Mágneses tér: okok és jellemzők. Mágneses mező

A Föld mágneses tere a bolygón belüli források által generált képződmény. Ez a geofizika megfelelő szakaszának vizsgálati tárgya. Ezután nézzük meg közelebbről, mi a Föld mágneses tere, hogyan jön létre.

Általános információ

Nem messze a Föld felszínétől, körülbelül három sugara távolságra a mágneses tér erővonalai egy "két poláris töltés" rendszerében helyezkednek el. Itt van egy „plazmagömbnek” nevezett terület. A bolygó felszínétől való távolság növekedésével a napkoronából származó ionizált részecskék áramlásának hatása nő. Ez a magnetoszféra összenyomódásához vezet a Nap oldaláról, és fordítva, a Föld mágneses tere kihúzódik az ellenkező, árnyék oldalról.

plazma gömb

A Föld felszíni mágneses terére kézzelfogható hatást gyakorol a töltött részecskék irányított mozgása a légkör felső rétegeiben (ionoszférában). Utóbbi elhelyezkedése a bolygó felszínétől száz kilométeres és magasabb szintről van. A Föld mágneses tere tartja a plazmagömböt. Szerkezete azonban erősen függ a napszél tevékenységétől és a visszatartó réteggel való kölcsönhatásától. A mágneses viharok gyakorisága pedig bolygónkon a napkitöréseknek köszönhető.

Terminológia

Létezik a „Föld mágneses tengelyének” fogalma. Ez egy egyenes vonal, amely áthalad a bolygó megfelelő pólusain. A "mágneses egyenlítő" a sík nagy köre, amely merőleges erre a tengelyre. A rajta lévő vektor iránya közel van a vízszinteshez. A Föld mágneses terének átlagos intenzitása jelentősen függ a földrajzi elhelyezkedéstől. Ez körülbelül 0,5 Oe, azaz 40 A / m. A mágneses egyenlítőn ugyanez a mutató körülbelül 0,34 Oe, a pólusok közelében pedig közel 0,66 Oe. A bolygó egyes anomáliáinál, például a Kurszk anomálián belül, a mutató megnő, és 2 Oe-t tesz ki. A Föld magnetoszférájának összetett szerkezetű vonalait, amelyek a felszínére vetítve, és a saját pólusainál összefolynak, "mágneses meridiánoknak" nevezik.

Az előfordulás természete. Feltételezések és sejtések

Nem is olyan régen létjogosultságot kapott az a feltételezés, hogy a Föld magnetoszféra megjelenése és a bolygónk sugarának negyed-harmadnyi távolságában elhelyezkedő folyékony fémmagban áramlik az összefüggés. A tudósoknak van egy feltételezéseik a földkéreg közelében folyó úgynevezett "tellurikus áramokról". Azt kell mondani, hogy idővel átalakul a formáció. A Föld mágneses tere sokszor változott az elmúlt száznyolcvan évben. Ez az óceáni kéregben rögzül, és ezt a remanens mágnesezettség vizsgálatai is bizonyítják. Az óceángerincek mindkét oldalán lévő szakaszok összehasonlításával meghatározható ezeknek a szakaszoknak az eltérési ideje.

A Föld mágneses póluseltolódása

A bolygó ezen részeinek elhelyezkedése nem állandó. Elköltözésük tényét a tizenkilencedik század vége óta jegyezték fel. A déli féltekén a mágneses pólus ez idő alatt 900 km-rel eltolódott, és az Indiai-óceánban kötött ki. Hasonló folyamatok zajlanak az északi részen. Itt a pólus a kelet-szibériai mágneses anomália felé tolódik el. 1973-tól 1994-ig 270 km volt a szakasz, amit itt mozgott. Ezeket az előre kiszámított adatokat később mérések is megerősítették. A legfrissebb adatok szerint jelentősen megnőtt az északi félteke mágneses pólusának sebessége. A múlt század hetvenes éveinek 10 km/évről e század elejére 60 km/évre nőtt. Ugyanakkor a Föld mágneses mezejének erőssége egyenetlenül csökken. Tehát az elmúlt 22 év alatt néhol 1,7%-kal, valahol 10%-kal csökkent, bár vannak olyan területek is, ahol éppen ellenkezőleg, nőtt. A mágneses pólusok elmozdulásának gyorsulása (körülbelül évi 3 km-rel) okot ad arra, hogy feltételezzük, hogy a ma megfigyelt mozgásuk nem kirándulás, hanem egy újabb inverzió.

