Магнітні яв.

Тема 3.3. Основи електродинаміки магнітних явищ.

§34. Загальні відомості про магнітні явища. Дослід Ерстеда.

§35. Теорія Ампера. Основи теорії магнітних властивостей речовини.

§36. Взаємодія електричних струмів. Закон Ампера.

§37. Магнітне поле. Індукція магнітного поля.

§38. Сила Ампера.

§39. Застосування сили Ампера.

§40. Про магнітне поле Землі.

          Тема 3.3.   Основи електродинаміки магнітних явищ.

§34. Загальні відомості про магнітні явища. Дослід Ерстеда.

 

З незапам’ятних часів люди знали про те, що в природі зустрічаються дивні сріблясто чорні камінці, які певним чином взаємодіють між собою та притягують залізо. Ці природні мінерали у великій кількості зустрічались в околицях стародавнього міста Магнезія, що на території сучасної Туреччини. Тому ще за 600 років до нашої ери, один з засновників давньогрецької науки Фалес Мілетський назвав ці привезені з Магнезії камінці Magnitys litos – камінь з Магнезії. Згодом ця назва трансформувалась до звичного нам магніти. До речі, сьогодні  Magnitys litos ми називаємо магнетитом або магнітним залізняком (F3O4).

Магніти мали ще одну характерну особливість: маючи можливість вільно обертатись, вони завжди орієнтувались в певному напрямку, і цей напрямок практично співпадав з віссю південь – північ (мал.92). Цей факт було покладено в основу надзвичайно важливого навігаційного приладу – компасу. Хто автор цього видатного винаходу, достовірно невідомо. Відомо лише те, що про компас європейці дізнались від арабів.

    

Мал.92. Магнетит – природний магніт. Маючи можливість вільно обертатись магніт (магнітна стрілка) завжди орієнтується в певному напрямку.

Та якби там не було, а починаючи з 12-го століття, компас отримав широке застосування в навігаційній практиці. При цьому люди по суті не розуміли принцип дії компасу. Не розуміли суті магнітних явищ. Не розуміли, чому магніти діють на залізо і не діють на золото, срібло, мідь, деревину та інші матеріали. Лише в 1788 році, французький фізик Шарль Кулон зробив першу, більш-менш вдалу спробу створити теорію магнетизму. В основі теорії Кулона лежало твердження про те, що в магнетизмі як і в електриці існує два види магнітних зарядів і що полюси магнітів є зосередженням цих зарядів.

Теорія Кулона виглядала цілком логічною. Адже магніти своїми однойменними полюсами відштовхуються, а різнойменними притягуються, тобто ведуть себе таким же чином як і електричні заряди. А зважаючи на факт того, що в електриці теорія різнойменних  зарядів успішно пояснювала все різноманіття відомих електричних явищ, було цілком логічним передбачити, що і в схожих магнітних явищах, теорія різнойменних магнітних зарядів мала б працювати.

          

Мал.93. Магнітні полюси та електричні заряди взаємодіють подібним чином.

Та от біда. Те, що спрацьовувало в електриці не спрацьовувало в магнетизмі. Дійсно. Якщо різнойменні магнітні заряди існують, а північний і південний полюси магніту є місцями їх накопичення, то логічно передбачити що при поділі (розрізанні) магніту на дві рівні частини, на одній з них мав би бути певний надлишок “південних” зарядів, а на іншій – “північних”. Здійснивши відповідний експеримент, ви неодмінно з’ясуєте, що дві половини магніту будуть новими магнітами, в кожному з яких буде свій північний і південний полюси. Ви можете скільки завгодно ділити магніт, вигадувати які завгодно технології цього поділу, але результат виявиться одним і тим же: будь які, навіть найдрібніші частинки магніту неминуче мають два полюси, розділити які не можливо. Цей експериментальний факт, явно суперечив теорії магнітних зарядів і безумовно вказував на те, що ця теорія є хибною.

  

Мал.94. Розділити магнітні полюси не можливо.

Потрібно зауважити, що в часи Кулона вчені вважали, що електрика і магнетизм – це абсолютно різні, не пов’язані явища. Лише в 1820 році сталася подія, яка кардинально змінила історію магнетизму. В цьому році данський фізик Ганс Крістіан Ерстед (1777-1851) експериментально встановив, що магнітна стрілка реагує не лише на присутність постійного магніту, а й на присутність електричного струму (мал.95). Це означало, що між електричними і магнітними явищами існує певний зв’язок, і що магнітну дію створюють не лише постійні магніти, а й електричні струми.

  

Мал. 95.  Магнітна стрілка реагує не лише на присутність постійного магніту, а й на присутність провідника з струмом.

Існує студентська байка про те, що своїм відкриттям Ерстед має завдячувати одному уважному студенту. Згідно з цією байкою, професор Ерстед на одній з своїх лекцій пояснював студентам загально прийняту на той час тезу про те, що електрика і магнетизм, це абсолютно різні явища між якими нема жодного зв՚язку. А щоб його пояснення були більш переконливими, Ерстед супроводжував їх наступними демонстраціями.

Демонструючи суть магнетизму, Ерстед наближав постійний магніт до магнітної стрілки і та відповідним чином реагувала на це наближення. Потім говорячи про факт непов՚язаності магнітних та електричних явищ, Ерстед наголошував на тому, що магнітна стрілка на магніт реагує, а от на електричний струм – не реагує. І от коли професор включив електричний струм, магнітна стрілка ледь помітно відхилилась. При цьому говорять, що сам Ерстед даний факт не помітив. А от один уважний студент звернув увагу професора на факт відхилення магнітної стрілки. Коли ж експеримент повторили, то з՚ясувалося що магнітна стрілка дійсно реагує на присутність електричного струму. А це означало що між електричними та магнітними явищами існує певний зв’язок.

Та як би там не було, а фактом залишається те, що в 1820 році данський фізик Ерстед опублікував невеличку статтю, в якій оприлюднив факт того, що магнітна стрілка реагує не лише на присутність постійних магнітів, а й на присутність електричних струмів. І що тому між електричними та магнітними явищами існує певний зв’язок.

Таким чином, на середину 1820 року наукові знання в сфері магнетизму представляли собою сукупність наступних експериментальних фактів.

1.Пепеважна більшість матеріалів, суттєвих магнітних властивостей не проявляють.

2. Потужні магнітні властивості мають лише так звані феромагнетики, до числа яких відносяться залізо, кобальт, нікель та деякі їх сполуки і сплави.

3. Магнітні властивості феромагнетиків можуть бути як активними (постійні магніти) так і пасивними (ненамагнічене залізо).

4. Постійні магніти мають два полюси (південний і північний), які взаємодіють між собою: однойменні полюси відштовхуються, різнойменні – притягуються.

5. Розділити магнітні полюси не можливо.

6. Магнітну дію створюють не лише постійні магніти, а й електричні струми.

Контрольні запитання.

1.Яке походження терміну “магніт”?

