Магнитное поле

поле (далее М) силовоеМ, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. М характеризуется вектором индукции В, который определяет: силу, действующую в данной точке поля на движущийся электрический заряд (см. Лоренца сила); действие М на тела, имеющие момент, а также другие свойства М

Впервые термин "М" ввел в 1845 М. Фарадей, считавший, что как электрические так и взаимодействия осуществляются посредством единого материального поля. Классическая теория электромагнитного поля была создана Дж. Максвеллом (1873), квантовая теория — в 20-х годах 20 века (см. Квантовая теория поля).

Источниками макроскопического М являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: М возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) момента (см. Магнетизм).

М.. п. электрического тока определяется Био — Савара законом: М тел, имеющих момент, — формулами, описывающимиМ диполя (в общем случае — мультиполя).

Переменное М возникает также при изменении во времени электрического поля. В свою очередь, при изменении во времени М возникает электрическоеМ. Полное описание электрического и Мй в их взаимосвязи дают Максвелла уравнения. Для характеристики М часто вводят силовые линии поля (линии индукции). Касательная в каждой точке такой линии имеет направление вектора В в этой точке. Числом силовых линий, проходящих через единичную перпендикулярную к ним площадку, количественно определяют индукцию поля. В местах повышенных значений В линии индукции сгущаются, в тех же местах, гдеМ слабее, линии расходятся (см., например, рис. 1).

Для М наиболее характерны следующие проявления.

1. В постоянном однородном М на диполь с моментом p_m действует вращающий момент = (р_m В) (так, стрелка в М поворачивается по полю; виток с током , также обладающий моментом, стремится занять положение, при котором его плоскость была бы перпендикулярна линиям индукции; диполь прецессирует вокруг силовой линии с характеристической частотой; рис. 1, а).

2. В постоянном однородном М действие силы Лоренца приводит к тому, что траектория движения электрического заряда имеет вид спирали с кривизной, обратно пропорциональной скорости (рис. 1, б). Искривление траектории электрических зарядов под действием силы Лоренца сказывается, например, в перераспределении тока по сечению проводника при внесении его в М Этот эффект лежит в основе гальваномагнитных, термомагнитных и других родственных им явлений.

3. В пространственно неоднородном М на диполь действует сила , перемещающая диполь в направлении градиента поля: = grad (p_m); так, пучок содержащий с противоположно ориентированными моментами, в неоднородном М разделяется на два расходящихся пучка (рис. 1, в).

4. М, непостоянное во времени, оказывает силовое действие на покоящиеся электрические заряды и приводит их в движение; возникающий при этом в контуре ток _инд(рис. 1, г) своим М В_индпротиводействует изменению первоначального М (см. Индукция электромагнитная).

индукция В определяет среднее макроскопическое М, создаваемое в данной точке поля как токами проводимости (движением свободных носителей зарядов), так и имеющимися намагниченными телами (ионами и вещества). М, созданное токами проводимости и не зависящее от свойств вещества, характеризуется вектором напряженности магнитного поля Н = В — 4 pJ или Н = (В / m₀) — J (соответственно в СГС системе единиц и Международной системе единиц). В этих соотношениях вектор J — намагниченность вещества ( момент единицы его объема), m₀ — магнитная постоянная.

Отношение m = В / m₀Н, определяющее свойства вещества, называется его магнитной проницаемостью. В зависимости от величины m вещества делят на диамагнетики (m < 1) и парамагнетики (m > 1), вещества с m >> 1 называются ферромагнетиками.

Объемная плотность энергии М в отсутствии ферромагнетиков: w_M = m²/ 8p или w_M = / 8p (в единицах СГС); w_M = mm₀²/ 2 или / 2 (в единицах СИ). В общем случае w_M = ¹/₂ òHdB, где пределы интегрирования определяются начальными и конечными значениями индукции В, сложным образом зависящей от поля Н.

Для измерения характеристик М и свойств веществ применяют различного типа магнитометры. Единицей индукции М в системе единиц СГС является гаусс (гс), в Международной системе единиц — тесла (тл), 1 тл = 10⁴ гс. Напряженность измеряется, соответственно, в эрстедах (э) и амперах на метр (а/м, 1 а/м = 4p/10³ э " 0,01256 э; энергия М — в эрг/см² или дж/м², 1 дж/м² = 10 эрг/см².

поля в природе чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым ими эффектам. М Земли, образующее земную простирается до расстояния в 70—80 тысяч км в направлении на Солнце и на многие миллионы км в противоположном направлении (см. Земля). У поверхности Земли М равно в среднем 0,5 гс, на границе ~ 10^-3 гс. ГеомагнитноеМ экранирует поверхность Земли и биосферу от потока заряженных частиц солнечного ветра и частично космических лучей. Влияние самого геомагнитного поля на жизнедеятельность организмов изучает магнитобиология. В околоземном пространстве М образует ловушку для заряженных частиц высоких энергий — радиационный пояс Земли. Содержащиеся в радиационном поясе частицы представляют значительную опасность приМтах в космос. Происхождение М Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре (см. Земной магнетизм).

