Историческая справка
История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. Именно на территории Малой Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой притягивались друг к другу. По названию местности такие образцы и стали называть «магнетиками».
И ещё 2600 лет до н.э. китайский император Хванг Ти вёл своё войско в густом тумане с помощью магнитной фигурки, что, поворачиваясь вокруг своей оси, всегда смотрела на юг. Это, как можно догадаться, и был своего рода прототип первого компаса. Уже со второго века н.э. в Китае изготавливались постоянные магниты, надолго сохраняющие магнитные свойства. А в 13 веке о магнитах и компасе узнали в Европе.
Рисунок 1. Первый компас
Первое научное изучение свойств магнита было предпринято в 13 веке французским ученым Петром Перегрином. В 1269 году вышло его сочинение «Книга о магните», где он писал о многих фактах магнетизма: о том, что у магнита есть два полюса, которые ученый впоследствии назвал северным и южным, и о том, что невозможно отделить полюса друг от друга разламыванием. Перегрин писал и о двух видах взаимодействия полюсов — притяжении и отталкивании.
Рисунок 2. Взаимодействие двух магнитов
А в 1600 году вышло сочинение английского придворного врача и физика Уильяма Гильберта «О магните». К уже известным фактам Гильберт прибавил такие важные наблюдения, как: усиление действия магнитных полюсов железной арматурой, потерю магнетизма при нагревании и другие.
Рисунок 3. Уильям Гильберт
Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом, и возникло представление о магнитном поле.
В 1820 г. датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током создается магнитное поле.
Его опыт имел большое значения для развития учения об электромагнитных явлениях.
Рисунок 4. Опыт Эрстеда
А узнав о работе Эрстеда, французский физик Андре Мари Ампер исследовал взаимодействие параллельных проводников с током. Он установил, что при наличии в проводниках разнонаправленных токов – проводники отталкиваются друг от друга. А если токи имеют одинаковое направление, то проводники будут притягиваться.
Рисунок 5. Опыт Ампера
Это были два самых известных опыта в истории изучения магнитного поля, которые подтолкнули других учёных делать всё новые и новые исследования в этой области.
Рассмотрим природу магнитных свойств веществ
Электроны в оболочке атомов материи движутся по разным орбитам. Для простоты эти орбиты считаются круговыми, и любой электрон, вращающийся вокруг ядра атома, может рассматриваться как круговой электрический ток. Как круговой ток, каждый электрон генерирует магнитное поле, которое мы называем орбитальным. Кроме того, электрон в атоме имеет собственное магнитное поле, называемое спином.
Если при введении во внешнее магнитное поле с индукцией В < В0 внутри вещества создается индукция В < В0, то такие вещества называются диамагнитными (n < 1).
В диамагнитных материалах при отсутствии внешнего магнитного поля происходит компенсация магнитных полей электронов, а при их введении в магнитное поле индукция магнитного поля атома направлена против внешнего поля. Диамагнитный материал вытесняется из внешнего магнитного поля.
В парамагнитных материалах магнитная индукция электронов в атомах не полностью компенсируется, и атом в целом представляется небольшим постоянным магнитом. Обычно все эти маленькие магниты в материи ориентированы случайным образом, а суммарная магнитная индукция всех их полей равна нулю. Если поместить параметр в внешнее магнитное поле, то все маленькие магниты — атомы во внешнем магнитном поле вращаются подобно стрелкам компаса и магнитное поле в материи усиливается (n>=1).
Ферромагнитные материалы — это те, в которых n » 1. в ферромагнитных материалах, так называемых доменах, образуются макроскопические области самопроизвольного намагничивания.
В разных областях индукция магнитных полей имеет разные направления и в большом кристалле они компенсируют друг друга.
Когда ферромагнитный образец помещается во внешнее магнитное поле, границы отдельных доменов смещаются таким образом, что объем доменов, выровненных с внешним полем, увеличивается.
С увеличением индукции внешнего поля В0 увеличивается магнитная индукция намагниченного вещества. При некоторых значениях B0 индукция останавливает сильное увеличение. Это явление называется магнитным насыщением.
Характерной особенностью ферромагнитных материалов является явление гистерезиса, заключающееся в неоднозначной зависимости индукции в материале от индукции внешнего магнитного поля по мере его изменения.
Петля магнитного гистерезиса представляет собой замкнутую кривую (cdc`d`c), выражающую зависимость индукции в материале от амплитуды индукции внешнего поля с периодическими, достаточно медленными изменениями последнего.
Петля гистерезиса характеризуется следующими значениями Bs, Br, Bc. Bs — максимальное значение индукции материала при B0s; Vg — остаточная индукция, равная значению индукции в материале при снижении индукции внешнего магнитного поля с B0s до нуля; -Bs и All — коэрцитивная сила — величина, равная индукции внешнего магнитного поля, необходимой для изменения индукции в материале с остаточной до нуля.
