1891 versuchte der englische Wissenschaftler Schuster es zu erklären Der Magnetismus der Erde seine Drehung um die Achse. Der bekannte Physiker P. N. Lebedev hat dieser Hypothese viel Arbeit gewidmet. Er nahm an, dass unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft die Elektronen in Atomen in Richtung Erdoberfläche verschoben werden. Daher muss die Oberfläche negativ geladen sein, dies verursacht Magnetismus. Experimente mit der Rotation des Rings mit bis zu 35.000 Umdrehungen pro Minute bestätigten die Hypothese jedoch nicht - Magnetismus trat im Ring nicht auf.

Der englische Wissenschaftler W. Gelbert glaubte, dass die Erde aus einem magnetischen Stein besteht. Später wurde entschieden, dass die Erde von der Sonne magnetisiert wurde. Berechnungen widerlegten diese Hypothesen.

Sie versuchten, den Magnetismus der Erde durch Massenströme in ihrem flüssigen Metallkern zu erklären. Diese Hypothese selbst stützt sich jedoch auf die Hypothese des flüssigen Kerns der Erde. Viele Wissenschaftler glauben, dass der Kern fest und überhaupt nicht aus Eisen ist.

1947 schlug P. Bleket (England) vor, dass das Vorhandensein eines Magnetfelds in rotierenden Körpern ein unbekanntes Naturgesetz ist. Blacket versuchte, die Abhängigkeit des Magnetismus von der Rotationsgeschwindigkeit des Körpers festzustellen.

Damals waren Daten über Rotationsgeschwindigkeit und Magnetfelder von drei Himmelskörpern bekannt - der Erde, der Sonne und dem Weißen Zwerg - dem Stern E78 aus dem Sternbild Jungfrau.

Das Magnetfeld des Körpers ist durch sein magnetisches Moment, die Rotation des Körpers - durch den Drehimpuls (unter Berücksichtigung der Größe und Masse des Körpers) gekennzeichnet. Es ist seit langem bekannt, dass die magnetischen Momente der Erde und der Sonne in der gleichen Beziehung zueinander stehen wie ihre Drehimpulse. Der E78-Star beachtete diese Verhältnismäßigkeit! Damit wurde offensichtlich, dass es einen direkten Zusammenhang zwischen der Rotation von Himmelskörpern und ihrem Magnetismus gibt.

Man hatte den Eindruck, dass es die Rotation von Körpern ist, die Magnetismus verursacht. Blacket versuchte, die Existenz des von ihm vorgeschlagenen Gesetzes experimentell zu beweisen. Für das Experiment wurde ein goldener Zylinder mit einem Gewicht von 20 kg hergestellt. Die subtilsten Experimente mit dem erwähnten Zylinder brachten nichts. Der nichtmagnetische goldene Zylinder zeigte keine Anzeichen von Magnetismus.

Nun sind Magnet- und Drehimpuls für Jupiter und vorläufig auch für Venus festgestellt worden. Und wieder sind ihre Magnetfelder, dividiert durch den Drehimpuls, nahe an Blackets Zahl. Nach einer solchen Koinzidenz der Koeffizienten ist es schwierig, die Sache dem Zufall zuzuschreiben.

Also was - die Rotation der Erde erregt ein Magnetfeld oder der Magnetismus der Erde verursacht ihre Rotation? Aus irgendeinem Grund haben Wissenschaftler immer geglaubt, dass die Rotation der Erde seit ihrer Entstehung innewohnt. Ist es so? Oder vielleicht nicht. Eine Analogie zu unserem Fernseherlebnis wirft die Frage auf: Befindet sich die Erde, weil sie sich um ihre eigene Achse dreht, wie ein großer Magnet in einem Strom geladener Teilchen? Die Strömung besteht hauptsächlich aus Wasserstoffkernen (Protonen), Helium (Alphateilchen). Elektronen werden in " " nicht beobachtet, sie werden wahrscheinlich in magnetischen Fallen im Moment von Kollisionen von Teilchen gebildet und in Kaskaden in den Zonen des Erdmagnetfelds geboren.

Die Verbindung des Magnetismus der Erde mit ihrem Kern ist jetzt ziemlich offensichtlich. Berechnungen von Wissenschaftlern zeigen, dass der Mond keinen flüssigen Kern hat, also sollte er auch kein Magnetfeld haben. Tatsächlich haben Messungen mit Weltraumraketen gezeigt, dass der Mond kein nennenswertes Magnetfeld um sich herum hat.

Interessante Daten wurden durch Beobachtungen von terrestrischen Strömungen in der Arktis und Antarktis gewonnen. Die Intensität der irdischen elektrischen Ströme ist dort sehr hoch. Sie ist zehn- und hundertmal höher als die Intensität in den mittleren Breiten. Diese Tatsache weist darauf hin, dass der Einstrom von Elektronen aus den Ringen der Magnetfallen der Erde intensiv durch die Polkappen in den Zonen der Magnetpole in die Erde eindringt, wie zum Beispiel im Experiment mit .

Im Moment erhöhter Sonnenaktivität nehmen auch die irdischen elektrischen Ströme zu. Nun kann wahrscheinlich als gesichert angesehen werden, dass die elektrischen Ströme in der Erde durch die Massenströme des Erdkerns und den Einstrom von Elektronen in die Erde aus dem Weltraum, hauptsächlich aus ihren Strahlungsringen, verursacht werden.

Elektrische Ströme verursachen also den Magnetismus der Erde, und der Magnetismus der Erde wiederum bringt offensichtlich unsere Erde zum Rotieren. Es ist leicht zu erraten, dass die Geschwindigkeit der Erdrotation vom Verhältnis der negativ und positiv geladenen Teilchen abhängt, die von ihrem Magnetfeld von außen eingefangen und auch innerhalb des Erdmagnetfelds geboren werden.

Die Erde hat ein Magnetfeld, dessen Existenzgründe nicht geklärt sind. Ein Magnetfeld hat zwei Magnetpole und eine Magnetachse. Die Position der magnetischen Pole stimmt nicht mit der Position der geografischen überein. Die Magnetpole liegen auf der Nord- und Südhalbkugel asymmetrisch zueinander. In dieser Hinsicht bildet die sie verbindende Linie - die magnetische Achse der Erde - mit ihrer Rotationsachse einen Winkel von bis zu 11 °.

Der Magnetismus der Erde wird durch magnetische Intensität, Deklination und Neigung gekennzeichnet. Die Magnetstärke wird in Oersted gemessen.

Die magnetische Deklination ist der Abweichungswinkel der Magnetnadel vom geografischen Meridian an einem bestimmten Ort. Da die Magnetnadel die Richtung des magnetischen Meridians angibt, entspricht die magnetische Deklination dem Winkel zwischen dem magnetischen und dem geografischen Meridian. Deklination kann Ost oder West sein. Linien, die identische Deklinationen auf einer Karte verbinden, werden Isogone genannt. Das Isogon der Deklination gleich Null wird als magnetischer Nullmeridian bezeichnet. Die Isogone gehen vom Magnetpol auf der Südhalbkugel aus und konvergieren am Magnetpol auf der Nordhalbkugel.

Die magnetische Neigung ist der Neigungswinkel der Magnetnadel zum Horizont. Geraden, die Punkte gleicher Neigung verbinden, nennt man Isoklinen. Die Null-Isokline wird als magnetischer Äquator bezeichnet. Isoklines erstrecken sich wie Parallelen in Breitenrichtung und variieren von 0 bis 90 °.

Der glatte Verlauf von Isogonen und Isoklinen an einigen Stellen der Erdoberfläche ist ziemlich stark gestört, was mit dem Vorhandensein magnetischer Anomalien zusammenhängt. Große Ansammlungen von Eisenerzen können als Quelle solcher Anomalien dienen. Die größte magnetische Anomalie ist Kursk. Magnetische Anomalien können auch durch Brüche in der Erdkruste verursacht werden - Verwerfungen, umgekehrte Verwerfungen, wodurch Gesteine ​​mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften in Kontakt kommen usw. Magnetische Anomalien werden häufig verwendet, um nach Mineralvorkommen zu suchen und die Struktur der Erdkruste zu untersuchen Untergrund.

Die Werte der magnetischen Intensitäten, Deklinationen und Neigungen erfahren tages- und weltliche Schwankungen (Variationen).

Tagesschwankungen werden durch Sonnen- und Mondstörungen der Ionosphäre verursacht und manifestieren sich mehr im Sommer als im Winter und mehr tagsüber als nachts. Viel intensiver

Jahrhunderts Variationen. Es wird angenommen, dass sie auf Veränderungen in den oberen Schichten des Erdkerns zurückzuführen sind. Säkulare Variationen an verschiedenen geografischen Punkten sind unterschiedlich.

Plötzliche, mehrere Tage andauernde magnetische Schwankungen (Magnetstürme) sind mit der Sonnenaktivität verbunden und in hohen Breitengraden am intensivsten.

§ 4. Hitze der Erde

Die Erde erhält Wärme aus zwei Quellen: von der Sonne und von ihren eigenen Eingeweiden. Der thermische Zustand der Erdoberfläche hängt fast vollständig von ihrer Erwärmung durch die Sonne ab. Unter dem Einfluss vieler Faktoren kommt es jedoch zu einer Umverteilung der Sonnenwärme, die auf die Erdoberfläche gefallen ist. Verschiedene Punkte auf der Erdoberfläche erhalten aufgrund der Schräglage der Erdrotationsachse relativ zur Ebene der Ekliptik eine ungleiche Wärmemenge.

