МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

       

силовое поле, действующее на движущиеся электрич. заряды и на тела, обладающие магнитным моментом (независимо от состояния их движения). М. п. характеризуется вектором магнитной индукции В. Значение В определяет силу, действующую в данной точке поля на движущийся электрич. заряд (см. ЛОРЕНЦА СИЛА) и на тела, имеющие магн. момент.

Термин «М. п.» ввёл в 1845 англ. физик М. Фарадей, считавший, что как электрич., так и магн. вз-ствия осуществляются посредством единого материального поля. Классич. теория эл.-магн. поля была создана англ. физиком Дж. Максвеллом (1873), квант. теория — в 20-х гг. 20 в. (см. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ).

Источниками макроскопич. М. п. явл. намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряж. тела. Природа этих источников едина: М. п. возникает в результате движения заряж. микрочастиц (эл-нов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магн. момента (см. МАГНЕТИЗМ).

Перем. М. п. возникает также при изменении во времени электрич. поля. В свою очередь, при изменении во времени М. п. возникает электрич. поле. Полное описание электрич. и магн. полей в их взаимосвязи дают Максвелла уравнения. Для хар-ки М. п. часто вводят силовые линии поля (линии магн. индукции). В каждой точке такой линии вектор В расположен вдоль касательной. В местах повышенных значений В линии индукции сгущаются, в тех же местах, где поле слабее, линии расходятся (рис.).

Для М. п. наиболее характерны след. проявления.

1. В пост. однородном М. п. на магн. диполь с магн. моментом рm действует вращающий момент N=(pmB) (так, магн. стрелка в М. п. поворачивается по полю; виток с током I, также обладающий магн. моментом, стремится занять положение, при к-ром его плоскость была бы перпендикулярна линиям индукции; ат. диполь процессирует вдоль силовой линии с характеристич. частотой; рис., а).

действие однородного пост. магн. поля на магн. стрелку, виток с током I и ат. диполь (е — эл-н атома); б — действие однородного пост. магн. поля на свободно движущиеся электрич. заряды +q (их траектория в общем случае имеет вид спирали); в — разделение пучка магн. диполей в неоднородном магн. поле; г — возникновение тока индукции в витке при усилении внеш. магн. поля В (стрелками показано направление тока индукции и создаваемого магн. поля В ). Pm — магн. момент, q — электрич. заряд, v — скорость заряда.

2. В пост. однородном М. п. действие силы Лоренца приводит к тому, что траектория движения электрич. заряда имеет вид спирали с кривизной, обратно пропорц. скорости (рис., б). Искривление траектории электрич. зарядов под действием силы Лоренца сказывается, напр., в перераспределении тока по сечению проводника при внесении его в М. п. Этот эффект лежит в основе гальваномагн., термомагн. и др. родственных им явлений.

3. В пространственно неоднородном М. п. на магн. диполь рm действует сила F, перемещающая диполь, ориентированный по полю, в направлении градиента поля: F=grad (рmВ); так, пучок атомов, содержащий атомы с противоположно ориентированными магн. моментами, в неоднородном М. п. разделяется на два расходящихся пучка (рис., в).

4. М. п., непостоянное во времени, оказывает силовое действие на покоящиеся электрич. заряды и приводит их в движение; возникающий при этом в контуре ток Iинд (рис., г) своим М. п. противодействует изменению первоначального М. п. (см. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ).

Магн. индукция В определяет ср. макроскопич. М. п., создаваемое в данной точке пр-ва как токами проводимости (движением свободных носителей зарядов), так и имеющимися намагниченными телами. М. п., созданное токами проводимости и независящее от магн. св-в присутствующего в-ва, характеризуется вектором напряжённости магнитного поля Н=B-4pJ или Н=(B/m0)-J (соответственно в СГС системе единиц и Международной системе единиц). В этих соотношениях вектор J — намагниченность в-ва, m0 — магнитная постоянная.

Отношение m=В1m0Н наз. магнитной проницаемостью. В зависимости от величины m в-ва делят на диамагнетики (m<1) и парамагнетики (m>1), в-ва с m->1 наз. ферромагнетиками.

Объёмная плотность энергии М. п. в отсутствии ферромагнетиков: wм=mH2/8p или wм=BH/8p (в ед. СГС); wм=mm0H2/2 или ВН/2 (в ед. СИ).

В общем случае wм=1/2?HdB, где пределы интегрирования определяются начальными и конечными значениями магн. индукции В, сложным образом зависящей от поля Н.

