Основные теоретические сведения

Основные теоретические сведения

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Основными свойствами магнитного поля являются:

1. Магнитное поле порождается электрическим током или движущимися зарядами. Вокруг покоящихся зарядов магнитное поле отсутствует.

2. Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток или движущиеся заряды.

Французский ученый А. Ампер предположил, что даже существование в природе постоянных магнитов обусловлено наличием в веществе элементарных круговых токов, которые и определяют магнитные свойства вещества в целом. Эта гипотеза полностью подтвердилась после открытий, связанных со строением атома.

Ученые XIX века пытались создать теорию магнитного поля по аналогии с электростатикой, вводя в рассмотрение так называемые магнитные заряды двух знаков (северный N и южный S полюсы), исходя из того факта, что одноименные полюсы магнита, как и одноименные заряды, отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются. Однако, опыт показывает, что изолированных магнитных зарядов не существует.

Основной характеристикой магнитного поля в веществе является магнитная индукция .

Магнитная индукция  –это силовая характеристика магнитного поля, определяющая величины и направление сил, действующих на токи или движущиеся заряды в магнитном поле.

За направление вектора магнитной индукции ( )принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Исследуя магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, с помощью магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства определить направление вектора   и представить пространственную структуру магнитного поля. Единица измерения индукции магнитного поля 1 Тл (тесла).

Магнитное поле удобно графически изображать при помощи линий магнитной индукции – линий, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Линии магнитной индукции всегда замкнуты в отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Замкнутость линий индукции магнитного поля отражает факт отсутствие магнитных зарядов. Поэтому, нельзя говорить, что линии магнитной индукции начинаются на северном магнитном полюсе и заканчиваются на южном. Употребляют выражение: линии индукции магнитного поля выходят из северного магнитного полюса и входят в южный.

Для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции: индукция поля  порождаемого несколькими движущимися зарядами или токами, равна векторной сумме индукций полей , порождаемых каждым движущимся зарядом или током в отдельности:

                                       (1)

Со времен древних мореплавателей было известно, что горизонтально расположенная магнитная стрелка определенным образом ориентируется в земном пространстве. Это наблюдение привело к изобретению компаса – прибора указывающего направление сторон света при помощи магнитной стрелки. Сам факт ориентации магнитной стрелки в земном пространстве указывает на существование у планеты Земля определенным образом упорядоченного магнитного поля. Английский ученый Уильям Гильберт − придворный врач королевы Елизаветы I в 1600 г. впервые показал, что Земля является магнитом, ось которого не совпадает с осью вращения Земли. Следовательно, вокруг Земли, как и около любого магнита, существует магнитное поле. Разработанной количественной теории магнитного поля Земли в настоящее время не существует. Предполагается, что главным источником этого поля являются вихревые электрические токи в жидком металлическом ядре Земли, обусловленные вращением планеты вокруг своей оси. Магнитное поле Земли (рис. 1) подобно полю однородно намагниченного шара.

с

ю

N

Рис. 1. Магнитное поле Земли

SN

Северный магнитный полюс расположен в Южном полушарии (обозначается буквой N, от английского слова north-север). Его координаты 78° южной широты и 111° восточной долготы. Южный магнитный полюс расположен в Северном полушарии (обозначается буквой S, от английского слова south-юг). Его координаты 78° северной широты и 69° западной долготы. Магнитная ось наклонена относительно географической на 11° и смещена на 1140 км в сторону Тихого океана. Магнитные полюсы и ось со временем изменяют свое положение. Линии индукции магнитного поля выходят приблизительно из центра Земли через Южное полушарие и, обогнув Землю, возвращаются к ее центру через Северное полушарие.

В действительности, поле Земли имеет более сложную конфигурацию, чем поле однородно намагниченного шара, так как добавляются магнитные поля неоднородных материковых плит, магнитных аномалий (отклонений) верхней части земной коры, внеземные магнитные поля.

Незначительная часть магнитного поля (около 1%) имеет внеземное происхождение. Возникновение этой части приписывают электрическим токам, текущим в проводящих слоях ионосферы (одного из верхних слоев атмосферы) и поверхности Земли. Эта часть магнитного поля Земли подвержена слабому изменению со временем, которое называется вековой вариацией.

