Магнетизм
ВВЕДЕНИЕ.
Мы привыкли к магниту и относимся к
нему чуточку снисходительно как к устаревшему атрибуту школьных уроков физики,
порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. В наших квартирах
десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах, в банках
с гвоздями, наконец. Сами мы – тоже магниты: биотоки, текущие в нас, рождают вокруг
нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живём, -
гигантский голубой магнит. Солнце – жёлтый плазменный шар – магнит ещё более
грандиозный. Галактик и туманности, едва различимые телескопами, - непостижимые
по размерам магниты. Термоядерный синтез, магнитодинамическое генерирование
электроэнергии, ускорение заряженных частиц в синхротронах, подъём затонувших
судов – всё это области, где требуются грандиозные, невиданные раньше по
размерам магниты.
Проблема создания сильных, сверхсильных,
ультрасильных и ещё более сильных магнитных полей стала одной из основных в
современной физике и технике. Научившись производить и использовать сверхмощные
технические магниты для своих нужд, люди пока не могут совладать с гораздо
более слабыми природными магнитными полями, которые нас убивают.
Ученые-геофизики буквально со дня на день ожидают начала нового всплеска
солнечной активности, а это значит - магнитные бури, инфаркты, аварии,
самоубийства, массовые помешательства. Хорошо бы, чтобы к тому времени медики
уже опробовали лекарства от магнитных бурь.
Я выбрал эту тему из-за широкого
использования магнита и магнитного поля в человеческой жизни. Но в тоже время на
нас влияют «природные» магнитные поля, которые от человека не зависят и приносят
большой вред. Я считаю, быть зависимым здоровьем от «каких-то» невидимых
потоков – перспектива не самая удачная и подлежит рассмотрению. По этим
причинам я выбрал данную тему в качестве своей работы. В своей работе я
расскажу об истории магнита и магнитного компаса, применении магнита в
различных средах человеческой жизни, жидких магнитах, магнитном поле Земли и
его возмущениях, электромагнетизме и магнитном поле в веществе (магнетиках).
История магнита и магнитного компаса.
Первое
историческое упоминание о магните оставил нам Плиний. Он рассказал, как некий
пастух с острова Крит, сандалии которого были подкованы железом, обратил
внимание, что к его обуви пристают какие-то мелкие черные камешки, в изобилии
валявшиеся на склонах горы Идо. Пастуха звали Магнис, отсюда природные магниты
получили свое название. А может, все было и не так. Римский поэт Лукреций Кар
считал, что магнит обязан своим названием местности, где его нашли. Эта
местность в Малой Азии называлась Магнезия.
Китайцы, ничего
не знавшие ни о Магнезии, ни о греческих пастухах в железных сандалиях,
называли эти черные камешки «чу-ши», что можно перевести как «любящий камень».
Ход мыслей был прост: раз тянется - значит, любит. (Кстати говоря, людское
мышление бывает забавно параллельным: на французском языке магнит называется
«эман» - «любящий».)
Китайцы - народ
пытливый. Они первыми придумали, как можно практически использовать магниты.
Они не изобрели компас, как многие думают, они изобрели игрушку - югоуказатель.
Небольшие фигурки с вытянутой рукой, постоянно указывающей на юг, ставились ими
не только на корабли, но и на конные повозки. Это было четыре тысячи лет тому
назад. Граждане огромной Поднебесной империи жили довольно замкнуто, тихо и
мирно. Плавания совершали в основном каботажные - вдоль берега, по рекам, и
компас был китайцам не очень-то нужен. (Заторможенные китайцы даже изобретенный
порох умудрились не использовать для военных нужд -- делали фейерверки и
ракеты.)
Другое дело - агрессивная и
неугомонная европейская цивилизация, вечно тянет на какие-то приключения. Ей
компас был просто необходим. Он был изобретен в Италии неким Джойя примерно 700
лет назад. Тогда уже научились натирать природными магнитами стальные иглы,
которые стали первыми искусственными магнитами и которые использовали в
качестве стрелок. Джойя снабдил магнитную стрелку кругом с делениями. Прибор
получил название «компассаре», что означает «измерять шагами».
Магнитный компас
Если стержневой магнит, намагниченную
иголку или кусок магнитного железняка укрепить так, чтобы они могли свободно
поворачиваться в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, то, как
хорошо известно, их концы будут показывать на север и юг.
Подобный инструмент называется
компасом. Тот конец иголки, который указывает на север, был назван северным
полюсом (его обозначение N или С), противоположный конец — южным полюсом
(обозначается S или Ю). Прототип первого компаса на рис.1.
Тот факт, что разноименные магнитные
полюсы притягиваются друг к другу, может объяснить, почему стрелка компаса
показывает определенное направление. Так как северный конец стрелки указывает
на север, то, видимо, где-то в этом направлении должен находиться
противоположный магнитный полюс. Это же можно сказать и в отношении южного
полюса. Но если эти полюсы действительно существуют, то где же они находятся?
В
течение долгого времени считалось, что источником магнитного притяжения для
компаса является Полярная звезда. Однако если бы это было так, то направление
стрелки компаса должно было бы меняться по крайней мере на 1 градус через
каждые 12 часов, вследствие видимого кругового движения Полярной звезды на
небосводе. Наблюдения же не показывают поворота стрелки компаса в течение
суток, так что это объяснение ошибочно.
