Из-за чего образуется магнитное поле

Действие магнитного поля распространяется на все виды жизни на Земле и жизни планет. Эта материя, с помощью которой взаимодействуют заряженные частицы. 

Магнит – это предмет, который долгое время находится в одном состоянии, в намагниченном состоянии. С помощью этого свойства такие предметы, как магниты притягивают другие предметы, состоящие из железа и их сплавов. Магниты имеют два полюса – северный и южный, самое сильное магнитное поле располагается около полюсов. 

Магниты бывают натуральными, сделанные из железной руды магнитного железняка. Также магниты бывают искусственными, произведенные человеком. Их делают путем внесения железа в магнитное поле. 

Магнитное поле бывает отрицательным и положительным. Два отрицательных поля и два положительных поля отталкиваются друг от друга, а два поля с разными полюсами будут притягиваться. Это происходит из-за взаимодействия друг с другом магнитных полей. Магнитное поле – вещь не постоянная. Оно может внезапно появиться и внезапно пропасть, все зависит от внешних факторов, влияющих на магнитное поле. 

Элементарные магнитные поля создаются благодаря движению электронов вокруг ядра атома и движению вокруг своей оси. Само магнитное поле образуется благодаря внесению железного предмета во внешнее магнитное поле, тогда элементарные магнитные поля в железном предмете ориентируются во внешнем магнитном поле абсолютно одинаково. После этих небольших преобразований обычный предмет из железа становится магнитом, со своими магнитными полями. 

Действие магнитного поля влияет только на самого себя, а на электрическое поле оно никак не влияет. Есть электрическая заряженная частица, которая непременно движется, вокруг этой частицу и существует магнитное поле. Есть вторая электрическая заряженная частица, вокруг которой также существует магнитное поле. И эти два магнитных поля друг с другом взаимодействуют. 

Действие магнитного поля – это взаимодействия нескольких тел, такие как притягивание и отталкивание. Различаются эти взаимодействия только по интенсивности действия. Например, все электрические двигатели работают по принципу взаимного магнитного отталкивания. 

Наша планета, Земля, как и многие другие планеты, имеет магнитное поле. Магнитное поле Земли возникло из-за того, что наше планета постоянно движется вокруг Солнца и вокруг своей оси. Ядро нашей планеты состоит металла и является проводником электричества. Магнитное поле оказывает благотворное влияние на жизнь целой планеты и взаимодействия около земного пространства. Например, магнитное поле защищает все живое на земле от неблагоприятных воздействий солнца. Также защищает искусственные спутники Земли. Даже красивые полярные сияния вызваны магнитным полем Земли.

Представление о магнитном поле / Хабр

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.

Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.

Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.

Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.

Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.

Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.

Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.

Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.

Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:

Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).

Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.

А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.

Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.

Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:

При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.

 

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.

Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.

 

Спин

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).

Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:

Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.

Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.

Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.

Притягательная планета Интересные сведения о магнитном поле Земли: Наука и техника: Lenta.ru

В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?

Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.

Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, — теория динамо-эффекта — предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.

Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по «направлению». Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.

Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).

Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетского технологического института предложили сразу два возможных механизма образования «скалистых» планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то формулу для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.

Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля «помнит» о смене полюсов. Анализ таких «воспоминаний» показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.

Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время «переходного периода» на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.

Кроме «следов» плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить опасные изменения. Настолько резких «движений» поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. «Толщина» магнитного поля в этом районе не превышает трети от «нормальной». Исследователи давно обратили внимание на эту «прореху» в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.

На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и «выбрасывает» их в космическое пространство.

Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально. Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.

Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно ориентируют свои тела с севера на юг (или с юга на север). Причем «реперными точками» для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.

Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует появлению полярных сияний. Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.

Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из «теорий заговора» – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. «Собранные» частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.

Магнитное поле Земли — удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было — его необходимо было бы придумать.

Магнитное поле земли и здоровье человека

Сейфулла Р.Д. 
М.: ООО «Самполиграфист», 2013. 120 с.

Магнитное поле Земли в первом приближении представляет собой диполь, полюса которого располагаются рядом с полюсами планеты. Магнитное поле – разновидность электромагнитного поля, создаваемого движущимися электрическими зарядами или токами и оказывающая силовое воздействие на движущиеся заряды или токи. Поле определяет магнитосферу, которая отклоняет частицы солнечного ветра. Они накапливаются в радиационных поясах – двух концентрических областях в форме экватора вокруг Земли. Около магнитных поясов эти частицы могут «высыпаться» в атмосферу и приводить к появлению полярных сияний. Нашу планету окружает магнитное поле, которое существует с момента её формирования. Всё, что находится на Земле подвержено действию невидимых силовых линий этого поля. Именно это обстоятельство заинтересовало нас в большей степени, так как структура и функция Земли, а также и человеческого организма тесным образом связана с наличием электрических зарядов, которые определяют все процессы, связанные с жизнедеятельностью всех организмов, находящихся на её поверхности, в воде, в почве, в воздухе. Земля обладает электрическим и магнитным полем. Вся планета имеет отрицательный заряд, а ионосфера положительный. Линии напряженности электрического поля направлены сверху (от ионосферы) вниз (к Земле). Напряженность поля порядка Е = 120 – 130 в/м. Проведя несложные вычисления был сделан вывод, что в электромагнитном поле Земли заключена колоссальная энергия. Проблема получения энергии из магнитного поля Земли весьма актуальна для человечества. Такой приёмник — генератор был сделан ещё в 1889 году Николой Тесла, но правительство США запретило разглашать эту тайну по коммерческим соображениям. В теле человека имеется своё силовое поле, вследствие протекания крови по сосудам. В здоровом теле человека и в нормальных атмосферных условиях имеется полное соответствие и взаимодействие внешнего и внутреннего магнитных полей. Кроме того, существует магнитное поле Солнца, космических галактик и Земли, которые оказывают своё действие на поведение человека и животных (перелётных птиц, рыб, членистоногих, насекомых), которые безошибочно определяют направления движения на тысячи километров.

Оказалось, что изменение магнитного поля Земли является причиной многих заболеваний, которые лечатся другими способами, что требует особого внимания специалистов и лечащих врачей. Так называемые магнитные бури, в которых принимают участие Солнце, солнечный ветер, а также магнитное поле Земли создают много проблем и являются причиной ненормального поведения человека, в том числе и криминального, а также тяжелейших заболеваний: инсультов мозга, инфарктов миокарда, психических расстройств, ДТП и другого криминального и суицидального поведения, о чем пойдёт речь ниже. Японский врач – исследователь Киочи Накагава обратил внимание в середине ХХ века на то, что дефицит магнитного поля Земли является причиной многочисленных заболеваний, которые он объединил общим названием синдром дефицита магнитного поля Земли . Накагава, а также другие ученые поддержали это открытие и предложили проводить коррекцию магнитного поля при его дефиците, при помощи магнитотерапии, что позволило проводить профилактику и лечение многих заболеваний при помощи компенсации недостающего магнитного поля. Это касается, прежде всего, сердечно-сосудистой системы, которая занимает в настоящее время первое место среди других заболеваний. Дело в том, что каждая молекула в магнитном поле вытягивается и поляризуется. Один её конец становится северным магнитным полюсом, а другой — южным. В таком виде каждая молекула легче вступает в электрохимические реакции и в организме идёт правильный обмен веществ. Резкое усиление магнитного поля при магнитной буре или геомагнитной зоне всегда отрицательно сказывается на самочувствии человека. Однако, отсутствие или ослабление магнитного поля является для организма критической ситуацией. Дополнительным фактором риска является электромагнитный смог (создаваемый компьютерными дисплеями, электробытовыми приборами, TV и другими) уменьшают воздействие на наш организм геомагнитного поля Земли. У вернувшихся из космического полёта космонавтов обнаруживали остеопороз, тяжелую депрессию и другие патологические состояния. Важной составляющей для нормализации физиологических функций является восстановление полярности клеток и активизация работы ферментных систем, а также улучшения кровообращения. Автор в течение 33 лет занимается проблемами спортивной фармакологии со спортсменами высшей квалификации, что требует нестандартных, недопинговых подходов (к подготовке спортсменов экстра — класса) особенно восстановления. Поэтому нас заинтересовала, в своё время, проблема дефицита магнитного поля Земли и соответствующие меры её коррекции для того, чтобы повысить работоспособность физически одарённых спортсменов без применения искусственных стимуляторов. Автор не ставил перед собой задачи процитировать всех авторов, которые занимались проблемами магнитного поля Земли, так как их существует многие тысячи как в нашей стране, так и за рубежом, а попытался продемонстрировать основные тенденции этой проблемы, касающихся здоровья человека.

Издание носит научно-популярный характер. В космосе постоянно работают и накапливают необходимый опыт для межпланетных полётов коллективы отечественных и зарубежных ученых исследователей для перспективы создания постоянно действующих обитаемых станций с человеком и разработки полезных ископаемых.
 

---

Часть I.
Природа магнитного поля Земли и влияние его на человека

Глава 1. Вселенная и строение солнечной системы
Глава 2. Солнечная система во вселенной
Глава 3. Напряженность магнитного поля Земли
Глава 4. Позитивные свойства магнитного поля Земли
Глава 5. Роль магнитного поля в жизнедеятельности человека
Глава 6. Атмосфера Земли
Глава 7. Влияние магнитных бурь на организм человека

Часть II.
Электрические и магнитные свойства при передаче нервного импульса

Глава 8. Поляризация мембраны живой клетке
Глава 9. Живые ткани как источник энергетических потенциалов
Глава 10. Синдром дефицита магнитного поля Земли
Глава 11. Коррекция магнитного поля спортсменов при помощи магнитотерапии
Глава 12. Естественный баланс дефицита магнитного поля Земли
Глава 13. Влияние магнитного поля Земли на космонавтов
Глава 14. Биоэлектрические явления (при эпилепсии) в процессах передачи информации в организме
Глава 15. Патофизиологические причины эпилепсии
Глава 16. Межнейронные связи при передаче информации в организме 
Глава 17. Необходимые условия для нормальной работы ЦНС
Глава 18. Профилактическое действие магнитотерапии при дефиците магнитного поля
Глава 19. О пользе магнитов при дефиците магнитного поля Земли
Глава 20. Перспективы развития цивилизаций

Магнитное поле — все статьи и новости

Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и тела, обладающие магнитным моментом. Это одна из пяти известных нам сил, управляющих Вселенной от микромасштабов до масштабов межгалактических. С тех пор как Джеймс Клерк Максвелл связал в своих знаменитых пяти уравнениях электродинамики электричество и магнетизм, объединение всех пяти сил стало для физиков одной из главных задач. В так называемой Стандартной модели им удалось объединить слабое взаимодействие с электромагнитным. С Великим объединением, включающим в силовой союз и сильное взаимодействие, пока не получается, но уже в наличии прогресс в виде множества моделей. Вопрос за малым: каким-то образом, объединить все это еще и с гравитацией.

