Принципы работы МРТ. Центр МРТ Верум в Ижевске
МРТ является одной из наиболее часто используемых технологий обработки изображений, хотя это относительно новая технология. Первая статья об этой технологии опубликована в 1973 году. Через год после этого первое изображение поперечного сечения живой мыши. Технология была впервые использована на человеческом теле в 1977 году, а с другой стороны, первое рентгеновское изображение человека было получено в 1895 году.
Возникновение технологии МРТ обусловлено большим развитием ядерного магнитного резонанса. Вот почему в первые годы эта технология называлась ядерной магнитно-резонансной томографией (ЯМРТ). Тем не менее, одна важная вещь о МРТ, о которой следует упомянуть, заключается в том, что эта технология не так опасна, как ее звук.
Физические принципы МРТ
Известно, что более 70% человеческого тела образованы молекулами воды, каждая из которых содержит два ядра водорода или протоны. Это означает, что почти в каждом человеческом органе и тканях содержится большое количество молекул воды.
Прежде всего, необходимо создать очень мощное магнитное поле. Чтобы создать это сильное магнитное поле, нам нужен радиочастотный передатчик. Функция этого устройства заключается в создании электромагнитного поля. Когда большое количество электронов, протекающих по металлическому кольцу вокруг устройства МРТ, генерируется сильное магнитное поле. Проще говоря, фотоны этого поля имеют только правую энергию, известную как резонансная частота, для переворота спина выровненных протонов. Чем более мощная и продолжительная продолжительность поля, тем больше будут задействованы совпадающие спины.
Принцип, по которому можно построить изображения, состоит в том, что различные органы или ткани внутри человеческого тела имеют разное количество молекул воды, поэтому различные положения человеческого тела возвращаются в равновесное состояние с разной скоростью.
Применение МРТ
В медицинской области, МРТ-технология используется для обнаружения тканей, которые имеют патологические проявления, например опухоли. Используя эту технологию, нормальные ткани и патологические ткани можно легко отличить, потому что МРТ имеет лучшее контрастное разрешение (способность различать между двумя произвольно подобными, но не идентичными тканями), чем КТ. Еще одна важная причина, по которой используется МРТ, заключается в том, что, не как компьютерная томография и традиционный рентгеновский снимок, МРТ использует сильные магнитные поля и неионизирующее излучение, и нет убедительных доказательств того, что эта технология может принести любой ущерб здоровью человека.
У МРТ есть особое преимущество, что он может определять внутреннее строение человеческого тела без каких-либо разрезов. Хотя технология МРТ несколько дороже для обычной клиники для ежедневной работы, но процедура МРТ очень эффективна, что делает ее привлекательной.
Технология МРТ особенно полезна при следующих процессах в организме:
- воспаление или инфекция в органе;
- дегенеративные заболевания;
- инсульты;
- мышечно-скелетные расстройства;
- опухоли;
- другие нарушения, которые существуют в тканях или органах в их теле.
Магнитно-резонансная томография в настоящее время получила широкое распространение в медицине, как наиболее информативный и не инвазивный метод диагностики патологии различных органов и систем. Томограф представляет собой большой магнит, по силе которого сканеры разделяются на низкопольные (до 0.5Тл), среднепольные (от 0.5Тл до 1.0Тл), высокопольные (от 1.
Для получения изображения, в ходе исследования в теле человека создается временное магнитное поле, направление которого изменяется из-за воздействия радиочастотных сигналов, что сопровождается выделением энергии, которая считывается томографом и конвертируется в изображение. Этот процесс не несет лучевой нагрузки, по этой причине количество МР-исследований в течение жизни человека не ограничено.
Процесс получения изображений при МР-томографии более длительный по сравнению с другими исследованиями (УЗ-диагностика, рентген и КТ), в среднем сканирование одной области составляет около 30 минут, на протяжении которого пациент должен лежать неподвижно. Высокопольные МР-системы (1.5Тл) обладают сравнительно быстрой способностью получения и обработки изображения.
Дискомфорт во время исследования могут принести громкие звуковые сигналы, образующиеся в ходе работы томографа, что являются особенностью метода (для комфортного прохождения процедуры и защиты органов слуха используются защитные наушники). При длительном сканировании радиочастотное излучение может вызвать у пациента чувство жара, для предотвращения чрезмерного нагрева тканей в современных томографах установлена защита, ограничивающая силу радиочастотного импульса, в соответствии с международными стандартами безопасности.
МР-томографы подразделяются на «открытый» и «закрытый» типы. Для первого вида характерно отсутствие замкнутой апертуры, что играет важную роль для пациентов с клаустрофобией, но такие томографы обладают низкой силой магнитного поля, а, следовательно, и разрешением, кроме того исследования выполняются более длительное время. Абсолютное большинство томографов в клинической практике закрытого типа, в которых пациент почти полностью находится в закрытой апертуре, что позволяет добиться высокой разрешающей способности и скорости сканирования, но не всегда подходят для пациентов с клаустрофобией.
Физические основы явления ядерного магнитного резонанса
Как известно, ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы расположены хаотично и совершают вращательное движение, по закону электромагнитной индукции, создавая собственное магнитное поле. Собственное магнитное поле протона похоже на поле постоянного магнита и представляет собой маленький магнитный диполь с северным и южным полюсами. При помещении пациента в сильное однородное магнитное поле магнитно-резонансного томографа, протоны человеческого тела разворачиваются в направлении внешнего поля так, что их положение упорядочивается. Помимо этого, магнитные оси каждого протона начинают вращаться вокруг направления внешнего магнитного поля. Такое вращение протонов называется прецессией, а частота вращения — резонансной частотой или частотой Лармора.
Большинство магнитных моментов протонов прецессируют в сторону «севера», т.е. в направлении, параллельном внешнему магнитному полю.
Их называют «параллельными протонами». Оставшаяся меньшая часть протонов прецессирует в сторону «юга», т.е. антипараллельно внешнему магнитному полю — «антипараллельные протоны». Поскольку протонов с параллельной ориентацией больше чем антипараллельных, в тканях пациента создается суммарный магнитный момент. Величина магнитного момента определяется избытком параллельных протонов, однако, различие это небольшое (в поле 0,5 Т всего 3 протона на миллион, в более сильном поле 1,5 Т 9 на миллион). Таким образом, магнитный момент пропорционален силе внешнего магнитного и поля и числу протонов в единице объема ткани. Огромное число содержащихся в большинстве тканей протонов (примерно 6 миллиардов в вокселе воды) обусловливает тот факт, что суммарный магнитный момент достаточно велик, для того чтобы индуцировать электрический ток в принимающей катушке. Эти индуцированные сигналы используются для реконструкции магнитно-резонансного изображения. Увеличение количества протонов, участвующих в получении изображения при увеличении силы магнитного поля частично объясняет лучшее соотношение сигнал/шум и более качественное изображение у томографов с более сильным магнитным полем.
Любое магнитное поле может индуцировать в катушке электрический ток, но предпосылкой для этого является колебание силы поля. При воздействии на тело пациента коротких радиочастотных импульсов, магнитные моменты протонов отклоняются, этот процесс называется возбуждением. Это явление и называют ядерным магнитным резонансом. Но для того чтобы возник резонанс, необходимо, чтобы частота радиоволн была равна Ларморовской частоте протонов. При этом протоны переходят на более высокое энергетическое состояние, однако в таком состоянии они находятся очень короткое время и стремятся снова выстроится вдоль линий внешнего магнитного поля. Возврат протонов в обычное энергетическое состояние называется релаксацией. При релаксации протоны излучают избыточную энергию в виде радиоволн, при этом в приёмной катушке индуцируется электрический ток, который и используют для получения изображения. При этом ткани с большими магнитными векторами будут индуцировать сильные сигналы и выглядеть на изображении яркими, а ткани с малыми магнитными векторами — слабые сигналы и будут на изображении темными.
