Магнитное поле может создаваться: Магнитное поле

Магнитное поле

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Классическая электродинамика

Электричество · Магнетизм

[показать]Электростатика [показать]Магнитостатика [показать]Электродинамика [показать]Электрическая цепь [показать]Ковариантная формулировка [показать]Известные учёные

См. также: Портал:Физика

Картина силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом в форме стержня.

Железные опилки на листе бумаги.

См. также: Электромагнитное поле

См. также: Магнетизм

Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения^[1]; магнитная составляющая электромагнитного поля^[2].

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени) (постоянные магниты).

Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля.

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля)^[3][4]. С математической точки зрения  — векторное поле, определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина).

Ещё одной фундаментальной характеристикой магнитного поля (альтернативной магнитной индукции и тесно с ней взаимосвязанной, практически равной ей по физическому значению) является векторный потенциал.

• Нередко в литературе в качестве основной характеристики магнитного поля в вакууме (то есть в отсутствие магнитной среды) выбирают не вектор магнитной индукции а вектор напряжённости магнитного поля , что формально можно сделать, так как в вакууме эти два вектора совпадают^[5]; однако в магнитной среде вектор не несет уже того же физического смысла^[6], являясь важной, но всё же вспомогательной величиной. Поэтому при формальной эквивалентности обоих подходов для вакуума, с систематической точки зрения следует считать основной характеристикой магнитного поля именно

Магнитное поле можно назвать особым видом материи^[7], посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.

Магнитные поля являются необходимым (в контексте специальной теории относительности) следствием существования электрических полей.

Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются, в частности,

свет и все другие электромагнитные волны.

Электрический ток(I), проходя по проводнику, создаёт магнитное поле (B) вокруг проводника.

• С точки зрения квантовой теории поля магнитное взаимодействие — как частный случай электромагнитного взаимодействия переносится фундаментальным безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля), часто (например, во всех случаях статических полей) — виртуальным.

Содержание

• 1 Источники магнитного поля

• 2 Вычисление

• 3 Проявление магнитного поля

• 4 Математическое представление

• 5 Энергия магнитного поля

• 6 Магнитные свойства веществ

• 7 Токи Фуко

• 8 История развития представлений о магнитном поле

• 9 См. также

• 10 Примечания

• 11 Ссылки

Источники магнитного поля

Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем

, или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам).

Вычисление

В простых случаях магнитное поле проводника с током (в том числе и для случая тока, распределённого произвольным образом по объёму или пространству) может быть найдено из закона Био — Савара — Лапласа или теоремы о циркуляции (она же — закон Ампера). В принципе, этот способ ограничивается случаем (приближением) магнитостатики — то есть случаем постоянных (если речь идёт о строгой применимости) или достаточно медленно меняющихся (если речь идёт о приближенном применении) магнитных и электрических полей.

В более сложных ситуациях ищется как решение уравнений Максвелла.

Проявление магнитного поля

Магнитное поле проявляется в воздействии на магнитные моменты частиц и тел, на движущиеся заряженные частицы (или проводники с током). Сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу, называется силой Лоренца, которая всегда направлена перпендикулярно к векторам v и B^[3]. Она пропорциональна заряду частицы q, составляющей скорости v, перпендикулярной направлению вектора магнитного поля

B, и величине индукции магнитного поля B. В Международной системе единиц (СИ) сила Лоренца выражается так:

в системе единиц СГС:

где квадратными скобками обозначено векторное произведение.

Также (вследствие действия силы Лоренца на движущиеся по проводнику заряженные частицы) магнитное поле действует на проводник с током. Сила, действующая на проводник с током называется силой Ампера. Эта сила складывается из сил, действующих на отдельные движущиеся внутри проводника заряды.

Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов. Магнитное поле Земли 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком

Постоянные магниты

 

Что же такое постоянный магнит? Постоянным магнитом называется тело, способное долгое время сохранять намагничивание. В результате многократных исследований, проведенных многочисленных опытов, мы можем сказать, что только три вещества на Земле могут быть постоянными магнитами (рис. 1).

 

Рис. 1. Постоянные магниты (Источник)

Только эти три вещества и их сплавы могут быть постоянными магнитами, только они могут намагничиваться и сохранять такое состояние долгое время.

Постоянные магниты использовались очень давно, и в первую очередь это приборы ориентирования в пространстве – первый компас был изобретен в Китае для того, чтобы ориентироваться в пустыне. На сегодняшний день о магнитных стрелках, о постоянных магнитах уже никто не спорит, их используют повсеместно в телефонах и в радиопередатчиках и просто в различных электротехнических изделиях. Они могут быть разными: есть полосовые магниты (рис. 2)

Рис. 2. Полосовой магнит (Источник)

А есть магниты, которые называются дугообразными или подковообразными (рис. 3)

                                    

Рис. 3. Дугообразный магнит (Источник)

 

Магнитное поле постоянных магнитов

 

 

Исследование постоянных магнитов связано исключительно с их взаимодействием. Магнитное поле может создаваться электрическим током и постоянным магнитом, поэтому первое, что было проведено, – это исследования с магнитными стрелками. Если поднести магнит к стрелке, то мы увидим взаимодействие – одноименные полюса будут отталкиваться, а разноименные будут притягиваться. Такое взаимодействие наблюдается со всеми магнитами.

