Устройство и классификация МР-томографов
Устройство МР-томографа
Любой МР-томографа состоит из:
- магнита, создающего постоянное магнитное поле, в которое помещают пациента;
- градиентных катушек, создающих слабое переменное магнитное поле в центральной части основного магнита. Это поле называют градиентным. Оно позволяет выбрать область исследования части тела пациента;
- передающих и принимающих радиочастотных катушек; передающие, используются для создания возбуждения в теле пациента, приемные — для регистрации ответа возбужденных участков;
- компьютера, управляющего работой катушек, регистрирацией, обработкой измеренных сигналов, реконструкцией МР-изображений.
Радиочастотные катушки для различных отделов тела необходимы для получения качественного изображения.
Магнитное поле характеризуется индукцией магнитного поля, единицей измерения является Тл (тесла) по имени сербского учёного Николы Теслы.
Различают несколько типов томографов (зависит от величины постоянного магнитного поля):
- 0,01 Тл — 0,1 Тл → со сверхслабым полем;
- 0,1 — 0,5 Тл → со слабым полем;
- 0,5 — 1.0 Тл → со средним полем;
- 1.0 — 2,0 Тл → с сильным полем;
- >2,0 Тл → со сверхсильным полем.
Существует три вида магнитов для мр-томографа: резистивные, постоянные и сверхпроводящие.
Томографы с полем до 0,3 Тл чаще всего имеют резистивные или постоянные магниты, выше 3,0 Тл — сверхпроводящие.
Оптимальная напряженность магнитного поля является постоянным предметом дискуссий среди специалистов.
Более 90% магнитно-резонансных томографов составляют модели со сверхпроводящими магнитами (0,5 — 1,5 Тл). Томографы со сверхсильным полем (выше 3,0 Тл) очень дороги в эксплуатации. Постоянные магниты напротив, дёшевы и просты в эксплуатации.
Открытый и закрытый тип МР-томографа.
Резистивные магниты
Магнитное поле создается с помощью электрического тока, который проходит через катушку.
МР-томографы с резистивными магнитами требуют большого количества электроэнергии, которая сильно нагревает магнит, что необходимо для получения сильных магнитных полей. Такая система вырабатывает поле с напряженностью до 0,3 Тесла.
Резистивные магниты были первыми применены в клинической практике. Они просты в изготовлении, стоят дешевле сверхпроводящих или постоянных. При этом они требуют мощного и стабильного источника питания, системы водоохлаждения с качественной очисткой воды. Уровень магнитного поля в них ограничен величиной 0.3Т, при котором отношение сигнал/шум еще не достаточно высоко. По качеству и времени сканирования они уступают томографам с более сильными полями. В настоящее время этот тип магнита практически не используется, и весь современный парк томографов состоит из приборов с постоянными и сверхпроводящими магнитами.
Постоянные магниты
Магнитное поле этого типа не требует высоких эксплуатационных расходов на электроэнергию и криогенные материалы.
Сверхпроводящие магниты
В таких магнитах используется свойство сверхпроводимости, которое присуще некоторым материалам при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. Сверхпроводящий материал не требует энергетических затрат, потому что практически не имеет электрического сопротивления. Однако для создания температуры, близкой к абсолютному нулю, необходимы криогенные материалы (жидкий гелий). Сверхпроводящие магниты создают магнитные поля высокой напряженности 1,0-3,0 Тесла и более. Они являются наиболее дорогими, но, благодаря высокому уровню поля и наилучшему соотношению сигнал/шум, обеспечивают наилучшее качество изображения.
В настоящее время изготавливаются магнитно-резонансные томографы двух типов: закрытого и открытого типа. Открытый тип томографа удобен для проведения различных манипуляций, поскольку обеспечивает более свободный доступ к пациенту. Преимуществом таких томографов является отсутствие замкнутого пространства, что актуально для пациентов страдающих клаустрофобией. Нужно учитывать, что при всех удобствах, отрытую конструкцию чаще имеют аппараты с низкой и средней напряжённостью магнитного поля, а большая часть томографов с мощными полями и наилучшим качеством изображения имеют туннельный тип.
Что такое электромагнитные поля?
Электромагнитные поля дома
Уровни фонового электромагнитного излучения от передающих или распределительных электросетевых объектов
Электричество передается на большие расстояния по высоковольтным линиям.
Трансформаторы снижают такое высокое напряжение в сети до требуемого уровня для распределения электроэнергии на местах – в домах и на предприятиях. Передающие и распределительные электросетевые объекты, а также бытовая электропроводка и электроприборы создают в домах фоновый уровень электрических и магнитных полей промышленной частоты. Если дома не расположены вблизи линий электропередач (ЛЭП), фоновый уровень может доходить примерно до 0.2 микротесл. Непосредственно под ЛЭП поля гораздо сильнее. Индукция магнитного поля на уровне земли может достигать нескольких микротесл. Уровни электрических полей непосредственно под ЛЭП могут доходить до 10 кВ/м. Однако поля (как электрические, так и магнитные) по мере удаления от ЛЭП ослабевают. На расстоянии 50-100 метров уровни полей, обычно, такие же, как те, которые наблюдаются на удаленных от высоковольтных ЛЭП территориях. К тому же, стены зданий значительно снижают уровни электрических полей в сравнении с уровнями вне домов в той же местности.
Электробытовые приборы
Самые сильные электрические поля промышленной частоты в окружающей среде обычно встречаются непосредственно под высоковольтными ЛЭП. Напротив, самые сильные магнитные поля промышленной частоты обычно наблюдаются в непосредственной близости от двигателей и других электроприборов, а также специализированного оборудования, например магнитно-резонансных томографов, используемых для диагностической визуализации в медицине.
Обычные значения силы электрических полей вблизи бытовых электроприборов (на расстоянии 30 см от них
(Источник: Федеральное ведомство по радиационной защите, Германия, 1999 г.)
| Электробытовой прибор | Сила электрического поля (В/м) |
| Стерео-проигрыватель | 180 |
| Утюг | 120 |
| Холодильник | 120 |
| Миксер | 100 |
| Тостер | 80 |
| Фен для волос | 80 |
| Цветной телевизор | 60 |
| Кофейная машина | 60 |
| Пылесос | 50 |
| Электропечь | 8 |
| Лампочка | 5 |
| Установленное пороговое значение | 5000 |
Многие люди удивляются, когда узнают о существовании магнитных полей самого разного уровня рядом с различными бытовыми приборами.
Сила этих полей не зависит от размера, сложности, мощности таких приборов или уровня шума от них. Более того, сила магнитных полей может очень сильно различаться, даже если речь идет о вроде бы похожих приборах. Например, одни фены для волос окружены очень сильным полем, а другие вряд ли вообще создают какое-либо магнитное поле. Такая разница в отношении силы магнитных полей объясняется дизайном изделия.
В приведенной ниже таблице указаны обычные значения силы поля для ряда электроприборов, широко используемых дома и на рабочем месте. Измерения производились в Германии, при этом во всех приборах использовался ток с частотой 50 Гц. Следует отметить, что фактические уровни воздействия значительно различаются в зависимости от модели прибора и расстояния от него.
Обычные значения силы магнитных полей вокруг бытовых электроприборов (в зависимости от расстояния от них)
Электробытовой прибор | На расстоянии 3 см (микротесла) | На расстоянии 30 см (микротесла) | На расстоянии 1 м (микротесла) |
Фен для волос | 6 – 2000 | 0. | 0.01 – 0.03 |
Электробритва | 15 – 1500 | 0.08 – 9 | 0.01 – 0.03 |
Пылесос | 200 – 800 | 2 – 20 | 0.13 – 2 |
Флюоресцентный осветительный прибор | 40 – 400 | 0.5 – 2 | 0.02 – 0.25 |
Микроволновая печь | 73 – 200 | 4 – 8 | 0. |
Портативный радиоприемник | 16 – 56 | 1 | < 0.01 |
Электропечь | 1 – 50 | 0.15 – 0.5 | 0.01 – 0.04 |
Стиральная машина | 0.8 – 50 | 0.15 – 3 | 0.01 – 0.15 |
Утюг | 8 – 30 | 0.12 – 0.3 | 0.01 – 0. |
Посудомоечная машина | 3.5 – 20 | 0.6 – 3 | 0.07 – 0.3 |
Компьютер | 0.5 – 30 | < 0.01 | |
Холодильник | 0.5 – 1.7 | 0.01 – 0.25 | <0.01 |
Цветной телевизор | 2.5 – 50 | 0.04 – 2 | 0.01 – 0.15 |
Для большинства бытовых электроприборов сила магнитного поля на расстоянии 30 см от них значительно ниже установленного для населения порогового значения в 100 микротесл. | |||
01 – 7
25 – 0.6
03
Таблица иллюстрирует две основные мысли: во-первых, сила магнитного поля вокруг всех приборов стремительно уменьшается по мере того, как вы удаляетесь от них; во-вторых, большинство бытовых приборов работает не слишком близко от человека. На расстоянии 30 см уровень магнитные поля вокруг большинства бытовых приборов более чем в 100 раз ниже установленного для обычного населения порогового значения в 100 микротесл при частоте электрического тока в 50 Гц (и 83 микротесл при частоте тока в 60 Гц).
Телевизоры и компьютерные мониторы
В основе работы компьютерных мониторов и телевизоров лежат одни и те же принципы. И те и другие продуцируют статические электрические поля и переменные электрические и магнитные поля разных частот. Однако, жидко-кристаллические мониторы некоторых ноутбуков и настольных ПК не создают значительные электрические и магнитные поля.
Мониторы современных компьютеров созданы из проводящих материалов, что снижает статическое поле вокруг монитора до уровней, сопоставимых с нормальным фоновым уровнем в доме или на рабочем месте. Если человек работает на правильном расстоянии (30-50 см) от монитора, уровень индукции переменного магнитного поля (промышленной частоты) обычно ниже 0,7 микротесл. Сила переменных электрических полей при работе на том же расстоянии от монитора находится в интервале от менее 1 В/м до 10 В/м.
Микроволновые печи
Бытовые микроволновые печи отличаются большой мощностью. Однако, надежный защитный экран снижает возможную утечку микроволнового излучения за пределы печи до практически неопределяемого уровня. Кроме того, уровень утечки стремительно снижается по мере удаления пользователя от печи. Во многих странах существуют промышленные стандарты, конкретно указывающие предельно допустимые уровни утечки для новых печей. Если печь соответствует этим стандартам, она не представляет никакой угрозы для потребителя.
Переносные телефоны
Для работы переносных телефонов требуется гораздо менее интенсивное поле, чем для мобильных телефонов. Это связано с тем, что они используются совсем близко от своей базы, а значит, нет необходимости в сильном поле, как это было бы в случае передачи сигнала на большое расстояние. Соответственно, радиочастотные поля вокруг этих телефонов совсем незначительны.
Электромагнитные поля в окружающей среде
Радар
Радары используются для навигации, составления прогноза погоды, в военных целях, а также для выполнения множества других задач. Они посылают пульсирующие микроволновые сигналы. Пиковая мощность сигнала может быть высокой, между тем как средняя мощность может быть низкой. Многие радары вращаются или движутся вверх и вниз, что уменьшает среднее значение плотности мощности поля, которое воздействует на людей вблизи радара. Даже в отношении высокомощных, не вращающихся военных радарных установок действуют ограничения по уровню воздействия: он должен быть ниже установленного порогового значения в местах, доступных для населения.