Величина магнитного вектора тканей прежде всего определяется плотностью протонов. Протоны являются составной частью практически всех молекул организма человека и, прежде всего, молекул воды и жировой ткани. Молекулы воды в организме могут находиться в свободном состоянии (внеклеточная и внутриклеточная вода) и в связанном состоянии (с ионами, углеводами, белками и липидами). В зависимости от того, в каком состоянии находятся молекулы воды, сигналы протонов при одних и тех же условиях измерения будут иметь разные магнитные характеристики, что и определит относительный контраст тканей МРТ-изображения. Это существенно отличает МРТ от всех других методов медицинской визуализации, которые формируют изображения на основании взаимодействия с тканями организма одного вида излучения и фактически отражают лишь одну из характеристик ткани (для рентгеновских методов — это способность поглощать рентгеновские лучи, для УЗИ — это способность отражать ультразвуковые волны).
Ткани и анатомические зоны с небольшим количеством протонов, например такие, как воздух, кости, всегда индуцируют очень слабый МР-сигнал, поэтому всегда представляются на изображении темными.
Вода и другие жидкости, с другой стороны, должны давать интенсивные сигналы на МР-изображениях, поскольку имеют очень высокую плотность протонов. На практике это не всегда так. В зависимости метода, который используется для получения изображения, жидкости могут давать как яркие, так и темные изображения. Причина этого в том, что контрастность изображения определяется не только плотностью протонов, но и формой облучающего радиоволнового сигнала (т.н. импульсной последовательности). Две наиболее важные импульсные последовательности — Т1 и Т2. Т. о. одна и та же ткань в различных последовательностях может получиться светлой или темной.
Изображения головного мозга (слева направо): последовательности Т1, Т2.
Хотя МРТ по физическим принципам не имеет ничего общего с рентгенологическими методами исследований, при ее развитии и внедрении в клиническую практику использовался опыт рентгеновской компьютерной томографии.
К основным достоинствам МРТ можно отнести:
- высокую дифференциацию мягких тканей;
- отсутствие артефактов от костных тканей;
- трехмерный характер изображений;
- неинвазивность;
- отсутствие лучевой нагрузки;
- естественный контраст от движущейся крови;
- возможность прижизненного изучения метаболизма тканей.
Несмотря на высокую естественную контрастность и дифференцировку тканей в МР-изображениях, в некоторых случаях необходимо повышать диагностическую чувствительность метода введением специальных контрастных веществ. Искусственное контрастирование при МРТ заключается во введении специальных МР-контрастных агентов (чаще всего — водорастворимые хелатные комплексы гадолиния). Гадолиний — мягкий вязкий редкоземельный металл серебристого цвета. Он относится к группе лантаноидов, был открыт в 1880 году Жаном де Мариньяком. МР-контрастные вещества по своему механизму действия сильно отличаются от рентгеновских контрастных препаратов. В рентгенографии контрастные вещества ослабляют поток рентгеновского излучения. Механизм действия контрастных веществ в МРТ значительно сложнее, они изменяют время релаксации протонов в тканях.
На сегодняшний день на основе хелатных комплексов гадолиния создан ряд контрастных препаратов для МРТ. В России прошли испытания и допущены к клиническому применению Дотарем, Магневист, Гадовист, Омнискан, Премовист.
Эти препараты в разы менее токсичны, чем аналогичные средства для рентгенографии и КТ. Контрастные препараты для МРТ практически не имеют выраженных побочных эффектов, хотя, как и на введение любого ксенобиотика, нельзя исключить мало предсказуемых аллергических реакций.
Изображения артерий, брюшной полости, головного мозга.
“Вояджеры” добрались до границы магнитного поля Солнца
- Джонатан Эймос
- Би-би-си
Автор фото, NASA
Подпись к фото,Размеры Солнечной системы до сих пор остаются неустановленными.
Американские космические зонды серии “Вояджер” обнаружили необычную структуру магнитного поля Солнечной системы на ее дальней границе.
Эти аппараты, запущенные в 1977 году, приближаются к самому краю магнитосферы Солнечной системы. Они являются самыми отдаленными искусственными космическими объектами, созданными человечеством.
В настоящее время они находятся на расстоянии 14 млрд км от Земли. Самое удивительное то, что они до сих пор находятся на связи с центром управления НАСА.
Посылаемая ими информация помогает ученым понять, что происходит в той зоне, где магнитное поле Солнечной системы взаимодействует с межзвездным пространством. Эта зона называется гелиосферной мантией.
Компьютерные модели, основанные на данных, полученных с обоих аппаратов “Вояджер”, указывают, что магнитосфера в этой зоне напоминает пену в кружке пива, а каждый пузырь в ней имеет диаметр около 150 млн км.
По словам профессора Юджина Паркера из университета Чикаго, линии магнитного поля, создаваемого Солнцем, в этой зоне складываются и перекрещиваются, в результате чего создается пенистая структура, которая взаимодействует с космическим излучением от далеких звезд и галактик.
Неожиданный результат
Исследователи признаются, что не ожидали увидеть ничего подобного – дальние окрестности Солнечной системы представлялись им гораздо более спокойным местом, где линии магнитного поля Солнца замыкаются на себя.
“Эти результаты интересны тем, что нам придется теперь изменить наши представления о том, как Солнце взаимодействует с заряженными частицами, магнитными полями и газами, источниками которых являются другие звезды”, – говорит Арик Познер, один из сотрудников программы “Вояджер” в НАСА.
Автор фото, NASA
Подпись к фото,В Лаборатории реактивного движения в Пасадене установлена рабочая копия аппарата “Вояджер”
Открытие в очередной раз продемонстрировало способности аппаратов “Вояджер”, которые поставляют научную информацию, представляющую огромный интерес для ученых через тридцать с лишним лет после запуска.
“Вояджер-1” был выведен на орбиту 5 сентября 1977 года, а его копия аппарат “Вояджер-2” – 20 августа 1978 года.
Первоначальной целью этой программы НАСА было исследование газовых гигантов – планет Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эта задача была выполнена к 1989 году.
Затем оба зонда были переведены на траекторию, которая должна в конечном итоге вывести их за пределы Солнечной системы, в общем направлении к центру нашей галактики – Млечного пути.
Энергия есть
Научные приборы обоих аппаратов до сих пор функционируют очень хорошо, а радиоизотопный источник энергии, работающий на плутонии, исправно снабжает их энергией. Правда, сигнал, посланный с борта аппарата, доходит до Земли, в случае “Вояджера-1” – за 16 часов, и это время постоянно увеличивается.
Основной задачей этих космических зондов сейчас является определение границ гелиосферы – то есть той зоны, в которой ощутимо воздействие центральной звезды, то есть Солнца.
Наша звезда излучает огромный объем заряженных частиц. Этот солнечный ветер, как называют его астрофизики, гонимый магнитным полем с его силовыми линиями, устремляется на огромной скорости к границам Солнечной системы, где сталкивается с гораздо более слабым межзвездным магнитным полем.
Именно в этой пограничной зоне, называемой также гелиопаузой, находятся сейчас аппараты “Вояджер”.
Никто пока не знает точно, где заканчивается Солнечная система, однако ученые полагают, что уже в ближайшие три-четыре года космические зонды “Вояджер” выйдут за ее пределы.
Принципы работы МРТ. Центр МРТ в Новосибирске
МРТ является одной из наиболее часто используемых технологий обработки изображений, хотя это относительно новая технология. Первая статья об этой технологии опубликована в 1973 году. Через год после этого первое изображение поперечного сечения живой мыши. Технология была впервые использована на человеческом теле в 1977 году, а с другой стороны, первое рентгеновское изображение человека было получено в 1895 году.