 

Расположим вдоль полосового магнита маленькие магнитные стрелки (рис. 4), южный полюс будет взаимодействовать с северным, а северный будет притягивать южный. Магнитные стрелки будут располагаться вдоль линии магнитного поля. Принято считать, что магнитные линии направлены вне постоянного магнита от северного полюса к южному, а внутри магнита от южного полюса к северному. Таким образом, магнитные линии замкнуты точно так же, как и у электрического тока, это концентрические окружности, они замыкаются внутри самого магнита. Получается, что вне магнита магнитное поле направлено от севера к югу, а внутри магнита от юга к северу.

Рис. 4. Лини магнитного поля полосового магнита (Источник)

Для того чтобы пронаблюдать форму магнитного поля полосового магнита, форму магнитного поля дугообразного магнита, воспользуемся следующими приборами или деталями. Возьмем прозрачную пластину, железные опилки и проведем эксперимент. Посыплем железными опилками пластину, находящуюся на полосовом магните (рис. 5):

Рис. 5. Форма магнитного поля полосового магнита (Источник)                                                   

Мы видим, что линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный полюс, по густоте линий можно судить о полюсах магнита, где линии гуще – там находятся полюса магнита (рис. 6).

Рис. 6. Форма магнитного поля дугообразного магнита (Источник)

Аналогичный опыт проведем с дугообразным магнитом. Мы видим, что  магнитные линии начинаются на северном и заканчиваются на южном полюсе по всему магниту.

 

Магнитное поле Земли

 

 

Нам уже известно, что магнитное поле образуется только вокруг магнитов и электрических токов. Как же нам определить магнитное поле Земли? Любая стрелка, любой компас в магнитном поле Земли строго ориентированы. Раз магнитная стрелка строго ориентируется в пространстве, следовательно, на нее действует магнитное поле, и это магнитное поле Земли. Можно сделать вывод о том, что наша Земля – это большой магнит (рис. 7) и, соответственно, этот магнит создает в пространстве достаточно мощное магнитное поле. Когда мы смотрим на стрелку магнитного компаса, мы знаем, что красная стрелочка показывает на юг, а синяя на север. Как же располагаются магнитные полюсы Земли? В этом случае необходимо помнить о том, что на северном географическом полюсе Земли располагается южный магнитный полюс и на южном географическом полюсе располагается северный магнитный полюс Земли. Если рассмотреть Землю как тело, находящееся в пространстве, то можно говорить о том, что, когда мы идем по компасу на север, мы придем на южный магнитный полюс, а когда идем на юг – мы попадем на северный магнитный полюс. На экваторе стрелочка компаса будет располагаться практически горизонтально относительно поверхности Земли, и чем ближе мы будем находиться к полюсам, тем вертикальнее будет расположение стрелки. Магнитное поле Земли могло изменяться, были времена, когда полюсы менялись относительно друг друга, то есть южный был там, где северный, и наоборот. По предположению ученых, это было предвестником больших катастроф на Земле. Последние несколько десятков тысячелетий этого не наблюдалось.

 

Рис. 7. Магнитное поле Земли (Источник)

Магнитные и географические полюса не совпадают. Внутри самой Земли тоже существует магнитное поле, и, как в постоянном магните, оно направлено от южного магнитного полюса к северному.

Откуда же берется магнитное поле в постоянных магнитах? Ответ на этот вопрос дал французский ученый Андре-Мари Ампер. Он высказал идею о том, что магнитное поле постоянных магнитов объясняется элементарными, простейшими токами, протекающими внутри постоянных магнитов. Эти простейшие элементарные токи определенным образом усиливают друг друга и создают магнитное поле. Отрицательно заряженная частица – электрон – движется вокруг ядра атома, это движение можно считать направленным, и, соответственно, вокруг такого движущегося заряда создается магнитное поле. Внутри любого тела количество атомов и электронов просто огромно, соответственно, все эти элементарные токи принимают упорядоченное направление, и мы получаем достаточно значительное магнитное поле. То же самое мы можем сказать о Земле, то есть магнитное поле Земли очень напоминает магнитное поле постоянного магнита. А постоянный магнит – это достаточно яркая характеристика любого проявления магнитного поля.

 

Заключение

 

 

Кроме существования магнитных бурь, существуют еще магнитные аномалии. Они связаны с солнечным магнитным полем. Когда на Солнце происходят достаточно мощные взрывы или выбросы, они происходят не без помощи проявления магнитного поля Солнца. Это эхо достигает Земли и сказывается на ее магнитном поле, в результате мы с вами наблюдаем магнитные бури. Магнитные аномалии связаны с залежами железных руд в Земле, огромные залежи в течение долгого времени намагничиваются магнитным полем Земли, и все тела, находящиеся вокруг, будут испытывать действие магнитного поля со стороны этой аномалии, стрелки компасов будут показывать неправильное направление.

 

На следующем уроке мы с вами рассмотрим другие явления, связанные с магнитными действиями.

 

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «Class-fizika. narod.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «Class-fizika.narod.ru» (Источник)
3. Интернет-портал «Files.school-collection.edu.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Какой из концов стрелки компаса притягивается к северному полюсу Земли?
2. В каком месте Земли нельзя верить магнитной стрелке?
3. О чем говорит густота линий на магните?

 

Презентация “Магнитное поле и его графическое изображение”

Слайд 1

Презентация к уроку физики по теме Магнитное поле и его графическое изображение . Выполнили ученики 11 «Б» класса Алексеев Александр Барбашов Андрей 2013г.

Слайд 2

Теория электромагнитного поля Согласно теории Максвелла, переменные электрические и магнитные поля не могут существовать по отдельности: изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное.

Слайд 3

Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения, магнитная составляющая электромагнитного поля Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени) (постоянные магниты). Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля). С математической точки зрения — векторное поле, определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина).

