Магнитные поля это: Что такое магнитные поля? (статья)

Магнитное поле — что это, определение и ответ

Электрические и магнитные явления связаны, так как имеют общую природу ― электромагнитное поле. Движение электрических зарядов всегда создает магнитное поле, а магнитное поле, в свою очередь, всегда вызывает перемещение электрических зарядов.

Так как ток ― это направленное перемещение электрических зарядов, то протекание тока в проводнике всегда создает магнитное поле вокруг проводника.

Линии магнитного поля, которое создается проводниками с электрическим током.

Для изображения магнитных полей используют магнитные силовые линии ― линии, на которых модуль вектора магнитной индукции одинаков и равен В, а сам вектор магнитной индукции \(\overrightarrow{B}\) направлен по касательной к линии. Линии магнитной индукции всегда замкнуты.

Для обозначения направлений движения тока и направлений магнитных силовых линий, помимо стрелок «вправо» → и «влево» ←, используются знаки «от нас» ― ⊗ или ⊕ (как торец оперения стрелы, летящей от нас), и «к нам» • или ⊙ (как острие летящей на нас стрелы).

Чтобы определить направление вектора магнитной индукции \(\overrightarrow{B}\), которое создает ток, протекающий в прямом проводнике, используется правило правого винта: если представить, что вкручиваешь винт по направлению тока ― то направление вращения винта покажет направление вектора магнитной индукции.

Магнитное поле, которое создает ток в прямом проводнике, представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. При этом, некоторая область магнитного поля всегда направлена на нас, а другая ― от нас.

Чтобы определить направление вектора магнитной индукции \(\overrightarrow{B}\), которое создает ток, в круговом проводнике или витках катушки, используется правило правого винта: если ток вращается по часовой стрелке, то магнитное поле будет направленно «от нас». Если ток течет против часовой стрелки, то ток будет направлен «на нас».

Сила Ампера ― сила, действующая на проводник с током со стороны магнитного поля.

Сила ампера равна

F_A = IBLsinα, где

F_A ― сила Ампера [Н];

I ― сила тока в проводнике [A];

B ― магнитная индукция [Тл];

L ― длина проводника [м];

sinα ― синус угла между проводником и вектором магнитной индукции.

Сила Ампера максимальна, если между проводником и вектором магнитной индукции угол равен α = 90°, так как sinα = sin90° = 1 и F_A = IBLsin90° = IBL.

Если проводник расположен параллельно вектору магнитной индукции, т. е. α = 0° ― сила Ампера отсутствует, так как sinα = sin0° = 0 и F_A = IBLsin0° = 0.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если ладонь расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца указывали направление тока ― то противопоставленный большой палец укажет направление силы Ампера.

Взаимодействие проводников с током

Ток, протекающий в проводнике, создает магнитное поле. Если рядом расположен еще один проводник, в котором протекает ток ― то второй проводник оказывается в магнитном поле, которое создает первый. На проводник в магнитном поле действует сила Ампера, в результате чего проводники с током или притягиваются, или отталкиваются друг от друга.

Пусть в проводниках 1 и 2 токи текут в одном направлении. Тогда первый проводник создает магнитное поле, направленное против часовой стрелки. В области, близлежащей к проводнику 2 это поле направлено перпендикулярно проводнику и от него. Согласно правилу левой руки, сила Ампера, которая действует со стороны магнитного поля, создаваемого проводником 1 на проводник с током 2, F_1-2 направлено в сторону проводника 1.

Проводник 2 действует на проводник 1 аналогично, и сила ампера, с которой магнитное поле проводника 2 действует на проводник 1 F_2-1 направлена в сторону проводника 2.

Таким образом, силы Ампера, с которым действуют проводники друг на друга ― F_1-2 и F_2-1 направлены навстречу друг другу и проводники притягиваются.

Пусть теперь ток в проводнике 2 течет в том же направлении, а ток в проводнике 1 ― в противоположном. Магнитное поле, которое создает проводник 1, будет направлено по часовой стрелке, а в ближайшей к проводнику 2 области ― на нас. Согласно правилу левой руки, такое магнитное поле создает силу Ампера, направленную от проводника 1.

Магнитное поле, которое создает проводник 2, будет направлено как в первом случае, но из-за того, что ток в проводнике 1 течет в противоположную сторону, сила Ампера F_2-1 будет направлена от проводника 2.

Силы Ампера, с которым действуют проводники друг на друга ― F_1-2 и F_2-1 направлены в разные стороны и проводники отталкиваются.

Магнитное поле постоянного магнита. Магниты обладают собственным магнитным полем. Силовые линии магнита выходят из северного магнитного полюса (N) и входят в южный магнитный полюс (S).

Магнитные поля двух магнитов взаимодействуют друг с другом, переориентируя магниты так, чтобы магнитные линии выходили из северного магнитного полюса и входили в ближайший южный магнитный полюс. При этом одинаковые полюса двух магнитов, отталкиваются, а разные ― притягиваются.