Um die Temperaturverhältnisse zu vergleichen, werden die Konzepte der durchschnittlichen Tages-, durchschnittlichen Monats- und durchschnittlichen Jahrestemperatur in bestimmten Teilen der Erdoberfläche eingeführt.

Die höchsten Temperaturschwankungen erfährt die obere Erdschicht. Tiefer unter der Oberfläche nehmen die täglichen, monatlichen und jährlichen Temperaturschwankungen allmählich ab. Die Dicke der Erdkruste, innerhalb derer Gesteine ​​von der Sonnenwärme beeinflusst werden, wird als heliothermische Zone bezeichnet. Die Tiefe dieser Zone variiert von wenigen Metern bis 30 m.

Unter der solarthermischen Zone befindet sich ein Gürtel mit konstanter Temperatur, auf den jahreszeitliche Temperaturschwankungen keinen Einfluss haben. In der Gegend von Moskau befindet es sich in einer Tiefe von 20 m.

Unterhalb des Gürtels konstanter Temperatur befindet sich die geothermische Zone. In dieser Zone steigt die Temperatur aufgrund der inneren Wärme der Erde mit der Tiefe an - um durchschnittlich 1 ° C pro 33 m. Dieses Tiefenintervall wird als „geothermische Stufe“ bezeichnet. Der Temperaturanstieg beim Eintauchen in die Erde um 100 m wird als geothermischer Gradient bezeichnet. Die Werte der geothermischen Stufe und des Gradienten sind umgekehrt proportional und für verschiedene Regionen der Erde unterschiedlich. Ihr Produkt ist ein konstanter Wert und beträgt 100. Wenn die Stufe beispielsweise 25 m beträgt, beträgt die Steigung 4 °C.

Unterschiede in den Werten der geothermischen Stufe können auf unterschiedliche Radioaktivität und Wärmeleitfähigkeit von Gesteinen, hydrochemische Prozesse im Darm, die Art des Vorkommens von Gesteinen, die Temperatur des Grundwassers und die Entfernung von Ozeanen und Meeren zurückzuführen sein.

Der Wert der geothermischen Stufe variiert über einen weiten Bereich. Im Gebiet von Pjatigorsk sind es 1,5 m, Leningrad - 19,6 m, Moskau - 38,4 m, in Karelien - mehr als 100 m, in der Region Wolga und Baschkirien - 50 m usw. 14

Die Hauptquelle der inneren Wärme der Erde ist der radioaktive Zerfall von Substanzen, die hauptsächlich in der Erdkruste konzentriert sind. Es wird angenommen, dass die darin enthaltene Wärme entsprechend dem geothermischen Schritt bis zu einer Tiefe von 15-20 km zunimmt. In der Tiefe steigt der Wert der geothermischen Stufe stark an. Experten glauben, dass die Temperatur im Erdmittelpunkt 4000 ° C nicht überschreitet. Bleibt die Größenordnung der Erdwärmestufe bis zum Erdmittelpunkt gleich, dann beträgt die Temperatur in 900 km Tiefe 27.000 °C und im Erdmittelpunkt ca. 193.000 °C.

Die Erde hat ein Magnetfeld, das sich deutlich im Aufprall auf die Magnetnadel manifestiert. Frei im Raum schwebend wird es an beliebiger Stelle in Richtung der magnetischen Kraftlinien installiert, die an den Magnetpolen zusammenlaufen.

Die Magnetpole der Erde richten sich nicht aus und ändern langsam ihre Position. Derzeit befinden sie sich im Norden und in. Die Kraftlinien, die von einem Pol zum anderen verlaufen, heißen magnetisch. Sie stimmen nicht mit der geografischen Richtung überein und geben nicht unbedingt die Nord-Süd-Richtung an. Der Winkel zwischen magnetisch und wird als magnetische Deklination bezeichnet. Es ist Ost (positiv) und West (negativ). Bei östlicher Deklination weicht der Pfeil östlich vom geografischen Meridian ab, bei westlicher Deklination westlich davon.

Eine frei schwebende Magnetnadel bleibt nur auf der Linie des magnetischen Äquators horizontal. Sie fällt nicht mit der geographischen zusammen und weicht von ihr auf der Westhalbkugel nach Süden und auf der Osthalbkugel nach Norden ab. Nördlich des magnetischen Äquators fällt das nördliche Ende der Magnetnadel ab, und je mehr, desto geringer der Abstand zum Magnetpol. Am Magnetpol der Nordhalbkugel wird der Pfeil vertikal, mit dem nördlichen Ende nach unten. Südlich des magnetischen Äquators hingegen neigt sich das südliche Ende des Pfeils nach unten. Der Winkel, den eine Magnetnadel mit einer horizontalen Ebene bildet, wird magnetische Neigung genannt. Es kann Norden oder Süden sein. Die magnetische Neigung variiert von 0° am magnetischen Äquator bis 90° an den Magnetpolen. Magnetische Deklination und Neigung charakterisieren die Richtungen der magnetischen Feldlinien an jedem Punkt zu einem bestimmten Zeitpunkt.Es gibt konstante und wechselnde Magnetfelder der Erde. Die Konstante ist auf den Magnetismus des Planeten selbst zurückzuführen. Eine Vorstellung vom Zustand des Permanentmagnetfeldes der Erde vermitteln Magnetkarten. Sie bleiben nur wenige Jahre genau, da sich magnetische Deklination und magnetische Deklination kontinuierlich, wenn auch sehr langsam, ändern. Typischerweise werden Magnetkarten alle fünf Jahre erstellt.

Magnetische Anomalien - die Abweichung der magnetischen Deklination und Neigung von ihrem Durchschnittswert für einen bestimmten Ort. Sie können große Gebiete abdecken, in diesem Fall werden sie als regional bezeichnet, oder klein sein, in diesem Fall werden sie als lokal bezeichnet. Ein Beispiel für eine regionale magnetische Anomalie ist . Anstelle der östlichen wird hier die westliche Deklination gefunden. Das Magnetfeld dieser Anomalie nimmt sehr langsam mit der Höhe ab. Nach den Daten des künstlichen Satelliten der Erde nimmt der Einfluss der magnetischen Anomalie in der Höhe sehr leicht ab. Ein Beispiel für eine lokale Anomalie kann die magnetische Kursk-Anomalie sein, die eine Magnetfeldstärke erzeugt, die fünfmal größer ist als die durchschnittliche Stärke des Erdmagnetfelds.

Die meisten Anomalien werden durch das Auftreten von Containment erklärt.

Magnetstürme sind besonders starke Störungen des Magnetfeldes, die sich in einer schnellen Abweichung der Magnetnadel von ihrer normalen Position äußern. Magnetische Stürme werden durch Sonneneruptionen und das damit einhergehende Eindringen in die Erde und ihre elektrisch geladenen Teilchen verursacht. Am 23. Februar 1956 ereignete sich auf der Sonne eine Explosion. Es dauerte mehrere Minuten, und auf der Erde brach ein magnetischer Sturm aus, wodurch der Betrieb von Radiosendern für 2 Stunden unterbrochen wurde und das transatlantische Telefonkabel für einige Zeit außer Betrieb war. Das Ergebnis sind magnetische Stürme.

Das Magnetfeld der Erde erstreckt sich nach oben bis in eine Höhe von etwa 90.000 km. Bis zu einer Höhe von 44.000 km nimmt die Stärke des Erdmagnetfelds ab. In der Schicht von 44.000 km bis 80.000 km ist das Magnetfeld instabil, es treten ständig starke Schwankungen auf. Oberhalb von 80.000 km nimmt die Intensität des Magnetfelds schnell ab.Das Magnetfeld der Erde lenkt entweder geladene Teilchen ab oder fängt sie ein, die von der Sonne fliegen oder entstehen, wenn kosmische Strahlen auf Luftatome oder -moleküle einwirken. Im Magnetfeld der Erde eingefangene geladene Teilchen bilden Strahlungsgürtel. Als Magnetosphäre wird der gesamte Bereich des erdnahen Weltraums bezeichnet, in dem sich geladene Teilchen befinden, die vom Magnetfeld der Erde eingefangen werden.

Die Verteilung des Magnetfeldes über der Erdoberfläche ändert sich ständig. Es bewegt sich langsam nach Westen. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts verlief der magnetische Meridian der Nulldeklination in der Nähe von Moskau, zu Beginn des 20. Jahrhunderts zog er dorthin und befindet sich jetzt an der Westgrenze. Auch die Position der Magnetpole ändert sich.

Magnetismus ist von großer praktischer Bedeutung. Bestimmen Sie mit einer Magnetnadel die Richtung entlang. Dazu ist es immer notwendig, die magnetische Deklination in der Kompassanzeige zu korrigieren. Die Verbindung magnetischer Elemente mit geologischen Strukturen dient als Grundlage für magnetische Erkundungsmethoden.

