Сохраняй посты, комментируй и ставь оценки
Ответ: магнитные поля можно увидеть с помощью стеклянного визуализатора, в котором содержится ферромагнитная жидкость
Это щепетильное число определяет силу магнитных полей. Оно присутствует во всём: от двигателей и генераторов до аудиосистем. Ах да, и без него мы бы жили в вечной тьме.
В физике мыСуществует множество констант, которые используются в моделях для объяснения устройства мира. Это фиксированные числа, которые мы подставляем в уравнения вместе с переменными. Например, постоянная всемирного тяготения используется для прогнозирования движения любого падающего объекта. Она равна G = 6,6743 × 10−11 м³ / кг⋅с² .
Что странно в этих константах, так это то, что они имеют очень точные значения, которые кажутся довольно случайными. Почему 6,6743, а не 6,6744? Мы знаем лишь, что они работают. Они не выведены теоретически, а просто измерены, и точность их постоянно растёт по мере совершенствования наших приборов.
На прошлой неделе я рассказывал об электрической постоянной , также довольно причудливо называемой «диэлектрической проницаемостью свободного пространства». Она определяет (помимо прочего), как электроны и протоны взаимодействуют, образуя молекулы, — а это довольно важно для существования жизни, Вселенной и, знаете ли, всего остального.
Сегодня мы рассмотрим магнитную постоянную, или проницаемость вакуума. Она определяет напряжённость магнитных полей в вакууме (и, соответственно, в воздухе). Это тоже довольно важный фактор. Во-первых, без магнитных полей во Вселенной не было бы света, поскольку свет — это электромагнитное излучение.
На самом деле, электрические и магнитные силы неразрывно связаны, и люди научились использовать это взаимодействие для самых разных целей, например, для питания электродвигателей и генерации электроэнергии. Давайте посмотрим, как это работает!
Прагматическое замечание
Сначала я должен признаться. Я сказал, что значения констант измеряются, а не выводятся. Это не всегда верно. Например, скорость света ( c ) считается фундаментальной константой, но она связана с электрической ( ε0 ) и магнитной ( μ0 ) постоянными — диэлектрической и магнитной проницаемостями вакуума, — как показано в следующем уравнении:
Это означает, что эти три значения не могут быть независимыми; зная два из них, можно вывести третье. Как физики с этим справляются? Мы определяем скорость света как ровно 299 792 458 метров в секунду. (Откуда мы знаем эту точность? Потому что мы определяем метр как расстояние, которое свет проходит за 1/299 792 458 секунды.) Затем мы измеряем магнитную постоянную ( μ 0 ) и используем это значение вместе со скоростью света для расчета электрической постоянной ( ε 0 ).
Возможно, это кажется обманом, но чтобы начать заниматься настоящей наукой, в какой-то момент нам приходится вводить произвольные единицы и определять некоторые параметры. На самом деле, если разобраться, все системы измерений вымышлены, как и все слова.
Проницаемость свободного пространства
Магнитные поля (обозначенные символом B ) могут создаваться магнитами, как показано на фотографии выше. Но благодаря этой взаимозависимости, о которой мы говорили, их также можно создавать движущимися электрическими зарядами. (Я использую сокращенный термин «заряды» для обозначения заряженных частиц, таких как электроны.) Это описывается законом Био-Савара:
Здесь вы видите магнитную постоянную ( μ0 ). Также у нас есть значение электрического заряда ( q ) , движущегося с определённой скоростью ( v ). Это означает, что магнитное поле увеличивается с ростом электрического заряда и уменьшается с увеличением расстояния ( r ) от движущегося заряда, а магнитная постоянная точно показывает, насколько сильно оно меняется.
Конечно, мы нечасто имеем дело с отдельными движущимися электронами. Но с потоками движущихся электронов мы имеем дело постоянно: это электрический ток, который мы можем измерить. Если нам известен заряд частиц в кулонах, то количество кулонов, протекающих в секунду, даёт нам силу тока ( I ) в амперах. И мы можем записать вышеприведённое уравнение для тока: B = μ 0 I/(2πr).
