силовое
поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом (См.
Магнитный момент)
, независимо от состояния их движения. М. п. характеризуется вектором магнитной индукции В,
который определяет: силу, действующую в данной точке поля на движущийся электрический заряд (см.
Лоренца сила)
; действие М. п. на тела, имеющие магнитный момент, а также другие свойства М. п.
Впервые термин "М. п." ввёл в 1845 М.
Фарадей, считавший, что как электрические так и магнитные взаимодействия осуществляются посредством единого материального поля. Классическая теория электромагнитного поля (См.
Электромагнитное поле) была создана Дж.
Максвеллом (1873), квантовая теория - в 20-х годах 20 века (см.
Квантовая теория поля)
.
Источниками макроскопического М. п. являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: М. п. возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента (см.
Магнетизм)
.
М.. п. электрического тока определяется
Био - Савара законом
: М. п. тел, имеющих магнитный момент, - формулами, описывающими
поле магнитного диполя (См.
Диполь)
(в общем случае - мультиполя (См.
Мультиполь))
.
Переменное М. п. возникает также при изменении во времени электрического поля (См.
Электрическое поле)
. В свою очередь, при изменении во времени М. п. возникает электрическое
поле. Полное описание электрического и магнитного полей в их взаимосвязи дают
Максвелла уравнения. Для характеристики М. п. часто вводят силовые линии поля (линии магнитной индукции). Касательная в каждой точке такой линии имеет направление вектора
В в этой точке. Числом силовых линий, проходящих через единичную перпендикулярную к ним площадку, количественно определяют индукцию поля. В местах повышенных значений
В линии индукции сгущаются, в тех же местах, где
поле слабее, линии расходятся (см., например,
рис. 1).
Для М. п. наиболее характерны следующие проявления.
1. В постоянном однородном М. п. на магнитный диполь с магнитным моментом pm действует вращающий момент N = [рm В] (так, магнитная стрелка в М. п. поворачивается по полю; виток с током I, также обладающий магнитным моментом, стремится занять положение, при котором его плоскость была бы перпендикулярна линиям индукции; атомный диполь прецессирует вокруг силовой линии с характеристической частотой; рис. 1, а).
2. В постоянном однородном М. п. действие силы Лоренца приводит к тому, что траектория движения электрического заряда имеет вид спирали с кривизной, обратно пропорциональной скорости (рис. 1, б). Искривление траектории электрических зарядов под действием силы Лоренца сказывается, например, в перераспределении тока по сечению проводника при внесении его в М. п. Этот эффект лежит в основе гальваномагнитных, термомагнитных и других родственных им явлений.
3. В пространственно неоднородном М. п. на магнитный диполь действует сила F, перемещающая диполь в направлении градиента поля: F = grad (pmB); так, пучок атомов, содержащий атомы с противоположно ориентированными магнитными моментами, в неоднородном М. п. разделяется на два расходящихся пучка (рис. 1, в).
4. М. п., непостоянное во времени, оказывает силовое действие на покоящиеся электрические заряды и приводит их в движение; возникающий при этом в контуре ток
Iинд (
рис. 1, г) своим М. п.
Винд противодействует изменению первоначального М. п. (см.
Индукция электромагнитная)
.
Магнитная индукция
В определяет среднее макроскопическое М. п., создаваемое в данной точке поля как токами проводимости (движением свободных носителей зарядов), так и имеющимися намагниченными телами (ионами и атомами вещества). М. п., созданное токами проводимости и не зависящее от магнитных свойств вещества, характеризуется вектором напряжённости магнитного поля (См.
Напряжённость магнитного поля)
Н =
В - 4 π
J или
Н = (
В / μ
0) -
J (соответственно в
СГС системе единиц (См.
СГС система единиц) и Международной системе единиц (См.
Международная система единиц))
. В этих соотношениях вектор
J -
Намагниченность вещества (магнитный момент единицы его объёма), μ
0 -
Магнитная постоянная.
Объёмная плотность энергии М. п. в отсутствии ферромагнетиков: wM = mH2 / 8p или wM = BH / 8p (в единицах СГС); wM = mm0H2 / 2 или BH / 2 (в единицах СИ). В общем случае wM = 1/2 òHdB, где пределы интегрирования определяются начальными и конечными значениями магнитной индукции В, сложным образом зависящей от поля Н.
Для измерения характеристик М. п. и магнитных свойств веществ применяют различного типа
Магнитометры
. Единицей индукции М. п. в системе единиц СГС является гаусс (
гс)
, в Международной системе единиц - тесла (
тл)
, 1
тл = 10
4 гс. Напряжённость измеряется, соответственно, в эрстедах (
э) и амперах на метр (
а/
м, 1
а/м = 4p/10
3 э " 0,01256
э; энергия М. п. - в
эрг/см2 или
дж/м2, 1
дж/м2 = 10
эрг/см2.