Es gibt zwei verschiedene Arten von Magneten. Einige sind die sogenannten Permanentmagnete, die aus „hartmagnetischen“ Materialien hergestellt werden. Ihre magnetischen Eigenschaften hängen nicht mit der Verwendung externer Quellen oder Ströme zusammen. Ein anderer Typ sind die sogenannten Elektromagnete mit einem Kern aus "weichmagnetischem" Eisen. Die von ihnen erzeugten Magnetfelder sind hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass ein elektrischer Strom durch den Draht der Wicklung fließt, der den Kern bedeckt.

Magnetpole und Magnetfeld.

Die magnetischen Eigenschaften eines Stabmagneten sind am deutlichsten in der Nähe seiner Enden. Wenn ein solcher Magnet in einer horizontalen Ebene frei drehbar am Mittelteil aufgehängt ist, nimmt er eine Position ein, die etwa der Nord-Süd-Richtung entspricht. Das nach Norden zeigende Ende des Stabes wird als Nordpol und das gegenüberliegende Ende als Südpol bezeichnet. Entgegengesetzte Pole zweier Magnete ziehen sich an, während gleiche Pole sich abstoßen.

Bringt man einen Stab aus unmagnetisiertem Eisen in die Nähe eines der Pole eines Magneten, so wird dieser vorübergehend magnetisiert. In diesem Fall hat der Pol des magnetisierten Stabes, der dem Pol des Magneten am nächsten liegt, den entgegengesetzten Namen, und der entferntere hat den gleichen Namen. Die Anziehung zwischen dem Pol des Magneten und dem von ihm im Stab induzierten Gegenpol erklärt die Wirkung des Magneten. Einige Materialien (z. B. Stahl) werden selbst zu schwachen Permanentmagneten, wenn sie sich in der Nähe eines Permanentmagneten oder Elektromagneten befinden. Ein Stahlstab kann magnetisiert werden, indem einfach das Ende eines Permanentmagneten über sein Ende geführt wird.

Der Magnet zieht also andere Magnete und Gegenstände aus magnetischen Materialien an, ohne mit ihnen in Kontakt zu kommen. Eine solche Fernwirkung wird durch das Vorhandensein eines Magnetfeldes im Raum um den Magneten erklärt. Eine Vorstellung von der Intensität und Richtung dieses Magnetfelds kann man erhalten, indem man Eisenspäne auf eine Papp- oder Glasplatte gießt, die auf einen Magneten gelegt wird. Das Sägemehl wird sich in Richtung des Feldes in Ketten aufreihen, und die Dichte der Sägemehllinien wird der Intensität dieses Feldes entsprechen. (Sie sind am dicksten an den Enden des Magneten, wo die Intensität des Magnetfelds am größten ist.)

M. Faraday (1791–1867) führte das Konzept geschlossener Induktionslinien für Magnete ein. Die Induktionslinien verlassen den Magneten an seinem Nordpol in den umgebenden Raum, treten in den Magneten am Südpol ein und verlaufen im Inneren des Magnetmaterials vom Südpol zurück nach Norden und bilden eine geschlossene Schleife. Die Gesamtzahl der von einem Magneten ausgehenden Induktionslinien wird als magnetischer Fluss bezeichnet. Magnetische Flussdichte oder magnetische Induktion ( BEIM) ist gleich der Anzahl der Induktionslinien, die entlang der Normalen durch eine elementare Fläche der Einheitsgröße verlaufen.

Die magnetische Induktion bestimmt die Kraft, mit der ein Magnetfeld auf einen darin befindlichen stromdurchflossenen Leiter wirkt. Wenn der Leiter den Strom führt ich, steht senkrecht auf den Induktionslinien, dann ist nach dem Ampèreschen Gesetz die Kraft F, die auf den Leiter wirkt, steht sowohl zum Feld als auch zum Leiter senkrecht und ist proportional zur magnetischen Induktion, zur Stromstärke und zur Länge des Leiters. Also für magnetische Induktion B Sie können einen Ausdruck schreiben

wo F ist die Kraft in Newton, ich- Strom in Ampere, l- Länge in Metern. Die Maßeinheit der magnetischen Induktion ist Tesla (T).

Galvanometer.

Ein Galvanometer ist ein empfindliches Gerät zur Messung schwacher Ströme. Das Galvanometer nutzt das Drehmoment, das durch die Wechselwirkung eines hufeisenförmigen Permanentmagneten mit einer kleinen stromführenden Spule (schwacher Elektromagnet) erzeugt wird, die im Spalt zwischen den Polen des Magneten aufgehängt ist. Das Drehmoment und damit die Auslenkung der Spule ist proportional zum Strom und zur gesamten magnetischen Induktion im Luftspalt, so dass die Skala des Instruments bei kleinen Auslenkungen der Spule nahezu linear ist.

Magnetisierungskraft und magnetische Feldstärke.

Als nächstes soll noch eine Größe eingeführt werden, die die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms charakterisiert. Nehmen wir an, der Strom fließt durch den Draht einer langen Spule, in der sich das magnetisierbare Material befindet. Die Magnetisierungskraft ist das Produkt aus dem elektrischen Strom in der Spule und der Anzahl ihrer Windungen (diese Kraft wird in Ampere gemessen, da die Anzahl der Windungen eine dimensionslose Größe ist). Magnetische Feldstärke H gleich der Magnetisierungskraft pro Längeneinheit der Spule. Also der Wert H gemessen in Ampere pro Meter; es bestimmt die Magnetisierung, die das Material in der Spule annimmt.

In einem Vakuum magnetische Induktion B proportional zur magnetischen Feldstärke H:

wo m 0 - sog. magnetische Konstante mit einem universellen Wert von 4 p Ch 10 –7 Std./Min. In vielen Materialien der Wert B ungefähr proportional H. Bei ferromagnetischen Materialien ist jedoch das Verhältnis zwischen B und H etwas komplizierter (was weiter unten besprochen wird).

Auf Abb. Fig. 1 zeigt einen einfachen Elektromagneten zum Erfassen von Lasten. Die Energiequelle ist eine Gleichstrombatterie. Die Abbildung zeigt auch die Kraftlinien des Feldes eines Elektromagneten, die mit der üblichen Methode von Eisenspänen nachgewiesen werden können.

Große Elektromagnete mit Eisenkernen und einer sehr großen Anzahl von Amperewindungen, die im Dauerbetrieb arbeiten, haben eine große Magnetisierungskraft. Sie erzeugen im Spalt zwischen den Polen eine magnetische Induktion von bis zu 6 T; diese Induktion wird nur durch mechanische Spannungen, Erwärmung der Spulen und magnetische Sättigung des Kerns begrenzt. Eine Reihe riesiger Elektromagnete (ohne Kern) mit Wasserkühlung sowie Installationen zur Erzeugung gepulster Magnetfelder wurden vom P.L. Massachusetts Institute of Technology entworfen. Auf solchen Magneten konnten Induktionen bis 50 T erreicht werden. Am Losalamos National Laboratory wurde ein relativ kleiner Elektromagnet entwickelt, der Felder bis zu 6,2 T erzeugt, eine elektrische Leistung von 15 kW verbraucht und durch flüssigen Wasserstoff gekühlt wird. Ähnliche Felder werden bei kryogenen Temperaturen erhalten.

Magnetische Permeabilität und ihre Rolle im Magnetismus.

Magnetische Permeabilität m ist ein Wert, der die magnetischen Eigenschaften des Materials charakterisiert. Ferromagnetische Metalle Fe, Ni, Co und ihre Legierungen haben sehr hohe maximale Permeabilitäten – von 5000 (für Fe) bis 800.000 (für Supermalloy). In solchen Materialien bei relativ geringen Feldstärken H große Induktionen auftreten B, aber die Beziehung zwischen diesen Größen ist im Allgemeinen aufgrund von Sättigungs- und Hysteresephänomenen, die unten diskutiert werden, nichtlinear. Ferromagnetische Materialien werden von Magneten stark angezogen. Sie verlieren ihre magnetischen Eigenschaften bei Temperaturen oberhalb des Curie-Punktes (770°C für Fe, 358°C für Ni, 1120°C für Co) und verhalten sich wie Paramagnete, für die Induktion B bis zu sehr hohen Spannungswerten H ist proportional dazu - genauso wie es im Vakuum stattfindet. Viele Elemente und Verbindungen sind bei allen Temperaturen paramagnetisch. Paramagnetische Substanzen zeichnen sich dadurch aus, dass sie in einem äußeren Magnetfeld magnetisiert werden; Wenn dieses Feld abgeschaltet wird, kehren die Paramagnete in den nicht magnetisierten Zustand zurück. Die Magnetisierung in Ferromagneten bleibt auch nach Abschalten des äußeren Feldes erhalten.