Возникновение технологии МРТ обусловлено большим развитием ядерного магнитного резонанса. Вот почему в первые годы эта технология называлась ядерной магнитно-резонансной томографией (ЯМРТ). Тем не менее, одна важная вещь о МРТ, о которой следует упомянуть, заключается в том, что эта технология не так опасна, как ее звук.
Физические принципы МРТ
Известно, что более 70% человеческого тела образованы молекулами воды, каждая из которых содержит два ядра водорода или протоны. Это означает, что почти в каждом человеческом органе и тканях содержится большое количество молекул воды.
Между тем, ученые выяснили, что магнитные моменты некоторых протонов в молекулах воды совпадают с направлением поля, когда он был помещен в сильное магнитное поле. Это привело к тому, что это явление можно использовать для разработки новой передовой медицинской технологии обработки изображений, поэтому была изобретена МРТ. Конечно, чтобы получить изображение человеческого тела, следует использовать другие устройства и технологии.
Прежде всего, необходимо создать очень мощное магнитное поле. Чтобы создать это сильное магнитное поле, нам нужен радиочастотный передатчик. Функция этого устройства заключается в создании электромагнитного поля. Когда большое количество электронов, протекающих по металлическому кольцу вокруг устройства МРТ, генерируется сильное магнитное поле. Проще говоря, фотоны этого поля имеют только правую энергию, известную как резонансная частота, для переворота спина выровненных протонов. Чем более мощная и продолжительная продолжительность поля, тем больше будут задействованы совпадающие спины.
Протон начнет распадаться в исходное состояние спин-вниз, и во время этой процедуры фотоны будут выпущены. Именно эта связь между напряженностью поля и частотой позволяет использовать ядерный магнитный резонанс для визуализации. Для различных частей тела человека может быть применено дополнительное магнитное поле, обеспечивающее простой способ контроля, где протоны активируются радиофотонами. Следует упомянуть, что когда градиентные катушки создают мощное магнитное поле, во время работы будут большие шумы. Поэтому необходимо предпринять некоторые усилия для уменьшения этого шума, в противном случае он может достичь приблизительно 130 децибел (порог человеческой боли), что будет очень вредно для человеческого организма
Принцип, по которому можно построить изображения, состоит в том, что различные органы или ткани внутри человеческого тела имеют разное количество молекул воды, поэтому различные положения человеческого тела возвращаются в равновесное состояние с разной скоростью.
Используя компьютер для расчета, можно получить изображения органов и тканей. Иногда для визуализации МРТ можно использовать метод инъекции, который называется контрастными агентами. Контрастные агенты можно вводить внутривенно или непосредственно в сустав. Первый метод может помочь улучшить появление кровеносных сосудов, опухолей или воспаления. Второй способ сродни артрографии. МРТ широко используется для получения изображений большинства частей человеческого тела.
Применение МРТ
В медицинской области, МРТ-технология используется для обнаружения тканей, которые имеют патологические проявления, например опухоли. Используя эту технологию, нормальные ткани и патологические ткани можно легко отличить, потому что МРТ имеет лучшее контрастное разрешение (способность различать между двумя произвольно подобными, но не идентичными тканями), чем КТ. Еще одна важная причина, по которой используется МРТ, заключается в том, что, не как компьютерная томография и традиционный рентгеновский снимок, МРТ использует сильные магнитные поля и неионизирующее излучение, и нет убедительных доказательств того, что эта технология может принести любой ущерб здоровью человека.
У МРТ есть особое преимущество, что он может определять внутреннее строение человеческого тела без каких-либо разрезов. Хотя технология МРТ несколько дороже для обычной клиники для ежедневной работы, но процедура МРТ очень эффективна, что делает ее привлекательной.
Технология МРТ особенно полезна при следующих процессах в организме:
- воспаление или инфекция в органе;
- дегенеративные заболевания;
- инсульты;
- мышечно-скелетные расстройства;
- опухоли;
- другие нарушения, которые существуют в тканях или органах в их теле.
Магнитно-резонансная томография в настоящее время получила широкое распространение в медицине, как наиболее информативный и не инвазивный метод диагностики патологии различных органов и систем. Томограф представляет собой большой магнит, по силе которого сканеры разделяются на низкопольные (до 0.5Тл), среднепольные (от 0.5Тл до 1.0Тл), высокопольные (от 1.
0 до 3.0Тл) и сверхвысокопольные (более 3.0Тл). Наибольшее распространение в клинической практике получили 1.5Тл томографы, в большинстве случаев позволяющие получить исчерпывающую информацию о структуре тканей и органов. В основе МР-томографии лежит ряд основных принципов.
Для получения изображения, в ходе исследования в теле человека создается временное магнитное поле, направление которого изменяется из-за воздействия радиочастотных сигналов, что сопровождается выделением энергии, которая считывается томографом и конвертируется в изображение. Этот процесс не несет лучевой нагрузки, по этой причине количество МР-исследований в течение жизни человека не ограничено.
Процесс получения изображений при МР-томографии более длительный по сравнению с другими исследованиями (УЗ-диагностика, рентген и КТ), в среднем сканирование одной области составляет около 30 минут, на протяжении которого пациент должен лежать неподвижно. Высокопольные МР-системы (1.5Тл) обладают сравнительно быстрой способностью получения и обработки изображения.
Дискомфорт во время исследования могут принести громкие звуковые сигналы, образующиеся в ходе работы томографа, что являются особенностью метода (для комфортного прохождения процедуры и защиты органов слуха используются защитные наушники). При длительном сканировании радиочастотное излучение может вызвать у пациента чувство жара, для предотвращения чрезмерного нагрева тканей в современных томографах установлена защита, ограничивающая силу радиочастотного импульса, в соответствии с международными стандартами безопасности.
МР-томографы подразделяются на «открытый» и «закрытый» типы. Для первого вида характерно отсутствие замкнутой апертуры, что играет важную роль для пациентов с клаустрофобией, но такие томографы обладают низкой силой магнитного поля, а, следовательно, и разрешением, кроме того исследования выполняются более длительное время. Абсолютное большинство томографов в клинической практике закрытого типа, в которых пациент почти полностью находится в закрытой апертуре, что позволяет добиться высокой разрешающей способности и скорости сканирования, но не всегда подходят для пациентов с клаустрофобией.
Из-за чего образуется магнитное поле
Действие магнитного поля распространяется на все виды жизни на Земле и жизни планет. Эта материя, с помощью которой взаимодействуют заряженные частицы.
Магнит – это предмет, который долгое время находится в одном состоянии, в намагниченном состоянии. С помощью этого свойства такие предметы, как магниты притягивают другие предметы, состоящие из железа и их сплавов. Магниты имеют два полюса – северный и южный, самое сильное магнитное поле располагается около полюсов.
Магниты бывают натуральными, сделанные из железной руды магнитного железняка. Также магниты бывают искусственными, произведенные человеком. Их делают путем внесения железа в магнитное поле.
Магнитное поле бывает отрицательным и положительным. Два отрицательных поля и два положительных поля отталкиваются друг от друга, а два поля с разными полюсами будут притягиваться. Это происходит из-за взаимодействия друг с другом магнитных полей.
Магнитное поле – вещь не постоянная. Оно может внезапно появиться и внезапно пропасть, все зависит от внешних факторов, влияющих на магнитное поле.
Элементарные магнитные поля создаются благодаря движению электронов вокруг ядра атома и движению вокруг своей оси. Само магнитное поле образуется благодаря внесению железного предмета во внешнее магнитное поле, тогда элементарные магнитные поля в железном предмете ориентируются во внешнем магнитном поле абсолютно одинаково. После этих небольших преобразований обычный предмет из железа становится магнитом, со своими магнитными полями.
Действие магнитного поля влияет только на самого себя, а на электрическое поле оно никак не влияет. Есть электрическая заряженная частица, которая непременно движется, вокруг этой частицу и существует магнитное поле. Есть вторая электрическая заряженная частица, вокруг которой также существует магнитное поле. И эти два магнитных поля друг с другом взаимодействуют.