Непосредственные измерения при помощи космических аппаратов показали, что ближайшие к Земле космические тела — Луна, планеты Венера и Марс не имеют собственного М, подобного земному. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и, по-видимому, Сатурн обладают собственными М, достаточными для создания планетарных ловушек. На Юпитере обнаружены М до 10 гс и ряд характерных явлений (магнитные бури, синхротронное радиоизлучение и другие), указывающих на значительную роль М в планетарных процессах.

Межпланетное М — это главным образомМ солнечного ветра (непрерывно расширяющейся плазмы солнечной короны). Вблизи орбиты Земли межпланетноеМ ~ 10^-4—10^-5 гс. Силовые линии регулярного межпланетного М имеют вид идущих от Солнца раскручивающихся спиралей (их форма обусловлена сложением радиального движения плазмы и вращения Солнца). М межпланетной плазмы имеет секторную структуру: в одних секторах оно направлено от Солнца, в других — к Солнцу. Регулярность межпланетного М может нарушаться из-за развития различных видов плазменной неустойчивости, прохождения ударных волн и распространения потоков быстрых частиц, рожденных солнечными вспышками (см. Космическая магнитогидродинамика).

Во всех процессах на Солнце — вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей М играет важнейшую роль (см. Солнечный магнетизм). Измерения, основанные на эффекте Зеемана, показали, что М солнечных пятен достигает нескольких тысяч гс, протуберанцы удерживаются полями ~ 10—100 гс (при среднем значении общего М Солнца ~ 1 гс). Удаленность звезд не позволяет пока наблюдать у них М типа солнечных. В то же время более чем у двухсот так называемых магнитных звезд обнаружены аномально большие поля (до 3,4·10⁴ гс). Поля ~ 10⁷ гс измерены у нескольких звезд — белых карликов. Особенно большие (~ 10¹⁰—10¹² гс) М должны быть, по современным представлениям, у нейтронных звезд. С М космических объектов тесно связано ускорение заряженных частиц (электронов протонов, ядер) до релятивистских скоростей (близких к скорости света). При движении таких частиц в космических М возникает электромагнитное синхротронное излучение. Индукция межзвездного М, определенная по Зеемана эффекту (в радиолинии 21 см спектра и по Фарадея эффекту (вращению плоскости поляризации электромагнитного излучения в М), составляет всего ~ 5·10^-6 гс. Однако общая энергия межзвездного (галактического) М превышает энергию хаотического движения частиц межзвездного газа и сравнима с энергией космических лучей.

В явлениях микромира роль М столь же существенна, как и в космических масштабах. Это объясняется существованием у всех частиц — структурных элементов вещества (электронов, протонов, нейтронов) момента, а также действием М на движущиеся электрические заряды. Если суммарный момент М частиц, образующих или молекулу, равен нулю, то такие и молекулы называются диамагнитными. (ионы, молекулы) с М ¹ 0 называются парамагнитными. У всех (как с М = 0, так и с М ¹ 0) при наложении внешнего М возникает индуцированный момент, направленный навстречу намагничивающему полю (см. Диамагнетизм). Однако у парамагнитных в М этот эффект маскируется преимущественным поворотом их моментов по полю (см. Парамагнетизм). У парамагнетиков и ферромагнетиков намагниченность увеличивается с ростом внешнего М (до состояния насыщения). Вид кривых намагничивания ферромагнетиков (и антиферромагнетиков) в значительной степени определяется взаимодействием носителей магнетизма. Это взаимодействие обусловливает также большое разнообразие типов магнитной структуры у ферримагнетиков (ферритов).

Внутрикристаллическое М, измеренное в ферримагнетиках (ферритах-гранатах) на ядрах ионов оказалось ~ 5·10⁵ гс, на ядрах редкоземельного металла диспрозия ~ 8·10⁶ гс. На расстоянии порядка размера (~ 10^-8 см) М ядра составляет ~ 50 гс. Внешнее М и внутриатомные М, создаваемые электронами и его ядром, расщепляют энергетические уровни (Зеемана эффект); в результате спектры приобретают сложное строение (см. Тонкая структура и Сверхтонкая структура). Расстояния между зеемановскими подуровнями энергии (и соответствующими спектральными линиями) пропорциональны величине М, что позволяет спектральными методами определять значение М С возникновением зеемановских подуровней энергии в М и с квантовыми переходами между ними связано еще одно важное физическое явление — резонансное поглощение веществом радиоволн (явление магнитного резонанса). Зависимость положения и формы линий спектра резонанса от особенностей взаимодействия молекул, ионов, а также ядер в жидкостях и твердых телах дает возможность исследовать при помощи электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) структуру жидкостей, и сложных молекул, кинетику и биохимических реакций.

М способно заметно влиять на оптические свойства среды и процессы взаимодействия электромагнитного излучения с веществом (см. Фарадея эффект, Магнитооптика), вызывать гальваномагнитные явления и термомагнитные явления в проводниках и полупроводниках. М оказывает влияние на сверхпроводимость веществ: при достижении определенной величины М разрушает сверхпроводимость (см. Критическое магнитноеМ). М при намагничивании ферромагнитных тел изменяет их форму и упругие свойства (см. Магнитострикция). Особые свойства в М приобретает плазма. М препятствует движению заряженных частиц плазмы поперек силовых линий поля (см. Магнитная гидродинамика). Этот эффект используется, например, для термоизоляции плазмы и обеспечения ее устойчивости в установках для изучения свойств высокотемпературной плазмы.