Auf Abb. 2 zeigt eine typische Hystereseschleife für ein hartmagnetisches (mit hohen Verlusten) ferromagnetisches Material. Es charakterisiert die mehrdeutige Abhängigkeit der Magnetisierung eines magnetisch geordneten Materials von der Stärke des magnetisierenden Feldes. Bei einer Erhöhung der Magnetfeldstärke vom Anfangspunkt (Nullpunkt) ( 1 ) Magnetisierung verläuft entlang der gestrichelten Linie 1 –2 , und der Wert mändert sich signifikant, wenn die Magnetisierung der Probe zunimmt. Am Punkt 2 Sättigung erreicht ist, d.h. bei weiterer Erhöhung der Intensität nimmt die Magnetisierung nicht mehr zu. Wenn wir jetzt den Wert schrittweise verringern H auf Null, dann die Kurve B(H) folgt nicht mehr dem gleichen Weg, sondern geht durch den Punkt 3 , die sozusagen die "Erinnerung" an das Material über die "Vergangenheit" enthüllt, daher der Name "Hysterese". Offensichtlich bleibt in diesem Fall eine gewisse Restmagnetisierung erhalten (das Segment 1 –3 ). Nach Änderung der Richtung des magnetisierenden Feldes in das Gegenteil, die Kurve BEIM (H) passiert den Punkt 4 , und das Segment ( 1 )–(4 ) entspricht der Koerzitivkraft, die eine Entmagnetisierung verhindert. Weiteres Wachstum der Werte (- H) führt die Hysteresekurve zum dritten Quadranten - dem Abschnitt 4 –5 . Die anschließende Wertminderung (- H) auf null und dann auf steigende positive Werte H schließt die Hystereseschleife durch die Punkte 6 , 7 und 2 .

Magnetisch harte Materialien zeichnen sich durch eine breite Hystereseschleife aus, die einen erheblichen Bereich im Diagramm abdeckt und daher großen Werten der Restmagnetisierung (magnetische Induktion) und der Koerzitivkraft entspricht. Eine schmale Hystereseschleife (Abb. 3) ist charakteristisch für weichmagnetische Materialien wie Weichstahl und Speziallegierungen mit hoher magnetischer Permeabilität. Solche Legierungen wurden geschaffen, um Energieverluste aufgrund von Hysterese zu reduzieren. Die meisten dieser Speziallegierungen haben wie Ferrite einen hohen elektrischen Widerstand, der nicht nur magnetische Verluste, sondern auch elektrische Verluste durch Wirbelströme reduziert.

Magnetische Materialien mit hoher Permeabilität werden durch Glühen hergestellt, das bei einer Temperatur von etwa 1000 ° C durchgeführt wird, gefolgt von Anlassen (allmähliches Abkühlen) auf Raumtemperatur. In diesem Fall sind die mechanische und thermische Vorbehandlung sowie die Abwesenheit von Verunreinigungen in der Probe von großer Bedeutung. Für Transformatorkerne zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Siliziumstähle wurden entwickelt, der Wert m die mit steigendem Siliziumgehalt zunimmt. Zwischen 1915 und 1920 tauchten Permalloys (Legierungen von Ni mit Fe) mit ihrer charakteristischen schmalen und fast rechteckigen Hystereseschleife auf. Besonders hohe Werte der magnetischen Permeabilität m für kleine Werte H hypernische (50 % Ni, 50 % Fe) und Mu-Metall (75 % Ni, 18 % Fe, 5 % Cu, 2 % Cr) Legierungen unterscheiden, während in Perminvar (45 % Ni, 30 % Fe, 25 % Co) Wert m praktisch konstant über einen weiten Bereich von Feldstärkeänderungen. Unter den modernen Magnetmaterialien ist Supermalloy zu erwähnen, eine Legierung mit der höchsten magnetischen Permeabilität (sie enthält 79 % Ni, 15 % Fe und 5 % Mo).

Theorien des Magnetismus.

Die Idee, dass magnetische Phänomene letztendlich auf elektrische reduziert werden, entstand erstmals 1825 von Ampère, als er die Idee von geschlossenen inneren Mikroströmen zum Ausdruck brachte, die in jedem Atom eines Magneten zirkulieren. Ohne experimentelle Bestätigung des Vorhandenseins solcher Ströme in Materie (das Elektron wurde erst 1897 von J. Thomson entdeckt, und die Beschreibung der Struktur des Atoms wurde 1913 von Rutherford und Bohr gegeben), „verblasste diese Theorie “. 1852 schlug W. Weber vor, dass jedes Atom einer magnetischen Substanz ein winziger Magnet oder ein magnetischer Dipol ist, sodass die vollständige Magnetisierung einer Substanz erreicht wird, wenn alle einzelnen Atommagnete in einer bestimmten Reihenfolge aneinandergereiht werden (Abb. 4 , b). Weber glaubte, dass molekulare oder atomare "Reibung" diesen Elementarmagneten hilft, ihre Ordnung trotz des störenden Einflusses thermischer Schwingungen aufrechtzuerhalten. Seine Theorie konnte die Magnetisierung von Körpern bei Kontakt mit einem Magneten sowie deren Entmagnetisierung bei Stoß oder Erwärmung erklären; schließlich wurde auch die „Vermehrung“ von Magneten erklärt, wenn eine magnetisierte Nadel oder ein Magnetstab in Stücke geschnitten wurde. Und doch erklärte diese Theorie weder den Ursprung der Elementarmagnete selbst noch die Phänomene der Sättigung und Hysterese. Webers Theorie wurde 1890 von J. Ewing verbessert, der seine Hypothese der Atomreibung durch die Idee interatomarer Begrenzungskräfte ersetzte, die dazu beitragen, die Ordnung der elementaren Dipole aufrechtzuerhalten, aus denen ein Permanentmagnet besteht.

Der einst von Ampere vorgeschlagene Ansatz für das Problem erhielt 1905 ein zweites Leben, als P. Langevin das Verhalten paramagnetischer Materialien erklärte, indem er jedem Atom einen internen unkompensierten Elektronenstrom zuschrieb. Laut Langevin sind es diese Ströme, die winzige Magnete bilden, die zufällig ausgerichtet sind, wenn das äußere Feld nicht vorhanden ist, aber nach ihrer Anwendung eine geordnete Ausrichtung annehmen. In diesem Fall entspricht die Annäherung an eine vollständige Ordnung einer Sättigung der Magnetisierung. Darüber hinaus führte Langevin das Konzept eines magnetischen Moments ein, das für einen einzelnen atomaren Magneten gleich dem Produkt aus der "magnetischen Ladung" des Pols und dem Abstand zwischen den Polen ist. Somit ist der schwache Magnetismus paramagnetischer Materialien auf das gesamte magnetische Moment zurückzuführen, das durch unkompensierte Elektronenströme erzeugt wird.

1907 führte P. Weiss das Konzept der "Domäne" ein, das zu einem wichtigen Beitrag zur modernen Theorie des Magnetismus wurde. Weiss stellte sich Domänen als kleine "Kolonien" von Atomen vor, in denen die magnetischen Momente aller Atome aus irgendeinem Grund gezwungen sind, die gleiche Ausrichtung beizubehalten, so dass jede Domäne bis zur Sättigung magnetisiert wird. Eine separate Domäne kann lineare Abmessungen in der Größenordnung von 0,01 mm und dementsprechend ein Volumen in der Größenordnung von 10–6 mm 3 haben. Die Domänen sind durch sogenannte Blochwände getrennt, deren Dicke 1000 Atomdimensionen nicht überschreitet. Die „Wand“ und zwei entgegengesetzt orientierte Domänen sind schematisch in Abb. 5. Solche Wände sind "Übergangsschichten", in denen sich die Richtung der Domänenmagnetisierung ändert.

Im allgemeinen Fall lassen sich auf der Anfangsmagnetisierungskurve drei Abschnitte unterscheiden (Abb. 6). Im Anfangsabschnitt bewegt sich die Wand unter Einwirkung eines äußeren Feldes durch die Dicke der Substanz, bis sie auf einen Kristallgitterfehler trifft, der sie stoppt. Durch Erhöhen der Feldstärke kann die Wand gezwungen werden, sich weiter durch den Mittelabschnitt zwischen den gestrichelten Linien zu bewegen. Wenn danach die Feldstärke wieder auf Null reduziert wird, kehren die Wände nicht mehr in ihre ursprüngliche Position zurück, so dass die Probe teilweise magnetisiert bleibt. Dies erklärt die Hysterese des Magneten. Am Ende der Kurve endet der Prozess mit der Sättigung der Probenmagnetisierung aufgrund der Ordnung der Magnetisierung innerhalb der letzten ungeordneten Domänen. Dieser Vorgang ist fast vollständig reversibel. Magnetische Härte wird von solchen Materialien gezeigt, in denen das Atomgitter viele Defekte enthält, die die Bewegung von Zwischendomänenwänden verhindern. Dies kann durch mechanische und thermische Bearbeitung erreicht werden, beispielsweise durch Verpressen und anschließendes Sintern des pulverförmigen Materials. Bei Alnico-Legierungen und ihren Analoga wird das gleiche Ergebnis erzielt, indem Metalle zu einer komplexen Struktur verschmolzen werden.

Neben paramagnetischen und ferromagnetischen Materialien gibt es Materialien mit sogenannten antiferromagnetischen und ferrimagnetischen Eigenschaften. Der Unterschied zwischen diesen Arten von Magnetismus ist in Abb. 7. Basierend auf dem Domänenkonzept kann Paramagnetismus als ein Phänomen angesehen werden, das auf das Vorhandensein kleiner Gruppen magnetischer Dipole im Material zurückzuführen ist, bei denen einzelne Dipole sehr schwach (oder überhaupt nicht) miteinander wechselwirken und daher , in Abwesenheit eines externen Feldes nehmen sie nur zufällige Orientierungen ein ( Abb. 7, a). In ferromagnetischen Materialien gibt es innerhalb jeder Domäne eine starke Wechselwirkung zwischen einzelnen Dipolen, die zu ihrer geordneten parallelen Ausrichtung führt (Abb. 7, b). In antiferromagnetischen Materialien hingegen führt die Wechselwirkung zwischen einzelnen Dipolen zu ihrer antiparallelen geordneten Ausrichtung, so dass das gesamte magnetische Moment jeder Domäne null ist (Abb. 7, in). Schließlich gibt es in ferrimagnetischen Materialien (z. B. Ferriten) sowohl parallele als auch antiparallele Ordnung (Abb. 7, G), was zu einem schwachen Magnetismus führt.