Системы безопасности
Системы защиты от краж в магазинах основаны на использовании специальных датчиков, закрепляемых на товарах, которые считываются электрическими контурами на выходе. Когда покупка осуществлена должным образом, эти датчики снимают или полностью деактивируют. Электромагнитные поля вокруг контуров обычно не превышают рекомендуемые уровни допустимого воздействия. Системы управления доступом, работают по тому же принципу: датчик встроен в брелок для ключей, либо в пропуск. Системы безопасности в библиотеках используют специальные этикетки-датчики, которые деактивируются при выдаче книги читателю и вновь активируются, когда книга возвращается. Металло-детекторы и системы безопасности в аэропортах создают сильное магнитное поле (до 100 микротесл), которое реагирует на металлические предметы. Вблизи рамки детектора сила магнитного поля может приближаться к установленному пороговому уровню, а иногда и превышать его. Тем не менее, это не создает угрозу для здоровья, о чем будет сказано в разделе, посвященном руководящим принципам по допустимым уровням воздействия (см.
«Опасны ли уровни воздействия выше установленных пороговых значений?»).
Электропоезда и трамваи
Поезда дальнего следования имеют один или несколько моторных отсеков, расположенных в отдельных вагонах. Таким образом, пассажиры испытывают воздействие полей в основном от электричества, подаваемого в поезд. Магнитные поля в пассажирских вагонах поездов дальнего следования могут достигать нескольких сотен микротесл на уровне пола и более низких значений (десятков микротесл) в других местах в купе. Сила электрического поля может достигать 300 В/м. Люди, живущие вблизи железнодорожных путей, могут испытывать воздействие магнитных полей от линий электропроводов над полотном железной дороги, причем сила этих полей, в зависимости от каждой конкретной страны, может быть сопоставима с силой полей вокруг высоковольтных ЛЭП.
Двигатели и тяговое оборудование поездов и трамваев обычно располагается внизу, под пассажирскими вагонами. На уровне пола интенсивность магнитного поля может достигать десятков микротесл (на тех участках пола, которые находятся прямо над двигателем).
Однако, чем выше от пола, тем быстрее уменьшается интенсивность поля, и его воздействие на верхнюю часть туловища пассажиров значительно слабее.
Телевидение и радио
Когда вы у себя дома слушаете радио и ищете нужную вам станцию, задавались ли вы когда-нибудь вопросом, что могут означать хорошо знакомые вам сокращения АМ и FM? Радиосигналы могут быть амплитудно-модулированными (АМ) или частотно-модулированными (FM). Все зависит от того, как они переносят информацию. Радиосигналы АМ могут использоваться для вещания на очень большие расстояния, в то время как FM волны охватывают более ограниченные пространства, но при этом обеспечивают звук лучшего качества.
АМ радиосигналы передаются при помощи сложной системы антенн, которые могут достигать десятков метров в высоту и располагаться в местах, не доступных обычному населению. Уровни воздействия в непосредственной близости от антенн и кабелей питания могут быть высокими, но с ними приходится иметь дело обслуживающему персоналу, а не обычному населению.
Телевизионные антенны и антенны для FM радиосигналов гораздо меньше по размеру, чем антенны для АМ радиосигналов, и устанавливаются они как система направленных антенн на самом верху высоких башен. Причем башни являются лишь поддерживающей конструкцией. Поскольку уровень воздействия у самого основания таких башен ниже установленных пороговых значений, доступ обычного населения в места, где находятся такие башни, не запрещен. Небольшие ТВ- и радиоантенны местного значения иногда устанавливаются на крышах зданий; в этом случае не исключается необходимость контролировать доступ на крышу.
Мобильные телефоны и их базовые станции
Мобильные телефоны дают нам возможность всегда быть на связи с другими людьми. Эти приборы низкой мощности, испускающие и принимающие радиоволновые сигналы от сети стационарных базовых станций малой мощности. Каждая базовая станция мобильной связи обеспечивает охват определенной территории. В зависимости от потока обрабатываемых звонков, базовые станции могут находиться на расстоянии от всего лишь нескольких сотен метров (в крупных городах) до нескольких километров (в сельской местности) друг от друга.
Базовые станции мобильной связи обычно устанавливают на крыше зданий или башен, на высоте от 15 до 50 метров. Уровни прохождения сигналов от конкретной базовой станции непостоянны и зависят от количества звонков и расстояния, на котором звонящий абонент находится от базовой станции. Антенны излучают очень узкий пучок радиоволн, который далее распространяется почти параллельно земле. Поэтому радиочастотные поля на уровне земли и на территориях, обычно доступных для населения, во много раз ниже уровней, представляющих опасность.
Рекомендуемые пороговые значения были бы превышены лишь в том случае, если бы человек оказался прямо перед системой антенн на расстоянии одного-двух метров. До того, как мобильные телефоны стали широко использоваться, население в основном испытывало воздействие радиочастотного излучения от радио- и ТВ-станций. Но и сегодня, с появлением мобильных телефонов, башни, на которых расположены базовые станции мобильной связи, сами по себе крайне мало усугубляют общее воздействие на наш организм, поскольку сила сигналов в местах, доступных для населения, обычно такая же или даже ниже, чем сила сигналов от радио- и ТВ-станций, расположенных на значительном удалении от этих мест.
Однако на самого пользователя мобильного телефона воздействуют радиочастотные поля более высокого уровня, чем те, которые обычно присутствуют в окружающей нас среде. Разговаривая по мобильному телефону, мы держим его очень близко к голове. Именно поэтому, вместо того, чтобы отслеживать эффект нагревания тканей во всем организме, следует определить распределение поглощенной энергии в голове пользователя телефона. В результате сложного компьютерного моделирования и проведения оценок с использованием моделей головы человека, сделан вывод о том, что, по всей видимости, уровень энергии, поглощенной при использовании мобильного телефона, не превышает установленных на сегодня пороговых значений.
Вызывают обеспокоенность и другие, так называемые «нетермальные» последствия воздействия частот мобильных телефонов. Есть различные предположения в отношении едва заметных эффектов для клеток, которые могут повлиять на развитие раковых заболеваний. Также высказываются гипотезы о возможных эффектах для тканей, раздражаемых под воздействием электричества, и о том, что это может повлиять на функцию мозга и нервных тканей.
Тем не менее, все имеющиеся на данный момент фактические данные не подтверждают наличия каких-либо пагубных последствий для здоровья человека от использования мобильных телефонов.
Магнитные поля в повседневной жизни: действительно ли они такие сильные?
В последние годы национальными органами власти различных стран были проведены многочисленные оценки для определения уровней ЭМП в среде обитания человека. Ни одно из этих обследований не пришло к выводу о том, что уровни полей могут вызвать неблагоприятные последствия для здоровья.
Недавно Федеральное ведомство по радиационной защите (Германия) сделало оценку повседневного воздействия магнитных полей с привлечением к обследованию примерно 2 000 человек. Оценка проведена как в отношении представителей ряда профессий, так и обычного населения. Всем участникам обследования были выданы персональные дозиметры для измерения уровней воздействия 24 часа в сутки. Полученные данные различались весьма значительно, но средний уровень в день составлял 0,10 микротесл.
Это значение в тысячу раз меньше, чем предельно допустимое значение в 100 микротесл для обычного населения и в 5 тысяч раз ниже, чем предельное допустимое значение в 500 микротесл для людей определенных профессий. Более того, при исследовании воздействия полей на людей, живущих в центральной части городов, было обнаружено, что, с точки зрения воздействия полей, нет существенной разницы между проживанием в сельской и городской местности. Даже уровни воздействия на людей, живущих в непосредственной близости от высоковольтных ЛЭП, лишь незначительно отличаются от средних уровней воздействия на обычное население.
Основные положения
- Фоновые уровни ЭМП в доме в основном создаются передающими и распределительными электросетевыми объектами или бытовыми электроприборами.
- Электроприборы сильно различаются с точки зрения силы генерируемых ими полей. По мере удаления от приборов уровни как электрических, так и магнитных полей стремительно снижаются. В любом случае, уровни полей вокруг бытовых электроприборов обычно гораздо ниже установленных пороговых значений.
- Уровни электрических и магнитных полей от телевизоров и компьютерных мониторов (при соблюдении пользователем правильной дистанции от них) в сотни тысяч раз ниже установленных пороговых значений.
- Микроволновые печи, отвечающие стандартам качества, не представляют опасности для здоровья.
- Пока действуют ограничения в отношении доступа населения непосредственно к радарным установкам, радиоантеннам и базовым станциям мобильной связи, установленные предельные уровни воздействия радиочастотных полей не будут превышены.
- Пользователи мобильных телефонов испытывают воздействие полей таких уровней, которые значительно превышают любые значения, регистрируемые в обычной среде обитания. Но, по-видимому, даже столь высокие уровни воздействия не приводят к пагубным последствиям для здоровья.
- Многочисленные обследования подтвердили, что воздействие электромагнитных полей тех уровней, которые наблюдаются в среде обитания человека, очень незначительно.
Суть магнитного поля, как и почему создается электромагнитное поле, его природа.
Многие знают о существовании так называемого магнитного поля. Самым распространенным предметом, вокруг которого оно существует является обычный постоянный магнит. Что мы о нем знаем и как он себя обычно проявляет? Это кусок из твердого материала, притягивающий к себе железные предметы. Он может иметь любую форму, ее предают при изготовлении с учетом конкретного предназначения магнита. Магниты имеют полюса — южный и северный. Если взять два куска магнита и попытаться их соединить, то в одном случае они попытаются притянутся друг к другу, а в другом случае они будут стремится оттолкнуться. Одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются.
Помимо этого если одни целый магнит разбить на два куска (не важно, будут ли он и равны или нет) мы получим уже два разных магнита, у которых будут свои магнитные полюса и своя интенсивность притягивания. В этом случае сила магнетизма будет зависеть от размеров этих самых магнитов. Почему же так происходит? В чем заключается суть этих интересных явлений, связанных с магнетизмом?
А суть магнитного поля заключается в следующем.
Из школьной физики вы должны были помнить, что существуют так называемые электрические заряды (электроны и ионы). В твердых веществах носителями электрических зарядов являются электроны, а в жидких и газообразных — ионы. Магнитные поля, как и любые другие поля, являются особым видом материи, которая проявляет себя в виде некой силы, невидимой глазу. Хотя точнее будет, пожалуй, говорить электромагнитные поля так как именно в суммарной форме они себя проявляют (электрическое и магнитное поле).
Итак, магнитное поле существует вокруг движущегося электрического заряда. Именно движущегося. Вокруг электрических зарядов, что находятся в статическом состоянии существует только электрическое поле. Но поскольку заряды находятся в постоянном движении, то речь скорей идет о интенсивности этого движения.
Одно дело когда электроны (частицы, имеющие отрицательный электрический заряд) просто сконцентрированы в металлическом шаре (максимальным будет именно электрическое поле вокруг шара) и в этом случае их динамическое движение будет гораздо меньше проявляться нежели в случае их непосредственного движения по проводнику (именно тут мы увидим максимальное магнитное поле) от одного полюса источника питания к другому.
Получается, что суть магнитного поля заключается в его образовании именно вокруг движущихся электрических зарядов. И чем быстрее будет двигаться заряд по проводнику, тем больше будет интенсивность магнитного поля вокруг этого самого заряда. Кроме этого магнитные поля могут суммироваться если они имеют одну и ту же направленность. После чего уже имеем — чем быстрее движется электрический заряд и чем больше количество этих зарядов, движение которых совпадает по направлению, тем сильнее будет электромагнитное поле вокруг этих зарядов (и вокруг этого электрического проводника, по которому они перемещаются).
Теперь можно понять, почему вокруг обычной медной катушки, по которой течет постоянный ток, появляется магнитное поле и от чего зависит его интенсивность. Просто само движение тока, электронов (заряженных частиц с отрицательным знаком) по катушки и порождает электромагнитные поля. И чем больше количество витков у этой катушки, больше ток, проходящий по ней, тем больше и сила магнитного поля вокруг нее.
А как работают постоянные магниты? Ведь по ним же не течет ток. Токи есть, только это микротоки, порождаемые движением электронов внутри самого вещества. Тут все дело в однонаправленности этих токов и способности вещества удерживать постоянное состояние этой однонаправленности. Движение электронов присутствует во всех веществах, но вот магнитные свойства проявляются только у тех, которые обладают ферромагнитными свойствами. Ферромагнетики, это вещества, которые легко могут менять (при определенных условиях) и стабильно удерживать определенную внутреннюю структуру своих частиц, влияющую на магнитные свойства этого вещества.
Итак, мы берем вещество, с хорошими ферромагнитными свойствами, помещаем его в постоянное электромагнитное поле высокой интенсивности, после чего наблюдаем перестраивание внутренней структуры этого вещества. Появляется однонаправленность его магнитных частиц. В итоге, это вещество само становится магнитом. Все его внутренние частички (атомы, молекулы) с одной стороны образовали южный магнитный полюс, а с другой стороны — северный. В результате мы получили обычный магнит. Если этот магнит поместить в переменное магнитное поле (большой интенсивности), сильно нагреть, подвергать сильным механическим ударам, то в итоге мы может размагничивать наше ферромагнитное вещество. Оно утратит свои магнитные свойства.
P.S. Электромагнитное поле существует повсюду, оно есть везде. Только вот его интенсивность везде разная и не во всех вещах имеется свойство стабильного поддержания этого магнитного поля. Магниты можно делать из вещей, которые до этого не были таковыми (их просто нужно намагнитить).
Либо магнитное поле можно получить за счет пропускания постоянного тока через медную катушку. В этом случае мы уже получим электромагнит. Он будет работать только тогда, когда к нему подключено электрическое питание.
Электромагнетизм
Электрический ток, протекающий по проводнику, создает вокруг этого проводника магнитное поле (рис. 7.1). Направление возникающего магнитного поля определяется направлением тока.
Способ обозначения направления электрического тока в проводнике показан на рис. 7.2: точку на рис. 7.2(а) можно воспринимать как острие стрелки, указывающей направление тока к наблюдателю, а крестик – как хвост стрелки, указывающей направление тока от наблюдателя.
Магнитное поле, возникающее вокруг проводника с током, показано на рис. 7.3. Направление этого поля легко определяется с помощью правила правого винта (или правила буравчика): если острие буравчика совместить с направлением тока, то при его завинчивании направление вращения рукоятки будет совпадать с направлением магнитного поля.
Рис. 7.1. Магнитное поле вокруг проводника с током.
Рис. 7.2. Обозначение направления тока (а) к наблюдателю и (б) от на-блюдателя.
Рис. 7.3. Направление магнитного поля вокруг проводника с током.
Поле, создаваемое двумя параллельными проводниками
1. Направления токов в проводниках совпадают. На рис. 7.4(а) изображены два параллельных проводника, расположенные на некотором расстоянии друг от друга, причем магнитное поле каждого проводника изображено отдельно. В промежутке между проводниками создаваемые ими магнитные поля противоположны по направлению и компенсируют друг друга. Результирующее магнитное поле показано на рис. 7.4(б). Если из-менить направление обоих токов на обратное, то изменится на обратное и направление результирующего магнитного поля (рис. 7.4(б)).
Рис. 7.4. Два проводника с одинаковыми направлениями токов (а) и их результирующее магнитное поле (6, в).
2.
Направления токов в проводниках противоположны. На рис. 7.5(а) показаны магнитные поля для каждого проводника по отдельности. В этом случае в промежутке между проводниками их поля суммируются и здесь результирующее поле (рис. 7.5(б)) максимально.
Рис. 7.5. Два проводника с противоположными направлениями токов (а) и их результирующее магнитное поле (б).
Рис. 7.6. Магнитное поле соленоида.
Магнитное поле соленоида
Соленоид – это цилиндрическая катушка, состоящая из большого числа витков проволоки (рис. 7.6). Когда по виткам соленоида протекает ток, соленоид ведет себя как полосовой магнит с северным и южным полюсами. Создаваемое им магнитное поло ничем не отличается от ноля постоянного магнита. Магнитное поле внутри соленоида можно усилить, намотав катушку на магнитный сердечник из стали, железа или друго¬го магнитного материала. Напряженность (величина) магнитного поля соленоида зависит также от силы пропускаемого электрического тока и числа витков.
Электромагнит
Соленоид можно использовать в качестве электромагнита, при этом сердечник делается из магнитомягкого материала, например ковкого железа. Соленоид ведет себя как магнит только в том случае, когда через катушку протекает электрический ток. Электромагниты применяются в электрических звонках и реле.
Проводник в магнитном поле
На рис. 7.7 изображен проводник с током, помещенный в магнитное поле. Видно, что магнитное поле этого проводника складывается с магнитным полем постоянного магнита в зоне выше проводника и вычитается в зоне ниже проводника. Таким образом, более сильное магнитное поле находится выше проводника, а более слабое — ниже (рис. 7.8).
Если изменить направление тока в проводнике на обратное, то форма магнитного поля останется прежней, но его величина будет больше под проводником.
Магнитное поле, ток и движение
Если проводник с током поместить в магнитное поле, то на него будет действовать сила, которая пытается передвинуть проводник из области более сильного поля в область более слабого, как показано на рис.
7.8. Направление этой силы зависит от направления тока, а также от направления магнитного ноля.
Рис. 7.7. Проводник с током в магнитном поле.
Рис. 7.8. Результирующее поле
Величина силы, действующей на проводник с током, определяется как величиной магнитного поля, так и силой гика, протекающего через этот проводник.
Движение проводника, помещенного в магнитное поле, при пропускании через него тока называется принципом двигателя. На этом принципе основана работа электродвигателей, магнитоэлектрических измерительных приборов с подвижной катушкой и других устройств. Если провод ник перемещать в магнитном поле, в нем генерируется ток. Это явление называется принципом генератора. На этом принципе основана работа генераторов постоянного и переменного тока.
Индуцированная ЭДС
До сих пор рассматривалось магнитное поле, связанное только с постоянным электрическим током. В этом случае направление магнитного поля неизменно и определяется направлением постоянного дока.
При протекании переменного тока создается переменное магнитное поле. Если отдельную катушку поместить в это переменное поле, то в ней будет индуцироваться (наводиться) ЭДС (напряжение). Или если две отдельные катушки расположить в непосредственной близости друг к другу, как показано на рис. 7.9. и приложить переменное напряжение к одной обмотке (W1), то между выводами второй обмотки (W2) будет возникать новое переменное напряжение (индуцированная ЭДС). Это принцип работы трансформатора.
Рис. 7.9. Индуцированная ЭДС.
В этом видео рассказывается о понятии магнетизма и электромагнетизма:
Добавить комментарий
Как понять магнитное поле Солнца
Комбинируя прямые наблюдения с компьютерным моделированием, гелиофизики НАСА создали модель движения плазмы в короне Солнца, которая позволит лучше понять природу магнитного поля Солнца
Поверхность Солнца непрерывно бурлит и танцует.
Удаляющиеся от нее струи плазмы изгибаются, взметаются петлями, закручиваются в циклоны и достигают верхних слоев солнечной атмосферы – короны, имеющей температуру в миллионы градусов.
Результаты моделирования. Магнитное поле Солнца в 2011 гораздо больше сосредоточено вблизи полюсов. Пятен мало. (Изображение NASA’s Goddard Space Flight Center/Bridgman)
Магнитное поле Солнца в 2014 стало более запутанным и беспорядочным, создавая условия для вспышек и выбросов корональной массы. (Изображение NASA’s Goddard Space Flight Center/Bridgman)
Поверхность Солнца (изображение http://www.nasa.gov)
‹
›
Это вечное движение, которое нельзя наблюдать в видимом свете, впервые заметили в 1950-х годах, и с тех пор физики пытаются понять, почему оно происходит. Сейчас уже известно, что вещество, из которого состоит Солнце, движется в соответствии с законами электромагнетизма.
Изучая магнитное поле Солнца, можно лучше понять природу космоса во всей Солнечной системе: оно влияет как на межпланетное магнитное поле и радиацию, сквозь которую приходится двигаться космическим кораблям, так и на космическую погоду на Земле (полярные сияния, магнитные бури и т.
п. зависят от солнечных вспышек).
Но, несмотря на многолетние исследования, окончательного понимания природы магнитного поля Солнца еще нет. Предполагается, что оно возникает от движений заряженных частиц, которые перемещаются по сложным траекториям из-за вращения Солнца (солнечное динамо) и тепловой конвекции, поддерживаемой теплом от термоядерного синтеза в центре Солнца. Однако все детали процесса до сих пор не известны. В частности, неизвестно, где именно создается магнитное поле: близко к солнечной поверхности, глубоко внутри Солнца, или в широком диапазоне глубин.
Как можно увидеть невидимое магнитное поле? По движению солнечной плазмы. И вот, чтобы больше узнать о «магнитной жизни» Солнца, ученые НАСА решили проанализировать движение плазмы через его корону, комбинируя результаты компьютерного моделирования и данные, полученные при наблюдении в реальном времени.
Магнитное поле управляет движением заряженных частиц, электронов и ионов, из которых состоит плазма.
Образующиеся при этом петли и прочие плазменные структуры ярко светятся на снимках, сделанных в крайнем ультрафиолетовом диапазоне. Кроме того, их следы на поверхности Солнца, или фотосфере, можно достаточно точно измерить с помощью инструмента, называемого магнитографом, который измеряет силу и направление магнитных полей.
Результаты наблюдений, которые описывают напряженность магнитного поля и его направление, затем объединяют с моделью движущейся солнечной плазмы в магнитном поле. Вместе они дают хорошее представление о том, как выглядит магнитное поле в короне Солнца и как оно там колеблется.
В периоды максимальной солнечной активности магнитное поле имеет очень сложную форму с большим количеством повсюду мелких структур, представляющих собой активные регионы. В минимуме солнечной активности поле слабее и концентрируется на полюсах. Образуется очень гладкая структура без пятен.
По материалам НАСА
Там же можно посмотреть анимацию по результатам моделирования.
Загадка земного ядра: откуда у нашей планеты магнитное поле
https://ria.ru/20190613/1555493880.html
Загадка земного ядра: откуда у нашей планеты магнитное поле
Загадка земного ядра: откуда у нашей планеты магнитное поле – РИА Новости, 13.06.2019
Загадка земного ядра: откуда у нашей планеты магнитное поле
Северный магнитный полюс продолжает смещаться с территории Канады в сторону архипелага Северная Земля со скоростью 55 километров в год. Ученые предполагают:… РИА Новости, 13.06.2019
2019-06-13T08:00
2019-06-13T08:00
2019-06-13T08:04
наука
наса
венера
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/154760/95/1547609587_0:103:3276:1946_1920x0_80_0_0_1802942d2e807a433ba5a2a21ef79391.jpg
МОСКВА, 13 июн — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Северный магнитный полюс продолжает смещаться с территории Канады в сторону архипелага Северная Земля со скоростью 55 километров в год.
Ученые предполагают: готовится смена полюсов из-за волнений в жидкой части ядра планеты, недоступной прямым наблюдениям. Что именно там происходит, понять трудно, но есть много гипотез. Миссия к “железному миру”В 2022 году NASA собирается отправить аппарат к астероиду Психея, находящемуся между Марсом и Юпитером. Его называют железным миром. По отражению лучей с поверхности, по тому, как быстро она нагревается и остывает, ученые поняли, что это если не полностью, то по большей части металл. Не исключено, что именно оттуда к нам прилетают железные метеориты. Это происходит очень редко, всего известно не более двух сотен таких событий. Предполагается, что Психея — ядро планеты земной группы, которая лишилась внешних оболочек. Вместе с Землей и Венерой эта планета формировалась вблизи Солнца, но затем что-то случилось. Может, катастрофа, а может, всему виной повторные разогревы планетоземали — сгустков материи, из которых образуются планеты. Ученые непременно хотят попасть в “железный мир”, и не только ради геологической разведки месторождений в интересах наших потомков.
В первую очередь — чтобы вплотную исследовать аналог ядра Земли. Почему ядро железноеЯдро Земли — интереснейший объект. Его состав и температура отражаются на вышележащих слоях и атмосфере. Ядро — источник магнитного поля, благодаря которому возникла жизнь. Там же — ключ к тайне образования планет земной группы. Недра Земли исследуют с помощью сейсмических волн и моделирования. Грубо говоря, планета состоит из верхней оболочки — коры, мантии и ядра. О том, что ядро — железное, свидетельствует несколько фактов. У Земли собственное магнитное поле, словно диполь вставлен по оси вращения. Мантия не может генерировать такое поле, она слишком слабо проводит электрический ток. Согласно модели геодинамо на это способна только проводящая жидкость. Значит, часть ядра — жидкая. Железо — один из самых распространенных элементов в Солнечной системе. Это подтверждается его обилием в метеоритах. Во внешней части ядра не проходят упругие S-волны, значит, она жидкая. Внутренняя часть ядра радиусом примерно 1221 километр слабо распространяет S-волны — соответственно, она либо твердая, либо в состоянии, симулирующем твердость.
Граница двух слоев в ядре довольно четкая, как и между ядром и нижней мантией. Считается, что ядро железное, с небольшими примесями никеля (на это указывает состав железных метеоритов), кремния, сульфидов и кислорода. Некоторые особенности прохождения сейсмоволн говорят о том, что внутреннее твердое ядро вращается слегка быстрее, чем мантия и кора, примерно на 0,15 градуса в год. Когда и как образовалось ядро Земли? Каково в нем соотношение химических элементов? Почему оно не однородное? Какая там температура? Где источник энергии? И главное, почему ядро вообще сформировалось внутри планеты? По каждому из этих и множеству других вопросов есть немало гипотез.Кому из близнецов повезлоВенеру считают близнецом Земли — она лишь немного меньше по массе и размерам. Но нынешние условия на ее поверхности совершенно другие. У Земли есть собственное магнитное поле, атмосфера и биосфера.У Венеры из этого списка — только ядовитая атмосфера с облаками из серной кислоты. Следов магнитного поля нет и в геологическом прошлом, хотя они могли и исчезнуть.
Вероятно, все дело в происхождении близнецов. Венера и Земля образовались в одной части газопылевой туманности, окружавшей Солнце. Зародыши планет увеличивались, притягивая к себе все больше материала. Когда масса стала критической, начались разогрев, плавление. Вещество разделялось на фракции: тяжелые элементы оседали внутри, легкие поднимались наверх. Как полагают ученые из Германии, Японии и Франции, расслоение таких тел, как Земля, идет равномерно и стабильно, каждый слой — однородный. Чтобы ядро получилось двухслойное и неоднородное, где-то ближе к концу процесса планета должна была испытать очень сильный удар другого массивного тела. Часть вещества “пришельца” осталась в недрах Земли, часть была выбита на орбиту, где затем образовалась Луна. От удара внутренности планеты перемешались, и это привело к частичному плавлению ядра.А вот эволюция Венеры прошла гладко, без ЧП космического масштаба. Расслоение благополучно завершилось с образованием твердого железного ядра, неспособного генерировать магнитное поле.
Есть и другая гипотеза: спонтанная кристаллизация железного расплава. Однако для этого ему нужно остыть до тысячи Кельвинов, что невозможно. Значит, зародыши кристаллизации проникли извне, сделали вывод ученые из США. Например, из нижней мантии. Это крупные куски железа размером десятки и сотни метров. Откуда им там взяться — большой вопрос.Один из ответов лежит на поверхности Земли в виде древних железистых кварцитов. Возможно, более трех миллиардов лет назад из этих пород сложилось дно океанов. Из-за движения плит оно погрузилось в мантию и оттуда — в ядро.Создание магнитного щитаСоотношение радиоактивных изотопов свинца указывает на возраст ядра: порядка четырех с половиной миллиардов лет. Когда возникло магнитное поле, неизвестно. Его следы встречаются уже в самых древних горных породах Земли возрастом 3,5 миллиарда лет. В соответствии с моделью геодинамо для магнитного поля Земли нужна проводящая жидкость, вращение которой сопровождается перемешиванием. Проблема в том, что магнитное поле у быстро вращающихся жидкостей рано или поздно затухает.
Судя по геологическим данным, на видимом нам отрезке времени интенсивность магнитного поля Земли не менялась. Должен быть какой-то постоянный мощный источник энергии.На эту роль есть два кандидата. Температурная конвекция, возможная, если внутреннее ядро горячее внешнего, и композиционная конвекция, то есть перемещение элементов из одной части в другую. Это означает, что твердая часть ядра увеличивается. Но бояться полного застывания не стоит. На это понадобится не один миллиард лет.
https://ria.ru/20180820/1526749995.html
https://ria.ru/20190415/1552557085.html
https://ria.ru/20180322/1516957617.html
https://ria.ru/20190129/1550035242.html
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2019
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.
ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
https://cdnn21.img.ria.ru/images/154760/95/1547609587_273:0:3004:2048_1920x0_80_0_0_9f56f605b2d18ef61f2b25095694cb36.jpgРИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
наса, венера
МОСКВА, 13 июн — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Северный магнитный полюс продолжает смещаться с территории Канады в сторону архипелага Северная Земля со скоростью 55 километров в год. Ученые предполагают: готовится смена полюсов из-за волнений в жидкой части ядра планеты, недоступной прямым наблюдениям.
Что именно там происходит, понять трудно, но есть много гипотез.
Миссия к “железному миру”
В 2022 году NASA собирается отправить аппарат к астероиду Психея, находящемуся между Марсом и Юпитером. Его называют железным миром.По отражению лучей с поверхности, по тому, как быстро она нагревается и остывает, ученые поняли, что это если не полностью, то по большей части металл. Не исключено, что именно оттуда к нам прилетают железные метеориты. Это происходит очень редко, всего известно не более двух сотен таких событий.
Предполагается, что Психея — ядро планеты земной группы, которая лишилась внешних оболочек. Вместе с Землей и Венерой эта планета формировалась вблизи Солнца, но затем что-то случилось. Может, катастрофа, а может, всему виной повторные разогревы планетоземали — сгустков материи, из которых образуются планеты.
Ученые непременно хотят попасть в “железный мир”, и не только ради геологической разведки месторождений в интересах наших потомков.
В первую очередь — чтобы вплотную исследовать аналог ядра Земли.
Почему ядро железное
Ядро Земли — интереснейший объект. Его состав и температура отражаются на вышележащих слоях и атмосфере. Ядро — источник магнитного поля, благодаря которому возникла жизнь. Там же — ключ к тайне образования планет земной группы.
Недра Земли исследуют с помощью сейсмических волн и моделирования. Грубо говоря, планета состоит из верхней оболочки — коры, мантии и ядра.
О том, что ядро — железное, свидетельствует несколько фактов. У Земли собственное магнитное поле, словно диполь вставлен по оси вращения. Мантия не может генерировать такое поле, она слишком слабо проводит электрический ток. Согласно модели геодинамо на это способна только проводящая жидкость. Значит, часть ядра — жидкая. Железо — один из самых распространенных элементов в Солнечной системе. Это подтверждается его обилием в метеоритах.
Во внешней части ядра не проходят упругие S-волны, значит, она жидкая. Внутренняя часть ядра радиусом примерно 1221 километр слабо распространяет S-волны — соответственно, она либо твердая, либо в состоянии, симулирующем твердость. Граница двух слоев в ядре довольно четкая, как и между ядром и нижней мантией.
Считается, что ядро железное, с небольшими примесями никеля (на это указывает состав железных метеоритов), кремния, сульфидов и кислорода.
Некоторые особенности прохождения сейсмоволн говорят о том, что внутреннее твердое ядро вращается слегка быстрее, чем мантия и кора, примерно на 0,15 градуса в год.
Когда и как образовалось ядро Земли? Каково в нем соотношение химических элементов? Почему оно не однородное? Какая там температура? Где источник энергии? И главное, почему ядро вообще сформировалось внутри планеты? По каждому из этих и множеству других вопросов есть немало гипотез.
15 апреля 2019, 08:00Наука”Садиться туда — наверняка катастрофа”. Чем опасна экспедиция на ВенеруКому из близнецов повезло
Венеру считают близнецом Земли — она лишь немного меньше по массе и размерам.
Но нынешние условия на ее поверхности совершенно другие. У Земли есть собственное магнитное поле, атмосфера и биосфера.
У Венеры из этого списка — только ядовитая атмосфера с облаками из серной кислоты. Следов магнитного поля нет и в геологическом прошлом, хотя они могли и исчезнуть. Вероятно, все дело в происхождении близнецов.
Венера и Земля образовались в одной части газопылевой туманности, окружавшей Солнце. Зародыши планет увеличивались, притягивая к себе все больше материала. Когда масса стала критической, начались разогрев, плавление. Вещество разделялось на фракции: тяжелые элементы оседали внутри, легкие поднимались наверх.
Как полагают ученые из Германии, Японии и Франции, расслоение таких тел, как Земля, идет равномерно и стабильно, каждый слой — однородный. Чтобы ядро получилось двухслойное и неоднородное, где-то ближе к концу процесса планета должна была испытать очень сильный удар другого массивного тела. Часть вещества “пришельца” осталась в недрах Земли, часть была выбита на орбиту, где затем образовалась Луна.
От удара внутренности планеты перемешались, и это привело к частичному плавлению ядра.22 марта 2018, 08:00НаукаПочему Луна не из чугуна? Ученые спорят о происхождении спутника ЗемлиА вот эволюция Венеры прошла гладко, без ЧП космического масштаба. Расслоение благополучно завершилось с образованием твердого железного ядра, неспособного генерировать магнитное поле.
Есть и другая гипотеза: спонтанная кристаллизация железного расплава. Однако для этого ему нужно остыть до тысячи Кельвинов, что невозможно.
Значит, зародыши кристаллизации проникли извне, сделали вывод ученые из США. Например, из нижней мантии. Это крупные куски железа размером десятки и сотни метров. Откуда им там взяться — большой вопрос.Один из ответов лежит на поверхности Земли в виде древних железистых кварцитов. Возможно, более трех миллиардов лет назад из этих пород сложилось дно океанов. Из-за движения плит оно погрузилось в мантию и оттуда — в ядро.
Создание магнитного щита
Соотношение радиоактивных изотопов свинца указывает на возраст ядра: порядка четырех с половиной миллиардов лет.
