Величина магнитного поля земли в теслах

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Магнитное поле Земли состоит из постоянного поля, которое создается магнетизмом самого земного шара, и пере­менного поля, которое создается токами, текущими над поверхностью Земли и в земной коре; переменное поле не превышает 1%от посто­янного поля. Постоянное поле имеет различнуювеличину в раз­ных точках Земли и подвержено медленным (вековым) изменениям.

Вектор индукции геомагнитного поля определяется тре­мя компонентами: горизонтальной составляющей , магнитным скло­нением (углом между горизонтальной составляющей и плоскостью магнитного меридиана) и магнитным наклонением (углом между вектором и горизонтальной плоскостью).

В первом приближении геомагнитное поле подобно полю диполя (или равномерно намагниченного шара)с магнитным моментом , направленным под углом 11.5° к оси вращения Земли.

Точки на земной поверхности, в которых вектор имеет верти­кальное направление, называются магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс — точка, в которой сило­вые линии магнитного поля направлены вертикально вверх, и южный магнитный полюс — точка, в которой силовые линии направлены вертикально вниз. Северный магнитный полюс расположен в районе южного географического полюса в точке с координатами 70º10´ южной широты и 150º45´ восточной долготы; южный магнитный полюс расположен в районе северного географического полюса в точке с координатами 70º50´ северной широты и 96º западной долготы. Положение магнитных полюсов изменяется в течение времени.

Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется маг­нитной осью Земли; окружность, проведенная в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором; вектор на магнитном экваторе направлен горизонтально и равен по модулю около 4×10 Тл. Индукция магнитного поля у магнитных полюсов Земли имеет величину около 7×10 Тл. В некоторых районах наблюдается резкое увеличение индукции магнитного поля Земли (магнитные аномалии); например, в районе Курской магнитной аномалии B_з≈2,4×10 Тл.

Величина горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли может быть измерена с помощью прибора, который называется тангенс-гальванометр.

Этот прибор представляет собой катушку радиуса R, с намотанными на ней N витками провода. В центре катушки, в горизонтальной плоскости, располагается магнитная стрелка. При отсутствии тока в катушке на магнитную стрелку воздействует только магнитное поле Земли. При этом магнитная стрелка располагается в плоскости магнитного меридиана. Если по тангенс-гальванометру пропустить постоянный ток, то поя­вляется магнитное поле тока, характеризуемое вектором магнитной индукции , который в центре катушки направлен перпендикулярно плоскости проволочных витков (рис. 1). В этом случае на магнитную стрелку одновременно действуют два магнитных поля, характеризуемые векторами , соответственно.

Если расположить прибор таким образом, чтобы вектора магнитной индукции тока и поля Земли были взаимно перпендикулярны, то магнитная стрелка под воздействием двух полей, отклоняясь, займет такое положение, при котором ее ось будет совпадать с равнодействующей ( )векторов и (рис. 1). Из прямоугольного треугольника имеем:

. (1)

Величина в центре кругового витка с током согласно закона Био-Савара-Лапласа равна:

, (2)

где µ=4π×10 -7 Гн/м – магнитная постоянная.

Подставив(2) в (1), получим:

. (3).

Из формулы (3) можно получить выражение для тока I, где тангенс угла отклонения стрелки прямо пропорционален току, протекающего по катушке. Поэтому и прибор получил название тангенс-гальванометра.

Направление линий индукции устанавливается с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку на нити так, чтобы точка подвеса совместилась с центром тяжести, то стрелка установится по направлению касательной к линии индукции магнитного поля Земли. В северных широтах северный конец такой стрелки расположен ниже точки подвеса, ось стрелки с горизонтом составляет угол наклоненияθ(на экваторе этот угол равен нулю).Вертикальная плоскость, проходящая через ось установившейся магнитной стрелки, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол α между магнитным и географическим меридианами называется магнитным склонением.