Для каждого ферромагнита существует температура (точка Кюри (J. Curie, 1859-1906)), выше которой ферромагнит теряет свои ферромагнитные свойства.
Существует два способа размагничивания намагниченного ферромагнитного материала: а) нагрев и охлаждение выше точки Кюри; б) намагничивание материала переменным магнитным полем с медленно уменьшающейся амплитудой.
Понятие о магнитном поле
Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.
Рисунок 6. Магнитное поле
Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы.
Рисунок 7. Действие магнитного поля на магнитную стрелку
Свойства магнитного поля:
- магнитное поле создается движущимися заряженными частицами и телами, проводниками с током, постоянными магнитами;
- магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы и тела, на проводники с током, на постоянные магниты, на рамку с током;
- магнитное поле является вихревым, т.е. его силовые линии (линии магнитной индукции) замкнутые.
Теперь скажу о двух силах, действующих в магнитном поле:
1. Сила Ампера
Силой Ампера называется сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле.
Существует и специальный закон об этой силе, называемый законом Ампера: на проводник c током силой I и длиной l, помещенный в магнитное поле с индукцией B⃗ , действует сила, модуль которой равен (произведению силы тока на вектор магнитной индукции и на синус альфа):
F = IBlsin a
где α – угол между проводником с током и вектором магнитной индукции B⃗ .
Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции B⊥ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.
Рисунок 9. Сила Ампера
2. Сила Лоренца
Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.
Формула для нахождения силы Лоренца:
F = q* B * V * siin a,
где q – заряд частицы, v – скорость частицы, B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.
Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции B⊥ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.
Рисунок 10. Сила Лоренца
Силы Ампера и Лоренца широко применяются в науке и технике. Сейчас мы это рассмотрим.
Виды магнитного поля
Магнитное поле изображают замкнутыми по контуру и не имеющими начала и конца (в отличие от изображения электрического поля) силовыми линиями – линиями магнитного потока.
Магнит имеет два полюса: северный и южный. Магнитное поле обладает большей силой у полюсов. Направление силовых линий при изображении ориентируют на выход из северного полюса и на вход – в южный. Одинаковые полюса магнитов отталкиваются, а противоположные – притягиваются.
Магнитное поле, в котором действие силы не совпадает по модулю и направлению, является неоднородным. Если действие силы одинаковое во всех точках, магнитное поле считается однородным.
Применение магнитного поля. Сила Ампера
Амперметр
Еще одно открытие Ампера – это закон действия магнитного поля на проводник с током. Он выражается прежде всего в действии магнитного поля на виток или рамку с током. Так, на виток с током в магнитном поле действует момент силы, которая стремится развернуть этот виток таким образом, чтобы его плоскость стала перпендикулярна линиям магнитного поля.
Угол поворота витка прямо пропорционален величине тока в витке. Если внешнее магнитное поле в витке постоянно, то значение модуля магнитной индукции также величина постоянная. Площадь витка при не очень больших токах также можно считать постоянной, следовательно, справедливо то, что сила тока равна произведению момента сил, разворачивающих виток с током, на некоторую постоянную при неизменных условиях величину.
l = M * const
l – сила тока,
M – момент сил, разворачивающих виток с током.
Следовательно, появляется возможность измерять силу тока по величине угла поворота рамки, которая реализована в измерительном приборе – амперметре.
Рисунок 11. Амперметр
Электродвигатель
После открытия действия магнитного поля на проводник с током Ампер понял, что это открытие можно использовать для того, чтобы заставить проводник двигаться в магнитном поле. Так, магнетизм можно превратить в механическое движение – создать двигатель. Одним из первых, работающих на постоянном токе, был электродвигатель (рис. 3), созданный в 1834 г. русским электротехником Б.С. Якоби.
Рисунок 12. Электродвигатель
Рассмотрим упрощенную модель двигателя, которая состоит из неподвижной части с закрепленными на ней магнитами – статора. Внутри статора может свободно вращаться рамка из проводящего материала, которая называется ротором. Для того чтобы по рамке мог протекать электрический ток, она соединена с клеммами при помощи скользящих контактов (рис. 4). Если подключить двигатель к источнику постоянного тока, то при замыкании цепи рамка с током начнет вращение.
Рисунок 13. Схема электродвигателя
Электромагнит
Необходимо упомянуть еще об одном устройстве, работающем на основе законов Ампера. Ампер показал, что катушка с током ведет себя подобно постоянному магниту. Это значит, что можно сконструировать
электромагнит – устройство, которое при прохождении через него электрического тока, создает вокруг себя магнитное поле.