Ezt közvetve megerősíti a magnetoszféra déli és északi részén az úgynevezett "poláris rések" növekedése. A napkorona és a tér ionizált anyaga gyorsan behatol a keletkező nyúlványokba. Ebből egyre nagyobb mennyiségű energia gyűlik össze a Föld szubpoláris régióiban, ami önmagában is tele van a sarki jégsapkák további felmelegedésével.

Koordináták

A kozmikus sugarakat vizsgáló tudomány a McIlwain tudósról elnevezett geomágneses mező koordinátáit használja. Ő volt az első, aki javasolta ezek alkalmazását, mivel a töltött elemek mágneses térben történő aktivitásának módosított változatain alapulnak. Egy ponthoz két koordinátát (L, B) használunk. Jellemzik a mágneses héjat (a McIlwain-paraméter) és az L térindukciót. Ez utóbbi egy olyan paraméter, amely megegyezik a gömb átlagos távolságának a bolygó középpontjától a sugarához viszonyított arányával.

"Mágneses dőlés"

Több ezer évvel ezelőtt a kínaiak csodálatos felfedezést tettek. Azt találták, hogy a mágnesezett tárgyak egy bizonyos irányban elhelyezhetők. És a tizenhatodik század közepén Georg Cartmann német tudós újabb felfedezést tett ezen a területen. Így jelent meg a "mágneses hajlam" fogalma. Ez a név a nyílnak a vízszintes síktól felfelé vagy lefelé történő eltérési szögét jelenti a bolygó magnetoszférája hatására.

A kutatás történetéből

Az északi mágneses egyenlítő tartományában, amely eltér a földrajzitól, az északi vége lefelé megy, délen pedig éppen ellenkezőleg, felfelé megy. 1600-ban William Gilbert angol orvos tett először feltételezéseket a Föld mágneses mezejének jelenlétéről, ami az előre mágnesezett objektumok bizonyos viselkedését okozza. Könyvében egy vas nyíllal felszerelt labdával végzett kísérletet írt le. A kutatás eredményeként arra a következtetésre jutott, hogy a Föld egy nagy mágnes. A kísérleteket Henry Gellibrant angol csillagász is elvégezte. Megfigyelései eredményeként arra a következtetésre jutott, hogy a Föld mágneses tere lassú változásoknak van kitéve.

José de Acosta ismertette az iránytű használatának lehetőségét. Megállapította a mágneses és az északi pólus közötti különbséget is, és híres Históriájában (1590) igazolta a mágneses eltérés nélküli vonalak elméletét. Kolumbusz Kristóf is jelentős mértékben hozzájárult a vizsgált kérdés tanulmányozásához. Övé a mágneses deklináció inkonzisztenciájának felfedezése. Az átalakítások a földrajzi koordináták változásaitól függenek. A mágneses deklináció a nyíl észak-déli irányától való eltérési szöge. Kolumbusz felfedezésével kapcsolatban felerősödtek a kutatások. A Föld mágneses mezejére vonatkozó információk rendkívül szükségesek voltak a navigátorok számára. M. V. Lomonoszov is dolgozott ezen a problémán. A földi mágnesesség tanulmányozásához szisztematikus megfigyeléseket javasolt állandó pontok (például obszervatóriumok) segítségével. Lomonoszov szerint az is nagyon fontos volt, hogy ezt a tengeren hajtsák végre. A nagy tudós ötlete hatvan évvel később Oroszországban valósult meg. A mágneses pólus felfedezése a kanadai szigetvilágban John Ross angol sarkkutatóé (1831). 1841-ben pedig felfedezte a bolygó másik pólusát is, de már az Antarktiszon. A Föld mágneses mezejének eredetére vonatkozó hipotézist Carl Gauss terjesztette elő. Hamarosan azt is bebizonyította, hogy nagy része a bolygón belüli forrásból táplálkozik, de enyhe eltéréseinek oka a külső környezetben van.

