|
1. |
Проводник в магнитном поле
|
1 |
|
2. |
Правило левой руки
|
1 |
|
3. |
Технические устройства
|
2 |
|
4. 
|
Полюса магнитов
|
2 |
|
5. |
Направление силы Ампера и силы Лоренца
|
2 |
|
6. |
Заряд частицы
|
2 |
|
7. 
|
Обнаружение магнитного поля
|
2 |
|
8. |
Равновесие весов
|
3 |
|
9. |
Траектория движения частицы в магнитном поле
|
3 |
Магнитное поле тока | Физика
Вокруг магнитов существует магнитное поле.
Чтобы обнаружить его, достаточно поместить в это поле магнитную стрелку, способную свободно поворачиваться под действием этого поля (для этого ее подвешивают на нити или устанавливают на острие). Когда мы подносим к стрелке магнит, она поворачивается в ту или иную сторону. А можно ли повернуть стрелку с помощью электрического тока?
Обратимся к опыту. Поместим над магнитной стрелкой параллельно ее оси проводник, подключенный к источнику тока (рис. 55). Замкнем цепь. Мы увидим, как стрелка отклоняется, принимая новое положение. При размыкании цепи она возвращается в прежнее положение.
Впервые действие проводника с током на магнитную стрелку было обнаружено в 1820 г. датским ученым Г. X. Эрстедом. Сам он не нашел правильного объяснения этому явлению. Это было сделано позже.
Мы знаем, что ток — это направленное движение заряженных частиц. Если эти частицы покоятся, то они создают вокруг себя лишь электрическое поле. Вокруг движущихся зарядов, например, электрического тока, помимо электрического поля, существует еще и магнитное. Это поле и заставляет поворачиваться магнитную стрелку, находящуюся рядом с проводником с током.
Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током. Электрический ток поэтому можно рассматривать как источник магнитного поля. Чем больше сила тока в проводнике, тем сильнее создаваемое им магнитное поле.
Но если источником магнитного поля являются электрические токи, то почему тогда оно существует вокруг постоянных магнитов?
В 1820 г. французский ученый А. М. Ампер предположил, что магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены множеством круговых токов, циркулирующих внутри молекул этих тел. Эти токи были названы молекулярными. Во времена Ампера природа этих токов была неизвестна. Теперь же мы знаем, что внутри атомов и молекул действительно движутся заряженные частицы — электроны, благодаря которым и возникает намагниченность тела.
Для графического изображения магнитного поля используют магнитные силовые линии.
Так называют линии, вдоль которых располагаются оси маленьких магнитных стрелок, помещенных в данное поле. Направление, указываемое северным полюсом этих стрелок, принимают за направление магнитных силовых линий.
Поместив магнитные стрелки вокруг прямолинейного проводника с током, можно увидеть картину, изображенную на рисунке 56, а. Вместо магнитных стрелок в этом опыте можно использовать железные опилки, рассыпанные по поверхности картона. В магнитном поле проводника с током они намагничиваются и, подобно магнитным стрелкам, устанавливаются вдоль силовых линий магнитного поля. Наблюдаемое расположение стрелок показывает, что силовые линии магнитного поля прямолинейного тока представляют собой окружности, охватывающие этот ток (рис. 56, б).
При изменении направления тока в проводнике изменяется и ориентация магнитных стрелок. Это означает, что направление силовых линий магнитного поля связано с направлением тока в проводнике.
Направление силовых линий магнитного поля прямолинейного тока определяется с помощью первого правила правой руки:
если обхватить проводник ладонью правой руки, направив отставленный большой палец вдоль тока, то остальные пальцы этой руки укажут направление силовых линий магнитного поля данного тока (рис. 57).
??? 1. Опишите опыт, в котором наблюдается действие электрического тока на магнитную стрелку. Кто и когда впервые его осуществил? 2. Что является источником магнитного поля? 3. Как располагаются магнитные стрелки в магнитном поле прямого тока? 4. Что называют магнитными силовыми линиями? 5. Какую форму имеют силовые линии магнитного поля прямолинейного тока? 6. Сформулируйте первое правило правой руки.
Как идентифицировать ядра водорода ?
Теперь мы готовы приступить непосредственно к рассмотрению как работает магнитно резонансный томограф. МР томограф не может так просто «видеть» ядра водорода, которые расположены в молекулах воды и распределены в теле пациента.
Необходимо сделать «нечто» с ядрами водорода, что бы мы смогли обнаружить их присутствие.
Для наглядности проведем параллель с такой жизненной ситуацией. Давайте представим себе трое скандальных людей.
И эти трое человек спят в одной темной комнате. И у вас задача определить где каждый человек. Но глядя в комнату, вы никак не можете определить где они находятся, так как в комнате абсолютно темно.
Один из способов определить их местоположение это создать внешний раздражитель. Делаем предположение что эти люди скандальные, мы должны обязательно получить от них ответ. Мы начинаем воздействовать «энергией» на темную комнату в виде банального крика «ПОДЪЕМ» и делаем это неоднократно.
И абсолютно верно что это будет раздражать спящих людей, и они будут кричать в ответ на вас. Вот теперь мы сможем точно определить откуда раздаются голоса и идентифицировать где находятся эти трое человек.
МРТ делает нечто подобное для того что бы обнаружить ядра водорода. В первую очередь ядра водорода подвергаются раздражению, а затем от них ожидают ответ, тем самым мы обнаруживаем их присутствие. Безусловно что в МРТ это происходит гораздо сложнее, чем просто кричать в темную комнату, но будем разбираться, дальнейшее описание безусловно даст нам понимание этого процесса.
Магнитно-резонансная томография, как следует из названия, одну из главных ролей играет магнит. Таким образов будем рассматривать МРТ в первую очередь как сильный магнит. Изобразим МРТ в виде упрощенной диаграммы, проведенной ниже, где магнит показан как зеленые витками провода. Магнитное поля, создаваемое магнитом представлено зелеными линиями со стрелками.
Теперь разместим пациента в магнитном поле МРТ.
Пациент, как и все мы, имеет молекулы воды распределенные по всему телу. Как описано выше, молекулы воды содержат ядра водорода, и это именно то, что представляет интерес для нашего МР томографа.
Таким образом больше не будем обращать внимание на пациента, а оставим и будем рассматривать только ядра водорода, которые находятся внутри него.
Упростим диаграмму и покажем крупным планом лишь небольшое количество ядер водорода.
Вы помните, что согласно законам квантовой физики, ядра водорода имеют свойство под названием «спин». Спин может быть «ориентирован» определенным образом в магнитном поле.
Магнитное поле делает нечто интересное с ядрами водорода. В нашем примере, показанном ниже, магнитное поле (зеленые линии) идет от вершины к основанию. Сильное магнитное поле заставляет спин (синие стрелки) ядра водорода выстраиваться вдоль магнитного поля. Некоторые из ядер водорода выстраиваются по направлению магнитного поля (нижний ряд на диаграмме) а другие ядра водорода выстраиваются в противоположном направлении (верхний ряд на диаграмме).
Как упоминалось ранее, спин у некоторых ядер водорода ориентируется в том же направлении, что и магнитное поле. Так как эти ядра выстраиваются, в том же направлении, что и магнитное поле, значит они не обладают большой энергией (по аналогии с людьми можем назвать их «ленивые»). На наших диаграммах, как показано ниже, мы будем маркировать эти ядра низкой энергии, как «Low».
Существуют также ядра водорода, которые имеют спин направленный в противоположном направлении магнитного поля. В отличие от «ленивых» ядер, которые мы видели ранее, эти ядра должны «бороться» с магнитным полем и, следовательно, иметь «высокую» энергию. В наших диаграммах, как показано ниже, мы будем обозначать их как «High».
После того как спин ядер водорода выстроились в магнитном поле, мы видим что количество ядер с низкой энергией больше чем ядер с высокой энергией.
Этот небольшой избыток ядер водорода с низкой энергией является чрезвычайно важным. Как мы увидим в дальнейшем, что именно поведение этих ядер водорода с низкой энергией делают возможным МР томографию.
Вы помните нашу историю о поиске скандальных людей в темной комнате посредством их раздражения?
Как уже упоминалось, аппарат МРТ делает нечто подобное.
Только вместо того чтобы «кричать», используется «энергия» чтобы «раздражать» ядра водорода с низким энергетическим потенциалом. Давайте рассмотрим как МР томограф это делает. Аппарат МРТ имеет специальную обмотку из провода, которая используется для получения необходимой энергии и «раздражает» ядра водорода с низкой энергией. На диаграмме ниже эта катушка показана черным цветом с левой стороны.
В течение короткого периода времени через катушку пропускают электрический ток. В течение этого периода катушка излучает энергию в виде быстро меняющегося электро магнитного поля (розовые волны в диаграмме ниже). Частота (т.е. насколько часто она изменяется в течение одной секунды) этого излучения находится в диапазоне частот, обычно используемой в радиопередачах. Поэтому эту энергию часто называют «радиочастотной» энергией и катушка называется радио частотной (RF катушка).