Рисунок 14. Электромагнит
Рисунок 14.2 Пример применения электромагнитов. Электромагнит на производстве
Маглев
Маглев, или поезд на магнитной подушке, — это состав, который удерживается над дорожным полотном и движется силой электромагнитного поля. В основу маглева положено базовое свойство магнитов: одинаковые полюса отталкиваются, а разные – притягиваются.
Рисунок 15. Маглев
Движение поезда осуществляется линейным двигателем – поочерёдно включаются обмотки статора, создавая бегущее магнитное поле. Статор поезда втягивается в это поле и движет весь состав. При этом с частотой 4000 раз в секунду происходит смена полюсов на магнитах путем попеременной подачи тока. Изменение силы и частоты тока позволяет регулировать скорость состава.
Рисунок 16. Схема маглева
Маглев — самый быстрый наземный общественный транспорт. Рекорд скорости был установлен японским поездом Синкансэн L0 в апреле 2015 года — он разогнался до 603 км/ч.
Рисунок 17. Синкансэн L0
Телеграф
Именно Амперу пришла идея о том, что, скомбинировав проводники и магнитные стрелки, можно создать устройство, которое предает информацию на расстояние.
Рисунок 18. Электрический телеграф
Идея телеграфа возникла в первые же месяцы после открытия электромагнетизма.
Однако широкое распространение электромагнитный телеграф приобрел после того, как Самюэль Морзе создал более удобный аппарат и, главное, разработал двоичную азбуку, состоящую из точек и тире, которая так и называется: азбука Морзе.
С передающего телеграфного аппарата с помощью «ключа Морзе», который замыкает электрическую цепь, в линии связи формируются короткие или длинные электрические сигналы, соответствующие точкам или тире азбуки Морзе. На приемном телеграфном аппарате (пишущий прибор) на время прохождения сигнала (электрического тока) электромагнит притягивает якорь, с которым жестко связано пишущее металлическое колесико или писец, которые оставляют чернильный след на бумажной ленте (рис. 7).
Рисунок 19. Схема работы телеграфа
Пушка Гаусса
Математик Гаусс, познакомившись с исследованиями Ампера, предложил создать оригинальную пушку, работающую на принципе действия магнитного поля на железный шарик или стержень – снаряд: в цилиндрической обмотке (соленоиде) при протекании через нее электрического тока возникает магнитное поле. Это магнитное поле начинает втягивать внутрь соленоида снаряд, который от этого начинает разгоняться. Если в тот момент, когда снаряд окажется в середине обмотки ток в последней отключить, то втягивающее магнитное поле исчезнет и снаряд, набравший скорость, свободно вылетит через другой конец обмотки.
Рисунок 20. Пушка Гаусса
Динамик
Так же сила Ампера применяется и в динамиках, чей принцип действия основан на действии магнитного поля постоянного магнита на переменный ток в подвижной катушке: катушка, по которой течет измененный ток звуковой частоты, колеблется в магнитном поле магнита. Вместе с катушкой колеблется диффузор, излучающий звук.
Рисунок 21. Устройство динамика
Рисунок 22. Динамик (внешний вид)
Сила Лоренца
Кинескоп — телевизионная трубка, электронно-лучевая трубка
Действие магнитного поля на движущийся заряд широко используют в технике. Достаточно упомянуть телевизионные трубки (= кинескопы), в которых летящие к экрану электроны отклоняются с помощью магнитного поля, создаваемого особыми катушками. Иначе телевизионную трубку можно называть электронно-лучевой трубкой.
Рисунок 23. Кинескоп
Масс-спектрограф
Другое применение действие магнитного поля нашло в приборах, позволяющих разделять заряженные частицы по их удельным зарядам, т.е. по отношению заряда частицы к её массе, и по полученным результатам точно определять массы частиц. Такие приборы получили название масс-спектрографов. На рисунке изображена принципиальная схема простейшего масс-спектрографа.
Вакуумная камера прибора помещена в магнитное поле (вектор индукции В перпендикулярен рисунку). Ускоренные электрическим полем заряженные частицы (электроны или ионы), описав дугу, попадают на фотопластинку, где оставляют след, позволяющий с большой точностью измерить радиус траектории r. По этому радиусу определяется удельный заряд иона. Зная же заряд иона, легко вычислить его массу. Изучить
химический состав грунта, взятого на Луне, например, поможет тот же масс-спектр.
Циклотрон — ускоритель заряженных частиц
На рисунке 25 показано движение заряженных частиц в вакуумной камере циклотрона.
Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров (дуантов). К дуантам приложено переменное электрическое напряжение, частота которого равна циклотронной частоте. Заряженные частицы инжектируются в центре вакуумной камеры. Частицы ускоряются электрическим полем в промежутке между дуантами. Внутри дуантов частицы движутся под действием силы Лоренца по полуокружностям, радиус которых растет по мере увеличения энергии частиц.