Es gibt zwei überzeugende experimentelle Bestätigungen der Existenz von Domänen. Die erste davon ist der sogenannte Barkhausen-Effekt, die zweite die Pulverfigurenmethode. 1919 stellte G. Barkhausen fest, dass sich die Magnetisierung einer Probe aus ferromagnetischem Material in kleinen diskreten Abschnitten ändert, wenn ein externes Feld an sie angelegt wird. Aus Sicht der Domänentheorie ist dies nichts anderes als ein sprunghaftes Vorrücken der Zwischendomänenwand, die auf einzelne Defekte stößt, die sie auf ihrem Weg zurückhalten. Dieser Effekt wird normalerweise mit einer Spule nachgewiesen, in der ein ferromagnetischer Stab oder Draht angeordnet ist. Wird ein starker Magnet abwechselnd an die Probe herangeführt und wieder entfernt, so wird die Probe magnetisiert und wieder magnetisiert. Sprunghafte Änderungen der Magnetisierung der Probe verändern den magnetischen Fluss durch die Spule, in ihr wird ein Induktionsstrom angeregt. Die dabei in der Spule entstehende Spannung wird verstärkt und dem Eingang eines akustischen Kopfhörers zugeführt. Durch die Kopfhörer wahrgenommene Klicks weisen auf eine abrupte Änderung der Magnetisierung hin.

Um die Domänenstruktur eines Magneten mit der Methode der Pulverfiguren sichtbar zu machen, wird ein Tropfen einer kolloidalen Suspension eines ferromagnetischen Pulvers (normalerweise Fe 3 O 4 ) auf eine gut polierte Oberfläche eines magnetisierten Materials aufgetragen. Pulverpartikel setzen sich hauptsächlich an Stellen maximaler Inhomogenität des Magnetfelds ab - an den Grenzen von Domänen. Eine solche Struktur kann unter einem Mikroskop untersucht werden. Es wurde auch ein Verfahren vorgeschlagen, das auf dem Durchgang von polarisiertem Licht durch ein transparentes ferromagnetisches Material basiert.

Die ursprüngliche Theorie des Magnetismus von Weiss hat in ihren Grundzügen ihre Bedeutung bis heute behalten, jedoch eine aktualisierte Interpretation erhalten, die auf dem Konzept des unkompensierten Elektronenspins als Bestimmungsfaktor des atomaren Magnetismus basiert. Die Hypothese der Existenz eines intrinsischen Moments eines Elektrons wurde 1926 von S. Goudsmit und J. Uhlenbeck aufgestellt, und heute werden Elektronen als Spinträger als „Elementarmagnete“ betrachtet.

Um dieses Konzept zu verdeutlichen, betrachten Sie (Abb. 8) ein freies Eisenatom, ein typisches ferromagnetisches Material. Seine zwei Schalen ( K und L), die dem Kern am nächsten sind, sind mit Elektronen gefüllt, mit zwei auf dem ersten und acht auf dem zweiten. BEIM K-Schale ist der Spin eines Elektrons positiv und das andere negativ. BEIM L-Schale (genauer gesagt in ihren zwei Unterschalen) haben vier der acht Elektronen positive Spins und die anderen vier haben negative Spins. In beiden Fällen heben sich die Spins der Elektronen innerhalb derselben Schale vollständig auf, sodass das gesamte magnetische Moment Null ist. BEIM M-Schale ist die Situation anders, da aufgrund der sechs Elektronen in der dritten Unterschale fünf Elektronen in eine Richtung gerichtete Spins haben und nur das sechste - in die andere. Dadurch bleiben vier unkompensierte Spins übrig, die die magnetischen Eigenschaften des Eisenatoms bestimmen. (Im Äußeren N-Schale hat nur zwei Valenzelektronen, die nicht zum Magnetismus des Eisenatoms beitragen.) Der Magnetismus anderer Ferromagnete wie Nickel und Kobalt erklärt sich auf ähnliche Weise. Da benachbarte Atome in einer Eisenprobe stark miteinander wechselwirken und ihre Elektronen teilweise kollektiviert sind, sollte diese Erklärung nur als illustratives, aber sehr vereinfachtes Schema der realen Situation angesehen werden.

Die auf dem Elektronenspin basierende Theorie des atomaren Magnetismus wird durch zwei interessante gyromagnetische Experimente gestützt, von denen eines von A. Einstein und W. de Haas und das andere von S. Barnett durchgeführt wurde. Im ersten dieser Experimente wurde ein Zylinder aus ferromagnetischem Material aufgehängt, wie in Abb. 9. Wird durch den Wickeldraht ein Strom geleitet, dreht sich der Zylinder um seine Achse. Wenn sich die Richtung des Stroms (und damit des Magnetfelds) ändert, dreht er sich in die entgegengesetzte Richtung. In beiden Fällen ist die Drehung des Zylinders auf die Anordnung der Elektronenspins zurückzuführen. Bei Barnetts Experiment hingegen wird ein aufgehängter Zylinder, der scharf in Rotation versetzt wird, in Abwesenheit eines Magnetfelds magnetisiert. Dieser Effekt erklärt sich dadurch, dass bei der Drehung des Magneten ein Kreiselmoment entsteht, das dazu neigt, die Spinmomente in Richtung der eigenen Drehachse zu drehen.

Für eine vollständigere Erklärung der Natur und des Ursprungs von Kräften mit kurzer Reichweite, die benachbarte atomare Magnete ordnen und dem störenden Effekt thermischer Bewegung entgegenwirken, sollte man sich der Quantenmechanik zuwenden. Eine quantenmechanische Erklärung der Natur dieser Kräfte wurde 1928 von W. Heisenberg vorgeschlagen, der die Existenz von Austauschwechselwirkungen zwischen benachbarten Atomen postulierte. Später zeigten G. Bethe und J. Slater, dass die Austauschkräfte mit abnehmendem Abstand zwischen Atomen deutlich zunehmen, aber nach Erreichen eines bestimmten minimalen interatomaren Abstands auf Null abfallen.

MAGNETISCHE EIGENSCHAFTEN DER SUBSTANZ

Eine der ersten umfassenden und systematischen Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften von Materie wurde von P. Curie durchgeführt. Er fand heraus, dass alle Substanzen nach ihren magnetischen Eigenschaften in drei Klassen eingeteilt werden können. Die erste umfasst Substanzen mit ausgeprägten magnetischen Eigenschaften, ähnlich denen von Eisen. Solche Substanzen werden ferromagnetisch genannt; ihr Magnetfeld ist in beträchtlicher Entfernung wahrnehmbar ( cm. höher). Substanzen, die als paramagnetisch bezeichnet werden, fallen in die zweite Klasse; Ihre magnetischen Eigenschaften sind im Allgemeinen denen von ferromagnetischen Materialien ähnlich, aber viel schwächer. Beispielsweise kann die Anziehungskraft der Pole eines starken Elektromagneten einen Eisenhammer aus der Hand ziehen, und um die Anziehung einer paramagnetischen Substanz auf denselben Magneten nachzuweisen, sind in der Regel sehr empfindliche Analysenwaagen erforderlich . Die letzte, dritte Klasse umfasst die sogenannten diamagnetischen Substanzen. Sie werden von einem Elektromagneten abgestoßen, d.h. Die auf Diamagnete wirkende Kraft ist der auf Ferro- und Paramagneten entgegengesetzt gerichtet.

Messung magnetischer Eigenschaften.

Bei der Untersuchung magnetischer Eigenschaften sind zwei Arten von Messungen am wichtigsten. Die erste davon ist die Messung der Kraft, die auf die Probe in der Nähe des Magneten wirkt; so wird die Magnetisierung der Probe bestimmt. Die zweite umfasst Messungen von "resonanten" Frequenzen, die mit der Magnetisierung von Materie verbunden sind. Atome sind winzige "Gyroskope" und präzedieren in einem Magnetfeld (wie ein normaler Kreisel unter dem Einfluss eines durch die Schwerkraft erzeugten Drehmoments) mit einer Frequenz, die gemessen werden kann. Außerdem wirkt eine Kraft auf freie geladene Teilchen, die sich rechtwinklig zu den magnetischen Induktionslinien bewegen, sowie auf den Elektronenstrom in einem Leiter. Es bewirkt, dass sich das Teilchen auf einer Kreisbahn bewegt, deren Radius durch gegeben ist

R = mv/eB,

wo m ist die Masse des Teilchens, v- ihre Geschwindigkeit e ist seine Ladung, und B ist die magnetische Induktion des Feldes. Die Frequenz einer solchen Kreisbewegung ist gleich

wo f in Hertz gemessen e- in Anhängern, m- in Kilogramm, B- bei Tesla. Diese Frequenz charakterisiert die Bewegung geladener Teilchen in einem Stoff in einem Magnetfeld. Beide Bewegungsarten (Präzession und Bewegung auf Kreisbahnen) können durch Wechselfelder mit Resonanzfrequenzen angeregt werden, die gleich den für ein bestimmtes Material charakteristischen "Eigenfrequenzen" sind. Im ersten Fall wird die Resonanz als magnetisch und im zweiten als Zyklotron bezeichnet (wegen der Ähnlichkeit mit der zyklischen Bewegung eines subatomaren Teilchens in einem Zyklotron).