И теперь мы можем наблюдать необычное явление которое происходит с ядрами водорода с низкой энергией. Эти ядра поглощают энергию, посланную из модуля RF катушкой.
Поглощение радиочастотной энергии изменяет энергетическое состояние ядер водорода низкой энергии. После того, как ядра низкой энергии поглощают энергию, они меняют свое направление спина и становятся ядрами с высокой энергией.
После короткого временного периода, излучение радиочастотной энергии прекращается.
Ядра водорода которые перешли в состояние высокой энергии предпочитают вернуться в прежнее состояние низкой энергии. В процессе перехода они начинают высвобождать энергию, которая была дана им (то есть ранее ленивые ядра хотят быть ленивыми снова!). Они освобождают энергию в виде волн, которые на рисунке ниже показаны красным цветом.
МР томограф имеет «приемные катушки» (синяя катушка показана ниже), которые принимают энергетические волны, посылаемые ядрами. Отдав свою энергию, ядра изменяют направление спина и возвращаются в состоянии с низкой энергией.
Приемная катушка преобразует энергию волн в электрический сигнал.
Таким образом аппарат МРТ может обнаружить ядра водорода в организме.
Ниже рассмотрим обобщенную анимацию, которая демонстрирует последовательность действий происходящих в МРТ, чтобы излучить энергию, а затем принять сигналы от ядер водорода в молекулах воды.
Мы достаточно продвинулись в понимании процесса работы МРТ, однако осталось еще несколько интересных вопросов, продолжим!
Новости / Служба новостей ТПУ
Коллектив ученых из Томского политехнического университета и Института интегративных нанонаук (входит в Дрезденский институт физики твердого тела и материаловедения Ассоциации Лейбница) под руководством профессора Владимира Фомина обнаружил новые необычные свойства сверхпроводящих материалов на примере ниобия. Исследование показало, что эти свойства зависят от геометрической формы образца. Ученые работали с ниобием в виде сверхтонкой пластинки, свернутой в трубку микронного диаметра (толщина человеческого волоса — 100 микрон, ред.). Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Physics (IF: 4,664; Q1), принадлежащем всемирно признанной группе The Nature Research Journals.
Сверхпроводники — это материалы, способные проводить электричество без сопротивления. Сверхпроводимость входит в число наиболее выдающихся открытий XX века. Существуют прототипы квантовых компьютеров, использующие сверхпроводниковые элементы для хранения информации. Сверхпроводники также используют для создания мощного магнитного поля, к примеру, в проекте Международного экспериментального термоядерного реактора ITER.
«Эта работа фундаментальная. Мы исследовали теоретическими и численными методами, как изменятся свойства материала, когда он находится в свернутом виде, и нашли диапазон размеров, в которых поведение сверхпроводниковой микротрубки кардинально отличается от пластинки, из которой она свернута»,
— говорит один из авторов статьи, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Роман Резаев.
Ученые работали с трубками диаметром меньше 1 микрона. Такие трубки относятся к самоорганизованным свернутым структурам.
«Ученые относительно недавно научились их создавать, в частности, в Институте интегративных нанонаук, который возглавляет профессор Оливер Шмидт. А интересны они тем, что посредством изменения размеров мы получаем возможность управлять свойствами материалов. Технологически на нынешнем уровне сделать высококачественную однородную по размерам трубку таких размеров все еще достаточно трудоемко, поэтому нам нужен был инструмент для моделирования свойств материала в новой геометрии. Такое моделирование существенно ускоряет процесс поиска размеров самоорганизованных свернутых структур, когда они обнаруживают новые интересные свойства, в частности, нас интересовало, как сверхпроводник ведет себя при пропускании электрического тока в присутствии магнитного поля», — говорит Роман Резаев.
В своей работе ученые использовали компьютерную платформу, разработанную для моделирования сверхпроводниковых структур. Вычисления исследователи проводили на суперкомпьютере Дрезденского технического университета.
«Мы разработали схему компьютерного моделирования, включающую как геометрию образца, так и физические условия экспериментов: магнитное поле и электрический ток. Далее мы применили ее к ниобию, который в плоской геометрии хорошо изучен как сверхпроводник. Однако при протекании электрического тока через трубку из ниобия, находящуюся в магнитном поле, как показывает моделирование, возникает резкий скачок («пик») напряжения в определенном диапазоне значений магнитного поля», — говорит соавтор статьи, научный сотрудник Института интегративных нанонаук Екатерина Смирнова.
Этот скачок является следствием внезапного появления в трубке «островков», в которых материал теряет свои сверхпроводящие свойства.
«Возможная потеря некоторой частью образца сверхпроводящих свойств является известным эффектом. В плоских структурах, единожды появившись, такие «островки» имеют только тенденцию к росту с повышением магнитного поля и в итоге «захватывают» весь материал.
А в самоорганизованных свернутых трубках мы наблюдаем необычный эффект: при повышении магнитного поля эти «островки» исчезают, и весь материал становится вновь сверхпроводящим», — поясняет Роман Резаев.
В дальнейшем ученые планируют подтвердить результаты моделирования экспериментально.
«Сейчас мы продемонстрировали принципиальную возможность моделирования и поиска новых свойств материалов в специфической геометрии. Экспериментальный метод исследования для такого случая дополняется важным и перспективным методом численных экспериментов», — добавляет ученый.
Машинное обучение помогло обнаружить магнитные поля
Исследователи из Лаборатории квантовой инженерии и технологий (QETLabs) в Университете Бристоля в сотрудничестве с Институтом квантовой оптики Университета Ульма и Microsoft использовали комбинацию методов машинного обучения и квантового датчика, основанного на спине электрона в азотно-вакансионном центре в решетке алмаза, чтобы увеличить чувствительность определения магнитных полей.
Азотно-вакансионные центры — это атомные дефекты, которые можно найти или создать в алмазе. Они могут взаимодействовать с отдельными электронами, которые, в свою очередь, могут использоваться для измерения как электрических, так и магнитных характеристик материала. Благодаря такой уникальной возможности считывания магнитных и электрических характеристик, исследователи даже допускают, что с помощью этого метода можно фиксировать активность отдельных нейронов в мозге на наноразмерном уровне. Однако такие наномасштабные применения ядерного магнитного резонанса ограничены шумом оптического считывания, присутствующим при комнатной температуре в современных установках.
«Мы ожидаем, что использование наших методов может разблокировать неизведанные режимы в новом поколении экспериментов по зондированию, где отслеживание в реальном времени и повышение чувствительности являются важными составляющими для изучения явлений на наноуровне, — говорит Доктор Энтони Лейнг, ведущий автор исследования, сотрудник Бристольского университета.
— Здесь мы показываем, как машинное обучение может помочь преодолеть эти ограничения для точного отслеживания флуктуирующего магнитного поля при комнатной температуре с чувствительностью, обычно используемой для криогенных датчиков».
Азотно-вакансионные центры, обнаруженные в решетке алмаза, уже использовались в том же ключе, но шум и нежелательные взаимодействия могут ограничивать их применимость в реальности. Результаты, представленные в этой работе, показывают, как преодолеть такие ограничения.
Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.
Конспект урока «Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток. Правило левой руки »
«Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток. Правило левой руки »
Цели урока:
Образовательные:
Изучить, как обнаруживается магнитное поле по его действию на электрический ток, изучить правило левой руки, повторить ранее пройденные определения электрического поля, магнитного поля, условия их возникновения, свойства; закрепить правила правой и левой руки с помощью упражнений;
закрепить знания по предыдущим темам;
научить применять знания, полученные на уроке;
показать связь с жизнью;
расширить межпредметные связи.
Воспитательные:
формировать интерес к предмету, к учебе, творческое отношение, воспитывать добросовестное отношение к учебе, прививать навыки, как самостоятельной работы, так и работы в коллективе, воспитывать интерес к предмету.
Развивающие:
развивать физическое мышление учащихся, их творческие способности, умение самостоятельно формулировать выводы,
развивать речевые навыки;
формировать умения выделять главное, делать выводы, выполнять необходимые задания; развивать логическое мышление и внимание, умение анализировать, делать выводы.
I.1 Проверка домашнего задания, знаний и умений
Тестовая работа. Ответы записываем в карточку.
1.Магнитное поле порождается ___________ электрическим током.
2. Магнитное поле создается ______________ Движущимися заряженными частицами.
3. За направление магнитной линии в какой-либо ее точке условно принимают направление, которое указывает _________ северный полюс магнитной стрелки, помещенной в эту точку.
4.Магнитные линии выходят из _________ северного полюса магнита и входят в южный ________.
Поменялись листочками и проверили друг друга
I.2
1.Укажите направление токов в проводниках, используя правило буравчика
2. Укажите направление линий магнитного поля вокруг проводника с током, используя правило буравчика
3.Через катушку, внутри которой находится стальной стержень, пропускают ток указанного направления. Определите полюсы у полученного электромагнита, полюсы магнитной стрелки.
4.Как взаимодействуют между собой 2 катушки с током?
2. Введение в изучение нового материала.
