Магнитные поля

Магнитное поле — это форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, а также между телами, обладающими магнитным моментом. Магнитное поле является одной из двух составляющих электромагнитного поля (наряду с электрическим полем) и описывается в рамках классической электродинамики. Оно проявляется в силовом воздействии на движущиеся заряженные частицы, проводники с током, а также на тела, обладающие магнитными свойствами (ферромагнетики, парамагнетики, диамагнетики). Основной количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B, измеряемый в теслах (Тл) в Международной системе единиц (СИ). В вакууме магнитное поле также описывается напряжённостью H (измеряется в амперах на метр, А/м), которая связана с индукцией через магнитную постоянную.

История открытия и изучения

Древние наблюдения

Первые сведения о магнитных явлениях относятся к античности. Древние греки и китайцы знали о природном магните — магнетите (Fe₃O₄), который притягивал железо. В Китае в III веке до н. э. был изобретён первый компас, представлявший собой ложку из магнетита, вращающуюся на гладкой доске. Однако систематическое научное изучение магнитных полей началось значительно позже.

Эпоха Возрождения и Новое время

В 1600 году английский врач и физик Уильям Гильберт опубликовал труд «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле», в котором впервые экспериментально показал, что Земля сама является гигантским магнитом. Гильберт ввёл понятия «магнитный полюс» и «магнитное наклонение». В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводу, отклоняет магнитную стрелку компаса, тем самым установив связь между электричеством и магнетизмом. Это открытие положило начало электродинамике.

Развитие теории

В 1820 году французские учёные Жан-Батист Био и Феликс Савар сформулировали закон, определяющий магнитное поле, создаваемое постоянным током (закон Био — Савара — Лапласа). В 1831 году английский физик Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции — возникновение электрического поля при изменении магнитного поля. В 1860-х годах шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл создал единую теорию электромагнитного поля, сведя все известные законы электричества и магнетизма в систему уравнений (уравнения Максвелла). Максвелл предсказал существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, и показал, что свет — это частный случай электромагнитных волн.

Физическая природа и основные свойства

Определение и характеристики

Магнитное поле создаётся движущимися электрическими зарядами (электрическим током), а также переменными электрическими полями. В отличие от электрического поля, которое действует как на неподвижные, так и на движущиеся заряды, магнитное поле действует только на движущиеся заряды. Сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле, называется силой Лоренца и определяется по формуле: **F = q * [v × B]**, где q — заряд, v — скорость, B — магнитная индукция. Направление силы перпендикулярно как скорости заряда, так и вектору магнитной индукции.

Магнитный поток

Поток вектора магнитной индукции через поверхность (магнитный поток, Φ) является мерой количества магнитного поля, проходящего через данную площадь. В СИ измеряется в веберах (Вб). Согласно теореме Гаусса для магнитного поля, поток через любую замкнутую поверхность равен нулю. Это означает, что магнитные заряды (монополи) в природе не обнаружены — линии магнитной индукции всегда замкнуты.

Вихревой характер

Магнитное поле является вихревым: его силовые линии не имеют ни начала, ни конца, они всегда замкнуты. Это отличает его от электрического поля, создаваемого неподвижными зарядами, линии которого начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Классификация магнитных полей

По источнику

1. Постоянные магнитные поля — создаются постоянными магнитами (ферромагнетиками) или постоянными электрическими токами. Не изменяются во времени.
2. Переменные магнитные поля — создаются переменными токами или изменяющимися во времени электрическими полями. Частота и амплитуда таких полей могут варьироваться в широких пределах.
3. Импульсные магнитные поля — кратковременные, но очень сильные поля, создаваемые, например, при разряде конденсаторов через катушку.

По величине

• Слабые поля (менее 1 мТл) — характерны для бытовой техники, линий электропередач, магнитного поля Земли.
• Средние поля (1 мТл — 1 Тл) — используются в электромагнитах, магнитных сепараторах, медицинских аппаратах МРТ.
• Сильные поля (1 Тл — 100 Тл) — создаются сверхпроводящими магнитами, применяются в научных исследованиях (физика высоких энергий, термоядерный синтез).
• Сверхсильные поля (свыше 100 Тл) — получают в лабораторных условиях с помощью взрывомагнитных генераторов или лазерных установок.