Похоже, что магнитное поле — непременное условие для существования жизни. Оно представляет собой единственную защиту от убивающей радиации Солнца. По одной из гипотез истории Марса, у него в далекой древности были моря и воздух, но потом что-то сильно его ударило и лишило магнитного поля. Атмосферу снесло солнечным ветром, океан, тогда существовавший, усох, и сегодня он непригоден для жизни.

О магнитах и их силе люди, наверное, знали, чуть ли не с момента появления у них разума. Самый первый компас — сынань — был изобретен в Китае еще в третьем веке до н.э. Однако «по-настоящему» магнитное поле люди начали изучать лишь в Средние века. В 1269 году французский ученый Петр Перегрин (рыцарь Пьер из Мерикура) отметил магнитное поле на поверхности сферического магнита, применяя стальные иглы, и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» — по аналогии с полюсами Земли. Почти три столетия спустя Уильям Гилберт Колчестер, заложивший основы магнетизма как науки, впервые определенно заявил, что сама Земля является магнитом. В XVIII-XIX веках ученые доказали, что у магнита обязательно должно быть два полюса, а также то, что электрический ток может порождать магнитное поле и наоборот. Ампер, Фарадей, Кельвин и Максвелл завершили классическое описание электромагнитного поля.

Изображение: NASA

Что такое электромагнитные поля?

Электромагнитные поля дома

Уровни фонового электромагнитного излучения от передающих или распределительных электросетевых объектов

Электричество передается на большие расстояния по высоковольтным линиям. Трансформаторы снижают такое высокое напряжение в сети до требуемого уровня для распределения электроэнергии на местах – в домах и на предприятиях. Передающие и распределительные электросетевые объекты, а также бытовая электропроводка и электроприборы создают в домах фоновый уровень электрических и магнитных полей промышленной частоты. Если дома не расположены вблизи линий электропередач (ЛЭП), фоновый уровень может доходить примерно до 0.2 микротесл. Непосредственно под ЛЭП поля гораздо сильнее. Индукция магнитного поля на уровне земли может достигать нескольких микротесл. Уровни электрических полей непосредственно под ЛЭП могут доходить до 10 кВ/м. Однако поля (как электрические, так и магнитные) по мере удаления от ЛЭП ослабевают. На расстоянии 50-100 метров уровни полей, обычно, такие же, как те, которые наблюдаются на удаленных от высоковольтных ЛЭП территориях. К тому же, стены зданий значительно снижают уровни электрических полей в сравнении с уровнями вне домов в той же местности.

Электробытовые приборы

Самые сильные электрические поля промышленной частоты в окружающей среде обычно встречаются непосредственно под высоковольтными ЛЭП. Напротив, самые сильные магнитные поля промышленной частоты обычно наблюдаются в непосредственной близости от двигателей и других электроприборов, а также специализированного оборудования, например магнитно-резонансных томографов, используемых для диагностической визуализации в медицине.

Обычные значения силы электрических полей вблизи бытовых электроприборов (на расстоянии 30 см от них
(Источник: Федеральное ведомство по радиационной защите, Германия, 1999 г.)

Электробытовой прибор	Сила электрического поля (В/м)
Стерео-проигрыватель	180
Утюг	120
Холодильник	120
Миксер	100
Тостер	80
Фен для волос	80
Цветной телевизор	60
Кофейная машина	60
Пылесос	50
Электропечь	8
Лампочка	5
Установленное пороговое значение	5000

Многие люди удивляются, когда узнают о существовании магнитных полей самого разного уровня рядом с различными бытовыми приборами. Сила этих полей не зависит от размера, сложности, мощности таких приборов или уровня шума от них. Более того, сила магнитных полей может очень сильно различаться, даже если речь идет о вроде бы похожих приборах. Например, одни фены для волос окружены очень сильным полем, а другие вряд ли вообще создают какое-либо магнитное поле. Такая разница в отношении силы магнитных полей объясняется дизайном изделия.

В приведенной ниже таблице указаны обычные значения силы поля для ряда электроприборов, широко используемых дома и на рабочем месте. Измерения производились в Германии, при этом во всех приборах использовался ток с частотой 50 Гц. Следует отметить, что фактические уровни воздействия значительно различаются в зависимости от модели прибора и расстояния от него.

Обычные значения силы магнитных полей вокруг бытовых электроприборов (в зависимости от расстояния от них)

Электробытовой прибор	На расстоянии 3 см (микротесла)	На расстоянии 30 см (микротесла)	На расстоянии 1 м (микротесла)
Фен для волос	6 – 2000	0.01 – 7	0.01 – 0.03
Электробритва	15 – 1500	0.08 – 9	0.01 – 0.03
Пылесос	200 – 800	2 – 20	0.13 – 2
Флюоресцентный осветительный прибор	40 – 400	0.5 – 2	0.02 – 0.25
Микроволновая печь	73 – 200	4 – 8	0.25 – 0.6
Портативный радиоприемник	16 – 56	1	< 0.01
Электропечь	1 – 50	0.15 – 0.5	0.01 – 0.04
Стиральная машина	0.8 – 50	0.15 – 3	0.01 – 0.15
Утюг	8 – 30	0.12 – 0.3	0.01 – 0.03
Посудомоечная машина	3.5 – 20	0.6 – 3	0.07 – 0.3
Компьютер	0.5 – 30	< 0.01
Холодильник	0.5 – 1.7	0.01 – 0.25	<0.01
Цветной телевизор	2.5 — 50	0.04 – 2	0.01 – 0.15
Для большинства бытовых электроприборов сила магнитного поля на расстоянии 30 см от них значительно ниже установленного для населения порогового значения в 100 микротесл.

(Источник: Федеральное ведомство по радиационной защите, Германия, 1999 г.). Нормальная дистанция для работы с прибором выделена жирным шрифтом.

Таблица иллюстрирует две основные мысли: во-первых, сила магнитного поля вокруг всех приборов стремительно уменьшается по мере того, как вы удаляетесь от них; во-вторых, большинство бытовых приборов работает не слишком близко от человека. На расстоянии 30 см уровень магнитные поля вокруг большинства бытовых приборов более чем в 100 раз ниже установленного для обычного населения порогового значения в 100 микротесл при частоте электрического тока в 50 Гц (и 83 микротесл при частоте тока в 60 Гц).

Телевизоры и компьютерные мониторы

В основе работы компьютерных мониторов и телевизоров лежат одни и те же принципы. И те и другие продуцируют статические электрические поля и переменные электрические и магнитные поля разных частот. Однако, жидко-кристаллические мониторы некоторых ноутбуков и настольных ПК не создают значительные электрические и магнитные поля. Мониторы современных компьютеров созданы из проводящих материалов, что снижает статическое поле вокруг монитора до уровней, сопоставимых с нормальным фоновым уровнем в доме или на рабочем месте. Если человек работает на правильном расстоянии (30-50 см) от монитора, уровень индукции переменного магнитного поля (промышленной частоты) обычно ниже 0,7 микротесл. Сила переменных электрических полей при работе на том же расстоянии от монитора находится в интервале от менее 1 В/м до 10 В/м.

Микроволновые печи

Бытовые микроволновые печи отличаются большой мощностью. Однако, надежный защитный экран снижает возможную утечку микроволнового излучения за пределы печи до практически неопределяемого уровня. Кроме того, уровень утечки стремительно снижается по мере удаления пользователя от печи. Во многих странах существуют промышленные стандарты, конкретно указывающие предельно допустимые уровни утечки для новых печей. Если печь соответствует этим стандартам, она не представляет никакой угрозы для потребителя.

Переносные телефоны

Для работы переносных телефонов требуется гораздо менее интенсивное поле, чем для мобильных телефонов. Это связано с тем, что они используются совсем близко от своей базы, а значит, нет необходимости в сильном поле, как это было бы в случае передачи сигнала на большое расстояние. Соответственно, радиочастотные поля вокруг этих телефонов совсем незначительны.

Электромагнитные поля в окружающей среде

Радар

Радары используются для навигации, составления прогноза погоды, в военных целях, а также для выполнения множества других задач. Они посылают пульсирующие микроволновые сигналы. Пиковая мощность сигнала может быть высокой, между тем как средняя мощность может быть низкой. Многие радары вращаются или движутся вверх и вниз, что уменьшает среднее значение плотности мощности поля, которое воздействует на людей вблизи радара. Даже в отношении высокомощных, не вращающихся военных радарных установок действуют ограничения по уровню воздействия: он должен быть ниже установленного порогового значения в местах, доступных для населения.

Системы безопасности

Системы защиты от краж в магазинах основаны на использовании специальных датчиков, закрепляемых на товарах, которые считываются электрическими контурами на выходе. Когда покупка осуществлена должным образом, эти датчики снимают или полностью деактивируют. Электромагнитные поля вокруг контуров обычно не превышают рекомендуемые уровни допустимого воздействия. Системы управления доступом, работают по тому же принципу: датчик встроен в брелок для ключей, либо в пропуск. Системы безопасности в библиотеках используют специальные этикетки-датчики, которые деактивируются при выдаче книги читателю и вновь активируются, когда книга возвращается. Металло-детекторы и системы безопасности в аэропортах создают сильное магнитное поле (до 100 микротесл), которое реагирует на металлические предметы. Вблизи рамки детектора сила магнитного поля может приближаться к установленному пороговому уровню, а иногда и превышать его. Тем не менее, это не создает угрозу для здоровья, о чем будет сказано в разделе, посвященном руководящим принципам по допустимым уровням воздействия (см. «Опасны ли уровни воздействия выше установленных пороговых значений?»).