что представляет собой магнитное поле?
это «особое состояние пространства».
Около каких тел можно обнаружить магнитное поле? (около постоянного магнита, около проводника с током.)
С помощью чего можно обнаружить магнитное поле, например, Земли?
(с помощью магнитной стрелки).
Как можно обнаружить магнитное поле? Оно не действует на наши органы чувств – не имеет запаха, цвета, вкуса. Мы не можем, правда, с уверенностью утверждать, что в животном мире нет существ, чувствующих магнитное поле. В США и Канаде для отгона осьминог с места скопления мальков на реках, впадающих в Великие озера, установлены электромагнитные барьеры. Ученые объясняют способность рыб ориентироваться в просторах океана их реакцией на магнитные поля…
Сегодня на уроке мы изучим, как обнаружить магнитное поле по его действию на электрический ток и изучим правило левой руки.
Тема
Задачи
Объяснение нового материала
На всякий проводник с током, помещенный в магнитное поле и не совпадающий с его магнитными линиями, это поле действует с некоторой силой, наличие такой силы можно посмотреть с помощью такого опыта: проводник подвешен на гибких проводах, который через ключ присоединен к аккумуляторам. Проводник помещен между полюсами подковообразного магнита, т. е. находится в магнитном поле. При замыкании ключа в цепи возникает электрический ток, и проводник приходит в движение. Если убрать магнит, то при замыкании цепи проводник с током двигаться не будет. (Демонстрация1)
Вывод: 1.Значит, со стороны магнитного поля на проводник с током действует некоторая сила, отклоняющая его от первоначального положения.
Выясним, от чего зависит направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле.
(Демонстрация2) Вывод: 2. Опыт показывает, что при изменении направления тока изменяется и направление движения проводника, а значит, и направление действующей на него силы.
(Демонстрация3) изменим направление линий магнитного поля.
Вывод: 3. Направление силы изменится и в том случае, если, не меняя направления тока, поменять местами полюсы магнита
Следовательно, направление тока в проводнике, направление линий магнитного поля и направление силы, действующей на проводник, связаны между собой.
Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно определить, пользуясь правилом левой руки. В наиболее простом случае, когда проводник расположен в плоскости, перпендикулярной линиям магнитного поля, это правило заключается в следующем: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по току, то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник силы.
за направление тока во внешней части электрической цепи (т.
е. вне источника тока) принимается направление от положительного полюса источника тока к отрицательному.
Пользуясь правилом левой руки, можно определить не только направление силы, действующей в магнитном поле на проводник с током. По этому правилу мы можем определить направление тока (если знаем, как направлены линии магнитного поля и действующая на проводник сила), направление магнитных линий (если известны направления тока и силы), знак.
Сила действия магнитного поля на проводник с током равна нулю, если направление тока в проводнике совпадает с линиями магнитного поля или параллельны им.
Пользуясь правилом левой руки это следует помнить.
Другими словами, четыре пальца левой руки должны быть направлены против движения электронов в электрической цепи. В таких проводящих средах, как растворы электролитов, где электрический ток создается движением зарядов обоих знаков, направление тока, а значит, и направление четырех пальцев левой руки совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.
С помощью правила левой руки можно определить направление силы, с которой магнитное поле действует на отдельно взятую движущуюся в нем частицу, как положительно, так и отрицательно заряженную. Для наиболее простого случая, когда частица движется в плоскости, перпендикулярной магнитным линиям, это правило формулируется следующим образом: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной), то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на частицу силы.
Пользуясь правилом левой руки, можно определить не только направление силы, действующей в магнитном поле на проводник с током или движущуюся заряженную частицу. По этому правилу мы можем определить направление тока (если знаем, как направлены линии магнитного поля и действующая на проводник сила), направление магнитных линий (если известны направления тока и силы), знак заряда движущейся частицы (по направлению магнитных линий, силы и скорости движения частицы).
Сила действия магнитного поля на проводник с током или движущуюся заряженную частицу равна нулю, если направление тока в проводнике или скорость частицы совпадают с линиями магнитного поля или параллельны им. С помощью правила левой руки можно определить направление силы, с которой магнитное поле действует на отдельно взятую движущуюся в нем частицу, как положительно, так и отрицательно заряженную(см.рис.3а,б,в).
ПРИМЕНЕНИЕ:
А знаете ли вы, что…
Сильное магнитное поле влияет на рост кристаллов: например, монокристаллы меди, сформировавшиеся в сильных магнитных полях, обладают более совершенной кристаллической решеткой.
Сильное магнитное поле используется и для лечения такого распространенного и опасного заболевания, как нарушение ритма сердечных сокращений (аритмия). Сердце – орган, непрерывно совершающий ритмичные сокращения, период которых определяется слабыми электрическими сигналами, посылаемыми головным мозгом. При заболеваниях сердца ритм сокращений нарушается. В особо тяжелых случаях используют дефибрилляторы – приборы, генерирующие импульсы высокого напряжения, причем электроды накладываются непосредственно на область сердца, в результате чего нередко получается ожог. При использовании пульсирующего магнитного поля, вызывающего индукционные токи в нервных клетках, эта опасность исключается.
Магнитный страж прилавка
Чтобы как-то защититься от краж, владельцы магазинов прикрепляют к товару особые бирки, которые отрываются на контрольном пункте после того, как уплачены деньги. Бирки – крошечные антенны – при попытке вынести покупку из магазина без оплаты включают на выходе сигнал тревоги за счет резонансного усиления радиосигнала, поступающего от небольших радиопередатчиков, установленных на выходе. Однако этот способ оказался не совсем надежен: вор может, заэкранировав бирку кусочком фольги или собственным телом, обмануть сигнальное устройство.
Чтобы этого не случалось, фирма «Чекмейт системс» разработала новую систему.
Контрольная бирка изготавливается теперь из магнитного материала, а на выходе магазина стоят высокочувствительные магнитометры.
Система отрегулирована так, что она не реагирует на металлические предметы малого размера: ключи, часы, пряжки и ювелирные изделия, но отчаянно трезвонит, когда замечает контрольную бирку
ЛЕЧЕНИЕ МАГНИТАМИ
Явление магнетизма известно людям очень давно.
Древние приписывали магниту много чудесных свойств. Считалось, что истолченный в порошок «магнитный камень», излечивает от водянки и безумия, останавливает любое кровотечение, рассасывает раковые опухоли и даже дает бессмертие. Хотя одни лекари считали,что магнит — сильный яд, другие предлагали использовать его как противоядие..
Царица Египта Клеопатра носила магнитный амулет, чтобы сохранить молодость и красоту.Об использовании постоянных магнитов в лечебных целях встречаются упоминания в трудах Гиппократа, Парацельса, ученых древнего Китая.
В XVII веке способ прикладывания к «болезненному месту» магнитного железняка стал распространенным и даже упоминался в книгах-лечебниках.
Магнитную терапию применял и знаменитый врач 18 века Франц Антуан Месмер для лечения боли, подагры, нервных расстройств и колик. Великий Моцарт был настолько впечатлен лечебным успехом Месмера, что включил описание целебного действия магнитов в свою оперу «Cosi fan tutti».Месмер лечил больных магнитами, которыми водил над телом пациента. Он делал специальные сосуды, которые наполнял химическими веществами, чтобы производить электрический заряд. На этих сосудах были металлические ручки. Люди вставали рядом с ними и держались за ручки, чтобы получить магнитную силу.
Использование в технике:
Электродвигатели;
Электроизмерительные приборы;
Громкоговорители, динамики.
Закрепление материала. Решение задач
Итоги
Сегодня на уроке мы изучили, как обнаружить магнитное поле по его действию на электрический ток.
Рассмотрели правило левой руки для определения направления силы
V. Домашнее задание: § 46, упр. 36 (2, 3, 4, 5)………составьте свои задачи
Рис. 3. Правило левой руки для заряженных частиц.
В довершение, следует отметить, что сила действия магнитного поля на проводник с током или движущуюся заряженную частицу равна нулю, если направление тока в проводнике или скорость движения частицы совпадают с линией магнитной индукции или параллельны ей.
За счет силы тока возникает сила Ампера, поворачивающая рамку, однако за счет этого возникает сила упругости пружины, уравновешивающая силу Ампера. Благодаря этому поворот стрелки пропорционален силе тока.
Обнаружение магнитного поля Роном Куртусом
SfC Home> Физика> Магнетизм>
Рона Куртуса (от 20 марта 2020 г.)
Любой источник магнетизма, такой как магнит или электромагнит, окружен магнитным полем . Это поле может быть обнаружено различными устройствами, которые также могут предоставить информацию о направлении поля и даже его силе.
Простой компас может обнаруживать магнитное поле и указывать его направление.Железные опилки можно использовать, чтобы показать форму магнитного поля. На более сложном уровне гауссметр может обнаруживать поле и указывать его силу, измеряемую в единицах Гаусса.
Вопросы, которые могут у вас возникнуть:
- Как компас обнаруживает магнитное поле?
- Как железные опилки демонстрируют магнитное поле?