2. Яке перше практичне застосування магнітів?

3. Як називаються ті речовини, які мають потужні магнітні властивості? Чому вони мають таку назву?

4. Як взаємодіють постійні магніти?

5. В чому схожість електричних та магнітних взаємодій?

6. В чому суть кулонівської теорії магнетизму?

7. Який факт явно суперечив кулонівській теорії магнетизму?

8. На що вказували результати досліду Ерстеда?

9. Що було відомо про магнітні явища на середину 1820 року?

 

§35 Теорія Ампера. Основи теорії магнітних властивостей речовини.

 

Аналізуючи відомі властивості магнітів та факт взаємозвязку електричного струму з магнетизмом, французький фізик Анре Ампер (1775-1836) в кінці 1820 року створив першу, науково обгрунтовану теорію магнетизму. Ампер зрозумів, що джерелом магнетизму є не якісь гіпотетичні магнітні заряди, а електричні струми. Це пояснювало факт того, чому електричний струм діє на магнітну стрілку. Однак, твердження про те, що джерелом магнетизму є електричний струм, не пояснювало походження магнітних властивостей самої стрілки та постійних магнітів. Пояснюючи даний факт, Ампер висунув гіпотезу про те, що в кожному тілі існують певні внутрішні струми (ці струми він назвав “молекулярними”), які і надають тілу відповідних магнітних властивостей.

Згідно з теорією Ампера, кожний “молекулярний струм” створює певну елементарну магнітну дію. При цьому, в залежності від просторової орієнтації цих елементарних дій (елементарних магнітів), тіло набуває відповідних магнітних властивостей. Скажімо, якщо елементарні магніти орієнтовані хаотично або попарно протилежно (мал.96а), то їх магнітні дії нівелюють одна одну і відповідне тіло магнітних властивостей не проявляє. Якщо ж елементарні магніти співнаправлені (мал.96б), то їх магнітні дії підсилюються і тіло має відповідні магнітні властивості.

Мал.96. В залежності від просторової орієнтації елементарних «молекулярних струмів», відповідне тіло не має магнітні власчтивості (а), або має їх (б).

Теорія Ампера дозволила аргументовано пояснити все різноманіття відомих на той час магнітних явищ. Зокрема і факт неможливості розділення магнітних полюсів. Адже згідно з цією теорією, магнітні властивості створюють не зосереджені на полюсах різнойменні магнітні заряди, а ті процеси які відбуваються в кожній молекулі тіла і та просторова орієнтація яка цим процесам притаманна. І якщо в кожному фрагменті великого магніту, всі елементарні магніти (елементарні «молекулярні струми») орієнтовані в одному напрямку, то скільки б ми не ділили цей магніт, кожен його фрагмент буде відповідним магнітом.

Таким чином, в 1820 році була створена перша науково обгрунтована теорія магнетизму (теорія Ампера). Основу цієї теорії складають два твердження: 1. Джерелом магнетизму (джерелом магнітного поля) є електричний струм. 2. В кожному тілі існують внутрішні “молекулярні” струми, які і надають цьому тілу відповідних магнітних властивостей.

Сьогодні, коли ви знаєте про будову атома і про те, що в ньому електрони обертаються навколо ядра, не важко збагнути, що тими «молекулярними» струмами про які говорив Ампер є ті мікро струми які створюють електрони в процесі їх обертання навколо ядра (мал.97). Ампер не знав і не міг знати про будову атома та про існування електронів. Його наукове передбачення, це результат аналізу експериментальних фактів та інтуіції видатного вченого.

Мал.97. Процес обертання електрона навколо ядра атома еквівалентний певному мікроструму, який і надає атому відповідних магнітних властивостей.

Ви можете запитати: а чому потужні магнітні властивості мають лише залізо, кобальт та нікель, тоді як інші матеріали подібних властивостей майже не проявляють. Гранично стисло та максимально спрощено відповідаючи на це складне запитання, можна сказати наступне.

Більшість елементарних частинок в тому числі і електрони, ведуть себе таким чином ніби вони обертаються навколо власної осі. Зверніть увагу на це “ніби” і не намагайтесь представити справу таким чином ніби електрони дійсно обертаються навколо своєї осі, подібно до того як це робить розкручена дзиґа, чи планета Земля. Не намагайтесь тому, що електрон абсолютно не схожий а ні на дзиґу, а ні на Землю, а ні на маленьку кульку, а ні на будь які інші відомі вам тіла.

Характеризуючи ті властивості електрона які певним чином схожі на властивості тіла що обертається навколо власної осі, говорять про те, що електрон має спін (від англ. spin – крутитись). По суті, спін – це внутрішня, невід’ємна властивість елементарної частинки, така ж як її маса та електричний заряд. Електрон не може втратити свій спін, як не може втратити свою масу та електричний заряд. Спін, це суто квантове поняття і тому сьогодні ми не будемо говорити про його фізичний зміст. Ми просто констатуємо факт того, що ті магнітні властивості які створює електрон в атомі, визначаються двома обставинами: орбітальним рухом електрона навколо ядра та його внутрішньою властивістю яку характеризує величина під назвою спін. При цьому саме спін визначає напрям того магнітного моменту який створює даний електрон. Умовно кажучи знак спіну вказує на те, в якому напрямку буде обертатись електрон: справа наліво чи зліва направо.

Напевно на уроках хімії ви вже розглядали питання про будову атомів та представляли розподіл електронів в них у вигляді відповідних електронних схем (мал.98). Пояснюючи ці схеми  перш за все зауважимо, що кожній зображеній на схемі стрілці відповідає один електрон. При цьому напрям стрілки вказує на знак його спіну. Наприклад в атомі гелію міститься два електрони, один з яких має додатній спін, а інший – від’ємний. Умовно кажучи, в атомі гелію один електрон обертається зліва направо, а інший – справа наліво. А це означає, що загальні магнітні властивості атома гелію є практично нульовими.

Мал.98. Схема розподілу електронів в деяких атомах.

В атомі водню міститься лише один електрон, спін якого може бути або додатнім, або від’ємним. А це означає, що атом водню має суттєві магнітні властивості. Однак в природі ви не зустріните обособлених атомів водню. Адже вони неминуче об’єднуються між собою (або з іншими атомами) та утворюють відповідні молекули. При цьому в молекулі водню ніколи не буває двох однакових атомів водню. Бо в одному з них електрон має додатній спін, а в другому – від’ємний. А це означає, що молекула водню магнітних властивостей не має.

Подібним чином ведуть себе майже всі атоми. Вони або за своєю природою не мають суттєвих магнітних властивостей, або маючи такі властивості при об’єднанні з іншими атомами, ці властивості втрачають. Втрачають тому, що об’єднуються таким чином, що їх магнітні моменти взаємно компенсуються (мал.99а). І лише атоми заліза (Fe), кобальту (Со) та нікелю (Ni) ведуть себе по іншому. Об’єднуючись в кристалічні структури, ці атоми орієнтуються таким чином, що їх магнітні моменти не взаємно компенсуються, а взаємно підсилюються(99б). На разі ми не будемо говорити про те, чому атоми заліза, кобальту та нікелю ведуть себе не так як всі. Зауважимо тільки, що їх поведінка не є якоюсь аномальною, і що вона повністю відповідає законам квантової фізики.

а)    б)

Мал.99. Зазвичай атоми об’єднуються таким чином, що їх магнітні дії взаємно нівелюються (а) і лише у Fe, Co, Ni ці дії підсилюються (б).

Ви можете запитати: «А чому одні феромагнітні тіла є постійно намагніченими (постійні магніти), тоді як інші, стають намагніченими лише в присутності стороннього магніту чи струму, а за їх відсутності, набуті магнітні властивості швидко втрачають?». Стисло відповідаючи на це запитання можна сказати наступне. Дослідження показують, що в феромагнітних тілах, атоми завжди об’єднуються в певні групи, які називаються магнітними доменами (від. франц. domain – певна область, володіння). В межах домену магнітні моменти всіх атомів орієнтовані в одному напрямку. І тому кожний домен представляє собою маленький магніт, момент якого дорівнює сумі магнітних моментів всіх його атомів. При цьому, якщо домени орієнтовані безладно, то відповідне феромагнітне тіло активних магнітних властивостей не проявляє (мал.100а). А якщо домени орієнтовані в одному напрямку, то тіло проявляє активні магнітні властивості (мал.100б).

Мал.100.  При хаотичній орієнтації доменів (а), феромагнітне тіло не проявляє активних магнітних властивостей. А при упорядкованій орієнтації (б) – проявляє їх.

В залежності від рухливості доменів, тобто від їх здатності швидко чи повільно змінювати свою просторову орієнтацію, феромагнітні речовини поділяються на магнітно м’які та магнітно тверді. В магнітно м’яких феромагнетиках, домени надзвичайно рухливі і тому відповідні речовини легко намагнічуються і легко розмагнічуються. З магнітно м’яких феромагнетиків виготовляють осердя трансформаторів, електродвигунів, генераторів, тощо. В магнітно твердих феромагнетиках, домени неповороткі і тому відповідні речовини з великими потугами намагнічуються, і з не меншими потугами розмагнічуються. З магнітно твердих феромагнетиків виготовляють постійні магніти.

Потрібно зауважити, що в природі не існує атомів, молекул чи макротіл, які б в тій чи іншій мірі не проявляли магнітних властивостей. Тому говорячи про те, що даний атом, дана молекула чи дана речовина не мають магнітних властивостей, мають на увазі лише те, що ці властивості є надзвичайно слабкими. Різноманіття ж тих речовин магнітні властивості яких є малопомітними, прийнято розділяти на дві групи: парамагнетики та діамагнетики. Основна зовнішня відмінність між пара- та діа- магнетиками полягає в тому, що перші ледь помітно притягуються до джерела сильного магнітного поля, а другі, навпаки – ледь помітно відштовхуються від такого джерела.

Контрольні запитання.

1.Що було відомо про магнітні явища на середину 1820 року?

2. Що стверджується в теорії Ампера?

3. Як теорія Ампера пояснювала факт того що деякі матеріали мають магнітні властивості, а інші – таких властивостей не мають?

4. Чому магнітні полюси не можливо відділити один від одного?

5. Від чого залежать магнітні властивості обособленого атома?

6. Чи має суттєві магнітні властивості: а) атом гелію; б) атом водню; в) молекула водню? Чому?

7. Як пояснити факт того, що магнітні властивості феромагнетиків можуть бути як пасивними (ненамагнічене залізо) так і активними (намагнічене залізо)?

8. Які матеріали називають: магнітно м’якими? магнітно твердими?

9. З яких матеріалів і яким чином виготовляють постійні магніти?

 

§36. Взаємодії електричних струмів. Закон Ампера.

 

Ампер не лише пояснив фізичну суть магнітних взаємодій, а й зробив вагомий внесок в експериментальне дослідження цих взаємодій. Зокрема він експериментально встановив, що взаємодіють не лише полюси магнітів (однойменні полюси відштовхуються, різнойменні притягуються), а й електричні струми. При цьому, співнаправлені струми притягуються, а протинаправлені – відштовхуються.

Мал.101. Співнаправлені струми притягуються, протинаправлені – відштовхуються.

Узагальнюючи результати своїх експериментальних досліджень, Ампер сформулював висновок який прийнято називати законом Ампера. В цьому законі стверджується: Електричні струми взаємодіють між собою: співнаправлені струми притягуються, протинаправлені – відштовхуються. При цьому, з боку безкінечно довгого, прямолінійного провідника з стумом І1 на достатньо малий фрагмент струму І2 діє магнітна сила Fм, величина якої визначається за формулою  Fм=kI1I2Δlsinα/r,  де

І1, І2 – величини взаємодіючих струмів;

Δl – довжина ділянки взаємодії;

r – відстань між струми;

α – кут який характкризує взаємну орієнтацію струмів: якщо струми паралельні, то sinα=1, при цьому Fм=kI1I2Δl/r=max, якщо струми перпендикулярні, то sinα=0, при цьому Fм=0);

k – коефіцієнт пропорційності, величина якого залежить від властивостей того середовища в якому знаходяться взаємодіючі струми.

Експерементально встановлено, що для вакууму, величина коефіцієнту пропорційності в законі Ампера становить k=k0=2∙10-7Н/А2. Це означає, що у вакуумі два паралельних (sinα=1) провідники з струмом по одному амперу кожний (І12=1А), розташованих на відстані 1м (r=1м), на ділянці взаємодії 1м (Δℓ=1м), взаємодіють з силою Fм=2∙10-7Н. Іншими словами: якщо І12=1А; r=1м; Δl=1м; sinα=1, то у вакуумі Fм=2∙10-7Н.

Залежність коефіцієнту k від магнітних властивостей того середовища в якому знаходяться взаємодіючі струми, можна передставити у вигляді k=μk0, де μ – магнітна проникливість середовища.

Магнітна проникливість середовища, це фізична величина, яка характеризує магнітні властивості даного середовища і яка показує, у скільки разів сила магнітної взаємодії стумів в даному середовищі (F) більша за силу їх взаємодії в вакуумі (F0).

Позначається: μ

Визначальне рівняння: μ = F/F0

Одиниця вимірювання: [μ]=H/H= – ,  (рази).

Для переважної більшості матеріалів μ≅1. Це означає, що магнітні властивості цих матеріалів майже не відрізняються від магнітних властивостей вакууму. Лише для феромагнетиків, магнітна проникливість середовища вимірюється сотнями, тисячами, десятками тисяч, а іноді і сотнями тисяч одиниць. Наприклад для кобальту μ=175, для нікелю μ=1100, для заліза μ=8000, а для сплаву який називається пермалой-68 (68%Ni + 32%Fe) μ=250000.

Факт того, що феромагнетики в тисячі разів підсилють магнітну дію струмів, має надзвичайно важливе практичне значення. Адже по суті, магнітні сили є не надто потужними (k0=2∙10-7Н/А2). І якщо ці малопутужні сили мають велике практичне застосування, то це тільки тому, що в природі є матеріали які фантастично підсилюють магнітну дію струмів. І нам надзвичайно пощастило, що такі матеріали існують, і що на Землі цих матеріалів (зокрема заліза та нікеля) достатньо багато.

Ілюструючи підсилювальну дію заліза проведемо наступний експеримент. Через демонстраційну котушку пропустимо струм 2-3А. При цьому котушка створить певне магнітне поле, наявність якого зафіксує факт притягування до котушки залізних цвяхів (мал.102а). Ввівши в котушку залізе осердя, ви неодмінно зясуєте, що магнітна дія котушки стала набагато потужнішою (мал.102б). І це при тому, що сила струму в котушці стала значно меншою. Адже підсиленя магнітної дії не може бути безкоштовним. Таким чином наявність в котушці феромангітного осердя, дозволяє при відносно малих струмах створювати потужну магнітну дію. Власне тому у всіх трансформаторах, генераторах, електродвигунах, електромагнітах та інших електромагнітних приладах, неминуче присутні феромагнітні деталі.

         

Мал.102. Феромагнітні осердя дозволяють за допомогою відносно малих струмів отримувати потужну магнітну дію.

Закон Ампера знаходиться в ряду тих базових законів Природи які описують гравітаційні, електричні та магнітні взаємодії і які називаються законом всесвітнього тіжіння, законом Кулона та законом Ампера. Загальну порівняльну інформацію про ці закони можна представити у вигляді.

Fгр=Gm1m2/r2                      Fел=kq1q2/r2                       Fм=kI1I2∆ℓsinα/r

G0=6,67∙10-11Нм2/кг2          k0=9∙109Нм2/Кл2              k0=2∙10-7Н/А2

G = G0                                 k=k0/ε                                 k=μk0

Оскільки ті коефіцієнти які фігурують в законі всесвітнього тяжіння (G0=6,67∙10-11Нм2/кг2), законі Кулона (k0=9∙109Нм2/Кл2) та законі Ампера (k0=2∙10-7Н/А2), по суті характеризують питому величину відповідної сили, то можна стверджувати, що в масштабі загально прийнятої системи одиниць (кілограм – метр – секунда – ампер) магнітні сили є набагато слабшими за електричні але значно потужнішими за гравітаційні: Fгр < Fм << Fел .

Не важко бачити, що формула Fм=kI1I2Δlsinα/r є значно складнішою за математичні формулювання законів Кулона та всесвітнього тяжіння. Пояснюючи даний факт можна сказати наступне. В законі Кулона та законі всесвітнього тяжіння, мова йде про взаємодії точкових зарядів і точкових мас. А для таких взаємодій, ні розміри, ні просторова орієнтація взаємодіючих об’єктів не мають значення. Тому і відповідні формули виявляються гранично простими. В законі ж Ампера, мова йде про взаємодію електричних струмів, тобто об’єктів які не можуть бути точковими. А це означає, що описуючи відповідні взаємодії, потрібно враховувати як лінійні розміри взаємодіючих струмів, так і їх просторову орієнтацію. Тому в законі Ампера і фігурують відповідні характеристики струмів: Δl – довжина ділянки взаємадії, α – кут який характеризує взаємну орієнтацію струмів.

Загалом, ті закони і ті величини які описують магнітні взаємодії є суттєво складнішими за відповідні закони та величини електростатики. І це головним чином пов’язано з тим, що описуючи магнітні взаємодії, потрібно враховувати геометричні параметри взаємодіючих об’єктів та їх просторову орієнтацію.

На завершення додамо, що закон Ампера дозволив вченим дати чітке визначення тій базовій одиниці, яка називається ампером. Ось це офіційне визначення. Ампер – це одиниця вимірювання сили струму, яка дорівнює величині такого постійного струму, який при проходженні через два паралельні прямолінійні провідники безкінечної довжини і гранично малої площі круглого поперечного перерізу, розташованих в вакуумі на відстані 1м, створюють на кожній ділянці провідника довжиною 1м силу взаємодії 2∙10-7Н.

Контрольні запитання.

1.Від чого залежить сила магнітної взаємодії струмів?

2.Поясніть фізичний зміст коефіцієнту k0=2∙10-7Н/А2.

3. Чому математичне формулювання закону Ампера є складнішим за аналогічне формулювання законів Кулона та всесвітнього тяжіння?

4. Чому ми стверджуємо, що в масштабі загально прийнятої системи одиниць, Fгр < Fм << Fел ? Порівняйте ці сили.

5. Що характеризує і що показує магнітна проникливість середовища?

6. Магнітна проникливість сплаву пермалой-68 становить 250 000. Що це означаю? Це добре, чи погано?

7. Поясніть, чому відносно слабкі магнітні сили, мають широке практичне застосування?

8. Який зв’язок між визначенням одиниці сили струму (ампер) та величиною коефіцієнту k0 в законі Ампера?

 

§37. Магнітне поле. Індукція магнітного поля.

Дослідження показують, що магнітні взаємодії, подібно до взаємодій електричних та гравітаційних, здійснюються через особливий матеріальний посередник який називається магнітним полем, і що механізм цих взаємодій полягає в наступному. Будь який електричний струм створює в навколишньому просторі певне силове збурення, яке називається магнітним полем і яке є тим посередником що передає силову дію від одного струму до іншого і навпаки. Магнітне поле має одну визначальну властивість – здатність певним чином діяти на електричні струми (на заряди що рухаються). Це означає, що для з’ясування факту того, є в даній точці простору магнітне поле чи нема, в цю точку потрібно внести певний пробний струм і подивитись на його реакцію (поведінку). При цьому, якщо на пробний струм не подіє

магнітна сила, то це означатиме, що у відповідній точці простору поля нема. А якщо така сила подіє – значить поле є.

  

Мал.103. Магнітне поле – це таке силове збурення простору, яке створюється електричними струмами (зарядами що рухаються) і діє на електричні струми.

Потрібно зауважити, що коли ми стверджуємо – магнітні поля створюються електричними струмами і діють на електричні струми, то маємо на увазі, що цими струмами можуть бути не лише провідники з струмом, а й ті внутрішні струми які існують в феромагнітних та інших тілах, а також ті струми які характеризують рух окремо взятої зарядженої частинки.

Зауважимо також, що з практичної точки зору, в якості того індикатора який реагує на наявність магнітного поля, доцільно брати не маленький фрагмент провідника з струмом, а маленьку магнітну стрілку. Однак, з точки зору математичної строгості теоретичних пояснень, такий індикатор не є надто зручним. Адже зазвичай, ми не знаємо кількісних параметрів тих внутрішніх струмів які надають стрілці відповідних магнітних властивостей. Тому кількісно описуючи магнітні поля, в якості чутливого до них індикатора обирають маленький пробний струм, який характеризується певною величиною (Іп), певною довжиною (Δl) та певною орієнтацією в просторі (α).

Згідно з законом Ампера, величина тієї магнітної сили (Fм), що діє на пробний струм в даній точці поля, залежить не лише від параметрів цього поля, а й від параметрів самого пробного струму: Fм=kIIпΔlsinα/r =ƒ(ІпΔlsinα). А це означає, що за діючою на пробний струм силою можна визначити лише наявність поля у відповідній точці. Але за величиною цієї сили не можна сказати, яке це поле – “сильне” чи “слабке”. Зважаючи на ці обставини, магнітні поля характеризують не тією силою що діє на пробний струм в тій чи іншій точці поля, а величиною яка називається магнітною індукцією.

Магнітна індукція – це фізична величина, яка є силовою характеристикою магнітного поля і яка дорівнює скалярному відношенню тієї магнітної сили (Fм) що діє на пробний струм в даній точці поля, до добутку тих величин, які цей струм характеризують (Іп∆ℓsinα).

Позначається: В

Визначальне рівняння: В=FмпΔlsinα

Одиниця вимірювання: [B]=H/A∙м=Тл,  (тесла)*

*) Названо на честь сербського фізика Миколи Тесла (1856-1943).

Магнітна індукція, величина векторна. При цьому визначальне рівняння магнітної індукції не дозволяє визначити напрям її вектора. Не дозволяє тому, що напрям вектора В не співпадає з напрямком жодної з наявних в рівнянні величин (Fм, Іп, Δl). Напрям вектора магнітної індукції визначають за сукупністю трьох правил. Ми не будемо формулювати ці правила. Просто зауважимо, що в тому магнітному полі, яке створюють постійні магніти (мал.104б), ті лінії магнітної індукції якими зображають магнітні поля і які вказують на напрям вектора В у відповідній точці, йдуть від північного полюса  магніту (N) до його південного полюса (S). Зауважимо також, що магнітне поле котушки з струмом (мал.104а), є еквівалентним магнітному полю постійного магніту. Різниця лише в тому, що параметри магнітного поля котушки ми можемо регулювати, наприклад шляхом регулювання сили струму в котушці, або шляхом введення чи виведення осердя.

Мал.104. Лінії магнітної індукції ідуть від північного полюса (N) магніту до його південного полюса (S).

За своєю фізичною суттю, індукція магнітного поля є величиною аналогічною напруженості електричного поля (Е=Fел/qп). Однак, між цими силовими характеристиками полів є суттєві відмінності. Найважливіша з них полягає в тому, що напрям вектора напруженості електричного поля співпадає з напрямком тієї сили що діє на пробний заряд (за домовленістю позитивний). Напрям же вектора магнітної індукції, перпендикулярний до напрямку діючої на пробний струм магнітної сили.

Магнітні поля, як і поля електричні та гравітаційні підпорядковані дії закону, який називається принципом суперпозиції полів або принципом незалежності дії полів. Відносно магнітних полів цей закон стверджує: магнітні поля діють незалежно одне від одного (не заважаючи одне одному), і тому при їх накладанні магнітна індукція результуючого поля дорівнює векторній сумі індукцій кожного окремого поля системи, тобто Врез=∑Ві.

В науковій практиці, магнітні поля зображають за допомогою умовних ліній які називаються лініями магнітної індукції. Лінії магнітної індукції, це такі умовні лінії, за допомогою яких зображають магнітні поля. Лінія магнітної індукції проводиться таким чином, що дотична до неї в будь якій точці поля, співпадає з напрямком результуючого вектора магнітної індукції в цій точці.

Наприклад на мал.104 представлені, «намальовані» лініями магнітної індукції картини тих магнітних полів які створюють котушка з струмом та стержневий магніт. І потрібно зауважити, що правильно «намальована» картина магнітного поля, це не певна фантазія художника, а об’єктивне відображення реальних властивостей відповідного магнітного поля. Адже, якщо в це поле внести достатньо велику кількість дрібних магнітних стрілок, то вони розташуються таким чином, що «намалюють» картинку дуже схожу на ту яка намальована лініями магнітної індукції (мал105а).

На практиці, магнітні стрілки можна замінити дрібними продовгуватими залізними ошурками. В магнітному полі, кожний такий ошурок представлятиме собою мініатюрну магнітні стрілку, яка прагнутиме орієнтуватись вздовж ліній магнітної індукції поля. Результатом цих прагнень буде певна візуальна картинка відповідного магнітного поля.

   

Мал.105. Картини магнітних полів отримані за допомогою магнітних стрілок та залізних ошурків.

Контрольні запитання.

1.Поясніть, яким чином силова дія передається від одного струму до іншого?

2. Що називають магнітним полем?

3. Як можна встановити наявність магнітного поля?

4. Чому для кількісного описання параметрів магнітного поля застосовують не пробні магнітні стрілки, а пробні струми?

5. Чому ту магнітну силу що діє на пробний струм в даній точці поля не можна вважати об’єктивною силовою характеристикою цього поля?

6. Що характеризує і чому дорівнює магнітна індукція?

7. Поясніть чим схожі і чим відрізняються напруженість електричного поля та магнітна індукція?

8. Що стверджує принцип суперпозиції магнітних полів?

 

§38. Сила Ампера.

 

Оскільки та силова характеристика магнітного поля яка називається магнітною індукцією, визначається за формулою В=Fм/IΔlsinα, то величину тієї магнітної сили з якою поле діє на провідник з струмом можна визначити за формулою Fм=ВІΔlsinα. Цю силу прийнято називати силою Ампера.

Сила Ампера, це та сила, з якою магнітне поле діє на провідник з струмом і яка дорівнює добутку магнітної індукції поля (В) на силу струму в провіднику (І), довжину ділянки взаємодії струму з полем (Δl) та синусу кута між векторами магнітної індукції (В) і сили струму (І).

Позначається: FА

Визначальне рівняння: FА=ВІΔlsinα

Одиниця вимірювання: [FА]=H.

Визначальне рівняння сили Ампера FА=ВІ∆ℓsinα не визначає напрям дії цієї сили. Не визначає тому, що напрям жодної з тих величин які фігурують в цьому рівнянні (В, І, Δl), не співпадає з напрямком дії сили Ампера і не є протилежним цьому напрямку. Напрям сили Ампера визначають за спеціальним правилом, яке називається правилом лівої руки. Це правило стверджує: якщо розкриту долоню лівої руки (мал.106) розташувати так, щоб лінії магнітної індукції (лінії вектора В) входили в долоню, а чотири пальці вказували напрям струму в провіднику, то відігнутий великий палець руки вкаже напрям сили Ампера.

     

Мал.106. В магнітному полі на провідник з струмом діє сила Ампера, напрям якої визначається правилом лівої руки.

Потрібно зауважити, що вектори магнітної індукції (В), сили струму (І) та сили Ампера (FA) є взаємно перпендикулярними. А це означає, що один з цих векторів обов’язково знаходиться в площині, яка перпендикулярна до тієї площини в якій знаходяться два інші вектори. В такій ситуації представити всі три вектори у вигляді відповідних направлених відрізків можна лише на відповідному об’ємному малюнку (мал.106а, 106б, 108). І як ви розумієте, виконання подібних малюнків потребує як певних навичок так і великих часових затрат. Тому на практиці часто застосовують схематичне зображення відповідних ситуацій. Ця схематичність полягає в тому, що ті вектори які знаходиться в площині перпендикулярній до площини малюнку, зображають у вигляді або точок (якщо відповідні вектори направлені до вас), або хрестиків (якщо відповідні вектори направлені від вас). При цьому, якщо мова йде про силу струму (І), або силу Ампера (FA), то їм відповідні точки та хрестики ставляться в центрі кружечка. Приклади подібних схематичних зображень представлені на мал.107.

Мал.107. Приклади схематичного зображення ситуацій в яких потрібно визначити напрям сили Ампера.

Аналізуючи представлені на мал.107 ситуації, та застосовуючи правило лівої руки, можна стверджувати:

а) сила Ампера направлена вверх;

б) сила Ампера направлена вправо;

в) сила Ампера направлена вліво;

г) сила Ампера направлена ???

Дійсно, в ситуації, коли провідник з струмом розташований вздовж ліній магнітної індукції, правило лівої руки не працює. Адже долоня не може бути одночасно і розкритою (лінії індукції мають входити в розкриту долоню лівої руки) і зігнутою (чотири пальці мають вказувати напрям струму в провіднику). Втім, дана ситуація має своє логічне пояснення. І це пояснення полягає в тому, що на той провідник з струмом який направлений вздовж ліній магнітної індукції поля, сила Ампера не діє (FА). Дійсно, якщо провідник з струмом розташований вздовж ліній магнітної індукції, то α=0º або α=180º. А враховуючи, що sin0º=sin180º=0, отримаємо  FА=ВІΔlsinα=0.

Практично важливою є ситуація, коли в однорідному магнітному полі знаходиться рамка з струмом (мал.108). Очевидною особливістю рамки є факт того, що в її бічних сторонах протікають рівні за величиною і протилежні за напрямком струми. А це означає, що в однорідному магнітному полі, на бічні сторони рамки діють дві рівні за величиною і протилежні за напрямком сили Ампера, які надають рамці відповідного обертального руху. При цьому потрібно мати на увазі, що максимальний обертальний момент сил Ампера буде в тому випадку, коли лінії індукції магнітного поля паралельні площині рамки. Якщо ж ці лінії перпендикулярні до площини рамки, то в цьому випадку момент сил Ампера дорівнює нулю. Адже в цьому випадку сили Ампера не обертають рамку, а лише розтягують її.

Мал.108. В однорідному магнітному полі на бічні сторони тієї рамки якою протікає електричний струм, діють дві рівні за величиною і протилежні за напрямком сили Ампера.

Потрібно зауважити, що формула FА=ВІΔlsinα є справедливою для магнітних полів будь яких параметрів. Однак застосовуючи цю формулу для неоднорідних полів (В≠const), довжину того елементу струму на який діє відповідна сила Ампера, потрібно обирати настільки малою, щоб в місці його знаходження поле було практично однорідним. Втім, в більшості електротехнічних приладів створюють такі умови при яких провідник з струмом знаходиться в практично однорідному магнітному полі (В=const). А в цих умовах за довжину елементу струму Δl беруть загальну довжину тієї частини провідника що знаходиться в однорідному магнітному полі. При цьому: FА=ВІlsinα.

Контрольні запитання.

1.Який зв’язок між силою Ампера та визначальним рівнянням магнітної індукції?

2. Від чого залежить величина сили Ампера?

3. Чому дорівнюють кут α, sinα та FA якщо напрямки струму та ліній індукції магнітного поля: а) перпендикулярні; б) паралельні.

4. Як визначають напрям сили Ампера?

5. Чому в ситуації коли напрям струму в провіднику співпадає з напрямком ліній магнітної індукції поля, правило лівої руки не працює.

6. Що можна сказати про напрямки векторів В, І та FA?

7. Як зображають магнітне поле в ситуаціях, коли лінії його магнітної індукції перпендикулярні до площини відповідного малюнку?

8. Як зображають силу Ампера в ситуаціях, коли вона перпендикулярна до площини відповідного малюнку?

9. Рамка з струмом знаходиться в однорідному магнітному полі. Якою буде поведінка рамки якщо лінії індукції поля: а) паралельні площині рамки; б) перпендикулярні площині рамки?

Вправа 21.

1.На основі аналізу малюнків визначити напрямки сил Ампера. (Напрямки струмів задано).

2. На основі аналізу малюнків визначити напрямки струмів в провіднику. (Напрямки сил Ампера задано).

3. На основі аналізу малюнків визначити: а), б) – напрям сили Ампера; в) напрям струму в провіднику; г) напрям індукції магнітного поля.

4. Який з малюнків є правильним?

5. В якому напрямку повернеться рамка з струмом?

6. В якому напрямку повернеться рамка з струмом.

а)  б) в)

 

§39. Застосування сили Ампера.

 

В попередніх параграфах ми неодноразово наголошували на тому, що амперметри і вольтметри влаштовані однаково, а якщо чимось і відрізняються, то лише величиною електричного опору: у амперметра цей опір має бути гранично малим RA→0, а у вольтметра – гранично великим RV→∞. По суті амперметр і вольтметр є різновидностями одного і того ж електровимірювального приладу, який прийнято називати гальванометром (позначається G). При цьому, в залежності від того, як і наскільки змінюється електричний опір гальванометра, він може бути як амперметром так і вольтметром. Власне про будову та принцип цього самого гальванометра ми і поговоримо. А щоб слово гальванометр вас не лякало, будемо називати його амперметром. Тим більше, що демонстраційний амперметр (мал.97) і гальванометр, це один і той же прилад.

а) б)  в)

Мал.109. Загальний вигляд, схема устрою та принципу дії демонстраційного амперметра.

Електровимірювальні прилади загалом і амперметри зокрема є класичними прикладами застосування сили Ампера. Основними елементами таких приладів (мал.109б) є: постійний магніт (М), циліндричне феромагнітне осердя (1), легка струмопровідна рамка (2), механічна пружина (3) та стрілка приладу (4). Принцип дії цієї системи полягає в наступному. Постійний магніт у поєднанні з феромагнітним осердям, створюють (індуцирують) однорідне магнітне поле (В=const). В цьому полі знаходиться легка струмопровідна рамка, яка за допомогою механічної пружини утримується в певному нульовому положенні і до якої жорстко прикріплена стрілка приладу. При появі в рамці електричного струму, на її бічні сторони починають діяти дві рівні за величиною і протилежні за напрямком сили Ампера. Під дією цих сил рамка, а відповідно і стрілка приладу, повертаються на певний кут. Кут, величина якого залежить від сили струму в рамці та жорсткості тієї пружини яка протидіє її обертанню.

Не важко довести, що величина тієї сили Ампера яка повертає рамку, а отже і того кута на який вона повертається, є прямо пропорційною силі струму в рамці. Дійсно. За визначенням  FА=ВІℓsinα. Оскільки в умовах даного приладу В=const, l=const, α=90º=const (в процесі обертання рамки її бічні сторони залишаються перпендикулярними до ліній магнітної індукції), то  FА=kІ, де k=const.

Вище описані електровимірювальні прилади мають високу точність, чутливість та надійність. Їх вимірювальна шкала є рівномірною. Недоліком цих приладів є те, що вони безпосередньо вимірюють лише постійні струми. Втім, цей недолік легко долається шляхом включення в коло приладу певного випрямного елементу.

Важливим прикладом застосування сили Ампера є електродвигун постійного струму – прилад, який перетворює енергію постійного струму в механічну роботу.

У своєму принциповому устрої електродвигун постійного струму схожий на амперметр. Власне амперметр і є певною спрощеною моделлю електродвигуна. Адже за наявності струму, струмопровідна рамка амперметра повертається, перетворюючи тим самим енергію струму в механічну роботу. Інша справа, що навіть за відсутності опору пружини, та за відсутності заважаючої обертанню стрілки приладу, рамка амперметра може повернутися лише до тієї межі коли її площина буде перпендикулярною до напрямку ліній індукції магнітного поля. Адже в цьому випадку діючі на рамку сили Ампера будуть не повертати рамку, а розтягувати її.

Мал.110. В магнітному полі рамка з струмом повертається лише до тих пір, поки її площина не стане перпендикулярною до ліній магнітної індукції поля.

Що ж треба зробити за для того, щоб обертання рамки було безперервним? А тут можливі два варіанти вирішення проблеми. Перший полягає в тому, щоб в момент переходу рамки через ту площину яка перпендикулярна лініям магнітної індукції поля, змінити напрям струму в рамці на протилежний. Адже в цьому випадку напрям діючих на рамку сил Ампера зміниться на протилежний. А це означає, що відповідні сили будуть постійно підтримувати заданий обертальний рух рамки.

Реалізацію цього рішення забезпечує навпіл розрізане струмопровідне кільце, яке прийнято називати колектором (мал.111а). Розділені половинки колектора є тими рухомими електричними контактами, через які струм подається в рамку електродвигуна і які забезпечують автоматичну зміну напрямку цього струму. При цьому колектор орієнтований таким чином, що в момент проходження рамки через перпендикулярну до поля площину, полярність напруги на його половинках автоматично змінюється на протилежну, а відповідно протилежним стає і напрям струму в рамці.

Потрібно зауважити, що в реальному електродвигуні (мал.111б) струмопровідна рамка є частиною феромагнітного осердя, яке по перше підсилює силову дію магнітного поля, а по друге надає системі осердя-рамка тих інерційних властивостей, які забезпечують рівномірність її обертання. Зазвичай той магніт або електромагніт який створює (індуцирує) магнітне поле, називають індуктором, а систему феромагнітного осердя та намотаної на нього струмопровідної рамки, називають якорем електродвигуна.

а)   б)

Мал.111. Схема загального устрою електродвигуна постійного струму.

Неперервність обертання системи осердя-рамка (якоря), можна забезпечити і в тому випадку, якщо в цій системі буде не одна рамка, а що найменше – дві. При цьому, якщо вхід і вихід рамки буде з’єднаний з відповідним фрагментом колектора, то струм в цю рамку буде автоматично подаватися саме в ті моменти, коли обертальна ефективність діючих на рамку сил Ампера буде максимальною. Електродвигун в якому реалізована подібна схема представлено на мал.112.

Принцип дії такого електродвигуна полягає в наступному. Індуктор (2,3), разом з феромагнітним осердям якоря (1), створюють (індуцирують) однорідне магнітне поле в якому знаходяться струмопровідні рамки якоря. Електричний струм, через колектор (5) подається на ту рамку якоря, яка розташована в площині ліній індукції магнітного поля. При проходженні струму, на бічні сторони цієї рамки діють дві рівні за величиною і протилежні за напрямком сили Ампера, які надають рамці, а разом з нею і тілу якоря, певного обертального руху. В процесі обертання, ті пластинки колектора які є входом та виходом даної рамки, виходять із механічного контакту з системою подачі електричного струму (графітові контактні щітки). Натомість в контакт з цією системою входить нова пара сусідніх пластин. При цьому якір отримує новий обертальний імпульс. Ясно, що в такій ситуації, сила Ампера буде постійно підтримувати обертальний рух якоря.

Мал.112. Загальний устрій електродвигуна постійного струму.

Контрольні запитання.

1.Чим амперметр відрізняється від вольтметра?

2. Назвіть основні деталі амперметра.

3. Поясніть принцип дії амперметра.

4. На основі аналізу мал.110, поясніть чому одинарна рамка з струмом не може обертатись в однорідному магнітному полі?

5. Чим схожі та чим відрізняються електродвигун постійного струму і амперметр магнітоелектричної схеми?

6. Що треба зробити, щоб амперметр перетворився на електродвигун?

7. Яку функцію в зображеному на мал.111 електродвигуні виконує колектор?

8. Що називають якорем електродвигуна?

9. Що називають індуктором електродвигуна?

10. Поясніть загальний устрій та принцип дії того електродвигуна який зображено на мал.112.

 

§40. Про магнітне поле Землі.

 

В 1600 році вийшла в світ книга англійського фізика Вільяма Гільберта (1544-1603) яка називалась «Про магніти, магнітні тіла та великий магніт Землі». В цій книзі Гільберт узагальнив та систематизував всю сукупність відомих на той час магнітних та електричних явищ та зробив першу наукову спробу пояснити суть земного магнетизму. Пояснюючи здатність магнітної стрілки орієнтуватись в певному напрямку, Гільберт висунув гіпотезу про те, що Земля представляє собою величезний магніт який і створює відповідну магнітну дію. Перевіряючи цю гіпотезу, вчений з великого шматка магнітного залізняка, витесав суцільну кулю та дослідив її дію на магнітну стрілку. При цьому з’ясувалося, що магнітні властивості модельної магнітної кулі і магнітні властивості реальної Землі є аналогічними. Гільберт не міг пояснити чому Земля веде себе як великий магніт. Він просто констатував той факт, вона (Земля) веде себе саме так.

Мал.113. Понад 400 років тому було експериментально встановлено, що магнітні властивості Землі аналогічні властивостям магніту виготовленого у формі кулі.