Действие магнитного поля – это взаимодействия нескольких тел, такие как притягивание и отталкивание.
Различаются эти взаимодействия только по интенсивности действия. Например, все электрические двигатели работают по принципу взаимного магнитного отталкивания.
Наша планета, Земля, как и многие другие планеты, имеет магнитное поле. Магнитное поле Земли возникло из-за того, что наше планета постоянно движется вокруг Солнца и вокруг своей оси. Ядро нашей планеты состоит металла и является проводником электричества. Магнитное поле оказывает благотворное влияние на жизнь целой планеты и взаимодействия около земного пространства. Например, магнитное поле защищает все живое на земле от неблагоприятных воздействий солнца. Также защищает искусственные спутники Земли. Даже красивые полярные сияния вызваны магнитным полем Земли.
Теория электромагнитного поля — урок. Физика, 9 класс.
В \(1820\) году Х. Эрстед провёл опыт, доказывающий, что электрический ток порождает магнитное поле. Фарадей своими опытами доказал, что всякое изменение во времени магнитного поля порождает переменный индукционный ток в замкнутом проводнике.
Но электрический ток возникает только при наличии электрического поля.
Появилось много вопросов:
• имеют ли различия поля, которые созданы подвижным и покоящимся электрическими зарядами?
• Существует ли поле исключительно в проводнике или возникает и в пространстве вокруг него?
• Имеет ли значение замкнутый проводник, по которому течёт ток, для возникновения поля?
Английский физик и математик шотландского происхождения Джеймс Клерк Максвелл в \(1865\) году смог ответить на данные вопросы, когда создал теорию электромагнитного поля. Учёный изложил теорию в своём основном труде «Трактат по электричеству и магнетизму».
Рисунок \(1\). Джеймс Клерк Максвелл
Теория Максвелла объясняла появление индукционного тока в контуре под воздействием изменяющегося магнитного потока, пронизывающего его. Переменное магнитное поле порождало вихревое электрическое поле, которое и заставляло упорядоченно двигаться в одном направлении свободные заряды, имеющиеся в проводнике.
Наличие электрического тока фиксировалось гальванометром. Таким образом, проводник являлся индикатором, который позволил обнаружить наличие электрического поля.
Обрати внимание!
Электрическое поле существует в пространстве независимо от наличия проводника.
Вокруг неподвижного заряда создаётся только электрическое поле. Но заряд, находящийся в покое относительно одной системы, может находиться в движении относительно других систем, и значит, порождать магнитное поле.
Если магнит лежит на столе, то вокруг него возникает только магнитное поле. Но наблюдатель, движущийся относительно стола, зафиксирует и электрическое поле.
Поэтому утверждение о существовании электрического или магнитного полей в заданной точке имеет смысл только при указании системы отсчёта, относительно которой они рассматриваются. Оба поля являются проявлением единого электромагнитного поля.
Электромагнитное поле — это совокупность неразрывно связанных между собой переменных электрического и магнитного полей.
Источники:
Рисунок 1. Джеймс Клерк Максвелл
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/57/James_Clerk_Maxwell.png/274px-James_Clerk_Maxwell.png
Магнитное поле белых карликов и Земли создается одним динамо-механизмом
Одно из самых ярких явлений в астрофизике — наличие магнитных полей. Подобно Земле, звезды и звездные остатки, такие как белые карлики, имеют всего одно магнитное поле. Известно, что магнитные поля белых карликов могут быть в миллион раз сильнее, чем у Земли. Однако их происхождение оставалось загадкой с момента открытия первого магнитного белого карлика в 1970-х годах. Было предложено несколько теорий, но ни одна из них не смогла объяснить различную частоту появления магнитных белых карликов как отдельных звезд, так и в различных средах двойных звезд.
Эта неопределенность может быть разрешена благодаря исследованиям международной группы астрофизиков. Так, обнаружилось, что динамо-механизм, подобный тому, который генерирует магнитные поля на Земле и других планетах, может работать и в белых карликах и создавать гораздо более сильные поля.
Согласно предложенному динамо-механизму, магнитное поле создается электрическими токами, вызванными конвективным движением в ядре белого карлика. Эти конвективные токи вызваны выделением тепла из затвердевающего ядра. Главный компонент динамо — твердое ядро, окруженное конвективной мантией, в случае Земли, — это твердое железное ядро, окруженное конвективным жидким железом. Аналогичная ситуация происходит с белыми карликами, когда они достаточно остыли.
Вначале, после того как звезда выбросила оболочку, белый карлик очень горячий и состоит из жидкого углерода и кислорода. Однако когда он достаточно охладится, он начинает кристаллизоваться в центре, и конфигурация становится похожей на конфигурацию Земли: твердое ядро, окруженное конвективной жидкостью. Поскольку скорости в жидкости могут стать намного выше у белых карликов, чем на Земле, генерируемые поля потенциально намного сильнее.
Этот механизм динамо может объяснить частоту появления сильномагнитных белых карликов во многих различных контекстах, особенно белых карликов в двойных звездах.
Механизм генерации магнитного поля такой же, как и на планетах. Это исследование объясняет, как магнитные поля генерируются в белых карликах и почему эти магнитные поля намного сильнее, чем на Земле. Следующими шагами в этом исследовании будет выполнение более подробной модели динамо-механизма и экспериментальная проверка дополнительных предсказаний этой модели.
Читать также:
Ученые придумали способ переработки батареек без дробления и плавления.
Илон Маск: первые туристы на Марс погибнут.
Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?
Как создаются магнитные поля – Класс CLEP [видео 2021 года]
Токопроводящие проводники
Эксперимент XIX века показал, что провод, по которому проходит электрический ток, является магнитом.
Поскольку все электроны движутся по проводу в одном направлении, вокруг провода создается четко определенное магнитное поле. Сила магнитного поля пропорциональна величине тока, протекающего по проводу. Другими словами, увеличение тока увеличивает силу магнитного поля.Итак, если провода такие магнитные, почему мы не видим, как скрепки и вилки летают по комнате и прилипают к ним? Причина в том, что магнитное поле не очень сильно при нормальном, повседневном уровне электрического тока. Нам нужно будет немного поработать, чтобы превратить проволоку в полезный магнит.
Электромагниты
Электромагнит – это магнит, который использует электрический ток для создания своего магнитного поля.Это отличается от постоянных магнитов, таких как те, что есть в вашем холодильнике, которые полагаются на магнитные свойства атомов в материале для создания магнитного поля.
На данный момент наш электромагнит представляет собой просто провод, но магнитное поле слишком слабое, чтобы сделать что-либо практичное. Однако, если мы согнем провод вокруг и вокруг, чтобы сформировать катушку, магнитные поля петель будут концентрироваться в центре. Чтобы еще больше усилить этот эффект, мы можем намотать несколько слоев проволоки друг на друга. Использование большего количества витков провода увеличивает силу магнитного поля.Это явное улучшение по сравнению с нашим одиночным проводом, которое использовалось ранее, но все еще недостаточно прочное, чтобы быть действительно практичным.
Мы можем сделать наш электромагнит в несколько тысяч раз сильнее, поместив сердечник из ферромагнитного материала, такого как железо, в центр катушки. Ферромагнитные материалы содержат так называемые магнитные домены, которые представляют собой области в материале, которые действуют как крошечные магниты. Обычно домены имеют произвольную конфигурацию, и материал не проявляет никакого магнетизма.
Однако при воздействии магнитного поля, такого как создаваемое нашей катушкой с проволокой, домены начинают выравниваться, и отдельные магнитные поля объединяются в большее поле.