Каждый раз, когда частица пролетает через зазор между дуантами, она ускоряется электрическим полем. Таким образом, в циклотроне, как и во всех других ускорителях, заряженная частица ускоряется электрическим полем, а удерживается на траектории магнитным полем. Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергии порядка 20 МэВ.
Рисунок 25.2. Циклотрон (внешний вид)
Синхрофазотрон
В 1957 году Советский Союз осуществил революционный научный прорыв сразу в двух направлениях: в октябре был запущен первый искусственный спутник Земли, а за несколько месяцев до этого, в марте, в Дубне начал работать легендарный синхрофазотрон — гигантская установка для исследования микромира. Эти два события потрясли весь мир, и слова «спутник» и «синхрофазотрон» прочно вошли в нашу жизнь.
Синхрофазотрон — это циклический резонансный ускоритель заряженных частиц. Циклический – значит, что частицы циркулируют по замкнутой траектории, которая формируется магнитными полями. Резонансный — что на кольце расположен высокочастотый электромагнитный резонатор, в котором внешним генератором раскачана волна электрического поля; сгусток частиц пролетает этот резонатор на каждом обороте синхронно с колебанием поля, и это электрическое поле его резонансным образом легонько ускоряет (как мама легонько толкает качели, добиваясь большой скорости). Таким образом удаётся электрическим полем с амплитудой в десятки киловольт ускорить частицы до десятков гига(электрон)вольт.
Рисунок 26. Синхрофазотрон (схема)
Рисунок 26.2. Синхрофазотрон (внешний вид)
Магнетрон
Магнетрон — это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем.
Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд.
Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %), то есть, способны преобразовывать до 80% подводимой к ним электроэнергии в СВЧ-поле.
Магнетроны бывают как не перестраиваемые, так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10 %). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в секунду) — ротационные и вибрационные механизмы.
Магнетроны как генераторы сверхвысоких частот широко используются в современной радиолокационной технике.
Рисунок 27. Магнетрон (схема)
Магнитное поле в медицине
Магнитное поле широко применяется в медицине. Существует и специальный термин – магнитотерапия.
Магнитотерапия – это метод физиотерапии, в основе которого лежит действие на организм магнитными полями различных параметров.
С лечебно-профилактическими целями используются:
- постоянное магнитное поле (постоянная магнитотерапия);
- импульсное магнитное поле (импульсная магнитотерапия);
- переменное магнитное поле (низкочастотная магнитотерапия).
Постоянная магнитотерапия
При постоянной магнитотерапии на организм с лечебно-профилактическими целями воздействуют постоянным магнитным полем. Для получения постоянного магнитного поля (ПМП) используют постоянные магниты из различных материалов и различных конструкций, а также электромагниты с ферромагнитными сердечниками или без них, в обмотках которых течет постоянный электрический ток. Индукция постоянных магнитных полей чаще составляет 30-60 мТл.
Магнетроны как генераторы сверхвысоких частот широко используются в современной радиолокационной технике.
Реферат: Магнитное поле 3
Содержание
1. Введение………………………………. 2
2. Основная часть……………………… 3
2.1. История изучения магнитных явлений 4
2.2. Магнитное поле, свойства и характеристики 13
2.3. Действие магнитного поля на проводники с током. Сила Ампера 18
2.4. Закон Био-Савара-Лапласа…… 25
2.5. Примеры решения задач……… 35
3. Заключение…………………………. 39
4. Литература…………………………. 40
Тема моей работы магнитное поле. Магниты окружают нас повсюду и широко применяются в различных сферах нашей жизни. С магнитами мы знакомимся еще в детстве. Каждый из нас, я думаю, будучи ребенком, играл в магнитики. Это знакомство продолжается в школе на уроках физики. Наглядность и простота выполнения школьных экспериментов, при изучении магнитного поля, повышают интерес, делают материал доступным для понимания и более усваиваемым. Все это сыграло немалую роль при выборе темы курсовой работы. В первой главе своей работы я расскажу об истории открытия магнитного поля, о явлениях, предшествующих его открытию и способах его создания. Во второй главе я рассмотрю непосредственно само магнитное поле, раскрою его свойства и характеристики. В третьей главе я расскажу о действии магнитного поля на проводники и рассмотрю его на примере рамки с током, находящемся в магнитном поле. В четвертой главе я расскажу о методах нахождения значения основной характеристики магнитного поля, приведу несколько примеров. Также в моей работе будет представлены опыты, подтверждающие существование магнитного поля и иллюстрирующие характер его поведения.