A mágneses mező az anyag egy speciális formája, amelyet mágnesek, áramvezetők (mozgó töltött részecskék) hoznak létre, és amely mágnesek, vezetők és áram (mozgó töltött részecskék) kölcsönhatása révén érzékelhető.

Oersted tapasztalata

Az első (1820-ban végrehajtott) kísérletek, amelyek kimutatták, hogy az elektromos és a mágneses jelenségek között mély összefüggés van, H. Oersted dán fizikus kísérletei voltak.

A vezető közelében található mágneses tű egy bizonyos szögben elfordul, amikor az áramot bekapcsolják a vezetőben. Az áramkör nyitásakor a nyíl visszatér eredeti helyzetébe.

G. Oersted tapasztalataiból következik, hogy e vezető körül mágneses tér van.

Amper tapasztalat
Két párhuzamos vezető, amelyeken elektromos áram folyik, kölcsönhatásba lép egymással: vonzzák, ha az áramok azonos irányúak, és taszítják, ha az áramok ellentétes irányúak. Ennek oka a vezetők körül kialakuló mágneses mezők kölcsönhatása.

Mágneses tér tulajdonságai

1. Anyagilag, azaz. tőlünk és az arról való tudásunktól függetlenül létezik.

2. Mágnesek, áramvezetők (mozgó töltött részecskék) alkotják

3. Mágnesek, vezetők és áram kölcsönhatása (mozgó töltött részecskék) érzékeli

4. Mágnesekre, vezetőkre árammal hat (mozgatja a töltött részecskéket) némi erővel

5. A természetben nincsenek mágneses töltések. Nem választhatja szét az északi és a déli pólust, és nem kaphat egy pólusú testet.

6. A testek mágneses tulajdonságainak okát Ampère francia tudós találta meg. Ampere arra a következtetésre jutott, hogy bármely test mágneses tulajdonságait a benne lévő zárt elektromos áramok határozzák meg.

Ezek az áramok az elektronok mozgását jelzik az atomban keringő pályán.

Ha azok a síkok, amelyekben ezek az áramok keringenek, véletlenszerűen helyezkednek el egymáshoz képest a testet alkotó molekulák hőmozgása miatt, akkor kölcsönhatásaik kölcsönösen kompenzálódnak, és a test nem mutat mágneses tulajdonságokat.

És fordítva: ha a síkok, amelyekben az elektronok forognak, párhuzamosak egymással, és a normálok iránya ezekre a síkra esik egybe, akkor az ilyen anyagok fokozzák a külső mágneses teret.

7. A mágneses erők a mágneses térben bizonyos irányokban hatnak, ezeket mágneses erővonalaknak nevezzük. Segítségükkel kényelmesen és egyértelműen megmutathatja a mágneses mezőt egy adott esetben.

A mágneses tér pontosabb ábrázolása érdekében azokon a helyeken állapodtunk meg, ahol erősebb a tér, hogy a sűrűbben elhelyezkedő erővonalakat, pl. közelebb egymáshoz. És fordítva, azokon a helyeken, ahol gyengébb a mező, a mezővonalak kisebb számban jelennek meg, pl. ritkábban található.

8. A mágneses tér jellemzi a mágneses indukció vektorát.

A mágneses indukciós vektor a mágneses teret jellemző vektormennyiség.

A mágneses indukciós vektor iránya egybeesik egy szabad mágneses tű északi pólusának irányával egy adott pontban.