- Что такое гауссметр?
Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Конвертация единиц
Компас обнаруживает поле
Компас — это просто тонкий магнит или намагниченная железная игла, балансирующая на оси.
Его можно использовать для обнаружения небольших магнитных полей. Игла будет вращаться, чтобы указывать на противоположный полюс магнита. Он может быть очень чувствителен к небольшим магнитным полям.
Использование компаса для отображения магнитного поля
Когда вы подносите компас к предмету, который предположительно намагничен или имеет магнитное поле, компас повернется и укажет на соответствующий полюс объекта.
Стрелка компаса притягивается к полюсу N магнита
Известный эксперимент показал, что провод, по которому проходит постоянный электрический ток, создает магнитное поле.Когда было включено электричество, соседний компас сдвинулся, чтобы указать на наличие магнитного поля.
Земля — огромный магнит
С помощью компаса выяснилось, что Земля — это огромный магнит. Северный полюс стрелки компаса всегда будет указывать на северный магнитный полюс Земли.
Железные опилки демонстрируют поле
Разложив мелкие железные опилки или пыль на листе бумаги, положенном поверх магнита, вы можете увидеть очертания магнитных силовых линий или магнитного поля.Картинка внизу
Железные опилки и компасы показывают форму и направление магнитного поля
Этот эксперимент также показывает, что магнетизм действует через многие материалы, например бумагу. Сработал бы эксперимент, если бы для посыпания опилок использовали лист железа? А как насчет алюминиевой фольги?
Гауссметр измеряет поле
Гауссметры используются для измерения напряженности магнитного поля. Они используют электронный чип, называемый устройством на эффекте Холла, который излучает крошечный электрический ток при воздействии магнитного поля.Ток усиливается с помощью электронной схемы, а счетчик показывает количество гаусс (единиц напряженности магнитного поля).
Эти устройства используются для обнаружения и измерения магнитных полей в научных экспериментах, на производстве и даже в домах людей.
Сводка
Магнитные объекты окружены магнитным полем. Устройства могут обнаруживать поле, а также предоставлять информацию о направлении поля и даже его силе. Компас может обнаруживать магнитное поле и указывать его направление.Железные опилки могут отображать форму магнитного поля. Гауссметр может обнаруживать поле и указывать его силу.
Следуй за своим компасом к успеху
Ресурсы и ссылки
Полномочия Рона Куртуса
Сайты
Как работают компасы
Создайте свой собственный Gaussmeter — Домашние инструкции
Недорогой гауссметр — Не так уж и дешево, но вы можете увидеть информацию о гауссметре
Ресурсы магнетизма
Книги
Книги по магнетизму с самым высоким рейтингом
Вопросы и комментарии
Есть ли у вас какие-либо вопросы, комментарии или мнения по этой теме? Если да, отправьте свой отзыв по электронной почте.Я постараюсь вернуться к вам как можно скорее.
Поделиться страницей
Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:
Студенты и исследователи
Веб-адрес этой страницы:
www.school-for-champions.com/science/
магнитный_detection.htm
Пожалуйста, включите его в качестве ссылки на свой веб-сайт или в качестве ссылки в своем отчете, документе или тезисе.
Авторские права © Ограничения
Где ты сейчас?
Школа чемпионов
Магнетизм темы
Обнаружение магнитного поля
Сверхчувствительное устройство для обнаружения магнитных полей — ScienceDaily
Группа физиков Университета Брауна разработала новый тип компактного сверхчувствительного магнитометра.
По словам исследователей, новое устройство может быть полезно во множестве приложений, связанных со слабыми магнитными полями.
«Почти все вокруг нас генерирует магнитное поле — от наших электронных устройств до наших бьющихся сердец — и мы можем использовать эти поля, чтобы получить информацию обо всех этих системах», — сказал Ган Сяо, председатель кафедры физики Брауна и старший Автор статьи с описанием нового устройства. «Мы обнаружили класс сверхчувствительных датчиков, которые при этом небольшие, недорогие в изготовлении и не потребляют много энергии. Мы думаем, что у этих новых датчиков может быть много потенциальных применений.«
Новое устройство подробно описано в статье, опубликованной в журнале Applied Physics Letters. Ведущими авторами исследования были аспирант Браун Иоу Чжан и доктор наук Кан Ван.
Традиционный способ измерения магнитных полей — это так называемый эффект Холла. Когда проводящий материал, по которому проходит ток, вступает в контакт с магнитным полем, электроны в этом токе отклоняются в направлении, перпендикулярном их потоку. Это создает небольшое перпендикулярное напряжение, которое может использоваться датчиками Холла для обнаружения магнитных полей.
В новом устройстве используется двоюродный брат эффекта Холла, известного как аномальный эффект Холла (AHE), который возникает в ферромагнитных материалах. В то время как эффект Холла возникает из-за заряда электронов, АЭХ возникает из-за спина электрона, крошечного магнитного момента каждого электрона. Эффект заставляет электроны с разными спинами рассеиваться в разных направлениях, что приводит к небольшому, но обнаруживаемому напряжению.
В новом приборе используется ультратонкая ферромагнитная пленка из атомов кобальта, железа и бора.Спины электронов предпочитают быть выровненными в плоскости пленки, что называется анизотропией в плоскости. После обработки пленки в высокотемпературной печи и в сильном магнитном поле спины электронов имеют тенденцию ориентироваться перпендикулярно пленке с так называемой перпендикулярной анизотропией.
Когда эти две анизотропии имеют равную силу, спины электронов могут легко переориентировать себя, если материал входит в контакт с внешним магнитным полем.Эту переориентацию электронных спинов можно обнаружить по напряжению АЭХ.
Не требуется сильное магнитное поле, чтобы перевернуть спины в пленке, что делает устройство довольно чувствительным. На самом деле, по словам исследователей, он в 20 раз более чувствителен, чем традиционные датчики на эффекте Холла.
Ключом к тому, чтобы устройство работало, является толщина пленки кобальт-железо-бор. Слишком толстая пленка требует более сильных магнитных полей для переориентации электронных спинов, что снижает чувствительность.Если пленка слишком тонкая, электронные спины могут переориентироваться сами по себе, что приведет к отказу датчика. Исследователи обнаружили, что оптимальное значение для толщины составляло 0,9 нанометра, то есть примерно четыре или пять атомов.
Исследователи считают, что это устройство может найти широкое применение. Одним из примеров, который может быть полезным для врачей, является магнитный иммуноанализ, метод, использующий магнетизм для поиска патогенов в образцах жидкости.
«Поскольку устройство очень маленькое, мы можем разместить тысячи или даже миллионы датчиков на одном чипе», — сказал Чжан.«Этот чип может тестировать множество разных вещей одновременно на одном образце. Это сделало бы тестирование проще и дешевле».
Другое приложение может быть частью текущего проекта в лаборатории Сяо, поддерживаемого Национальным научным фондом. Сяо и его коллеги разрабатывают магнитную камеру, которая может делать изображения магнитных полей, создаваемых квантовыми материалами, в высоком разрешении. Такой подробный магнитный профиль поможет исследователям лучше понять свойства этих материалов.
«Как и в обычной камере, мы хотим, чтобы в нашей магнитной камере было как можно больше пикселей», — сказал Сяо. «Каждый магнитный пиксель в нашей камере представляет собой отдельный магнитный датчик.
Датчики должны быть небольшими, и они не могут потреблять слишком много энергии, поэтому этот новый датчик может быть полезен в нашей камере».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом (OMA-1936221).
Источник рассказа:
Материалы предоставлены Университетом Брауна. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
Как измерить магнитное поле?
Есть магнитное поле, и вам нужно измерить его силу. Но как? Вот несколько вариантов.
Магнитный компас
Когда я был ребенком, у нас были такие штуки, которые назывались компасами. Это просто магнитная игла внутри футляра, которая может свободно вращаться. Поскольку магнитное поле может оказывать крутящий момент на другой магнит, эта стрелка будет выровнена в направлении чистого магнитного поля. Для чего нужен компас? Так уж получилось, что Земля создает магнитное поле, которое в основном постоянное в данном месте.Затем компас можно использовать для определения направления. Вот что самое интересное, компас работает даже под водой (попробуйте это с телефоном — на самом деле, вам, вероятно, не стоит).
Компас показывает не значение чистого магнитного поля, а только направление. Итак, как получить из этого величину определенного поля? Уловка состоит в том, чтобы принять значение магнитного поля Земли и направление компаса. Предположим, что в этом месте на Земле магнитное поле направлено прямо на север с горизонтальной составляющей примерно 2 x 10 -5 Тл.
Теперь предположим, что я делаю что-то, чтобы создать магнитное поле в известном направлении и перпендикулярно горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Вот пример, когда я протянул токопроводящий провод прямо над стрелкой компаса. Поскольку компас находится под проводом, магнитное поле, создаваемое проводом, будет составлять 90 ° по отношению к магнитному полю Земли.
Фото: Rhett Allain
Теперь, когда в проводе есть ток, стрелка компаса будет отклонена в направлении чистого магнитного поля.