Мы привыкли к магниту и относимся к нему чуточку снисходительно как к устаревшему атрибуту школьных уроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. В наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах, в банках с гвоздями, наконец. Сами мы — тоже магниты: биотоки, текущие в нас, рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живём, — гигантский голубой магнит. Солнце — жёлтый плазменный шар — магнит ещё более грандиозный. Галактики и туманности, едва различимые телескопами, — непостижимые по размерам магниты. Термоядерный синтез, магнитодинамическое генерирование электроэнергии, ускорение заряженных частиц в синхротронах, подъём затонувших судов — всё это области, где требуются грандиозные, невиданные раньше по размерам магниты. Проблема создания си,.ьных, сверхсильных, ультрасильных и ещё более сильных магнитных полей стала одной из основных в современной физике и технике.
«Любящий камень» … Такое поэтическое название дали китайцы естественному магниту. «Любящий камень (тшу-ши), — говорят китайцы, — притягивает железо, как нежная мать привлекает своих детей». Замечательно, что у французов — народа, живущего на противоположном конце Старого Света, мы встречаем сходное название для магнита: французское слово «а1гпап{» означает и «магнит», и «любящий». Сила этой «любви» у естественных магнитов незначительна, и поэтому очень наивно звучит греческое название магнита, — «геркулесов камень». Если обитатели древней Эллады так поражались умеренной силой притяжения естественного магнита, то, что сказали бы они, увидев на современном металлургическом заводе магниты, поднимающие глыбы в целые тонны весом! Правда, это не естественные магниты, а «электромагниты», т.е. железные массы, намагниченные электрическим током, проходящим по окружающей их обмотке. Но в обоих случаях действует сила одной и той же природы — магнетизм.
Вещества, притягивающие железо, были известны человечеству более 2000 лет назад. Они получили название магнитов. Постоянный магнит в форме тонкой полоски, расположенный на плавающей в воде деревянной дощечке, поворачивается одним концом в направлении Северного пслюса Земли, а другим — в направлении Южного. Поэтому концы магнита так и называются северным и южным полюсами. Это наблюдение привело к созданию компаса. Первые компасы появились в Китае. В Европе компасом стали пользоваться с XII в. В 1600г. английский физик Уильям Гильберт(1544-1 603) опубликовал большой труд «О магните», в котором описал множество проведенных за 18 лет опытов. Он первым пришел к заключению, что Земля сама является большим магнитом. Казалось, что магнетизм и электричество — две разные области, не имеющие между собой ничего общего. Дальнейшее развитие научных знаний показало тесную связь электрических и магнитных явлений, а созданная Максвеллом теория позволила единым образом описать все электромагнитные явления.
После изобретения в 1800 г. источника постоянного тока возможности экспериментаторов значительно расширились. Первое фундаментальное открытие было сделано в 1820г. датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом (1777- 1851).Убежденный в том, что электрические и магнитные
явления взаимосвязаны, он хотел выяснить, не производит ли электричество каких-либо действий на магнит. В феврале 1820г. Эрстед показывал студентам тепловое действие тока. Он поместил над магнитной стрелкой параллельно ей прямолинейный провод (рис.1). Стрелка могла свободно вращаться вокруг вертикальной оси. При пропускании по проводу электрического тока стрелка отклонялась в сторону и устанавливалась перпендикулярно к проводу. При изменении направления тока стрелка поворачивалась на 180°. То же самое происходило, когда провод переносился вниз и располагался под стрелкой. В этом эффекте Эрстед увидел подтверждение своих идей. Описание опыта вышло в свет 21 июля 1820г. Этот простой опыт произвел сильное впечатление на современников и положил начало новой области физики — электродинамике.
Дальнейшие исследования развивались стремительно. 11 сентября 1820г. опыт был показан на заседании Французской академии наук. Академики спокойно разошлись, и только один из них — Андре Мари Ампер (1775-1836) — поспешил заказывать приборы для проведения новых опытов. Он был уверен, что они должны были подтвердить его догадки, сводящие магнетизм к чисто электрическим явлениям. Все считали, что ток, проходя по проводнику, превращает его в магнит, который и заставляет отклоняться стрелку компаса. Ампер высказал гениальную мысль: магнит представляет совокупность токов, движущихся по замкнутым контурам; отклонение стрелки вызвано взаимодействием токов. 25 сентября он демонстрирует новый эффект: два незаряженных параллельных провода, по которым текут противоположно направленные токи, отталкиваются друг от друга (рис.2,а). На каждой из проводников действует сила, зависящая от величины силы тока и расстояния между проводами. При перемене направления одного из токов силы отталкивания сменяются силами притяжения (рис.2,б). В новой серии опытов спирали, по которым пропускали ток, вели себя подобно магнитам.
Для исследования линейных токов Ампер создал так называемый «станок Ампера». На рис.3 изображен станок Ампера с прямоугольным контуром.
