Магнитные явления. Магнитные явления в природе
Магнитное взаимодействие объектов – одно из фундаментальных процессов, которые руководят всем во Вселенной. Видимые его проявления – это магнитные явления. Среди них можно назвать северное сияние, притяжение магнитов, магнитные бури и т. д. Как они возникают? Чем характеризуются?
Магнетизм
Магнитные явления и свойства в совокупности называют магнетизмом. Об их существовании было известно очень давно. Предполагается, что уже четыре тысячи лет назад китайцы использовали эти знания для создания компаса и навигации в морских походах. Проводить опыты и серьезно изучать физическое магнитное явление начали только в XIX веке. Одним из первых исследователей в этой области считается Ханс Эрстед.
Магнитные явления могут происходить как в Космосе, так и на Земле, и проявляются только в пределах магнитных полей. Такие поля возникают от электрических зарядов. Когда заряды неподвижны, вокруг них образуется электрическое поле. Когда они движутся — магнитное поле.
То есть явление магнитного поля возникает с появлением электрического тока или переменного электрического поля. Это область пространства, внутри которой действует сила, влияющая на магниты и магнитные проводники. Она имеет свое направление и уменьшается по мере отдаления от своего источника – проводника.
Магниты
Тело, вокруг которого образуется магнитное поле, называется магнитом. Самым маленьким из них является электрон. Притяжение магнитов – самое известное физическое магнитное явление: если приложить два магнита друг к другу, то они либо притянуться, либо оттолкнуться. Все дело в их положении относительно друг друга. Каждый магнит имеет два полюса: северный и южный.
Одноименные полюса отталкиваются, а разноименные, наоборот, притягиваются. Если разрезать его надвое, то северный и южный полюса не разделятся. В результате, мы получим два магнита, на каждом из которых также будет по два полюса.
Существует ряд материалов, которые обладают магнитными свойствами. К ним относятся железо, кобальт, никель, сталь и т.д. Среди них есть и жидкости, сплавы, химические соединения. Если магнетики подержать возле магнита, то они и сами им станут.
Такие вещества, как чистое железо, легко приобретают подобное свойство, но и быстро с ним прощаются. Другие (например, сталь) намагничиваются дольше, но удерживают эффект длительное время.
Намагничивание
Выше мы установили, что магнитное поле возникает при движении заряженных частиц. Но о каком движении может идти речь, например, в куске железа, висящем на холодильнике? Все вещества состоят из атомов, в которых и находятся движущиеся частицы.
Каждый атом обладает своим магнитным полем. Но, в одних материалах эти поля направлены хаотично в различные стороны. Из-за этого, вокруг них не создается одного большого поля. Такие вещества не способны намагничиваться.
В других материалах (железе, кобальте, никеле, стали) атомы способны выстраиваться так, что все они будут направлены одинаково. В результате, вокруг них формируется общее магнитное поле и тело намагнитится.
Получается, намагничивание тела — это упорядочивание полей его атомов. Чтобы нарушить этот порядок достаточно сильно ударить по нему, например, молотком. Поля атомов начнут хаотичное движение и утратят магнитные свойства. Тоже произойдет, если материал нагреть.
Магнитная индукция
Магнитные явления связаны с движущимися зарядами. Так, вокруг проводника с электрическим током непременно возникает магнитное поле. Но может ли быть наоборот? Этим вопросом однажды задался английский физик Майкл Фарадей и открыл явление магнитной индукции.
Он заключил, что постоянное поле не может вызвать электрический ток, а переменное – может. Ток возникает в замкнутом контуре магнитного поля и называется индукционным. Электродвижущая сила при этом будет изменяться пропорционально изменению скорости поля, которое пронизывает контур.
Открытие Фарадея было настоящим прорывом и принесло немалую пользу производителям электротехники. Благодаря ему, стало возможным получать ток из механической энергии. Закон, выведенный ученым, применялся и применяется в устройстве электродвигателей, различных генераторов, трансформаторов и т.д.
Магнитное поле Земли
У Юпитера, Нептуна, Сатурна и Урана есть магнитное поле. Наша планета – не исключение. В обычной жизни мы практически не замечаем его. Оно не осязаемо, не имеет вкуса или запаха. Зато именно с ним связаны магнитные явления в природе. Такие, как полярное сияние, магнитные бури или магниторецепция у животных.