A térindukciós vektor iránya és az I áramerősség összefügg a „jobboldali csavar (gerinc) szabályával”:

ha a kardánt a vezetőben lévő áram irányába csavarja, akkor a fogantyúja végének mozgási sebességének iránya egy adott pontban egybeesik a mágneses indukciós vektor irányával ezen a ponton.

A mágneses térre még az iskolából emlékszünk, nem mindenkinek „felbukkan” az emlékezetében. Frissítsük fel, miken mentünk keresztül, és talán mondjunk valami újat, hasznosat és érdekeset.

A mágneses tér meghatározása

A mágneses tér olyan erőtér, amely a mozgó elektromos töltésekre (részecskékre) hat. Ennek az erőtérnek köszönhetően a tárgyak vonzódnak egymáshoz. Kétféle mágneses mező létezik:

1. Gravitációs - képződik kizárólag közel elemi részecskék és viruetsya annak erejét alapján jellemzői és szerkezete ezeknek a részecskéknek.
2. Dinamikus, mozgó elektromos töltésű tárgyakban keletkezik (áramadók, mágnesezett anyagok).

A mágneses tér elnevezését először M. Faraday vezette be 1845-ben, bár jelentése kissé téves volt, mivel úgy gondolták, hogy mind az elektromos, mind a mágneses hatások és kölcsönhatások ugyanazon az anyagi téren alapulnak. Később, 1873-ban D. Maxwell "bemutatta" a kvantumelméletet, amelyben elkezdték szétválasztani ezeket a fogalmakat, és a korábban származtatott erőteret elektromágneses térnek nevezték.

Hogyan jelenik meg a mágneses mező?

A különféle tárgyak mágneses mezőit az emberi szem nem érzékeli, és csak speciális szenzorok tudják rögzíteni. A mágneses erőtér mikroszkopikus léptékű megjelenésének forrása a mágnesezett (töltött) mikrorészecskék mozgása, amelyek a következők:

• ionok;
• elektronok;
• protonok.

Mozgásuk a spin mágneses momentumnak köszönhető, amely minden mikrorészecskében jelen van.

Mágneses mező, hol található?

Bármilyen furcsán is hangzik, de szinte minden körülöttünk lévő tárgynak megvan a maga mágneses tere. Bár sokak felfogásában csak a mágnesnek nevezett kavics rendelkezik mágneses mezővel, ami magához vonzza a vastárgyakat. Valójában a vonzási erő minden tárgyban benne van, csak alacsonyabb vegyértékben nyilvánul meg.

Azt is tisztázni kell, hogy a mágneses erőtér csak akkor jelenik meg, ha elektromos töltések vagy testek mozognak.

A mozdulatlan töltéseknek elektromos erőterük van (mozgó töltésekben is jelen lehet). Kiderült, hogy a mágneses mező forrásai:

• állandó mágnesek;
• mobildíjak.

A mágneses tér sokáig sok kérdést vetett fel az emberben, de még ma is kevéssé ismert jelenség. Sok tudós megpróbálta tanulmányozni jellemzőit és tulajdonságait, mivel a terület használatának előnyei és lehetőségei vitathatatlan tények voltak.

Vegyünk mindent sorra. Tehát hogyan működik és képződik bármilyen mágneses mező? Így van, elektromos áram. Az áram pedig a fizika tankönyvek szerint egy töltött részecskék áramlata, amelynek iránya van, nem? Tehát, amikor egy áram áthalad bármely vezetőn, egy bizonyos fajta anyag elkezd hatni körülötte - egy mágneses mező. A mágneses teret a töltött részecskék árama vagy az atomokban lévő elektronok mágneses momentumai hozhatják létre. Most ennek a mezőnek és az anyagnak van energiája, elektromágneses erőkben látjuk, amelyek befolyásolhatják az áramot és annak töltéseit. A mágneses tér elkezd hatni a töltött részecskék áramlására, és magára a mezőre merőlegesen megváltoztatják a kezdeti mozgásirányt.