Он содержит прямоугольную проволочную рамку, укрепленную на двух вертикальных остриях, опирающихся о днища двух чашек с ртутью. Вследствие ничтожного трения в игольчатых подшипниках рамка может свободно поворачиваться вокруг вертикальной оси, оставаясь все время включенной в цепь тока при помощи ртутных контактов. Если приблизить к подвижной рамке другую (неподвижную) рамку с током, то можно наблюдать взаимодействие токов. При достаточном сближении одного из ребер подвижной рамки с каким-либо из ребер неподвижной рамки можно считать, что практически взаимодействуют только сближенные ребра, и таким образом исследовать взаимодействие двух прямолинейных токов. При этом легко обнаружить, что токи, направленные одинаково (параллельные), притягиваются друг к другу, а токи направлеьдые противоположно (антипараллельные,, отталкиваются друг от друга. Пользуясь таким станком, можно исследовать взаимодействие тока и магнита и двух токов между собой. Если поднести к одному из вертикальных ребер подвижной рамки с током прямой магнит, то рамка поворачивается. При замене северного полюса магнита на южный направление силы изменяется и рамка начинает поворачиваться в обратную сторону. Направление силы изменяется и в том случае, если изменить направление тока в рамке. На рис.4 показан станок Ампера с прямой длинной катушкой (соленоид). Если подносить к концам такого соленоида прямой магнит, то обнаруживается, что один из концов соленоида отталкивается от северного полюса магнита, но притягивается к южному полюсу, в то время как для второго конца соленоида наблюдается обратное. Этот опыт показывает, что соленоид с током ведет себя как прямой магнит. Тот конец соленоида, который обтекается током против часовой стрелки (если смотреть в торец катушки), соответствует северному полюсу магнита (указывающему на север), а конец, обтекаемый током по часовой стрелке, соответствует южному полюсу магнита. Если убрать магнит, то соленоид с током устанавливается так же, как магнитная стрелка компаса, в направлении магнитного меридиана Земли.
Заменяя в предыдущем опыте магнит другим (неподвижным) соленоидом, можно исследовать взаимодействие двух соленоидов. При этом вновь легко убедиться, что каждый из соленоидов по своим действиям подобен прямому магниту.
Новую область знаний о явлениях, обусловленных протеканием токов, Ампер назвал электродинамикой. Открытие явлений электромагнетизма оказало влияние не только на развитие науки, но и техники. В том же году Доминик Франсуа Араго (1786-1853) изобрел электромагнит. В 1821г. Майклу Фарадею (1791-1867) удалось осуществить вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, создав тем самым лабораторную модель электродвигателя. Ампер предложил использовать отклонение электромагнитной стрелки для передачи сигналов в электромагнитном телеграфе.
В дальнейшем экспериментально исследовалось действие на магнитную стрелку электрического тока, протекающего по проводникам самой различной формы. Во всех случаях проводники с током оказывали ориентирующее действие на магнитную стрелку. Таким образом, можно сделать следующий вывод: при прохождении по проводнику электрического тока вокруг проводника возникает магнитное поле, действующее на помещенную в это поле магнитную стрелку.
Непосредственное измерение действия магнитного поля движущихся электронов на магнитную стрелку было произведено в 191] г. Абрам Федорович Иоффе (1880-1960). Принципиальная схема его установи.2 приведена на рис.5. Внутри стеклянной трубки М был создан высокий вакуум.
Электроны, вылетавшие из катода К, который нагревался током от батареи накала Бм , ускорялись электрическим полем, созданным между катодом К и анодом А батареей Ба .
В центре О анода трубки имелось небольшое отверстие, через которое проходила часть электронов. Узкий пучок электронов в пространстве за анодом попадал в цилиндр Фарадея Р, соединенный через гальванометр С с положительным полюсом батареи Ба . В средней части трубки по обе стороны электронного пучка располагались две одинаковые легкие магнитные стрелки N-8, антипараллельные друг другу. Стрелки были скреплены между собой легким кольцом, свободно охватывающим трубку. Вся эта система была подвешена на упругой нити. Применение двух параллельных и противоположно направленных магнитных стрелок (такая система называется астатической) позволило исключить влияние магнитного поля Земли, так как его действия на обе стрелки взаимно уничтожаются. При движении в трубке пучка электронов возникает магнитное поле, которое действовало на обе стрелки так, как показано на рисунке. Угол закручивания нити О, регистрировавшийся по смещению светового зайчика, отраженного от зеркальца 3, позволял судить о силе, с которой магнитное поле электронного пучка действовало на магнитные стрелки. Сила тока в трубке измерялась гальванометром С. Заменив катодную трубку М прямолинейным проводником, по которому шел ток такой же силы, как и в трубке, Иоффе установил, что угол закручивания нити не изменился. Таким образом, было доказано, что свободные электронные пучки по своему магнитному действию эквивалентны токам в проводниках.