Это повсюду
Это говорит нам о том, что электрический ток создаёт магнитное поле . Это используется во всевозможных машинах. Например, это электромагниты, в которых магнитное поле можно включать и выключать для перемещения металлических предметов на заводах и свалках. Аналогичным образом динамики создают звук: электрический сигнал вызывает вибрацию магнитного драйвера, который создаёт волны давления в воздухе.
Магнитные поля также влияют на электрический ток . Именно так работают двигатели. Ток протекает по катушке с проволокой в магнитном поле, которое обычно создаётся постоянными магнитами. Сила, действующая на катушку с проволокой, заставляет её вращаться, и это ваш двигатель. Это может быть двигатель вентилятора, часть компрессора кондиционера или главный привод электромобиля.
Подождите! Это ещё не всё. Так же, как изменяющееся электрическое поле создаёт магнитное поле, изменяющееся магнитное поле создаёт электрическое поле , которое, в свою очередь, создаёт электрический ток. Именно так генерируется большая часть нашей энергии. Какой-либо источник энергии — пар, ветер, движущаяся вода и т.д. — вращает турбину, которая, в свою очередь, вращает катушку в магнитном поле. Изменяющийся магнитный поток индуцирует напряжение в катушке, преобразуя механическую энергию в электрическую, которую можно передать в ваш дом.
Измерение магнитной постоянной
Как измерить μ0 ? Один из методов основан на так называемом балансе токов. В простейшем варианте используются два параллельных провода, по которым в противоположных направлениях течёт электрический ток ( I ) , как показано на схеме ниже. Затем два провода подвешиваются на нитях так, чтобы они могли раздвигаться, вот так:
Ток в каждом проводе создаёт магнитное поле в месте расположения другого провода, которое раздвигает их. По мере удаления магнитная сила уменьшается, а горизонтальная составляющая натяжения поддерживающей нити увеличивается (из-за изменения угла). Когда эти две силы становятся равными, провода «уравновешиваются».
Зная силу электрического тока и расстояние между проводами ( r ), можно определить магнитную постоянную μ0 . Затем , как мы показали выше, можно использовать это значение вместе с определённой скоростью света для вычисления электрической постоянной ε0 .
Итак, в целом, можно сказать, что магнитная постоянная весьма важна. Кстати, а что это за константа? Согласно Международному комитету мер и весов, μ0 = 1,256637061272 × 10⁻² . Ни больше, ни меньше .
Источник: www.wired.com
Человек может различать электромагнитное поле с частотой 405-790 ГГц. Ощущать то же электромагнитное поле от 300 ГГц.
То что показано в этом видео - это изменение плотности ферромагнитных доменов в жидкости. Формируемый рисунок как бы совпадет с направлением так называемых силовых линий магнитного поля. Но по этому рисунку можно судить только о примерном направлении и плотности этих силовых линий этого векторного поля.
Геофизики из Университета Юты совместно с коллегами из Японии и Франции проанализировали донные отложения в Северной Атлантике и показали, что смена магнитных полюсов Земли может длиться в семь раз дольше, чем считалось ранее. Продолжительность «переворота» земного магнита может достичь 70 000 лет. Все это время Земля не защищена от космических лучей и солнечного ветра.
Магнитное поле Земли, рождающееся в недрах из-за движения жидкого внешнего ядра, не является стабильной величиной. На протяжении миллионов лет северный и южный полюса периодически менялись местами. Эти события, называемые геомагнитными инверсиями, фиксируются в древних породах и океанических осадках.
Традиционно считалось, что процесс «переворота» занимает около 10 000 лет. Однако новые данные, полученные при изучении кернов из глубоководных скважин у берегов Ньюфаундленда, показали другое.
Ученые обнаружили свидетельства инверсий эпохи эоцена, которые происходили 40 миллионов лет назад и растягивались на десятки тысяч лет. Этот процесс не был внезапным: магнитный щит планеты постепенно ослабевал, «колебался», и только после долгого периода нестабильности полюса окончательно закреплялись в новых позициях. Исследование опубликовано в журнале Communications Earth & Environment.
Ослабление магнитного поля на столь долгий срок имеет критическое значение для всего живого. Магнитная оболочка служит защитной сеткой, отражающей жесткое космическое излучение и солнечный ветер. Соавтор работы Питер Липперт подчеркивает серьезность угрозы: «Удивительная особенность магнитного поля заключается в том, что оно обеспечивает сеть безопасности против радиации из космического пространства. Если на планету попадает больше солнечной радиации, это изменяет все живое».