Степень выравнивания домена зависит от силы магнитного поля, создаваемого катушкой, которое, как мы узнали ранее, может контролироваться величиной тока, протекающего через провод. Не менее важно то, что при отключении тока магнитные домены возвращаются к своей случайной конфигурации, и электромагнит теряет почти весь свой магнетизм.Возможность управлять очень мощным магнитом с помощью переключателя имеет множество практических применений.
Электромагниты в действии
Мы используем электромагниты каждый день, даже не осознавая этого. Их можно найти буквально на тысячах различных устройств, потому что они очень полезны. Например, их можно использовать для подъема стали на свалке металлолома, для звонка в школьный звонок на перемену и даже для левитации высокоскоростных поездов. Знаете ли вы, что в динамиках используются электромагниты? Выступающие пользуются преимуществом того факта, что силой электромагнита можно управлять, регулируя электрический ток.
Динамик имеет постоянный магнит, установленный на раме, и небольшой электромагнит, прикрепленный к гибкому конусу. Источник звука, например радио, посылает переменный ток на электромагнит, который изменяет то, насколько сильно электромагнит реагирует на магнитное поле постоянного магнита. Это контролирует движение конуса, который производит амплитуду и частоту звука, который мы слышим.Как видите, электромагниты позволяют нам преобразовывать электрический ток в полезную механическую силу, которую можно использовать во всех сферах применения.
Краткое содержание урока
Все магнитные поля создаются движущимися заряженными частицами. Стационарные заряженные частицы не создают магнитных полей. Электромагнит – это магнит, который использует электрический ток для создания магнитного поля.
Простейший электромагнит – это просто провод, по которому течет ток, который создает магнитное поле по всей длине провода.Если обернуть провод в катушку, магнитное поле в центре катушки становится сильнее. Добавление ферромагнитного сердечника в центр катушки резко увеличивает напряженность магнитного поля.
Ферромагнитные материалы содержат магнитные домены произвольной формы, которые выравниваются под действием магнитного поля. Выравнивание этих доменов объединяет их индивидуальные магнитные поля в одно сильное поле. Изменение тока в проводе вызывает разную степень выравнивания и, следовательно, общую силу электромагнита.Возможность электрического управления магнетизмом электромагнита привела к множеству практических применений.
Результаты обучения
После просмотра этого урока вы сможете делать следующее:
- Объяснять, как с помощью электричества создаются магнитные поля.
- Определить электромагнит
- Опишите, как добавление ферромагнитного материала к проводу увеличивает напряженность магнитного поля.
- Приведите примеры повседневного применения электромагнитов
Можно ли создавать магнитные волны?
Категория: Физика Опубликовано: 13 января 2016 г.
Public Domain Image, источник: Кристофер С.Бэрд
Да, с помощью магнитов можно создавать электромагнитные волны. Нет, невозможно создать магнитные волны без электрического поля. Электрические поля создаются электрическими зарядами. Например, если вы статически зарядили воздушный шар, потерев его о волосы, воздушный шар создаст электрическое поле. Магнитные поля создаются магнитами. Например, магнит на холодильник создает магнитное поле и прилипает к нему. Электрические поля и магнитные поля не являются отдельными сущностями.На самом деле они являются гранями одной единой сущности: электромагнитного поля.
Хотя электрические заряды могут создавать электрические поля, магнитные поля могут также создавать электрические поля. Точно так же, хотя магниты могут создавать магнитные поля, электрические поля также могут создавать магнитные поля.
Фактически, 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 сущности, которые постоянно создают друг друга в процессе циклической обратной связи, правильнее рассматривать их просто как один единый объект: электромагнитное поле. Из-за этого циклического процесса обратной связи электромагнитные поля, которые меняются во времени, становятся самоподдерживающимися и распространяются в космос, даже если электрические заряды или магниты, запустившие процесс, исчезают.Мы называем такие самоподдерживающиеся вариации электромагнитного поля «электромагнитными волнами» или «электромагнитным излучением».
Знакомый пример электромагнитных волн – видимый свет. Все электромагнитные волны распространяются со скоростью света, потому что все они в действительности являются светом того или иного вида.
Итак, невозможно создать чисто магнитные волны. Сам акт создания волн в магнитном поле автоматически создает соответствующие электрические поля и приводит к электромагнитному излучению.Например, если вы возьмете стержневой магнит и встряхнете им над головой, вы не создадите магнитные волны. Вы создаете электромагнитных волн. В частности, вы создаете очень слабые, очень низкочастотные радиоволны. Это не фигура речи. Вращение стержневого магнита буквально создает радиоволны, распространяющиеся во всех направлениях. Однако эти радиоволны очень низкочастотные, поэтому не думайте, что вы можете начать транслировать музыку нового поколения на свой радиоприемник, размахивая стержневым магнитом.
Темы: электрическое поле, электромагнетизм, магнит, магнитное поле
В Земля – это магнит с северным и южным полюсами. An электромагнит, а точнее. Магнитное поле Земли создается электрическими токами, протекающими во вращающейся и конвектирующей жидкости металл внешнего ядра планеты. Мы склонны думать о магнитные Северный и Южный полюса как стационарные (дом Санты не другими словами), но это не так. Они дрейфуют со временем, и ни один из них не расположен точно на географических полюсах. Один магнитный полюс находится в Северной Канаде, около 15 градусов широты от географического Северного полюса. Другой – побережья Антарктиды.
Со временем полюса дрейфовать достаточно, чтобы фактически поменяться местами, поменявшись местами. Какие это значит? Подумайте об этом так: если вы сегодня воспользуетесь компасом, стрелка указывает на магнитный север. Если бы вы использовали тот же компас 700000 лет назад он указывал на магнитный юг.Этот разворот полюсов дает ученым подсказки о том, как Земля была формируются и меняются с течением времени. Особенно в Исландии.
Подо льдом в ближайшем океане образовались хребты и горы.
вулканической активностью на протяжении миллионов лет. Когда извержение приносит
лава на поверхность, расплавленная порода остывает с магнетизмом, который
совпадает с землей во время извержения. Вы можете показать себе, как работают магические полюса планеты. Попробуй это! Можно сделать 3-D модель магнитных полей, вставив небольшой сильный магнит в сферу.Если вы насадите на сферу использованные скобы, вы увидите, как поле работает, так как ориентация скоб будет меняться с “широта”. Что нужно ли мне? Можно купить предварительно собранный земной шар с магнитом внутри от Arbor Scientific, P.O. Box 2750, Ann Arbor, Michigan 48106 (1-800-367-6695) примерно для 15 долларов (в 2000 году).Или вы можете сделать себе:
Сборка: Если собираете свою магнитную землю, прорежьте щель в шаровом шарике и вставьте магнит в центр. Направьте один из плоских концов магнита к северному полюсу земли.Закройте мяч силиконом. герметик или термоклей. Исследуйте магнитный
поле мяча. Если вы поместите на мяч использованную скобу, скоба
будет прилипать к мячу и совпадать с магнитным полем мяча. Используйте компас для исследования магнитное поле, окружающее сферу. Поле простирается из сферы; таким же образом растягивается магнитное поле Земли далеко в космос.Поле Земли улавливает заряженные частицы из Солнце, образующее радиационные пояса Ван Аллена. Если компас держится
вдали от магнитной сферы он выровняется с магнитным
поле реальной Земли, а не вашей модели Земли. Заметь
в Северной Америке северный полюс магнитного зонда (красный) указывает на север
и вниз. Что Продолжается? Земля – это магнит с магнитным северным и южным полюсами.Потому что у него всего два полюса, два места, где скобы стоят вертикально, его магнитное поле моделируется так называемым «дипольным полем». Сфера с магнитом
внутри создается магнитный диполь, подобный земному. Скобы
выровняется с этим магнитным полем. По мере совмещения скоб они
показать линии поля, которые проходят между северным и южным полюсами, они
также показывают, что поле на большей части сферы не касается
на его поверхность.Хотя магнитное поле этого эксперимента
Земля, созданная постоянным магнитом, на самом деле является электромагнитом.