Стрелочный компас
Это самый
распространенный вид магнитного компаса. Он часто применяется в карманном
варианте. В стрелочном компасе имеется тонкая магнитная стрелка, установленная
свободно в своей средней точке на вертикальной оси, что позволяет ей
поворачиваться в горизонтальной плоскости. Северный конец стрелки помечен, и
соответственно с ней закреплена картушка. При измерении компас необходимо
держать в руке или установить на штативе так, чтобы плоскость вращения стрелки
была строго горизонтальна. Тогда северный конец стрелки будет указывать на
северный магнитный полюс Земли. Компас, приспособленный для топографов,
представляет собой пеленгаторный прибор, т.е. прибор для измерения азимута. Он
обычно снабжен зрительной трубой, которую поворачивают до совмещения с нужным
объектом, чтобы затем считать по картушке азимут объекта.
Жидкий компас
Жидкостный компас, или компас с
плавающей картушкой, – это самый точный и стабильный из всех магнитных
компасов. Он часто применяется на морских судах и потому называется судовым.
Конструкции такого компаса разнообразны; в типичном варианте он представляет
собой наполненный жидкостью «котелок», в котором на вертикальной оси закреплена
алюминиевая картушка. По разные стороны от оси к картушке снизу прикреплены
пара или две пары магнитов. В центре картушки имеется полый полусферический
выступ – поплавок, ослабляющий нажим на опору оси (когда котелок наполнен
компасной жидкостью). Ось картушки, пропущенная через центр поплавка, опирается
на каменный подпятник, изготовляемый обычно из синтетического сапфира.
Подпятник закреплен на неподвижном диске с «курсовой чертой». В нижней части
котелка имеются два отверстия, через которые жидкость может переливаться в
расширительную камеру, компенсируя изменения давления и температуры.
Картушка плавает
на поверхности компасной жидкости. Жидкость, кроме того, успокаивает колебания
картушки, вызываемые качкой. Вода не годится для судового компаса, так как она
замерзает. Используется смесь 45% этилового спирта с 55% дистиллированной воды,
смесь глицерина с дистиллированной водой либо высокочистый нефтяной дистиллят.
Котелок компаса
отлит из бронзы и снабжен стеклянным колпаком с уплотнением, исключающим
возможность протечки. В верхней части котелка закреплено азимутное, или пеленгаторное,
кольцо. Оно позволяет определять направление на различные объекты относительно
курса судна. Котелок компаса закреплен в своем подвесе на внутреннем кольце
универсального (карданного) шарнира, в котором он может свободно
поворачиваться, сохраняя горизонтальное положение, в условиях качки.
Котелок компаса
закрепляется так, что его специальная стрелка или метка, называемая курсовой,
либо черная линия, называемая курсовой чертой, указывает на нос судна. При
изменении курса судна картушка компаса удерживается на месте магнитами,
неизменно сохраняющими свое направление север – юг. По смещению курсовой метки
или черты относительно картушки можно контролировать изменения курса.
Почему компас показывает направление с севера на юг?
Тот факт, что
разноименные магнитные полюсы притягиваются друг к другу, может объяснить,
почему стрелка компаса показывает определенное направление. Так как северный
конец стрелки указывает на север, то, видимо, где-то в этом направлении должен
находиться противоположный магнитный полюс. Это же можно сказать и в отношении
южного полюса. Но если эти полюсы действительно существуют, то где же они
находятся?
В
течение долгого времени считалось, что источником магнитного притяжения для компаса
является Полярная звезда. Однако если бы это было так, то направление стрелки
компаса должно было бы меняться по крайней мере на 1 градус через каждые 12
часов, вследствие видимого кругового движения Полярной звезды на небосводе.
Наблюдения же не показывают поворота стрелки компаса в течение суток, так что
это объяснение ошибочно.
Применение магнитов
По всему выше сказанному ясно, что
магнит – вещи весьма ценный предмет и человечеству не обходим. А иначе как - бы
люди путешествовали? Но использование магнита только для определения направления
не закончилось. Во всех отраслях жизни магнит – постоянный спутник.
Электромашинные
генераторы и электродвигатели - машины вращательного типа,
преобразующие либо механическую энергию в электрическую (генераторы), либо
электрическую в механическую (двигатели). Действие генераторов основано на
принципе электромагнитной индукции: в проводе, движущемся в магнитном поле,
наводится электродвижущая сила (ЭДС). Действие электродвигателей основано на
том, что на провод с током, помещенный в поперечное магнитное поле, действует
сила.
Магнитоэлектрические
приборы. В таких приборах используется
сила взаимодействия магнитного поля с током в витках обмотки подвижной части,
стремящаяся повернуть последнюю
Индукционные
счетчики электроэнергии. Индукционный счетчик представляет собой не что
иное, как маломощный электродвигатель переменного тока с двумя обмотками –
токовой и обмоткой напряжения. Проводящий диск, помещенный между обмотками,
вращается под действием крутящего момента, пропорционального потребляемой
мощности. Этот момент уравновешивается токами, наводимыми в диске постоянным
магнитом, так что частота вращения диска пропорциональна потребляемой мощности.
Электрические наручные
часы
питаются миниатюрной батарейкой. Для их работы требуется гораздо меньше деталей, чем в
механических часах; так, в схему типичных электрических портативных часов
входят два магнита, две катушки индуктивности и транзистор.
Замок - механическое,
электрическое или электронное устройство, ограничивающее возможность
несанкционированного пользования чем-либо. Замок может приводиться в
действие устройством (ключом), имеющимся в распоряжении определенного лица,
информацией (цифровым или буквенным кодом), вводимой этим лицом, или какой либо
индивидуальной характеристикой (например, рисунком сетчатки глаза) этого лица.