В идеальном и гипотетическом предположении, в котором Земля была бы одинока в космическом пространстве, силовые линии индукции магнитного поля планеты располагались таким же образом, как и силовые линии обычного двухполюсного магнита, т. е. в виде симметричных дуг, протянувшихся от южного северного магнитного полюса к южному. Плотность линий уменьшалась бы с удалением от планеты. На самом деле, магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемых в изобилии Солнцем. Если влиянием Солнца и планет из-за удаленности можно пренебречь, то с потоком мчащихся со скоростью около 500 км/с заряженных частиц, испускаемых солнечной атмосферой – солнечным ветром , иначе. В моменты солнечных вспышек, а также в периоды образования на Солнце группы больших пятен, резко возрастает число свободных электронов, которые бомбардируют атмосферу Земли. Это приводит к возмущению токов текущих в ионосфере Земли и, благодаря этому, происходит изменение магнитного поля Земли (рис. 2). Возникают магнитные бури. Самым ярким проявлением магнитных бурь являются полярные сияния − ионизация и свечение газов в верхних слоях атмосферы Земли под воздействием солнечного ветра. Потоки заряженных частиц порождают сильное магнитное поле, которое и взаимодействует с полем Земли, сильно деформируя его.

Благодаря своему магнитному полю, Земля удерживает в так называемых радиационных поясах частицы солнечного ветра, не позволяя им проходить в атмосферу Земли и тем более к поверхности.  Частицы солнечного ветра были бы очень вредны для всего живого. При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница, по одну сторону которой находится возмущённое (подвергшееся изменениям из-за внешних влияний) магнитное поле частиц солнечного ветра, по другую – возмущённое поле Земли. Эту границу стоит рассматривать как предел околоземного пространства, границу магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы преобладает влияние внешних магнитных полей. В направлении к Солнцу магнитосфера Земли сплюснута под натиском солнечного ветра и простирается всего до 10 радиусов планеты. В противоположном направлении имеет место вытянутость до 1000 радиусов Земли.

Основная часть магнитного поля Земли обнаруживает аномалии в различных районах земной поверхности. Эти аномалии приписывают присутствию в земной коре ферромагнитных масс или различию магнитных свойств горных пород. Поэтому изучение магнитных аномалий имеет практическое значение при исследовании полезных ископаемых.

Вектор индукции магнитного поля Земли  можно разложить на две составляющие: горизонтальную  и вертикальную  (рис. 1).

Магнитная стрелка, подвешенная на вертикальной нити в центре тяжести, устанавливается по касательной к силовой линии магнитного поля Земли, при этом вертикальная составляющая направлена к центру Земли, а горизонтальная составляющая по касательной к земному горизонту в данной местности. В северном полушарии северный конец стрелки наклонен к Земле.

Угол между магнитной осью стрелки и горизонтом называется углом магнитного наклонения Q. На экваторе этот угол равен нулю. Вертикальная плоскость, проходящая через магнитную ось стрелки, называется плоскостью магнитного меридиана . Угол α между плоскостями магнитного и географического меридианов называется магнитным склонением . Из изложенного следует, что свободно вращающаяся магнитная стрелка в магнитном поле Земли устанавливается в плоскости магнитного меридиана в направлении горизонтальной составляющей магнитного поля Земли .

Рис 3. Схема установки для определения горизонтальной составляющей Земли

c

+

ЮS

С

а

Магнитное поле , горизонтальная составляющая , магнитное наклонение Q и магнитное склонение α являются основными параметрами магнитного поля Земли.

Численные значения компонентов магнитного поля Земли на поверхности планеты меняются в следующих пределах: полный вектор индукции магнитного поля В₀ − от + 62 до 73 мкТл, горизонтальная составляющая В_г − от 0 до 41 мкТл.

Магнитное поле Земли претерпевает вековые вариации. В настоящее время поле уменьшается примерно на 1% за каждые 10 лет.

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: