что создает магнитное поле?
Магни́тное по́ле — составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты) . С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозон-фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля) . Основной характеристикой магнитного поля является его сила, определяемая вектором магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля) . В СИ магнитная индукция измеряется в теслах, в системе СГС в гауссах.
Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.
Как создается магнитное поле: подробные сведения и факты
Это универсальный факт, что магнитное поле возникает только тогда, когда в системе присутствует электрическое поле. Когда электрический ток проходит через элемент, он мгновенно создает свое электрическое поле только за счет его прохождения.
После того, как электрическое поле создано, происходит вход магнитного поля. Вот ответ на вопрос, как создается магнитное поле. Таким образом, на обмоточном материале при пропускании тока мгновенно возникает магнитное поле.
Несколько экспериментов объясняют, как создается его магнитное поле. А теперь возьмем небольшой пример соленоида. Этот элемент создает магнитное поле при выработке электрического тока.
Из-за движения зарядов, которое создает электрическое поле. Магнитное поле создается по одной из этих причин.
«Я блуждаю, будут ли эти солнечные вспышки влиять на этот компас? #magnetism #flux #compass #solarflare #instagram #iphoneography » by Подкнокс под лицензией CC BY 2.0
Магнитное поле, создаваемое соленоидом
Соленоид — это тонкий длинный провод, намотанный на элемент. Этот тонкий материал поможет проводить в системе электрический ток. Мгновенное электрическое поле создается, когда через него пропускают ток. Это, в свою очередь, создает магнитное поле.
Соленоид создает магнитное поле, потому что он использует простые средства, в отличие от остальных. Он преобразует электрический ток в механический, например, в переключателе.
Внутри переключателя соленоид преобразует электрический ток в механический действия. Соленоид зависит от магнитного поля производится и число его оборотов.
В таком элементе, который называется соленоидом, можно изменить направление магнитного поля, создаваемого прохождением электричества.
«Электромагнитная пружина мод.» by оскай под лицензией CC BY 2.0
Какой из методов применялся для создания магнитного поля?
По сути, магнитные поля создают три разных метода:
- Постоянные магниты
- Электромагниты
- Магнитное поле Земли
Постоянные магниты:
Постоянные магниты — это намагниченные элементы, использующие электрический ток, когда материал наматывается вокруг элемента. Постоянный магнит создается путем удара по ферромагнитному материалу или двум магнитам.
Например, два магнита обращены к противоположным полюсам. Когда концы магнитов нагреваются до высокой температуры, он, наконец, становится постоянным магнитом.
Магнитное поле в конкретной системе также можно создать с помощью постоянного магнита. Этот постоянный магнит создает силу на другие магниты и мгновенное магнитное поле.
«Магниты» by Стивен М под лицензией CC BY 2.0
Электромагниты:
В этом типе элемента электрический ток пропускается через элемент, поэтому он мгновенно намагничивается. Обычный ток создается, когда тепло выходит из системы.
Через которое создается электрическое поле. Одна из немногих причин возникновения магнитного поля в элементе связана с наличием электрического поля.
Преимущество, которое следует отметить, состоит в том, что электрическое поле является причиной создания магнитного поля в этом электромагните. С помощью электромагнита можно управлять магнитное поле производится в элементе.
В определенные моменты постоянный магнит создает хорошее магнитное поле. Он также достаточно силен, но становится слабым при использовании в определенных материалах и требует интенсивного магнитного потока.
В этот момент срабатывает электромагнит. Преимущество электромагнита перед постоянным магнитом в том, что создаваемое магнитное поле намного сильнее. В электромагните применяется электричество для создания более сильного магнитного поля.
Слово сам электромагнит определяет электрический ток и магнитное поле. Как создается магнитное поле, наиболее часто задаваемый вопрос, и приведенное выше объяснение справедливо.
Магнитное поле Земли:
Это самые сильные поля по сравнению с другими обычными полями внутри Земли. Это вызвано затвердеванием жидкого железного ядра Земли.
Мы все знать, что магнит поля сильнее на полюсах. Оно намного сильнее, когда дело доходит до магнитного поля Земли.
Как и любое другое магнитное поле, даже магнитное поле Земли поддерживается и контролируется. Geodynamo контролирует и поддерживает магнитное поле земли.
Как создается магнитное поле в электромагните
Из всех исследований очевидно, что электромагнит гораздо удобнее любого другого магнита для создания сильного магнитного поля.
Просто потому, что другие магниты создают магнитное поле, но мы этого не знаем. Поэтому мы выбрали более безопасный способ создания магнитного поля.
Временный магнит создает магнитное поле, но оно слабое и бесполезное. Следовательно, здесь вступает в силу использование постоянного магнита. Из которого создается собственное магнитное поле. Магнитное поле слабое, поэтому его нельзя применить ни к какой системе.
Следовательно, электромагнит всегда приходит на помощь, создавая гораздо более сильное магнитное поле. Этот тип электричества используется для создания гораздо более сильных магнитный поток линий.
Процесс создания магнитного поля с помощью электромагнита
Во-первых, нам нужно знать, как устроен электромагнит. Процесс прост. Надо взять элемент, на который намотана проволока. Этот провод называется соленоидом.
Соленоид представляет собой простой тонкий длинный провод с числом витков n. Этот материал наматывается на проводящий элемент, и когда через него пропускается электрический ток, мгновенно создается электрическое поле.
Процесс, стоящий за этим, заключается в том, что электрический ток проходит по намотанному материалу, поскольку он намотан по кругу, и когда подается ток, он создает магнитный поток. магнитное поле линии находятся в круговом режиме.
Наконец, магнитное поле создается через токопроводящий материал с обмоткой соленоида.
Как магнитные поля создаются на планетах
Расплавленная жидкость обычно создает магнитное поле на планетах в ядре планеты и в ее движении. Магнитное поле создается легко, поскольку в ядре планеты присутствует жидкое железо.
Как и у любых других магнитов, у планет есть полюса. Эти полюса являются причиной присутствующей силы притяжения и отталкивания.
Как и любое другое производство магнитного поля путем производства электрического тока, то же самое и на планетах. Электричество на планетах вырабатывается, когда жидкость, присутствующая в ядре планеты, каждый раз взбалтывается.
Это созданное электричество создает магнитное поле на планете. Магнитное поле планет действует как большой стержневой магнит. Это также причина вращения осей планет.
«Динамическая Земля — Магнитное поле Земли» by Фото и видео НАСА Годдарда под лицензией CC BY 2.0
Почему магниты всегда диполи
Универсально то, что есть что-то, называемое севером и югом, востоком и западом. Наша Земля состоит из северного и южного полюсов, а горизонталь называется экватором, а не востоком и западом.
Точно так же другой элемент, имеющий северный и южный полюсы, называется магнитом. С точки зрения науки монополя, похоже, не существует. А без двух полюсов магнит не сделать.
Магниты имеют, в частности, дипольное существование из-за того, что концы магнита были названы северным и южным полюсами соответственно. Также следует помнить, что полюса отталкиваются, а в отличие от полюсов притягиваются. Именно из этого факта возникает термин, называемый магнитным диполем.
Магнитный диполь — это аналог электрического диполя, в котором на концах электрического диполя есть противоположные заряды. Диполь является причиной замкнутого контура в любой магнитной системе.
Как создается магнитное поле на Земле
Земля — гигантский магнит на все времена. Причина в том, что магнитные поля, создаваемые на Земле, намного сильнее обычных.
На каждой планете есть расплавленная жидкость из определенного металла. Точно так же жидкая расплавленная железная руда присутствует в ядре Земли. Эта жидкость реагирует с движением Земли, создавая более сильное магнитное поле.
Движение этих жидкостей и их взбалтывание создает сильное электричество. Это электричество — одна из основных причин того, как на Земле создается магнитное поле.
Земля действует как гигант стержневой магнит самостоятельно управлять магнитным полем. Это также является причиной вращения Земли вокруг своей оси.
Откуда берется магнитное поле Земли?
Земля имеет магнитосферу: наша планета производит вокруг себя магнитное поле — магнитное поле Земли.
Это магнитное поле важно как для нас, так и для жизни в целом: оно действует как щит, защищающий нас от солнечных ветров. Эти ветры являются потоками заряженных частиц и в противном случае были бы смертельны для очень большой доли живых существ и в конечном итоге сдули бы нашу атмосферу.