Электропоезда и трамваи

Поезда дальнего следования имеют один или несколько моторных отсеков, расположенных в отдельных вагонах. Таким образом, пассажиры испытывают воздействие полей в основном от электричества, подаваемого в поезд. Магнитные поля в пассажирских вагонах поездов дальнего следования могут достигать нескольких сотен микротесл на уровне пола и более низких значений (десятков микротесл) в других местах в купе. Сила электрического поля может достигать 300 В/м. Люди, живущие вблизи железнодорожных путей, могут испытывать воздействие магнитных полей от линий электропроводов над полотном железной дороги, причем сила этих полей, в зависимости от каждой конкретной страны, может быть сопоставима с силой полей вокруг высоковольтных ЛЭП.

Двигатели и тяговое оборудование поездов и трамваев обычно располагается внизу, под пассажирскими вагонами. На уровне пола интенсивность магнитного поля может достигать десятков микротесл (на тех участках пола, которые находятся прямо над двигателем). Однако, чем выше от пола, тем быстрее уменьшается интенсивность поля, и его воздействие на верхнюю часть туловища пассажиров значительно слабее.

Телевидение и радио

Когда вы у себя дома слушаете радио и ищете нужную вам станцию, задавались ли вы когда-нибудь вопросом, что могут означать хорошо знакомые вам сокращения АМ и FM? Радиосигналы могут быть амплитудно-модулированными (АМ) или частотно-модулированными (FM). Все зависит от того, как они переносят информацию. Радиосигналы АМ могут использоваться для вещания на очень большие расстояния, в то время как FM волны охватывают более ограниченные пространства, но при этом обеспечивают звук лучшего качества.

АМ радиосигналы передаются при помощи сложной системы антенн, которые могут достигать десятков метров в высоту и располагаться в местах, не доступных обычному населению. Уровни воздействия в непосредственной близости от антенн и кабелей питания могут быть высокими, но с ними приходится иметь дело обслуживающему персоналу, а не обычному населению.

Телевизионные антенны и антенны для FM радиосигналов гораздо меньше по размеру, чем антенны для АМ радиосигналов, и устанавливаются они как система направленных антенн на самом верху высоких башен. Причем башни являются лишь поддерживающей конструкцией. Поскольку уровень воздействия у самого основания таких башен ниже установленных пороговых значений, доступ обычного населения в места, где находятся такие башни, не запрещен. Небольшие ТВ- и радиоантенны местного значения иногда устанавливаются на крышах зданий; в этом случае не исключается необходимость контролировать доступ на крышу.

Мобильные телефоны и их базовые станции

Мобильные телефоны дают нам возможность всегда быть на связи с другими людьми. Эти приборы низкой мощности, испускающие и принимающие радиоволновые сигналы от сети стационарных базовых станций малой мощности. Каждая базовая станция мобильной связи обеспечивает охват определенной территории. В зависимости от потока обрабатываемых звонков, базовые станции могут находиться на расстоянии от всего лишь нескольких сотен метров (в крупных городах) до нескольких километров (в сельской местности) друг от друга.

Базовые станции мобильной связи обычно устанавливают на крыше зданий или башен, на высоте от 15 до 50 метров. Уровни прохождения сигналов от конкретной базовой станции непостоянны и зависят от количества звонков и расстояния, на котором звонящий абонент находится от базовой станции. Антенны излучают очень узкий пучок радиоволн, который далее распространяется почти параллельно земле. Поэтому радиочастотные поля на уровне земли и на территориях, обычно доступных для населения, во много раз ниже уровней, представляющих опасность.

Рекомендуемые пороговые значения были бы превышены лишь в том случае, если бы человек оказался прямо перед системой антенн на расстоянии одного-двух метров. До того, как мобильные телефоны стали широко использоваться, население в основном испытывало воздействие радиочастотного излучения от радио- и ТВ-станций. Но и сегодня, с появлением мобильных телефонов, башни, на которых расположены базовые станции мобильной связи, сами по себе крайне мало усугубляют общее воздействие на наш организм, поскольку сила сигналов в местах, доступных для населения, обычно такая же или даже ниже, чем сила сигналов от радио- и ТВ-станций, расположенных на значительном удалении от этих мест.

Однако на самого пользователя мобильного телефона воздействуют радиочастотные поля более высокого уровня, чем те, которые обычно присутствуют в окружающей нас среде. Разговаривая по мобильному телефону, мы держим его очень близко к голове. Именно поэтому, вместо того, чтобы отслеживать эффект нагревания тканей во всем организме, следует определить распределение поглощенной энергии в голове пользователя телефона. В результате сложного компьютерного моделирования и проведения оценок с использованием моделей головы человека, сделан вывод о том, что, по всей видимости, уровень энергии, поглощенной при использовании мобильного телефона, не превышает установленных на сегодня пороговых значений.

Вызывают обеспокоенность и другие, так называемые «нетермальные» последствия воздействия частот мобильных телефонов. Есть различные предположения в отношении едва заметных эффектов для клеток, которые могут повлиять на развитие раковых заболеваний. Также высказываются гипотезы о возможных эффектах для тканей, раздражаемых под воздействием электричества, и о том, что это может повлиять на функцию мозга и нервных тканей. Тем не менее, все имеющиеся на данный момент фактические данные не подтверждают наличия каких-либо пагубных последствий для здоровья человека от использования мобильных телефонов.

Магнитные поля в повседневной жизни: действительно ли они такие сильные?

В последние годы национальными органами власти различных стран были проведены многочисленные оценки для определения уровней ЭМП в среде обитания человека. Ни одно из этих обследований не пришло к выводу о том, что уровни полей могут вызвать неблагоприятные последствия для здоровья.

Недавно Федеральное ведомство по радиационной защите (Германия) сделало оценку повседневного воздействия магнитных полей с привлечением к обследованию примерно 2 000 человек. Оценка проведена как в отношении представителей ряда профессий, так и обычного населения. Всем участникам обследования были выданы персональные дозиметры для измерения уровней воздействия 24 часа в сутки. Полученные данные различались весьма значительно, но средний уровень в день составлял 0,10 микротесл. Это значение в тысячу раз меньше, чем предельно допустимое значение в 100 микротесл для обычного населения и в 5 тысяч раз ниже, чем предельное допустимое значение в 500 микротесл для людей определенных профессий. Более того, при исследовании воздействия полей на людей, живущих в центральной части городов, было обнаружено, что, с точки зрения воздействия полей, нет существенной разницы между проживанием в сельской и городской местности. Даже уровни воздействия на людей, живущих в непосредственной близости от высоковольтных ЛЭП, лишь незначительно отличаются от средних уровней воздействия на обычное население.

Основные положения

• Фоновые уровни ЭМП в доме в основном создаются передающими и распределительными электросетевыми объектами или бытовыми электроприборами.
• Электроприборы сильно различаются с точки зрения силы генерируемых ими полей. По мере удаления от приборов уровни как электрических, так и магнитных полей стремительно снижаются. В любом случае, уровни полей вокруг бытовых электроприборов обычно гораздо ниже установленных пороговых значений.
• Уровни электрических и магнитных полей от телевизоров и компьютерных мониторов (при соблюдении пользователем правильной дистанции от них) в сотни тысяч раз ниже установленных пороговых значений.
• Микроволновые печи, отвечающие стандартам качества, не представляют опасности для здоровья.
• Пока действуют ограничения в отношении доступа населения непосредственно к радарным установкам, радиоантеннам и базовым станциям мобильной связи, установленные предельные уровни воздействия радиочастотных полей не будут превышены.
• Пользователи мобильных телефонов испытывают воздействие полей таких уровней, которые значительно превышают любые значения, регистрируемые в обычной среде обитания. Но, по-видимому, даже столь высокие уровни воздействия не приводят к пагубным последствиям для здоровья.
• Многочисленные обследования подтвердили, что воздействие электромагнитных полей тех уровней, которые наблюдаются в среде обитания человека, очень незначительно.

устройство из Российского квантового центра

После того как врач произносит «Давайте снимем кардиограмму!», вы уже направляетесь к кушетке и собираетесь снимать ботинки и рубашку, чтобы медсестра смогла закрепить на груди и конечностях десяток электродов. Но все оказывается совсем не так: вы подходите к соседнему столу, рядом с которым на держателе закреплена небольшая коробочка. Проходит несколько секунд — и все, кардиограмма снята. Никаких кушеток, никаких проводов, никаких электродов.

Да и сама эта кардиограмма тоже непроста: с ее помощью врач может более чем за сутки обнаружить признаки скорого инфаркта, может увидеть признаки бессимптомно протекающей ишемической болезни сердца. По своей информативности такая коробочка может дать результат, сопоставимый с возможностями самого дорогого и сложного диагностического комплекса — позитрон-эмиссионного томографа. Это картина из совсем близкого будущего: уже сейчас в лабораториях Российского квантового центра ученые работают над действующими прототипами магнитных сенсоров, которые в будущем смогут слушать не только сердце, но, возможно, и мозг.

От токов к полям

Изобретение электрокардиографии (ЭКГ) в конце XIX — начале XX века впервые позволило медикам в прямом эфире наблюдать за работой сердца. Электрические токи, проходящие по сердцу по мере его сокращений, отражались на фотопленке (а потом на бумаге) в виде чередований пиков — их форма могла указывать на ишемическую болезнь сердца, на другие типы поражений. Однако у ЭКГ при всем ее удобстве были и остаются существенные недостатки. Например, с ее помощью мы можем регистрировать не все токи, а только те, которые текут в сторону электродов, снимающих показания. Кроме того, ЭКГ фиксирует не сами токи напрямую, а разницу потенциалов на коже, которые связаны с токами сердца лишь опосредованно. В результате у ЭКГ возникают «слепые зоны», участки сердечной мышцы, состояние которых не видно или видно недостаточно хорошо в общепринятой электрокардиографии. Из-за этого медики не могли, например, обнаруживать некоторые типы «бессимптомной» ишемической болезни сердца и некоторые другие патологии.