Липперт отмечает, что длительное воздействие космических лучей на атмосферу и поверхность Земли ведет к росту генетических мутаций и возможной эрозии атмосферного слоя.
Анализ микроскопических кристаллов магнетита, оставленных древними организмами, позволил ученым восстановить высокоточную шкалу времени для двух инверсий: одна длилась 18 000 лет, а другая — беспрецедентные 70 000 лет. Это открытие подтверждает теоретические модели земного динамо, которые допускают существование крайне затяжных переходных периодов, ранее не зафиксированных в геологической летописи.
🧲 Есть два интересных и довольно распространенных вопроса:
- Что будет, если сломать магнит на две части? Сохранятся ли его полюса такими же?
- И что это за такая волшебная зона между двумя частями магнита, где синяя часть отделяется от красной? Может быть там какая-то хитрая точка с интересной структурой?
Ответить на эти вопросы совсем не сложно, если знать классическую теорию формирования магнитных свойств. Про неё и поговорим в новом ролике. И в процессе беседы внезапно придём к... магнитному монополю.
🧲Смотрим ролик на ДЗЕНе, если вам сломали Тубчик (https://dzen.ru/video/watch/6730abb25c020758f9832ec4)
Данная подборка составлена из постов, которые я публиковал в своем телеграм-канале с физикой. Подборка состоит из классических опытов и демонстраций с кратким описанием.
1. Опыт Эрстеда
Известно, что вокруг движущихся заряженных частиц создается особый вид материи - магнитное поле. Следовательно, вокруг провода с током, который и является потоком большого количества заряженных частиц, также образуется магнитное поле. Этот вопрос был изучен Эрстедом в 1819 году.
Если поднести магнитную стрелку компаса к проводнику без тока, то проводник и стрелка никак не взаимодействуют. Однако при пропускании электрического тока стрелка поворачивается таким образом, чтобы направления магнитных полей от стрелки и от проводника совпадали.
Для демонстрации данного явления нужны токи порядка нескольких ампер, поэтому в качестве проводника используется медная трубка с большим сечением, чтобы сопротивление было как можно меньше.
2. Визуализация магнитного поля
При обсуждении магнитных полей используют термин - магнитная линия. Это такая условная линия, вдоль которой будут выстраиваться бесконечно маленькие магнитики, если их высыпать в достаточном количестве вокруг магнита. Магнитная индукция в любой точке направлена по касательной к магнитным линиям.
В видео показано несколько визуализаций магнитных линий от разных постоянных магнитов. В качестве визуализатора используют просто железные опилки.
3. Сила Ампера
Если поместить проводник, по которому течет электрический ток, в магнитное поле, то он начнет отклоняться. Причиной этому является сила Ампера.
Направление силы Ампера определяется по легендарному правилу левой руки. Берем левую руку, направляем четыре пальца по направлению тока, вектор магнитной индукции должен входить в ладонь, тогда большой палец указывает направление силы. Можете попробовать с векторами из видео.
Применение силы Ампера крайне обширно. Например, любые электродвигатели работают по закону Ампера.
4. Демонстрация силы Ампера - два параллельных проводника.
На видео показана классическая демонстрация закона Ампера.
Если пустить по двум расположенным близко проводникам ток, то они будут притягиваться, если токи направлены в одну сторону, и отталкиваться, если в разные стороны.
Объяснить данное поведение несложно. При прохождении тока каждый из проводников создает вокруг себя магнитное поле, как мы уже видели в опыте Эрстеда. То есть, левый проводник создает магнитное поле, в которое попадает правый, и наоборот. Таким образом, каждый проводник с током оказывается в магнитном поле, в результате чего возникает сила Ампера, притягивающая или отталкивающая проводники.
5. Демонстрация силы Ампера - рамка с током в магнитном поле.
Еще одна демонстрация силы Ампера. Если поместить рамку, по которой протекает ток, в магнитное поле, то на ее стороны начнет действовать сила Ампера, которая будет либо вращать рамку, либо ее растягивать.
