Магнітне поле

Наши партнеры ArtmMisto

Магн і тное п про ле, силове поле, що діє на рухомі електричні заряди і на тіла, що володіють магнітним моментом , Незалежно від стану їх руху. М. п. Характеризується вектором магнітної індукції В, який визначає: силу, діючу в даній точці поля на рухомий електричний заряд (див. Лоренца сила ); дію М. п. на тіла, що мають магнітний момент, а також інші властивості М. п.

Вперше термін «М. п. »ввів в 1845 М. Фарадей , Який вважав, що як електричні так і магнітні взаємодії здійснюються за допомогою єдиного матеріального поля. Класична теорія електромагнітного поля була створена Дж. Максвеллом (1873), квантова теорія - в 20-х роках 20 століття (див. Квантова теорія поля ).

Джерелами макроскопічного М. п. Є намагнічені тіла, провідники зі струмом і рухомі електрично заряджені тіла. Природа цих джерел єдина: М. п. Виникає в результаті руху заряджених мікрочастинок (електронів, протонів, іонів), а також завдяки наявності у мікрочастинок власного (спину) магнітного моменту (див. магнетизм ).

М .. п. Електричного струму визначається Біо - Савара законом : М. п. Тіл, що мають магнітний момент, - формулами, що описують поле магнітного диполя (у загальному випадку - мультиполя ).

Змінна М. п. Виникає також при зміні в часі електричного поля . У свою чергу, при зміні в часі М. п. Виникає електричне поле. Повний опис електричного і магнітного полів в їх взаємозв'язку дають Максвелла рівняння . Для характеристики М. п. Часто вводять силові лінії поля (лінії магнітної індукції). Дотична в кожній точці такої лінії має напрям вектора В в цій точці. Числом силових ліній, що проходять через одиничну перпендикулярну до них майданчик, кількісно визначають індукцію поля. У місцях підвищених значень В лінії індукції згущуються, в тих же місцях, де поле слабкіше, лінії розходяться (див., Наприклад, рис. 1).

Для М. п. Найбільш характерні наступні прояви.

1. У постійному однорідному М. п. На магнітний диполь з магнітним моментом p m діє крутний момент N = [р m В] (так, магнітна стрілка в М. п. Повертається по полю; виток зі струмом I, що також володіє магнітним моментом , прагне зайняти положення, при якому його площину була б перпендикулярна лініям індукції; атомний диполь прецессирует навколо силової лінії з характеристичною частотою; рис. 1, а).

2. У постійному однорідному М. п. Дія сили Лоренца призводить до того, що траєкторія руху електричного заряду має вигляд спіралі з кривизною, обернено пропорційній швидкості (рис. 1, б). Викривлення траєкторії електричних зарядів під дією сили Лоренца позначається, наприклад, в перерозподілі струму по перетину провідника при внесенні його в М. п. Цей ефект лежить в основі гальваномагнітних, термомагнітних та інших споріднених їм явищ.

3. У просторово неоднорідному М. п. На магнітний диполь діє сила F, що переміщає диполь в напрямку градієнта поля: F = grad (p m B); так, пучок атомів, що містить атоми з протилежно орієнтованими магнітними моментами, в неоднорідному М. п. розділяється на два розбіжних пучка (рис. 1, в).

4. М. п., Непостійне в часі, робить силову дію на покояться електричні заряди і приводить їх в рух; що виникає при цьому в контурі струм Iінд (рис. 1, г) своїм М. п. Вінд протидіє зміні первинного М. п. (див. індукція електромагнітна ).

Магнітна індукція В визначає середнє макроскопічне М. п., Що створюється в даній точці поля як струмами провідності (рухом вільних носіїв зарядів), так і наявними намагніченими тілами (іонами і атомами речовини). М. п., Створене струмами провідності і не залежне від магнітних властивостей речовини, характеризується вектором напруженості магнітного поля Н = В - 4 p J або Н = (В / m 0) - J (відповідно в СГС системі одиниць і Міжнародній системі одиниць ). У цих співвідношеннях вектор J - намагніченість речовини (магнітний момент одиниці його обсягу), m 0 - магнітна постійна .

Ставлення m = В / m0 Н, що визначає магнітні властивості речовини, називається його магнітною проникністю . Залежно від величини m речовини ділять на Діамагнетик (M <1) і парамагнетики (M> 1), речовини з m >> 1 називаються феромагнетиками .

Об'ємна щільність енергії М. п. У відсутності феромагнетиків: wM = m H 2 / 8p або wM = BH / 8p (в одиницях СГС); wM = mm0 H 2/2 або BH / 2 (в одиницях СІ). У загальному випадку wM = 1/2 ò HdB, де межі інтегрування визначаються початковими і кінцевими значеннями магнітної індукції В, складним чином залежить від поля Н.

