Начнем с главного — магнитное поле. Представьте себе невидимую, но вездесущую субстанцию, которая пронизывает все вокруг. Она не имеет ни цвета, ни запаха, ни других физических свойств. Но при этом обладает способностью воздействовать на определенные объекты, заставляя их ориентироваться и перемещаться в пространстве.
Магнитное поле — это особая форма материи, которая создается движущимися электрическими зарядами или постоянными магнитами и распространяется в окружающем пространстве в виде силовых линий. Вокруг любого проводника с током или магнита образуется магнитное поле определенной конфигурации.
Наглядно представить структуру магнитного поля можно с помощью железных опилок, рассыпанных на листе бумаги над магнитом. Опилки выстроятся в причудливые узоры, изображающие силовые линии поля. В центре поля они будут плотными, а по краям — более разреженными.
Картина силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом в форме стержня. Железные опилки на листе бумаги.
Фото: Wikipedia
Чтобы количественно описать магнитное поле в каждой точке пространства, физики ввели ряд важных величин и понятий. Главная из них — магнитная индукция B. Она показывает степень «напряженности» магнитного поля в данной области.
Кратко пояснить смысл индукции можно на такой аналогии. Представьте, что в лесу есть разные области с разной плотностью расположения деревьев. Там, где деревьев больше на единицу площади, их «напряженность» выше. Аналогично, чем больше магнитных силовых линий проходит через единицу площади, тем выше индукция поля В в этой точке. Единица измерения В — тесла (Тл).
Другая важная величина — магнитный поток Ф. Это число силовых линий, пронизывающих некоторую поверхность. Он зависит от индукции В, площади S поверхности и угла α между вектором В и нормалью к S:
Чем больше индукция и площадь, чем меньше угол между ними, тем выше получится магнитный поток через данную поверхность. Единица потока — вебер (Вб).
Эти и другие понятия (напряженность, циркуляция и пр.) позволяют математически описать магнитное поле в любой точке пространства. А теперь перейдем к взаимодействию полей с различными объектами.
Магнитные поля обладают способностью воздействовать на движущиеся электрические заряды, создавая на них особые силы. Первая из них — сила Ампера, действующая на проводник с током.
Представьте длинный прямой проводник, по которому течет электрический ток, то есть упорядоченное движение зарядов. Если поместить этот проводник в магнитное поле, то на него начнет действовать сила Ампера F, стремящаяся повернуть проводник перпендикулярно линиям поля.
Модуль силы Ампера можно вычислить по формуле:
Здесь B — индукция поля, I — сила тока в проводнике, L — длина проводника, α — угол между направлениями вектора B и проводника.
Чем больше ток, длина проводника и индукция, и чем ближе угол α к 90 градусам, тем сильнее будет сила Ампера, стремящаяся повернуть проводник. Направление силы можно определить по правилу левой руки.
Кроме того, на отдельный движущийся заряд q в магнитном поле действует сила Лоренца Fл. Ее модуль прямо пропорционален заряду, скорости его движения v и индукции поля B:
Здесь α — угол между векторами v и B. Направление силы Лоренца перпендикулярно к v и B (правило левой руки).
Используя эти формулы, несложно рассчитать, как будет вести себя заряженная частица или проводник с током в магнитном поле. Именно на этом принципе основана работа многих электроприборов.
А теперь разберемся, как создаются и выглядят магнитные поля у разных источников. Начнем с простого случая — поля, создаваемого прямым проводником с током.
Если по проводнику течет электрический ток, т.е. упорядоченное движение зарядов, то вокруг проводника образуется кольцевое магнитное поле. Силовые линии этого поля представляют собой концентрические окружности в плоскостях, перпендикулярных проводнику.
По закону Био-Савара-Лапласа индукция магнитного поля прямого тока на расстоянии r от проводника будет равна:
Здесь 0 — магнитная постоянная, I — сила тока в проводнике. Видно, что индукция обратно пропорциональна расстоянию от проводника.
Если соединить прямые проводники в спираль — получится соленоид, который создает гораздо более мощное магнитное поле благодаря суммированию полей от каждого витка. Внутри длинного соленоида поле будет практически однородным, а снаружи — подобным полю прямого тока.
Индукция поля внутри соленоида:
Здесь 0 — магнитная постоянная, n — число витков соленоида на единицу его длины, а I — сила тока, протекающего по соленоиду.
Соленоид — это плотно намотанная компактная катушка, в которой направления токов всех витков совпадают. Благодаря этому внутри соленоида создается сильное магнитное поле, подчиняющееся принципам, описанным выше.
Соленоиды широко применяются в физике из-за их способности генерировать однородные магнитные поля. Изменяя величину тока I, можно регулировать индукцию поля для решения различных задач.
Явление электромагнитной индукции представляет собой возникновение индукционного тока или ЭДС в рамках, помещенных в переменное магнитное поле. Сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока сквозь рамку. Английский физик Майкл Фарадей установил, что направление индукционного тока (а значит, и ЭДС) определяется правилом Ленца.
Правило Ленца гласит: индукционный ток (или ЭДС индукции) имеет такое направление, при котором создаваемое этим током магнитное поле противодействует изменению внешнего магнитного потока, вызвавшего индукционный ток.
Математически правило Ленца можно записать как:
ЭДС = -N*(dФ/dt) или ЭДС = -N*[(Ф2-Ф1)/(t2-t1)],
где Ф2, Ф1 — значения магнитного потока в рамке в моменты t2 и t1, а ЭДС — индукционная ЭДС в рамке.