Если вы точно знаете, что два магнитных поля перпендикулярны, то на основе полученного прямоугольного треугольника вы можете сказать следующее:
Если вы не знаете направление магнитного поля, вы пытаетесь Измерьте, этот метод не сработает. Кроме того, если магнитное поле очень мало или очень велико по сравнению с горизонтальной составляющей Земли, вы не получите очень точного результата.
iPhone Compass
iPhone также имеет приложение компаса.
Скриншот приложения компаса для iPhone
Можно ли использовать этот компас так же, как настоящий компас? да. Однако в своем простом тесте я обнаружил, что цифровой компас iPhone не очень хорошо реагирует на изменения магнитных полей. Есть еще одно приложение, которое работает немного лучше — xSensor (iOS).
Скриншот приложения xSensor для iOS
Отображает компоненты x, y и z магнитного поля. Но как это работает? Ответ в том, что в телефоне есть датчик Холла (ну, действительно, три).Что такое эффект Холла? Хорошо, давай сделаем это. У этого эффекта много деталей, и я не хочу начинать с нуля. Вот с чего я хотел бы начать (но каждый элемент, вероятно, может быть целым сообщением в блоге).
Обнаружение магнитного поля Земли | Магнитоприемник
- Эксперимент с 36 людьми показывает, что некоторые люди могут обнаруживать магнитное поле Земли.
- Чувства человека специализированы и развиты, но магнитоприемник еще никто не измерял.
- Субъектов обследовали в специально оборудованной клетке Фарадея, заполненной электрическими катушками.
Могут ли некоторые люди почувствовать магнитное поле Земли ? Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что помимо довольно многих видов животных, люди могут быть — да, это настоящий термин — магниторецепторами. В недавнем исследовании ученые провели эксперимент, в ходе которого измерили, как альфа-волны взаимодействуют с микроэлементами, которые, по их мнению, регистрируют магнетизм.
Когда-то ученых считали, что магниторецепция у животных тоже невозможна.Когда они начали понимать, что птиц и других животных использовали магниторецепцию для навигации в мире, они все еще думали, что люди не могут это сделать.
Но и это предположение, кажется, тоже заслуживает внимания. В прошлом году в эксперименте — чаевые перед Gizmodo за его повторное открытие — исследователи построили специально оборудованную клетку Фарадея, в которой испытуемые были оснащены датчиками ЭЭГ. Внутри клетки они разместили катушки, которые в активном состоянии генерируют магнитное поле. Катушки можно было переключить в «фиктивный режим» без магнитного поля, но в остальном это выглядело и ощущалось так же.
Внутри испытуемые расслабились в темной тихой комнате. «Во время экспериментов участники сидели с закрытыми глазами в полной темноте. Участники были слепы к активному и фиктивному режимам, последовательностям испытаний и срокам начала испытаний. В экспериментальной камере было темно, тихо и изолированно от диспетчерской во время экспериментов », — объясняют исследователи.
Все испытуемые смотрели одинаково, так что не было отклонения направления от реального магнитного поля. Затем они были охвачены магнитными силами, пока исследователи записывали их мозговые волны.
«Наши результаты показывают, что человеческий мозг действительно собирает и выборочно обрабатывает данные, поступающие от рецепторов магнитного поля», — заключают они. «Такая нейронная активность является необходимой предпосылкой для любого последующего поведенческого выражения магниторецепции и представляет собой отправную точку для проверки того, существует ли такое выражение».
В своих полных результатах ученые объясняют, что известные магниторецептивные животные воспринимают это ощущение как прямой биологический сигнал: то, как птицы используют его для миграции, или морские черепахи, которые используют его для оценки безопасности своих водных путей.
Это включает подсознательные сигналы о том, что локальное поле не является магнитным полем. Вулканы могут генерировать локализованные магнитные поля, и «животное, перемещающееся через подобные магнитные объекты, получит серию предупреждающих сигналов против использования магнитного поля для навигации на большие расстояния».
Исследователи обнаружили такую же закономерность у своих испытуемых. «Избирательность реакции благоприятствовала экологически значимым стимулам, различая вращения, в остальном равные по скорости и величине.Это указывает на то, что эффект вызван биологически настроенным механизмом, а не каким-то общим физическим воздействием », — объясняют они.
Это означает, что человеческие субъекты показали активность мозга, которая реагировала только на имитацию глобального магнитного поля, с таким же отказом от местного магнетизма двуустки. Исходя из этого, исследователи предполагают, что люди развили свое магниторецепцию так же, как и животные: благодаря постоянному использованию и стимулу с течением времени. Это то, что нам служит, а не случайность.
Могут ли люди с магниторецепцией быть последним проявлением унаследованной черты времен охотников-собирателей? Мы пока этого не знаем, но исследователи надеются на будущие эксперименты: «Полная степень этого наследства еще предстоит раскрыть».
Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на пианино.io
Люди, как и другие животные, могут ощущать магнитное поле Земли | Наука
Биофизик Джо Киршвинк и его команда использовали записи мозга для поиска у людей магнитного шестого чувства.
Спенсер Лоуэлл
Автор: Келли Сервик,
Опубликованное сегодня исследование предлагает одни из лучших доказательств того, что люди, как и многие другие существа, могут ощущать магнитное поле Земли. Но это не решает другие вопросы, которые крутились вокруг этой спорной идеи десятилетий: Если у нас есть подсознательное магнитное чувство, оно влияет на наше поведение? И возникает ли это из-за минерала железа, обнаруженного в нашем мозгу, как считают авторы?
«Я думаю, что эта статья произведет настоящий фурор», — говорит Питер Хор, физик-химик из Оксфордского университета в Великобритании.Но, добавляет он, «независимое воспроизведение имеет решающее значение».
Различные виды — бактерии, улитки, лягушки, омары — по-видимому, обнаруживают магнитное поле Земли, а некоторые животные, например перелетные птицы, полагаются на него для навигации. Но проверка рассудка на людях была сложной задачей. Эксперименты 1970-х годов, когда участников с завязанными глазами просили указывать в кардинальном направлении после того, как их разворачивали или уводили далеко от дома, были получены противоречивые результаты.
Биофизик Джо Киршвинк из Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт) в Пасадене — ветеран поисков.Используя электроэнцефалографию (ЭЭГ), его команда записала активность мозга с электродов на коже черепа, чтобы найти некоторую реакцию на изменения в строго контролируемом магнитном поле, равном по силе земному.
В эксперименте каждый из 34 участников спокойно сидел в темном алюминиевом ящике, который защищал их от электромагнитного шума, такого как радиоволны. Изменяя поток электрического тока через катушки, выстилающие ящик, исследователи создали магнитное поле, которое круто наклонялось вниз, как собственное поле Земли в средних широтах северного полушария.Затем они вращали поле, как если бы человек повернул голову.
В исследовании ЭЭГ с другим дизайном, опубликованном в 2002 году, другие исследователи не смогли найти какой-либо реакции мозга на изменение поля.
Киршвинк говорит, что методы анализа данных, которые использовались в то время, были недостаточно мощными, чтобы обнаружить эффект. Новое исследование, опубликованное в eNeuro , показало, что вращающееся поле иногда вызывает заметное падение волн с частотой α, которые типичны для мозга, который бодрствует, но находится в состоянии покоя.Во многих исследованиях ЭЭГ α используется для отслеживания реакции на визуальную информацию, говорит Мэри Маклин, нейробиолог из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, которая не принимала участия в работе. По ее словам, изменение α «обычно является хорошим индикатором того, насколько люди вовлечены в сенсорную обработку данных».
Эффект проявился менее чем у трети участников, что может указывать на то, что генетические факторы или прошлый опыт влияют на чувствительность человека к магнитному полю, говорит когнитивный нейробиолог Синсуке Симодзё, еще один член команды Калифорнийского технологического института.Как ни странно, изменение регистрировалось только при повороте поля против часовой стрелки.
«То, что они показывают, очень захватывающе и кажется надежным», — говорит Стюарт Гилдер, геофизик из Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене, Германия. Но результаты требуют дополнительных тестов, таких как измерение того, как различные значения напряженности поля и скорости вращения влияют на активность мозга, добавляет он.
«Меня не удивляет такой эффект», — говорит Маргарет Ахмад, биолог из Университета Сорбонны в Париже, которая отмечает, что магнитные поля, как известно, влияют на клетки человека и других млекопитающих в чашке.«В клетке есть что-то, что меняется в присутствии магнитного поля», — говорит она. «Мы видим этот эффект на эмбриональных клетках почек человека; вы не собираетесь меня убеждать, что воздействие на клетки мозга имеет большее или меньшее значение ».
Ученые говорят, что команда Калифорнийского технологического института еще далека от объяснения того, как возможно магниторецепция.
«Я убежден, что что-то в мозгу определенным образом реагирует на магнитное поле», — говорит Маклин. «Я просто не знаю… какой механизм это на самом деле.”