Слайд 4

Верно ли утверждение, что в данной точке пространства существует только электрическое или только магнитное поле? Покоящийся заряд создает электрическое поле. Но ведь заряд покоится лишь относительно определенной системы отсчета. Относительно других он может двигаться и, следовательно, создавать магнитное поле. Лежащий на столе магнит создает только магнитное поле. Но движущийся относительно него наблюдатель обнаружит и электрическое поле

Слайд 5

Утверждение, что в данной точке пространства существует только электрическое или только магнитное поле бессмысленно, если не указать, по отношению к какой системе отсчета эти поля рассматриваются. Вывод: электрические и магнитные поля – проявление единого целого: электромагнитного поля. Источником электромагнитного поля служат ускоренно движущиеся электрические заряды.

Слайд 6

Постоянные магниты N – северный полюс магнита S – южный полюс магнита Постоянные магниты – тела, сохраняющие длительное время намагниченность. Дугообразный магнит Полосовой магнит N N S S Полюс – место магнита, где обнаруживается наиболее сильное действие

Слайд 7

Искусственные и естественные магниты. Искусственные магниты – полученные намагничиванием железа при внесении его в магнитное поле. Естественные магниты – магнитный железняк . Природные магниты, т.е. кусочки магнитного железняка – магнетита

Слайд 8

Разноименные магнитные полюса притягиваются, одноименные отталкиваются. Взаимодействие магнитов объясняется тем, что любой магнит имеет магнитное поле, и эти магнитные поля взаимодействуют между собой.

Слайд 9

Гипотеза Ампера + е – S N Согласно гипотезы Ампера (1775- 1836г.) в атомах и молекулах в результате движения электронов возникают кольцевые токи. В 1897г. гипотезу подтвердил английский учёный Томсон, а в 1910г. измерил токи американский учёный Милликен. В чем же причины намагничивания? При внесении куска железа во внешнее магнитное поле все элементарные магнитные поля в этом железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, образуя собственное магнитное поле. Так кусок железа становится магнитом.

Слайд 10

Магнитное поле постоянных магнитов Магнитное поле — составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц. Представление о виде магнитного поля можно получить с помощью железных опилок. Стоит лишь положить на магнит лист бумаги и посыпать его сверху железными опилками.

Слайд 11

Магнитные поля изображаются с помощью магнитных линий . Это воображаемые линии , вдоль которых располагаются магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. Магнитные линии можно провести через любую точку магнитного поля, они имеют направление и всегда замкнуты. Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный, замыкаясь внутри магнита.

Слайд 12

По картине магнитных линий можно судить не только о направлении, но и о величине магнитного поля. В тех областях пространства, где магнитное поле более сильное, магнитные линии изображают ближе друг у другу, гуще, чем в тех местах, где поле слабее.

Слайд 13

НЕОДНОРОДНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Сила, с которой действует поле магнита может быть различной как по модулю, так и по направлению. Такое поле называют неоднородным. Характеристики неоднородного магнитного поля: магнитные линии искривлены; густота магнитных линий различна; сила, с которой магнитное поле действует на магнитную стрелку, различна в разных точках этого поля по величине и направлению.

Слайд 14

Где существует неоднородное магнитное поле ? Вокруг прямого проводника с током. На рисунке изображен участок такого проводника, расположенный перпендикулярно плоскости чертежа. Ток направлен от нас. Видно, что магнитные линии представляют собой концентрические окружности, расстояние между которыми увеличивается по мере удаления от проводника

Слайд 15

Где существует неоднородное магнитное поле? вокруг полосового магнита вокруг соленоида (катушки с током).

Слайд 16

ОДНОРОДНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Характеристики однородного магнитного поля: магнитные линии параллельные прямые; густота магнитных линий везде одинакова; сила, с которой магнитное поле действует на магнитную стрелку, одинакова во всех точках этого поля по величине и направлению.

Слайд 17

Где существует однородное магнитное поле? Внутри полосового магнита и внутри соленоида , если его длина много больше, чем диаметр

Слайд 18

Это интересно Магнитные полюсы Земли много раз менялись местами (инверсии). За последний миллион лет это случалось 7 раз. 570 лет назад магнитные полюса Земли были расположены в районе экватора

Слайд 19

Если на Солнце происходит мощная вспышка, то усиливается солнечный ветер. Это вызывает возмущение земного магнитного поля и приводит к магнитной буре. Пролетающие мимо Земли частицы солнечного ветра создают дополнительные магнитные поля. Магнитные бури причиняют серьёзный вред: они оказывают сильное влияние на радиосвязь, на линии электросвязи, многие измерительные приборы показывают неверные результаты. Это интересно

Слайд 20

Земное магнитное поле надежно защищает поверхность Земли от космического излучения, действие которого на живые организмы разрушительно. В состав космического излучения, кроме электронов, протонов, входят и другие частицы, движущиеся в пространстве с огромными скоростями. Это интересно

Слайд 21

Результатом взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли является полярное сияние. Вторгаясь в земную атмосферу, частицы солнечного ветра (в основном электроны и протоны) направляются магнитным полем и определённым образом фокусируются. Сталкиваясь с атомами и молекулами атмосферного воздуха, они ионизируют и возбуждают их, в результате чего возникает свечение, которое называют полярным сиянием. Это интересно

Слайд 22

Изучением влияния различных факторов погодных условий на организм здорового и больного человека занимается специальная дисциплина – биометрология. Магнитные бури вносят разлад в работу сердечно -сосудистой, дыхательной и нервной системы, а также изменяют вязкость крови; у больных атеросклерозом и тромбофлебитом она становится гуще и быстрее свёртывается, а у здоровых людей, напротив, повышается . Это интересно

Слайд 23

Какие тела называют постоянными магнитами? Чем порождается магнитное поле постоянного магнита? Что называют магнитными полюсами магнита? Чем отличаются однородные магнитные поля от неоднородных? Как взаимодействуют между собой полюсы магнитов? Объясните, почему иголка притягивает скрепку? (см. рис) Закрепление

Слайд 24

Спасибо за работу и внимание!