По сути, Земля является огромным, но не очень сильным магнитом, который имеет два полюса, не совпадающие с географическими. Магнитные линии выходят из Южного полюса планеты и входят в Северный. Это означает, что на самом деле Южный полюс Земли является северным полюсом магнита (поэтому на Западе синим цветом обозначается южный полюс – S, а красным обозначают северный полюс – N).
Магнитное поле распространяется на сотни километров от поверхности планеты. Оно служит невидимым куполом, который отражает мощное галактическое и солнечное излучение. Во время столкновения частиц радиации с оболочкой Земли и образуются многие магнитные явления. Давайте рассмотрим самые известные из них.
Магнитные бури
На нашу планету сильное влияние оказывает Солнце. Оно не только дает нам тепло и свет, но и провоцирует такие неприятные магнитные явления, как бури. Их появление связано с повышением солнечной активностью и процессами, которые происходят внутри этой звезды.
Земля постоянно испытывает влияние потока ионизированных частиц с Солнца. Они движутся со скоростью 300-1200 км/с и характеризуются как солнечный ветер. Но время от времени на звезде происходят внезапные выбросы огромного количества этих частиц. Они действуют на земную оболочку как толчки и заставляют магнитное поле колебаться.
Длятся такие бури обычно до трех суток. В это время некоторые жители нашей планеты испытывают недомогание. Колебания оболочки отражаются на нас головными болями, повышением давления и слабостью. За всю жизнь человек переживает в среднем 2000 бурь.
Северное сияние
Есть и более приятные магнитные явления в природе – северное сияние или же аврора. Оно проявляется в виде свечения неба с быстро меняющимися цветами, и происходит преимущественно в высоких широтах (67—70°). При сильной активности Солнца сияние наблюдается и ниже.
Примерно в 64 километрах над полюсами заряженные солнечные частицы встречаются с дальними границами магнитного поля. Здесь некоторые из них направляются к магнитным полюсам Земли, где взаимодействуют с газами атмосферы, отчего и появляется сияние.
Спектр свечения зависит от состава воздуха и его разреженности. Красное свечение происходит на высоте от 150 до 400 километров. Синие и зеленые оттенки связаны с большим содержанием кислорода и азота. Они происходят на высоте 100 километров.
Магниторецепция
Основная наука, изучающая магнитные явления, – физика. Однако некоторые из них может затрагивать и биология. Например, магниточувствительность живых организмов – способность распознавать магнитное поле Земли.
Этим уникальным даром обладают многие животные, в особенности мигрирующие виды. Способности к магниторецепции обнаружена у летучих мышей, голубей, черепах, кошек, оленей, у некоторых бактерий и т. д. Она помогает животным ориентироваться в пространстве и находить свое жилье, удаляясь от него на десятки километров.
Если человек для ориентации использует компас, то животные пользуются вполне природными инструментами. Точно определить, как и почему работает магниторецепция, ученые пока не могут. Но известно, что голуби способны находить свой дом даже, если их увезти от него на сотни километров, закрыв при этом птицу в абсолютно темном ящике. Черепахи находят место своего рождения даже спустя годы.
Благодаря своим «суперспособностям» животные предчувствуют извержение вулканов, землетрясения, бури и другие катаклизмы. Они тонко чувствуют колебания в магнитном поле, что повышает способность к самосохранению.
Источник
Откуда взялся магнетизм Вселенной?
МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ИГРАЮТ БОЛЬШУЮ РОЛЬ В ЯВЛЕНИЯХ КОСМИЧЕСКОГО МАСШТАБА.
Они изрядно потрудились во время формирования Солнца и его окружения, поддерживают стабильность галактических структур, воздействуют на космические лучи и управляют потрясающими по мощи процессами в нейтронных звездах и их окрестностях. Космический магнетизм правит бал на всех уровнях организации нашей Вселенной.
Сразу после Большого взрыва во Вселенной образовалось горячее облако электрически заряженных протонов, электронов, ядер гелия и лития. Каждый мог создавать магнитные поля во всех направлениях, но эти поля полностью подавляли друг друга в гладком, однородном газе раннего космоса.
Для ученых всегда было загадкой, как возникали могущественные, формирующие Вселенную силы первичного магнетизма, но физик Рейнхард Шликейзер из Института теоретической физики при Университете Рур-Бохум в Германии считает, что он может знать ответ.
Шликейзер считает, что магнетизм может быть естественным образом вызван вращением атомов и субатомных частиц. Тем не менее, сильный магнетизм не произошел бы в недавно образовавшейся Вселенной, потому что он требует тяжелых элементов, таких как никель или железо, которые возникли позже внутри звезд. В свою очередь, для производства еще более тяжелых магнитных элементов требуются сверхновые, сильные разрушения огромных звезд.