Wenn man über die magnetischen Eigenschaften von Atomen spricht, muss man besonders auf ihren Drehimpuls achten. Das Magnetfeld wirkt auf einen rotierenden atomaren Dipol und versucht, ihn zu drehen und parallel zum Feld zu stellen. Stattdessen beginnt das Atom um die Richtung des Feldes (Abb. 10) mit einer Frequenz zu präzedieren, die vom Dipolmoment und der Stärke des angelegten Feldes abhängt.

Die Präzession von Atomen kann nicht direkt beobachtet werden, da alle Atome der Probe in einer anderen Phase präzedieren. Legt man dagegen ein senkrecht zum konstanten Ordnungsfeld gerichtetes kleines Wechselfeld an, so stellt sich zwischen den präzessierenden Atomen eine gewisse Phasenbeziehung ein, und ihr gesamtes magnetisches Moment beginnt mit einer Frequenz gleich der Präzessionsfrequenz der einzelnen zu präzedieren magnetische Momente. Die Winkelgeschwindigkeit der Präzession ist von großer Bedeutung. In der Regel liegt dieser Wert in der Größenordnung von 10 10 Hz/T für die mit Elektronen verbundene Magnetisierung und in der Größenordnung von 10 7 Hz/T für die mit positiven Ladungen in den Atomkernen verbundene Magnetisierung.

Ein schematisches Diagramm der Anlage zum Beobachten von kernmagnetischer Resonanz (NMR) ist in Abb. 1 gezeigt. 11. Der zu untersuchende Stoff wird in ein gleichmäßiges Gleichfeld zwischen den Polen eingebracht. Wenn dann mit einer kleinen Spule um das Reagenzglas herum ein HF-Feld angeregt wird, kann eine Resonanz bei einer bestimmten Frequenz erreicht werden, die gleich der Präzessionsfrequenz aller nuklearen "Gyroskope" der Probe ist. Messungen ähneln dem Einstellen eines Radioempfängers auf die Frequenz eines bestimmten Senders.

Magnetresonanzverfahren ermöglichen es, nicht nur die magnetischen Eigenschaften bestimmter Atome und Kerne zu untersuchen, sondern auch die Eigenschaften ihrer Umgebung. Der Punkt ist, dass Magnetfelder in Festkörpern und Molekülen inhomogen sind, da sie durch Atomladungen verzerrt werden, und die Einzelheiten des Verlaufs der experimentellen Resonanzkurve durch das lokale Feld in dem Bereich bestimmt werden, in dem sich der präzedierende Kern befindet. Dies ermöglicht es, die Merkmale der Struktur einer bestimmten Probe durch Resonanzmethoden zu untersuchen.

Berechnung magnetischer Eigenschaften.

Die magnetische Induktion des Erdfeldes beträgt 0,5 × 10 –4 T, während das Feld zwischen den Polen eines starken Elektromagneten in der Größenordnung von 2 T oder mehr liegt.

Das durch eine beliebige Stromkonfiguration erzeugte Magnetfeld kann mit der Biot-Savart-Laplace-Formel für die magnetische Induktion des durch das Stromelement erzeugten Felds berechnet werden. Die Berechnung des durch verschieden geformte Konturen und zylindrische Spulen erzeugten Feldes ist in vielen Fällen sehr kompliziert. Nachfolgend finden Sie Formeln für eine Reihe einfacher Fälle. Magnetische Induktion (in Tesla) des Feldes, das durch einen langen geraden Draht mit Strom erzeugt wird ich

Das Feld eines magnetisierten Eisenstabs ähnelt dem äußeren Feld eines langen Solenoids, wobei die Anzahl der Amperewindungen pro Längeneinheit dem Strom in den Atomen auf der Oberfläche des magnetisierten Stabs entspricht, da sich die Ströme innerhalb des Stabs gegenseitig aufheben aus (Abb. 12). Unter dem Namen Ampere wird ein solcher Oberflächenstrom Ampère genannt. Magnetische Feldstärke H ein, erzeugt durch den Ampere-Strom, ist gleich dem magnetischen Moment der Volumeneinheit des Stabes M.

Wenn eine Eisenstange in die Magnetspule eingeführt wird, dann zusätzlich dazu, dass der Magnetstrom ein Magnetfeld erzeugt H, erzeugt die Anordnung von atomaren Dipolen im magnetisierten Material des Stabs eine Magnetisierung M. Dabei wird der gesamte magnetische Fluss durch die Summe der Wirk- und Ampereströme bestimmt, so dass B = m 0(H + H ein), oder B = m 0(H+M). Attitüde M/H namens magnetische Suszeptibilität und wird mit dem griechischen Buchstaben bezeichnet c; c ist eine dimensionslose Größe, die die Fähigkeit eines Materials charakterisiert, in einem Magnetfeld magnetisiert zu werden.

Wert B/H, die die magnetischen Eigenschaften des Materials charakterisiert, wird als magnetische Permeabilität bezeichnet und mit bezeichnet m ein, und m ein = m 0m, wo m ein ist absolut und m- relative Durchlässigkeit,

Bei ferromagnetischen Stoffen ist der Wert c kann sehr große Werte haben - bis zu 10 4 ё 10 6 . Wert c paramagnetische Materialien haben etwas mehr als Null und diamagnetische Materialien etwas weniger. Nur im Vakuum und in sehr schwachen Feldern sind die Mengen c und m sind konstant und hängen nicht vom äußeren Feld ab. Abhängigkeitsinduktion B aus H ist normalerweise nichtlinear, und seine Graphen, die sogenannten. Magnetisierungskurven für verschiedene Materialien und sogar bei verschiedenen Temperaturen können sich erheblich unterscheiden (Beispiele für solche Kurven sind in den Fig. 2 und 3 gezeigt).

Die magnetischen Eigenschaften von Materie sind sehr komplex, und ein gründliches Verständnis ihrer Struktur erfordert eine gründliche Analyse der Struktur von Atomen, ihrer Wechselwirkungen in Molekülen, ihrer Kollisionen in Gasen und ihrer gegenseitigen Beeinflussung in Festkörpern und Flüssigkeiten; Die magnetischen Eigenschaften von Flüssigkeiten sind noch am wenigsten erforscht.

Erdmagnetismus

Erdmagnetismus, Magnetfeld der Erde und des erdnahen Weltraums; ein Zweig der Geophysik, der die räumliche Verteilung und zeitliche Veränderung des Erdmagnetfeldes sowie die damit verbundenen geophysikalischen Prozesse in der Erde und der oberen Atmosphäre untersucht.

An jedem Punkt im Raum wird das Erdmagnetfeld durch den Intensitätsvektor charakterisiert T, deren Größe und Richtung durch 3 Komponenten bestimmt werden X, Y, Z(Norden, Osten und Vertikal) in einem rechtwinkligen Koordinatensystem ( Reis. ein ) oder 3 Erdelemente: die horizontale Komponente der Spannung H, magnetische Deklination D (Siehe. Magnetische Deklination) (der Winkel zwischen H und der Ebene des geographischen Meridians) und der magnetischen Neigung ich(Winkel zwischen T und der Horizontebene).

Der Magnetismus der Erde ist auf die Wirkung von permanenten Quellen innerhalb der Erde zurückzuführen, die nur langsame säkulare Änderungen (Variationen) erfahren, und von externen (variablen) Quellen, die sich in der Magnetosphäre und der Ionosphäre der Erde befinden. Dementsprechend werden die Haupt- (Haupt-, Erdmagnetismus 99%) und die variablen (Erdmagnetismus 1%) Erdmagnetfelder unterschieden.

Haupt (permanentes) Erdmagnetfeld. Um die räumliche Verteilung des geomagnetischen Hauptfeldes zu untersuchen, wurden die Werte an verschiedenen Orten gemessen H, D, I Legen Sie die Karten (Magnetic Maps) auf und verbinden Sie die Punkte gleicher Werte der Elemente mit Linien. Solche Linien werden als Isodynamiken, Isogone bzw. Isoklinen bezeichnet. Linie (isoklin) ich= 0, d.h. der magnetische Äquator fällt nicht mit dem geographischen Äquator zusammen. Mit zunehmendem Breitengrad steigt der Wert ich an den Magnetpolen auf 90° ansteigt (siehe Magnetpol). Volle Spannung T (Reis. 2 ) vom Äquator zum Pol steigt von 33,4 auf 55,7 bin(von 0,42 bis 0,70 Oe). Koordinaten des magnetischen Nordpols für 1970: Länge 101,5° W. D., Breitengrad 75,7 ° N. Sch.; magnetischer Südpol: Länge 140,3° E D., Breitengrad 65,5 ° S. Sch. Ein komplexes Bild der Verteilung des Erdmagnetfeldes lässt sich in erster Näherung durch das Feld eines Dipols (siehe Dipol) (exzentrisch, mit einem Versatz vom Erdmittelpunkt um etwa 436) darstellen km) oder eine homogene magnetisierte Kugel, deren magnetisches Moment in einem Winkel von 11,5 ° zur Rotationsachse der Erde gerichtet ist. Geomagnetische Pole (Pole einer gleichmäßig magnetisierten Kugel) und magnetische Pole definieren jeweils ein System aus geomagnetischen Koordinaten (geomagnetische Breite, geomagnetischer Meridian, geomagnetischer Äquator) und magnetischen Koordinaten (magnetische Breite, magnetischer Meridian). Abweichungen der tatsächlichen Verteilung des Erdmagnetfeldes vom Dipol (normal) werden magnetische Anomalien genannt (siehe Magnetische Anomalien). Je nach Intensität und Größe des besetzten Gebiets werden globale Anomalien tiefen Ursprungs unterschieden, z. B. Ostsibirien, Brasilianer usw., sowie regionale und lokale Anomalien. Letzteres kann beispielsweise durch die ungleichmäßige Verteilung ferromagnetischer Mineralien in der Erdkruste verursacht werden. Der Einfluss von Weltanomalien beeinflusst den Erdmagnetismus bis zu einer Höhe von 0,5 R3über der Erdoberfläche ( R3- Radius der Erde). Das Haupterdmagnetfeld hat bis in Höhenlagen des Erdmagnetismus3 Dipolcharakter R3.