Угол наклонения определяется с помощью прибора, называемого буссолью наклонения или инклинатором(рис. 2).

Главной частью инклинатора является магнитная стрелка наклонения C, которая может свободно вращаться около горизонтальной оси, перпендикулярной к плоскости вертикального круга D и проходящей через центр этого круга и центр тяжести стрелки.

Прежде чем приступить к измерению угла наклонения, инклинатор с помощью винтов К и уровня устанавливают так, чтобы плоскость круга Т была строго горизонтальной. С помощью горизонтальной буссоли устанавливают вертикальный круг (путем вращения вокруг вертикальной оси) по магнитному меридиану.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. Для измерений компонент векто­ра применяются приборы, которые называются маг­нитометрами. В работе используется упрощенная модель электромаг­нитного магнитометра. Установка состоит из двух катушек Гельмголь­ца (катушка кругового сечения с намотанными на ней витками провода), которые расположены вертикально. Катушки Гельмгольца позволяют получить в центре этой системы однородное магнитное поле в достаточно большом пространстве. Используемые в работе катушки имеют следующие параметры: расстояние от плоскости катушки до центра симметрии установки R=117 мм, число витков N=40. Витки катушки устанавливаются параллельно магнитной стрелке с помощью визирной линии, которая представляет собой натяну­тую между стенками корпуса тонкую проволоку. В центре симметрии катушек Гельмгольца установле­на магнитная буссоль, по лимбу которой можно измерять углы откло­нения стрелки φ.

При включении тока магнитная стрелка отклоняется от плоскос­ти магнитного меридиана под действием индукции магнитного поля катушек , которая перпендикулярна горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли (рис. 1). Для определения используется соотношение:

. (4)

ЗАДАНИЕ. 1.Определить величину горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли. Измерение провести для 4-х различных значений токов, проходящих через катушки.

2. Результаты вычислений усреднить.

Щит оказался с пузырями

Электромагниты — это устройства, в которых используется эффект создания магнитного поля в проводнике при прохождении в нем электрического тока. Обычно электромагнит состоит из проводящей обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении тока по обмотке. Такая катушка использовалась в недавних работах, в ходе которых было получено магнитное поле рекордной величины. Исследованиями руководил выпускник Харьковского государственного университета Сергей Жерлицын, который с марта 2011 года возглавляет отделение магнитных технологий и исследовательской инфраструктуры Дрезденской лаборатории высоких магнитных полей в Центре имени Гельмгольца.

Лженаучная лавка чудес

Жерлицын и его коллеги создали катушку, вес которой составил около 200 кг. По этой катушке ученые пропускали электрической ток, что приводило к созданию магнитного поля мощностью 91,4 Тл на период до нескольких миллисекунд. При этом катушка оставалась невредимой в ходе эксперимента.

Столь сильные поля, доступные для исследований в течение некоторого времени, а не имеющие взрывной характер, впервые были получены учеными в лабораторных условиях.

«Возникает эффект типа сверхпроводимости»

«Мы не стремились установить рекорд и достичь максимально возможного значения магнитного поля. Мы проводили исследования в области материаловедения», — так комментирует достижение своей лаборатории ее директор Йоахим Возница. Используя такое мощное магнитное поле, ученые могут делать ряд важных исследований, в частности, как говорится в соответствующем пресс-релизе, с помощью таких полей можно будет проверить свойства «сверхпроводников или тех веществ, которые используются в передовых инновационных электронных устройствах».

Проблема, возникающая при создании высоких магнитных полей путем их генерации проходящим по медной катушке электрическим током, заключается в том, что магнитное поле оказывает влияние на электрический ток, пытаясь «выдавить» его за пределы катушки, что влечет к разрыву меди уже при полях величиной 25 Тл.

Поле в 100 Тл создает внутри меди давление, которое в 40 000 раз превышает атмосферное давление на уровне моря.

Но именно такие сильные поля и необходимы исследователям для того, чтобы изучать поведение электрических зарядов в новых материалах, которым будет найдено широкое применение в ближайшем будущем.