В 1963 году двое американских ученых — Герхард Боул и Ричард Макфи — попытались впервые обойти эту проблему и уловить не разность потенциалов на коже, а магнитные поля, которые порождаются непосредственно токами в сердечной мышце. Они использовали магнитные катушки с металлическими сердечниками, но результаты оказались более чем скромными: индукция магнитного поля, которое генерируют биотоки, составляет лишь 10−14−10−10 Тл (для сравнения: величина магнитного поля Земли около 5•10−5 Тл). Поэтому на первой стадии ученые фиксировали в основном шумы. Ситуация улучшилась, когда магнитокардиограмму попытались снять в специальной комнате, изолированной от внешних магнитных полей, но в клинический метод МКГ превратилась только с появлением СКВИДов (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device), сверхпроводящих магнитных датчиков, которые фиксировали сверхслабые магнитные поля (до 1014 Тл) благодаря квантовому эффекту Джозефсона.

История клинической практики магнитокардиографии не была простой — многие врачи ранее заявляли, что этот метод не дает существенного улучшения диагностики по сравнению с ЭКГ. Однако последние данные, в особенности японских медиков, где магнитная диагностика распространена шире, указывают, что МКГ дает существенные преимущества.

СКВИДы позволили создать первые медицинские кардиографы, пригодные для широкого использования в клинической практике. Однако даже современные приборы такого типа крайне дороги (они стоят около $1−1,5 млн), для их работы требуется, чтобы датчики, джозефсоновские контакты, находились в сверхпроводящем состоянии. А это означает, что магнитокардиографы требуют сложной и дорогой крио­ген­ной системы, работающей с жидким гелием. Эти устройства сопоставимы по сложности и дороговизне с компьютерным томографом, и при всех своих преимуществах они вчистую проигрывают обычной электрокардиографии, поскольку та значительно дешевле и проще.

Дешево и чувствительно

Группа ученых из Российского квантового центра (РКЦ) нашла способ решить эту проблему: они создали высокочувствительные магнитные сенсоры, способные работать при комнатной температуре, компактные и в сотни раз более дешевые, чем техника на базе СКВИДов. «Мы используем квантовый эффект — обменное взаимодействие в тонких пленках из ферримагнетиков, состоящих из железа и редкоземельных металлов», — говорит доктор физико-математических наук Владимир Белотелов, руководитель группы «Магнитооптика, плазмоника и нанофотоника» РКЦ, доцент кафедры фотоники и физики микроволн физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Ферримагнетики — «промежуточный» материал между ферромагнетиками и антиферромагнетиками. Если в ферромагнитном материале магнитные моменты атомов за счет квантового обменного взаимодействия выстраиваются в одном направлении (так получаются постоянные магниты), а в антиферромагнетиках магнитные моменты соседних атомов направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга, то в ферримагнетиках они компенсируются лишь частично.

Сенсоры, которые создает группа Владимира Белотелова, сделаны из монокристаллической пленки феррит-граната R3Fe5O12 (R обозначает редкоземельный элемент). Чтобы детектировать внешнее магнитное поле, магнитные моменты атомов в этой пленке раскручивают управляющими катушками до частоты в сотни килогерц. В результате в пленке возникают миллиарды согласованно вращающихся и прецессирующих «волчков» — атомов. «Если сенсоры оказываются во внешнем магнитном поле, даже очень слабом, то оно порождает асимметрию в этой прецессии. Возникающая асимметрия и регистрируется — либо самими катушками, в которых появляются так называемые кратные гармоники, либо с помощью лазера», — объясняет Владимир Белотелов. Второй метод точнее, но и сложнее: прецессия намагниченности меняет поляризацию отраженного от пленки лазерного луча. Этот метод обеспечивает вполне достаточную чувствительность для магнитокардиографии — 10−11−10−13 Тл. Сейчас ученые работают над проектом, поддержанным Российским научным фондом (РНФ), который так и называется «Сверхчувствительные сенсоры магнитного поля для магнитокардиографии».

Сенсор такого типа уже создан, но на пути к серийному производству предстоит еще много сделать: нужно, например, заставить сенсоры не «слышать» магнитное поле Земли, поля электрических и электронных приборов — весь тот магнитный шум, который нас постоянно окружает. Для этого датчики будут работать в группе. Поле сердца гораздо сильнее зависит от точки в пространстве (оно более неоднородно), чем магнитный шум. Поэтому картина с группы сенсоров позволяет после математической обработки «вычесть» помехи. Но сперва нужно откалибровать датчики, научить их работать хотя бы в «тепличных условиях».

Тепличные условия в данном случае — это гигантский металлический контейнер с дверью 10-сантиметровой толщины. Это расположенная в полуподвале здания Российского квантового центра безмагнитная камера, внутри которой три человека и экспериментальное оборудование изолированы от магнитного поля Земли. По словам Владимира Белотелова, магнитоизолирующая камера ослабляет внешнее поле примерно в тысячу раз. Ученые уже пытаются снять магнитную кардиограмму у крыс: крысу, предварительно усыпив, укладывают на доску, в которой находится датчик. Начинается эксперимент: ученые параллельно снимают «обычную» и магнитную кардиограмму. «Это только первый шаг, нам еще нужно научиться отсекать помехи и шумы, очищать полезный сигнал, но мы рассчитываем, что уже через пару лет у нас будет готовый к производству прибор», — говорит Владимир Белотелов.

По своей информативности эта коробочка может дать результат, сопоставимый с возможностями сложного диагностического комплекса — позитрон-эмиссионного томографа.

Сердце и мозг

Однако ученые не планируют останавливаться на достигнутом. Группа Белотелова уже работает над еще более чувствительными сенсорами — с использованием плазмонов. Если на монокристаллическую магнитную пленку нанести тонкий слой металла с прорезями, то при взаимодействии с лазерным излучением на границе двух сред возникают плазмон-поляритоны — квазичастицы, представляющие собой устойчивые коллективные колебания электронного газа, взаимодействующего с фотонами электромагнитного поля. «Поляритоны очень чувствительны к изменению магнитного поля», — говорит Белотелов. По его словам, использование этой технологии позволит решить значительно более сложную задачу, нежели создание магнитокардиографа, — магнитоэнцефалографию (МЭГ), то есть считывание колебаний магнитного поля, порождаемого очень слабыми токами в мозгу.

Сейчас для регистрации этих слабых токов используется электроэнцефалография (ЭЭГ), но она имеет те же недостатки, что и ЭКГ: по электрическим потенциалам на коже головы нужно восстановить, какие токи протекают в глубине мозга. Можно, конечно, вживить электроды прямо в мозг — такой метод иногда используется в научных экспериментах (например, для управления протезами), но этот способ вряд ли подходит для рутинных обследований. Умение более точно регистрировать электрические токи в мозге открывает массу возможностей — от создания действительно удобных интерфейсов «мозг-компьютер» и «чтения мыслей» до массы медицинских применений. Плазмонные датчики могут обеспечить необходимое для этого микронное пространственное разрешение, но за это надо будет платить снижением чувствительности. «Чтобы шагнуть в сторону магнитоэнцефалографии, нам нужно поднять чувствительность датчиков на три порядка величины. Это задача, над которой мы сейчас думаем», — говорит Владимир Белотелов.

Как работает сенсор на основе ферримагнетика

Феррит-гранатовая пленка на предметном столике микроскопа. Это основа сверхчувствительных сенсоров магнитного поля 

Основной элемент сенсора — пленка из ферримагнетика. Для создания сенсоров используют феррит-гранат с ионами редкоземельных металлов, например иттрия, лютеция или тулия. Монокристаллическую пленку феррит-граната выращивают с помощью метода эпитаксии на специальной подложке из галлий-гадолиниевого граната. Кристаллическая подложка отличается тем, что почти не имеет дефектов, это «самый правильный» кристалл, известный сегодня. В результате выращенная пленка лишена неоднородностей.

 

Монокристалл феррит-граната 

Чтобы сделать сенсор, нужно создать на поверхности пленки специальный рельеф — это непростая задача, поскольку пленка отличается исключительной твердостью. Полученный квадрат пленки размером в десяток миллиметров помещают внутрь управляющих катушек, которые создают вращающееся с частотой в сотни килогерц внешнее магнитное поле. Оно заставляет намагниченность этой пленки тоже описывать круг. В результате магнитные моменты миллиардов атомов начинают вращаться в унисон. Если сенсор оказывается даже в очень слабом внешнем магнитном поле, то в этом вращении возникает асимметрия, появляются гармоники, которые регистрируются самими управляющими катушками. Еще большей чувствительностью обладает метод регистрации с помощью лазерного луча: колебания намагниченности меняют интенсивность отраженного лазерного излучения.

 

Схема сверхчувствительных сенсоров магнитного поля 

Работа для ферримагнетика

Возможные применения сверхчувствительных магнитных сенсоров вовсе не ограничиваются медицинскими приборами, отмечает коллега Белотелова, Петр Ветошко, предложивший использовать для сенсоров пленки феррит-граната.

По его словам, один из возможных вариантов использования — дефектоскопия. Сенсоры могут чувствовать очень слабые вариации намагниченности, возникающие на микроскопических трещинах в металле. Сейчас для магнитной диагностики металлических конструкций используются сенсоры на базе СКВИДов, поэтому это достаточно дорогой метод исследования (его используют, в частности, для поиска дефектов в конструкциях космических аппаратов). Применение сенсоров на базе феррит-гранатов может сделать этот способ дефектоскопии значительно доступнее.

Магнитные сенсоры могут использоваться в системах передачи информации, например, на подводные лодки с помощью так называемых сверхнизкочастотных магнитных волн.

Кроме того, магнитные сенсоры могут решить проблему обмена данными с электроникой буровых снарядов. Данные на буровой снаряд, который находится на глубине в несколько километров под землей, нельзя передавать с помощью проводов — никакие кабели не выдерживают нагрузок. Сейчас для этого используются колебания давления в буровой жидкости — специальный клапан создает их, а датчик давления преобразует их в электрические сигналы. Однако скорость передачи данных при этом не превышает одного бита в секунду. Магнитные сенсоры могут решить эту проблему, значительно повысив скорость передачи информации.