Если рамка будет только одна, то она просто займет определенное положение, при котором силы Ампера направляются на ее растяжение, и вращение прекратится.
6. Электродвигатель
В электродвигателях используют тот же принцип - пускают по рамке ток и помещают ее в магнитное поле. Однако вместо одной рамки используют сразу несколько рамок, повернутых друг относительно друга. Это позволяет сделать движение непрерывным и плавным.
7. Электродвигатель из батарейки и магнитов №1
Широко известный опыт, который легко повторить самостоятельно.
Берем магнит, батарейку и медную проволоку. Загибаем проволоку в форму рамки с острием на одной стороне и кольцом на другой. Острие помещаем на полюс батарейки, батарейку ставим на магнит. Важно сделать кольцо таким, чтобы оно касалось магнита при вращении.
Объяснение крайне простое - при касании проволоки через нее протекает электрический ток благодаря батарейке. Как мы выяснили ранее, на проводник с током в магнитном поле (которое создает магнит) действует сила Ампера, которая и заставляет рамку вращаться.
8. Электродвигатель из батарейки и магнитов №2
Еще один своеобразный двигатель на батареечно-магнитной тяге. Повторить уже чуть сложнее, но можно.
Медная проволока закручивается в спиральку. Чем плотнее, тем лучше. Затем к полюсам батарейки цепляем по несколько магнитов и толкаем батарейку в спираль. Батарейка с магнитами движется по ней, как поезд по тоннелю.
Принцип работы прост. Сквозь магниты проходит электрический ток, поэтому по участку медной проволоки, который располагается между двумя магнитами, течет электрический ток. Как мы помним, вокруг проводника с током появляется магнитное поле. Таким образом, в системе есть два магнитных поля - от участка медной проволоки и от магнитов. Поля взаимодействуют друг с другом, и появляется движущая сила.
9. Сила Лоренца
Наряду с силой Ампера существует и другая сила в магнитном поле - сила Лоренца. Она действует на движущиеся заряженные частицы и также подчиняется правилу левой руки.
Если летящая заряженная частица попадет в магнитное поле, то перпендикулярно скорости на нее начнет действовать сила Лоренца, из-за чего частица будет двигаться по дуге окружности. Сила Лоренца не меняет скорость частицы, а только направление движения.
Вот эти два серых кольца называются катушкой Гельмгольца - просто две параллельных катушки медной проволоки. По ним идет ток, создавая вокруг колец магнитное поле, которое будет направлено от центра одного кольца к центру другого.
Из источника вылетает поток электронов, вызывающий свечение газа внутри колбы.
Поток электронов попадает в магнитное поле и начинает отклоняться под действием силы Лоренца. Степень отклонения и направление отклонения регулируется величиной и направлением тока в катушках. Красота же, ну!
10. Электромагнитная индукция
Познакомимся с еще одним интересным эффектом - электромагнитной индукцией!
Если поместить замкнутый проводник (подойдет даже кусочек провода, замкнутый сам на себя) в переменное магнитное поле, то по нему потечет электрический ток. Не нужно дополнительных проводов, батареек, гидроэлектростанций... Только замкнутый проводник и переменное магнитное поле.
Подчеркну, что ток будет течь только в процессе изменения магнитного поля. Как только магнитное поле установится неизменным, ток течь перестанет.
Есть три способа создать переменное магнитное поле. Все три продемонстрированы в видео.
1. Изменять магнитную индукцию. Если поле создается магнитом, то можно магнит перемещать. Если поле создается другим проводником с током, то достаточно постоянно менять силу тока.
Обратите внимание, что когда Павел Андреевич перемещает магнит - ток течет. Как только руки останавливаются - ток пропадает.
2. Изменять площадь проводника.
3. Поворачивать проводник.
11. Падение магнита в медной трубе. Токи Фуко.
Если взять магнит и отпустить его, то он испытает нечто вроде обычного падения. А вот если взять магнит и отпустить его в медную трубу, то он почему-то тоже падает, но гораздо медленнее. Это значит, что при падении появляется новая сила, которой без медной трубы не было.
Как мы недавно выяснили, если поместить замкнутый проводник в переменное магнитное поле, то по нему начинает течь ток. Так работает электромагнитная индукция.