Электромагнитное окружение Земли помогает растениям адаптироваться к стрессу

Ученые подведомственного Минобрнауки России Института прикладной физики РАН (ИПФ РАН) выяснили, что электромагнитное поле Земли «помогает» росткам пшеницы адаптироваться к изменяющимся климатическим условиям нашей планеты. Исследователи предполагают, что это способствует развитию у растений так называемого «защитного» эффекта — при изменении интенсивности магнитного поля у них увеличивается выживаемость в стрессовых условиях.

Электромагнитное окружение возникло значительно раньше жизни на Земле, и все живые организмы, включая растения, формировались в этих условиях. В растениях как биологических объектах происходит большое количество биофизических и биохимических процессов. Фотосинтез, один из ключевых биологических процессов, — основной источник энергии и кислорода на планете. В условиях изменяющегося климата и электромагнитного окружения Земли ученым необходимо достоверно понимать, что может произойти с растениями в будущем. Что если ответственные за поддержание биобаланса процессы, например, глобальное потепление, в стрессовых условиях изменятся непредсказуемым образом, а фотосинтез кардинально перестроится или вообще остановится?

В последнее время ученые получили ряд доказательств, что значительное влияние на живые организмы оказывают электромагнитные поля шумановского диапазона длин волн. Такие электромагнитные волны образуются между поверхностью Земли и ионосферой в области низких и сверхнизких частот (7,83 Гц, 14,3 Гц, 20,8 Гц — 1, 2 и 3 резонансные частоты).

Естественные электромагнитные поля характеризуются малой интенсивностью (уровнем воздействия), но при этом сопровождают живые организмы на протяжении всего процесса их роста и развития.

Мировые исследования в этой области носят фрагментарный характер и не позволяют оценить влияние полей слабой интенсивности на функционирование живых организмов.

В рамках проекта научные сотрудники ИПФ РАН провели эксперименты по изучению влияния магнитного поля на вызванные светом реакции у растений пшеницы. Оценивались параметры фотосинтетических и регулирующих их электрических реакций. Выяснилось, что магнитные поля не оказывают эффекта на абсолютный уровень фотосинтеза, но при этом значительно влияют на переходные процессы: в ответ на включение света возрастает скорость фотосинтетических, и увеличивается амплитуда электрических реакций.

«В рамках реализации основного этапа проекта было продемонстрировано, что магнитные поля на частотах шумановского резонанса оказывают воздействие на живые организмы. Магнитное поле способствует более эффективной подстройке физиологических процессов растений и их адаптации к изменяющимся условиям, в том числе к стрессовым. В частности, может проявляться «защитный» эффект, то есть повышение выживаемости растений в стрессовых условиях при изменении интенсивности магнитных полей. Подобный эффект «закалки» проростков растений магнитным полем для повышения сопротивляемости неблагоприятным условиям роста представляется весьма перспективным с точки зрения развития сельского хозяйства и смежных областей. Исследования проводились при интенсивностях, превышающих естественный фон. Есть предположение, что магнитные поля Земли в начале формирования биосферы были намного больше из-за повышенной интенсивности молниевой активности», — комментирует заведующий лабораторией электромагнитного окружения Земли ИПФ РАН Николай Ильин.

В конце 2021 года проект был продлен еще на два года. Ученые планируют экспериментально подтвердить наличие «защитного» эффекта, а также определить наиболее чувствительные функциональные элементы растения, за счет которых оно воспринимает магнитные поля.

Научная статья опубликована в журнале Plant Signaling & Behavior.  

Влияние электромагнитных полей естественного происхождения на жизнедеятельность организмов, в частности, на фотосинтез высших растений, изучается в лаборатории электромагнитного окружения Земли ИПФ РАН. Лаборатория создана по программе «мегагрантов», реализуемой Минобрнауки России в рамках национального проекта «Наука и университеты».

Фотография с эксперимента, который проходил в рамках этого исследования в ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 

Механизм космических магнитных полей, исследованных в лаборатории

Физика высоких энергий

17 января 2023 г.

Контуры магнитных полей, возникающие в результате самоорганизации микроскопических токов, возникающих в результате вейбелевской неустойчивости в углекислотной лазерной плазме, зондируемой ультракоротким релятивистским электронным пучком.

Изображение предоставлено Chaojie Zhang, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе

The Science

Плазма — это вещество, настолько горячее, что электроны отделяются от атомов. Электроны свободно плавают, а атомы становятся ионами. Это создает ионизированный газ — плазму, из которой состоит почти вся видимая Вселенная. Недавние исследования показывают, что магнитные поля могут спонтанно возникать в плазме. Это может произойти, если плазма имеет температурную анизотропию — температуру, различную по разным направлениям в пространстве. Этот механизм известен как неустойчивость Вейбеля. Это было предсказано теоретиком плазмы Эриком Вейбелем более шести десятилетий назад, но только сейчас однозначно наблюдалось в лаборатории. Новое исследование показало, что этот процесс может преобразовывать значительную часть энергии, хранящейся в температурной анизотропии, в энергию магнитного поля. Также обнаружено, что нестабильность Вейбеля может быть источником магнитных полей, которые пронизывают весь космос.