Замок обычно временно соединяет друг с другом два узла или две детали в одном
устройстве. Чаще всего замки бывают механическими, но все более широкое
применение находят электромагнитные замки.
Магнитные
замки. В цилиндровых замках
некоторых моделей применяются магнитные элементы. Замок и ключ снабжены
ответными кодовыми наборами постоянных магнитов. Когда в замочную скважину
вставляется правильный ключ, он притягивает и устанавливает в нужное положение
внутренние магнитные элементы замка, что и позволяет открыть замок.
Динамометр - механический или электрический прибор
для измерения силы тяги или крутящего момента машины, станка или двигателя.
Тормозные
динамометры бывают самых различных конструкций; к ним относятся,
например, тормоз Прони, гидравлический и электромагнитный тормоза.
Электромагнитный
динамометр может быть выполнен в виде миниатюрного прибора, пригодного для
измерений характеристик малогабаритных двигателей.
Гальванометр – чувствительный прибор для измерения
слабых токов. В гальванометре используется вращающий момент, возникающий при
взаимодействии подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей
катушкой (слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита.
Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны току и
полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора при
небольших отклонениях катушки почти линейна. Приборы на его базе - самый
распространенный вид приборов. Спектр выпускаемых приборов широк и
разнообразен: приборы щитовые постоянного и переменного тока
(магнитоэлектрической, магнитоэлектри- ческой с выпрямителем и электромагнитной
систем), комбинированные приборы ампервольтомметры, для диагностирования и
регулировки электрооборудования автомашин, измерения температуры плоских
поверхностей, приборы для оснащения школьных учебных кабинетов, тестеры и
измерители всевозможных электрических параметров
Производство
абразивов
- мелких,
твердых, острых частиц, используемых в свободном или связанном виде для
механической обработки (в т.ч. для придания формы, обдирки, шлифования,
полирования) разнообразных материалов и изделий из них (от больших стальных
плит до листов фанеры, оптических стекол и компьютерных микросхем). Абразивы
бывают естественные или искусственные. Действие абразивов сводится к удалению
части материала с обрабатываемой поверхности. В
процессе производства искусственных абразивов ферросилиций, присутствующий в
смеси, оседает на дно печи, но небольшие его количества внедряются в абразив и
позже удаляются магнитом.
Магнитные свойства вещества находят
широкое применение в науке и технике как средство изучения структуры различных
тел. Так возникли науки: Магнетохимия
(магнитохимия) - раздел физической химии, в котором изучается связь между
магнитными и химическими свойствами веществ; кроме того, магнитохимия исследует
влияние магнитных полей на химические процессы. магнитохимия опирается на
современную физику магнитных явлений. Изучение связи между магнитными и
химическими свойствами позволяет выяснить особенности химического строения
вещества. Магнитная дефектоскопия, метод поиска дефектов, основанный на исследовании
искажений магнитного поля, возникающих в местах дефектов в изделиях из
ферромагнитных материалов.
Техника сверхвысокочастотного диапазона Сверхвысоко частотный диапазон
(СВЧ) - частотный диапазон электромагнитного излучения (100 - 300 млн.
герц), расположенный в спектре между ультравысокими телевизионными частотами и
частотами дальней инфракрасной области
Связь. Радиоволны
СВЧ-диапазона широко применяются в технике связи. Кроме различных радиосистем
военного назначения, во всех странах мира имеются многочисленные коммерческие
линии СВЧ-связи. Поскольку такие радиоволны не следуют за кривизной земной
поверхности, а распространяются по прямой, эти линии связи, как правило,
состоят из ретрансляционных станций, установленных на вершинах холмов или на
радиобашнях с интервалами около 50 км.
Термообработка
пищевых продуктов. СВЧ-излучение применяется для термообработки
пищевых продуктов в домашних условиях и в пищевой промышленности. Энергия,
генерируемая мощными электронными лампами, может быть сконцентрирована в малом
объеме для высокоэффективной тепловой обработки продуктов в т.н. микроволновых
или СВЧ-печах, отличающихся чистотой, бесшумностью и компактностью. Такие
устройства применяются на самолетных бортовых кухнях, в железнодорожных
вагонах-ресторанах и торговых автоматах, где требуются быстрые подготовка
продуктов и приготовление блюд. Промышленность выпускает также СВЧ-печи
бытового назначения.
Быстрый
прогресс в области СВЧ-техники в значительной мере связан с изобретением
специальных электровакуумных приборов – магнетрона и клистрона, способных
генерировать большие количества СВЧ-энергии. Генератор на обычном вакуумном
триоде, используемый на низких частотах, в СВЧ-диапазоне оказывается весьма
неэффективным.
Магнетрон.
В магнетроне, изобретенном в Великобритании перед Второй мировой войной, эти
недостатки отсутствуют, поскольку за основу взят совершенно иной подход к
генерации СВЧ-излучения – принцип объемного резонатора
В
магнетроне предусмотрено несколько объемных резонаторов, симметрично
расположенных вокруг катода, находящегося в центре. Прибор помещают между
полюсами сильного магнита.
Лампа
бегущей волны (ЛБВ). Еще один электровакуумный прибор для генерации и усиления
электромагнитных волн СВЧ-диапазона – лампа бегущей волны. Она представляет
собой тонкую откачанную трубку, вставляемую в фокусирующую магнитную катушку.
Ускоритель
частиц, установка, в которой с помощью электрических и магнитных полей
получаются направленные пучки электронов, протонов, ионов и других заряженных
частиц с энергией, значительно превышающей тепловую энергию.