Механизм магниторецепции установлен только для определенных бактерий, у которых есть кристаллы магнетита, совпадающие с магнитным полем Земли. Птичий клюв и морда рыбы также содержат магнетит, как и человеческий мозг. Гилдер и его коллеги недавно обнаружили, что он наиболее сконцентрирован в нижних, эволюционно древних областях — стволе мозга и мозжечке. Но никто не идентифицировал предлагаемые сенсорные клетки, содержащие магнетит.
Другие группы предполагают, что в сетчатке есть белок, называемый криптохромом, который воспринимает входящий свет, а также реагирует на магнитные поля.Но команда Киршвинка утверждает, что ее новые результаты склоняют чашу весов в пользу магнетита. Когда они перевернули свое магнитное поле, чтобы оно было направлено вверх, его вращения больше не вызывали изменения активности мозга. Магнетит, как стрелка компаса, реагирует на направление поля, тогда как криптохром одинаково реагирует на поля с противоположной полярностью.
«Если результаты реальны, я думаю, это исключает криптохром как источник этих эффектов у людей», — говорит Хор, хотя он может играть роль и у других животных.
Но разве только изменение мозговых волн свидетельствует о «чувстве»? Некоторые не уверены. «Если бы я… сунул голову в микроволновую печь и включил ее, я бы увидел влияние на свои мозговые волны», — говорит Торстен Ритц, биофизик из Калифорнийского университета в Ирвине. «Это не значит, что мы умеем работать с микроволновкой».
Более убедительным было бы свидетельство того, что мозг на самом деле обрабатывает магнитную информацию таким образом, который влияет на поведение, говорит Ритц. Его заинтриговало исследование южнокорейской исследовательской группы, опубликованное в прошлом месяце в PLOS ONE , в котором было обнаружено, что при отсутствии визуальных или слуховых сигналов мужчины, голодавшие около 20 часов, иногда могли ориентироваться в нужном направлении.
они раньше ассоциировались с едой.
Команда Киршвинка проводит эксперименты, целью которых является выявление тонких последствий магнитного чувства — например, манипулирование магнитным полем, чтобы смещать лучшую догадку человека в направлении света. «Это действительно сверхтвердо установило бы, что у людей есть полноценная магнитосенсорная система», — говорит аспирант Калифорнийского технологического института нейробиологии Конни Ван, которая является первым автором новой статьи. Команда также хочет проверить, могут ли тщательные тренировки привнести в сознание магнетические ощущения.
Если люди действительно используют датчик на основе магнетита, есть и другие проблемы, которые следует изучить, говорит Киршвинк, например, могут ли магниты в авиационных наушниках ухудшать чувство направления пилотов и может ли сильное магнитное поле, создаваемое аппаратами МРТ, каким-либо образом изменить наш магнетит.
Три года назад Киршвинк сделал предварительный обзор этих результатов на заседании Королевского института навигации Соединенного Королевства, которое проводится каждые 3 года в Эгеме. 12 апреля, на следующем собрании общества, он выйдет на сцену, чтобы отстаивать свои идеи перед скептической аудиторией с данными в руках.«Мы собираемся весело провести время», — говорит он.
Магнитное поле Земли
Магнитосфера защищает поверхность Земли от заряженных частиц солнечного ветра и генерируется электрическими токами, расположенными во многих различных частях Земли. Он сжимается на дневной (солнечной) стороне за счет силы приходящих частиц и расширяется на ночной стороне. (Изображение не в масштабе.) Разница между магнитным севером и «истинным» севером.
Магнитное поле Земли (и поверхностное магнитное поле ) приблизительно представляет собой магнитный диполь с S-полюсом магнитного поля вблизи географического северного полюса Земли (см. Северный магнитный полюс) и другим северным полюсом магнитного поля рядом с географическим географическим полюсом Земли.
южный полюс (см. Южный магнитный полюс). Благодаря этому компас можно использовать для навигации. Причину возникновения поля можно объяснить теорией динамо. Магнитное поле распространяется бесконечно, но ослабевает по мере удаления от источника.Магнитное поле Земли, также называемое геомагнитным полем , которое эффективно распространяется на несколько десятков тысяч километров в космос, формирует магнитосферу Земли. Палеомагнитное исследование австралийского красного дацита и подушечного базальта оценило возраст магнитного поля как минимум 3,5 миллиарда лет. [1] [2]
Важность
Моделирование взаимодействия между магнитным полем Земли и межпланетным магнитным полем.
Земля в значительной степени защищена от солнечного ветра, потока энергичных заряженных частиц, исходящих от Солнца, своим магнитным полем, которое отклоняет большинство заряженных частиц. Некоторые из заряженных частиц солнечного ветра задерживаются в радиационном поясе Ван Аллена. Меньшему количеству частиц солнечного ветра удается перемещаться, как по линии передачи электромагнитной энергии, в верхние слои атмосферы и ионосферу Земли в зонах полярных сияний. Единственный раз, когда солнечный ветер наблюдается на Земле, — это когда он достаточно силен, чтобы вызывать такие явления, как полярное сияние и геомагнитные бури.Яркие полярные сияния сильно нагревают ионосферу, заставляя ее плазму расширяться в магнитосферу, увеличивая размер плазменной геосферы и вызывая утечку атмосферного вещества в солнечный ветер. Геомагнитные бури возникают, когда давление плазмы, содержащейся внутри магнитосферы, достаточно велико, чтобы раздуваться и тем самым искажать геомагнитное поле.
Солнечный ветер отвечает за общую форму магнитосферы Земли, и колебания ее скорости, плотности, направления и увлекаемого магнитного поля сильно влияют на локальную космическую среду Земли.Например, уровни ионизирующего излучения и радиопомех могут варьироваться от сотен до тысяч раз; а форма и расположение магнитопаузы и головной ударной волны перед ней могут изменяться на несколько радиусов Земли, подвергая геосинхронные спутники прямому солнечному ветру.
Эти явления собирательно называются космической погодой. Механизм атмосферного разрыва вызван захватом газа пузырьками магнитного поля, которые срываются солнечными ветрами. [3] Изменения напряженности магнитного поля коррелировали с изменением количества осадков в тропиках. [4]
Магнитные полюса и магнитный диполь
Основные статьи: Северный магнитный полюс и Южный магнитный полюс Магнитное склонение от истинного севера в 1700 г.
Положение магнитных полюсов можно определить как минимум двумя способами [5] .
Часто магнитный (наклонный) полюс рассматривается как точка на поверхности Земли, где магнитное поле полностью вертикально. Другими словами, угол наклона поля Земли составляет 90 ° на северном магнитном полюсе и -90 ° на южном магнитном полюсе.На магнитном полюсе компас, удерживаемый в горизонтальной плоскости, указывает случайным образом, в то время как в противном случае он указывает почти на северный магнитный полюс или от Южного магнитного полюса, хотя существуют местные отклонения. Два полюса перемещаются независимо друг от друга и не находятся в прямо противоположных положениях на земном шаре. Магнитный полюс падения может быстро перемещаться, для Северного магнитного полюса [6] проводились наблюдения до 40 км в год.
Магнитное поле Земли можно точно описать полем магнитного диполя, расположенного рядом с центром Земли.Ориентация диполя определяется осью. Два положения, где ось диполя, которая лучше всего соответствует геомагнитному полю, пересекает поверхность Земли, называются Северным и Южным геомагнитными полюсами. Для наилучшего соответствия диполь, представляющий геомагнитное поле, должен быть размещен примерно в 500 км от центра Земли. Это заставляет внутренний радиационный пояс опускаться ниже в южной части Атлантического океана, где поверхностное поле является самым слабым, создавая то, что называется южноатлантической аномалией.
Если бы магнитное поле Земли было идеально дипольным, геомагнитный и магнитный полюса падения совпадали.
Однако важные недиполярные члены в точном описании геомагнитного поля приводят к тому, что положения двух типов полюсов находятся в разных местах.
Характеристики поля
Напряженность поля на поверхности Земли колеблется от менее 30 микротесла (0,3 гаусса) на территории, включающей большую часть Южной Америки и Южной Африки, до более 60 микротесла (0,6 гаусс) вокруг магнитных полюсов в северной части страны. Канада и юг Австралии, а также часть Сибири.Средняя напряженность магнитного поля во внешнем ядре Земли составила 25 Гаусс, что в 50 раз сильнее, чем магнитное поле на поверхности. [9] [10]
Поле аналогично полю стержневого магнита. Магнитное поле Земли в основном вызвано электрическими токами в жидком внешнем ядре. Ядро Земли горячее, чем 1043 К, температура точки Кюри, выше которой ориентация спинов в железе становится случайной. Такая рандомизация приводит к потере намагниченности вещества.
Конвекция расплавленного железа во внешнем жидком ядре, наряду с эффектом Кориолиса, вызванным общим вращением планеты, имеет тенденцию организовывать эти «электрические токи» в валки, выровненные вдоль полярной оси север-юг. Когда проводящая жидкость течет через существующее магнитное поле, индуцируются электрические токи, которые, в свою очередь, создают другое магнитное поле. Когда это магнитное поле усиливает исходное магнитное поле, создается динамо-машина, которая поддерживает себя. Это называется теорией динамо, и она объясняет, как поддерживается магнитное поле Земли.