Рядом исследований, в числе которых необходимо отметить опыты Александра Александровича Эйхенвальда (1864-1944), было доказано, что магнитное действие конвекционных токов, образованных движением в пространстве заряженных тел и поляризованных диэлектриков, также подобно магнитному действию токов проводимости. Упрощенная схема прибора Эйхенвальда приведена на рис.6. Внутри металлического корпуса находился сплошной диск 1, который мог вращаться вокруг оси. Диск был изготовлен из материала, обладающего высокими диэлектрическими свойствами. На этот диск по внешней его окружности наклеивался станиолевый ободок, представляющий собой незамкнутое кольцо. Корпус прибора и станиолевый ободок играли роль двух обкладок конденсатора, емкость С которого была предварительно измерена. Конденсатор заряжался от электростатической машины до разности потенциалов А.</> между обкладками. При этом заряд </ обкладки равнялся:
Я = С- Д(»_ (1)
Диск 1 приводился в быстрое вращение вокруг оси. Сила возникающего при этом конвекционного тока /,,. равна:
Iк = ц п = С■ А<�р п ^2)
где и — число оборотов диска за единицу времени.
—> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ
Магнитное поле в медицине
Магнитное поле широко применяется в медицине. Существует и специальный термин – магнитотерапия.
Магнитотерапия – это метод физиотерапии, в основе которого лежит действие на организм магнитными полями различных параметров.
С лечебно-профилактическими целями используются:
- постоянное магнитное поле (постоянная магнитотерапия);
- импульсное магнитное поле (импульсная магнитотерапия);
- переменное магнитное поле (низкочастотная магнитотерапия).
Постоянная магнитотерапия
При постоянной магнитотерапии на организм с лечебно-профилактическими целями воздействуют постоянным магнитным полем. Для получения постоянного магнитного поля (ПМП) используют постоянные магниты из различных материалов и различных конструкций, а также электромагниты с ферромагнитными сердечниками или без них, в обмотках которых течет постоянный электрический ток. Индукция постоянных магнитных полей чаще составляет 30-60 мТл.
Рисунок 28. Постоянная магнитотерапия
Импульсная магнитотерапия
Этот вид терапии основан на применении с лечебно-профилактическими и реабилитационными целями импульсных магнитных полей низкой частоты.
Действующим фактором в данном методе являются вихревые электрические поля (токи), индуцируемые в тканях мощным импульсным
магнитным полем. Индукционные электрические токи способны вызывать возбуждение волокон периферических нервов. Вследствие чего блокируется афферентная импульсация из болевого очага. За счет возбуждения толстых миелинизированных волокон наблюдается и сокращение иннервируемых ими мышц. Кроме того, это поле за счет наведения импульсных токов вызывает ритмическое сокращение миофибрилл скелетной мускулатуры, гладких мышц сосудов и внутренних органов.
Рисунок 29. Импульсная магнитотерапия
Низкочастотная магнитотерапия
Наиболее распространенный вид магнитотерапии — низкочастотная, при которой с лечебно-профилактическими и реабилитационными целями используют магнитные поля низкой частоты. В основе действия лежат те же механизмы и физико-химические эффекты, что и при использовании постоянных магнитных полей. Однако главным действующим фактором является формирование в тканях индуцированных электрических токов, плотность которых определяется скоростью изменения магнитной индукции.
Минимальные эффекты наблюдаются при плотности тока 1-10 мА/м. Такие токи наводятся в тканях при воздействии переменным МП с индукцией 0,5-5 мТл при частоте 50 Гц или 10-100 мТл при частоте 2,5 Гц. Более существенные сдвиги наблюдаются при плотности наведенного тока 10-100 мА/м, который наводится при действии на ткани переменного МП с индукцией 5-50 мТл при частоте 50 Гц или 100-1000 мТл при частоте 2,5 Гц.
Рисунок 30. Низкочастотная магнитотерапия
Введение
Магнитная терапия — это поле физиотерапии, основанное на воздействии низкочастотных прямых или переменных полей на весь организм (общая магнитная терапия) или его часть (локальная магнитная терапия).
Магнитные поля оказывают противовоспалительное, противоотечное, успокаивающее и обезболивающее действие. Под воздействием магнитных полей улучшается микроциркуляция крови, стимулируются регенеративные процессы в тканях.
За свою историю магнитная терапия знала много взлетов и падений. В последние годы интерес к нему вновь растет, что можно объяснить рядом причин.
Вокруг земли есть магнитное поле, которое можно условно разделить на две части. Основная часть вызвана процессами в ядре Земли, где непрерывные и регулярные движения электропроводящей материи создают систему электрических токов. Другая часть относится к земной коре. Породы земной коры, намагниченные основным электрическим полем (полем ядра), создают собственное магнитное поле, которое совмещается с магнитным полем ядра. Постоянное геомагнитное поле, связанное с ядром и земной корой, со временем меняется. Эти изменения не очень значительны по своим масштабам и имеют цикл до одного года.