Для измерения хар-к М. п. применяют различного типа магнитометры.

Магнитные поля в природе разнообразны по масштабам и по вызываемым эффектам. М. п. Земли, образующее земную магнитосферу, простирается до расстояния в 70—80 тыс. км в направлении на Солнце и на многие миллионы км в противоположном направлении. У поверхности Земли М. п. Н равно в среднем 0,5 Э, на границе магнитосферы =10-3 Э. В околоземном пр-ве М. п. образует магнитную ловушку для заряж. ч-ц высоких энергий — радиационный пояс. Происхождение М. п. Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого в-ва в земном ядре (см. ДИНАМО-ЭФФЕКТ).

Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и Сатурн обладают собственными М. п., достаточными для создания устойчивых планетарных магн. ловушек. На Юпитере обнаружены М. п. до 10 Э и ряд характерных явлений (магн. бури, синхротронное излучение в радиодиапазоне и др.), указывающих на значит. роль М. п. в планетарных процессах.

Межпланетное М. п.— это гл. обр. поле солнечного ветра (непрерывно расширяющейся плазмы солн. короны). Вблизи орбиты Земли межпланетное поле =10-4—10-5 Э. Силовые линии регулярного межпланетного М. п. имеют вид идущих от Солнца раскручивающихся спиралей (их форма обусловлена сложением радиального движения плазмы и вращения Солнца). М. п. межпланетной плазмы имеет секторную структуру: в одних секторах оно направлено от Солнца, в других — к Солнцу. Регулярность межпланетного М. п. может нарушаться из-за развития разл. видов плазменной неустойчивости, прохождения ударных волн и распространения потоков быстрых ч-ц, рождённых солн. вспышками.

Во всех процессах на Солнце — вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солн. космич. лучей — М. п. играет важнейшую роль. Измерения, основанные на Зеемана эффекте, показали, что М. п. солн. пятен достигает неск. тыс. Э, протуберанцы удерживаются полями =10—100 Э (при ср. значении общего М. п. Солнца = 1 Э). Удалённость звёзд не позволяет пока наблюдать у них М. п. типа солнечных. В то же время более чем у двухсот т. н. магнитных звёзд обнаружены аномально большие поля (до 3,4•104 Э). Поля =107 Э измерены у неск. звёзд — белых карликов. Особенно большие (=1010—1012 Э) М. п. должны быть, по совр. представлениям, у нейтронных звёзд.

В явлениях микромира роль М. п. столь же существенна, как и в косм, масштабах. Это объясняется существованием у всех ч-ц — структурных элементов в-ва (эл-нов, протонов, нейтронов) магн. момента, а также действием М. п. на движущиеся электрич. заряды.

На расстоянии порядка размера атома (=10-8 см) М. п. ядра составляет =50 Э. В ферримагнетиках (ферритах-гранатах) на ядрах ионов железа М. п. оказалось =5•105 Э, на ядрах редкоземельного металла диспрозия =8•106 Э. Внеш. М. п. и внутриатомные М. п., создаваемые эл-нами атома и его ядром, расщепляют энергетич. уровни атома, в результате спектры атомов приобретают сложное строение (см. ТОНКАЯ СТРУКТУРА, СВЕРХТОНКАЯ СТРУКТУРА). Расстояния между зеемановскими подуровнями энергии (и соответствующими спектр. линиями) пропорц. величине М. п., что позволяет спектр. методами определять значение М. п.

Получение магнитных полей. М. п. обычно подразделяют на слабые (до 500 Э), средние (500 Э — 40 кЭ), сильные (40 кЭ — 1 МЭ) и сверхсильные (св. 1 МЭ). На использовании слабых и средних М. п. основана практически вся электротехника, радиотехника и электроника. Слабые и средние М. п. получают при помощи магнитов постоянных, электромагнитов, неохлаждаемых соленоидов, магнитов сверхпроводящих.

Для получения сильных М. п. применяют сверхпроводящие соленоиды (до 150—200 кЭ), соленоиды, охлаждаемые водой (до 250 кЭ), импульсные соленоиды (до 1,6 МЭ). Сверхсильные М. п. получают методом направленного взрыва. Медную трубу, внутри к-рой предварительно создано сильное импульсное М. п., радиально сжимают давлением продуктов взрыва. С уменьшением радиуса R трубы величина М. п. в ней возрастает =1/R2 (если магн. поток через трубу сохраняется). М. п., получаемое в установках подобного типа (т. н. взрывомагнитных генераторах), может достигать неск. десятков МЭ.