Когда возникло магнитное поле, неизвестно. Его следы встречаются уже в самых древних горных породах Земли возрастом 3,5 миллиарда лет.
В соответствии с моделью геодинамо для магнитного поля Земли нужна проводящая жидкость, вращение которой сопровождается перемешиванием.
Проблема в том, что магнитное поле у быстро вращающихся жидкостей рано или поздно затухает. Судя по геологическим данным, на видимом нам отрезке времени интенсивность магнитного поля Земли не менялась. Должен быть какой-то постоянный мощный источник энергии.
На эту роль есть два кандидата. Температурная конвекция, возможная, если внутреннее ядро горячее внешнего, и композиционная конвекция, то есть перемещение элементов из одной части в другую. Это означает, что твердая часть ядра увеличивается. Но бояться полного застывания не стоит. На это понадобится не один миллиард лет.
29 января 2019, 08:00НаукаМагнитный полюс Земли стремится в Россию. Что это значит для нас?Токамак – Что такое Токамак?
Токамак – это тороидальная магнитная ловушка, предназначенная для осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС).
Термин «токамак» был предложен И. Н. Головиным в 1955-1956 гг.
Это аббревиатура слов ТОк, КАмера, МАгнитная Катушка, обозначающих основные элементы устройства.
Магнитное поле служит для удержания высокотемпературной плазмы (1) в тороидальной вакуумной камере (2), ограждая плазму от контакта со стенками камеры.
В токамаке магнитное поле складывается из поля катушек (3) и поля (4) тока (5), текущего непосредственно по плазме в тороидальном направлении (тороидального тока).
Поле тока перпендикулярно направлению самого тока и полю катушек.
Оно закручивает силовые линии магнитного поля по винту, и в итоге они образуют набор вложенных друг в друга тороидальных поверхностей.
Такая магнитная конфигурация обеспечивает равновесие плазмы в токамаке, устраняя тороидальный дрейф заряженных частиц плазмы.
Отдельная заряженная частица может удерживаться в токамаке бесконечно долго; т. е. токамак является идеальной ловушкой.
Потери плазмы в устройстве определяются переноса процессами, связанными со столкновениями частиц и турбулентностью плазмы.
Обмотки (6) служат для создания вертикального поля, обеспечивающего удержание плазменного шнура в целом, и позволяют контролировать форму его сечения.
Отличительная черта токамака – присутствие электрического тока.
Для его создания применяется принцип обычного трансформатора с индуктором (7).
Первичной обмоткой трансформатора служит центральный соленоид (8), а вторичной, одновитковой обмоткой – собственно плазма.
Ток в токмаке создает необходимую для удержания плазмы компоненту магнитного поля и нагревает плазму.
Благодаря такому сочетанию удержания и нагрева токамак занял лидирующее место среди других систем магнитного УТС, таких как стеллараторы, открытые ловушки, пинчи, пинчи с обращенным полем и др.
Однако ток может служить и причиной неустойчивостей плазмы, наиболее опасная из которых – неустойчивость срыва, приводящая к выбросу плазмы на стенку и прекращению разряда в токамаке.
Задача длительного поддержания тока – главная трудность в обеспечении стационарной работы токамака.
жизненно важных признаков планеты
Алан Буйс,
Лаборатория реактивного движения НАСА
Среди четырех скалистых планет в нашей Солнечной системе можно сказать, что «магнитная» личность Земли вызывает зависть у ее межпланетных соседей.
В отличие от Меркурия, Венеры и Марса, Земля окружена огромным магнитным полем, называемым магнитосферой. Созданная мощными динамическими силами в центре нашего мира, наша магнитосфера защищает нас от эрозии нашей атмосферы солнечным ветром (заряженные частицы, которые наше Солнце постоянно извергает в нас), эрозии и излучения частиц от выбросов корональной массы (массивные облака энергетических намагниченная солнечная плазма и излучение), а также космические лучи из дальнего космоса.Наша магнитосфера играет роль привратника, отталкивая эту нежелательную энергию, вредную для жизни на Земле, удерживая большую ее часть на безопасном расстоянии от поверхности Земли в двойных зонах в форме пончиков, называемых поясами Ван Аллена.
Но магнитосфера Земли не является идеальной защитой. Изменения солнечного ветра могут нарушить его, что приведет к «космической погоде» — геомагнитным бурям, которые могут проникать в нашу атмосферу, угрожая космическим кораблям и астронавтам, нарушая работу навигационных систем и нанося ущерб энергосистемам.С положительной стороны, эти бури также производят эффектное северное сияние на Земле. Солнечный ветер создает временные трещины в щите, позволяя некоторой энергии ежедневно проникать на поверхность Земли. Однако, поскольку эти вторжения кратковременны, они не вызывают серьезных проблем.
Это изображение красочного полярного сияния было получено в Дельта-Джанкшн, Аляска, 10 апреля 2015 года. Все полярные сияния создаются энергичными электронами, которые падают дождем из магнитного пузыря Земли и взаимодействуют с частицами в верхних слоях атмосферы, создавая светящиеся огни, которые тянутся через небо.Предоставлено: Изображение предоставлено Себастьяном Саарлоосом.
Получить новости НАСА об изменении климата: Подписаться на информационный бюллетень »
Поскольку силы, генерирующие магнитное поле Земли, постоянно меняются, само поле также находится в постоянном движении, его сила со временем нарастает и ослабевает. Это приводит к тому, что положение северного и южного магнитных полюсов Земли постепенно смещается и полностью меняется примерно каждые 300 000 лет или около того. Вы можете узнать, почему изменения и сдвиги полярности магнитного поля не влияют на климат в масштабах человеческой жизни и не являются причиной недавнего наблюдаемого потепления Земли здесь .
Запущенная в ноябре 2013 года Европейским космическим агентством (ЕКА) группировка из трех спутников Swarm позволяет по-новому взглянуть на работу глобального магнитного поля Земли. Магнитное поле, создаваемое движением расплавленного железа в ядре Земли, защищает нашу планету от космического излучения и заряженных частиц, испускаемых нашим Солнцем.
Он также обеспечивает основу для навигации с помощью компаса.Основанное на данных Swarm, верхнее изображение показывает среднюю напряженность магнитного поля Земли на поверхности (измеряется в нанотеслах) в период с 1 января по 30 июня 2014 года.На втором изображении показаны изменения в этом поле за тот же период. Хотя цвета на втором изображении такие же яркие, как и на первом, обратите внимание, что самые большие изменения были плюс-минус 100 нанотесла в поле, которое достигает 60 000 нанотесла. Предоставлено: Европейское космическое агентство/Технический университет Дании (ESA/DTU Space).
Чтобы понять силы, которые управляют магнитным полем Земли, полезно сначала отделить четыре основных слоя земной «луковицы» (твердой Земли):
- Кора, на которой мы живем, имеет среднюю глубину около 19 миль (31 км) на суше и около 3 миль (5 км) на дне океана.
- Мантия, горячая вязкая смесь расплавленной породы толщиной около 1800 миль (2900 километров).
- Внешнее ядро толщиной около 1400 миль (2250 километров), состоящее из расплавленного железа и никеля.
- Внутреннее ядро, твердая сфера толщиной примерно 759 миль (1221 км) из железа и никеля, примерно такая же горячая, как поверхность Солнца.
Почти все геомагнитное поле Земли создается в жидком внешнем ядре. Подобно кипящей воде в печи, конвективные силы (которые перемещают тепло из одного места в другое, обычно через воздух или воду) постоянно взбивают расплавленные металлы, которые также закручиваются водоворотами, движимыми вращением Земли. Когда эта вращающаяся масса металла движется вокруг, она генерирует электрические токи шириной в сотни миль, которые текут со скоростью тысячи миль в час по мере вращения Земли. Этот механизм, отвечающий за поддержание магнитного поля Земли, известен как геодинамо.
Иллюстрация динамо-механизма, создающего магнитное поле Земли: конвекционные потоки жидкого металла во внешнем ядре Земли, приводимые в движение тепловым потоком из внутреннего ядра, организованные в рулоны силой Кориолиса, создают циркулирующие электрические токи, которые генерируют магнитное поле.
Предоставлено: Эндрю З. Колвин, CC BY-SA 4.0, через Викисклад.На поверхности Земли магнитное поле образует два полюса (диполь). Северный и южный магнитные полюса имеют противоположные положительные и отрицательные полярности, как стержневой магнит.Невидимые линии магнитного поля движутся по замкнутой непрерывной петле, втекая в Землю на северном магнитном полюсе и выходя на южном магнитном полюсе. Солнечный ветер сжимает форму поля на стороне Земли, обращенной к Солнцу, и вытягивает его в длинный хвост на стороне, обращенной к ночи.
Изучение прошлого магнетизма Земли называется палеомагнетизмом. Прямые наблюдения магнитного поля ведутся всего несколько столетий назад, поэтому ученые полагаются на косвенные доказательства. Магнитные минералы в древних ненарушенных вулканических и осадочных породах, озерных и морских отложениях, потоках лавы и археологических артефактах могут выявить силу и направления магнитного поля, когда произошла инверсия магнитных полюсов и многое другое.
Изучая глобальные свидетельства и данные со спутников и геомагнитных обсерваторий, а также анализируя эволюцию магнитного поля с помощью компьютерных моделей, ученые могут построить историю того, как поле менялось в течение геологического времени.
Простая визуализация магнитосферы Земли во время равноденствия. Авторы и права: Студия научной визуализации НАСА. Земля окружена системой магнитных полей, называемой магнитосферой. Магнитосфера защищает нашу родную планету от вредного солнечного и космического излучения, но она может менять форму в ответ на поступающую от Солнца космическую погоду.Предоставлено: Студия научной визуализации НАСА.
срединно-океанических хребтов Земли, где формируются тектонические плиты, предоставляют палеомагнетикам данные примерно на 160 миллионов лет назад.
Поскольку лава постоянно извергается из хребтов, она растекается и остывает, а содержащиеся в ней богатые железом минералы выравниваются с геомагнитным полем, указывая на север. Как только лава остывает примерно до 1300 градусов по Фаренгейту (700 градусов по Цельсию), сила и направление магнитного поля в это время «вмораживаются» в скалу.Эта запись магнитного поля может быть обнаружена путем отбора проб и радиометрического датирования породы.
Исследования магнитного поля Земли раскрыли большую часть ее истории.
Магнитные полосы вокруг срединно-океанических хребтов раскрывают историю магнитного поля Земли на протяжении миллионов лет. Изучение прошлого магнетизма Земли называется палеомагнетизмом. 1 кредит Например, мы знаем, что за последние 200 лет магнитное поле ослабло примерно на 9 процентов в среднем по миру.Тем не менее, палеомагнитные исследования показывают, что это поле на самом деле является самым сильным за последние 100 000 лет и в два раза превышает его среднее значение за миллион лет.
Мы также знаем, что в магнитосфере есть хорошо известное «слабое место», которое присутствует круглый год. Расположенная над Южной Америкой и южной частью Атлантического океана, Южно-Атлантическая аномалия (ЮАА) представляет собой область, где солнечный ветер проникает ближе к поверхности Земли. Он создается комбинированным влиянием геодинамо и наклона магнитной оси Земли.Хотя заряженные солнечные частицы и частицы космических лучей в SAA могут поджарить электронику космического корабля, они не влияют на жизнь на поверхности Земли.