Применение магнитных полей

Электротехника и энергетика

Магнитные поля лежат в основе работы всех электродвигателей, генераторов, трансформаторов, реле и электромагнитных клапанов. Вращение ротора в электродвигателе происходит за счёт взаимодействия магнитного поля статора с током в обмотках ротора. В генераторах механическая энергия превращается в электрическую благодаря движению проводников в магнитном поле.

Медицина

• Магнитно-резонансная томография (МРТ) — метод визуализации внутренних органов, основанный на взаимодействии сильного постоянного магнитного поля (обычно 1,5–3 Тл) с ядрами атомов водорода в теле человека. Позволяет получать детальные изображения мягких тканей.
• Магнитотерапия — использование слабых переменных магнитных полей для лечения некоторых заболеваний (воспаления, боли в суставах). Эффективность метода остаётся предметом научных дискуссий.
• Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) — неинвазивный метод стимуляции участков коры головного мозга с помощью импульсного магнитного поля. Применяется для диагностики и лечения неврологических и психических расстройств.

Наука и техника

• Ускорители частиц — в циклотронах, синхротронах и коллайдерах (например, Большой адронный коллайдер) магнитные поля удерживают заряженные частицы на круговых траекториях и направляют их.
• Магнитная левитация — используется в поездах на магнитной подушке (маглев), где сильные электромагниты удерживают поезд над рельсами, устраняя трение.
• Магнитные сепараторы — устройства для отделения ферромагнитных материалов от немагнитных (например, в горнорудной промышленности или при переработке отходов).

Магнитное поле Земли

Земля обладает собственным магнитным полем, которое создаётся процессами в жидком внешнем ядре (геодинамо). Магнитное поле Земли защищает биосферу от солнечного ветра и космического излучения, образуя магнитосферу. Его напряжённость на поверхности составляет около 0,025–0,065 мТл. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими и медленно дрейфуют. В последние десятилетия наблюдается ускорение этого дрейфа, что может указывать на приближающуюся инверсию (смену) магнитных полюсов, которая в истории Земли происходила многократно.

Опасность и защита

Биологическое воздействие

Сильные постоянные магнитные поля (свыше 2–3 Тл) могут оказывать влияние на живые организмы. У человека при длительном нахождении в поле высокой напряжённости возможны головокружение, тошнота, нарушение работы вестибулярного аппарата. Переменные магнитные поля промышленной частоты (50 Гц) и высокочастотные поля (например, от СВЧ-печей) при превышении санитарных норм могут вызывать нагревание тканей и другие эффекты. В Российской Федерации действуют санитарные нормы и правила (СанПиН), устанавливающие предельно допустимые уровни магнитных полей для населения и персонала.

Защита

Для защиты от магнитных полей используются материалы с высокой магнитной проницаемостью (пермаллой, му-металл), которые шунтируют магнитный поток, отводя его от защищаемого объёма. Для экранирования от низкочастотных полей применяются толстые листы ферромагнитных материалов. От высокочастотных полей эффективны экраны из хорошо проводящих материалов (медь, алюминий), в которых наводятся вихревые токи, ослабляющие поле.

Интересные факты

• Самое сильное постоянное магнитное поле, созданное человеком, составляет около 45 Тл (получено в Национальной лаборатории сильных магнитных полей США).
• Нейтронные звёзды обладают магнитными полями, достигающими 10⁸–10¹¹ Тл, что в триллионы раз сильнее земного.
• У некоторых животных (птицы, черепахи, пчёлы) есть способность к магниторецепции — они чувствуют магнитное поле Земли и используют его для навигации.
• Магнитное поле Солнца меняет свою полярность примерно каждые 11 лет, что связано с солнечным циклом активности.

Источники

• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том 3: Электричество. — М.: Физматлит, 2004.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Том 2: Теория поля. — М.: Наука, 1988.
• Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Том 5: Электричество и магнетизм. — М.: Мир, 1977.
• СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03 «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов» (РФ).
• Большая российская энциклопедия: Магнитное поле. — М.: БРЭ, 2005.