Для вимірювання характеристик М. п. І магнітних властивостей речовин застосовують різного типу магнітометри . Одиницею індукції М. п. В системі одиниць СГС є гаус (гс), в Міжнародній системі одиниць - тесла (Тл), 1 тл = 104 гс. Напруженість вимірюється, відповідно, в ерстедах (е) і амперах на метр (а / м, 1 а / м = 4p / 103 е »0,01256 е; енергія М. п. - в ерг / см2 або дж / м2, 1 дж / м2 = 10 ерг / см2.

Магнітні поля в природі надзвичайно різноманітні як за своїми масштабами, так і за що викликаються ними ефектів. М. п. Землі, що утворить земну магнітосферу, тягнеться до відстані в 70-80 тисяч км в напрямку на Сонце і на багато мільйонів км в протилежному напрямку (див. земля ). У поверхні Землі М. п. Одно в середньому 0,5 гс, на кордоні магнітосфери ~ 10-3 гс. Геомагнітне поле екранує поверхню Землі і біосферу від потоку заряджених частинок сонячного вітру і частково космічних променів. Вплив самого геомагнітного поля на життєдіяльність організмів вивчає магнітобіологія . У навколоземному просторі М. п. Утворює магнітну пастку для заряджених частинок високих енергій - радіаційний пояс Землі . Вміщені в радіаційному поясі частки становлять значну небезпеку при польотах в космос. Походження М. п. Землі пов'язують з конвективними рухами проводить рідкої речовини в земному ядрі (див. земний магнетизм ).

Безпосередні виміри за допомогою космічних апаратів показали, що найближчі до Землі космічні тіла - Місяць, планети Венера і Марс не мають власного М. п., Подібного земному. З інших планет Сонячної системи лише Юпітер і, мабуть, Сатурн володіють власними М. п., Достатніми для створення планетарних магнітних пасток. На Юпітері виявлено М. п. До 10 гс і ряд характерних явищ ( магнітні бурі , Синхротронное радіовипромінювання і інші), що вказують на значну роль М. п. В планетарних процесах.

Міжпланетний М. п. - це головним чином поле сонячного вітру (безперервно розширюється плазми сонячної корони). Поблизу орбіти Землі міжпланетне поле ~ 10-4-10-5 гс. Силові лінії регулярного міжпланетного М. п. Мають вигляд йдуть від Сонця розкручуються спіралей (їх форма обумовлена ​​складанням радіального руху плазми і обертання Сонця). М. п. Міжпланетної плазми має секторну структуру: в одних секторах воно направлене від Сонця, в інших - до Сонця. Регулярність міжпланетного М. п. Може порушуватися через розвиток різних видів плазмової нестійкості, проходження ударних хвиль і поширення потоків швидких частинок, народжених сонячними спалахами (див. Космічна магнітогідродинаміка ).

У всіх процесах на Сонце - спалахи, появі плям і протуберанців, народженні сонячних космічних променів М. п. Грає найважливішу роль (див. сонячний магнетизм ). Вимірювання, засновані на ефекті Зеемана, показали, що М. п. Сонячних плям досягає декількох тисяч гс, протуберанці утримуються полями ~ 10-100 гс (при середньому значенні загального М. п. Сонця ~ 1 гс). Відстань зірок не дозволяє поки спостерігати у них М. п. Типу сонячних. У той же час більш ніж у двісті так званих магнітних зірок виявлені аномально великі поля (до 3,4 · 104 гс). Поля ~ 107 гс виміряні у кількох зірок - білих карликів. Особливо великі (~ 1010-1012 гс) М. п. Повинні бути, за сучасними уявленнями, у нейтронних зірок . З М. п. Космічних об'єктів тісно пов'язане прискорення заряджених частинок (електронів протонів, ядер) до релятивістських швидкостей (близьких до швидкості світла). При русі таких часток в космічних М. п. Виникає електромагнітне синхротронне випромінювання . Індукція міжзоряного М. п., Визначена за Зеемана ефекту (в радіолінії 21 см спектру водню) і по Фарадея ефекту (обертанню площини поляризації електромагнітного випромінювання в М. п.), становить всього ~ 5 · 10-6 гс. Однак загальна енергія міжзоряного (галактичного) М. п. Перевищує енергію хаотичного руху частинок міжзоряного газу і її можна порівняти з енергією космічних променів.