Магнитное поле Земли создается электрическими токами, которые
течение во вращающемся и конвектирующем жидком металле земли
внешнее ядро. Компас совпадает с магнитное поле Земли, однако ось компаса не позволяйте ему вращаться вверх или вниз, поэтому он показывает только горизонтальную компонент поля. |
Как? 
Лава в верхней половине соответствует магнетизму
Земли сегодня. Лава из нижней половины фиксирует перевернутые полюса.
Так что если ты
стоя на скалистом склоне горы, образовавшейся в результате извержения 700000 лет назад
назад ваш компас будет указывать на юг. Если вы подниметесь выше, чтобы
новые отложения горных пород, ваш компас снова укажет на север.
Диски 1 см x 1/2 см (достаточно сильны только неодимовые магниты
за это. Их можно приобрести в Dowling Miner, P.O. Box 1829,
Sonoma, CA 95476, 1-800-MAGNET1 или All Magnetics, 930 S.Плаценция
Ave. Placentia, CA, 92670, 1-800-AMAGNET.) 
Добавьте к мячу еще скрепок. Обратите внимание, что скобы прилегают
мяч по окружности, это «магнитный экватор».
«магнитные полюса», скобы стоят вертикально.Между полюсами
к экватору скобы стоят под разными углами по отношению к
к плоскости, касательной к мячу. Угол между скобкой и
касательная плоскость известна как “магнитный наклон” или
«провал магнитного поля».
магнитное поле | Определение и факты
Выявите форму магнитного поля и изучите взаимодействие между магнитными полюсами с помощью железных опилок
Это видео объясняет, как магнитные полюса взаимодействуют друг с другом.
Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео по этой статье Магнитное поле , векторное поле в окрестности магнита, электрический ток или изменяющееся электрическое поле, в котором наблюдаются магнитные силы.Магнитные поля, такие как у Земли, заставляют стрелки магнитного компаса и другие постоянные магниты выстраиваться в линию в направлении поля. Магнитные поля заставляют электрически заряженные частицы двигаться по круговой или винтовой траектории.
Эта сила, действующая на электрические токи в проводах в магнитном поле, лежит в основе работы электродвигателей. (Для получения дополнительной информации о магнитных полях, см. магнетизм.
Подробнее по этой теме
Магнетизм: основы
В основе магнетизма лежат магнитные поля и их влияние на материю, как, например, отклонение движущихся зарядов и крутящих моментов друг от друга…
Вокруг постоянного магнита или провода, по которому течет постоянный электрический ток в одном направлении, магнитное поле является стационарным и называется магнитостатическим полем. В любой момент его величина и направление остаются неизменными. Магнитное поле вокруг переменного или постоянного тока постоянно меняет свою величину и направление.
Магнитные поля могут быть представлены непрерывными силовыми линиями или магнитным потоком, которые исходят из магнитных полюсов, направленных на север, и входят в магнитные полюсы, направленные на юг.
Плотность линий указывает величину магнитного поля. Например, на полюсах магнита, где сильное магнитное поле, силовые линии сжимаются или становятся более плотными. Дальше, где магнитное поле слабое, они разветвляются, становясь менее плотными. Однородное магнитное поле представлено параллельными прямыми, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга. Направление потока – это направление, в котором указывает северный полюс небольшого магнита. Линии потока непрерывны, образуя замкнутые контуры.Для стержневого магнита они выходят из северного полюса, расходятся веером, входят в магнит на южном полюсе и продолжают через магнит к северному полюсу, где они снова появляются. Единицей измерения магнитного потока в системе СИ является вебер. Количество веберов – это мера общего количества линий поля, пересекающих данную область.
Постоянный магнит (такой как стержневой или дисковый магнит) обладает магнитным полем благодаря выравниванию всех магнитных частиц, из которых он состоит.
Электромагнит создается током, протекающим через проволочную петлю в центре поля.
Магнитные поля могут быть представлены математически величинами, называемыми векторами, которые имеют направление и величину. Два разных вектора используются для представления магнитного поля: один, называемый плотностью магнитного потока или магнитной индукцией, обозначается как B ; другой, называемый напряженностью магнитного поля или напряженностью магнитного поля, обозначается как H .Магнитное поле H можно рассматривать как магнитное поле, создаваемое протеканием тока в проводах, а магнитное поле B – как полное магнитное поле, включая также вклад, вносимый магнитными свойствами материалов в поле. Когда ток течет в проволоке, намотанной на цилиндр из мягкого железа, намагничивающее поле H довольно мало, но фактическое среднее магнитное поле ( B ) внутри утюга может быть в тысячи раз сильнее, потому что B значительно усилен выравниванием бесчисленных крошечных естественных атомных магнитов железа в направлении поля.
См. Также магнитная проницаемость.
Что такое магнитное поле?
Что такое магнитное поле?Эксперименты с магнитами и нашим окрестности
Что такое магнитное поле?
Магнит создает векторное поле, магнитное поле во всех точках вокруг него.Его можно определить как измерение силы, которую поле оказывает на движущуюся заряженную частицу, такую как электрон. Сила (F) равна заряду (q), умноженному на скорость частица, умноженная на величину поля (B), или F = q * v x B, где направление F находится под прямым углом к v и B в результате пересечения продукт. Это определяет силу и направление магнитного поля в любом точка.
Что создает магнитное поле?
Магнитное поле можно создать движущимся
заряды, например токоведущий провод.Магнитное поле также может быть
создаваемый спиновым магнитным дипольным моментом и орбитальным магнитным диполем
момент электрона в атоме.
Какая связь между ток и магнитные поля?
Это правило для правой руки для магнитных поле от протекающего тока и магнитное поле в катушке.
Когда в проводе течет ток, возникает магнитное поле.
создается вокруг проволоки.Чтобы визуализировать это, возьмите правую руку, согните
пальцы и высуньте большой палец наружу. Теперь покажите пальцем
направление тока, протекающего в проводе (при использовании обычного тока
где ток течет от + конца батареи к минусу
аккумулятор. ПРИМЕЧАНИЕ: электроны текут от минусового конца батареи к плюсовому полюсу.
конец, и называется электронным током вместо обычного тока). В
направление, в котором ваши пальцы изогнуты вокруг проволоки, – это направление
магнитное поле вокруг провода.Например, если бы ток приближался
прямо с этой страницы к вам, ваш большой палец будет указывать на вас
и ваши пальцы укажут направление против часовой стрелки к магнитному
поле вокруг провода.
Показывает магнитное поле вокруг провода, по которому течет ток.
Показывает силу магнитного поля вокруг провода. это тем сильнее, чем ближе вы к проводу.Х внутри провода означает что ток течет в провод, прочь от вас.
Здесь показано поле вокруг двух рядом расположенных проводов, несущих ток в том же направлении. Провода притягиваются друг к другу, и сблизятся.
Показывает напряженность магнитного поля вокруг двух проводов. Текущий течет в оба провода. Обратите внимание, как магнитное поле немного сильнее на стороне провода от другого провода? Это показывает что магнитное поле вокруг провода влияет на то, как ток течет в соседние провода.
Здесь показано поле вокруг двух рядом расположенных проводов, несущих ток в противоположных направлениях. Провода отталкиваются друг от друга, и раздвинутся дальше друг от друга.
Показывает напряженность магнитного поля вокруг двух проводов.
Текущий
втекает в проволоку справа и выходит из проволоки слева.
Обратите внимание, как магнитное поле немного сильнее на стороне провода.
лицом к другому проводу? Это показывает, что магнитное поле вокруг
Wire влияет на то, как ток течет в соседних проводах.
Если у вас есть катушка с проволокой, просто изогните ее. пальцами правой руки вокруг катушки в том же направлении, что и ток течет. Ваш большой палец будет указывать на северный магнитный полюс, который катушка проволоки создаст.