Еще одна особенность, которая магнитно отличает Землю от стержневого магнита, — это ее магнитосфера. На больших расстояниях от планеты преобладает поверхностное магнитное поле. Электрические токи, индуцированные в ионосфере, также создают магнитные поля. Такое поле всегда создается вблизи того места, где атмосфера находится ближе всего к Солнцу, вызывая ежедневные изменения, которые могут отклонять поверхностные магнитные поля на величину до одного градуса.
Типичные суточные колебания напряженности поля составляют около 25 нанотесла (нТл) (т.е.е. ~ 1: 2 000), с вариациями в течение нескольких секунд, как правило, около 1 нТл (т. Е. ~ 1: 50 000). [11]
Вариации магнитного поля
Геомагнитные вариации с момента последнего обращения.
Токи в ядре Земли, создающие ее магнитное поле, возникли по крайней мере 3 450 миллионов лет назад. [12] [13]
Магнитометры обнаруживают мельчайшие отклонения в магнитном поле Земли, вызванные железными артефактами, печами, некоторыми типами каменных построек и даже канавами и мусором в археологической геофизике.С помощью магнитных инструментов, адаптированных на основе бортовых детекторов магнитных аномалий, разработанных во время Второй мировой войны для обнаружения подводных лодок, были нанесены на карту магнитные вариации на дне океана. Базальт — богатая железом вулканическая порода, составляющая дно океана — содержит сильно магнитный минерал (магнетит) и может локально искажать показания компаса. Искажение было признано исландскими мореплавателями еще в конце 18 века. Что еще более важно, поскольку присутствие магнетита придает базальту измеримые магнитные свойства, эти магнитные вариации предоставили еще один способ изучения глубоководного дна океана.Когда вновь образованная порода охлаждается, такие магнитные материалы регистрируют магнитное поле Земли.
Часто магнитосфера Земли поражается солнечными вспышками, вызывающими геомагнитные бури, вызывающие проявления полярных сияний. Кратковременная нестабильность магнитного поля измеряется с помощью K-индекса.
Недавно в магнитном поле были обнаружены утечки, которые взаимодействуют с солнечным ветром Солнца способом, противоположным первоначальной гипотезе. Во время солнечных бурь это может привести к крупномасштабным отключениям электроэнергии и сбоям в работе искусственных спутников. [14]
- См. Также Магнитная аномалия
Инверсия магнитного поля
Основная статья: Геомагнитная инверсия
Основываясь на изучении лавовых потоков базальта во всем мире, было предложено, что магнитное поле Земли периодически меняет направление на противоположное.
от десятков тысяч до многих миллионов лет со средним интервалом примерно 300 000 лет. [15] Однако последнее подобное событие, названное инверсией Брюнес – Матуяма, произошло примерно 780 000 лет назад.
Нет четкой теории относительно того, как могли произойти геомагнитные инверсии. Некоторые ученые создали модели ядра Земли, в которых магнитное поле лишь квазистабильно, а полюса могут самопроизвольно перемещаться из одной ориентации в другую в течение от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Другие ученые предполагают, что геодинамо сначала отключается самопроизвольно или из-за какого-то внешнего воздействия, такого как удар кометы, а затем перезапускается, когда магнитный «северный» полюс указывает либо на север, либо на юг.Внешние события вряд ли будут обычными причинами инверсий магнитного поля из-за отсутствия корреляции между возрастом ударных кратеров и временем инверсий. Независимо от причины, когда магнитный полюс переключается из одного полушария в другое, это называется инверсией, тогда как временные изменения наклона диполя, которые перемещают ось диполя через экватор, а затем возвращаются к исходной полярности, известны как отклонения.
Исследования потоков лавы на горе Стинс, штат Орегон, показывают, что магнитное поле могло смещаться со скоростью до 6 градусов в день в какой-то момент истории Земли, что значительно бросает вызов популярному пониманию того, как работает магнитное поле Земли. . [16]
Палеомагнитные исследования, подобные этим, обычно состоят из измерений остаточной намагниченности магматических пород в результате вулканических событий. Осадки, отложенные на дне океана, ориентируются в соответствии с местным магнитным полем, сигнал, который может быть записан по мере их затвердевания. Хотя залежи магматических пород в основном парамагнитны, они действительно содержат следы ферри- и антиферромагнитных материалов в виде оксидов железа, что дает им способность обладать остаточной намагниченностью.
Фактически, эта характеристика довольно часто встречается во многих других типах горных пород и отложений, обнаруженных по всему миру. Одним из наиболее распространенных оксидов, обнаруживаемых в естественных отложениях горных пород, является магнетит.
В качестве примера того, как это свойство магматических пород позволяет нам определить, что поле Земли в прошлом менялось, рассмотрим измерения магнетизма на океанских хребтах. Прежде чем магма выйдет из мантии через трещину, она имеет чрезвычайно высокую температуру, превышающую температуру Кюри любого оксида железа, который она может содержать.Лава начинает охлаждаться и затвердевать, когда попадает в океан, позволяя этим оксидам железа в конечном итоге восстановить свои магнитные свойства, в частности, способность удерживать остаточную намагниченность. Если предположить, что единственное магнитное поле, присутствующее в этих местах, связано с самой Землей, эта затвердевшая порода становится намагниченной в направлении геомагнитного поля. Несмотря на то, что напряженность поля довольно мала, а содержание железа в типичных образцах горных пород невелико, относительно небольшая остаточная намагниченность образцов находится в пределах разрешающей способности современных магнитометров.Затем можно измерить возраст и намагниченность застывших образцов лавы, чтобы определить ориентацию геомагнитного поля в древние эпохи.
Обнаружение магнитного поля
Отклонения модели магнитного поля от данных измерений, данных, созданных спутниками с чувствительными магнитометрами
Напряженность магнитного поля Земли была измерена Карлом Фридрихом Гауссом в 1835 году и с тех пор неоднократно измерялась, показывая относительное уменьшение около 10% за последние 150 лет. [17] Спутник Magsat и более поздние спутники использовали 3-осевые векторные магнитометры для исследования трехмерной структуры магнитного поля Земли. Более поздний спутник Эрстеда позволил провести сравнение, показывающее динамическое геодинамо в действии, которое, по-видимому, порождает альтернативный полюс под Атлантическим океаном к западу от Южной Африки.
[18]
Правительства иногда используют подразделения, специализирующиеся на измерении магнитного поля Земли. Это геомагнитные обсерватории, обычно входящие в состав национальной геологической службы, например, обсерватория Эскдалемуир Британской геологической службы.Такие обсерватории могут измерять и прогнозировать магнитные условия, которые иногда влияют на связь, электроэнергию и другую деятельность человека. (См. Магнитную бурю.)
Международная сеть магнитных обсерваторий в реальном времени с более чем 100 взаимосвязанными геомагнитными обсерваториями по всему миру с 1991 года регистрирует магнитное поле Земли.
Военные определяют характеристики местного геомагнитного поля для обнаружения аномалии естественного фона, которые могут быть вызваны значительным металлическим объектом, например, затопленной подводной лодкой.Как правило, эти детекторы магнитных аномалий используются в самолетах, таких как британский Nimrod, или буксируются в качестве инструмента или набора инструментов с надводных кораблей.
В коммерческих целях геофизические разведочные компании также используют магнитные детекторы для выявления естественных аномалий рудных тел, таких как Курская магнитная аномалия.
Животные, включая птиц и черепах, могут обнаруживать магнитное поле Земли и использовать это поле для навигации во время миграции. [19] Коровы и дикие олени склонны выстраивать свои тела с севера на юг во время отдыха, но не тогда, когда животные находятся под высоковольтными линиями электропередач, что заставляет исследователей полагать, что причиной этого является магнетизм. Дайсон, П.Дж. (2009). «Биология: электрические коровы». Природа 458 (7237): 389. DOI: 10.1038 / 458389a. PMID 19325587.
Внешние ссылки
- Уильям Дж. Брод, Будет ли компас указать юг ?. New York Times, 13 июля 2004 г.
- Джон Роуч, Почему меняется магнитное поле Земли ?. National Geographic, 27 сентября 2004 г.
- Когда север идет на юг. Проекты в области научных вычислений, 1996.
- Трехмерный симулятор заряженных частиц в магнитном поле Земли.Инструмент, предназначенный для трехмерного моделирования заряженных частиц в магнитосфере. [Требуется подключаемый модуль VRML]
- Великий Магнит, Земля, История открытия магнитного поля Земли Дэвидом П. Стерном.
- Исследование магнитосферы Земли, Образовательный веб-сайт Дэвида П. Стерна и Маурисио Передо
У людей есть магнитный датчик в наших глазах, но можем ли мы обнаружить магнитные поля?
У многих птиц компас в глазах.Их сетчатка наполнена белком, называемым криптохромом, который чувствителен к магнитным полям Земли. Возможно, птицы буквально видят эти поля поверх своего обычного зрения. Это замечательное чувство позволяет им не терять ориентацию, когда других ориентиров не видно.