У явищах мікросвіту роль М. п. Так само істотна, як і в космічних масштабах. Це пояснюється існуванням у всіх часток - структурних елементів речовини (електронів, протонів, нейтронів) магнітного моменту, а також дією М. п. На рухомі електричні заряди. Якщо сумарний магнітний момент М частинок, що утворюють атом або молекулу, дорівнює нулю, то такі атоми і молекули називаються діамагнітними. Атоми (іони, молекули) з М ¹ 0 називаються парамагнітним. У всіх атомів (як з М = 0, так і з М ¹ 0) при накладенні зовнішнього М. п. Виникає індукований магнітний момент, направлений назустріч намагнічує полю (див. діамагнетизм ). Однак у парамагнітних атомів в М. п. Цей ефект маскується переважним поворотом їх магнітних моментів по полю (див. парамагнетизм ). У парамагнетиків і феромагнетиків намагніченість збільшується зі зростанням зовнішнього М. п. (До стану насичення). вид кривих намагничивания ферромагнетиков (і антиферомагнетиків) в значній мірі визначається магнітним взаємодією атомних носіїв магнетизму. Ця взаємодія обумовлює також велика різноманітність типів атомної магнітної структури у феримагнетиків ( феритів ).

Внутрікристалічної М. п., Виміряне в феримагнетиках (ферритах-гранатах) на ядрах іонів заліза, виявилося ~ 5 · 105 гс, на ядрах редкоземельного металу диспрозия ~ 8 · 106 гс. На відстані близько розміру атома (~ 10-8 см) М. п. Ядра складає ~ 50 гс. Зовнішнє М. п. І внутріатомні М. п., Створювані електронами атома і його ядром, розщеплюють енергетичні рівні атома (Зеемана ефект); в результаті спектри атомів набувають складну будову (див. тонка структура і Надтонка структура ). Відстані між зєємановськимі подуровнями енергії (і відповідними спектральними лініями) пропорційні величині М. п., Що дозволяє спектральними методами визначати значення М. п. З виникненням зєємановських підрівнів енергії в М. п. І з квантовими переходами між ними пов'язано ще одне важливе фізичне явище - резонансне поглинання речовиною радіохвиль (явище магнітного резонансу ). Залежність положення і форми ліній спектру магнітного резонансу від особливостей взаємодії молекул, атомів, іонів, а також ядер в рідинах і твердих тілах дає можливість досліджувати за допомогою електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) і ядерного магнітного резонансу (ЯМР) структуру рідин, кристалів і складних молекул, кінетику хімічних і біохімічних реакцій.

М. п. Здатне помітно впливати на оптичні властивості середовища і процеси взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною (див. Фарадея ефект , магнітооптика ), Викликати гальваномагнітних явища і термомагнітні явища в провідниках і напівпровідниках. М. п. Впливає на надпровідність речовин: при досягненні певної величини М. п. руйнує надпровідність (див. Критичне магнітне поле ). М. п. При намагнічуванні феромагнітних тел змінює їх форму і пружні властивості (див. магнітострикція ). Особливі властивості в М. п. Набуває плазма . М. п. Перешкоджає руху заряджених частинок плазми впоперек силових ліній поля (див. магнітна гідродинаміка ). Цей ефект використовується, наприклад, для термоізоляції плазми і забезпечення її стійкості в установках для вивчення властивостей високотемпературної плазми.

Застосування магнітних полів в науці і техніці. М. п. Зазвичай підрозділяють на слабкі (до 500 гс), середні (500 гс - 40 кгс), сильні (40 кгс - 1 Мгс) і надсильні (понад 1 Мгс). На використанні слабких і середніх М. п. Заснована практично вся електротехніка, радіотехніка та електроніка. У наукових дослідженнях середні М. п. Знайшли застосування в прискорювачах заряджених частинок , в Вільсона камері , іскровий камері , бульбашковій камері і інших трекових детекторах іонізующих частинок, в мас-спектрометра х, при вивченні дії М. п. на живі організми і т.д. Слабкі і середні М. п. Отримують за допомогою магнітів постійних , Електромагнітів, неохолоджуваних соленоїдів, магнітів надпровідних .

М. п. До ~ 500 кгс широко застосовуються в наукових і прикладних цілях: у фізиці твердого тіла для вивчення енергетичних спектрів електронів в металах, напівпровідниках і надпровідниках; для дослідження ферро- і антиферомагнетизму, для утримання плазми в МГД-генераторах і двигунах, для отримання наднизьких температур (див. магнітне охолоджування ), В електронних мікроскопах для фокусування пучків електронів і т.д. Для отримання сильних М. п. Застосовують надпровідні соленоїди (до 150-200 кгс, рис. 2), соленоїди, що охолоджуються водою (до 250 кгс, рис. 3), імпульсні соленоїди (до 1,6 Мгс, рис. 4). Сили, що діють на провідники зі струмом в сильних М. п., Можуть бути дуже великі (так, в полях ~ 250 кгс механічні напруги досягають 4 · 108 н / м2, тобто межі міцності міді). Ефект тиску М. п. Враховують при конструюванні електромагнітів і соленоїдів, його використовують для штампування виробів з металу. Граничне значення поля, яке можна отримати без руйнування соленоїда, не перевищує 0,9 Мгс.