Чтобы решить проблему разрыва катушки при генерации магнитного поля, ученые используют не чистую медь, в особые сплавы, которые способны выдержать высокое давление. Для укрепления катушки снаружи контур помещается в специальный футляр, созданный из сверхпрочного материала, подобного тому, из которого делаются пуленепробиваемые жилеты.

Япония считает быстрее

Впрочем, если магнитное поле в 91,4 Тл является рекордным по величине, то по своему времени жизни это далеко не рекордный показатель, ведь в американской лаборатории Лос-Аламос магнитное поле величиной 89 Тл удерживалось в течение нескольких лет.

Но эта проблема вскоре будет решена и в Дрезденской лаборатории: специальная двойная катушка, которая способна выдержать сильное магнитное поле в течение долгого срока, уже почти готова и в ближайшее время будет введена в эксплуатацию.

Работа с сильными магнитными полями уже вызвала большой интерес к Дрезденской лаборатории со стороны ученых всего мира. В связи с большим количеством желающих поставить здесь свои эксперименты число экспериментальных установок (сейчас их пять) до 2015 года будет увеличено более чем в два раза.

Гаусс (русское обозначение Гс, международное — G) — единица измерения магнитной индукции в системе СГС. Названа в честь немецкого физика и математика Карла Фридриха Гаусса.

Может быть выражена через основные единицы измерения системы СГС следующим образом: 1 Гс = 1 г 1/2 •см −1/2 •с −1 .

Источник: учебники физики по магнетизму, берклиевский курс.

Тема: магнитные поля в веществе.

Цель: выяснить, как различные вещества реагируют на магнитное поле.

Представим себе некоторые опыты с очень сильным полем. Предположим, что мы сделали соленоид с внутренним диаметром 10 см и длиной 40 см.

1. Конструкция катушки, создающей сильное магнитное поле. Показано поперечное сечение обмотки, по которой течет охлаждающая вода. 2.Кривая величины поля В₂ на оси катушки.

Его внешний диаметр равен 40 см и большая часть пространства заполнена медной обмоткой. Такая катушка обеспечит постоянное поле в 30 000 гс в центре, если к ней подвести 400 квт электрической мощности и снабжать водой около 120 л в минуту для отвода тепла.

Эти конкретные данные приводятся с целью показать, что хотя прибор и не представляет собой ничего необыкновенного, он является все же довольно почтенным лабораторным магнитом.

!Величина поля в центре магнита приблизительно в 10 5 раз больше магнитного поля Земли и, вероятно, в 5 или 10 раз сильнее поля вблизи любого магнитного железного стержня или подковообразного магнита!

Вблизи центра соленоида поле довольно однородно и уменьшается приблизительно вдвое на оси вблизи концов катушки.

Итак, как показывают опыты, у подобных магнитов величина поля (то есть индукция или напряженность) как внутри магнита, так и снаружи чуть ли не на пять порядков превышает величину поля Земли.

Также, всего в два раза — не «в разы!» — она меньше снаружи магнита.

И в то же время в 5-10 раз больше силы обычного постоянного магнита.

Средняя напряженность поля земли на поверхности составляет около 0,5Э (5•10 –5 Тл)

Тем не менее, уже в нескольких сотнях метров (если не десятков) от такого магнита магнитная стрелка компаса не реагирует ни на включение, ни на выключение тока.

При этом она хорошо реагирует на поле земли или его аномалии при малейшем изменении положения. О чем это говорит?

Прежде всего, о явно заниженной цифре индукции магнитного поля земли — то есть не саму индукцию, а то, как мы ее измеряем.

Мы измеряем реакцию рамки с током, угол ее поворота в магнитном поле земли.

Любой магнитометр построен на принципе измерения не напрямую, а косвенно:

— только на поверхности земли, возле нее в атмосфере и в ближнем космосе.