Солнце, Юпитер или Сатурн также имеют магнитосферу. У Луны, Марса или Венеры ее нет или больше нет. Поэтому мы можем задаться вопросом, почему Земля и некоторые планеты имеют ее и откуда она взялась.
Источник энергии этого магнитного поля
Планета Земля имеет твердую кору (почва, каменистая), но металлическое сердце, состоящее из железа и никеля, частично жидкого, расплавленного из-за жары. Железо и никель, очень плотные, оказались там под действием силы тяжести при образовании Земли.
Важно то, что ядро Земли является частично жидким: это означает, что внутри нашей планеты происходят движения тепловой конвекции. Тот факт, что ядро металлическое, также имеет решающее значение, потому что это означает, что ядро Земли является проводником электричества и магнитных полей.
В дополнение к этой информации о внутренней структуре Земли, мы должны добавить тот факт, что планета вращается вокруг оси. Это тривиально, но важно по двум основным причинам.
Во-первых, вращение Земли (как и ее внутреннее тепло) — это запас энергии. Если у вас есть огромная вращающаяся масса, вы можете прикрепить к ней шестерню с резиновыми лентами и использовать ее для подъема предметов для питания динамо-машины и выработки электроэнергии, по крайней мере, до тех пор, пока вращающаяся масса не исчерпает свое вращение и не перестанет вращаться. В йо-йо, например, именно вращение йо-йо позволяет ему подняться.
Во-вторых, подобно тому, как вращение Земли является причиной появления циклонов в атмосфере, так и появление вращающихся столбов лавы в жидкой части земного ядра.
Подводя итог: Земля вращается, и это создает вращающиеся массы жидкого и проводящего железа в ядре. Если вы видите механизм формирования магнитного поля с этим, это нормально! Но пока еще не все.
Динамо-эффект
На данный момент мы имеем вращающуюся жидкую проводящую массу. Однако этого недостаточно для создания и поддержания магнитного поля. Потребовалось бы, например, внешнее магнитное поле, омывающее Землю: последнее вызывало бы ток в металлическом ядре, который производил бы магнитное поле Земли.
Проблема в том, что Земля не купается во внешнем магнитном поле. Не достаточно мощное поле во всяком случае.
Таким образом, если бы был точечный магнитный импульс, электрический ток появится в ядре Земли, но он будет рассеиваться очень быстро, и магнитное поле Земли также будет быстро исчезать.
Очевидно, что Земля обладает очень реальным магнитным полем. Современное объяснение магнитного поля Земли — эффект динамо.
Он еще не объясняет происхождение магнитного поля, но он объясняет, как это поле — настоящее — удается поддерживать, не исчезая.
Итак, давайте возьмем планету Земля, как это описано выше: с жидким, вращающимся металлическим сердечником.
Предположим, что Земля была в прошлом в ранее существовавшем внешнем магнитном поле. Как было сказано выше, это поле вызовет ток в жидких частях ядра, и этот ток создаст магнитное поле Земли, противоположное внешнему полю.
Теперь мы должны учитывать конвекционные явления, связанные с внутренним теплом Земли, и явления вращения жидких масс, связанные с вращением Земли. Это два первичных источника энергии, которые будут постепенно преобразовываться в электромагнитную энергию и излучать магнитное поле.
Эти металлические «циклоны», расплавленные во внешнем ядре, принимают форму вращающихся цилиндров, которые будут выравниваться с осью вращения Земли (таким образом, по оси Север-Юг). Делая это, линии электрического тока, индуцированные магнитным полем, будут как бы наматываться на себя, образуя катушку, и растягиваться в длину конвекцией. Линии электрического тока удлиняются : это если индуктивная катушка становится больше, а магнитное поле сильнее.
Таким образом, возникает эффект, когда катушка растягивается и позволяет увеличить количество магнитной энергии от тепловой конвекции и эффекта Кориолиса за счет вращения Земли.
В результате магнитное поле Земли, в противоположность рассеиванию, умудряется поддерживать себя: вращение и конвекция Земли в ядре постоянно накачивают энергию в электромагнитную систему, чтобы компенсировать потери.
Теперь, когда производится магнитная энергия, первоначальное магнитное поле, в котором, как говорят, купалась Земля, может исчезнуть: в этом больше нет необходимости.