Надсильні М. п. Використовують для отримання даних про властивості речовин в полях понад 1 Мгс і при супутніх їм тисках в десятки млн. Атмосфер. Ці дослідження дозволять, зокрема, глибше зрозуміти процеси, що відбуваються в надрах планет і зірок. Надсильні М. п. Отримують методом направленого вибуху (рис. 5). Мідну трубу, усередині якої попередньо створено сильне імпульсне М. п., Радіально стискують тиском продуктів вибуху. Зі зменшенням радіусу R труби величина М. п. В ній зростає ~ 1 / R 2 (якщо магнітний потік через трубу зберігається). М. п., Що отримується в установках подібного типу (так званих взривомагнітних генераторах), може досягати декількох десятків Мгс. До недоліків цього методу слід віднести короткочасність існування М. п. (Кілька мксек), невеликий обсяг сверхсильного М, п. І руйнування установки при вибуху.

Літ .: Ландау Л. Д. і Ліфшиц Е. М., Теорія поля, 6 вид., М., 1973 (Теоретична фізика, т. 2); Тамм І. Е., Основи теорії електрики, 8 видавництво., М., 1966; Парселл Е., Електрика і магнетизм, переклад з англійської, М., 1971 (Берклєєвський курс фізики, т. 2); Карасик В. Р., Фізика і техніка сильних магнітних полів, М., 1964; Монтгомері Б., Отримання сильних магнітних полів за допомогою соленоїдів, переклад з англійської, М., 1971; Кнопфель Г., Надсильні імпульсні магнітні поля, переклад з англійської, М., 1972; Кольм Г., Фріман А., Сильні магнітні поля, «Успіхи фізичних наук», 1966, т. 88, ст. 4, с. 703; Сахаров А. Д., взривомагнітних генератори, там же, с. 725; Біттер Ф., Надсильні магнітні поля, там же, с. 735; Вайнштейн С. І., Зельдович Я. Б., Про походження магнітних полів в астрофізиці, там же, 1972, т. 106, ст. 3.

Л. Г. Асламазов, В. Р. Карасик, С. Б. Пікельнер.

Мал. 4. Модель імпульсного одновиткового соленоїда (довжина 10 мм, діаметр отвору 2 мм). Джерело живлення - батарея конденсаторів на 2,4 кДж. Отримувані поля - до 1,6 Мгс.

Мал. 3. Схематичний розріз водоохолоджуваного соленоїда на 250 кгс (рух води показано стрілками), 1-я секція має масу 2 кг, споживає потужність 0,4 МВт і створює поле Bmax ~ 45 кгс, 2-я секція - 16 кг, 2 Мвт і 65 кгс, 3-тя секція - 1250 кг, 12 Мвт і 140 кгс.

Мал. 1. a - дія однорідного постійного магнітного поля на магнітну стрілку, виток зі струмом I і атомний диполь (е - електрон атома); б - дія однорідного постійного магнітного поля на вільно рухаються електричні заряди q (їх траєкторія в загальному випадку має вигляд спіралі); в - поділ пучка магнітних диполів в неоднорідному магнітному полі; г - виникнення струму індукції у витку при посиленні зовнішнього магнітного поля В (стрілками показано напрямок струму індукції і створюваного магнітного поля Вінд). Тут p т - магнітний момент, q - електричний заряд, v - швидкість заряду.

Мал. 5. взривомагнітних генератор. Первинне імпульсне поле створюється розрядом батареї конденсаторів. Коли поле досягає максимальної величини, здійснюється вибух (ВВ - вибухова речовина), що приводить до різкого зростання поля в мідній трубі ( «пастці» магнітного поля). Тригер застосовувався для синхронізації первинного імпульсного магнітного поля і детонації вибухової речовини.

Мал. 2. Сверхпроводяшій соленоїд з обмоткою зі сплаву Nb - Zr на 30 кгс (робочий об'єм діаметром 32 мм знаходиться при кімнатній температурі): 1 - соленоїд; 2 - рідкий гелій; 3 - рідкий азот; 4 - азотний екран; 5 - кожух; 6 - заливна горловина.