Источника поля с конкретным максимумом мы не знаем. Мы измеряем всего лишь разницу величины поля в различных точках, причем градиент напряженности не слишком сильно изменяется с высотой. Никакие математические выкладки с определением максимума при использовании классического подхода здесь не работают.

Влияние магнитного поля — эксперименты

Известно, что даже сильные магнитные поля не имеют практически никакого влияния на химические и биохимические процессы. Вы можете поместить руку (без ручных часов!) в соленоид с полем в 30 кгс без каких-либо заметных последствий. Трудно сказать, к какому классу веществ относится ваша рука – к парамагнетикам или диамагнетикам, но сила, действующая на нее, будет составлять, в любом случае, не больше нескольких граммов. Целые поколения мышей выводились и выращивались в сильных магнитных полях, которые не оказывали на них заметного влияния. Другие биологические эксперименты также не обнаружили достойных внимания магнитных воздействий на биологические процессы.

Будет не верно считать, что слабые эффекты всегда проходят без последствий. Подобные рассуждения могли бы привести к выводу, что тяжесть не имеет энергетического значения в молекулярном масштабе, но, тем не менее, деревья на склоне холма растут вертикально. Объяснение, по-видимому, заключается в суммарной силе, действующей на биологический объект, размеры которого много больше размеров молекулы. Действительно, аналогичное явление («тропизм») было экспериментально продемонстрировано в случае сеянцев, произрастающих в присутствии очень неоднородного магнитного поля.

Между прочим, если вы поместите голову в сильное магнитное поле и покачаете ею, то вы почувствуете «вкус» электролитического тока во рту, что является доказательством присутствия индуцированной электродвижущей силы.

При взаимодействии с веществом роли магнитного и электрического полей различны. Поскольку атомы и молекулы состоят из медленно движущихся электрических зарядов, электрические силы при молекулярных процессах доминируют над магнитными.

Воздействие магнитного поля такого магнита на биологические объекты не более чем укус комара. Любое живое существо или растение постоянно находятся под воздействием земного магнетизма куда более сильного.

1 гаусс=1 10 -4 тесла.

Единицей напряженности геомагнитного поля (Т) в системе Си является ампер на метр (А/м). В магниторазведке применялась и другая единица Эрстед (Э) или гамма (Г), равная 10 -5 Э. Однако практически измеряемым параметром магнитного поля является магнитная индукция (или плотность магнитного потока). Единицей магнитной индукции в системе Си является тесла (Тл). В магниторазведке используется более мелкая единица нанотесла (нТл), равная 10 -9 Тл. Так как для большинства сред, в которых изучается магнитное поле (воздух, вода, абсолютное большинство немагнитных осадочных пород), то количественно магнитное поле Земли можно измерять либо в единицах магнитной индукции (в нТл), либо в соответствующей ей напряженности поля – гамма.

На рисунке представлена полная напряженность магнитного поля Земли для эпохи 1980 г. Изолинии Т проведены через 4 мкТл (из книги П.Шарма "Геофизические методы в региональной геологии").

На полюсах вертикальные составляющие магнитной индукции примерно равны 60 мкТл, а горизонтальные — нулю. На экваторе горизонтальная составляющая приблизительно равна 30 мкТл, а вертикальная — нулю.

Именно таким образом современная наука о геомагнетизме давно отказалась от основного принципа магнетизма, два магнита, расположенные плашмя друг к другу, стремятся соединиться разноименными полюсами.

То есть, судя по последней фразе на экваторе силы (вертикальной составляющей), притягивающей магнит к земле нет! Как и отталкивающей!

Такие два магнита не притягиваются? То есть, нет силы притяжения, а есть сила растяжения? Нонсенс!

Зато на полюсах при таком расположении магнита она есть, но горизонтальная сила пропадает.

Попросту берем два магнита и убеждаемся, что при подобном положении магнит сначала разворачивает, а затем притягивает. Южный ПОЛЮС к северному ПОЛЮСУ!