«Вы получаете магнетизм в любое время, когда протекает заряд или ток. Вы просто поднесите компас к проводу, несущему постоянный ток, и наблюдайте за дрожанием иглы. Если у вас много зарядов, идущих в разные стороны, как это произошло в ранней Вселенной до того, как плазма (электрически заряженный газ) охладилась до атомов, средний поток тока везде равен нулю, так что нет никакого чистого магнетизма в любом макроскопическом масштабе», — сказал Майкл Риордан из Калифорнийского университета в Санта-Круз.
Вполне вероятно, что из-за охлаждения Вселенной образовались случайные островки магнетизма, вызванные изменениями плотности и давления.
В конце концов, материя во Вселенной разрослась в звезды и галактики. Звездам не нужны были более тяжелые элементы для формирования, они начали производить их, когда они охлаждались и разрушались.
Если звезды достаточно массивны, они взрываются в конце своей жизни. Выпадающие выбросы от взрывающихся звезд сжимают окружающую среду, одновременно обогащая ее более тяжелыми элементами. Комбинация звездного ветра и взрывов начала толкать маленькие магнитные поля вокруг, сжимая их, усиливая и выравнивая в направлении ветра.
Наконец, магнитное поле стало достаточно сильным, чтобы толкнуть плазму. В это время звезды начали создавать более тяжелые элементы, которые производили намного более сильный магнетизм через атомное вращение. Это тот магнетизм, который сформировал магнитные поля Земли.
Первоначальная теория случайного магнетизма была разработана Шликейзером и Питером Юном из Института физических наук и технологий Университета Мэриленда, а уже позже была с энтузиазмом подхвачена их коллегами из научного мира.
Источник
Скрытые линии магнитного поля простираются на миллионы световых лет по всей Вселенной
Ученые обнаружили, что магнитные поля проходят через большую часть открытого космоса. Они распространены по всей вселенной на миллионы световых лет и представляют собой скрытые линии. Если действительно эти поля датируются Большим взрывом, то они могут раскрыть большую космологическую загадку.
Астрономы всего мира работают над изучением магнитных полей. Они придумывают новые способы поиска этих полей, обследуют все более отдаленные части космического пространства и необъяснимым образом находят их.
Магнитные поля
Эти силовые поля, в сущности, похожи на те, которые исходят от магнитов на холодильнике, но разница в том, что они гораздо мощнее и окружают все галактики, а также Солнце и Землю. Астрономы уже давно начали обнаруживать магнетизм, который простирается через целые скопления галактик, а также затрагивает все пространство между этими галактиками. Невидимые линии поля проникают сквозь межгалактическое пространство, как углубления отпечатка пальца.
Исследование отдаленных областей космоса
В прошлом году астрономам удалось исследовать одну из более редких областей космоса. В процессе было найдено самое большое магнитное поле, которое состояло из одной линии, простирающейся на 10 миллионов световых лет. Вторая намагниченная линия была обнаружена в другой части космоса, для поиска которой использовались те же технологии. «Возможно, мы просто смотрим на верхушку айсберга», — сказала Федерика Говони, астрофизик, благодаря которой была обнаружена первая линия.
Появление магнитных полей
Ученых уже долгое время интересует вопрос появления магнитных полей. «Это явно не может быть связано с активностью одиночных галактик или единичных взрывов», — сказал Франко Вазза, астрофизик, который проводит современные компьютерные симуляции космических магнитных полей.
Ученые предполагают, что космический магнетизм является изначальным, то есть это путь к рождению вселенной. А это значит, что слабый магнетизм должен присутствовать повсюду, даже в самых темных и пустых областях вселенной. Это явление могло бы помочь разрешить другую космологическую головоломку, известную как напряжение Хаббла — это космологический закон, включающий в себя объем, радиус или сферу расширения вселенной.
Напряженность Хаббла состоит в том, что вселенная расширяется гораздо быстрее, чем предполагалось, на основе своих компонентов. Исследователи Карстен Джедамзик и Левон Погосян настаивают на том, что магнитные поля во вселенной могут означать более высокую скорость этого космического расширения, что, в частности, наблюдается уже сегодня.
Данные, собранные астрофизиками, подтверждают, что магнетизм действительно присутствует везде.