Мы знаем, что положение магнитных полюсов Земли постоянно меняется. С тех пор, как в 1831 году он был впервые точно обнаружен офицером британского Королевского флота и полярным исследователем сэром Джеймсом Кларком Россом, положение северного магнитного полюса постепенно сместилось на северо-северо-запад более чем на 600 миль (1100 километров), а его скорость движения увеличилась с примерно от 10 миль (16 километров) в год до примерно 34 миль (55 километров) в год.
Магнитное поле Земли действует как защитный щит вокруг планеты, отталкивая и улавливая заряженные частицы от Солнца. Но над Южной Америкой и южной частью Атлантического океана необычно слабое место в поле, называемое Южно-Атлантической аномалией, или ЮАА, позволяет этим частицам опускаться ближе к поверхности, чем обычно. В настоящее время SAA не оказывает видимого влияния на повседневную жизнь на поверхности. Однако недавние наблюдения и прогнозы показывают, что регион расширяется на запад и его интенсивность продолжает ослабевать.Южноатлантическая аномалия также представляет интерес для ученых НАСА, занимающихся изучением Земли, которые следят за изменениями магнитной силы там, как в плане того, как такие изменения влияют на атмосферу Земли, так и в качестве индикатора того, что происходит с магнитными полями Земли глубоко внутри земного шара.
Предоставлено: Студия научной визуализации НАСА. Магнитные полюса Земли не совпадают с ее геодезическими полюсами, с которыми большинство людей более знакомы. Расположение геодезических полюсов Земли определяется осью вращения, вокруг которой вращается наша планета.Эта ось не вращается равномерно, как глобус на вашем столе. Вместо этого он слегка качается. Это приводит к тому, что положение истинного северного полюса со временем немного смещается. Этому блужданию способствуют многочисленные процессы на поверхности Земли и в ее недрах, но в первую очередь это связано с движением воды вокруг Земли. С тех пор, как начались наблюдения, положение оси вращения Земли сместилось в сторону Северной Америки примерно на 37 футов (12 метров), но не более чем на 7 дюймов (17 сантиметров) в год.Эти колебания не влияют на нашу повседневную жизнь, но их необходимо учитывать для получения точных результатов от глобальных навигационных спутниковых систем, спутников наблюдения Земли и наземных обсерваторий.
Колебания могут рассказать ученым о прошлых климатических условиях, но они являются следствием изменений в континентальных запасах воды и ледяных щитов с течением времени, а не их причиной.
Безусловно, самые драматические изменения, влияющие на магнитосферу Земли, — это инверсия полюсов. Во время инверсии полюсов северный и южный магнитные полюса Земли меняются местами. Хотя это может показаться чем-то большим, на самом деле смена полюсов в геологической истории Земли — обычное дело. Палеомагнитные записи, в том числе те, которые показывают изменения в напряженности магнитного поля, говорят нам, что магнитные полюса Земли менялись местами 183 раза за последние 83 миллиона лет и по крайней мере несколько сотен раз за последние 160 миллионов лет.
Временные интервалы между обращениями сильно колебались, но в среднем составляют около 300 000 лет, причем последнее произошло около 780 000 лет назад. Ученые не знают, что влияет на частоту инверсий полюсов, но это может быть связано с конвекционными процессами в мантии Земли.
При переполюсовке магнитное поле ослабевает, но не исчезает полностью. Магнитосфера вместе с земной атмосферой по-прежнему продолжают защищать нашу планету от космических лучей и заряженных солнечных частиц, хотя небольшое количество твердых частиц может достигать поверхности Земли.
Магнитное поле перемешивается, и на неожиданных широтах может появиться несколько магнитных полюсов.
Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.Никто точно не знает, когда может произойти следующая инверсия полюсов, но ученые знают, что это не произойдет за одну ночь.Вместо этого они происходят в течение сотен или тысяч лет. У ученых нет оснований полагать, что переворот неизбежен.
Геомагнитная полярность за последние 169 миллионов лет, уходящая в юрскую тихую зону. Темные области обозначают периоды нормальной полярности, светлые области обозначают обратную полярность. Кредит: общественное достояние Суперкомпьютерные модели магнитного поля Земли. Слева — нормальное диполярное магнитное поле, типичное для долгих лет между сменами полярности. Справа — своего рода сложное магнитное поле Земли во время инверсии.Предоставлено: Калифорнийский университет в Санта-Круз/Гэри Глатцмайер. Наконец, существуют «геомагнитные экскурсии»: кратковременные, но значительные изменения напряженности магнитного поля, длящиеся от нескольких столетий до нескольких десятков тысяч лет.
Экскурсии происходят примерно в 10 раз чаще, чем инверсии полюсов. Экскурсия может переориентировать магнитные полюса Земли на целых 45 градусов по сравнению с их предыдущим положением и уменьшить напряженность поля до 20 процентов. Экскурсионные мероприятия, как правило, носят региональный, а не глобальный характер.За последние 70 000 лет произошло три значительных экскурса: событие Норвежско-Гренландского моря около 64 500 лет назад, событие Лашампа между 42 000 и 41 000 лет назад и событие озера Моно около 34 500 лет назад.
Можно ли создавать магнитные волны?
Категория: Физика Опубликовано: 13 января 2016 г.
Изображение общественного достояния, источник: Кристофер С. Бэрд
Да, электромагнитные волны можно создавать с помощью магнитов.Нет, невозможно создать магнитные волны без присутствия электрического поля. Электрические поля создаются электрическими зарядами. Например, если вы зарядите шарик статическим электричеством, потирая им волосы, шарик создаст электрическое поле.
Магнитные поля создаются магнитами. Например, магнит на холодильник создает магнитное поле и использует его, чтобы прилипнуть к вашему холодильнику. Электрические поля и магнитные поля не являются отдельными объектами. На самом деле они являются гранями одной единой сущности: электромагнитного поля.
В то время как электрические заряды могут создавать электрические поля, магнитные поля также могут создавать электрические поля. Точно так же, хотя магниты могут создавать магнитные поля, электрические поля также могут создавать магнитные поля. На самом деле, каждый раз, когда вы меняете магнитное поле, вы создаете электрическое поле. Это называется законом индукции Фарадея. Точно так же каждый раз, когда вы меняете электрическое поле, вы создаете магнитное поле. Это называется законом Максвелла-Ампера. Интересно то, что изменяющееся электрическое поле создает изменяющееся магнитное поле, которое создает изменяющееся электрическое поле, которое создает изменяющееся магнитное поле и так далее.
Вместо того, чтобы рассматривать электрическое поле и магнитное поле как отдельные объекты, которые постоянно создают друг друга в циклическом процессе обратной связи, правильнее рассматривать их просто как единый объект: электромагнитное поле. Из-за этого циклического процесса обратной связи электромагнитные поля, которые меняются во времени, становятся самоподдерживающимися и распространяются в пространстве, даже если убрать электрические заряды или магниты, запустившие этот процесс. Мы называем такие самоподдерживающиеся изменения электромагнитного поля «электромагнитными волнами» или «электромагнитным излучением».” Знакомым примером электромагнитных волн является видимый свет. Все электромагнитные волны распространяются со скоростью света, потому что все они фактически являются светом того или иного вида.
Итак, чисто магнитные волны создать невозможно. Сам акт создания волн в магнитном поле автоматически создает соответствующие электрические поля и приводит к электромагнитному излучению.
Например, если вы возьмете стержневой магнит и покачаете его над головой, вы не создадите магнитных волн.Вы создаете электромагнитных волн . Точнее, вы создаете очень слабые, очень низкочастотные радиоволны. Это не фигура речи. Размахивание стержневым магнитом буквально создает радиоволны, которые расходятся во всех направлениях. Однако эти радиоволны имеют очень низкую частоту, поэтому не думайте, что вы можете начать транслировать музыку в стиле нью-эйдж на свой радиоприемник, размахивая стержневым магнитом.
Темы: электрическое поле, электромагнетизм, магнит, магнитное поле
Есть ли у других планет магнитные поля, как у нашей Земли? | Научные ребята
Есть ли у других планет магнитные поля, как у нашей Земли?
Сентябрь 2004 г.
Замечательно, что наша Земля обладает магнитным полем, потому что оно защищает нас от вредных частиц солнечного ветра.Магнитное поле Земли изгибается наружу около Южного полюса, поворачивает вверх и снова входит в Землю около Северного полюса.
Магнитное поле не совпадает точно с географическими полюсами. Разница в этих двух положениях называется магнитным склонением.
Поскольку движущиеся электрические заряды создают магнитные поля, ученые считают, что движение расплавленного материала во внешнем ядре нашей Земли отвечает за магнитное поле. Расплавленный материал обладает электрическими зарядами, и считается, что их движение создает наше магнитное поле.
Высокоэнергетические космические лучи (главным образом протоны) постоянно устремляются к нашей Земле от Солнца. Этот «солнечный ветер» исходит от Солнца со скоростью, близкой к 400 км/с (895 000 миль в час). Магнитное поле Земли заставляет эти заряженные частицы отклоняться от Земли, однако некоторые из них собираются на наших полюсах, где они воздействуют на верхние слои атмосферы, рассеивают свою энергию, создавая красивые полярные сияния — «северное сияние» (или северное сияние) и «полярное сияние». Южное сияние” (aurora australis.)
Космические зонды, такие как зонды “Вояджер”, измерили магнитные поля планет, и даже были сфотографированы полярные сияния на других планетах.
Космический корабль «Маринер-10» пролетел мимо Меркурия в 1974 году и удивил научное сообщество. Считалось, что Меркурий холоден и мертв внутри, поэтому не имеет магнитного поля. Однако Маринер измерил слабое магнитное поле, а это означает, что Меркурий должен иметь некоторую внутреннюю активность. Зонды обнаружили, что Марс и Венера не имеют значительного магнитного поля.
Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун имеют магнитные поля намного сильнее, чем у Земли. Юпитер — чемпион, обладающий самым большим магнитным полем.Механизм, который вызывает их магнитные поля, до конца не изучен. Считается, что в случае Сатурна и Юпитера их магнитные поля могут быть вызваны водородом, проводящим электричество глубоко внутри планеты. Водород вблизи ядра планеты может быть настолько плотно сжат всеми планетарными слоями выше, что становится электрическим проводником.
Планета Уран имеет интересное магнитное поле. Полюса Урана лежат почти в плоскости его орбиты вокруг Солнца. Магнитные полюса полностью удалены от географических полюсов на 60 градусов, что приводит к дикому вращению магнитного поля Урана по мере вращения планеты.
С другой стороны, магнитное поле и оси вращения Сатурна кажутся почти одинаковыми, что делает Сатурн уникальным с точки зрения магнитного поля.
На нашей Луне отсутствует магнитное поле, что означает, что ее внутренняя часть холодная и неактивная. Однако камни с Луны демонстрируют постоянный магнетизм, что позволяет предположить, что когда-то у Луны было магнитное поле. Физика планетарных магнитных полей до сих пор хранит для ученых немало загадок.
Прекрасное изложение этих фактов можно найти на Адлерпланетариуме.орг
Планетарное магнитное поле — обзор
Магнитное поле Земли использовалось для навигации по крайней мере с одиннадцатого века нашей эры, но только в семнадцатом веке источник этого магнитного поля был приписан недрам Земли. А именно, в 1600 году Уильям Гилберт опубликовал «De Magnete», в котором он описал свои эксперименты, связанные с магнитными измерениями сферы магнитного камня. Он пришел к выводу, что « Globus terrae sid Magneticus & Magnes» , что можно приблизительно перевести как «Земля — великий магнит».