В
современных ускорителях используются многочисленные и разнообразные виды
техники, в т.ч. мощные прецизионные магниты.
В
медицинской терапии и диагностике ускорители играют важную
практическую роль. Многие больничные учреждения во всем мире сегодня имеют в
своем распоряжении небольшие электронные линейные ускорители, генерирующие
интенсивное рентгеновское излучение, применяемое для терапии опухолей. В
меньшей мере используются циклотроны или синхротроны, генерирующие протонные
пучки. Преимущество протонов в терапии опухолей перед рентгеновским излучением
состоит в более локализованном энерговыделении. Поэтому протонная терапия
особенно эффективна при лечении опухолей мозга и глаз, когда повреждение
окружающих здоровых тканей должно быть по возможности минимальным.
Представители
различных наук учитывают магнитные поля в своих исследованиях. Физик измеряет
магнитные поля атомов и элементарных частиц, астроном изучает роль космических
полей в процессе формирования новых звёзд, геолог по аномалиям магнитного поля
Земли отыскивает залежи магнитных руд, с недавнего времени биология тоже
активно включилась в изучение и использование магнитов.
Биологическая
наука первой
половины XX века уверенно описывала
жизненные функции, вовсе не учитывая существования каких-либо магнитных полей.
Более того, некоторые биологи считали нужным подчеркнуть, что даже сильное
искусственное магнитное поле не оказывает никакого влияния на биологические
объекты.
В энциклопедиях о
влиянии магнитных полей на биологические процессы ничего не говорилось. В
научной литературе всего мира ежегодно появлялись единичные позитивные
соображения о том или ином биологическом эффекте магнитных полей. Однако этот
слабый ручеёк не мог растопить айсберг недоверия даже к постановке самой
проблемы… И вдруг ручеёк превратился в бурный поток. Лавина магнитобиологических
публикаций, словно сорвавшись с какой – то вершины, с начала 60 – х годов
непрестанно увеличивается и заглушает скептические высказывания.
От алхимиков XVI века и до наших дней биологическое
действие магнита много раз находило поклонников и критиков. Неоднократно в
течение нескольких веков наблюдались всплески и спады интереса к лечебному
действию магнита. С его помощью пытались лечить (и не безуспешно) нервные
болезни, зубную боль, бессонницу, боли в печени и в желудке – сотни болезней.
Для лечебных
целей магнит стал употребляться, вероятно, раньше, чем для определения сторон
света.
Как местное
наружное средство и в качестве амулета магнит пользовался большим успехом у
китайцев, индусов, египтян, арабов. ГРЕКОВ, римлян и т.д. О его лечебных
свойствах упоминают в своих трудах философ Аристотель и историк Плиний.
Во второй
половине XX века широко распространились
магнитные браслеты, благотворно влияющие на больных с нарушением кровяного
давления (гипертония и гипотония).
Кроме постоянных магнитов
используются и электромагниты. Их также применяют для широкого спектра проблем
в науке, технике, электронике, медицине (нервные заболевания, заболевания
сосудов конечностей, сердечно – сосудистые заболевания, раковые заболевания).
Более всего учёные
склоняются к мысли, что магнитные поля повышают сопротивляемость организма.
Существуют
электромагнитные измерители скорости движения крови, миниатюрные капсулы,
которые с помощью внешних магнитных полей можно перемещать по кровеносным
сосудам чтобы расширять их, брать пробы на определённых участках пути или,
наоборот, локально выводить из капсул различные медикаменты.
Широко
распространён магнитный метод удаления металлических частиц из глаза.
Большинству из
нас известно исследование работы сердца с помощью электрических датчиков –
электрокардиограмма. Электрические импульсы, вырабатываемые сердцем, создают
магнитное поле сердца, которое в max значениях составляет 10-6 напряжённости магнитного поля
Земли. Ценность магнитокардиографии в том, что она позволяет получить сведения
об электрически “немых” областях сердца.
Надо отметить,
что биологи сейчас просят физиков дать теорию первичного механизма
биологического действия магнитного поля, а физики в ответ требуют от биологов
побольше проверенных биологических фактов. Очевидно, что успешным будет тесное
сотрудничество различных специалистов.
Важным звеном,
объединяющим магнитобиологические проблемы, является реакция нервной системы на
магнитные поля. Именно мозг первым реагирует на любые изменения во внешней среде.
Именно изучение его реакций будет ключом к решению многих задач
магнитобиологии.
Жидкий магнит
Идея размолоть железо в такой мелкий
порошок, который бы не осаждался в жидкости - воде, керосине, масле... Тогда
получилась бы магнитная жидкость. Осуществить это удалось только в 60-х годах.
После целой недели размалывания в шаровой мельнице добились такого тонкого
помола порошка феррита, что, будучи засыпанным в смесь керосина и олеиновой
кислоты, он уже не осаждался.
Это был первый жидкий магнит - тяжелая
черно-бурая жидкость. Если к сосуду с такой жидкостью поднести магнит, она в
буквальном смысле лезет на стенку или вздувается бугром. Разлитую на полу, ее
можно собрать магнитом. Правда, лучше для этого брать электромагнит. Его
выключил - и жидкость стекла в подставленную емкость. А вот постоянным магнитом
жидко магнитную субстанцию лучше не собирать: потом от магнита ее нипочем не
отскребешь.
Для чего? Например, из подводной
лодки торчит вал с винтом. Встает проблема с уплотнением, чтобы забортная вода
не проникала в машинное отделение. Вместо сальников можно использовать жидко
магнитное уплотнение, чуть намагнитив вал в месте его выхода из корпуса лодки.
