Магнитные взаимодействия
Всем хорошо известны такие термины, как магнит, магнитный, магнетизм, но, немногие знают, что происходят эти термины от имени горы Магнезия, которая находится на территории современной Турции. В Древней Греции способность магнетита – природного материала – притягивать кусочки железа считалась «таинственной». Если небольшие кусочки железа находятся рядом с магнетитом, то они тоже приобретают магнитные свойства, правда, слабые. А магнитная стрелка компаса, изобретенного ещё в Древнем Китае, и сегодня помогает изучать магнитные явления.
В $1611$ г. была опубликована книга «О магнитах и большом магните Земля» автор которой У. Гильберт являлся придворным врачом английской королевы Елизаветы. Это было первое научное описание свойств магнитов и магнитных взаимодействий. Гильберт описал и разделил электрические и магнитные явления. Экспериментальным путем он доказал, что намагниченные тела не только притягиваются, но и отталкиваются.
Если положительные и отрицательные заряды можно разделить, то магнитные полюса разделить невозможно. Например, из распиленного на две части намагниченного стержня, получится два магнита, и каждый из них будет иметь два собственных полюса.
В магнитных взаимодействиях принимает участие ряд элементарных частиц и каждая такая частица представляет собой небольшой магнит с двумя полюсами – магнитный диполь.
Таким образом, экспериментально установленным фактом является отсутствие в природе магнитных зарядов.
Магнитные взаимодействия, так уж распорядилась природа, тесно связаны с электрическими явлениями, причем эта связь настолько крепкая, что разделить их нельзя. Открытие Эрстеда – датского физика – стало первой ступенькой на пути установления этих связей, сделанное в $1777$ г. Суть его открытия заключалась в том, что находящаяся рядом магнитная стрелка при пропускании электрического тока по проволоке, занимала другое положение, отклоняясь от направления на север. Магнит реагировал на движущийся электрический заряд, т.е. на электрический ток.
Сделанное открытие стало для другого физика – француза А.М. Ампера – поистине звездным часом, создавшего новую науку о магнитных взаимодействиях, получившую название электродинамика. Ампер гениально догадался, что магнитные взаимодействия есть не что иное, как взаимодействия электрических токов.
Физики уже давно сказали, что единое электромагнитное поле реально существует. И здесь тоже есть смысл говорить о единых электромагнитных взаимодействиях, потому что между заряженными частицами при их движении действуют и электрические и магнитные силы.
Магнитное поле Земли
Наша планета имеет свое магнитное поле, которое можно наблюдать с помощью компаса, в котором один конец стрелочки показывает на север, а другой – на юг.
Земля имеет два вида магнитных полей:
- Главное или постоянное;
- Второе – переменное.
Между ними есть взаимосвязь, несмотря на то, что их природа и происхождение различны.
Постоянное магнитное поле образуется за счет внутренних источников, которые возникают в результате различия температур на поверхности уплотненного ядра Земли. Ученые связывают это с динамическими процессами, происходящими в мантии и ядре. Эти процессы создают устойчивое магнитное поле, которое в разных точках поверхности имеет разное напряжение.
Внешние источники, которые находятся за пределами Земли – это электрические токи верхних слоёв атмосферы – создают переменное поле.
Переменное магнитное поле по сравнению с постоянным полем слабее примерно в $100$ раз
Показатели магнитного поля Земли:
Магнитное склонение, значение которого изменяется от $0$ до $ 180$ градусов.
Магнитное склонение – это угол между направлением на север и направлением северного конца магнитной стрелки.
Магнитное наклонение, его значение изменяется от $0$ до $90$ градусов.
Магнитное наклонение – это угол между горизонтальной плоскостью и свободно подвешенной на горизонтальной оси магнитной стрелкой
Магнитное наклонение может быть в северном геомагнитном полушарии положительным, а в южном полушарии – отрицательным.
Сила магнитного поля, величина которого с широтой возрастает, характеризуется напряженностью.
Характеристики магнитного поля во времени изменяются в виду того, что происходит его смещение относительно земного шара.
Магнитное поле планеты находится под постоянным наблюдением ученых по измерениям которых создаются геомагнитные карты. На картах показывают, в каких районах земного шара напряженность магнитного поля и магнитные силовые линии отклоняются от нормального. Отклонения получили название магнитных аномалий и могут использоваться в поисках полезных ископаемых.
Магнитные полюса с географическими полюсами не совпадают.
В районе магнитных полюсов в атмосферу Земли происходит беспрепятственное внедрение космических частиц.
Те явления и процессы, которые происходили на нашей планете в далеком прошлом, говорят о том, что магнитное поле Земли уже существовало. Древние горные породы, в которых содержались частички магнетита, гематита и др., как показали исследования, имеют остаточную намагниченность. Первичная намагниченность разных по возрасту горных пород, свидетельствует о временных изменениях магнитного поля планеты и его пространственном распределении. На основании этих данных ученые сделали вывод, что магнитное поле имело медленное направленное изменение и подвергалось неоднократной инверсии. Это значит, что северный магнитный полюс становился южным, а южный – северным.
Магнитные бури
Когда магнитное поле Земли имеет сильные возмущения, происходят магнитные бури, нарушающие плавный суточный ход элементов земного магнетизма. Продолжительность магнитных бурь может быть от нескольких часов до нескольких суток, причем одновременно на всей планете.
Магнитные бури делятся на фазы – предварительную, начальную, главную и фазу восстановления.
Для предварительной фазы характерны небольшие изменения геомагнитного поля и возбуждение его колебаний с коротенькими периодами.
В начальной фазе на всей Земле происходит внезапное изменение некоторых составляющих поля.
Главная фаза характеризуется большими колебаниями поля и сильным уменьшением горизонтальной составляющей.
В заключительной фазе восстановления поле возвращается к своему нормальному значению.
Чаще всего магнитные бури происходят в 11-летний цикл солнечной активности и связаны с потоками солнечной плазмы из активных областей Солнца. Солнечная плазма частично проникает внутрь магнитосферы Земли, увеличивая её сжатие и, вызывая начальную фазу магнитной бури. Попадая в верхнюю атмосферу Земли, частицы высоких энергий воздействуют на магнитосферу. Это воздействие приводит к генерации электрических токов и их усилению. Наибольшей интенсивности они достигают в полярных областях ионосферы. Не только в космическом масштабе, но и в микромире магнитные поля играют существенную роль, что связано с существованием у всех частиц – электронов, протонов, нейтронов, магнитного момента и действием магнитного поля на движущиеся электрические заряды.
Магнитные поля бывают:
- Слабые – до $500$ Гс;
- Средние – $500$ Гс – $40$ кГс;
- Сильные – $40$ кГс – $1$ МГс;
- Сверхсильные – свыше $1$ МГс.
Вся земная электротехника, радиотехника и электроника основана на использовании слабых и средних магнитных полей, которые получают с помощью постоянных магнитов, электромагнитов, неохлаждаемых соленоидов, сверхпроводящих магнитов.