Физики могут сделать «невозможное»: создавать и уничтожать магнитные поля издалека

(Изображение предоставлено Shutterstock)

Ученые нашли способ создавать и гасить магнитные поля на расстоянии.

Этот метод заключается в пропускании электрического тока через специальное расположение проводов для создания магнитного поля , которое выглядит так, как будто оно исходит из другого источника. У этой иллюзии есть реальное применение: представьте себе лекарство от рака, которое можно доставить прямо в опухоль глубоко в теле с помощью капсул, сделанных из магнитных наночастиц. Невозможно воткнуть магнит в опухоль, чтобы направить наночастицы в их путешествии, но если бы вы могли создать магнитное поле снаружи тела, сосредоточенное прямо на этой опухоли, вы могли бы доставить лекарство без инвазивной процедуры.

Напряженность магнитного поля уменьшается по мере удаления от магнита, и теорема Эрншоу, доказанная в 1842 году, гласит, что невозможно создать точку с максимальной напряженностью магнитного поля в пустом пространстве.

«Если у вас не может быть максимума магнитного поля в пустом пространстве, это означает, что вы не можете создать поле магнитного источника удаленно, не размещая реальный [магнитный] источник в целевом месте», — сказала Роза Мах-Батль, физик. в Центре биомолекулярных нанотехнологий Istituto Italiano Di Tecnologia в Италии, который руководил новым исследованием.

Связанные: 9 интересных фактов о магнитах

Создание гипотетического реального

Мах-Батль и ее коллеги, тем не менее, думали, что смогут обойти эту проблему. Они были вдохновлены работой в области оптики, в которой используются искусственные материалы, известные как метаматериалы (разработанные так, чтобы иметь свойства, которых нет ни у одного природного материала), чтобы обойти ограничения разрешения, установленные длиной волны света. Точно так же они думали, что гипотетические магнитные материалы могут сделать невозможное в мире магнитных полей.

Исследователи представили материал с отрицательной магнитной проницаемостью 1. Магнитная проницаемость материала показывает, насколько этот материал увеличивает или уменьшает магнитное поле при воздействии этого поля. В материале с отрицательной магнитной проницаемостью 1 направление магнетизма , индуцированного в материале , будет противоположно направлению исходного магнитного поля.

Конечно, новый метод создания магнитных полей, основанный на несуществующих материалах, не был бы особенно полезен. Но хотя этого гипотетического материала с отрицательной магнитной проницаемостью не существует, физики могут создать что-то вроде временного «материала» из электрического тока, проходящего по определенной схеме проводов. Это потому, что ток индуцирует магнетизм и наоборот, что является следствием уравнений электромагнетизма Максвелла.

Родственный: Магнитные поля размером с черную дыру могут быть созданы на Земле, говорится в исследовании

активный метаматериал», — сказал Мах-Батль в интервью Live Science.

Чтобы создать поле на расстоянии, Мах-Батле и ее команда создали полый цилиндр, состоящий примерно из 20 проволок, окружающих одну длинную внутреннюю проволоку. Когда ток проходит по этим проводам, он создает магнитное поле, которое выглядит так же, как если бы длинный внутренний провод находился снаружи устройства. Это электромагнитный эквивалент голоса чревовещателя; источник поля на самом деле не находится вне устройства, но само поле неотличимо от поля, которое возникло бы, если бы источник находился вне устройства.

«Мы создаем иллюзию того, что этот источник находится на расстоянии», — сказал Мах-Батле. Исследователи опубликовали свои выводы 23 октября в журнале Physical Review Letters

Биомедицинские приложения

Связанный контент

До сих пор остаются вопросы о том, насколько хорошо этот метод будет работать в реальных приложениях. Одна из особенностей системы заключается в том, что между проволочным цилиндром и полем на расстоянии существует область очень сильных магнитных полей. Этот регион может помешать некоторым приложениям исследования, сказал Мах-Батле, хотя будет ли это проблематично или нет, вероятно, зависит от того, что вы пытаетесь сделать с этой областью.

Возможные применения, помимо доставки лекарств, включают подавление магнитных полей издалека, метод, который может быть полезен в квантовых вычислениях для уменьшения «шума» от внешних полей, которые могут мешать измерениям. Другим применением может быть улучшение транскраниальной магнитной стимуляции, при которой магниты используются для стимуляции нейронов в мозге для лечения депрессии . Возможность управлять магнитными полями на расстоянии может улучшить таргетинг транскраниальной магнитной стимуляции, чтобы врачи могли лучше сосредоточиться на определенных областях мозга.0005 человеческий мозг .

Исследователи надеются построить конфигурацию проводов, которая позволит создавать трехмерные магнитные поля издалека.

Первоначально опубликовано на Live Science.

