Механическая работа в магнитном поле

Так как на проводник с током в магнитном поле действуют силы Ампера, то при перемещении проводника эти силы совершают работу. Пусть в однородном магнитном поле проводник длиной совершает поступательное движение в направлении, перпендикулярном направлению вектора (рис. 4.14). Для простоты будем считать, что этот проводник скользит по двум параллельным шинам и замыкает электрическую цепь. Вектор индукции магнитного поля направлен к нам. Тогда сила Ампера направлена вправо, и при перемещении проводника с током на расстояние совершается работа

.

Произведение равно площади контура S между двумя положениями подвижного проводника, а – изменение магнитного потока, пронизывающего контур при движении проводника . Следовательно, работа силы Ампера может быть выражена через силу тока I и изменение магнитного потока :

(4.3)

Полученный результат можно применить для подсчета работы в случае неоднородного поля. Для этого, используя выражение (4.3), можно посчитать работу силы Ампера на тех участках, на которых поле можно считать однородным, а затем просуммировать работы на отдельных участках. В результате можно получить, что результирующая работа сил Ампера равна

,

где разность равна изменению магнитного потока через поверхность контура, то есть разности потоков вектора магнитной индукции в конечном и начальном положениях контура.

Это интересно!

Магнитное поле Земли

Туристам и путешественникам, живущим на Земле, крупно повезло, так как Земля обладает достаточно сильным магнитным полем, полюса которого к тому же расположены близко к географическим полюсам. Далеко не все планеты Солнечной системы обладают такими свойствами. Кроме Земли, лишь у Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна имеются магнитные поля.

По сравнению с магнитными полями, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни (сердечники акустических колонок, магнитные импульсы переменного тока в бытовых приборах, лампы, линии электропередач и др.), магнитное поле Земли относится к разряду очень слабых полей. Так, к примеру, магнитный элемент защелки книжного шкафа создает магнитное поле, магнитная индукция которого в 10 раз превосходит индукцию магнитного поля Земли. Тем не менее, это так называемое главное геомагнитное поле, имеющее планетарную природу, существует на 3емле повсеместно.

Компьютерная модель магнитного поля Земли.
Голубым цветом показаны линии, направленные внутрь, желтым – наружу.

Почему у Земли есть магнитное поле? На вопрос о том, чем это вызвано, до настоящего времени нет точного ответа. Более того, достоверно известно, что так было не всегда. За счет проводимости расплавленной плазмы в земном ядре магнитное поле Земли должно было исчезнуть за несколько тысяч лет. Однако у нашей Земли, возраст которой пять миллиардов лет, все еще существует сильное магнитное поле. Эта загадка до сих пор не раскрыта, но в последнее время считают, что магнитное поле объясняется движениями во внешней жидкой оболочке ядра Земли: по мере того как внешняя оболочка ядра охлаждается, и части ее падают внутрь, океаны магмы, богатой железом, поднимаются вверх под действием вращения Земли. Геологи полагают, что именно это движение поддерживает земной магнетизм.

Современное местонахождение Северного и Южного магнитных полюсов

Точки Земли, в которых индукция магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс (в южном полушарии) и южный магнитный полюс (в северном полушарии). Магнитные полюса Земли не остаются на месте. Они перемещаются, а иногда меняются местами. В настоящее время Северный магнитный полюс находится в точке с координатами 79°19' северной широты и 105°26' западной долготы у полуострова Исаксен острова Эллеф-Рингнес на севере Канады, Южный – на 67°2' южной широты и 142° восточной долготы. В районе полюсов силовые линии магнитного поля практически вертикально входят в землю, вследствие чего не могут повернуть магнитную стрелку компаса, и ориентирование становится невозможным. Индукция магнитного поля в точках магнитного экватора имеет горизонтальное направление. Линии магнитной индукции, идущие от одного магнитного полюса до другого, образуют так называемые магнитные меридианы. Магнитная стрелка устанавливается вдоль этих линий.

Средняя индукция поля на поверхности Земли составляет около 50 мкТл и сильно зависит от географического положения. Индукция магнитного поля на магнитном экваторе примерно в 2 раза меньше, чем у магнитных полюсов. В некоторых районах (в так называемых районах магнитных аномалий, например, Курская магнитная аномалия) индукция магнитного поля резко возрастает.

