земного поля.

В конце концов появились модели, которые показали, как конвективное движение может усиливать существующее поле. Это пример самоорганизации — свойства, часто наблюдаемого в сложных динамических системах, — где крупномасштабные структуры спонтанно вырастают из мелкомасштабной динамики. Но, как и на электростанции, вам нужно магнитное поле, чтобы создать магнитное поле.

Подобный процесс происходит во всей Вселенной. Однако в звездах и галактиках, а также в пространстве между ними, электропроводящей жидкостью является не расплавленный металл, а плазма. Это состояние вещества возникает, когда электроны отрываются от их атомов. На Земле плазму можно увидеть в виде молнии. В такой среде динамо-эффект может усиливать существующее магнитное поле, если оно начинается на каком-то минимальном уровне.

Моделирование первичных магнитных полей

Откуда взялось это первичное или минимальное магнитное поле? Чтобы это выяснить, ученые провели исследование, результаты которого публикует PNAS. Автор исследования, аспирант Массачусетского технологического института (МIT) Муни Чжоу разработала основную теорию и провела численное моделирование на мощных суперкомпьютерах, чтобы понять, какие фундаментальные процессы отвечают за появление минимального поля.

Визуализация нитевидных первичных магнитных полей, возникающих в результате крупномасштабных движений ненамагниченной плазмы.
Предоставлено: Муни Чжоу и др.

Одно из важных свойств плазмы, которая существует между звездами и галактиками, — она сильно рассеяна, около одной частицы на кубический метр. При этом внутри звезд плотность частиц примерно на 30 порядков выше. Низкая плотность указывает на то, что частицы в космологической плазме никогда не сталкиваются, что оказывает важное влияние на их поведение.

Ученые отследили динамику в плазме, которая развивалась из хорошо упорядоченных волн, но становилась турбулентной по мере роста амплитуды, и взаимодействия становились сильно нелинейными. Включив детальное влияние динамики плазмы в малых масштабах на макроскопические астрофизические процессы, они продемонстрировали, что первичные магнитные поля могут спонтанно создаваться из-за общих крупномасштабных движений, таких простых, как сдвиговые потоки. Как и на Земле, механическая энергия преобразовывалась в магнитную.

Важным результатом их вычислений была амплитуда ожидаемого спонтанно генерируемого магнитного поля. Оказалось, она может вырастать с нуля до уровня, при котором плазма становится «намагниченной», то есть когда присутствие поля сильно влияет на ее динамику. В этот момент традиционный динамо-механизм может поднять поля до наблюдаемых уровней. Таким образом, новая работа представляет собой самосогласованную модель генерации магнитных полей в космологическом масштабе и объясняет, как они могли появиться «из ничего».

Что в итоге?

Профессор Эллен Цвейбель из Висконсинского университета в Мэдисоне, соавтор исследования, отмечает: «Несмотря на десятилетия прогресса в космологии, происхождение магнитных полей во Вселенной остается неизвестным. Приятно видеть современную теорию физики плазмы и численное моделирование, которое направлено на решение этой фундаментальной проблемы».

Чжоу и ее коллеги продолжат совершенствовать модель и изучать переход от генерации исходного поля к фазе усиления динамо-машины. Также ученые хотят выяснить, может ли этот процесс работать в масштабе времени, согласующемся с астрономическими наблюдениями. Цитируя исследователей, «эта работа представляет собой первый шаг в построении новой парадигмы для понимания магнитогенеза во Вселенной».

Магнитное поле

Картина силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом в форме стержня. Железные опилки на листе бумаги.

Магни́тное по́ле — составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах ( (вектор индукции магнитного поля) [1] . В СИ магнитная индукция измеряется в электрического поля. Точнее, магнитные поля являются необходимым следствием существования электрических полей и специальной теории относительности. Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются свет и прочие

Электрический ток(I) проходя через проводник — производит магнитное поле (B) вокруг проводника (соленоид).

Содержание

Чем создаётся

Магнитное поле формируется изменяющимся во времени электрическим полем либо собственными магнитными моментами частиц. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц.

Соленоид

Образование

Схема магнитных и вихревых электрических полей в соленоиде при протекании по обмотке Вычисление

Магнитные свойства веществ

• Проявление магнитного поля

Магнитное поле проявляется в воздействии на магнитные моменты частиц и тел, на движущиеся заряженные частицы (или проводники с током). Сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу, называется силой Лоренца, которая всегда направлена перпендикулярно к вектору

Примечание. Все направления указаны относительно плоскости (листа), расположенной вертикально.

Но указанных направлений на плоскости будет недостаточно, т.к. необходимо указывать еще и направления в пространстве. Например, направление вектора, который расположен перпендикулярно плоскости γ. Поэтому введем еще два направления: «к нам» — если вектор выходит из плоскости в нашу сторону, «от нас» — если вектор входит в плоскость. Например, на рис. 2 направление тока в проводнике FE, расположенного перпендикулярно плоскости γ, может быть OE — «к нам» или OF — «от нас».