Условно мы утверждаем, что магнитное поле имеет связанное с ним направление, так что поле выходит за северный конец магнит, проходит через воздух или другие материалы поблизости и снова попадает на юг конец магнита.Внутри магнита поле течет с юга назад. к северу.
Таким образом, ток течет от + к – батареи, и магнитные поля текут с севера на юг от магнита.
Что мы знаем о силовых линиях магнитного поля?
Силовые линии магнитного поля – это способ визуализировать магнитное поле.
поле. Когда они нарисованы, расстояние между ними является показателем
напряженность поля. Чем они ближе, тем сильнее поле.Для
Например, количество линий на квадратный сантиметр является мерой прочности
магнитного поля.
В частности, 1 Гаусс эквивалентен 1 силовой линии магнитного поля в пределах 1 квадрата.
сантиметр. Также направление касательной к
силовая линия – это направление магнитного поля в этой точке и
направление, которое укажет компас ..
Из чего сделаны магнитные поля?
В области физика элементарных частиц – изучение основных строительных блоков всех что мы знаем.Раньше мы думали, что электроны, протоны, нейтроны и фотоны были все, что было. Однако затем мы обнаружили множество другие частицы, из которых состоят протоны и нейтроны. Сегодня, мы знаем о 12 частицах, 4 электрослабых силах и 1 сильной силе. Они являются:
| Фермионы (носители вещества) | Бозоны (носители силы) | ||
| Лептоны | Кварки | Унифицированная электрослабая | Сильный |
| электронное нейтрино | вверх | фотон | глюон |
| электрон | вниз | Вт- | |
| мюонное нейтрино | шарм | Вт + | |
| мюон | странно | Zo | |
| тау нейтрино | верх | ||
| тау | низ | ||
Итак, как один магнит ощущает присутствие
еще один магнит, когда они приближаются друг к другу? Я не думаю, что физики
действительно знаю ответ на этот вопрос.
Они знают, что электромагнитное поле
на самом деле состоит из огромного количества фотонов, но виртуальные безмассовые фотоны
составляют магнитное поле, и как одно поле влияет на другие магнитные поля
на расстоянии, и движется ли магнитное поле со скоростью света, как
гравитационные волны? Возможно, вы откроете для себя некоторые из этих
ответы.
Две отличные книги о том, как мы
электронов, протонов, нейтронов и фотонов ко всему вышеперечисленному:
«Взаимодействие», Шелдон Глэшоу, Warner Books,
1988, ISBN 0-446-38946-3
“Элегантная Вселенная”, Брайан Грин, Винтаж
Книги, 1999, ISBN 0-375-70811-1
20.1 Магнитные поля, силовые линии и сила
Магниты и намагниченность
Люди знали о магнитах и магнетизме тысячи лет. Самые ранние записи относятся к древним временам, особенно в регионе Малой Азии под названием Магнезия – название этого региона является источником таких слов, как магнит .
Магнитные породы, найденные в Магнезии, которая сейчас является частью западной Турции, вызвали интерес в древние времена. Когда люди впервые обнаружили магнитные породы, они, вероятно, обнаружили, что некоторые части этих пород притягивают куски железа или других магнитных пород сильнее, чем другие части.Эти области называются полюсами магнита. Магнитный полюс – это часть магнита, которая оказывает наибольшую силу на другие магниты или магнитный материал, например, железо. Например, полюса стержневого магнита, показанного на рисунке 20.2, являются местом сосредоточения скрепок.
Рис. 20.2 Стержневой магнит со скрепками, притянутыми к двум полюсам.
Если стержневой магнит подвешен так, что он свободно вращается, один полюс магнита всегда будет поворачиваться на север, а противоположный полюс – на юг.Это открытие привело к созданию компаса, который представляет собой просто небольшой удлиненный магнит, установленный так, чтобы он мог свободно вращаться.
Пример компаса показан на рисунке 20.3. Полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом, а противоположный полюс магнита – южным.
Рис. 20.3 Компас – это удлиненный магнит, установленный в устройстве, которое позволяет магниту свободно вращаться.
Открытие того, что один полюс магнита ориентирован на север, а другой – на юг, позволило людям идентифицировать северный и южный полюса любого магнита.Затем было замечено, что северные полюса двух разных магнитов отталкиваются друг от друга, как и южные полюса. И наоборот, северный полюс одного магнита притягивает южный полюс других магнитов. Эта ситуация аналогична ситуации с электрическим зарядом, когда одинаковые заряды отталкиваются, а разные – притягиваются. В магнитах мы просто заменяем заряд на полюс : полюса отталкиваются, а полюса – притягиваются. Это показано на рисунке 20.4, на котором показано, как сила между магнитами зависит от их взаимной ориентации.
Рис.
20.4 В зависимости от их взаимной ориентации полюса магнита будут притягиваться друг к другу или отталкиваться.
Еще раз рассмотрим тот факт, что полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом магнита. Если противоположные полюса притягиваются, то магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Северному полюсу, должен быть магнитным южным полюсом! Точно так же магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Южному полюсу, должен быть магнитным северным полюсом.Эта ситуация изображена на рис. 20.5, на котором Земля представлена как содержащая гигантский внутренний стержневой магнит с южным магнитным полюсом на географическом Северном полюсе и наоборот. Если бы мы каким-то образом подвесили гигантский стержневой магнит в космосе около Земли, то северный полюс космического магнита был бы притянут к южному полюсу внутреннего магнита Земли. По сути, именно это происходит со стрелкой компаса: ее северный магнитный полюс притягивается к южному полюсу внутреннего магнита Земли.
Рис. 20.5. Землю можно представить как содержащую гигантский магнит, проходящий через ее ядро. Южный магнитный полюс магнита Земли находится на географическом Северном полюсе, поэтому северный полюс магнитов притягивается к Северному полюсу, так северный полюс магнитов получил свое название. Точно так же южный полюс магнитов притягивается к географическому Южному полюсу Земли.
Что произойдет, если разрезать стержневой магнит пополам? Вы получаете один магнит с двумя южными полюсами и один магнит с двумя северными полюсами? Ответ отрицательный: каждая половина стержневого магнита имеет северный и южный полюсы.Вы даже можете продолжить разрезать каждую часть стержневого магнита пополам, и вы всегда получите новый, меньший магнит с двумя противоположными полюсами. Как показано на рисунке 20.6, вы можете продолжить этот процесс вплоть до атомного масштаба, и вы обнаружите, что даже самые маленькие частицы, которые ведут себя как магниты, имеют два противоположных полюса.
Фактически, ни в одном эксперименте не было обнаружено никаких объектов с одним магнитным полюсом, от мельчайших субатомных частиц, таких как электроны, до самых больших объектов во Вселенной, таких как звезды.Поскольку магниты всегда имеют два полюса, их называют магнитными диполями – di означает два . Ниже мы увидим, что магнитные диполи обладают свойствами, аналогичными электрическим диполям.
Рис. 20.6. Все магниты имеют два противоположных полюса, от самых маленьких, таких как субатомные частицы, до самых больших, таких как звезды.
Часы Physics
Введение в магнетизм
Это видео представляет собой интересное введение в магнетизм и обсуждает, в частности, как электроны вокруг своих атомов вносят вклад в наблюдаемые нами магнитные эффекты.
Проверка захвата
К какому магнитному полюсу Земли притягивается северный полюс стрелки компаса?
- Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
- Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
- Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.
- Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.
Только определенные материалы, такие как железо, кобальт, никель и гадолиний, обладают сильными магнитными эффектами. Такие материалы называются ферромагнетиками, от латинского слова ferrum , обозначающего железо. Другие материалы обладают слабыми магнитными эффектами, которые можно обнаружить только с помощью чувствительных инструментов. Ферромагнитные материалы не только сильно реагируют на магниты – так, как железо притягивается к магнитам, – но они также могут намагничиваться сами, то есть их можно сделать магнитными или превратить в постоянные магниты (рис.