Стефани Паппас — автор статей для журнала Live Science, освещающего самые разные темы — от геонаук до археологии, человеческого мозга и поведения. Ранее она была старшим автором журнала Live Science, но теперь работает внештатным сотрудником в Денвере, штат Колорадо, и регулярно публикует статьи в журналах Scientific American и The Monitor, ежемесячном журнале Американской психологической ассоциации. Стефани получила степень бакалавра психологии в Университете Южной Каролины и диплом о высшем образовании в области научной коммуникации в Калифорнийском университете в Санта-Круз.

Сильнейшие магнитные поля во Вселенной: насколько сильными они могут стать?

1. Введение

Крупномасштабная динамика Вселенной определяется общим космическим расширением и гравитационным полем массивных объектов. Считается, что в первом магнитные поля не играют существенной роли [1, 2]. Считается, что магнитные поля не присутствовали или, по крайней мере, не имели заметной силы при Большом взрыве и в последующий инфляционный период. Если они и присутствовали, то в виде ложных магнитных монополей. Они становятся важными в меньших масштабах. В масштабах компактных намагниченных объектов они начинают становиться непренебрежимо малыми, а для ряда процессов [3] даже становятся доминирующей силой.

Магнитные поля связаны с протеканием электрического тока и, таким образом, в отличие от электрических полей, источниками которых являются элементарные заряды и разности зарядов, генерируются процессами, вызывающими электрические токи. Токи предполагают неамбиполярный перенос зарядов. Таким образом, вопрос о том, насколько сильными могут быть магнитные поля, сводится к вопросу о том, насколько сильными могут стать любые токи. В классической электродинамике из закона Ампера для стационарных магнитных полей следует, что

∇×B=µ0J,    J=e(NiVi−NeVe)≈−eN(Ve−Vi)(1)

, если ограничиться только переносом заряда и принять немагнитные среды (для простоты однозарядные) ионов и электронов плотности и объемные скорости N _i,e , V _i,e соответственно. В противном случае можно было бы добавить член намагниченности M , который зависит от свойств материи. Определение M требует квантово-механической обработки в рамках физики твердого тела.

Предполагая без ограничений квазинейтральность N _e ≈ N _i = N , вклад вносят только разности скоростей. Поскольку электроны значительно более подвижны, чем ионы, ток можно разумно аппроксимировать электронным током Дж ≈ – eN В _e , условие строго выполняется в ионной системе отсчета. Поскольку скорости ограничены скоростью света c , магнитное поле классически ограничено величиной

∇×B<μ0eNc,    или    B<μ0eNcL≈6×10−8NccLkm(2)

, что позволяет предположить, что магнитное поле растет с плотностью л Здесь N _{куб. см} в единицах электронов на см ^-3 , а L _км – масштаб длины поперек нити тока в единицах км. В коре нейтронной звезды, например, мы имеем L _км ~ 1. Если бы примерно все электроны в коре участвовали в протекании тока, мы имели бы N _куб.см × ~ 10 ³⁰ . Следовательно, напряженность магнитного поля может достигать B ~ 10 ²⁸ Гаусс, огромное число по сравнению с максимальным значением B ~ 10 ¹⁵ − 10 ¹⁶ Гаусс, наблюдаемым в магнетарах.

Эту грубую оценку необходимо прокомментировать во избежание недоразумений. Считается, что магнитные поля генерируются преимущественно действием динамо-машины. Такие действия предположительно не действуют в белых карликах, нейтронных звездах, магнетарах или любых других компактных объектах. Поля производятся в их дифференциально вращающихся прародителях. Возьмем в качестве примера Солнце с динамо-действием в зоне конвекции толщиной L ^☉ ~ 2 × 10 ⁵ км и средней плотностью N ^☉ _{куб. см} ~ 8 × 10 ^{23 90. Использование общей ширины зоны конвекции сильно завышает текущую ширину нити. Абсолютный верхний предел составит л ☉ _км ≲ 2 × 10 4 . Очевидно, что скорости также намного меньше, чем c . Таким образом, использование c дает крайний абсолютный верхний предел магнитного поля B < 10 21 T. Сравнительно сильные поля в нейтронных звездах возникают впоследствии при быстром коллапсе намагниченной тяжелой звезды-прародителя, не успевшей за время коллапса рассеять магнитную энергию, которая сжимается в крошечные объем нейтронной звезды. Коэффициент сжатия порядка ~ 10 12 , что дает предельные поля B ≲ 10 35 Гаусса. Классическая электродинамическая оценка явно не дает верхнего предела напряженности магнитного поля, который соответствовал бы данным наблюдений.}

Другие не менее серьезные расхождения получаются, если положить энергию магнитного поля нейтронной звезды равной полной доступной энергии вращения как в прародителе, так и в нейтронной звезде, предполагая равное распределение вращательной и магнитной энергии — явно мало обоснованное предположение в обоих случаях. Магнитная энергия не может стать больше, чем первоначально доступная динамическая энергия ее причины, частью которой она является. По-видимому, принципиально сомнительно, чтобы магнитные поля когда-либо создавались каким-либо классическим механизмом, значительно более сильным, чем наблюдаемые в нейтронных звездах (за исключением короткой фазы динамо-усиления после коллапса продолжительностью ~ 10 с, в лучшем случае дающей еще один множитель ~ 10–10). 100 [8]) и, за счет дальнейшей концентрации магнитной энергии в меньших объемах, группирования магнитных силовых трубок, как считается, происходит в магнетарах. Если вообще генерировались гораздо более сильные поля, то это должно было происходить во времена и в объектах, где магнитные поля могли создаваться процессами, отличными от классического динамо. Таким образом, нужно войти в квантовую электродинамику, соответственно квантовую теорию поля, чтобы сделать вывод о принципиальные физические ограничения на генерацию любых магнитных полей. Следующее исследование мотивировано не столько наблюдениями, сколько этим фундаментальным теоретическим вопросом.