Магнитную жидкость на основе масла
используют в качестве вечной смазки для намагниченных подшипников. Она оттуда
уже не вылезет. Наоборот, захочешь - не вынешь.
Можно построить герметичный насос для
перекачки агрессивных или ядовитых жидкостей. Вместо поршня в трубке будет
ходить туда-сюда жидкомагнитная «пробка». Внешний магнит двигает ее, «пробка» толкает
в трубке перекачиваемую жидкость.
Вот еще. Затонул нефтеналивной
танкер. На море образовалась нефтяная пленка. Как ее собрать? Распылить
небольшое количество магнитной жидкости, она растворится в нефти, а затем нефть
собрать мощными электромагнитами.
Магнитное поле Земли и
последствие его возмущений
В любой точке пространства,
окружающего Землю, и на её поверхности обнаруживается действие магнитных сил.
Иными словами, в пространстве, окружающем Землю, создаётся магнитное поле,
силовые линии которого изображены на рис.3.
Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом.
Северный магнитный полюс N лежит в южном полушарии, вблизи
берегов Антарктиды, а южный магнитный полюс S находится в
Северном полушарии, вблизи северного берега острова Виктория (Канада). Оба
полюса непрерывно перемещаются (дрейфуют) на земной поверхности со скоростью
около 5 за год из-за переменности порождающих магнитное поле процессов. Кроме
того, ось магнитного поля не проходит через центр Земли, а отстаёт от него на
430 км. Магнитное поле Земли не симметрично. Благодаря тому, что ось магнитного
поля проходит всего под углом в 11,5 градусов к оси вращения планеты, мы можем
пользоваться компасом.
Основная часть
магнитного поля Земли, по современным воззрениям, имеет внутриземное
происхождение. Магнитное поле Земли создаётся её ядром. Внешнее ядро Земли
жидкое и металлическое. Металл – проводящее ток вещество, и если бы
существовали в жидком ядре постоянные течения, то соответствующий электрический
ток создавал бы магнитное поле. Благодаря вращению Земли, такие течения в ядре
существуют, т.к. Земля в некотором приближении является магнитным диполем, т.е.
своеобразным магнитом с двумя полюсами: южным и северным.
Незначительная
часть магнитного поля (около 1%) имеет внеземное происхождение. Возникновение
этой части приписывают электрическим токам, текущим в проводящих слоях
ионосферы и поверхности Земли. Эта часть магнитного поля Земли подвержена
слабому изменению со временем, которое называется вековой вариацией. Причины
существования электрических токов в вековой вариации неизвестны.
В идеальном и
гипотетическом предположении, в котором Земля была бы одинока в космическом
пространстве, силовые линии магнитного поля планеты располагались таким же
образом, как и силовые линии обычного магнита из школьного учебника физики,
т.е. в виде симметричных дуг, протянувшихся от южного полюса к северному.
Плотность линий (напряжённость магнитного поля) падала бы с удалением от
планеты. На деле, магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнитными
полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемых в изобилии
Солнцем. Если влиянием самого Солнца и тем более планет из-за удалённости можно
пренебречь, то с потоками частиц, иначе – солнечным ветром, так не поступишь.
Солнечный ветер представляет собой потоки мчащихся со скоростью около 500 км/с
частиц, испускаемых солнечной атмосферой. 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. Возникают магнитные бури. Такие потоки
порождают сильное магнитное поле, которое и взаимодействует с полем Земли,
сильно деформируя его. Благодаря своему магнитному полю, Земля удерживает в так
называемых радиационных поясах захваченные 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, по-видимому, следует приписать присутствию в земной
коре ферромагнитных (о магнитном поле в веществе будет рассказано ниже) масс
или различию магнитных свойств горных пород. Поэтому изучение магнитных
аномалий имеет практическое значение при исследовании полезных ископаемых.
Существование
магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной
стрелки. Если подвесить магнитную стрелку NS на нити l
(рис.2) так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то
стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля
Земли.
Лет семь назад
сильнейшая магнитная буря обрушилась на Землю. Тогда не повезло Канаде,
Квебеку. По девятибалльной штормовой шкале буря достигла 8 баллов. В Квебеке
вышла из строя энергосистема всего города. И этот случай не единственный.
«Вылетали пробки» и в США, и в других странах. А уж о нарушениях радиосвязи и
не говорю - это стало притчей во языцех. Не зря славяне называли Солнце Ярилой!
Сначала тем, кто
говорил о влиянии магнитных бурь на организм человека, не верили. Над этими
учеными смеялись, негодовали, обвиняли в лженауке. Первым был осмеян Чижевский.
После него, в 20-е годы нашего века двое французов, Фор и Сарду, также
обнаружили зависимость между магнитными бурями и сердечно-сосудистыми
заболеваниями. По их выкладкам получалось, что в 85% наблюдаемых мест Франции
число сердечно-сосудистых больных увеличивалось в моменты магнитных бурь.
Сердечно – сосудистая и
кровеносная система
Во время
магнитных бурь наблюдается ухудшение состояния больных, страдающих
сердечно-сосудистыми заболеваниями, повышается артериальное давление,
ухудтшается коронарное кровообращение. Магнитные бури вызывают в организме
человека, страдающего заболеваниями сердечно-сосудистой системы, обострения
(инфаркт миокарда, инсульт, гипертонический криз и т.д.). Сейчас, когда мы
заранее узнаем время наступления магнитных бурь, то можем заранее предупредить
эти обострения. Чтобы уберечь организм человека от ухудшения здоровья, нужно
еще до наступления неблагоприятной погоды любыми способами укреплять здоровье.