Для изображения векторов, перпендикулярных плоскости рисунка применяют условные обозначения: крестики (как оперение стрелки, улетающей от вас) и точки (как наконечник стрелы, летящей к вам).

Например: а) по проводнику течет ток (рис. 3), б) в данной области существует однородное магнитное поле с вектором магнитной индукции \(

Тогда в плоскости γ направление векторов будем изображать так, как на рисунках 5 (окружности на данном рисунке — это сечения проводника) и 6.

Немного истории

Уже в VI в. до н.э. в Китае было известно, что некоторые руды, например, магнитный железняк, обладают способностью притягиваться друг к другу и притягивать на расстоянии железные предметы. Поскольку впервые куски таких руд были обнаружены возле города Магнезии в Малой Азии, то в Древней Греции они получили название магнитов.

Термин «полюсы магнитов» от греческого слова περαζ — ось, конец оси был введен Петром Перегрином в 1269 г. в книге «Письма о магнитах».

Явления притяжения разноименных и отталкивания одноименных полюсов магнита напоминают явления взаимодействия разноименных и одноименных электрических зарядов. Однако многочисленные попытки ученых установить связь между электрическими и магнитными явлениями на протяжении многих столетий оставались безрезультатными.

Наступает 1820 год. В феврале секретарь Датского королевского общества Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) прямо во время лекции обнаружил, что магнитная стрелка отклоняется, если пропустить ток по проводнику, и возвращается в свое первоначальное положение при размыкании цепи (рис. 7).

Описание этого простого опыта произвело сильное впечатление в научном сообществе и вызвало лавину новых открытий. Жан Батист Био и Феликс Савар нашли выражение для силы, действующей со стороны тока на магнитный полюс. Доминик Франсуа Араго обнаружил намагничивание железных опилок проводником с током. Андре Мари Ампер показал (сентябрь 1820 г.), что два параллельных проводника с токами притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления тока в них (рис. 8, а, б), а так же получил выражение для силы взаимодействия между электрическими токами и выявил тесную «генетическую» связь между электрическими и магнитными процессами. В декабре 1821 года М. Фарадей демонстрирует первый электромотор.

Таким образом, родилась новая область физики — электродинамика.

См. так же

1. Васильев А. Вольта, Эрстед, Фарадей //Квант. — 2000. — № 5. — С. 16-17
2. Слободянюк А.И. Физика 10. §12. Постоянное магнитное поле

Магнитное поле

• Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами.

Перечислим основные свойства магнитного поля, полученные из экспериментов (они частично повторяют свойства электрического поля):

1. Оно материально, т.е. существует независимо от наших знаний о нем.
2. Порождается только движущимся электрическим зарядом: вокруг любого движущегося заряженного тела существует магнитное поле. Магнитное поле может быть создано и магнитом, но и там, причиной появления поля является движение электронов. Магнитное поле может быть создано и переменным электрическим полем.
3. Обнаружить это поле можно по действию на движущийся электрический заряд (или проводник с током) с некоторой силой.
4. Это поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

Для силовой характеристики магнитного поля был введен вектор индукции магнитного поля \(

• Модуль вектора индукции магнитного поля можно определить как отношение максимальной силы F_max, с которой магнитное поле действует на проводник единичной длины (l = 1 м), к силе тока I в проводнике:

В СИ единицей индукции магнитного поля является 1 Тл (Тесла):

1 Тл = 1 Н/(1 А ⋅ 1 м).

Для магнитного поля, так же как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции:

• если магнитное поле в данной точке пространства создается несколькими движущимися зарядами, то индукция результирующего поля равна векторной сумме индукций полей, созданных каждым движущимся зарядом:

\vec B = \vec B_1 + \vec B_2 + \ldots + \vec B_n.\)

Графически магнитные поля изображаются с помощью специальных линий, называемых линиями индукции магнитного поля. Касательная к любой линии в каждой точке направлены вдоль вектора индукции магнитного поля \(

\vec B\). Свойства линий индукции, с одной стороны, сходны со свойствами силовых линий электростатического поля — они не пересекаются, не прерываются, густота линий больше там, где модуль вектора \(

\vec B\) больше. С другой стороны есть отличия — линии индукции магнитного поля всегда замкнуты, т.е. магнитное поле является вихревым.

Направление вектора индукции

Для определения направления вектора индукции магнитного поля, созданного магнитами, используют свободную магнитную стрелку (воображаемую):

вектор индукции магнитного поля \(

Например, чтобы определить направление вектора индукции магнитного поля между двумя полюсами магнитов в точке А (рис. 10, а), поместим в данную точку магнитную стрелку. К северному N полюсу магнита повернется южный S полюс стрелки, к южному S полюсу магнита — северный N полюс стрелки (рис. 10, б). Так как вектор индукции магнитного поля направлен от южного S полюса стрелки к северному N, то вектор \(