2. Элементы потока

Квантовая механика предлагает способ получения первого предела магнитного поля из решения уравнения Шрёдингера, первоначально найденного Ландау [4] в 1930 году, для электрона, вращающегося по орбите в однородном магнитном поле. Физическая интерпретация этого решения была дана значительно позже в теории Ааронова-Бома [5]. Из требования, чтобы магнитный поток Ф поля B , удерживаемый на орбите вращения электрона, должен быть однозначным, Ааронов и Бом сделали вывод, что Φ = ν Φ ₀ квантуется с элементом потока Φ ₀ = 2πħ/e, e — элементарный заряд, а ν = 1, 2, …. Поскольку ν = Φ/Φ ₀ — число элементарных потоков, переносимых полем, а B = Φ/π l ² , полагая ν = 1, мы определяем наименьшую магнитную длину

ℓB=(Φ0πB )12=(2ℏeB)12(3)

Эту длину, представляющую собой гирорадиус электрона на низшем энергетическом уровне Ландау, можно интерпретировать как радиус силовой линии магнитного поля в магнитном поле Б . Силовые линии становятся уже, чем сильнее магнитное поле. С другой стороны, переписывая уравнение (3), получаем выражение для магнитного поля

Bc=2ℏeℓc2(4)

, из которого для заданной кратчайшей «критической» длины l _B ≡ l _c максимальное магнитное поле B _c , соответствующее l _c , в принципе можно оценить. Ставим, например, л _с = 2πħ/ MC , равная длине электрона Compton λ ₀ = 2πħ/ MC , один получает критический пульсар (нейтронная звезда). 3 × 10 ⁹ T = 3 × 10 ¹³ Гаусс. Представляет значительный интерес тот факт, что примерно такая напряженность поля была действительно получена из наблюдения основной (ν = 1) электронной циклотронной рентгеновской линии, обнаруженной пульсаром HerX1 [7], примерно через два десятилетия после Ааронова и Бома, и через полвека. столетие после теории Ландау.

3. Обобщение

Использование длины волны Комптона связывает предельную напряженность поля в нейтронных звездах с квантовой электродинамикой. Это ставит вопрос о более точном теоретическом определении квантовой электродинамической предельной напряженности поля с учетом релятивистских эффектов. Это также поднимает вопрос, может ли ссылка на другие фундаментальные масштабы длины дать другие принципиальные ограничения на магнитные поля, если только такие поля могут быть созданы каким-либо образом, т. Е. Если электрические токи достаточной силы могут протекать при других условиях, как, например, в квантовой хромодинамике. .

Очень формально, за исключением учета релятивистских эффектов, уравнение (4) дает модельное уравнение для предельного поля в зависимости от любого заданного фундаментального масштаба длины l _c . При этом упрощающем предположении критическое магнитное поле B _c масштабируется просто обратно пропорционально квадрату соответствующей фундаментальной длины. Формально это графически показано на рис. 1 в предположении справедливости скейлинга Ааронова-Бома при более высоких энергиях.

Рис. 1. График логарифмической шкалы максимально возможной напряженности магнитного поля, B _c , нормированный на (фиктивное) планковское магнитное поле, B _Pl , как функция масштабов фундаментальной длины на основе уравнения (3) . Масштабы длины l по оси абсцисс нормированы на планковскую длину l _Pl . Красный пунктирный крест указывает точку пересечения комптоновской длины с линией критического магнитного поля Ааронова-Бома в так называемом квантовом предельном поле B ^q ≈ 10 ⁹ Тл, критическое поле замагниченных нейтронных звезд (пульсаров) согласуется с наблюдением сильнейших циклотронных линий. Горизонтальные линии показывают связь между другими шкалами длины и критическими магнитными полями при допущении справедливости шкалы Ааронова-Бома. Космические магнитные поля соответствуют масштабам ~ 1 мм. Сильнейшие обнаруженные магнитарные поля соответствуют релятивистской поправке первого порядка на самом низком уровне Ландау с энергией E _LLL (показан в виде графика справа с α = α/2π приведенной постоянной тонкой структуры). Включение поправок более высокого порядка позволило бы учитывать поля до B ^qed ~ 10 ²⁸ Тл глубоко в (заштрихованной) релятивистской области, которые не наблюдались. Интересно, что этот предел примерно совпадает с измеренным [6] абсолютным верхним пределом на радиус электрона (вертикальная синяя пунктирная линия). В масштабах ТВО поля теоретически могут достигать значений ~ 10 ⁴⁵ T, согласно простой шкале Ааронова-Бома. Черная пунктирная кривая указывает на возможное отклонение скейлинга Ааронова-Бома вблизи квантового электродинамического предела.