Это значит, что если магнитный поток сквозь рамку увеличивается (Ф2>Ф1), то в рамке индуцируется ЭДС обратного направления (-ЭДС). И наоборот, если поток уменьшается, то ЭДС направлена в ту же сторону (ЭДС>0). Таким образом, индуцированный ток стремится противодействовать изменению магнитного потока.
Такое правило соблюдается для любых случаев: электромагнитной индукции, самоиндукции, электромагнитных волн и т.п. Оно универсально.
Способностью магнититься обладают не все вещества. Различают три основных типа магнитных материалов, отличающихся природой своего магнетизма.
Ферромагнетики — это вещества, молекулы которых содержат электроны с параллельными спинами. Благодаря этому образуются крупные области самопроизвольной намагниченности — домены. Классические ферромагнетики — железо, никель, кобальт и их сплавы. Их активно используют для изготовления постоянных магнитов.
.png)
Магнитные домены в NdFeB (фотография получена методом Керровской микроскопии)
Фото: Wikipedia
Парамагнетики тоже содержат неспаренные электроны. Но области самопроизвольной намагниченности у них гораздо меньше из-за теплового движения. Поэтому они обладают слабым магнетизмом только во внешнем поле. Примеры: алюминий, платина, кислород.
Диамагнетиками называют вещества, все электроны которых спарены, но во внешнем поле незначительно намагничиваются в противоположном направлении. Это золото, серебро, графит, дерево, пластики.
Разумеется, магнитные свойства широко применяются в науке и технике. Из ферромагнетиков изготавливают постоянные магниты для двигателей, датчиков, аудиосистем. Парамагнетики используют в МРТ-томографах, ЯМР-спектроскопах. Диамагнетики — в анализаторах веществ.
Магнитные поля пронизывают не только окружающий нас мир, но и всю Вселенную. Самый известный пример — магнитное поле Земли. Оно возникает из-за электрических токов в жидком ядре нашей планеты. Благодаря этому полю Земля ведет себя как гигантский магнит, защищая живые организмы от вредного космического излучения.
Магнитные поля присутствуют и у других планет земной группы, и у газовых планет-гигантов. Крупнейшее — у Юпитера. Даже крошечный Меркурий имеет небольшое поле, природа которого до конца не изучена.
Гигантские магнитные поля окружают нашу звезду — Солнце. Это поля солнечного ветра — потока заряженных частиц. Их взаимодействие с магнитосферой Земли вызывает полярные сияния, магнитные бури, оказывающие влияние на радиосвязь и электросети.
Магнитные поля прослеживаются у других звезд, галактик и даже скоплений галактик. Причем природа этих космических магнитных полей различна. Но одно ясно — магнетизм играет важнейшую роль в процессах, протекающих во Вселенной.
Благодаря своим уникальным свойствам магнитные явления нашли многочисленные и повсеместные применения в научно-технической сфере. Рассмотрим лишь несколько наиболее ярких примеров.
Магнитное поле — основа работы электродвигателей, генераторов, трансформаторов. Двигатель создает вращающееся магнитное поле, заставляющее вращаться ротор. Генератор, наоборот, создает ток за счет вращения проводника в магнитном поле.
В промышленности широко используются методы магнитного контроля качества продукции. Например, магнитная дефектоскопия позволяет обнаружить внутренние трещины и дефекты в металлических деталях без их разрушения.
В медицине незаменимы МРТ-томографы, использующие сильные магнитные поля для построения объемных изображений внутренних органов. А метод ядерного магнитного резонанса позволяет изучать структуру веществ на атомном уровне.
Нельзя не упомянуть принципы магнитной записи данных на жесткие диски и магнитные ленты. А также практически важные явления электромагнитной индукции, лежащие в основе многих электротехнических устройств.
В фундаментальной науке магнитные поля используются в гигантских ускорителях заряженных частиц для исследования микромира. Повсюду, где требуется управлять движением элементарных частиц, не обойтись без магнитных полей.
Таким образом, магнетизм буквально пронизывает все сферы науки, техники, современных технологий. И трудно переоценить его роль для нашей цивилизации.
Магнитные явления привлекали внимание человека с глубокой древности. Еще в 6 веке до н.э. греки заметили удивительные свойства природного магнитного минерала — магнетита, способного притягивать железные предметы.
Первым ученым, который систематически исследовал магнетизм, стал англичанин Уильям Гильберт. В 1600 году он экспериментально доказал, что Земля ведет себя как огромный природный магнит, имеющий собственное магнитное поле.
В 1820 году Ханс Эрстед открыл, что электрический ток создает магнитное поле вокруг проводника. Это позволило Андре Амперу сформулировать законы взаимодействия электрических токов.
Майкл Фарадей в 1831 году открыл явление электромагнитной индукции — порождение электрического тока при изменении магнитного потока. Это стало фундаментом для создания электродвигателей и генераторов.
В 1873 году Джеймс Максвелл объединил известные на тот момент законы электричества и магнетизма в единую стройную теорию электромагнитного поля, ставшую краеугольным камнем физики.
Дальнейшее развитие теории магнетизма было связано с открытием электрона, квантовой механики, специальной теории относительности. Также были обнаружены сверхпроводники, магнитные монополи и другие удивительные магнитные явления и объекты.
Несмотря на большой прогресс в изучении магнетизма за последние столетия, в этой области остается немало загадок и нерешенных проблем, которые активно исследуются современными учеными. Вот некоторые из них:
Эти и другие вопросы магнетизма ждут своего разрешения новыми поколениями исследователей, открывая все новые горизонты познания.