Высокочувствительные магнитные сенсоры можно использовать в металлодетекторах. Причем, если современные «рамки» генерируют магнитные поля и по отклику находят крупные скопления металла, чувствительные сенсоры способны обнаруживать металлические предметы в пассивном режиме. При этом по конфигурации магнитных полей можно даже отличать предметы друг от друга — например, мобильный телефон от пистолета. Возможно, сенсоры пригодятся и фундаментальной физике. «Сейчас мы работаем над проектом, в рамках которого будем измерять чувствительность феррит-гранатового сенсора при температурах жидкого гелия. Теория предсказывает, что он должен стать гораздо чувствительнее СКВИДа. А это открывает возможность со­здания высокочувствительных антенн, например, для поиска гравитационных волн», — говорит Петр Ветошко.

магнетизм | Национальное географическое общество

Магнетизм — это сила, проявляемая магнитами, когда они притягиваются или отталкиваются друг от друга. Магнетизм вызывается движением электрических зарядов.

Каждое вещество состоит из крошечных единиц, называемых атомами. В каждом атоме есть электроны, частицы, несущие электрические заряды. Вращаясь, как волчки, электроны вращаются вокруг ядра или остова атома. Их движение генерирует электрический ток и заставляет каждый электрон действовать как микроскопический магнит.

В большинстве веществ равное количество электронов вращается в противоположных направлениях, что нейтрализует их магнетизм. Вот почему такие материалы, как ткань или бумага, считаются слабомагнитными. В таких веществах, как железо, кобальт и никель, большинство электронов вращаются в одном направлении. Это делает атомы в этих веществах сильно магнитными, но они еще не магниты.

Чтобы стать намагниченным, другое сильномагнитное вещество должно войти в магнитное поле существующего магнита.Магнитное поле — это область вокруг магнита, обладающая магнитной силой.

Все магниты имеют северный и южный полюса. Противоположные полюса притягиваются друг к другу, а одни и те же полюса отталкиваются. Когда вы протираете кусок железа по магниту, северные полюса атомов в железе выстраиваются в одном направлении. Сила, создаваемая выровненными атомами, создает магнитное поле. Железка стала магнитом.

Некоторые вещества могут намагничиваться электрическим током.Когда электричество проходит через катушку с проволокой, создается магнитное поле. Однако поле вокруг катушки исчезнет, ​​как только отключится электрический ток.

Геомагнитные полюса

Земля — ​​это магнит. Ученые не до конца понимают, почему, но они думают, что движение расплавленного металла во внешнем ядре Земли порождает электрические токи. Токи создают магнитное поле с невидимыми силовыми линиями, протекающими между магнитными полюсами Земли.

Геомагнитные полюса не совпадают с Северным и Южным полюсами. Магнитные полюса Земли часто перемещаются из-за активности далеко под поверхностью Земли. Смещение геомагнитных полюсов фиксируется в породах, которые образуются, когда расплавленный материал, называемый магмой, проникает сквозь земную кору и изливается в виде лавы. Когда лава остывает и превращается в твердую породу, сильно магнитные частицы внутри породы намагничиваются магнитным полем Земли. Частицы выстраиваются вдоль силовых линий в поле Земли.Таким образом, горные породы фиксируют положение геомагнитных полюсов Земли в то время.

Как ни странно, магнитные записи горных пород, образовавшихся в одно и то же время, похоже, указывают на разные местоположения полюсов. Согласно теории тектоники плит, скальные плиты, составляющие твердую оболочку Земли, постоянно перемещаются. Таким образом, плиты, на которых застывала порода, переместились с тех пор, как породы зафиксировали положение геомагнитных полюсов. Эти магнитные записи также показывают, что геомагнитные полюса менялись на противоположный вид — сотни раз с момента образования Земли.

Магнитное поле Земли не движется быстро и часто не меняется. Следовательно, это может быть полезным инструментом, помогающим людям сориентироваться. Сотни лет люди использовали магнитные компасы для навигации по магнитному полю Земли. Магнитная стрелка компаса совпадает с магнитными полюсами Земли. Северный конец магнита указывает на северный магнитный полюс.

Магнитное поле Земли доминирует в области, называемой магнитосферой, которая охватывает планету и ее атмосферу.Солнечный ветер, заряженные частицы от Солнца, прижимает магнитосферу к Земле со стороны, обращенной к Солнцу, и растягивает ее в форме капли на теневой стороне.

Магнитосфера защищает Землю от большинства частиц, но некоторые из них просачиваются сквозь нее и попадают в ловушку. Когда частицы солнечного ветра сталкиваются с атомами газа в верхних слоях атмосферы вокруг геомагнитных полюсов, они создают световые эффекты, называемые полярными сияниями. Эти полярные сияния появляются над такими местами, как Аляска, Канада и Скандинавия, где их иногда называют «Северным сиянием».«Южное сияние» можно увидеть в Антарктиде и Новой Зеландии.

Как работают магнитные поля?

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор: С. Хуссейн Атер

••• Сайед Хуссейн Атер

Магнитные поля описывают, как магнитная сила распределяется в пространстве вокруг объектов. Как правило, для магнитного объекта линии магнитного поля проходят от северного полюса объекта к южному полюсу, так же, как и для магнитного поля Земли, как показано на диаграмме выше.

Та же самая магнитная сила, которая заставляет предметы прилипать к поверхности холодильника, используется в магнитном поле Земли, которое защищает озоновый слой от вредного солнечного ветра. Магнитное поле формирует пакеты энергии, которые не позволяют озоновому слою терять углекислый газ.

Вы можете наблюдать это, засыпая железные опилки, маленькие порошкообразные кусочки железа в присутствии магнита. Подложите магнит под лист бумаги или светлый кусок ткани. Вылейте железные опилки и посмотрите, какие формы и формы они принимают.Определите, какие силовые линии должны быть, чтобы опилки располагались и распределялись таким образом в соответствии с физикой магнитных полей.

Чем больше плотность линий магнитного поля, проведенных с севера на юг, тем больше величина магнитного поля. Эти северный и южный полюса также определяют, будут ли магнитные объекты привлекательными (между северным и южным полюсами) или отталкивающими (между идентичными полюсами). Магнитные поля измеряются в единицах Тесла, Тл .

Наука о магнитных полях

Поскольку магнитные поля образуются всякий раз, когда заряды движутся, магнитные поля индуцируются электрическим током через провода. Поле дает вам способ описать потенциальную силу и направление магнитной силы в зависимости от тока через электрический провод и расстояния, которое проходит ток. Силовые линии магнитного поля образуют концентрические круги вокруг проводов. Направление этих полей можно определить с помощью «правила правой руки».»

Это правило говорит вам, что, если вы поместите большой палец правой руки в направлении электрического тока через провод, результирующие магнитные поля будут в том направлении, в котором изгибаются пальцы вашей руки. Чем больше ток, тем больше магнитное поле индуцируется.

Как определить магнитное поле?

Вы можете использовать различные примеры правила правой руки , общего правила для определения направления различных величин, включая магнитное поле, магнитную силу и ток.Это эмпирическое правило полезно во многих случаях, связанных с электричеством и магнетизмом, поскольку это диктуется математикой величин.

••• Syed Hussain Ather

Это правило правой руки также может применяться в другом направлении для магнитного соленоида или серии электрического тока, намотанного на проволоку вокруг магнита. Если вы направите большой палец правой руки в направлении магнитного поля, пальцы правой руки будут сгибаться в направлении электрического тока.Соленоиды позволяют использовать силу магнитного поля через электрические токи.

••• Syed Hussain Ather

Когда электрический заряд перемещается, создается магнитное поле, поскольку вращающиеся и перемещающиеся электроны сами становятся магнитными объектами. Элементы, которые имеют неспаренные электроны в своих основных состояниях, такие как железо, кобальт и никель, могут быть выровнены так, что они образуют постоянные магниты. Магнитное поле, создаваемое электронами этих элементов, облегчает прохождение электрического тока через эти элементы.Сами магнитные поля также могут нейтрализовать друг друга, если они равны по величине в противоположных направлениях.

Ток, протекающий через батарею I излучает магнитное поле B на радиусе r в соответствии с уравнением для закона Ампера :

B = 2 \ pi r \ mu_0 I

, где μ ₀ — магнитная постоянная проницаемости вакуума, 1,26 x 10 ^-6 Гн / м («Генри на метр», где Генри является единицей индуктивности) .Увеличение тока и приближение к проводу увеличивают результирующее магнитное поле.

Типы магнитов

Чтобы объект был магнитным, электроны, составляющие объект, должны иметь возможность свободно перемещаться между атомами в объекте. Для того чтобы материал был магнитным, идеальными кандидатами являются атомы с неспаренными электронами одного и того же спина, поскольку эти атомы могут образовывать пары друг с другом, позволяя электронам свободно перемещаться. Тестирование материалов в присутствии магнитных полей и изучение магнитных свойств атомов, из которых состоят эти материалы, могут рассказать вам об их магнетизме.

Ферромагнетики обладают постоянным магнитом. Парамагнетики , напротив, не будут проявлять магнитные свойства, если только в присутствии магнитного поля не выравнивает спины электронов так, чтобы они могли свободно перемещаться. Диамагнетики имеют такой атомный состав, что на них вообще не действуют магнитные поля или на них очень мало влияют магнитные поля. У них нет или мало неспаренных электронов, через которые проходят заряды.

Парамагнетики работают, потому что они сделаны из материалов, которые всегда имеют магнитных моментов , известных как диполи. Эти моменты — их способность выравниваться с внешним магнитным полем из-за спина неспаренных электронов на орбиталях атомов, из которых состоят эти материалы. В присутствии магнитного поля материалы выравниваются, чтобы противостоять силе магнитного поля. Парамагнитные элементы включают магний, молибден, литий и тантал.

Внутри ферромагнетика диполь атомов является постоянным, обычно в результате нагрева и охлаждения парамагнитного материала.Это делает их идеальными кандидатами для электромагнитов, двигателей, генераторов и трансформаторов для использования в электрических устройствах. Диамагнетики, напротив, могут создавать силу, которая позволяет электронам свободно течь в форме тока, который затем создает магнитное поле, противоположное любому приложенному к ним магнитному полю. Это нейтрализует магнитное поле и не дает им стать магнитными.

Магнитная сила

Магнитные поля определяют, как магнитные силы могут распределяться в присутствии магнитного материала.В то время как электрические поля описывают электрическую силу в присутствии электрона, магнитные поля не имеют такой аналогичной частицы, на которой можно было бы описать магнитную силу. Ученые предположили, что магнитный монополь может существовать, но не было экспериментальных доказательств того, что эти частицы существуют. Если бы они существовали, эти частицы имели бы магнитный «заряд» почти так же, как заряженные частицы имеют электрические заряды.