Комптоновский предел магнитных полей был известен из прямых энергетических соображений [ср. например, 8 для обзора], которые предсказывают распад вакуума до образования пар в магнитных полях сильнее, чем B _нс . По этой причине обнаружение магнитных полей, превышающих квантовый предел до трех порядков в магнетарах, было первоначальным сюрпризом. Однако более точные релятивистские электродинамические расчеты, включая графики Фейнмана более высокого порядка, легко показали, что предел Комптона вполне может быть превышен. В первом приближении по аномальному магнитному моменту электронов [9] нижний уровень Ландау смещается согласно

ELLL≈mc2(1−α¯B/Bq)12(5)

с α = α/2π приведенной постоянной тонкой структуры. Эта формула действительна для B < B ^q . Это предполагает уменьшение низшего уровня энергии Ландау для увеличения полей, очевидно, с сильными нефизическими последствиями для астрофизических объектов [10]. Таким образом, необходимо учитывать диаграммы Фейнмана, включающие самопритяжение электронов высших порядков, особенно при больших полях. В полях B ≫ B ^q существенно превышающих B ^q , электроны становятся релятивистски массивными, а нижний уровень Ландау после прохождения минимума возрастает [11, 12] как

ELLL ≈ mc + α¯[log2BBq−2,077]2+3,9α¯},    B≫Bq(6)

Отсюда следует, что энергия нижнего уровня Ландау удваивается только при магнитных полях порядка B ~ 10 ²⁸ T (~ 10 ³² Гаусс), намного выше магнитных полей поверхности любой нейтронной звезды или магнетара. Таким образом, релятивистские поправки на собственную энергию, вызывающие затухание магнитного поля, будут действовать только при этих энергиях, которые могут быть окончательным пределом напряженности магнитного поля.

Примечательно, что этот предел примерно совпадает с лучшими последними экспериментальными определениями верхнего предела радиуса электрона [6]. Ниже этой шкалы должны проявляться дополнительные эффекты, в основном препятствующие дальнейшему увеличению напряженности магнитного поля или даже существованию магнитных полей. Таким образом, кажется, что до этого масштаба масштаб Ааронова-Бома, на котором основан рисунок 1, не является полностью необоснованным. Это наиболее интересно еще и с той точки зрения, что шкалы как электрослабого, так и сильного взаимодействия находятся в разрешенной области просто потому, что электроны сохраняют свою природу во всех этих шкалах. Исключается только пустынный диапазон энергий соответственно масштабов. Он включает в себя, в частности, диапазон великого объединения ТВО, а также квантовую гравитацию, области, которые играли роль только в очень ранней Вселенной. Любые рудиментарные магнитные поля того времени были разбавлены инфляцией и космологическим расширением только до низких значений [1, 2], расположенных внизу рисунка 1.

4. Обсуждение и выводы

Если бы во Вселенной не существовало и не сохранилось магнитных монополей, то магнитные поля всегда должны были создаваться путем генерации электрических токов. Поля, созданные в ранней Вселенной, впоследствии были разбавлены до сегодняшних низких крупномасштабных значений, как обсуждалось в других работах [1, 2]. Они могли быть сильными изначально, и в этом случае их сильные стороны также могут быть ограничены. Однако все разумные силы, оцененные по динамо и другим моделям в классической и хромодинамической теориях [1], скорее всего, не достигают ни одного из указанных квантово-электродинамических пределов. По-видимому, нет необходимости призывать к дополнительным хромодинамическим ограничениям. Это утверждение может быть основано на роли электронов в генерации тока, которая лежит в основе любого крупномасштабного производства магнитного поля. Электроны и их спины также ответственны за магнетизм в твердом веществе. До сих пор считается, что электроны не имеют структуры. Во всяком случае, на масштабах «внутри» электрона, т. е. ниже фиктивного радиуса электрона r _e , токи должны либо утратить всякий смысл, либо вообще не существовать и, следовательно, понятие магнитного поля, вероятно, уже не будет иметь особого смысла. Таким образом, можно полагать, что верхний квантово-электродинамический предел устанавливает абсолютную границу любой реалистичной напряженности магнитного поля.

Применение масштабирования Ааронова-Бома на Рисунке 1 к магнитным полям во Вселенной, по-видимому, дает разумное представление об ожидаемых абсолютных ограничениях напряженности магнитного поля на квантово-электродинамических шкалах. Ясно, что вакуум меняет свой характер на малых масштабах и высоких энергиях, поскольку фотоны становятся тяжелыми, переключаясь на электрослабые бозоны, а в материю вступают в игру кварки. Электроны остаются неизменными, по крайней мере, до r _e ~ 10 ⁻²² м, текущий верхний предел радиуса электрона [6]. Это предлагает записать уравнение критического магнитного поля (4) как

Bc(ℓc)=Bmax/[1+(ℓc/ℓ0−1)2],    Bmax=2ℏ/eℓ02(7)

, где l _c ≥ l ₀ и l ₀ ≳ r _e — соответствующая минимальная длина, выше которой магнитные поля имеют смысл. На рис. 1 это поведение обозначено пунктирной черной кривой, отклоняющейся от диагонали. Однако устойчивость вакуума не столь очевидна, как в квантово-электродинамическом диапазоне при наличии сверхсильных магнитных полей в электрослабом и хромодинамическом диапазонах. Проблема остается в том, что магнитные поля должны генерироваться либо в этих малых масштабах, либо в гораздо больших электродинамических масштабах, от которых они коллапсируют до этих малых масштабов.

Что касается генерации магнитных полей до коллапса с помощью общепринятых эффектов динамо или батареи, напряженность магнитного поля строго ограничена доступной динамической энергией, которая намного ниже любого квантово-электродинамического предела. Можно утверждать, что до тех пор, пока шкала радиуса электрона не достигается во время коллапса, квантовое электродинамическое масштабирование обеспечивает разумное абсолютное ограничение на любую возможную напряженность магнитного поля. Нейтронные звезды и магнетары имеют масштабы, значительно превышающие электронные масштабы. Более тяжелые объекты при уменьшении их масштаба могли бы обладать значительно более сильными полями, но допустимый диапазон сужается из-за того, что такие объекты при коллапсе легко становятся черными дырами, которые, согласно знаменитой теореме об отсутствии волос, не содержат никаких магнитных полей. Неизвестно, что произойдет с полем при пересечении горизонта, поскольку никакая информация о поле не останется для внешнего наблюдателя. Теорема об отсутствии волос предполагает, что поле просто засасывается в дыру и исчезает вместе с коллапсирующей массой. Обычное рассуждение, предполагающее сохранение вмороженного состояния, затем предполагает, что поле внутри горизонта должно еще больше возрасти в предположительно продолжающемся гравитационном коллапсе.