Это достигается не только медикаментозными средствами.
Органы дыхания
Магнитные бури
оказывают неблагоприятное влияние на больных, страдающих заболеваниями органов
дыхания. Под действием магнитных бурь изменяются биоритмы. Состояние одних
больных ухудшается до магнитных бурь, а других - после. Приспосабливаемость
таких больных к условиям магнитных бурь очень мала.
Центральная нервная система
Во время
магнитных бурь наблюдается ухудшение состояния людей, страдающих психическими
заболеваниями. Увеличивается число несчастных случаев и травматизма на
транспорте. Центральная и вегетативная нервные системы очень чувствительны к
геофизическим явлениям.
Другие заболевания
Чем дальше на
Север, тем интенсивнее возмущенность магнитного поля во время магнитных бурь. И
чем дальше на Север, тем сильнее влияние на состояние здоровья людей в период
магнитных бурь. Возрастает число преждевременных родов, токсикозов, в этот
период наибольшая заболеваемость раком, обострение глазных болезней.
Главное правило
для того, чтобы сохранить здоровье состоит в том, чтобы повышать резервные
возможности организма. Для того чтобы не реагировать на метеоусловия,
необходимо постоянно укреплять здоровье, для чего пользоваться не только
медикаментозными средствами, но заниматься физкультурой, правильно организовать
режим работы и отдыха, питание.
Электромагнетизм
Открытие электромагнетизма
В XVIII в. электричество и магнетизм
считались хотя и похожими, но все же имеющими различную природу явлениями.
Правда, были известны некоторые факты, указывающие на существование как будто
бы связи между магнетизмом и электричеством, например намагничение железных
предметов в результате ударов молнии. Больше того, Франклину удалось как будто
бы намагнитить кусок железа с помощью разряда лейденской банки. Все-таки известные
факты не позволяли уверенно утверждать, что между электрическими и магнитными
явлениями существует связь.
Такую связь впервые обнаружил датский
физик Ханс Кристиан Эрстед (1777 - 1851) в 1820 г. Он открыл действие
электрического тока на магнитную стрелку.
Интересна история этого открытия.
Идею о связи между электрическими и магнитными явлениями Эрстед высказал еще в
первом десятилетии XIX в. Он полагал, что в явлениях природы, несмотря на все
их многообразие, имеется единство, что все они связаны между собой.
Руководствуясь этой идеей, он поставил перед собой задачу выяснить на опыте, в
чем эта связь проявляется.
Эрстед открыл, что если над
проводником, направленным вдоль земного меридиана, поместить магнитную стрелку,
которая показывает на север, и по проводнику пропустить электрический ток, то
стрелка отклоняется на некоторый угол.
После того как Эрстед опубликовал
свое открытие, многие физики занялись исследованием этого нового явления.
Французские ученые Био и Савар постарались установить закон действия тока на
магнитную стрелку, т. е. определить, как и от чего зависит сила, действующая на
магнитную стрелку, когда она помещена около электрического тока. Они
установили, что сила, действующая на магнитный полюс (на конец длинного
магнита) со стороны прямолинейного проводника с током, направлена
перпендикулярно к кратчайшему расстоянию от полюса до проводника и модуль ее
обратно пропорционален этому расстоянию.
Познакомившись с работой Био и
Савара, Лаплас заметил, что для расчета «магнитной» силы, т. е., говоря
современным языком, напряженности магнитного поля, полезно рассматривать
действие очень малых отрезков проводника с током на магнитный полюс. Из
измерений Био и Савара следовало, что если ввести понятие элемента проводника ∆l,
то сила ∆F, действующая со стороны этого элемента на полюс
магнита, будет пропорциональна ∆F ~ (∆l/r2)sinθ -, где ∆l - элемент проводника, θ - угол, образованный этим элементом
и прямой, проведенной из элемента ∆l в точку, в которой определяется
сила, а r - кратчайшее расстояние от магнитного полюса до линии,
являющейся продолжением элемента проводника.
После того как было
введено понятие силы тока и напряженности магнитного поля, этот закон стали
записывать так:
где ∆H - напряженность магнитного поля, I
- сила тока, а k - коэффициент, зависящий от выбора единиц, в которых
измеряются эти величины. В международной системе единиц СИ этот коэффициент
равен 1/4π.
Новый важнейший шаг в исследовании
электромагнетизма был сделан французским ученым Андре Мари Ампером (1775 -
1836) в 1820г.
Раздумывая над открытием Эрстеда,
Ампер пришел к совершенно новым идеям. Он предположил, что магнитные явления
вызываются взаимодействием электрических токов. Каждый магнит представляет
собой систему замкнутых электрических токов, плоскости которых перпендикулярны
оси магнита. Взаимодействие магнитов, их притяжение и отталкивание объясняются
притяжением и отталкиванием, существующими между токами. 3емной магнетизм также
обусловлен электрическими токами, которые протекают в земном шаре.
Эта гипотеза требовала, конечно,
опытного подтверждения. И Ампер проделал целую серию опытов для ее обоснования.
Первые опыты Ампера заключались в
обнаружении сил, действующих между проводниками, по которым течет электрический
ток. Опыты показали, что два прямолинейных проводника с током, расположенные
параллельно друг другу, притягиваются, если токи в них имеют одинаковое
направление, и отталкиваются, если направление токов противоположно.
Ампер показал также, что виток с
током и спиралевидный проводник с током (соленоид) ведут себя как магниты. Два
таких проводника притягиваются и отталкиваются подобно двум магнитным стрелкам.