Магнитная сила возникает из-за электромагнитной силы, силы, которая описывает как электрические, так и магнитные компоненты частиц и объектов.Это показывает, насколько магнетизм присущ тем же явлениям электричества, как ток и электрическое поле. Заряд электрона — это то, что заставляет магнитное поле отклонять его посредством магнитной силы, так же, как электрическое поле и электрическая сила.

Магнитные поля и электрические поля

Хотя только движущиеся заряженные частицы излучают магнитные поля, а все заряженные частицы излучают электрические поля, магнитные и электромагнитные поля являются частью одной и той же фундаментальной силы электромагнетизма.Электромагнитная сила действует между всеми заряженными частицами во Вселенной. Электромагнитная сила принимает форму повседневных явлений электричества и магнетизма, таких как статическое электричество и электрически заряженные связи, которые удерживают молекулы вместе.

Эта сила наряду с химическими реакциями также формирует основу электродвижущей силы, которая позволяет току течь через цепи. Когда магнитное поле переплетается с электрическим полем, полученный продукт известен как электромагнитное поле.

Уравнение силы Лоренца

F = qE + qv \ times B

описывает силу, действующую на заряженную частицу q , движущуюся со скоростью v в присутствии электрического поля E и магнитное поле B . В этом уравнении x между qv и B представляет собой перекрестное произведение. Первый член qE представляет собой вклад электрического поля в силу, а второй член qv x B представляет собой вклад магнитного поля.

Уравнение Лоренца также говорит вам, что магнитная сила между скоростью заряда v и магнитным полем B составляет qvbsinϕ для заряда q , где ϕ («фи») — это угол между v и B , который должен быть меньше 1 80 градусов. Если угол между v и B больше, то вы должны использовать угол в противоположном направлении, чтобы исправить это (из определения перекрестного произведения).Если ϕ равно 0, например, скорость и магнитное поле указывают в одном направлении, магнитная сила будет равна 0. Частица будет продолжать движение, не отклоняясь от магнитного поля.

Перекрестное произведение магнитного поля

••• Сайед Хуссейн Атер

На диаграмме выше перекрестное произведение двух векторов a и b равно c . Обратите внимание на направление и величину c . Это в направлении, перпендикулярном a и b , если задано правилом правой руки.Правило правой руки означает, что направление результирующего перекрестного произведения c задается направлением большого пальца, когда указательный палец правой руки находится в направлении b , а средний палец правой руки находится в направление а .

Перекрестное произведение — это векторная операция, которая приводит к вектору, перпендикулярному как qv , так и B , заданному правилом правой руки трех векторов и с величиной площади параллелограмма, которая векторы qv и B простираются.Правило правой руки означает, что вы можете определить направление перекрестного произведения между qv и B , поместив указательный палец правой руки в направлении B , средний палец в направлении направление qv , и результирующее направление вашего большого пальца будет направлением перекрестного произведения этих двух векторов.

••• Syed Hussain Ather

На приведенной выше диаграмме правило правой руки также демонстрирует взаимосвязь между магнитным полем, магнитной силой и током через провод.Это также показывает, что перекрестное произведение между этими тремя величинами может представлять собой правило правой руки, поскольку перекрестное произведение между направлением силы и полем равно направлению тока.

Магнитное поле в повседневной жизни

Магнитные поля от 0,2 до 0,3 тесла используются в МРТ, магнитно-резонансной томографии. МРТ — это метод, который врачи используют для изучения внутренних структур тела пациента, таких как мозг, суставы и мышцы. Обычно это делается путем помещения пациента в сильное магнитное поле так, чтобы оно проходило вдоль оси тела.Если вы представите пациента магнитным соленоидом, электрические токи будут обволакивать его или ее тело, а магнитное поле будет направлено в вертикальном направлении по отношению к телу, как это диктуется правилом правой руки.

Затем ученые и врачи изучают, как протоны отклоняются от своего нормального положения, чтобы изучить структуры внутри тела пациента. Благодаря этому врачи могут проводить безопасную неинвазивную диагностику различных состояний.

Человек не чувствует магнитное поле во время процесса, но, поскольку в человеческом теле очень много воды, ядра водорода (которые являются протонами) выстраиваются под действием магнитного поля.Сканер МРТ использует магнитное поле, из которого протоны поглощают энергию, и, когда магнитное поле отключается, протоны возвращаются в свое нормальное положение. Затем устройство отслеживает это изменение положения, чтобы определить, как протоны выровнены, и создать изображение внутренней части тела пациента.

Что создает магнитное поле Земли?

Путешествие, чтобы увидеть северное или южное сияние, вошло в список желаний почти каждого. Но неизвестно большинству, эти прекрасные проявления света вызваны опасными космическими лучами, которые были отклонены магнитным полем нашей Земли.

Магнитные поля вокруг планет ведут себя так же, как стержневой магнит. Но при высоких температурах металлы теряют свои магнитные свойства. Итак, ясно, что горячее железное ядро ​​Земли не является тем, что создает магнитное поле вокруг нашей планеты.

Напротив, магнитное поле Земли вызвано динамо-эффектом.

Эффект работает так же, как динамо-фонарь на велосипеде. Магниты в динамо-машине начинают вращаться при нажатии на педали велосипеда, создавая электрический ток. Затем электричество используется для включения света.

Этот процесс также работает в обратном порядке. Если у вас есть вращающийся электрический ток, он создаст магнитное поле.

На Земле течение жидкого металла во внешнем ядре планеты генерирует электрические токи. Вращение Земли вокруг своей оси заставляет эти электрические токи образовывать магнитное поле, которое распространяется вокруг планеты.

Магнитное поле чрезвычайно важно для поддержания жизни на Земле. Без этого мы были бы подвержены воздействию большого количества солнечной радиации, и наша атмосфера могла бы свободно просачиваться в космос.

Это, вероятно, то, что случилось с атмосферой на Марсе. Поскольку в ядре Марса нет текущего жидкого металла, он не производит такого же динамо-эффекта. Это оставило планету с очень слабым магнитным полем, из-за чего ее атмосфера была унесена солнечными ветрами, что сделало ее непригодной для жизни.

Магнитное поле Земли, подобное магнитному полю стержневого магнита, наклоненного на 11 градусов от оси вращения Земли. Предоставлено: Dea / D’Arco Editor / Getty Images

Королевский институт Австралии имеет образовательный ресурс, основанный на этой статье. Вы можете получить к нему доступ здесь.

Вишну Варма Р. Веджаян

Вишну Варма Р. Веджаян — студент-физик из Лондонского университета королевы Марии, интересующийся научными работами и исследованиями в области физики. Он проходил стажировку в Cosmos в начале 2017 года.

Читайте научные факты, а не беллетристику …

Никогда еще не было более важного времени для объяснения фактов, сохранения знаний, основанных на фактах, и для демонстрации последних научных, технологических и инженерных достижений.»Космос» издается Королевским институтом Австралии, благотворительной организацией, призванной связывать людей с миром науки. Финансовые взносы, какими бы большими они ни были, помогают нам предоставлять доступ к достоверной научной информации в то время, когда она больше всего нужна миру. Пожалуйста, поддержите нас, сделав пожертвование или купив подписку сегодня.

магнитное поле | Определение и факты

Наблюдайте за действием магнитного поля и взаимодействием между магнитными полюсами

Узнайте о магнитных полях и взаимодействиях между магнитными полюсами.

Encyclopædia Britannica, Inc. См. Все видео по этой статье

Магнитное поле , векторное поле в окрестности магнита, электрический ток или изменяющееся электрическое поле, в котором наблюдаются магнитные силы. Магнитные поля, такие как у Земли, заставляют стрелки магнитного компаса и другие постоянные магниты выстраиваться в линию в направлении поля. Магнитные поля заставляют электрически заряженные частицы двигаться по круговой или винтовой траектории. Эта сила, действующая на электрические токи в проводах в магнитном поле, лежит в основе работы электродвигателей.(Для получения дополнительной информации о магнитных полях, см. магнетизм.

Вокруг постоянного магнита или провода, по которому проходит постоянный электрический ток в одном направлении, магнитное поле является стационарным и называется магнитостатическим полем. В любой момент его величина и направление остаются прежними. Вокруг переменного или флуктуирующего постоянного тока магнитное поле непрерывно меняет свою величину и направление.

Подробнее по этой теме

Магнетизм: основы

Основными для магнетизма являются магнитное поле , с и их влияние на материю, как, например, отклонение движущихся зарядов…

Магнитные поля могут быть представлены непрерывными силовыми линиями или магнитным потоком, которые исходят из магнитных полюсов, направленных на север, и входят в магнитные полюсы, направленные на юг. Плотность линий указывает величину магнитного поля. Например, на полюсах магнита, где сильное магнитное поле, силовые линии сжимаются или становятся более плотными. Дальше, где магнитное поле слабое, они разветвляются, становясь менее плотными. Однородное магнитное поле представлено параллельными прямыми, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга.Направление потока — это направление, в котором указывает северный полюс небольшого магнита. Линии потока непрерывны, образуя замкнутые контуры. Для стержневого магнита они выходят из северного полюса, расходятся веером, входят в магнит на южном полюсе и проходят через магнит к северному полюсу, где снова появляются. Единицей измерения магнитного потока в системе СИ является вебер. Количество веберов — это мера общего количества линий поля, пересекающих данную область.

Магнитные поля могут быть представлены математически величинами, называемыми векторами, которые имеют направление, а также величину.Два разных вектора используются для представления магнитного поля: один, называемый плотностью магнитного потока или магнитной индукцией, обозначается как B ; другой, называемый напряженностью магнитного поля или напряженностью магнитного поля, обозначается цифрой H . Магнитное поле H можно рассматривать как магнитное поле, создаваемое протеканием тока в проводах, а магнитное поле B — как полное магнитное поле, включая также вклад, вносимый магнитными свойствами материалов в поле.Когда ток течет по проволоке, намотанной на цилиндр из мягкого железа, намагничивающее поле H довольно слабое, но фактическое среднее магнитное поле ( B ) внутри утюга может быть в тысячи раз сильнее, потому что B значительно усилен выравниванием бесчисленных крошечных естественных атомных магнитов железа в направлении поля. См. Также магнитную проницаемость .