Знакомство человека с удивительными свойствами земного магнетизма состоялось еще на заре исторического времени. Уже в античную эпоху людям был известен магнитный железняк – магнетит. А вот кто и когда определил, что природные магниты всегда ориентируются одинаково в пространстве по отношению к географическим полюсам Земли, точно неизвестно. В китайских трактатах, датированных XII в. до н.э., встречаются фрагменты, которые можно истолковать как свидетельства применения компаса для целей навигации. Первые из известных описаний компаса появились в Китае лишь спустя 23 столетия – в XI, а в Европе еще позже – в XII в. Первым же достоверным сообщением о магнитном компасе, появившемся в Европе, мы обязаны английскому монаху Александру Некэму. Он около 1187 г. описал устройство, состоящее из стрелки, указывающей направление, причем в его компасе стрелка плавала, а не была подвешена на нити. Еще одной важной вехой в истории геомагнетизма является письмо, написанное в 1269 г. Пьером де Мерикуром. В этом послании, в частности, говорилось, что природный магнит имеет два полюса, и что полюсы эти стремятся установиться вдоль географического меридиана, указывая на полюса 3емли – северный и южный.

Магнитные бури

Еще в средние века мореплаватели обратили внимание, что бывают дни, когда стрелка компаса вдруг начинает беспорядочно колебаться в продолжение нескольких часов и даже нескольких суток, делая компас совершенно непригодным для навигационных расчетов. Это явление моряки и окрестили магнитной бурей. Но только в XVIII в. французский астроном Лемонт заметил, что интенсивность и частота магнитных бурь тем больше, чем больше на Солнце пятен. Это стало первым открытием связи земных явлений с солнечной активностью.

Магнитное поле Земли захватывает из космического пространства заряженные частицы (протоны и электроны), которые движутся вдоль силовых линий магнитного поля и образуют так называемый радиационный пояс Земли. Для погоды в космосе, как и для погоды в обычном понимании этого слова, характерно чередование спокойных периодов (например, минимум цикла солнечной активности) с периодами резкой смены обстановки с мощными колебаниями радиационного пояса, которые вызывают магнитные бури. Оценка, состояние и протяженность магнитной бури зависят не от нашей планеты, а от ближайшей звезды, то есть Солнца.

Солнце представляет собой кипящий атомный котел. Это термоядерный шар гигантских размеров. Поскольку температура верхних слоев атмосферы Солнца (корона) около миллиона градусов, атомы водорода и гелия приобретают такие громадные скорости, что при столкновениях выбивают друг у друга электроны. В результате многочисленных столкновений некоторые частицы развивают такие большие скорости, что им удается преодолеть притяжение Солнца и навсегда уйти в окружающее космическое пространство. Эти потоки плазмы, берущие свое начало в короне Солнца и двигающиеся в обычных условиях со скоростью около 200 км/с, получили название «солнечный ветер». В моменты солнечной активности солнечный ветер от 200 км/с (привычной скорости) достигает скорости 1000 км/с и летит к Земле, через сутки-двое достигает Земли и приводит к нарушению равновесия геомагнитной обстановки Земли. Она становится неспокойной, величина индукции магнитного поля увеличивается, и образуется магнитная буря.

Землю можно рассматривать как большой магнит, южный полюс которого располагается вблизи северного географического полюса, а северный – вблизи южного. Силовые линии магнитного поля Земли выходят из области северного магнитного полюса Земли, охватывают нашу планету и входят в нее в области южного магнитного полюса Земли. Когда плазма солнечного ветра встречает на своем пути магнитное поле Земли, она, согласно законам физики, сначала сжимает магнитные силовые линии, а затем начинает обтекать Землю. На обращенной к Солнцу стороне Земли граница обтекания устанавливается на расстоянии 10–12 радиусов Земли. На ночной стороне магнитное поле вытягивается в виде шлейфа, похожего на хвост кометы, до расстояний около 1000 радиусов Земли. Вся эта область, в которой заключено магнитное поле и околоземная плазма, называется магнитосферой Земли. Магнитосфера Земли надежно ограждает нашу планету от мощного потока космических частиц.

Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли

Какое же воздействие оказывают магнитные бури на земные процессы? Было замечено, что частота инфарктов миокарда и инсультов у пожилых людей резко возрастала в дни, когда наблюдались магнитные бури. Во время солнечных вспышек резко возрастает количество несчастных случаев и травматизма на транспорте и в производстве

Существует немало свидетельств воздействия магнитных бурь на технические системы и сооружения, особенно на линии электропередач и металлические нефте- и газопроводы. Хорошо известна магнитная буря 13 марта 1989 г., которая привела к короткому замыканию в главном трансформаторе Квебекского гидроузла. В результате более 6 млн канадцев и американцев на 9 часов остались без электричества. Уже стали привычными сообщения о потере спутников во время сильных магнитных бурь из-за сбоев в работе электронных систем управления и связи, а также о преждевременном сходе их с орбит и гибели в плотных слоях атмосферы.

Сегодня уже понятны некоторые физические механизмы, лежащие в основе воздействия магнитных бурь на технические, биологические и природные объекты. Так, лабораторные эксперименты показали, что во время магнитных бурь на поверхности металлических конструкций возникают наведенные электрические токи. Они-то и становятся причиной пожаров и взрывов на нефте- и газопроводах и повреждений в линиях электропередач. Наведенные токи на поверхности искусственных спутников Земли иногда вызывают сбои в работе гироскопов стабилизации, что приводит к их сходу с орбит и гибели в плотных слоях атмосферы. Сильные вариации магнитного поля Земли во время магнитных бурь создают наведенные токи не только в металлических проводниках, но также и на поверхности Земли. Именно это стало причиной аварии трансформатора в Квебеке.

Полярное сияние

Особенно интересным и зрелищным эффектом, сопровождающим магнитную бурю, является полярное сияние. Полярные сияния разной формы и окраски возникают на высоте 80–1000 км. Долгое время полярные сияния рассматривали как предвестников катастроф – эпидемий, голода и войн. Например, это явление связали с падением Иерусалима и смертью Юлия Цезаря. В этом видели проявление гнева богов или других сверхъестественных сил.

Сегодня известно, что полярные сияния сигнализируют о месте и времени воздействия Космоса на земные процессы. Мы знаем, что это свечение верхней атмосферы в высоких широтах северного и южного полушарий Земли, которое вызывается энергичными заряженными частицами, вторгающимися в земную магнитосферу на своем пути от Солнца.

Если заряженная частица движется вдоль силовых линий магнитного поля, то оно никак не влияет на ее движение. В высоких широтах Земли силовые линии магнитного поля почти вертикальны, что создает благоприятные условия для проникновения частиц в атмосферу Земли.

Если заряженная частица движется перпендикулярно к силовым линиям магнитного поля, на нее действует сила Лоренца, которая закручивает ее вокруг силовой линии магнитного поля. В результате при отсутствии столкновений с другими частицами рассматриваемые частицы будут просто вращаться вокруг силовых линий. Столкновения могут приводить к перескоку частиц с одних круговых орбит на другие. Но скорость такого движения существенно меньше, чем скорость направленного движения потока частиц при отсутствии магнитного поля. В низких широтах силовые линии почти параллельны поверхности Земли. Поэтому, чтобы частицы, вызывающие полярное сияние, могли здесь проникнуть в атмосферу, они должны прорваться поперек силовых линий Земли, а это для них практически невозможно.

Если частица движется под определенным углом к направлению магнитного поля, то такое движение можно разложить на два независимых движения: перпендикулярно к силовым линиям магнитного поля и параллельно им. Траектория частицы в этом случае будет спиралью, накручивающейся на силовую линию магнитного поля. Шаг спирали зависит от величины продольной скорости, а радиус – от поперечной скорости. Таким образом, заряженная частица, попадая в магнитное поле Земли, может достигнуть ее атмосферы только в полярных областях, независимо от того, где она оказалась вначале.

Электроны и протоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, стекают в область полюсов, где достигают плотных слоев атмосферы и возбуждают атомы и молекулы газов. Для этого они имеют достаточно энергии. Возбужденные атомы испускают энергию в виде света. Анализ спектров излучения в полярных сияниях показывает, что зеленое и красное свечение испускается возбужденными атомами кислорода, а инфракрасное и фиолетовое – ионизованными молекулами азота.