Свои первые сообщения о результатах
опытов Ампер сделал на заседаниях Парижской академии наук осенью 1820 г. После
этого он занялся разработкой теории взаимодействия проводников, по которым
течет электрический ток.
Ампер решил в основу теории
взаимодействия токов положить закон взаимодействия между элементами токов.
Нужно отметить, что Ампер говорил уже не просто о взаимодействии элементов
проводников, как Био и Савар, а о взаимодействии элементов токов, так как к
тому времени уже возникло понятие силы тока. И это понятие ввел сам Ампер.
Следуя взглядам того времени о
подобии элементарных сил силам тяготения, Ампер предположил, что сила
взаимодействии между элементами двух токов будет зависеть от расстояния между
ними и должна быть направлена по прямой, соединяющей эти два элемента.
Проведя большое число опытов по
определению взаимодействия токов в проводниках различной формы и по-разному
расположенных друг относительно друга, Ампер, в конце концов, определил искомую
силу. Подобно силе тяготения она оказалась обратно пропорциональной квадрату
расстоянии между элементами электрических токов. Но в отличие от силы тяготения
ее значение зависело еще и от относительной ориентации элементов токов.
Формулу, которую получил Ампер, я
приводить не буду. Она оказалась неверной, потому что он заранее предположил,
что сила взаимодействия между элементами токов должна быть направлена по
прямой, соединяющей эти элементы. На самом же деле эта сила направлена под
углом к этой прямой.
Однако вследствие того, что Ампер
проводил опыты с замкнутыми постоянными токами, он получал при расчетах по
своей формуле правильные результаты. Оказывается, что для замкнутых проводников
формула Ампера приводит к тем же результатам, что и исправленная впоследствии
формула, выражающая силу взаимодействия между элементами токов, которая по-прежнему
носит название закона Ампера.
Магнитное поле в веществе
(магнетики)
Все вещества при рассмотрении их
магнитных свойств принято называть магнетиками, т.е. они способны под действием
магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться).
По своим магнитным свойствам
магнетики подразделяются на три основные группы:
диамагнетики;
парамагнетики;
ферромагнетики.
Количественной характеристикой
намагниченного состояния вещества служит векторная величина – намагниченность J.Я рассмотрю каждую группу в отдельности.
Диамагнетики
Диамагнетиками называются вещества, которые
намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном
направлению вектора магнитной индукции поля (т.е. в нём внешнее магнитное поле
незначительно ослабевает).
К диамагнетикам относятся
вещества, магнитные моменты атомов, молекул или ионов которых в отсутствие
внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы,
молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и многие
другие органические и неорганические соединения.
В случае
отсутствия магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае
магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный
момент атома равен нулю.
Т.к. диамагнитный эффект обусловлен
действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то
диамагнетизм свойственен всем веществам.
Следует отметить, что магнитная
проницаемость у диамагнетиков µ<1. Вот, например, у золота µ=0,999961,
у меди µ=0,9999897 и т.д.
Парамагнетики
Парамагнетики – вещество, у которого вектор
индукции собственного магнитного поля, сонаправленный с вектором магнитной
индукции внешнего (намагничивающего) поля, меньше его по модулю (т.е. внешнее
магнитное поле незначительно усиливается).
У парамагнитных веществ при
отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не
компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают
магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные
моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными
свойствами не обладают. При внесении парамагнетиков во внешнее магнитное поле
устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю
(полной ориентации препятствует тепловое движение атомов).
Таким образом, парамагнетик
намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по
направлению с внешним полем и усиливающее его.
При ослаблении внешнего
магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового
движения нарушается и парамагнетик размагничивается.
Вот некоторые парамагнитные вещества:
Алюминий µ=1,000023;
Воздух µ=1,00000038.
Ферромагнетики
Ферромагнетики – вещество, у которого вектор
индукции собственного магнитного поля, сонаправленный с вектором магнитной
индукции внешнего (намагничивающего) поля, значительно превышает его по модулю
(внешнее магнитное поле значительно увеличивается).
Ферромагнетики в
отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков являются сильномагнитными
средами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз
превосходить внешнее поле.
Большой вклад в
экспериментальное изучение свойств ферромагнетиков внес Столетов. В своей
докторской диссертации он исследовал зависимость намагниченности мягкого железа
от напряженности магнитного поля. Предложенный им способ заключался в измерении
магнитного потока в ферромагнитных кольцах при помощи
баллистического гальванометра.
Ферромагнитные материалы в
большой или меньшей степени обладают магнитной анизотропией, т.е. свойством
намагничиваться с различной степенью трудности в различных направлениях.
Магнитные
свойства ферромагнитных материалов сохраняются до тех пор, пока их температура
не достигнет значения, называемого точкой Кюри. При температурах выше точки
Кюри ферромагнетик ведет себя во внешнем магнитном поле как парамагнитное
вещество. Он не только теряет свои ферромагнитные свойства, но у него
изменяется теплоемкость, электропроводимость и некоторые другие физические
характеристики.
Точка Кюри для различных материалов
различна:
◊
для
железа +7700 С;
◊
для
никеля +3650 С;
◊
для
кобальта +11300 С.
В чем же
заключается природа ферромагнетизма?
Согласно представлениям
Вейсса (1865-1940), его описательной теории ферромагнетизма, ферромагнетики при
температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью независимо от
наличия внешнего намагничивающего поля. Однако это вносило некое противоречие,
т.к. многие ферромагнитные материалы при температурах ниже точки Кюри не
намагничены.