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Происхождение магнитного поля Земли остается загадкой | MIT News

Микроскопические минералы, извлеченные из древнего обнажения Джек-Хиллз в Западной Австралии, были предметом интенсивных геологических исследований, так как они, кажется, несут на себе следы магнитного поля Земли, простирающиеся еще в 4 года.2 миллиарда лет назад. Это почти на 1 миллиард лет раньше, чем предполагалось, когда возникло магнитное поле, и почти во времена образования самой планеты.

Но какой бы интригующей ни была эта история происхождения, команда под руководством Массачусетского технологического института нашла доказательства обратного. В статье, опубликованной сегодня в журнале « Science Advances », команда исследователей исследовала кристаллы того же типа, называемые цирконами, которые были извлечены из того же обнажения, и пришла к выводу, что собранные ими цирконы ненадежны в качестве регистраторов древних магнитных полей.

Другими словами, до сих пор не решено, существовало ли магнитное поле Земли раньше, чем 3,5 миллиарда лет назад.

«Нет надежных доказательств существования магнитного поля до 3,5 миллиардов лет назад, и даже если бы поле существовало, будет очень трудно найти доказательства его существования в цирконах Jack Hills», — говорит Кауэ Борлина, аспирантка. в Департаменте наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Это важный результат в том смысле, что мы знаем, чего больше не искать.

Борлина — первый автор статьи, в которую также входят профессор EAPS Бенджамин Вайс, главный научный сотрудник Эдуардо Лима и научный сотрудник Джахандар Рамезан из Массачусетского технологического института, а также другие сотрудники из Кембриджского университета, Гарвардского университета, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Университет Алабамы и Принстонский университет.

Возбужденное поле

Считается, что магнитное поле Земли играет важную роль в обеспечении обитаемости планеты.Магнитное поле не только задает направление стрелок компаса, но и действует как своего рода щит, отражающий солнечный ветер, который в противном случае мог бы разъедать атмосферу.

Ученые знают, что сегодня магнитное поле Земли создается за счет затвердевания жидкого железного ядра планеты. Охлаждение и кристаллизация ядра приводит в движение окружающее жидкое железо, создавая мощные электрические токи, которые создают магнитное поле, простирающееся далеко в космос. Это магнитное поле известно как геодинамо.

Многочисленные доказательства показали, что магнитное поле Земли существовало по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад. Однако считается, что ядро ​​планеты начало затвердевать всего 1 миллиард лет назад, а это означает, что магнитное поле должно было быть вызвано каким-то другим механизмом до 1 миллиарда лет назад. Уточнение того, когда именно сформировалось магнитное поле, могло помочь ученым с самого начала выяснить, что его породило.

Борлина говорит, что происхождение магнитного поля Земли может также пролить свет на ранние условия, в которых зародились первые формы жизни на Земле.

«В первый миллиард лет Земли, между 4,4 и 3,5 миллиардами лет, именно тогда зарождалась жизнь», — говорит Борлина. «Наличие магнитного поля в то время имеет разные последствия для окружающей среды, в которой зародилась жизнь на Земле. Это мотивация нашей работы ».

«Не могу доверять циркону»

Ученые традиционно использовали минералы в древних породах для определения ориентации и интенсивности магнитного поля Земли во времени.По мере образования и охлаждения горных пород электроны в отдельных зернах могут смещаться в направлении окружающего магнитного поля. Как только горная порода остывает до определенной температуры, известной как температура Кюри, ориентация электронов, так сказать, устанавливается в камне. Ученые могут определить свой возраст и использовать стандартные магнитометры для измерения их ориентации, оценки силы и ориентации магнитного поля Земли в данный момент времени.

С 2001 года Вайс и его группа изучают намагниченность горных пород и зерен циркона в Джек-Хиллз с непростой целью установить, содержат ли они древние записи магнитного поля Земли.

«Цирконы Джек-Хиллз — одни из самых слабомагнитных объектов, изученных в истории палеомагнетизма», — говорит Вайс. «Кроме того, эти цирконы включают самые старые из известных материалов Земли, а это означает, что существует множество геологических событий, которые могли бы сбросить их магнитные записи».

В 2015 году отдельная исследовательская группа, которая также начала изучать цирконы Джек-Хиллз, утверждала, что они нашли доказательства наличия магнитного материала в цирконах, возраст которых составляет 4,2 миллиарда лет — первое свидетельство того, что магнитное поле Земли могло существовать до 3.5 миллиардов лет назад.

Но Борлина отмечает, что команда не подтвердила, действительно ли обнаруженный ими магнитный материал сформировался во время или после кристалла циркона, образовавшегося 4,2 миллиарда лет назад — цель, которую он и его команда взяли на себя в своей новой статье.

Борлина, Вайс и их коллеги собрали породы на том же обнажении Джека Хиллз и из этих образцов извлекли 3754 зерна циркона, каждое около 150 микрометров в длину — это примерно ширина человеческого волоса. Используя стандартные методы датирования, они определили возраст каждого зерна циркона, который колебался от 1 миллиарда до 4 лет.2 миллиарда лет.

Около 250 кристаллов были старше 3,5 миллиардов лет. Команда изолировала и визуализировала эти образцы, ища признаки трещин или вторичных материалов, таких как минералы, которые могли отложиться на кристалле или внутри него после того, как он полностью сформировался, и искала доказательства того, что они значительно нагреваются за последние несколько миллиардов. лет с момента их образования. Из этих 250 они идентифицировали только три циркона, которые были относительно свободны от таких примесей и, следовательно, могли содержать подходящие магнитные записи.

Затем команда провела подробные эксперименты с этими тремя цирконами, чтобы определить, какие виды магнитных материалов они могут содержать. В конце концов они определили, что магнитный минерал под названием магнетит присутствует в двух из трех цирконов. Используя квантовый алмазный магнитометр высокого разрешения, команда исследовала поперечные сечения каждого из двух цирконов, чтобы отобразить расположение магнетита в каждом кристалле.

Они обнаружили магнетит, лежащий вдоль трещин или поврежденных зон внутри цирконов.По словам Борлина, такие трещины — это пути, по которым вода и другие элементы попадают внутрь породы. Такие трещины могли пропускать вторичный магнетит, который оседал в кристалле намного позже, чем когда первоначально образовался циркон. В любом случае, говорит Борлина, доказательства очевидны: эти цирконы нельзя использовать в качестве надежных регистраторов магнитного поля Земли.

«Это свидетельство того, что мы не можем доверять этим измерениям циркона для регистрации магнитного поля Земли», — говорит Борлина. «Мы показали это до 3.5 миллиардов лет назад мы до сих пор не знаем, когда возникло магнитное поле Земли ».

«Для меня эти результаты вызывают большие сомнения в способности цирконов Джека Хиллса точно регистрировать интенсивность палеомагнитного поля до 3,5 миллиардов лет», — говорит Энди Биггин, профессор палеомагнетизма Ливерпульского университета, не участвовал в исследовании. «Тем не менее, эти дебаты, как палеомагнитный эквивалент Брексита, бушуют с 2015 года, и я был бы очень удивлен, если бы это было последнее слово по этому поводу.Практически невозможно доказать отрицание, и ни методы, ни интерпретации не подлежат сомнению ».

Несмотря на эти новые результаты, Вайс подчеркивает, что предыдущие магнитные анализы этих цирконов все еще очень ценны.

«Команда, которая сообщила о первоначальном магнитном исследовании циркона, заслуживает большой похвалы за попытку решить эту чрезвычайно сложную проблему», — говорит Вайс. «В результате всей работы обеих групп мы теперь намного лучше понимаем, как изучать магнетизм древних геологических материалов.Теперь мы можем начать применять эти знания к другим минеральным зернам и зернам с других планетных тел ».

Это исследование частично поддержано Национальным научным фондом.

полюсов Земли в конце концов перевернутся, и что тогда?

Многие аспекты нашей жизни зависят от магнитного поля Земли, закрепленного на Северном и Южном полюсах, от электрической сети, питающей наши компьютеры, до спутников, которые позволяют нам смотреть телевизор. С ним перемещаются черепахи и другие существа.Но, как показывает Аланна Митчелл в своей новой книге, The Spinning Magnet , , так было не всегда. В самом деле, так же мало — во всяком случае, в геологическом времени — как 780 000 лет назад полюса поменялись местами. Некоторые ученые полагают, что это может произойти снова, с потенциально катастрофическими последствиями для жизни на Земле. (Почему еще не время паниковать по поводу переворота магнитного поля.)

Когда National Geographic догнал ее по телефону из ее дома в Торонто, Митчелл объяснила, как ученый из Мэриленда построил гигантское изобретение, чтобы попытаться имитировать магнитное поле Земли; как спутники заглядывают в ядро ​​Земли глубже, чем когда-либо прежде; и почему то, что называется южно-атлантической аномалией, может предвещать новый поворот полярности.

Предоставлено Penguin Random House

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Мы принимаем это как должное, но прямо у нас под ногами действуют невероятно сложные и непостоянные силы. Отправьтесь в путешествие к центру Земли и объясните, как спутниковые технологии позволяют нам получить беспрецедентный обзор нашей планеты.

Отличный вопрос! За последние 100 лет ученым удалось проникнуть под земную кору и заглянуть внутрь ядра планеты.Первоначально они сделали это с помощью сейсмологии, а в последнее время, глядя на это математически, экстраполяция с информационных спутников дает нам.

Магнитное поле, которое защищает нашу планету от солнечного и галактического излучения, опасных лучей, которые могут нанести вред объектам на нашей планете, генерируется во внешнем ядре. Когда энергия проходит через это ядро, она создает электрический ток, который, в свою очередь, создает магнитный экран, уходящий далеко в космос. В 1980-х годах ученые начали отправлять спутники в атмосферу и получать эти маленькие проблески того, что происходит с магнитным экраном.С помощью математики они могут взять эти расчеты из космоса и посмотреть, что происходит внутри этого расплавленного внешнего ядра, где генерируется поле.

