Магнитное поле — физическое поле¶

Магнитное поле — это физическое поле, возникающее вокруг движущихся зарядов и магнитных диполей и оказывающее действие на движущиеся заряды и магнитные моменты. Магнитное поле — один из компонентов электромагнитного поля, описываемого уравнениями Максвелла. Оно характеризуется вектором магнитной индукции B, измеряемым в теслах (Тл), и вектором напряжённости H, измеряемым в амперах на метр (А/м).

¶История открытия

Явление магнетизма было известно с античности: древние греки заметили, что магнитный железняк притягивает железо. В 1269 году французский учёный Пьер де Марикур (Петрус Перегринус) описал магнитные полюса и указал, что одноимённые полюса отталкиваются, разноимённые — притягиваются.

В 1600 году английский врач и физик Уильям Гильберт опубликовал труд «De Magnete», в котором показал, что Земля представляет собой большой магнит и что магнитное поле Земли имеет дипольный характер. В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что стрелка компаса отклоняется рядом с проводником, по которому проходит электрический ток, — это стало первым экспериментальным доказательством связи электричества и магнетизма. В том же году Андре-Мари Ампер установил закон взаимодействия двух параллельных проводников с током и сформулировал гипотезу о том, что магнитные свойства вещества обусловлены токами, циркулирующими внутри атомов.

В 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции — возникновение тока в замкнутой цепи при изменении магнитного поля. Фарадей также ввёл понятие «силовых линий» для визуализации поля. В 1861—1865 годах Джеймс Клерк Максвелл сформулировал теорию электромагнитного поля, объединив электрические и магнитные явления в единую систему уравнений. В 1887 году Генрих Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, предсказанных теорией Максвелла.

¶Источники магнитного поля

Магнитное поле возникает в следующих случаях:

• вокруг проводника с постоянным или переменным электрическим током;
• вокруг постоянных магнитов;
• вокруг движущихся зарядов (в том числе в атомах и молекулах);
• в результате изменения во времени электрического поля (по уравнениям Максвелла);
• в сверхпроводящих кольцах с током.

Постоянные магниты изготавливают из ферромагнитных материалов — железа, никеля, кобальта и их сплавов, а также из редкоземельных соединений, например неодимовых (NdFeB) и самарий-кобальтовых (SmCo) магнитов.

¶Характеристики и свойства

Магнитное поле описывается двумя взаимосвязанными векторами:

В вакууме эти величины связаны соотношением B = μ₀H, где μ₀ — магнитная проницаемость вакуума (4π × 10⁻⁷ Гн/м). В веществе B = μH, где μ — магнитная проницаемость материала.

К основным свойствам магнитного поля относятся:

• Сила Лоренца — сила, действующая на движущийся заряд: F = q[vB], где q — заряд, v — скорость, B — магнитная индукция. Сила направлена перпендикулярно и скорости, и полю, поэтому магнитное поле не совершает работы над зарядом, а лишь изменяет направление его движения.
• Сила Ампера — сила, действующая на проводник с током в магнитном поле: F = BIL sin α, где I — сила тока, L — длина проводника, α — угол между проводником и полем.
• Электромагнитная индукция — возникновение ЭДС в контуре при изменении магнитного потока через него (закон Фарадея).

Магнитное поле не имеет монополей: магнитный поток через замкнутую поверхность всегда равен нулю (∮B·dS = 0). Это выражается в том, что линии магнитной индукции замкнуты — они не начинаются и не заканчиваются, в отличие от линий электрического поля.

¶Магнитное поле Земли

Земля обладает собственным магнитным полем, источником которого являются токи в жидком внешнем ядре планеты (динамо-механизм). Магнитное поле Земли вблизи поверхности имеет индукцию порядка 25—65 мкТл. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими: в начале XXI века северный магнитный полюс находился в Северном Ледовитом океане и смещался в сторону Сибири со скоростью около 40—50 км в год.

Магнитное поле Земли отклоняет поток заряженных частиц солнечного ветра, формируя магнитосферу, и защищает биосферу от жёсткого излучения. Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой вызывает полярные сияния и магнитные бури.

¶Применение

Магнитное поле находит широкое применение:

• Электрические машины и трансформаторы — работа генераторов, электродвигателей и трансформаторов основана на электромагнитной индукции.
• Магнитные носители информации — жёсткие диски, магнитные ленты.
• Медицина — магнитно-резонансная томография (МРТ) использует сильное магнитное поле (1,5—3 Тл и выше) для получения изображений внутренних органов.
• Научные исследования — циклотроны, токамаки (термоядерные установки), ускорители частиц.
• Бытовые устройства — датчики Холла, герконы, магнитные застёжки, компасы.

¶Интересные факты

Самое сильное постоянное магнитное поле в лабораторных условиях достигает около 45 Тл (сверхпроводящие магниты), а импульсные установки создают поля до 1200 Тл. В нейтронных звёздах (магнетарах) магнитное поле достигает 10⁸—10¹¹ Тл.

История открытия магнитного поля неразрывно связана с развитием физики в России: исследования электромагнитных явлений проводили Михаил Ломоносов, Эмилий Ленц (закон Ленца), Александр Столетов (первые в мире измерения магнитной проницаемости).

Источники:

• Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1983.
• Савельев И. В. Курс общей физики. Том 2. Электричество. — М.: Айрис-пресс.
• Трофимова Т. И. Курс общей физики. — М.: Высшая школа.
• Гильберт У. De Magnete, 1600.
• Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме, 1873.