Дальнейшая работа Джеллибранда, Галлея, Гаусса и других установила, что поле Земли было преимущественно аксиально-диполярным, но менялось во времени (см. хороший обзор истории геомагнетизма в Kono, 2007).
1.1 Источники наблюдаемых магнитных полей
Наблюдаемые магнитные поля планет могут возникать в результате различных процессов. Например, внешние источники, которые генерируют наблюдаемые планетарные магнитные поля, включают ионосферные токи Венеры, магнитосферные токи Земли и электромагнитную индукцию в соленых океанах Европы, Ганимеда и Каллисто из-за изменяющегося во времени поля Юпитера.Напротив, внутренние источники включают остаточную намагниченность в горных породах земной коры на Марсе, Земле и Луне или самоподдерживающиеся динамо-машины в недрах планет. Этот последний процесс будет в центре внимания этой главы.
1.2 Пространственные характеристики полей, генерируемых динамо
Магнитные поля, генерируемые динамо, обычно отличаются от других источников своими пространственными и временными характеристиками.
Поля, генерируемые динамо, имеют глобальную структуру и различаются по временным шкалам, связанным с движением жидкости внутри планеты.На рисунке 6.1 показана радиальная составляющая магнитного поля на поверхности планет с активно генерируемыми динамо-машинами. Спутник Юпитера Ганимед также имеет поле, генерируемое динамо, но данные могут ограничивать только дипольный момент. Следовательно, карта его поверхностного магнитного поля не включена в рисунок. Планетарные поля, вероятно, содержат структуру гораздо меньшего масштаба, которую еще нельзя разрешить с помощью доступных данных; однако, исходя из крупномасштабных полей, очевидны основные сходства и различия между планетарными магнитными полями.
РИСУНОК 6.1. Поверхностное радиальное магнитное поле планет с активными динамо. Единицы мкТл.
В поверхностных магнитных полях Меркурия, Земли, Юпитера, Сатурна и, возможно, Ганимеда преобладают их аксиальные диполярные компоненты. Напротив, поля Урана и Нептуна не показывают этого преобладания, и вместо этого мультиполи более высокого порядка и неосесимметричные компоненты так же заметны, как и аксиальный дипольный компонент.
Что касается второстепенных особенностей, то можно также заметить, что наблюдаемое поле Сатурна является чисто осесимметричным (т.е. нет никаких изменений в зональном направлении), и поле Меркурия имеет довольно большое смещение на север между его географическим экватором и магнитным экватором по сравнению с другими планетами.
Для более количественного анализа спектральных составляющих поля поверхностное магнитное поле можно представить с помощью поверхностных сферических гармоник. Предполагая, что наблюдения проводятся в бестоковой области (т.е. ток J→=0), закон Ампера подразумевает, что магнитное поле B→ является соленоидальным (т.е. без завитка) и, следовательно, его можно записать в виде градиента скалярного потенциала магнитная проницаемость свободного пространства). Сочетание этого с законом Гаусса для магнетизма дает результат, что магнитный скалярный потенциал является решением уравнения Лапласа:
∇·B→=0⇒∇2V=0.
Игнорируя источники внешнего поля, потенциал можно записать в сферических координатах как: +hlmsin(mϕ)]Plm(cosθ)
где l и m — степень и порядок сферической гармоники соответственно; r — радиус; ϕ — долгота; θ — коширота; a — радиус планеты; и Plm — ассоциированные полиномы Лежандра.
В этом разложении осесимметричные члены задаются как м = 0 членов, а последовательные мультиполи определяются как l . Например, l = 1, 2 и 3 представляют дипольную, квадрупольную и октупольную составляющие соответственно. Амплитуды каждой гармоники задаются соответствующими коэффициентами Гаусса glm и hlm.
Возможно, самый простой способ визуализировать сходство спектрального состава магнитных полей различных планет — это использовать спектры мощности.Определение мощности в каждой степени и порядке с использованием среднеквадратичной напряженности поля:
p(l,m,r)=(l+1)(ar)(2l+4)[(glm)2+(hlm)2 ]
степень в каждой степени находится путем суммирования всех порядков, а мощность в каждом порядке может быть найдена путем суммирования всех степеней. На рис. 6.2 представлена мощность как функция степени и порядка для планет на рис. 6.1. Поскольку целью этого графика является сравнение планет, на график наносятся только самые низкие степени (т.
е. самые большие масштабы длины) (максимальная степень до трех).Данные наблюдений для Земли предоставляют спектры в гораздо более высокой степени, недавнюю модель можно найти в Finlay et al. (2010).
РИСУНОК 6.2. Спектры поверхностной магнитной мощности Меркурия (черные кружки), Земли (зеленые квадраты), Юпитера (красные ромбы), Сатурна (желтые боковые треугольники), Урана (голубые треугольники вверх) и Нептуна (голубые звезды). (а) мощность против степени и (б) мощность против порядка. Чисто осесимметричное поле Сатурна имеет только компонент m = 0, видимый на графике (b). Для Меркурия использовались данные только до l = 2 , m = 1.Для каждой планеты мощность нормирована на мощность диполя в (а) и на осесимметричную мощность в (б). Таким образом, этот рисунок не демонстрирует относительную интенсивность различных полей.
Приведенные выше уравнения для магнитного скалярного потенциала и мощности зависят от расстояния от области источника.
Обычной практикой является вычисление коэффициентов Гаусса и спектров мощности для соответствующего радиуса поверхности планеты, поскольку мы ограничены проведением наблюдений за пределами планеты.Однако, если наша цель состоит в том, чтобы сравнить и сопоставить планетарные магнитные поля, то более целесообразно выбрать радиус области источника динамо, поскольку это устраняет произвольные различия в расстоянии между поверхностью и областями источника динамо для планет.
При экстраполяции поля вглубь планеты существует неотъемлемая опасность из-за четырех факторов. Во-первых, поля меньшего масштаба будут увеличивать мощность намного быстрее, чем поля большего масштаба. Поскольку поля меньшего масштаба имеют наименьшее разрешение на поверхности, это может привести к значительным ошибкам экстраполяции.Во-вторых, для экстраполяции с использованием приведенного выше разложения потенциального поля в коэффициентах Гаусса область между поверхностью и верхней частью области динамо-источника должна быть изолятором.
Любая значительная электрическая проводимость внесет ошибки в экстраполяцию поля. В-третьих, любые источники магнетизма между поверхностью и областью источника динамо (например, магнетизм земной коры на планетах земной группы) необходимо учитывать, если нас интересует только динамо-генерируемое поле. В-четвертых, радиус вершины области источника динамо известен не для всех планет.Это особенно проблема для планет-гигантов, поскольку они испытывают постепенное увеличение проводимости с глубиной без значительных изменений состава.
Зная об этих ограничениях, мы предварительно построили спектры мощности в верхней части областей динамо-источников на рисунке 6.3. Радиусы областей динамо-источников, использованных на рисунке, приведены в таблице 6.2.
РИСУНОК 6.3. То же, что и на рисунке 6.2, за исключением того, что мощность рассчитывается в верхней части областей динамо-источника (радиусы указаны в таблице 6.2).
ТАБЛИЦА 6.2. Свойства планетарных динамо-исходных областей 1
| Ganymede | Saturn | URANUS | Neptune | R P (км) | 2440 | 6371 | 69911 | 2634 | 60268 | 25559 | 24764 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| R Д (км) | 2030 | 3486 | ~55900 ~800 | ~ 30100 | ~17900 | ~19800 | 9022 ~19800|||||||
| Iron | Iron | Iron 80230 | Iron Chenter | Iron Centre | Металлический водород | Ионная вода | ионная вода | ||||||
| σ (S / м ) | ∼10 6 | ∼10 6 | ∼5 × 10 5 | 9 0225 ~ 10 6~5 × 10 5 | 5 4~ 10 4 | ~ 10 4 | |||||||
| Re м | o (10 3 ) | O (10 3 ) | O (10 4 ) | O (10 2 -10 3 ) | o (10 4 ) | O (10 4 ) | O (10 4 ) |
R P – радиус планеты; R D – радиус области источника динамо; «∼» перед числами означает, что эти значения недостаточно ограничены.
Рисунок 6.3 показано, что поля в верхней части динамо-источника не так сильно диполярны, как поля на поверхности, но Уран и Нептун являются единственными планетами, для которых диполь ( l = 1) и осесимметричный ( м = 0 ) компоненты не вносят наибольший вклад в спектры. Планета, спектр магнитного поля которой больше всего напоминает земной, — это Юпитер. Из планет с преобладающим осевым диполем поле Меркурия, по-видимому, имеет относительно большой квадруполь, тогда как Сатурн, по-видимому, имеет относительно большой октуполь.Судя по текущим данным, и Сатурн, и Меркурий практически не имеют спектрального вклада от неосевых членов.
Что вызывает магнетизм?
Что такое магнетизм?
Магнетизм — это физическое свойство, возникающее в результате движения электрического заряда, в результате чего между объектами возникают силы притяжения и отталкивания. У всех магнитов есть два конца, где его магнитные эффекты наиболее сильны.
Эти области называются полюсами магнитов.Когда два магнита приближаются друг к другу, они действуют друг на друга. Магнитные силы ведут себя как электрические силы, включающие притяжение и отталкивание. Магнитные полюса всегда появляются парами. Если магнит разрезать пополам, каждая часть все равно будет иметь северный и южный полюса.
Какова единица измерения магнитного поля?
Термин « магнитное поле » используется для двух различных, но тесно связанных полей, обозначаемых символами B и H.В Международной системе единиц H измеряется в единицах ампер на метр, а B измеряется в теслах или ньютонах на метр на ампер.
Откуда берется магнетизм?
Все атомы состоят из ядра, состоящего из протонов и нейтронов, которые крепко удерживаются вместе под действием сильного взаимодействия, и электронов, которые, как считается, вращаются вокруг ядра, связанного электрической силой.
Электроны также вращаются или вращаются вокруг своей оси. Вращение электрона создает магнитный диполь. Одно из фундаментальных свойств электрона состоит в том, что он обладает магнитным дипольным моментом, т. е. ведет себя как крошечный магнит. См. изображение ниже.
Если большинство электронов в атоме вращается в одном направлении, создается сильное магнитное поле. Направление вращения электронов определяет направление магнитного поля.Если одинаковое количество электронов в атоме вращается в противоположных направлениях, спины электронов компенсируются. Таким образом, магнетизм также будет отменен.
Что такое ферромагнетизм?
Ферромагнетизм — это основной механизм, с помощью которого некоторые материалы (например, железо) образуют постоянные магниты или притягиваются к магнитам. В физике различают несколько различных типов магнетизма. Ферромагнетизм является самым сильным типом: он единственный, который обычно создает силы, достаточно сильные, чтобы их можно было почувствовать, и отвечает за обычные явления магнетизма в магнитах, встречающиеся в повседневной жизни.
Ферромагнитные материалы, такие как мягкое железо, легко намагничиваются, если вы поднесете железный гвоздь близко к магниту и погладите его в том же направлении, тогда они могут сохранять свой магнетизм даже после извлечения из магнита.
Что такое магнитное поле?
Область действия магнитных сил называется магнитным полем.
Магнитное поле представлено силовыми линиями, идущими от одного полюса магнита к другому полюсу.В повседневной жизни магнитные поля чаще всего встречаются как сила, создаваемая постоянными магнитами, которые притягивают ферромагнитные материалы, такие как железо, кобальт или никель, и притягивают или отталкивают другие магниты.