Создаваемое магнитное поле поддерживается слоями расплавленного жидкого металла, которые поднимаются на поверхность.
Когда эти слои достигают внешнего предела ядра, конвекции (в этом слое) больше нет, и поле исчезает. Тем не менее это поле будет иметь наведенные электрические токи в нижних слоях, которые также будут производить свое магнитное поле, и увековечить производство магнитного поля.
Таким образом, пока существует конвекция в ядре и вращение нашей планеты, производящее силы Кориолиса, магнитное поле будет существовать.
Конвекционные движения сложны, имеют хаотические составляющие и иногда могут менять направление. Поэтому возможно, что магнитное поле Земли изменится и магнитные полюса будут двигаться и могут даже повернуть вспять. В истории нашей планеты эти инверсии происходили 300 раз за последние 200 миллионов лет, примерно каждые 660 000 лет; последняя произошла около 780 000 лет назад.
Феномен, который до сих пор плохо объяснен
Как было сказано во введении, если источник планетарного магнитного поля называется динамо-эффектом и существуют хорошие теории для его объяснения, то его происхождение остается неизвестным. Как уже говорилось, для этого потребовалось начальное магнитное поле, даже слабое или локальное.
Этот источник остается неизвестным, но если бы его не было с самого начала, жизнь, вероятно, не развивалась бы, по крайней мере, не так сильно и не так хорошо на этой планете. Это один из многих параметров, которые дали Земле необходимые ингредиенты для появления и поддержания жизни, и которые могут объяснить, почему жизнь, наконец, является чем-то гораздо более редким, чем первоначально представлялось.
Кроме того, форма магнитного поля и линии поля сложны и зависят от многих факторов: текучести магмы, локальных изменений температуры, химического состава магмы.
Численное моделирование все еще с трудом учитывает реальные наблюдения, несмотря на то, что мы постепенно приближаемся к функциональной модели.
Вселенная без проводов: ученые раскрыли, как магнитное поле могло появиться «из ничего»
Естественное происхождение магнитных полей во Вселенной долгие годы оставалось загадкой. В ходе недавнего исследования ученые разгадали часть этой головоломки. «Хайтек» рассказывает главное.
Читайте «Хайтек» в
Все астрофизические объекты, которые наблюдают люди, окружены магнитными полями. И не только в окрестностях звезд и планет, но и в глубоком космосе между галактиками и скоплениями. Да, эти поля очень слабые — обычно намного слабее, чем у магнита холодильника. Однако их динамическое значение оказывает глубокое влияние на жизнь Вселенной. Несмотря на десятилетия исследований, происхождение этих космических магнитных полей остается одной из самых глубоких загадок в космологии.
Магнитные поля повсюду
Естественные магнитные поля наблюдаются повсюду во Вселенной. Впервые их обнаружили на Земле тысячи лет назад благодаря их взаимодействию с намагниченными минералами. Они использовались для навигации задолго до того, как люди поняли их природу или происхождение. Магнетизм на Солнце открыли в начале ХХ века благодаря его влиянию на спектр света, излучаемого звездой. С тех пор, используя более мощные телескопы, наблюдавшие глубокий космос, ученые обнаружили, что эти поля повсюду.
И, хотя ученые уже давно научились изготавливать и использовать постоянные магниты и электромагниты, естественное происхождение этих полей во Вселенной оставалось загадкой. В ходе недавнего исследования ученые разгадали часть этой головоломки, однако многие аспекты этого вопроса все еще обсуждаются.
В предыдущих исследованиях ученые поняли, как турбулентность может усиливать ранее существовавшие магнитные поля посредством так называемого динамо-процесса. Но это открытие лишь вызвало больше вопросов. Если турбулентное динамо могло только усиливать существующее, то откуда взялось первичное, «зародышевое» магнитное поле?
В рамках новой работы ученые показали основные процессы, которые генерируют поле от полностью ненамагниченного состояния до точки, где оно достаточно сильное, чтобы механизм динамо усилил его до величин, которые можно наблюдать.
Эффект динамо и Вселенная без проводов
Ученые рассматривали способ создания электрических и магнитных полей в лаборатории. Когда проводники, такие как медная проволока, движутся в них, появляются электрические поля. Затем они могут управлять электрическими токами. Так вырабатывается электричество, которое люди используют каждый день. Благодаря этому процессу индукции большие генераторы или динамо-машины преобразуют механическую энергию в электромагнитную, питающую наши дома и офисы. Ключевой особенностью динамо-машин является то, что для их работы необходимы магнитные поля.