Применение Мй в науке и технике. М обычно подразделяют на слабые (до 500 гс), средние (500 гс — 40 кгс), сильные (40 кгс — 1 Мгс) и сверхсильные (свыше 1 Мгс). На использовании слабых и средних М основана практически вся электротехника, радиотехника и электроника. В научных исследованиях средние М нашли применение в ускорителях заряженных частиц, в Вильсона камере, искровой камере, пузырьковой камере и других трековых ионизующих частиц, в масс-спектрометрах, при изучении действия М на живые организмы и т.д. Слабые и средние М получают при помощи магнитов постоянных, электромагнитов, неохлаждаемых соленоидов, магнитов сверхпроводящих.

М до ~500 кгс широко применяются в научных и прикладных целях: в физике твердого тела для изучения энергетических спектров электронов в металлах, полупроводниках и сверхпроводниках; для исследования ферро- и антиферромагнетизма, для удержания плазмы в МГД-генераторах и двигателях, для получения сверхнизких температур (см. Магнитное охлаждение), в электронных микроскопах для фокусировки пучков электронов и т.д. Для получения сильных М применяют сверхпроводящие соленоиды (до 150—200 кгс, рис. 2), соленоиды, охлаждаемые водой (до 250 кгс, рис. 3), импульсные соленоиды (до 1,6 Мгс, рис. 4). Силы, действующие на проводники с током в сильных М, могут быть очень велики (так, в полях ~ 250 кгс механические напряжения достигают 4·10⁸н/м², то есть предела прочности меди). Эффект давления М учитывают при конструировании электромагнитов и соленоидов, его используют для штамповки изделий из металла. Предельное значение поля, которое можно получить без разрушения соленоида, не превышает 0,9 Мгс.

Сверхсильные М используют для получения данных о свойствах веществ в полях свыше 1 Мгс и при сопутствующих им давлениях в десятки млн. атмосфер. Эти исследования позволят, в частности, глубже понять процессы, происходящие в недрах планет и звезд. Сверхсильные М получают методом направленного взрыва (рис. 5). трубу, внутри которой предварительно создано сильное импульсное М, радиально сжимают давлением продуктов взрыва. С уменьшением радиуса R трубы величина М в ней возрастает ~ 1/R² (если поток через трубу сохраняется). М, получаемое в установках подобного типа (так называемых взрывомагнитных генераторах), может достигать нескольких десятков Мгс. К недостаткам этого метода следует отнести кратковременность существования М (несколько мксек), небольшой объем сверхсильного М, п. и разрушение установки при взрыве.

Лит.: Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); Тамм И. Е., Основы теории электричества, 8 изд., М., 1966; Парселл Э., Электричество и магнетизм, перевод с английского, М., 1971 (Берклеевский курс физики, т. 2); Карасик В. Р., Физика и техника сильных Мй, М., 1964; Монтгомери Б., Получение сильных Мй с помощью соленоидов, перевод с английского, М., 1971; Кнопфель Г., Сверхсильные импульсные поля, перевод с английского, М., 1972; Кольм Г., Фриман А., Сильные поля, "Успехи физических наук", 1966, т. 88, в. 4, с. 703; А. Д., Взрывомагнитные генераторы, там же, с. 725; Биттер Ф., Сверхсильные поля, там же, с. 735; Вайнштейн С. И., Зельдович Я. Б., О происхождении Мй в астрофизике, там же, 1972, т. 106, в. 3.

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

б — действие однородного постоянного поля на свободно движущиеся электрические заряды q (их траектория в общем случае имеет вид спирали); в — разделение пучка диполей в неоднородном М; г — возникновение тока индукции в витке при усилении внешнего поля В (стрелками показано направление тока индукции и создаваемого поля Винд). Здесь pт — момент, q — электрический заряд, v — скорость заряда." title="Рис. 1. a — действие однородного постоянного поля на стрелку, виток с током и диполь (е — электрон б — действие однородного постоянного поля на свободно движущиеся электрические заряды q (их траектория в общем случае имеет вид спирали); в — разделение пучка диполей в неоднородном М; г — возникновение тока индукции в витке при усилении внешнего поля В (стрелками показано направление тока индукции и создаваемого поля Винд). Здесь pт — момент, q — электрический заряд, v — скорость заряда." src="/img/18/sfigkihhkm.jpg">
Рис. 1. a — действие однородного постоянного поля на стрелку, виток с током и диполь (е — электрон б — действие однородного постоянного поля на свободно движущиеся электрические заряды q (их траектория в общем случае имеет вид спирали); в — разделение пучка диполей в неоднородном М; г — возникновение тока индукции в витке при усилении внешнего поля В (стрелками показано направление тока индукции и создаваемого поля Винд). Здесь pт — момент, q — электрический заряд, v — скорость заряда.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.