Но криптохром не уникален для птиц — это древний белок, имеющий разновидности во всех сферах жизни. В большинстве случаев эти белки контролируют суточный ритм. У людей, например, есть два криптохрома — CRY1 и CRY2, которые помогают управлять часами нашего тела.Но Лорен Фоли из Медицинской школы Массачусетского университета обнаружила, что CRY2 может использоваться как магнитный датчик.
Фоли работал с мухами дрозофилы, которые обычно могут определять магнитные поля с помощью криптохома. Вы можете показать это, поместив их в искусственное магнитное поле и научив двигаться в определенном направлении в поисках еды. Обычные мухи легко справляются с этим. Мутанты, у которых нет гена cry, который вырабатывает белок криптохром, теряют способность находить себе пищу.
Чтобы восстановить свой внутренний компас, Фоли просто должен дать мутантам дополнительные копии cry. Но она обнаружила, что человеческая версия гена работает точно так же. Когда она загрузила своих мутантов-мух человеческим CRY2, она обнаружила, что они чувствуют магнитные поля, как и их обычные сверстники. Фоли также обнаружил, что криптохром человека чувствителен к синему свету.
Ему удалось восстановить магнетизм мух только тогда, когда они купались в этом цвете.
Эти простые эксперименты показывают, что криптохром человека может действовать как магнитный датчик.Это не значит, что это так, не говоря уже о том, что люди могут ощущать магнитные поля. Включение человеческого криптохрома в инопланетную среду, такую как тело мухи, очень мало говорит вам о том, что он делает в своей естественной среде.
Розвита Вильчко, одна из ученых, впервые открывших магнитное чутье птиц, говорит: «Чтобы почувствовать магнитное поле, нужна не только молекула, такая как криптохром, но и устройство, которое улавливает изменения в этой молекуле и передает его в мозг.Очевидно, что у дрозофилы этот аппарат есть, а у людей? У меня есть сомнения ». Стивен Репперт, возглавлявший новое исследование, также осторожен. Однако он отмечает, что Cry2 очень активен в сетчатке глаза человека. «Он прекрасно чувствует свет, но мы не знаем, есть ли у него нисходящие пути, передающие магнитную информацию в мозг. Возможность существует ».
Радикальная идея
Связи между светом, криптохромом и магнитным чувством были изложены Клаусом Шультеном и Торстеном Ритцем в 2000 году в бравурной статье, объединившей биологию и квантовую физику.Они предположили, что когда на криптохром попадает синий свет, он передает один из своих электронов молекуле-партнеру, называемой FAD. Электроны обычно вальсируют парами, но благодаря свету криптохром и FAD теперь имеют одинокие электроны. Их называют «радикальной парой».
Электроны также обладают свойством, называемым «спином». В радикальной паре спины двух одиночных электронов связаны — они могут вращаться вместе или в противоположных направлениях. Эти два состояния имеют разные химические свойства, радикальная пара может переключаться между ними, и угол магнитного поля Земли может влиять на эти изменения.При этом он может повлиять на результат или скорость химических реакций с участием радикальной пары.
Это один из способов воздействия магнитного поля Земли на живые клетки. Это объясняет, почему магнетизм животных, таких как птицы, связан со зрением — в конце концов, криптохром находится в глазу, и свет превращает его в радикальную пару.
Несколько экспериментов за последние несколько десятилетий подтвердили теорию Шультена и Ритца. Кажется, что работа Фоули также подходит — человеческий криптохром может поддерживать у мух магнитное чутье, что зависит от синего света.Но Вильчко считает, что использование человеческого белка — отвлекающий маневр. «Все криптохромы должны быть светочувствительными, а поскольку они образуют радикальные пары, они должны быть чувствительны к магнитным полям. Авторы описывают внутренние свойства криптохрома. Использование человеческого криптохрома — отличная шутка! »
Действительно, Репперт говорит: «Из всех криптохромов, о которых можно подумать, человеческий казался наиболее интересным. Мы думали, что если это сработает, это могло бы возродить некоторый интерес к магниторецепции у людей, который практически снизился до нуля.”
Могут ли люди чувствовать магнитные поля?
В настоящее время принято считать, что люди не могут ощущать магнитные поля. Это могут делать птицы, летучие мыши, черепахи, муравьи, землекопы, акулы, скаты и многие другие. Недавно чешские ученые предположили, что такой же способностью обладают лисы, коровы и олени. Но посмотрите на все недавние обзоры в этой области, и вы увидите очень мало упоминаний о нашем собственном виде. Десять лет назад немецкая группа показала, что наше видение в одних направлениях немного более чувствительно, чем в других, но результаты не прижились.
Так было не всегда. В 1980-х годах Робин Бейкер из Манчестерского университета провел серию экспериментов, которые, казалось, показали, что люди могут ощущать магнитные поля. Он взял с собой автобусы добровольцев с завязанными глазами в извилистое путешествие на несколько километров, прежде чем попросить их указать путь домой.
Они делали это чаще, чем ожидалось, и если они носили магниты на головах, их точность падала.
Результаты были опубликованы в журнале Science, и вы можете прочитать собственное описание своего исследования Бейкером в этом выпуске New Scientist за 1980 год.Он даже написал об этом книгу. В то время Бейкер сказал: «Какими бы ни были последствия, у нас нет другого выхода, кроме как серьезно отнестись к возможности того, что Человек обладает магнетическим чувством направления».
К сожалению, главным ответом стала серия ожесточенных опровержений. В течение следующего десятилетия нескольким группам по всему миру не удалось повторить результаты Бейкера, хотя у самого Бейкера не было проблем с этим. Он утверждал, что их отказ мог быть вызван локальными магнитными аномалиями или кратковременными изменениями силы магнитного поля из-за солнечной активности.
Американский дуэт — Гулд и Эйбл — из милосердия предположил, что британские студенты Бейкера «либо имели в наличии подсказки, которые отсутствовали в наших экспериментах, либо значительно лучше американцев использовали любые подсказки, которые могут быть задействованы». Макс Вестби и Карен Партридж, которым не удалось повторить результаты Бейкера в Шеффилде, были менее любезны. «Возможно, это зависит от того, на какой стороне Пеннинских холмов будут проводиться эксперименты?» они спросили. «Очевидно, что чрезвычайно трудно опровергнуть все мыслимые объяснения отрицательного результата, но мы вынуждены задаться вопросом об экологической важности магнитного чувства, существование которого так трудно продемонстрировать.
В конце концов, Бейкер уступил и перешел к науке о сперме. Когда я рассказал ему о новом исследовании, он признался, что отстает от этой области. «Я провел почти десять лет, протестировал тысячи людей в самых разных условиях и абсолютно не сомневался. Затем люди провели несколько тестов здесь и там и заявили, что эксперименты не повторяются », — говорит он. «Даже после того, как я собрал результаты всех остальных и опубликовал их вместе, они действительно представляли собой успешное воспроизведение, и никто не хотел знать.
Там был элемент «Да пошли они к черту» ».
Репперт считает, что история Бейкера неудачна, тем более что он остановился как раз тогда, когда другие начали открывать световые магнитные датчики. «Я считаю, что работа Бейкера была очень хорошей, но у многих людей были проблемы с воспроизведением ее аспектов», — говорит Репперт. «Просто очень сложно проводить такого рода поведенческие эксперименты на людях».
Самое трудное чувство
Магниторецепция должна быть одним из самых сложных для изучения чувств животных.Торстен Ритц говорит: «Основные вещи, которые вы делаете в других смыслах, не имеют смысла, когда дело доходит до магниторецепции. Почти все остальные чувства связаны с открытием в костной структуре — глазами, ушами и так далее. Магнитное чувство может находиться в любом месте тела, потому что магнитное поле проникает в тело ».
Чтобы усложнить ситуацию, мы действительно не знаем, для чего можно было бы использовать магнитное чувство. Птицам и черепахам кажется очевидным, что внутренний компас поможет им ориентироваться во время длительных миграций.Но на самом деле это не относится к людям, и мы знаем, что заблудшие люди обычно ходят по кругу, когда другие ориентиры недоступны.
Но навигация — не единственное применение магнитного восприятия. Недавно Джон Филипс предположил, что животные могут использовать магнитные поля для оценки расстояний в гораздо меньших масштабах. В самом деле, вполне возможно, что лисы могли использовать магнитный дальномер, чтобы определять расстояние, на которое они нападают, когда их добыча скрыта снегом.
Очевидно, что магнитные чувства останутся привлекательными и спорными еще многие годы.Бейкер покинул поле, но он все еще заинтригован этим. «Я был бы очень рад, если бы кому-то удалось оправдать эти десять лет работы, потому что я до сих пор не сомневаюсь, что это реальный феномен», — говорит он. «Эта новая статья очень далека от того, чтобы быть оправданием, но просто прочитать кого-то, кто сказал, что человеческая магниторецепция заслуживает другого взгляда, доставило мне краткую волну удовлетворения»
Ссылка: Foley, Gegear & Reppert.