Глава 1: Что такое магнетизм?

•  Что вызывает магнетизм?

Любой движущийся заряд создает вокруг себя магнитное поле. Это является главной причиной образования магнитного поля вокруг проводника с током. Однако источник магнитных полей, создаваемых материалами, такими как постоянные магниты, в которых ток не протекает, связан со свойствами частиц внутри материала (их “магнитным моментом”), а также движением электронов в атомах. Как правило, эти свойства сводятся к 0, однако в некоторых материалах они могут выровняться для создания общего магнитного поля.

•  Рекомендуемый фильм  Постоянный магнит представляет собой

кусок металла, который обладает

          - Что такое магниты? магнитным полем

Дополнительные вопросы

В1. Какие единицы измерения используются для магнетизма?

В2. Что такое магнитный монополь?

Магнит имеет северный и южный полюса. Невозможно изолировать один из полюсов. Резка магнита пополам для разделения полюсов создаст еще два магнита, каждый из которых будет с северным и южным полюсами. Частица только с одним магнитным полюсом известна как магнитный монополь. Несмотря на десятилетние поиски, магнитные монополи не были обнаружены, однако, по прогнозам, они существуют. Предполагается, что одним из экспериментов Большого адронного коллайдера будет поиск доказательств существования магнитных монополей.

• Какие виды магнетизма существуют?

Некоторые материалы реагируют на магнитное поле, и мы не раз видели, как металлы, например, железо, притягиваются к магнитам, однако, это лишь одна из форм магнетизма – ферромагнетизм. Материалы могут быть также парамагнитными и диамагнитными.

Ферромагнитные материалы сильно притягиваются магнитными полями и могут сохранять эти магнитные свойства даже после снятия полей. По этой причине постоянные магниты выполняются из ферромагнитных материалов. Железо, никель и кобальт являются ферромагнитами.

Магнитные поля парамагнитных материалов притягивают очень слабо. Этот эффект настолько слабый, что даже не заметен. После того как магнитное поле удаляется из парамагнитного материала, он более не сохраняет свои магнитные свойства.

Диамагнитные материалы отталкиваются от магнитных полей, однако этот эффект, как правило, очень слабый. Сверхпроводники могут быть сильно диамагнитными, означая, что они могут левитировать над мощными магнитами.

Дополнительные вопросы

В3. Что такое домен?

В ферромагнитных материалах выделяют области, где атомы имеют свои магнитные моменты, ориентированные в одном направлении, однако каждая из этих областей выравнивается в разных направлениях, из-за чего материал не может иметь общее магнитное поле. Эти области известны как домены, и только сильное магнитное поле может выровнять их. Если домены остаются выровненными, даже после того, как магнитное поле исчезнет, материал станет “постоянным” магнитом. Удары или нагревание материала могут снова привести к спонтанному направлению доменов, таким образом, размагничивая материал.

В4. Какова температура Кюри?

Если ферромагнитные материалы, как железо, нагреваются выше определенной температуры, они теряют магнетизм. Такая температура известна как температура Кюри, и для железа она составляет около 770°С. Как только материал остывает ниже температуры Кюри, он снова будет притягиваться магнитными полями.

• Как работают электромагниты?

Любой движущийся заряд генерирует магнитное поле. Для тока, протекающего в проводах, оно обычно очень слабое, если только значение силы тока не очень велико. Для того чтобы получить большее магнитное поле, нужно намотать провод вокруг катушки. В электромагните сила может быть дополнительно увеличена путем добавления сердцевины из ферромагнитного материала, такого как железо. Электромагниты могут использоваться таким образом, что напряженность поля может регулироваться путем увеличения или уменьшения тока в проводе или изменением количества витков, и самое главное, в отличие от постоянных магнитов, их можно включать и выключать. Электромагниты имеют широкое применение, в том числе в двигателях, акустических

     Магнитное поле простого электромагнита        системах и силовых дверных замках, которые используются в

Дополнительный вопрос

В5. Как магниты используются в ускорителях частиц?

Электромагниты часто используются в ускорителях частиц. Создаваемое ими магнитное поле используется для того, чтобы направлять частицы по криволинейной траектории. Этого можно достичь также с помощью специальных конфигураций электромагнитов, называемых квадруполями. Они используют два северных и два южных полюса, которые располагаются вокруг пучка таким образом, что каждый полюс находится на противоположной стороне от аналогичного полюса. В процессе образуется магнитное поле, которое за счет увеличения силы притяжения притягивает частицы за пределами центра устройства и сжимает в центре.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует мощные магниты для исследования человеческого тела. Она воздействует на протоны молекулы воды в тканях организма сильным магнитным полем. Когда поле выключается, протоны возвращаются в исходное состояние, а энергия, выделяемая во время этого процесса, фиксируется приборами и используется для получения изображений тканей внутри тела.

В отличие от других сканирований, МРТ не использует рентгеновские лучи, вследствие чего пациент не подвергается воздействию излучения. Тем не менее, пациент должен заранее проверяться на наличие металла в теле, который может перемещаться и нанести травму во время сканирования, или медицинских имплантатов, которые могут подвергаться влиянию магнитных полей.

• Рекомендуемый фильм

Дополнительный вопрос

          - МРТ

В6. Что такое СКВИД?