Egy másik mágneses teret elektrodinamikusnak nevezhetünk, mert mozgó részecskék közelében jön létre, és csak a mozgó részecskékre hat. Nos, dinamikus annak a ténynek köszönhető, hogy speciális szerkezettel rendelkezik a forgó bionokban a tér egy régiójában. Egy közönséges elektromos mozgó töltés képes forogni és mozogni. A bionok minden lehetséges kölcsönhatást továbbítanak a tér ezen régiójában. Ezért a mozgó töltés magához vonzza az összes bion egyik pólusát, és elforgatja őket. Csak ő tudja őket kihozni a nyugalmi állapotból, semmi más, mert más erők nem lesznek képesek befolyásolni őket.

Az elektromos mezőben töltött részecskék nagyon gyorsan mozognak, és egy másodperc alatt 300 000 km-t képesek megtenni. A fény sebessége azonos. Elektromos töltés nélkül nincs mágneses tér. Ez azt jelenti, hogy a részecskék hihetetlenül szoros kapcsolatban állnak egymással, és egy közös elektromágneses térben léteznek. Vagyis ha a mágneses térben bármilyen változás történik, akkor az elektromos térben is változások lesznek. Ez a törvény is megfordult.

Sokat beszélünk itt a mágneses térről, de hogyan képzelheti el? Emberi szabad szemünkkel nem láthatjuk. Sőt, a mező hihetetlenül gyors terjedése miatt nincs időnk a különféle eszközök segítségével javítani. De ahhoz, hogy valamit tanulmányozhassunk, legalább némi elképzeléssel kell rendelkeznie róla. Gyakran szükséges a mágneses teret diagramokon is ábrázolni. A könnyebb érthetőség érdekében feltételes mezővonalakat rajzolunk. Honnan szerezték őket? Okkal találták ki őket.

Próbáljuk meg látni a mágneses teret kis fémreszelékek és egy közönséges mágnes segítségével. Ezeket a fűrészport sima felületre öntjük, és mágneses mező hatásába vezetjük be. Aztán látni fogjuk, hogy mozognak, forognak és sorba rendeződnek egy mintában vagy mintában. A kapott kép az erők hozzávetőleges hatását mutatja a mágneses térben. Ezen a helyen minden erő és ennek megfelelően az erővonalak folyamatosak és zártak.

A mágneses tű hasonló jellemzőkkel és tulajdonságokkal rendelkezik, mint az iránytű, és az erővonalak irányának meghatározására szolgál. Ha egy mágneses tér hatászónájába esik, akkor az északi pólusánál láthatjuk az erők hatásának irányát. Ezután több következtetést is kiemelünk innen: egy közönséges állandó mágnes tetejét, amelyből az erővonalak erednek, a mágnes északi pólusa jelöli. Míg a déli pólus azt a pontot jelöli, ahol az erők záródnak. Nos, a mágnesen belüli erővonalak nincsenek kiemelve az ábrán.

A mágneses teret, annak tulajdonságait és jellemzőit meglehetősen széles körben alkalmazzák, mert számos problémában figyelembe kell venni és tanulmányozni kell. Ez a fizika tudományának legfontosabb jelensége. Az összetettebb dolgok elválaszthatatlanul kapcsolódnak hozzá, mint például a mágneses permeabilitás és az indukció. A mágneses mező megjelenésének minden okának magyarázatához valós tudományos tényekre és megerősítésekre kell támaszkodnia. Ellenkező esetben összetettebb problémák esetén a rossz megközelítés sértheti az elmélet integritását.

Most mondjunk példákat. Mindannyian ismerjük bolygónkat. Azt mondod, hogy nincs mágneses tere? Lehet, hogy igazad van, de a tudósok szerint a Föld magjában zajló folyamatok és kölcsönhatások hatalmas mágneses teret hoznak létre, amely több ezer kilométeren át húzódik. De minden mágneses mezőnek rendelkeznie kell pólusaival. És léteznek, csak egy kicsit távolabb a földrajzi pólustól. Hogyan érezzük? Például a madarak navigációs képességeket fejlesztettek ki, és különösen a mágneses mező alapján tájékozódnak. Így az ő segítségével a libák épségben megérkeznek Lappföldre. Speciális navigációs készülékek is használják ezt a jelenséget.