Для устранения
этого противоречия Вейсс ввел гипотезу, согласно которой ферромагнетик ниже
точки Кюри разбивается на большое число малых микроскопических (порядка 10-3
– 10-2 см.) областей – доменов, самопроизвольно намагниченных
до насыщения.
При отсутствии
внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных атомов ориентированы
хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент
ферромагнетика равен нулю, т.е. ферромагнетик не намагничен.
Внешнее магнитное
поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как в
парамагнетике, а целых областей спонтанной намагниченности. Поэтому с ростом H намагниченность J (рисунок) и магнитная индукция B уже в слабых полях растет довольно
быстро.
Показанное на рис.1
намагничивание такого образца (ферромагнетик) в магнитном поле, напряженность H которого медленно увеличивается,
происходит за счет двух процессов: смещения границ доменов и вращения магнитных
моментов доменов.
Процесс смешения
границ доменов приводит к росту размеров тех доменов, которые самопроизвольно
намагничены в направлениях, близких к направлению вектора H.
Процесс вращения
магнитных моментов доменов по направлению H играет основную роль только в области, близкой к насыщению
(т.е. при H близких к Hs).
Существование доменов в
ферромагнетиках доказано экспериментально. Прямым экспериментальным методом их
наблюдения является метод порошковых фигур.
На тщательно
отполированную поверхность ферромагнетика наносятся водная суспензия мелкого
ферромагнитного порошка (магнетит). Частицы оседают преимущественно в местах
максимальной неоднородности магнитного поля, т.е. на границах между доменами.
Поэтому осевший порошок очерчивает границы доменов.
Дальнейшее
развитие теории ферромагнетизма Френкелем и Гейзенбергом, а также ряд
экспериментальных фактов позволили выяснить природу элементарных носителей
ферромагнетизма.
В настоящий
момент установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми
магнитными моментами электронов. Установлено также, что ферромагнитными
свойства могут обладать только кристаллические вещества, в атомах которых
имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с некомпенсированными
спинами. В подобных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают спиновые
магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу, что и
приводит к возникновению областей спонтанного намагничивания. Эти силы,
называемые обменными, имеют квантовую природу – они обусловлены волновыми
свойствами электронов.
Магнитотвёрдые
ферромагнетики – ферромагнетики, у которых остаточная намагниченность велика
(т.е. при воздействии сильного магнитного поля они сами становятся магнитами). Например,
сплав альника.
Магнитомягкие ферромагнетики
– ферромагнетики, концентрирующие в себе внешнее магнитное поле и, пока оно
действует, ведут себя как магниты; но если внешнее поле исчезает, они не
становятся магнитами.
Экспериментальные задания
1. «Наблюдение зависимости
намагничивания железа от температуры»
Оборудование: магнит дугообразный, булавка
или иголка, спиртовка или свечка.
Расположим дугообразный магнит на край стола
так, что бы его полюсы немного выступали за край крышки стола. К одному из
полюсов приставим стальную булавку или иголку. Под Действием магнитного поля
она намагничивается и расположится горизонтально между полюсами магнита. При
поднесении пламени к иголке она начинает нагреваться и свободный конец
опускается. При охлаждении булавки она занимает первоначальное положение.
Пронаблюдав опыт, можно сделать вывод о том,
что ферромагнетические свойства вещества зависят от температуры тела.
2. «Наблюдение действия магнитного поля
на движущиеся заряды».
Оборудование: осциллограф, магниты.
Осциллограф – прибор для демонстрации
действия магнитного поля на движущие заряды. Он работает следующим образом: в
основании стоит электроннолучевая трубка, которая «стреляет» электронами. Эти
электроны с помощью регулировки концентрируются в одну точку на экране
осциллографа. Поднося магнит к экрану можно заметить отклонение точки (т.е.
сконцентрированных электронов). Поднося другой полюс магнита точка отклоняется
в противоположенную сторону. Если увеличить силу магнитного поля в 2 раза, то
заметим что, точка отклоняется в 2 раза дальше, чем прежде. Этот опыт ещё раз
доказывает, что направление электронов зависит от магнитного поля, в котором
эти электроны находятся. Это силу открыл Д. Ленц, и назвали силой Ленца (FЛ) (Правило левой руки).
Заключение
В заключение хочу
сказать, что я выбрал данную тему для реферата из-за её актуальности и доказал
это. Нет области прикладной деятельности человека, где бы ни применялись
магниты. Особенно пользуются успехом у человечества генераторы переменного тока
и ферромагнетики (это составляющие создания и распространения тока по всё
квартирам).
Ферриты
и изделия из них начиная с момента их изобретения нашли наиболее широкое
применение в радиоэлектронике и вычислительной технике среди других
магнитомягких материалов. Кроме того, что ферритовые изделия в большинстве
случаев могут эффективно заменить изделия из других материалов, они обладают
рядом уникальных физико-химических, магнитных и электрических свойств, не
присущих ни одному другому материалу.
Компас - самое простое изобретение, но в то
же время самое нужное, особенно на тот момент великих географических открытий.
СВЧ – печь и многое другое. А чтобы было, если бы не было всего этого…?
Библиография
1. Бабич Э.А. и др. Технология производства ферритовых
изделий. М.: Высшая школа, 1978
2. Детлаф А.А.,
Яворский Б.М. "Курс общей физики". — М.: Высшая школа, 1989г.
3. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Практическое
использование магнитов, М.: Высшая школа, 1986
4. Трофимова Т.И. Курс физики".
— М.: Высшая школа,1998г.