На верхнем изображении показаны силовые линии между двумя магнитами. На правом изображении показана сила отталкивания между двумя северными полюсами. На левом изображении показаны линии сил притяжения между северным и южным полюсами магнитов.
Что такое магнитный домен?
Вы можете думать о магнитном домене как о крошечном магните с северным полюсом и южным полюсом.Свойства этих магнитов, как указано выше, обусловлены действием вращающихся электронов в атомах. Группы атомов соединяются таким образом, что все их магнитные поля расположены в одном направлении. Область, в которой магнитные поля отдельных атомов выстроены в одном направлении, называется магнитным доменом . Все материалы состоят из множества магнитных доменов. В ненамагниченных материалах домены случайным образом выровнены в разных направлениях и компенсируют друг друга.
Материал из ненамагниченного материала
В магните все домены ориентированы в одном направлении. В случае гвоздя домены могут быть выровнены в одном направлении, в результате чего гвоздь становится магнитным. Когда ферромагнитный материал помещается в сильное магнитное поле, все домены выстраиваются в линию и создают сильное магнитное поле.
Это объясняет, как магнит может поднять группу железных скрепок.Магнит выравнивает все домены в скрепке, создавая крошечные магниты внутри скрепки. Когда магнит удаляется, домены возвращаются в свое случайное состояние.
Материал из намагниченного материала
Даже сильный магнит можно размагнитить, если домены разрушить силой или теплом.
Проверьте свои Понимание:
В чем разница между электрическим и магнитным полем?
Виктор де Шванберг/Science Photo Library
В чем, кроме их происхождения, разница между магнитным и электрическим полем?
Адам Грей , Манчестер, Великобритания
Электрическое и магнитное поля являются компонентами электромагнитного поля.
Эти два компонента занимают разные плоскости относительно причины возникновения электромагнитного поля, например движущегося электрического заряда.
Это, а также то, является ли заряд, создающий поле, неподвижным или движущимся, являются единственными различиями.
Брайан Поллард , Лонсестон, Корнуолл, Великобритания
Существует связь между электрическим и магнитным полями, изменение одного из которых вызывает изменение другого. Электромагнитная волна состоит из полей обоих типов, которые колеблются взад и вперед.
Связь между электрическими и магнитными полями позволяет формировать электромагнитные волны, в том числе световые и тепловые. Эта взаимосвязь является фундаментальной для работы Вселенной в ее нынешней форме.
Помимо этих аспектов электромагнетизма, электрическое поле формируется между положительным и отрицательным потенциалами напряжения. Пример магнитного поля, знакомого большинству людей, создается снаружи между северным и южным магнитными полюсами стержневого магнита и продолжается внутри магнита между полюсами, образуя петлю.
Все магнитные поля образуют эти петли — свойство, открытое английским ученым XIX века Майклом Фарадеем.
Он использовал петли в том, что сейчас является предметами повседневного обихода, например, в электрических трансформаторах и двигателях.
Джейсон Дикер , Лонсестон, Тасмания, Австралия
Как электрические, так и магнитные поля являются следствием притяжения и отталкивания электрических зарядов. Однако магнитный эффект вызывается движущимися электрическими зарядами, а электрическое поле — стационарными зарядами.
Например, магнитное поле, наблюдаемое в простом стальном стержневом магните, является результатом движения по орбите и вращения зарядов субатомных частиц.
Однако движение относительно, поэтому человек, движущийся с линией зарядов, например, не будет воспринимать магнитное поле, как человек, стоящий рядом с движущимися зарядами.
Этот эффект полностью объясняется специальной теорией относительности Эйнштейна, появившейся в 1905 году, почти через полвека после того, как шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл объединил электричество и магнетизм в единую теорию электромагнетизма в 1860-х годах.
В то время как многие люди говорят, что релятивистские эффекты Эйнштейна можно наблюдать только при высоких скоростях, таких как движение объектов в пространстве, электроны в проводе, который движется как ток, создавая магнитную силу, движутся со скоростью около миллиметра в секунду, даже если электромагнитная волна в электрическом токе движется намного, намного быстрее.
Чтобы ответить на этот вопрос или задать новый, напишите по адресу [email protected].
Вопросы должны представлять собой научные исследования о повседневных явлениях, а вопросы и ответы должны быть краткими.Мы оставляем за собой право редактировать элементы для ясности и стиля. Пожалуйста, укажите почтовый адрес, номер телефона для работы в дневное время и адрес электронной почты.
New Scientist Ltd сохраняет за собой полный редакционный контроль над опубликованным контентом и оставляет за собой все права на повторное использование материалов вопросов и ответов, которые были отправлены читателями на любом носителе или в любом формате.
Вы также можете отправить ответы по почте: The Last Word, New Scientist, 25 Bedford Street, London WC2E 9ES.
Действуют положения и условия.
Что магнитные поля делают с вашим мозгом и телом
От магнитных полей никуда не деться — они повсюду вокруг нас. Во-первых, сама Земля похожа на гигантский магнит. Вращающийся шар из жидкого железа в ядре нашей планеты генерирует обширное магнитное поле, которое перемещает стрелки компаса и направляет внутренние компасы перелетных птиц, летучих мышей и других животных.Вдобавок ко всему, вечно трудолюбивые люди создали искусственные магнитные поля с помощью линий электропередач, транспортных систем, электроприборов и медицинского оборудования.
Возможно, мы не можем видеть, слышать, чувствовать или ощущать магнитные поля, которые нас окружают, но некоторые могут задаться вопросом, могут ли они все еще оказывать влияние на наши тела и мозг.
Этот вопрос становится все более актуальным, а ответы — более заманчивыми, поскольку сила рассматриваемого магнитного поля возрастает.
Ежедневное воздействие
Магнитное поле возникает всякий раз, когда заряженная частица, такая как электрон или протон, движется вокруг.Поскольку электрические токи, проходящие через блендеры, фены и провода в стенах наших домов, состоят из протекающих электронов, все они генерируют магнитные поля. Через эти источники средний человек ежедневно подвергается воздействию магнитных полей силой 0,1 микротесла. Для сравнения, магнитное поле Земли, которому мы постоянно подвергаемся (пока остаемся на поверхности планеты), примерно в 500 раз сильнее. Это означает, что магнитная сила, проникающая в ваше тело, когда вы бездельничаете дома или проводите день в офисе, решительно незначительна.
Время от времени научные исследования обнаруживают связь между проживанием вблизи высоковольтных линий электропередач и болезнями. Повышенный риск детской лейкемии является наиболее часто упоминаемым потенциальным последствием для здоровья, но трудно определить, реален ли этот риск.
Одна вопиющая проблема заключается в том, что ученым еще предстоит выяснить механизм, с помощью которого такие слабые магнитные поля, которые все еще находятся в диапазоне микротесла для домов рядом с линиями электропередач, могут неблагоприятно влиять на человеческое тело.В 2010 году Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения пришла к выводу, что доказательства того, что жизнь рядом с линиями электропередач увеличивает риск смертельного рака крови, «слишком слабы, чтобы служить основой для рекомендаций по воздействию».
Аппарат МРТ. (Фото: В.И. Леви/Shutterstock)
Что такое порог?
Тем временем группа ученых из Консорциума инициативы по порогу коммунальных услуг (UTIC) работала над определением порога, при котором человеческое тело проявляет физиологическую реакцию на магнитное поле.По словам Александра Легроса, медицинского биофизика из Научно-исследовательского института здоровья Лоусона и Западного университета в Лондоне, Онтарио, и ученого UTIC, наименьшее магнитное поле, которое, как достоверно было показано, вызывает реакцию у людей, составляет от 10 000 до 20 000 микротесла.
Но самое главное, чтобы произвести эффект, поле не может быть статичным, как магнитное поле Земли; скорее, он должен изменить направление с течением времени. Когда эти сильные, меняющие направление магнитные поля направляются на человека, в теле начинают пульсировать слабые электрические токи.Выше этого порога токи могут стимулировать сверхчувствительные клетки сетчатки, известные как нейроны с градуированным потенциалом, создавая иллюзию мерцания белого света, даже когда пострадавший находится в темноте; эти визуальные проявления известны как магнитофосфены.
Пороговое значение в 10 000 мкТл значительно превышает силу любого магнитного поля, встречающегося в повседневной жизни. Итак, в каких ситуациях могут возникать магнитофосфены?
Медицинские магниты
«Есть только одно обстоятельство, при котором вы можете почувствовать магнитофосфены, — говорит Легрос, — если вы находитесь в аппарате МРТ [магнитно-резонансная томография] и быстро двигаете головой.
МРТ-сканер — это, по сути, большой магнит, который создает мощное магнитное поле около 3 тесла (или 3 миллиона микротесла) — в миллионы раз больше, чем поля, которым мы обычно подвергаемся. Но поскольку это статическое магнитное поле, МРТ-сканеры не оказывают заметного влияния на организм. Однако это изменилось бы, если бы пациент внутри сканера быстро двигал головой вперед и назад.
«Быстрое движение индуцирует изменяющееся во времени поле, поэтому, делая это, вы индуцируете токи в различных структурах вашего мозга», — говорит Легрос.Эти токи могут привести к тошноте, потере равновесия, металлическому привкусу во рту или, в некоторых случаях, к магнитофосфенам.
Наравне с магнитным полем МРТ создается медицинская процедура, известная как транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС). Но в отличие от МРТ, которая делает детальные снимки тела изнутри, цель ТМС — стимулировать мозг. Для этой задачи требуется электрический ток, поэтому TMS полагается на магнитный импульс, а не на статическое магнитное поле.
Когда этот импульс передается через электромагнитную катушку, помещенную на кожу головы, результирующий ток воздействует на определенную часть мозга с целью лечения неврологических заболеваний, таких как депрессия.
Магнитные поля вне этого мира
Магнитные поля, связанные с МРТ и ТМС, являются самыми сильными, которым реально может подвергаться человек. Тем не менее, они «до смешного ничтожны» по сравнению с теми, что находятся за пределами нашей планеты, говорит Пол Саттер, астрофизик из Университета штата Огайо и главный научный сотрудник Научного центра COSI в Колумбусе, штат Огайо.В крайнем случае находится метко названный магнетар, который представляет собой редкий тип нейтронной звезды с магнитным полем в тысячу триллионов раз сильнее, чем у Земли.
Впечатление художника от магнетара. (Фото: ESO/L. Calçada/Wikipedia)
Если хоть один человек приблизится к магнетару, он быстро окажется в отчаянном положении. «Сильные магнитные поля могут начать делать удивительные вещи», — говорит Саттер.
Он объясняет, что на атомном уровне сильное магнитное поле будет перемещать все положительные заряды в вашем теле в одном направлении, а отрицательные — в другом. сферические атомы вытянутся в эллипсы и вскоре станут напоминать тонкие карандаши.
Такое резкое изменение формы помешает основным химическим процессам, что приведет к нарушению нормальных сил и взаимодействий между атомами и молекулами в теле. «Первое, что вы заметите, это то, что вся ваша нервная система, основанная на электрических зарядах, движущихся по всему телу, перестанет работать», — говорит Саттер. «И тогда вы в основном растворяетесь».
Саттер гарантирует, что наш район, который он определяет как радиус в несколько сотен световых лет вокруг Земли, был обследован и сертифицирован как свободный от магнитаров.Ни один из этих экзотических объектов не приближается к нам, и ни одна из близлежащих массивных звезд вряд ли превратится в магнетары, когда умрет. Ближайший магнетар находится на безопасном расстоянии в десятки тысяч световых лет.