Удар

Вещество в нашей наблюдаемой Вселенной находится в плазменном состоянии и намагничено. Магнитные поля на уровне микрогаусс (около миллионной доли магнитных полей Земли) пронизывают галактики. Считается, что эти магнитные поля усиливаются слабыми затравочными полями за счет спирального движения галактик, известного как галактическое динамо. Как создаются исходные магнитные поля, это давний вопрос в астрофизике. Эта новая работа предлагает возможное решение этой неприятной проблемы происхождения затравочных магнитных полей микрогауссового уровня. В исследовании использовалась новая платформа, которая имеет большой потенциал для изучения сверхбыстрой динамики магнитных полей в лабораторной плазме, имеющей отношение к астрономической физике и физике высокой плотности энергии.

Резюме

Вейбелевская неустойчивость, вызванная температурной анизотропией, впервые теоретизированная шесть десятилетий назад, считается важным механизмом самонамагничивания многих лабораторных и астрофизических плазм. Однако ученые столкнулись с двумя проблемами при однозначной демонстрации неустойчивости Вейбеля. Во-первых, до недавнего времени исследователи не могли генерировать плазму с известной температурной анизотропией, как первоначально предполагал Вейбель. Во-вторых, у исследователей не было подходящей техники для измерения сложной и быстро развивающейся топологии магнитных полей, впоследствии генерируемых в плазме.

Эта работа стала возможной благодаря уникальным возможностям Ускорительного испытательного комплекса, пользовательского объекта Министерства энергетики (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории, в котором использовалась новая экспериментальная платформа, которая позволила исследователям создать водородную плазму с известным сильно анизотропным электроном. распределения скоростей в масштабе десятков триллионов секунд с помощью сверхкоротких, но интенсивных лазерных импульсов на углекислом газе. Последующая термализация плазмы происходит за счет самоорганизации плазменных токов, создающих магнитные поля, обусловленные неустойчивостью Вейбеля. Эти поля достаточно велики, чтобы отклонить релятивистские электроны и показать изображение магнитных полей на определенном расстоянии от плазмы. Исследователи получили фильм об эволюции этих магнитных полей с превосходным пространственно-временным разрешением, используя релятивистский электронный пучок в течение одной пикосекунды для исследования этих полей.

Контактное лицо

Чан Джоши, главный исследователь
Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе
[email protected] 

Чаоджи Чжан, ведущий автор
Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе
[email protected]

3

1 Эта работа была поддержана

2

1 Финансирование Управлением науки Министерства энергетики (DOE), Национальным научным фондом и Программой стипендий для выпускников NSF. Испытательный центр ускорителя поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США. Работа главного исследователя в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе поддерживается Национальным научным фондом (NSF), программой Министерства энергетики США по физике высоких энергий и программой стипендий для выпускников NSF.

Publications

Zhang, C. et al., Картирование самогенерируемых магнитных полей из-за тепловой нестабильности Вейбеля. Труды Национальной академии наук 119 , 50, e2211713119 (2022). [DOI: 10.

1073/pnas.22117131]

1. Что такое статические электрические и магнитные поля?

Главная » Статические поля » Уровень 2 ” Вопрос 1

 

Вопросы уровня 2

Следующий вопрос

• Уровень 1: Сводка
• Уровень 2: Детали
• Уровень 3: Источник
•  

1. Что такое статические электрические и магнитные поля?

Электрические и магнитные поля — это невидимые силовые линии, создаваемые природными явлениями, такими как магнитное поле Земли или молния, а также деятельностью человека, в основном за счет использования электричества.

• Ан электрическое поле — это силовое поле, создаваемое притяжением и отталкиванием электрических зарядов (причина электрического потока), и измеряется в вольтах на метр (В/м).
• Магнитное поле представляет собой силовое поле, создаваемое магнитом или вследствие движения зарядов (потока электричества). Величина (напряженность) магнитного поля обычно измеряется в Теслах (Тл или мТл).

Термин статический относится к ситуации, когда поля не меняются со временем. Статические электрические и магнитные поля представляют собой два разных явления, оба характеризуются постоянным направлением, скоростью потока и силой (таким образом, частота равна 0 Гц).

• A статическое электрическое поле (также называемое электростатическим полем) создается фиксированными в пространстве зарядами;
• Статическое магнитное поле создается магнитом или зарядами, которые движутся в виде постоянного потока (как в приборах, использующих постоянный ток).

Напротив, изменяющиеся во времени электромагнитные поля, которые меняют свое направление с постоянной частотой, создаются приборами, использующими переменный ток (AC), а также антеннами сотовых телефонов, микроволнами и т. д. В этом случае электрические и магнитные поля взаимосвязаны и оба связаны с определенной частотой.