7). Постоянный магнит – это просто материал, который сохраняет свои магнитные свойства в течение длительного времени даже при воздействии размагничивающих воздействий.
Рис. 20.7 Немагниченный кусок железа помещается между двумя магнитами, нагревается, а затем охлаждается или просто постукивается в холодном состоянии. Утюг становится постоянным магнитом с выровненными полюсами, как показано: его южный полюс примыкает к северному полюсу исходного магнита, а его северный полюс примыкает к южному полюсу исходного магнита. Обратите внимание, что силы притяжения создаются между центральным магнитом и внешними магнитами.
Когда магнит приближается к ранее немагниченному ферромагнитному материалу, он вызывает локальное намагничивание материала с противоположными полюсами, расположенными ближе всего, как показано на правой стороне рисунка 20.7. Это вызывает силу притяжения, поэтому немагниченное железо притягивается к магниту.
То, что происходит в микроскопическом масштабе, показано на Рисунке 7 (а).
Области внутри материала, называемые доменами, действуют как маленькие стержневые магниты. Внутри доменов выровнены магнитные полюса отдельных атомов.Каждый атом действует как крошечный стержневой магнит. В немагнитном ферромагнитном объекте домены имеют небольшие размеры и ориентированы случайным образом. В ответ на внешнее магнитное поле домены могут вырасти до миллиметра, выравниваясь, как показано на рисунке 7 (b). Это индуцированное намагничивание можно сделать постоянным, если материал нагреть, а затем охладить, или просто постучать в присутствии других магнитов.
Рис. 20.8 (a) Немагнитный кусок железа или другого ферромагнитного материала имеет произвольно ориентированные домены.(б) При намагничивании внешним магнитом домены демонстрируют большее выравнивание, и некоторые из них растут за счет других. Отдельные атомы выровнены внутри доменов; каждый атом действует как крошечный стержневой магнит.
И наоборот, постоянный магнит можно размагнитить сильными ударами или нагреванием в отсутствие другого магнита.
Повышенное тепловое движение при более высокой температуре может нарушить и изменить ориентацию и размер доменов. Для ферромагнитных материалов существует четко определенная температура, называемая температурой Кюри, выше которой они не могут намагничиваться.Температура Кюри для железа составляет 1043 К (770 ° C ° C), что намного выше комнатной температуры. Есть несколько элементов и сплавов, которые имеют температуру Кюри намного ниже комнатной температуры и являются ферромагнитными только ниже этих температур.
Snap Lab
Магниты на холодильник
Мы знаем, что подобные магнитные полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются. Посмотрим, сможете ли вы показать это на примере двух магнитов на холодильник. Прилипнут ли магниты, если их перевернуть? Почему они вообще прилепляются к дверце холодильника? Что вы можете сказать о магнитных свойствах дверцы холодильника возле магнита? Магниты на холодильник прилипают к металлическим или пластиковым ложкам? Прилипают ли они ко всем типам металла?
Проверка захвата
У вас есть один магнит с обозначенными северным и южным полюсами.
Как вы можете использовать этот магнит для определения северного и южного полюсов других магнитов?
- Если северный полюс известного магнита отталкивается полюсом неизвестного магнита при приближении их, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.
- Если северный полюс известного магнита притягивается к полюсу неизвестного магнита при приближении их, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.
2 Создание и уничтожение магнитных полей | Физика плазмы Локального Космоса
Фридрих Гаусс предоставил математические инструменты для отделения внутреннего магнитного поля от внешнего магнитного поля.Они все еще используются в сегодняшнем анализе геомагнитного и планетарного магнитного полей. В 1940-х годах Уолтер Эльзассер инициировал развитие теории гидромагнитного динамо, которая является основой нашего понимания геомагнитного поля и внутренних планетных полей.
Развитие планетных динамо тесно связано с тепловой эволюцией планет. Простая картина состоит в том, что при аккреции планет огромная гравитационная энергия была преобразована в тепловую, что привело к образованию расплавленных, электропроводящих планетных ядер.Когда планеты остывают (например, в результате длительного охлаждения Земли), тепло выделяется из недр планет. Конвекция в планетарных ядрах способствует быстрому охлаждению, а конвективные потоки приводят в движение внутреннее динамо. Также были предложены другие возможные источники энергии для динамо, такие как радиогенное тепло и приливная сила; Последний источник все еще рассматривается в геодинамо-исследованиях.
Наиболее изученная планетарная динамо-машина, управляемая конвекцией, – это динамо-машина Земли. Земля имеет большое жидкое внешнее ядро с радиусом примерно 3200 км, что составляет примерно половину среднего радиуса Земли, и твердое внутреннее ядро с радиусом 1100 км.Расплавленный сплав во внешнем ядре Земли богат железом (и, следовательно, электропроводным) с меньшим количеством более легких компонентов (например, кислорода, серы).
В процессе длительного охлаждения внутреннее ядро вырастает наружу из-за замерзания жидкого железа на границе внутреннего ядра. Таким образом, более легкие составляющие и скрытая теплота выделяются во внешнее ядро, создавая сильные силы плавучести, которые вызывают конвекцию, необходимую для геодинамо.
Меркурий – единственная другая планета земной группы, которая сегодня обладает сильным собственным магнитным полем.Поле Меркурия, существование которого было обнаружено в ходе наблюдений Mariner 10 в середине 1970-х годов, обычно считается генерированным действием динамо во внешнем жидком ядре. Однако остаются вопросы о том, согласуется ли современное существование частично расплавленного ядра с термической историей Меркурия, и были предложены альтернативы гидромагнитному динамо. В случае Марса, который сегодня не обладает собственным полем или обладает очень слабым внутренним полем, теоретические исследования показывают, что скорость охлаждения (и, следовательно, сила плавучести) была достаточной, чтобы управлять внутренним динамо только в течение первых 100-150 миллионов.
лет истории планеты.Остаточное магнитное поле земной коры Марса было нанесено на карту Mars Global Surveyor. Отпечатки внутреннего поля в коре раскрывают историю марсианского динамо и могут свидетельствовать об изменениях тепловых процессов, происходивших в марсианской мантии. У Венеры, как и у Марса, нет видимого внутреннего поля, но, в отличие от случая с Марсом, нет достаточных доказательств о возможном поле земной коры, чтобы поддержать выводы о существовании внутреннего динамо на более ранней стадии эволюции Венеры.
Динамо-машины внешних планет действуют внутри планет, весьма отличных от таковых на планетах земной группы. В то время как конвекция на этих планетах может распространяться на поверхность, динамо-действие происходит в ядрах металлического водорода (Юпитер и Сатурн) или ионных (Уран и Нептун) ядер. Большая часть внутреннего поля и, возможно, поверхностный поток в принципе могут быть измерены, что позволяет более непосредственно наблюдать действие динамо.
Недавнее численное моделирование планетарных динамо было очень успешным и быстро становится основным инструментом для детального изучения нелинейной динамики действия динамо.
Хотя математические модели очень просты по сравнению с реальными ядрами планет, они могут давать решения, качественно согласующиеся с наблюдениями. В частности, моделирование геодинамо показало, что на границе ядро-мантия существует преимущественно диполярное магнитное поле. 5 Дрейф моделируемого геомагнитного поля на запад сравним с дрейфом, полученным из геомагнитных наблюдений. Численное моделирование также демонстрирует повторяющиеся изменения полярности магнитного поля, явление, хорошо известное по палеомагнитным записям.
Несмотря на значительный прогресс в изучении планетных динамо, многие давние фундаментальные проблемы остаются без ответа, а результаты численного моделирования динамо вызывают новые вопросы. Доминирование силы Кориолиса используется для объяснения почти осесимметричного диполярного геомагнитного поля –
.