Магнитное поле¶

Магнитное поле — физическое поле, возникающее вокруг движущихся электрических зарядов и магнитных диполей, взаимодействующее с ними и передающее взаимодействие между ними на расстоянии. В классической электродинамике описывается вектором магнитной индукции B, измеряемым в теслах (Тл). Вместе с электрическим полем образует электромагнитное поле — одну из четырёх фундаментальных взаимодействий природы.

¶История открытия

Магнитные явления известны с античности: древние греки и китайцы наблюдали притяжение железа к магнитному камню (магнетиту) и ориентацию магнитных стрелок. В 1269 году французский учёный Пьер де Марикур (Пьер де Маричар) описал магнитные полюса и правило «подобных полюсов отталкиваются, разноимённые притягиваются».

В 1600 году английский врач и физик Уильям Гильберт опубликовал трактат «De Magnete», в котором показал, что Земля представляет собой большой магнит и что магнитное поле — это объективная физическая реальность, а не магическая сила.

Переломным стал 1820 год, когда датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил отклонение магнитной стрелки рядом с проводником с током. Это показало связь электричества и магнетизма. Вскоре Андре-Мари Ампер сформулировал закон взаимодействия токов, а Майкл Фарадей в 1831 году открыл явление электромагнитной индукции, показав, что изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, и наоборот. В 1861—1865 годах Джеймс Клерк Максвелл объединил электрические и магнитные явления в единую теорию электромагнитного поля, предсказав существование электромагнитных волн.

¶Свойства магнитного поля

Магнитное поле обладает рядом принципиальных свойств:

• Невекторность источника. В отличие от электрического поля, магнитное поле не имеет монополей: линии индукции замкнуты, всегда начинаются и заканчиваются у полюсов магнита или проходят через замкнутые контуры.
• Дивергенция равна нулю. В математической форме: div B = 0, что отражает отсутствие магнитных зарядов.
• Ротор ненулевой. rot B = μ₀j (закон Ампера в дифференциальной форме), где j — плотность тока, μ₀ — магнитная проницаемость вакуума.
• Сила Лоренца. Заряженная частица в магнитном поле испытывает силу F = q[v × B], перпендикулярную скорости, поэтому магнитное поле не совершает работы над частицей и лишь меняет направление её движения, закручивая траекторию в спираль или окружность.

¶Единицы измерения

В Международной системе единиц (СИ) магнитная индукция измеряется в теслах (Тл). 1 Тл — это индукция поля, создающего силу 1 ньютон на проводник длиной 1 метр с током 1 ампер, расположенный перпендикулярно полю. На практике часто используют гаусс (1 Гс = 10⁻⁴ Тл). Напряжённость магнитного поля H измеряется в амперах на метр (А/м).

¶Источники магнитного поля

• Постоянные магниты — материалы с намагниченностью (железо, никель, кобальт, редкоземельные сплавы, например неодимовые NdFeB).
• Электрический ток — проводник с током, соленоид, катушка.
• Вращение заряженных тел — Земля, Солнце.
• Изменяющееся электрическое поле — по теории Максвелла, переменный ток создаёт магнитное поле даже без проводника.
• Квантовые явления — намагниченность атомов обусловлена орбитальным и спиновым магнитными моментами электронов.

¶Магнитное поле Земли

Земля обладает собственным магнитным полем, индукция которого на поверхности составляет 25—65 мкТл. Оно создаётся токами в жидком внешнем ядре (динамо-механизм). Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими: магнитный северный полюс расположен в районе Канадского архипелага и смещается к Сибири (в 2020-х годах скорость смещения превышает 40 км в год). Магнитосфера защищает планету от солнечного ветра и космических лучей; её граница с солнечным ветром — магнитопауза — находится на расстоянии около 10 земных радиусов в сторону Солнца.

¶Применение

Магнитное поле используется в электрических машинах и трансформаторах, электродвигателях и генераторах, магнитной резонансной томографии (МРТ), магнитных накопителях данных, магнитном разделении руд, в ускорителях частиц, магнитных компасах, а также в магнито-гидродинамических генераторах. В физике элементарных частиц магнитные поля применяются для фокусировки и отклонения пучков заряженных частиц в синхротронах и коллайдерах.

¶Интересные факты

• Самое сильное постоянное магнитное поле в лабораторных условиях достигает 45 Тл (сверхпроводящие магниты), а импульсные установки — свыше 1000 Тл.
• Магнитное поле Солнца на расстоянии Земли составляет около 1—5 нТл, но в солнечных вспышках оно возрастает в сотни раз.
• Сверхпроводящие квантовые интерферометрические устройства (СКВИД) способны измерять магнитные поля порядка 10⁻¹⁵ Тл — в миллиарды раз слабее земного.

Источники:

• Иродов И. Е. «Задачи по общей физике»
• Савельев И. В. «Курс общей физики»
• Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. «Фейнмановские лекции по физике»
• Гранберг Г. П. «Магнитное поле Земли»
• Максвелл Дж. К. «Трактат об электричестве и магнетизме»