Магнитная душа Вселенной
Исследования английского ученого Уильяма Гилберта о камнях, породу которых люди использовали для изготовления компасов в течение тысячелетий, привели его к мысли, что их магнитная сила «подражает душе». Он абсолютно правильно предположил, что планета Земля является «огромным магнитом», а магниты «ориентируются на полюса Земли».
Эти поля образуются, когда проходит электрический заряд. Например, магнитное поле Земли исходит из потока жидкого железа, находящегося и постоянно движущегося в земном ядре.
Проникновение в скопление галактик
Космологические симуляции иллюстрируют несколько вариантов объяснения того, каким образом магнитные поля проникают в скопления галактик. С одной стороны поля растут из однородных «начальных» частиц, которые усеяли космос после Большого взрыва. С другой стороны определенные процессы, например, образование звезд и черные дыры, создают намагниченные ветры, которые расходятся по галактике.
Однако, как только магнитное поле возникает из-за движения заряженных частиц, оно может стать больше и сильнее, выровняв более слабые поля. «Само явление магнетизма немного похоже на развитие живого организма, потому что магнитные поля задействуют каждый свободный источник энергии, который они могут удерживать, и растут. Также они способны распространяться и оказывать своим присутствием влияние на другие области, где они также продолжают расти», — сказал Торстен Энслин
Формирование космоса
Магнетизм является единственной силой, которая может образовать масштабную структуру космоса и распространить его на огромные расстояния. Электричество, напротив, относится к кратковременным явлениям, поскольку положительный и отрицательный заряд нейтрализуются.
Тем не менее эти силовые поля нематериальны и ощутимы только при воздействии на другие вещи. Однако синхротронный сигнал полей является довольно сильным на низких радиочастотах, благодаря чему, его можно обнаружить с помощью LOFAR — массива из 20 000 низкочастотных радиоантенн, расставленных по всей Европе. Когда ученые применили алгоритм размытия к данным из линии, они сразу же увидели свечение синхротронных излучений.
Предположения ученых
В 1991 году Вачаспати выдвинул гипотезу о том, что возникновение магнитных полей могло быть спровоцировано во время фазового перехода после Большого взрыва. Другие предполагают, что турбулентная плазма электронов и протонов могла бы ускорить развитие первых магнитных полей.
Способ проверки теорий магнитного генеза состоит в изучении структуры в самых нетронутых участках межгалактического пространства. Например, являются ли полевые линии прямыми, изогнутыми в разные стороны или спиральными, и как рисунок меняется в разных масштабах. Если действительно магнитные поля образовались во время фазового перехода, как ранее предложил Вачаспати, то тогда силовые линии определенно должны быть спиральными.
Метод Фарадея
Один метод, впервые разработанный английским ученым Майклом Фарадеем в 1845 году, обнаруживает магнитное поле путем определения направления полярности во время вращения и проходящего через эту полярность света. В свою очередь величина вращения зависит от частоты света и силы магнитного поля. Это означает, что, измеряя полярность на разных частотах, вы можете определить силу магнетизма вдоль линии обзора.
Уже идет подготовка гигантского международного проекта под названием «Квадратный километраж». Целью проекта является запуск в космос радиотелескопа нового поколения, который должен создать сетку Фарадея. Осуществление проекта планируется в 2027 году.
Понятие блазары
Также в астрономии существует такое понятие, как блазары — это яркие гамма-лучи энергетического света и вещества, питаемые черными дырами. Во время того, как гамма-лучи распространяются в пространстве, они периодически соприкасаются с микроволнами, в результате превращаясь в позитрон и электрон. Эти частицы затем вспыхивают, но с меньшей энергией.
Но если свет блазара пройдет через намагниченную пустоту, то гамма-лучи с более низкой энергией будут отсутствовать, потому что магнитное поле будет отклонять электроны и позитроны от линии зрения. Когда ученые Неронов и Вовк проанализировали данные с подходящим образом расположенного блазара, они увидели его высокоэнергетическое гамма-излучение.
Команда ученых сделала много измерений блазаров за пустотами и смогла выявить слабый ореол низкоэнергетических гамма-лучей вокруг блазаров. Эффект является именно тем, который можно было бы ожидать, если бы частицы рассеивались слабыми магнитными полями и их размер составлял всего одну триллионную часть, как магнит на холодильнике. Таким образом, это подтверждает догадки ученых и доказывает присутствие магнетизма повсюду. Если они разгадают происхождение магнитных полей, то смогут дать ответ и на другие загадки вселенной.
Источник