Очень слабые магнитные поля могут измеряться с помощью СКВИД (сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик). СКВИД измеряет поток тока в цепи, содержащей две структуры, известные как соединение Джозефсона (изготовленные из двух сверхпроводников, разделенные тонким диэлектриком), и магнитное поле может воздействовать на ток в этой цепи. СКВИДы могут измерять магнитные поля только нескольких миллионных триллионной долей тесла, а также могут использоваться для измерения очень слабых магнитных сигналов, таких как электрические токи в головном мозге. Вполне возможно, что в будущем СКВИДы могут использоваться для создания маленьких более дешевых машин МРТ, которые будут использовать слабые магнитные поля.

Глава 3: Магнитное поле Земли

• Чем обусловлено магнитное поле Земли?

Земля имеет магнитное поле, которое защищает нас от солнечного ветра, потока заряженных частиц, исходящих от Солнца. Оно обусловлено потоком расплавленного железа во внешнем ядре Земли. Магнитное поле Земли позволяет нам ориентироваться при помощи компаса, небольшого магнита, который может свободно перемещаться и ориентироваться в направлении поля. Конец магнита указывает на север, который называется северным полюсом. Но так как противоположные полюса притягиваются, это означает, что магнитный полюс, который находится на севере, на самом деле

является южным полюсом магнитного поля Земли.                                               Магнитное поле Земли вызвано потоком

расплавленного железа во внешнем ядре

Дополнительные вопросы

В8. Существуют ли магнитные поля у других планет?

У многих других планет Солнечной системы имеется магнитное поле. Марс, по-видимому, не имеет его, так как необходимое движение в расплавленном ядре исчезло. В прошлом Марс имел магнитное поле, однако причины его отсутствия теперь не совсем понятны.

Луна почти не имеет магнитного поля. Наличие слабого магнитного поля на ней подтверждают камни коры, которые стали намагничиваться. Вполне возможно, что Луна действительно имела магнитное поле в начале своей истории, когда в ее ядре происходило течение.

В9. Что такое Северное сияние?

Как только заряженные частицы от Солнца достигают Земли, они начинают взаимодействовать с ее магнитным полем. Как только магнитное поле ускоряет частицы, они сталкиваются с молекулами в воздухе и возбуждают их. Впоследствии эти молекулы излучают свет, и это может привести к потрясающим световым явлениям на ночном небе. Как правило, их можно заметить только на крайнем севере, где они известны как северное сияние, или Аврора Бореалис, и на крайнем юге, где они известны как южное полярное сияние.

Подобные эффекты наблюдались и на других планетах и спутниках Солнечной системы.

В10. Как работает компас?

Компас содержит магнит, который может поворачиваться и выравниваться с помощью внешнего магнитного поля. Это достигается путем поддержки магнита в его центре, при этом позволяя ему вращаться. Магнит будет выравниваться с полем Земли, направляясь с севера на юг, что дает представление о направлении севера и юга. Северный полюс магнита будет указывать на северный магнитный полюс Земли.

Простой компас с магнитом в центре трудно читаем. Причина этому то, что вращающийся магнит может зашкаливать прежде чем оттянется обратно. Он снова бы проскочил правильное положение, и это колебание могло бы продолжаться в течение некоторого времени. По этой причине компасы часто заполняются жидкостью, подобной воде, которая снижает колебания и позволяет магниту урегулироваться гораздо быстрее.

•  Что такое разворот магнитных полюсов?

Магнитные полюса Земли с течением

времени двигаются очень медленно, Дополнительный вопрос оставаясь в одном положении всего лишь на несколько сотен тысяч лет. В11. Что такое палеомагнитное датирование?

Последнее изменение произошло почти   Возраст некоторых артефактов можно определить с помощью 800 тысяч лет назад, и почти невозможно            наших знаний о магнитном поле Земли. Когда магнитные предсказать, когда произойдет следующий материалы нагреваются, общее расположение частиц внутри сдвиг, так как периоды между разворотами       него теряется. После того как это произойдет, частицы могут обычно длятся несколько сотен тысяч перестроиться благодаря любым внешним магнитным полям, лет, однако возможно и гораздо дольше.           которые присутствуют в окружении, в том числе магнитному Время, необходимое для того, чтобы      полю Земли. Если позже материал охлаждается, это полностью поменять местами полюса,                выравнивание “замораживается” и остается в качестве отчета о может также варьироваться от нескольких            магнитном поле Земли того времени, когда он был нагрет. до 10000 лет. Еще до конца неясно, какие последствия стоит ждать от изменения     Известно изменение направления магнитного поля Земли с полюсов, однако ясно одно, что жизнь на      течением времени. Это означает, что возраст артефактов, Земле претерпевала много кардинальных       которые нагревались, такие как кирпичи, и использовались изменений в прошлом.    в очагах, может быть найден путем измерения направления

•  Рекомендуемый фильм         магнитного поля внутри материала, и найдено время, в котором магнитное поле Земли было выровнено в этом направлении.

          - Смещение полюсов Земли

•  Что такое магнитное наклонение и магнитное склонение?

При использовании компаса важно знать, что

Северный полюс находится не в том же месте, что               ДИАГРАММА 03: и северный магнитный полюс. По этой причине магнитный север – это не то же самое, что истинный север. На самом деле, они могут отличаться на несколько градусов. Это известно как магнитное отклонение и часто указывается на картах для предотвращения навигационных ошибок.

В дополнение к этому, магнитное поле Земли не параллельно ее поверхности. Точки поднимаются вверх в южном полушарии и опускаются вниз в северном полушарии Земли. Магнитное наклонение – это угол магнитного поля Земли по отношению к земле.

Компасы реагируют на магнитное поле Земли