Падающий магнит и создает переменное магнитное поле, которое возбуждает в медной трубке токи. Токи в объемных контурах называются токами Фуко. Эти самые токи Фуко создают вокруг себя новое магнитное поле. Получается целая цепочка превращений: падающий магнит создает переменное магнитное поле -> переменное магнитное поле создает токи Фуко -> токи Фуко создают новое магнитное поле. Соль ситуации в том, что это новое магнитное поле начинает 'противодействовать' магнитному полю магнита, результатом чего и является появление тормозящей силы.
12. Магнитный тормоз
Одно из распространенных применений электромагнитной индукции и токов Фуко - магнитный тормоз. Если проносить магнит над металлическими пластинами, то в пластинах будут возбуждаться токи Фуко, которые порождают вокруг пластин новое магнитное поле, тормозящее магнит.
Данное явление активно применяется в электромагнитных тормозах для поездов. Особенно оно актуально для сверхбыстрых поездов, для которых обычные тормоза являются уже крайне плохим решением.
13. Левитационная плавка
Еще одно из применений электромагнитной индукции - плавка и закалка металлов. На видео показана не хухры-мухры, а целая левитационная плавка!
Принцип работы прост - по катушке из толстенного медного проводника течет переменный ток, который создает переменное магнитное поле. Это поле возбуждает в железяке токи Фуко, которые и нагревают железо, и создают вокруг дополнительное магнитное поле, за счет которого деталь и держится.
Данный способ плавки активно используется в промышленности при работе с химически активными металлами и другими зверями.
14. Индукционная закалка
Помимо левитационной плавки с помощью электромагнитной индукции можно делать и обычную плавку, или, например, закалку.
На видео показан процесс закалки некоей шестерни с помощью электромагнитной индукции. По толстому медному проводнику течет переменный ток, приводящий к возникновению в металле шестерни токов Фуко, которые его и разогревают.
15. Электромагнитная индукция: кипячение воды в кювете.
Просто милый опыт, мне очень понравился.
На катушку, через которую течет ток и создает переменное магнитное поле, надета кювета - металлическая емкость, заполненная водой. По прошествии времени индукционные токи разогревают кювету, вода внутри тоже разогревается, начинает кипеть и вышибает пробку.
Реакция Валериана Ивановича бесценна :)
Если кювету не держать, то будет примерно так...
16. Гроб Магомета
Как мы уже видели ранее, магнит в медной трубе попадает под действие токов Фуко, вызываемых этим же магнитом, что приводит к чрезвычайно медленному падению.
Посмотрим на схожий опыт с электромагнитом. Серая пластина сделала из алюминия. Внутрь помещена катушка, вокруг которой при прохождении тока возникает магнитное поле. Данное магнитное поле генерирует в алюминии токи Фуко и заставляет катушку 'парить' над поверхностью.
Данный опыт при рассмотрении эффектов сверхпроводимости называют "Гроб Магомета", потому что гроб с телом пророка парил посреди Мекки. У физиков свои ассоциации, это точно!
17. Сверхпроводимость: эффект Мейсснера
Немножко посмотрим сверхпроводимость.
Существуют материалы, которые при охлаждении до низких температур (порядка температуры кипения жидкого азота) начинают обладать строго нулевым электрическим сопротивлением. Данное явление и называется сверхпроводимостью.
Если подвесить над сверхпроводником магнит, то внешнее магнитное поле будет создавать на поверхности сверхпроводника токи. Данные токи будут препятствовать проникновению магнитного поля вглубь материала. В таких случаях говорят, что сверхпроводник 'выталкивает' из себя магнитное поле, что и приводит к зависанию магнита. Явление называют эффектом Мейсснера, и именно оно показано на видео.
Еще несколько демонстраций, связанных с эффектом Мейсснера.
В видео:
1. Магнит поднимают, и проводник тянется за ним.
2. Раскручивают круглый магнит, висящий над сверхпроводником
3. Используют систему магнитов, которой можно придать любой наклон по отношению к сверхпроводнику.
18. Сверхпроводник на магнитных рельсах
Классический опыт, в котором сверхпроводник заставляют бегать по магнитным рельсам.
Обратите внимание на то, как автор опыта задает сверхпроводнику любое положение и ориентацию относительно магнитов.