Доступные сильные поля, приближающиеся к квантовым электродинамическим пределам, обнаружены в нейтронных звездах и магнетарах. До сих пор никаких странных магнитных полей звезд не обнаружено. Было даже показано [13], что такие поля, возможно, присутствующие в сверхпроводящих странных звездах, будут вращательно затухать за времена, меньшие ~20 млн лет. В магнетарах присутствие полей сильнее, чем B _ns = B ^q , в настоящее время хорошо изучено [обзор многих аспектов см., 8] как следствие коровых эффектов, вызывающих локальную концентрацию магнитных полей. и протяженные магнитные петли, имеющие некоторое сходство с известными солнечными пятнами [см. также сборник статей в 3]. Воздействие на вещество в сверхсильных полях впервые было исследовано Рудерманом [14] и рассмотрено в [15, 16] и других.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Ссылки

1. Widrow LM, Ryu D, Schleicher DRG, Subramanian K, Tsagas CG, Treumann RA. Первые магнитные поля. Космическая наука, версия . (2012) 116 : 37–70. doi: 10.1007/s11214-011-9833-5

Полный текст CrossRef | Академия Google

2. Ryu D, Schleicher DRG, Treumann RA, Tsagas CG, Widrow LM. Магнитные поля в крупномасштабной структуре Вселенной. Космическая наука, версия . (2012) 166 : 1–35. doi: 10.1007/s11214-011-9839-z

Полный текст CrossRef | Google Scholar

3. Балог А., Бескин В.С., Фаланга М., Лютиков М., Мерегетти С., Пиран Т. Сильнейшие магнитные поля во Вселенной, ISSI Space Science Series . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer (в печати).

4. Ландау Л. Диамагнетизм металла. Z. Physik (1930) 64 : 629–37. doi: 10.1007/BF01397213

Google Scholar

5. Ааронов Ю., Бом Д. Значение электромагнитных потенциалов в квантовой теории. Физическая версия . (1959) 115 : 485–91. doi: 10.1103/PhysRev.115.485

Полный текст CrossRef | Google Scholar

6. Габриэль Г., Ханнеке Д., Киношита Т., Нио М., Одом Б. Новое определение постоянной тонкой структуры электрона г Значение и QED. Phys Rev Lett . (2006) 97 :030802. doi: 10.1103/PhysRevLett.97.030802

Pubmed Abstract | Опубликован полный текст | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

7. Трюмпер Дж., Питч В., Реппин С., Сакко Б. Доказательства сильного циклотронного излучения в жестком рентгеновском спектре Her X-1 (Восьмой Техасский симпозиум по релятивистской астрофизике). Ann NY Acad Sci . (1977) 302 : 538–44. doi: 10.1111/j.1749-6632.1977.tb37072.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

8. Дункан Р.С. Физика в сверхсильных магнитных полях. В: Гамма-всплески, 5-й Хантсвиллский симпозиум , Vol. 526, Хантсвилл, Алабама (2000). п. 830–41.

Опубликован Аннотация | Опубликован полный текст | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

9. Швингер Дж. Квантово-электродинамика и магнитный момент электрона. Физическая версия . (1948) 73 : 416–7. doi: 10.1103/PhysRev.73.416

Полный текст CrossRef | Академия Google

10. Чиу Х.Л., Кануто В. Проблемы интенсивных магнитных полей при гравитационном коллапсе. Астрофиз J . (1968) 153 : 157–61. doi: 10.1086/180243

Полный текст CrossRef | Google Scholar

11. Янковичи Б. Радиационная поправка к энергии основного состояния электрона в сильном магнитном поле. Физическая версия . (1969) 187 : 2275–6. doi: 10.1103/PhysRev.187.2275

Полный текст CrossRef | Google Scholar

12. Гепрагс Р., Рифферт Х., Герольд Х., Рудер Х., Вуннер Г. Собственная энергия электрона в однородном магнитном поле. Phys Rev D (1994) 49 :5582–9. doi: 10.1103/PhysRevD.49.5582

Pubmed Abstract | Опубликован полный текст | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

13. Чау Х.Ф. Об эволюции вращения и магнитного поля сверхпроводящих странных звезд. Астрофиз J . (1997) 479 : 886–901. doi: 10.1086/303898

CrossRef Полный текст | Google Scholar

14. Рудерман М. Вещество в сверхсильных магнитных полях. В: Hansen CJ, редактор. Физика плотной материи, Материалы симпозиума IAU , Том. 53. Дордрехт; Бостон (1974). п. 117–31.

Google Scholar

15. Lai D, Salpeter EE, Shapiro SL. Молекулы и цепочки водорода в сверхсильном магнитном поле. Phys Rev A (1992) 45 : 4832–47. doi: 10.1103/PhysRevA.45.4832

Pubmed Abstract | Опубликован полный текст | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

16. Лай Д. Вещество в сильных магнитных полях. Rev Mod Phys . (2001) 73 : 629–62. doi: 10.1103/RevModPhys.73.629

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

электромагнитное поле | физика | Британика

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• В этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.