Es erfährt säkulare Schwankungen, die nicht überall auf der Welt gleich sind. An Orten mit der stärksten säkularen Schwankung erreichen die Schwankungen 150γ pro Jahr (1γ = 10 –5 e). Es gibt auch eine systematische Westdrift magnetischer Anomalien mit einer Rate von etwa 0,2° pro Jahr und eine Änderung der Größe und Richtung des magnetischen Moments der Erde mit einer Rate von 20γ pro Jahr. Aufgrund säkularer Schwankungen und unzureichender Kenntnis des Erdmagnetfeldes über große Gebiete (Meere und Polarregionen) wird es notwendig, magnetische Karten neu zu erstellen. Dazu werden globale magnetische Vermessungen an Land, in den Ozeanen (auf nichtmagnetischen Schiffen), im Luftraum (aeromagnetische Vermessung) und im Weltall (mit Hilfe künstlicher Erdsatelliten) durchgeführt. Für Messungen verwenden sie: Magnetkompass, Magnettheodolit, Magnetwaagen, Neigungsmesser, Magnetometer, Aeromagnetometer und andere Geräte. Das Studium der Landvermessung und die Erstellung von Karten aller ihrer Elemente spielt eine wichtige Rolle in der See- und Flugnavigation, in der Geodäsie und im Grubenwesen.

Die Untersuchung des Erdmagnetfeldes vergangener Epochen erfolgt nach der Restmagnetisierung von Gesteinen (siehe Paläomagnetismus) und für die historische Periode nach der Magnetisierung von gebackenen Tonprodukten (Ziegel, Keramikgeschirr usw.). Paläomagnetische Untersuchungen zeigen, dass sich die Richtung des Hauptmagnetfeldes der Erde in der Vergangenheit immer wieder umgekehrt hat. Die letzte derartige Veränderung fand vor etwa 0,7 Millionen Jahren statt.

A. D. Shevnin.

Ursprung des wichtigsten Erdmagnetfeldes. Um den Ursprung des geomagnetischen Hauptfeldes zu erklären, wurden viele verschiedene Hypothesen aufgestellt, darunter sogar Hypothesen über die Existenz eines grundlegenden Naturgesetzes, nach dem jeder rotierende Körper ein magnetisches Moment hat. Es wurde versucht, das Haupterdmagnetfeld durch das Vorhandensein ferromagnetischer Materialien in der Erdkruste oder in ihrem Kern zu erklären; die Bewegung elektrischer Ladungen, die bei der täglichen Rotation der Erde einen elektrischen Strom erzeugen; das Vorhandensein von Strömen im Erdkern, die durch die thermoelektromotorische Kraft an der Grenze zwischen Kern und Mantel usw. verursacht werden, und schließlich die Wirkung des sogenannten hydromagnetischen Dynamos im flüssigen Metallkern der Erde. Moderne Daten über säkulare Schwankungen und mehrfache Änderungen der Polarität des Erdmagnetfelds lassen sich zufriedenstellend nur durch die Hypothese eines hydromagnetischen Dynamos (HD) erklären. Nach dieser Hypothese können im elektrisch leitenden flüssigen Kern der Erde ziemlich komplexe und intensive Bewegungen auftreten, die zu einer Selbsterregung des Magnetfelds führen, ähnlich wie Strom und Magnetfeld in einem selbsterregten Dynamo erzeugt werden. Die Wirkungsweise des HD beruht auf elektromagnetischer Induktion in einem bewegten Medium, das bei seiner Bewegung die Kraftlinien des Magnetfeldes kreuzt.

Die Erforschung der Huntington-Krankheit basiert auf der Magnetohydrodynamik (siehe Magnetohydrodynamik). Wenn wir die Geschwindigkeit der Materie im flüssigen Erdkern als gegeben ansehen, dann können wir die grundsätzliche Möglichkeit der Erzeugung eines Magnetfeldes bei Bewegungen verschiedener Art, sowohl stationär als auch instationär, regelmäßig und turbulent, beweisen. Das durchschnittliche Magnetfeld im Kern kann als Summe zweier Komponenten dargestellt werden - dem Torusfeld BEIMφ und Felder VR, deren Kraftlinien in Meridionalebenen liegen ( Reis. 3 ). Feldlinien eines toroidalen Magnetfeldes BEIMφ sind im Erdkern geschlossen und gehen nicht nach außen. Nach dem am weitesten verbreiteten terrestrischen HD-Schema ist das Feld Bφ ist hundertmal stärker als das Feld, das aus dem Kern dringt Im r, das überwiegend dipolförmig ist. Die inhomogene Rotation der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit im Erdkern verformt die Feldlinien Im r und bildet daraus Feldlinien BEIM(. Im Gegenzug das Feld Im r wird durch die induktive Wechselwirkung einer leitenden Flüssigkeit erzeugt, die sich auf komplexe Weise mit dem Feld bewegt BEIMφ. Um die Feldgenerierung sicherzustellen Im r aus BEIMφ Fluidbewegung sollte nicht achsensymmetrisch sein. Im Übrigen können Bewegungen, wie die kinetische Theorie der HD zeigt, sehr vielfältig sein. Die Bewegungen des leitenden Fluids entstehen im Prozess der Erzeugung zusätzlich zum Feld Im r, sowie andere sich langsam ändernde Felder, die vom Kern nach außen eindringen und säkulare Schwankungen im geomagnetischen Hauptfeld verursachen.

Die allgemeine Theorie der Huntington-Krankheit, die sowohl die Erzeugung des Feldes als auch den „Motor“ der terrestrischen Huntington-Krankheit, d. h. den Ursprung der Bewegungen, untersucht, befindet sich noch im Anfangsstadium der Entwicklung und vieles ist noch hypothetisch. Als Ursachen für Bewegungen werden die archimedischen Kräfte aufgrund kleiner Dichteinhomogenitäten im Kern und die Trägheitskräfte angeführt (siehe Trägheitskräfte).

Ersteres kann entweder mit der Wärmefreisetzung im Kern und der Wärmeausdehnung der Flüssigkeit (thermische Konvektion) oder mit der Inhomogenität der Zusammensetzung des Kerns aufgrund der Freisetzung von Verunreinigungen an seinen Grenzen zusammenhängen. Letzteres kann durch die Beschleunigung aufgrund der Präzession (siehe Präzession) der Erdachse verursacht werden. Die Nähe des Erdmagnetfelds zum Feld eines Dipols mit einer Achse, die fast parallel zur Erdrotationsachse verläuft, weist auf eine enge Beziehung zwischen der Erdrotation und dem Ursprung der Erdachse hin. Rotation erzeugt eine Coriolis-Kraft (siehe Coriolis-Kraft) , die eine bedeutende Rolle im HD-Mechanismus der Erde spielen können. Die Abhängigkeit der Stärke des Erdmagnetfeldes von der Intensität der Materiebewegung im Erdkern ist komplex und noch nicht ausreichend untersucht. Paläomagnetischen Studien zufolge schwankt die Größe des Erdmagnetfelds, aber im Durchschnitt bleibt es in der Größenordnung lange Zeit unverändert - etwa Hunderte von Millionen Jahren.

Das Funktionieren der HD der Erde ist mit vielen Prozessen im Erdkern und -mantel verbunden, daher ist die Untersuchung des geomagnetischen Hauptfeldes und der HD der Erde ein wesentlicher Bestandteil des gesamten Komplexes geophysikalischer Studien der inneren Struktur und Entwicklung der Erde.

S. I. Braginsky.

Variables geomagnetisches Feld. Messungen an Satelliten und Raketen haben gezeigt, dass die Wechselwirkung des Sonnenwindplasmas mit dem Erdmagnetfeld aus der Ferne zu einer Störung der Dipolstruktur des Feldes führt. Rz vom Mittelpunkt der Erde. Der Sonnenwind lokalisiert das Erdmagnetfeld in einem begrenzten Volumen des erdnahen Raums – der Magnetosphäre der Erde, während an der Magnetosphärengrenze der dynamische Druck des Sonnenwinds durch den Druck des Erdmagnetfelds ausgeglichen wird. Der Sonnenwind komprimiert das Erdmagnetfeld von der Tagseite her und trägt die geomagnetischen Feldlinien der Polarregionen zur Nachtseite fort und bildet den magnetischen Schweif der Erde nahe der Ekliptikebene mit einer Länge von mindestens 5 Millionen km. km(cm. Reis. in Artikel Erde und Magnetosphäre der Erde). Der annähernd dipolartige Bereich des Feldes mit geschlossenen Kraftlinien (die innere Magnetosphäre) ist eine magnetische Falle für geladene Teilchen des erdnahen Plasmas (siehe Strahlungsgürtel der Erde).