Они обнаружили феноменально удивительных. Есть эта абсолютно замученная связка магнитных полей внутри сердечника. У вас есть два полюсных магнитных поля, которые защищают нашу планету, северный и южный полюса, но внутри этого расплавленного ядра есть все эти фракции, подобные битве титанов, которые пытаются свергнуть диполь.Если им это удастся, что они делали сотни раз в истории планеты, то северный и южный полюса поменяются местами.

Многие существа обладают так называемым магнетическим шестым чувством. Объясните, как это работает, и какие вредные последствия могут иметь возможные сбои.

Ученые выяснили, что все растения и животные реагируют на магнитное поле нашей планеты. Допустим, вы — кит, пытающийся добраться до побережья Северной Америки, туда, где весной водятся хорошие рыбы, где вы можете откормиться, размножиться и передать свою ДНК.Если вы не можете понять, как туда добраться, ориентируясь по магнитному полю, это может повлиять на вашу репродуктивную стратегию. Точно так же некоторым черепахам нужно вернуться в ту же бухту в Австралии, чтобы отложить яйца. Беспокойство заключается в том, что они не смогут найти этот пляж, если не смогут ориентироваться по магнитному полю, и могут в конечном итоге отправиться в другое место.

Будет ли это иметь значение, чтобы навредить жизни на Земле? Эта часть не ясна. Прямо сейчас на нашей планете сложилась ситуация, когда около одной трети существ на нашей планете уже в опасности, а некоторые критически в опасности.Итак, вы не говорите о времени, нормальном для жизни на Земле. Большой вопрос о возможном переключении полюсов заключается в том, какое влияние это окажет на существ, которые уже серьезно скомпрометированы в своей способности идти туда, куда им нужно.

Промежуток времени: 7 удивительных видов Земли из космоса

На часах: Покадровые снимки, полученные с помощью климатической обсерватории глубокого космоса, открывают беспрецедентные виды нашей планеты в движении.

Электромагнитные помехи в космосе также могут нанести огромный ущерб технологиям, от которых мы зависим.Расскажите нам о магнитной буре 2012 года и о том, как британская компания разработала алгоритм для страховой отрасли, чтобы рассчитать стоимость будущих бурь.

Наши электронные сети очень плотно связаны между собой, поэтому отказ в одной из них может распространиться по всей планете. В 2012 году произошла катастрофа из-за абсолютной супер-бури, которую выпустило солнце. Это масштабное событие, происходящее раз в 150 лет, произошло, когда Солнце повернулось от нашей Земли. Если бы это было на неделю или две раньше, он был бы прямо перед нашей планетой, и судебно-медицинский анализ показывает, что, если бы это произошло, нас отправили бы обратно в викторианскую эпоху с точки зрения наших электрических систем.

Тот факт, что это было почти что не удалось и так хорошо зарегистрированы спутниками, позволил ученым обратиться к правительствам и академикам и сказать: «Послушайте, это было действительно близкое событие. Это могло полностью разрушить наши электронные системы, разве мы не должны начать к этому готовиться? » В результате группа в Великобритании разработала способ взглянуть на экономические издержки этих больших солнечных бурь и попытаться выяснить, что мы можем сделать, чтобы защитить себя. Стоимость может достигать 41 доллара.5 миллиардов в день в экономику США только от одного шторма. И это при условии, что он не распространится за пределы США, что, конечно, распространится.

Давайте вернемся в прошлое, в центральную часть Франции и к ученому по имени

Бернар Брюнес , которого вы называете «забытым человеком магнетизма». Поднимите для нас стул у его камина и объясните, почему он так важен.

Брюнес был геофизиком, который хотел проследить магнитное поле Земли во времени. Для этого ему требовалось уникальное образование: толстый кусок нетронутой терракоты, который затем был покрыт горячей базальной лавой из вулкана.Когда терракота нагревается, а затем остывает, некоторые электроны в ее молекулярной структуре становятся ископаемыми магнитами. Они установят координаты магнитного поля в этом точном месте Земли в это точное время, чтобы вы могли очень точно увидеть, что происходило.

Брюнь жил недалеко от Пюи-де-Дом в Центральном массиве, в центре Франции, где есть все эти потухшие вулканы. Приходит известие от одного из его друзей, который был резчиком на дорогах, и он сказал: «Я только что перерезал дорогу в этом месте под названием Понтфарин, и он показал именно то, что вы ищете.Брюнес пакует долота, садится на лошадь, ездит верхом минимум день, затем вырезает несколько кусков терракоты с базальтом на поверхности и относит обратно в свою лабораторию.

В терракоте он обнаруживает то, что когда эта терракота перегревалась, а затем снова охлаждалась, полюса находились на разных сторонах планеты. Это было абсолютно тревожным открытием для ученых того времени. У них не было способа объяснить, как и почему это могло произойти.У них также не было возможности подтвердить, что это произошло, поэтому были большие сомнения в его находке. В результате он больше никогда не публиковался по этой теме и умер через несколько лет от массивного инсульта в возрасте 42 лет. Но это был первый сигнал о том, что сердце расплавленного внешнего ядра нашей планеты подверглось гораздо более жестоким пыткам, чем ученые. представлял.

Магнитное поле защищает Землю от солнечной радиации.

Фотография НАСА, SDO

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Сегодня профессор Университета Мэриленда пытается построить работающую модель того, как работает магнитное поле внутри Земли. Расскажите нам о

Дэне Латропе и его «самоподдерживающейся динамо-машине».

Постоянное движение во внешнем ядре — вот что создает наше магнитное поле. Латроп пытается воссоздать динамо-машину, которая, как мы полагаем, существует внутри ядра Земли. Но вместо расплавленного никеля и металлического материала, который находится внутри нашего реального ядра, у него есть эта огромная сфера, заполненная жидким натрием.Это похоже на вращающийся огромный металлический шар. Он такой огромный, что у него есть собственный ангар в кампусе Мэриленда. Это очень опасно, потому что жидкий натрий чрезвычайно летуч. Но несколько дней в неделю эта штука разжижается и вращается, и они измеряют ее и оценивают, что она делает.

Пока это не увенчалось успехом, или «динамо-, », как любят говорить ученые. Это только создало усиление магнитного поля. Латроп хочет воспроизвести то, что происходит в ядре, потому что он хочет увидеть, какие условия должны быть там, чтобы произошел разворот.Все в сообществе геофизиков смотрят на этот эксперимент, потому что один из главных вопросов, на который они пытаются ответить, — когда может произойти разворот.

Итак, сколько у нас осталось? И каковы могут быть последствия для жизни на Земле

смены полярности ?

Мы знаем, что полюса Земли менялись сотни раз. Это динамическая система внутри внешнего ядра, и время от времени она должна меняться, потому что это лишь часть ее работы.Мы знаем, что это было сделано совсем недавно, 780 000 лет назад, поэтому есть люди, которые говорят, что это уже давно пора. Мы знаем, что ядро ​​становится все более нестабильным. Северный магнитный полюс равен , проходит через Северное полушарие на 55 километров в год к северо-западу. Это показатель того, что внутри ядра происходит что-то необычное. Мы также знаем, что диполь довольно сильно ослабевает. Если вы посмотрите на спутниковые снимки, вы увидите, что часть магнитного поля уже перевернулась в Южном полушарии.Это то, что называется Южно-Атлантической аномалией. Мы знаем, что это «пятно обратного потока», как его называют ученые, перемещается на Запад и что за последние 60 лет оно увеличилось вдвое, так что теперь оно покрывает около 20 процентов поверхности планеты.

Это говорит нам о приближении разворота? У ученых просто недостаточно информации, чтобы сделать такой вывод. Они говорят, что, несомненно, в какой-то момент полюса снова поменяются местами. Но они не знают, является ли это началом, потому что у них просто недостаточно информации.

Последствия для жизни на Земле потенциально разрушительны. Один ученый, с которым я разговаривал, Дэниел Бейкер из Университета Колорадо, который является экспертом в области солнечного излучения и его влияния на нашу планету, говорит, что у него нет никаких сомнений в том, что некоторые части планеты станут непригодными для жизни. Но мы не можем предсказать, какие именно. Он имеет в виду, что дополнительное ультрафиолетовое излучение, которое повреждает ткани человека и может вызвать мутации, поразит планету, потому что у нас не будет магнитного щита, который защитит нас.

Что, если одна из этих полос дополнительной радиации поразит очень густонаселенную часть планеты? Затем, конечно, есть эффекты для всех существ на планете, а также воздействия на нашу электромагнитную систему, электрическую сеть и все, что мы считаем частью современной цивилизации.

Это интервью было отредактировано для большей ясности.

Саймон Уорролл курирует Книжный разговор . Следуйте за ним на Twitter или на simonworrallauthor.ком .

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли похоже на что из стержневого магнита наклонен на 11 градусов от ось вращения Земля. Эта проблема с этой картинкой заключается в том, что температура Кюри железо около 770 С. Ядро Земли горячее, чем это, и, следовательно, не магнитный. Так как же Земля получила свое магнитное поле?

Магнитные поля окружают электрические токи, поэтому мы предполагаем, что циркулирующие электрические токи в расплавленном металлическом ядре Земли являются источником магнитного поля.Токовая петля дает поле, подобное земному. Величина магнитного поля, измеренная на поверхности Земли, составляет около половины Гаусса и падает в сторону Земли в северном полушарии. Величина колеблется по поверхности Земли в пределах от 0,3 до 0,6 Гаусса.

Магнитное поле Земли объясняется динамо-эффектом циркулирующего электрического тока, но оно не является постоянным по направлению.Образцы горных пород разного возраста в одинаковых местах имеют разные направления постоянной намагниченности. Сообщалось о 171 инверсии магнитного поля за последние 71 миллион лет.

Хотя детали динамо-эффекта подробно не известны, вращение Земли играет роль в генерировании токов, которые, как предполагается, являются источником магнитного поля. Маринер 2 обнаружил, что Венера не имеет такого магнитного поля, хотя содержание железа в ее ядре должно быть таким же, как и на Земле.Период вращения Венеры в 243 земных дня слишком медленный, чтобы вызвать эффект динамо.

Взаимодействие магнитного поля Земли с частицами солнечного ветра создает условия для явлений полярных сияний вблизи полюсов.

Северный полюс стрелки компаса — это северный магнитный полюс. Его привлекает географический Северный полюс, который является южным магнитным полюсом (притягиваются противоположные магнитные полюса).

.