Но во Вселенной нет никаких проводов или больших стальных конструкций, так как же возникают поля? Прогресс в решении этой проблемы начался около века назад, когда ученые задумались над источником магнитного поля Земли. К тому времени исследования распространения сейсмических волн показали, что большая часть планет под более холодными поверхностными слоями мантии была жидкой. Также ученые поняли, что в Земле существовало ядро, состоящее из расплавленного никеля и железа. Исследователи предположили, что конвективное движение этой горячей электропроводящей жидкости и вращение планеты каким-то образом объединяются для создания земного поля.
В конце концов появились модели, которые показали, как конвективное движение может усиливать существующее поле. Это пример самоорганизации — свойства, часто наблюдаемого в сложных динамических системах, — где крупномасштабные структуры спонтанно вырастают из мелкомасштабной динамики. Но, как и на электростанции, вам нужно магнитное поле, чтобы создать магнитное поле.
Подобный процесс происходит во всей Вселенной. Однако в звездах и галактиках, а также в пространстве между ними, электропроводящей жидкостью является не расплавленный металл, а плазма. Это состояние вещества возникает, когда электроны отрываются от их атомов. На Земле плазму можно увидеть в виде молнии. В такой среде динамо-эффект может усиливать существующее магнитное поле, если оно начинается на каком-то минимальном уровне.
Моделирование первичных магнитных полей
Откуда взялось это первичное или минимальное магнитное поле? Чтобы это выяснить, ученые провели исследование, результаты которого публикует PNAS. Автор исследования, аспирант Массачусетского технологического института (МIT) Муни Чжоу разработала основную теорию и провела численное моделирование на мощных суперкомпьютерах, чтобы понять, какие фундаментальные процессы отвечают за появление минимального поля.
Визуализация нитевидных первичных магнитных полей, возникающих в результате крупномасштабных движений ненамагниченной плазмы.
Предоставлено: Муни Чжоу и др.
Одно из важных свойств плазмы, которая существует между звездами и галактиками, — она сильно рассеяна, около одной частицы на кубический метр. При этом внутри звезд плотность частиц примерно на 30 порядков выше. Низкая плотность указывает на то, что частицы в космологической плазме никогда не сталкиваются, что оказывает важное влияние на их поведение.
Ученые отследили динамику в плазме, которая развивалась из хорошо упорядоченных волн, но становилась турбулентной по мере роста амплитуды, и взаимодействия становились сильно нелинейными. Включив детальное влияние динамики плазмы в малых масштабах на макроскопические астрофизические процессы, они продемонстрировали, что первичные магнитные поля могут спонтанно создаваться из-за общих крупномасштабных движений, таких простых, как сдвиговые потоки. Как и на Земле, механическая энергия преобразовывалась в магнитную.
Важным результатом их вычислений была амплитуда ожидаемого спонтанно генерируемого магнитного поля. Оказалось, она может вырастать с нуля до уровня, при котором плазма становится «намагниченной», то есть когда присутствие поля сильно влияет на ее динамику. В этот момент традиционный динамо-механизм может поднять поля до наблюдаемых уровней. Таким образом, новая работа представляет собой самосогласованную модель генерации магнитных полей в космологическом масштабе и объясняет, как они могли появиться «из ничего».
Что в итоге?
Профессор Эллен Цвейбель из Висконсинского университета в Мэдисоне, соавтор исследования, отмечает: «Несмотря на десятилетия прогресса в космологии, происхождение магнитных полей во Вселенной остается неизвестным. Приятно видеть современную теорию физики плазмы и численное моделирование, которое направлено на решение этой фундаментальной проблемы».
Чжоу и ее коллеги продолжат совершенствовать модель и изучать переход от генерации исходного поля к фазе усиления динамо-машины. Также ученые хотят выяснить, может ли этот процесс работать в масштабе времени, согласующемся с астрономическими наблюдениями. Цитируя исследователей, «эта работа представляет собой первый шаг в построении новой парадигмы для понимания магнитогенеза во Вселенной».