З часів Гільберта наука так далеко просунулась на шляху пізнання навколишнього світу, що сьогодні майже не залишилось тих явищ які не мають точного кількісного наукового пояснення. Одним з таких явищ є земний магнетизм. Адже сьогодні, як і чотириста років тому, ми напевно не знаємо, чому Земля веде себе як величезний магніт. Звичайно, це зовсім не означає, що ми не маємо науково обгрунтованих поглядів на дане питання. Адже всім зрозуміло, що магнітне поле Землі, це результат тих процесів які відбуваються в її надрах, зокрема в розплавленому, практично залізному ядрі. Всім зрозуміло, що будь яка магнітна дія створюється електричними струмами і що в цьому сенсі, магнітне поле Землі не є винятком. Але що це за струми? Яке їх походження? Який механізм тривалого існування? Які кількісні параметри та загальні закономірності? На ці та їм подібні запитання сучасна наука не має однозначних та безумовно підтверджених відповідей.

Зважаючи на ці обставини, ми не будемо говорити про походження земного магнетизму. Ми просто констатуємо той факт, що Земля веде себе як великий магніт, який створює відповідне магнітне поле, властивості та прояви якого є загально відомими. Саме про ці властивості та прояви ми і поговоримо.

І так, експериментальні дослідження показують, що магнітне поле Землі дуже схоже на те поле яке, створював би гігантський стержневий магніт розташований в  надрах нашої планети (мал.114). Аналізуючи параметри цього поля можна з’ясувати, що його магнітні полюси вточності не співпадають з географічними полюсами і що магнітна вісь Землі відхилена від її осі обертання на 11,5º

 

Мал.114. В першому наближені магнітне поле Землі схоже на поле величезного стержневого магніту.

Магнітні та географічні полюси Землі не лише розташовані в суттєво різних місцях, а й фактично є різнойменними. Адже якщо північний полюс компаса вказує на північ (а він вказує саме так), то це означає, що там на півночі знаходиться південний магнітний полюс Землі. І навпаки, її північний магнітний полюс знаходиться на півдні. Втім, ми не будемо порушувати загально прийнятих уявлень, і розташований на півночі магнітний полюс будемо називати північним, а розташований на півдні – південним. Однак, якщо мова зайде про дослідження які потребують врахування реальної полярності геомагнітного поля, то ця полярність має бути врахованою.

До речі, магнітне поле Землі, часто називати геомагнітним (від грецького “ge” – Земля), або магнітосферою Землі. Геомагнітне поле, як і поле звичайного стержневого магніту є неоднорідним. В районі магнітних полюсів його індукція становить 0,7∙10-4Тл, а на екваторі – 0,4∙10-4Тл. Крім цього, в різних місцях земної поверхні зустрічаються суттєві відхилення від загальної картини геомагнітного поля. Ці відхилення називають магнітними аномаліями. Зазвичай, джерелом магнітних аномалій є наявні в надрах земної кори поклади залізної руди.

Дослідження показують, що на великих відстанях від Землі (понад три земних радіусів) геомагнітне поле стає суттєво несиметричним (мал.196). Головною причиною цієї несиметричності є так званий сонячний вітер, тобто потік тих заряджених частинок (головним чином протонів та електронів) які інтенсивно випромінюються Сонцем. Результатом взаємодії сонячного вітру з магнітним полем Землі є певна деформація цього поля. При цьому, з сонячної сторони геомагнітне поле стає приплюснутим до Землі, а з тіньової сторони – сильно розтягнутим.

Мал.115.  Результатом взаємодії сонячного вітру з магнітним полем Землі є певна просторова деформація останнього.

Не заглиблюючись в деталі тих складних процесів які відбуваються при взаємодії сонячного вітру з магнітним полем Землі, зауважимо, що одним з  результатом цих процесів є факт того, що переважна більшість тих заряджених частинок які з шаленою швидкістю летять від Сонця в напрямку Землі, огинають нашу планету. І це надзвичайно важливо. Адже інтенсивний потік цих частинок є смертельно небезпечним для всього живого. Фактично нам дуже пощастило, що Земля має достатньо потужне магнітне поле. Поле, яке значною мірою сприяє життю на нашій планеті.

Одним з проявів тих складних процесів що відбуваються в магнітосфері Землі, є природне явище яке називається полярним сяйвом. Гранично спрощено пояснюючи фізичну суть та механізм формування полярного сяйва, можна сказати наступне. Заряджені частинки сонячного вітру, потрапляючи в магнітне поле Землі, починають рухатись спіралеподібними траєкторіями в напрямку магнітних полюсів нашої планети.

Така поведінка заряджених частинок є цілком закономірною. Адже на будь яку заряджену частинку що рухається в магнітному полі, неминуче діє певна магнітна сила (її називають силою Лоренца), яка і змушує цю частинку рухатись спіралеподібною траєкторією вздовж ліній індукції відповідного поля. А це означає, що заряджені частинки сонячного вітру спрямовуються до магнітних полюсів Землі. Ці енергійні заряджені частинки, на висотах 60 – 100км стикаються з молекулами верхніх шарів атмосферного повітря, та енергетично збуджують їх. При цьому, енергетично збуджені молекули випромінюють те світло яке і створює відповідне полярне сяйво

  

Мал.116. Заряджені частинки сонячного вітру, потрапляючи в магнітне поле Землі, починають рухатись спіралеподібними траєкторіями в напрямку її магнітних полюсів, де і спричиняють те явище яке називається полярним сяйвом.

Ще одним важливим та загально відомим геомагнітним явищем є так звані магнітні бурі. Магнітною бурею називають відносно швидку та суттєву зміну параметрів магнітного поля Землі. Причиною магнітних бурь є різке збільшення інтенсивності сонячного вітру, яке в свою чергу є результатом тих процесів що відбуваються в надрах Сонця. Зазвичай, магнітна буря триває декілька днів і характеризується певними коливаннями геомагнітного поля. Магнітні бурі супроводжуються активізацією полярних сяйв, підвищенням ступеню іонізації верхніх шарів атмосфери, певними впливами на самопочуття людини.

Контрольні запитання.

1.Хто і коли з’ясував, що магнітні властивості Землі, аналогічні властивостям виготовленого у формі кулі магніту?

2. Чи означає факт наявності у Землі певних магнітних властивостей, що в її центрі дійсно знаходиться певний магніт?

3. Стрілка компасу вказує на північ. Чи означає цей факт, що вона вказує: а) на північний географічний полюс; б) на північний магнітний полюс?

4. Що є причиною тих магнітних аномалій які зустрічаються в приповерхневих околицях Землі?

5. Чому магнітосфера Землі є несиметрично?

6. В чому значимість магнітосфери для життя на Землі?

7. Чому заряджені частинки сонячного вітру потрапляючи в магнітне поле Землі, починають рухатись спіралеподібними траєкторіями в напрямку її магнітних полюсів?

8. Що є причиною магнітних бурь на Землі?

 

 

Подобається