Die Plasmaströmung des Sonnenwinds um die Magnetosphäre mit variabler Dichte und Geschwindigkeit geladener Teilchen sowie der Durchbruch von Teilchen in die Magnetosphäre führen zu einer Änderung der Intensität elektrischer Stromsysteme in der Magnetosphäre und Ionosphäre der Erde. Stromsysteme wiederum verursachen Erdmagnetfeldschwingungen im erdnahen Weltraum und auf der Erdoberfläche in einem weiten Frequenzbereich (von 10 -5 bis 10 2 Hertz) und Amplituden (von 10 -3 bis 10 -7 äh). Die fotografische Aufzeichnung kontinuierlicher Änderungen des Erdmagnetfeldes erfolgt in magnetischen Observatorien mit Hilfe von Magnetographen. In ruhigen Zeiten werden in niedrigen und mittleren Breiten periodische Sonnen-Tages- und Mond-Tages-Variationen beobachtet. Amplituden 30–70γ bzw. 1–5γ. Andere beobachtete unregelmäßige Feldoszillationen verschiedener Formen und Amplituden werden als magnetische Störungen bezeichnet, unter denen es mehrere Arten magnetischer Variationen gibt.

Magnetische Störungen, die die gesamte Erde bedecken und von einem ( Reis. 4 ) bis zu mehreren Tagen werden als globale Magnetstürme bezeichnet (siehe Magnetstürme) , wobei die Amplitude der einzelnen Komponenten 1000γ überschreiten kann. Ein magnetischer Sturm ist eine der Erscheinungsformen starker Störungen in der Magnetosphäre, die entstehen, wenn sich die Parameter des Sonnenwinds ändern, insbesondere die Geschwindigkeit seiner Teilchen und die normale Komponente des interplanetaren Magnetfelds relativ zur Ekliptikebene. Starke Störungen der Magnetosphäre werden von Polarlichtern, ionosphärischen Störungen, Röntgen- und Niederfrequenzstrahlung in der oberen Erdatmosphäre begleitet.

Praktische Anwendungen der Phänomene von Z. m. Unter Einwirkung des Erdmagnetfeldes befindet sich die Magnetnadel in der Ebene des magnetischen Meridians. Dieses Phänomen wird seit der Antike zur Orientierung am Boden, zur Kursbestimmung von Schiffen auf hoher See, in der geodätischen und bergmännischen Praxis, in militärischen Angelegenheiten usw. verwendet. (siehe Kompass, Bussol).

Die Untersuchung lokaler magnetischer Anomalien ermöglicht es, Mineralien, vor allem Eisenerz (siehe Magnetische Exploration), aufzuspüren und in Kombination mit anderen geophysikalischen Erkundungsmethoden deren Standort und Reserven zu bestimmen. Weit verbreitet ist die magnetotellurische Methode zur Sondierung des Erdinneren, bei der aus dem Feld eines magnetischen Sturms die elektrische Leitfähigkeit der inneren Erdschichten berechnet und anschließend der dort herrschende Druck und die Temperatur abgeschätzt werden.

Eine der Informationsquellen über die oberen Schichten der Atmosphäre sind geomagnetische Schwankungen. Magnetische Störungen, die beispielsweise mit einem Magnetsturm verbunden sind, treten einige Stunden früher auf als unter seinem Einfluss, es treten Änderungen in der Ionosphäre auf, die den Funkverkehr stören. Damit ist es möglich, die für einen störungsfreien Funkverkehr notwendigen magnetischen Vorhersagen (Funkwettervorhersagen) zu erstellen. Geomagnetische Daten dienen auch der Vorhersage der Strahlungssituation im erdnahen Weltraum bei Raumflügen.

Die Konstanz des Erdmagnetfeldes bis in Höhen von mehreren Erdradien wird zur Orientierung und zum Manövrieren von Raumfahrzeugen genutzt.

Das Erdmagnetfeld beeinflusst Lebewesen, Pflanzen und Menschen. Zum Beispiel nimmt die Zahl der Herz-Kreislauf-Erkrankungen während Perioden von Magnetstürmen zu, der Zustand von Patienten, die an Bluthochdruck leiden, verschlechtert sich und so weiter. Die Untersuchung der Natur elektromagnetischer Wirkungen auf lebende Organismen ist eines der neuen und vielversprechenden Gebiete der Biologie.

A. D. Shevnin.

Zündete.: Yanovsky B. M., Terrestrial Magnetism, Bd. 1-2, L., 1963-64; his, Entwicklung der Arbeiten zum Geomagnetismus in der UdSSR während der Jahre der Sowjetmacht. "Izw. Akademie der Wissenschaften der UdSSR, Physik der Erde, 1967, Nr. 11, p. 54; Nachschlagewerk über das magnetische Wechselfeld der UdSSR, L., 1954; Erdnaher Weltraum. Referenzdaten, übers. aus Englisch, M., 1966; Gegenwart und Vergangenheit des Erdmagnetfelds, M., 1965; Braginsky S.I., Auf den Grundlagen der Theorie des hydromagnetischen Dynamos der Erde, "Geomagnetism and Aeronomy", 1967, v.7, No. 3, p. 401; Solar-terrestrische Physik, M., 1968.

Reis. 2. Karte der Gesamtstärke des Erdmagnetfeldes (in Oersted) für die Epoche 1965; schwarze Kreise - magnetische Pole (M.P.). Die Karte zeigt die weltweiten magnetischen Anomalien: Brasilianisch (B.A.) und Ostsibirisch (East-S.A.).

Reis. 3. Schema der Magnetfelder im hydromagnetischen Dynamo der Erde: NS - die Rotationsachse der Erde: В р - Feld nahe dem Feld eines Dipols, der entlang der Rotationsachse der Erde gerichtet ist; B φ - Torusfeld (in der Größenordnung von Hunderten von Gauß), das sich im Erdkern schließt.

Reis. 4. Magnetogramm, das einen kleinen Magnetsturm aufzeichnete: H 0 , D 0 , Z 0 - der Ursprung der entsprechenden Komponente des Erdmagnetismus; die Pfeile zeigen die Zählrichtung an.

Große sowjetische Enzyklopädie. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. 1969-1978 .

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- (Erdmagnetismus), 1) Magnetfeld der Erde. 2) Ein Zweig der Geophysik, der die Verteilung im Feld und zeitliche Änderungen des Magnetfelds untersucht. Felder der Erde, sowie verwandte physikalische. Prozesse in der Erde und in der Atmosphäre. An jedem Punkt rechts va geomagn. Das Feld ist geprägt... Physikalische Enzyklopädie

- (Erdmagnetismus) ein Magnetfeld in der Nähe der Erde, am einfachsten durch seine Wirkung auf eine Magnetnadel zu erkennen. Die Richtung der Z. M.-Kraft wird normalerweise durch zwei Winkel bestimmt: magnetische Deklination und magnetische Neigung sowie die Größe der Z. M.-Kraft ... ... Marine Dictionary

Großes enzyklopädisches Wörterbuch

Erdmagnetismus- Erdmagnetismus - [Ya. N. Luginsky, M. S. Fezi Zhilinskaya, Yu. S. Kabirov. English Russian Dictionary of Electrical Engineering and Power Engineering, Moscow, 1999] Themen der Elektrotechnik, Grundbegriffe Synonyme Erdmagnetismus DE Erdmagnetismusterrestrisch ... ... Handbuch für technische Übersetzer

Erdmagnetismus- Das Magnetfeld der Erde, als Ganzes betrachtet, in Intensität und Richtung variierend, wirkt auf die Nadel eines magnetischen Kompasses, die auf den geomagnetischen Nordpol zeigt ... Geographisches Wörterbuch

TERRESTRISCHER MAGNETISMUS- Magnetfeld der Erde. Es besteht aus zwei Komponenten: einem konstanten Feld aufgrund der inneren Struktur der Erde und einem Wechselfeld aufgrund der Wirkung elektrischer Ströme in der Ionosphäre und Magnetosphäre, die 1% der Konstante nicht überschreiten ... ... Große polytechnische Enzyklopädie

Das Magnetfeld der Erde, dessen Existenz auf die Wirkung konstanter Quellen zurückzuführen ist, die sich im Inneren der Erde befinden (siehe Hydromagnetischer Dynamo) und die Hauptkomponente des Feldes (99%) sowie variable Quellen (elektrische Ströme) erzeugen. in ... ... Enzyklopädisches Wörterbuch

Erdmagnetismus- Žemės magnetizmas statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Erdmagnetismus; Erdmagnetismus; Erdmagnetismus {m} Erdmagnetismus, m rus. Erdmagnetismus, m; Erdmagnetismus, m pranc. Erdmagnetismus, m; magnétisme terrestre, m … Fizikos terminų žodynas