Mágneses mező ez az elektromos áramforrások, valamint az állandó mágnesek körül felmerülő kérdés. A térben a mágneses mező olyan erők kombinációjaként jelenik meg, amelyek hatással lehetnek a mágnesezett testekre. Ezt a hatást a molekuláris szintű kisülések jelenléte magyarázza.

A mágneses tér csak a mozgásban lévő elektromos töltések körül jön létre. Ez az oka annak, hogy a mágneses és az elektromos mezők egybetartoznak, és együtt alkotnak elektromágneses mező. A mágneses tér komponensei összekapcsolódnak és egymásra hatnak, megváltoztatva tulajdonságaikat.

A mágneses tér tulajdonságai:
1. A mágneses tér az elektromos áram hajtótöltéseinek hatására jön létre.
2. A mágneses teret bármely pontján fizikai mennyiségi vektor jellemzi, ún mágneses indukció, amely a mágneses térre jellemző erő.
3. A mágneses tér csak mágnesekre, vezető vezetőkre és mozgó töltésekre hathat.
4. A mágneses tér lehet állandó és változó típusú
5. A mágneses teret csak speciális eszközök mérik, az emberi érzékszervek nem érzékelik.
6. A mágneses tér elektrodinamikus, mivel csak a töltött részecskék mozgása során jön létre, és csak a mozgásban lévő töltésekre hat.
7. A töltött részecskék merőleges pályán mozognak.

A mágneses tér nagysága a mágneses tér változási sebességétől függ. Ennek megfelelően kétféle mágneses tér létezik: dinamikus mágneses térés gravitációs mágneses tér. Gravitációs mágneses tér csak az elemi részecskék közelében keletkezik, és e részecskék szerkezeti jellemzőitől függően képződik.

Mágneses pillanat akkor fordul elő, amikor mágneses mező hat egy vezetőképes keretre. Más szavakkal, a mágneses momentum egy vektor, amely a keretre merőlegesen futó egyenesen helyezkedik el.

A mágneses mező grafikusan ábrázolható mágneses erővonalak segítségével. Ezeket a vonalakat olyan irányba húzzuk, hogy a térerők iránya egybeessen magának a térvonalnak az irányával. A mágneses erővonalak egyidejűleg folyamatosak és zártak.

A mágneses tér irányát mágneses tű segítségével határozzuk meg. Az erővonalak meghatározzák a mágnes polaritását is, az erővonalak kilépési vége az északi pólus, ezen vonalak bemeneti vége pedig a déli pólus.

Nagyon kényelmes a mágneses mező vizuális felmérése közönséges vasreszelék és egy papírdarab segítségével.
Ha egy papírlapot teszünk egy állandó mágnesre, és a tetejére fűrészport szórunk, akkor a vasrészecskék a mágneses erővonalak szerint sorakoznak.

A vezető erővonalainak irányát kényelmesen a híres gimlet szabály vagy jobb kéz szabálya. Ha a kezünkkel megfogjuk a vezetőt úgy, hogy a hüvelykujj az áram irányába néz (mínuszból pluszba), akkor a megmaradt 4 ujj megmutatja a mágneses erővonalak irányát.

És a Lorentz-erő iránya - az az erő, amellyel a mágneses mező egy töltött részecskére vagy áramvezetőre hat, a szerint bal kéz szabály.
Ha a bal kezet mágneses térbe helyezzük úgy, hogy 4 ujj a vezetőben lévő áram irányába néz, és az erővonalak a tenyérbe lépnek, akkor a hüvelykujj jelzi a Lorentz-erő irányát, a rá ható erőt. a mágneses térbe helyezett vezető.

Nagyjából ennyi. Feltétlenül tegye fel kérdéseit a megjegyzésekben.