Несмотря на отсутствие в организме специальных рецепторных зон, воспринимающих электромагнитные колебания, существует достоверная информация о влиянии естественных магнитных полей на высшие центры нервной и гуморальной регуляции, на биотоки мозга и сердца, на проницаемость биологических мембран, на свойства воды и коллоидных систем организма. Выявление тесной связи распространения и обострения многих заболеваний (сердечно-сосудистых, психологических и других) с изменением интенсивности и других свойств магнитного поля Земли открывает новые возможности в их профилактике и терапии.
Магнитно-резонансная томография
Стоит упомянуть и о таком применении магнитного поля в медицине, как магнитно-резонансная томография. Она используется для исследования внутренних органов и тканей человека с целью диагностировать различные заболевания. Принцип её действия основан на использовании феномена кратковременного резонирования протонов в электромагнитном поле для визуализации тканей в зависимости от наличия в них воды.
Рисунок 31. Магнитно-резонансная томография
Заключение
Итак, мы можем прийти к выводу, что развитие современной цивилизации трудно представить без широкого использования магнитных материалов и магнитного поля. Значительный эффект использования магнитных полей и материалов достигнут в науке: это использование методов ядерного магнитного резонанса, использование магнитного поля для ускорения элементарных частиц и проч.
Эффективно применяется магнитное поле в медицине — для терапии, диагностики, оздоровления и т.д. А применение в различных технических устройствах и бытовых приборах можно перечислять бесконечно. И это лишь неполный перечень применений магнитного поля. А впереди еще более потрясающие открытия магнитных свойств, новых магнитных материалов и уникальных применений магнитного поля в науке, в промышленности, на транспорте, в медицине и т.д.
Биофизические и биохимические принципы магнитотерапии
Выделяются следующие механизмы первичного воздействия магнитных прямых и переменных полей на биологические объекты.
Под воздействием магнитных полей происходит заряд макромолекул (ферментов, нуклеиновых кислот, белков и т.д.) и изменение их магнитной восприимчивости.
Благодаря этому магнитная энергия макромолекул может превышать энергию теплового движения, и поэтому магнитные поля вызывают изменения ориентации и концентрации биологически активных макромолекул даже при терапевтических дозах, что влияет на кинетику биохимических реакций и скорость биофизических процессов.
Ориентационная перестройка жидких кристаллов, составляющих основу клеточной мембраны и многих внутриклеточных структур, имеет большое значение для механизма первичного эффекта магнитных полей. Ориентация и деформация жидкокристаллических структур (мембран, митохондрий и др.), происходящих под воздействием магнитного поля, влияет на герметичность, что играет важную роль в регуляции биохимических процессов и выполнении их биологических функций.
Происходят изменения в свойствах воды: Поверхностное напряжение, вязкость, электропроводность, диэлектрическая проницаемость и т.д., которые обусловлены определенной пространственной ориентацией элементарных токов в его атомах и молекулах.
Это способствует выполнению их специфических функций для молекул белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и других макромолекул, образующих единую с водой систему, транспорт и обмен веществ которой зависит от состояния воды.
Одним из важнейших механизмов регулирования в живых системах является активность ионов. В основном это определяется их гидратацией и связыванием с макромолекулами. Под воздействием магнитных полей компоненты системы (ион-вода, белок-ион, белок-ион-вода), различающиеся по своим магнитным и электрическим свойствам, подвергаются колебательным движениям, параметры которых могут не совпадать.
Этот процесс освобождает часть ионов от связывания с макромолекулами и уменьшает их гидратацию, повышая ионную активность. Повышение ионной активности в тканях под воздействием магнитного поля является необходимым условием для стимуляции клеточного метаболизма.
На основании вышеперечисленных механизмов действия можно сказать, что магнитное поле постоянного тока воздействует на ткани организма диа- и парамагнитным воздействием, а также электрическими токами, генерируемыми им, попеременно и импульсно.
В реализации его воздействия на живые системы вовлекаются субмолекулярные, молекулярные и надмолекулярные структуры, что приводит к изменениям на клеточном, системном и организменном уровнях.
Особое внимание следует уделять специфическому воздействию переменного магнитного и импульсного полей. Помимо диамагнитного и парамагнитного взаимодействия, существует также взаимодействие с переменным электрическим полем, которое происходит при каждом изменении магнитного поля.
Поскольку в ткани имеются свободные заряды, ионы или электроны, индуцированное электрическое поле приводит к их движению, т.е. электрическому току, который имеет различные биологические эффекты.