Магнитные поля в природе чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым ими эффектам. М. п. Земли, образующее земную магнитосферу, простирается до расстояния в 70-80 тысяч
км в направлении на Солнце и на многие миллионы
км в противоположном направлении (см.
Земля)
. У поверхности Земли М. п. равно в среднем 0,5
гс, на границе магнитосферы Магн
итное п
оле 10
-3 гс. Геомагнитное
поле экранирует поверхность Земли и биосферу (См.
Биосфера) от потока заряженных частиц солнечного ветра (См.
Солнечный ветер) и частично космических лучей. (См.
Космические лучи) Влияние самого геомагнитного поля на жизнедеятельность организмов изучает
Магнитобиология. В околоземном пространстве М. п. образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий - радиационный пояс Земли (См.
Радиационные пояса Земли)
. Содержащиеся в радиационном поясе частицы представляют значительную опасность при полётах в космос. Происхождение М. п. Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре (см.
Земной магнетизм)
.
Непосредственные измерения при помощи космических аппаратов показали, что ближайшие к Земле космические тела - Луна, планеты Венера и Марс не имеют собственного М. п., подобного земному. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и, по-видимому, Сатурн обладают собственными М. п., достаточными для создания планетарных магнитных ловушек. На Юпитере обнаружены М. п. до 10
гс и ряд характерных явлений (
Магнитные бури, синхротронное радиоизлучение и другие), указывающих на значительную роль М. п. в планетарных процессах.
Межпланетное М. п. - это главным образом
поле солнечного ветра (непрерывно расширяющейся плазмы солнечной короны). Вблизи орбиты Земли межпланетное
поле Магн
итное п
оле 10
-4-10
-5 гс. Силовые линии регулярного межпланетного М. п. имеют вид идущих от Солнца раскручивающихся спиралей (их форма обусловлена сложением радиального движения плазмы и вращения Солнца). М. п. межпланетной плазмы имеет секторную структуру: в одних секторах оно направлено от Солнца, в других - к Солнцу. Регулярность межпланетного М. п. может нарушаться из-за развития различных видов плазменной неустойчивости, прохождения ударных волн и распространения потоков быстрых частиц, рожденных солнечными вспышками (см.
Космическая магнитогидродинамика)
.
Во всех процессах на Солнце - вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей М. п. играет важнейшую роль (см.
Солнечный магнетизм)
. Измерения, основанные на эффекте Зеемана, показали, что М. п. солнечных пятен достигает нескольких тысяч
гс, протуберанцы удерживаются полями Магн
итное п
оле 10-100
гс (при среднем значении общего М. п. Солнца Магн
итное п
оле 1
гс)
. Удалённость звёзд не позволяет пока наблюдать у них М. п. типа солнечных. В то же время более чем у двухсот так называемых магнитных звёзд (См.
Магнитные звёзды) обнаружены аномально большие поля (до 3,4·10
4 гс)
. Поля Магн
итное п
оле 10
7 гс измерены у нескольких звёзд - белых карликов. (См.
Белые карлики)
Особенно большие (Магн
итное п
оле 10
10-10
12 гс) М. п. должны быть, по современным представлениям, у нейтронных звёзд (См.
Нейтронные звёзды)
. С М. п. космических объектов тесно связано ускорение заряженных частиц (электронов протонов, ядер) до релятивистских скоростей (близких к скорости света). При движении таких частиц в космических М. п. возникает электромагнитное
Синхротронное излучение. Индукция межзвёздного М. п., определённая по
Зеемана эффекту (в радиолинии 21
см спектра водорода) и по
Фарадея эффекту (вращению плоскости поляризации электромагнитного излучения в М. п.), составляет всего Магн
итное п
оле 5·10
-6 гс. Однако общая энергия межзвёздного (галактического) М. п. превышает энергию хаотического движения частиц межзвёздного газа и сравнима с энергией космических лучей.
В явлениях микромира роль М. п. столь же существенна, как и в космических масштабах. Это объясняется существованием у всех частиц - структурных элементов вещества (электронов, протонов, нейтронов) магнитного момента, а также действием М. п. на движущиеся электрические заряды. Если суммарный магнитный момент
М частиц, образующих атом или молекулу, равен нулю, то такие атомы и молекулы называются диамагнитными. Атомы (ионы, молекулы) с
М ¹ 0 называются парамагнитными. У всех атомов (как с
М = 0, так и с
М ¹ 0) при наложении внешнего М. п. возникает индуцированный магнитный момент, направленный навстречу намагничивающему полю (см.
Диамагнетизм)
. Однако у парамагнитных атомов в М. п. этот эффект маскируется преимущественным поворотом их магнитных моментов по полю (см.
Парамагнетизм)
. У парамагнетиков и ферромагнетиков намагниченность увеличивается с ростом внешнего М. п. (до состояния насыщения). Вид кривых намагничивания (См.
Намагничивание)
ферромагнетиков (и антиферромагнетиков) в значительной степени определяется магнитным взаимодействием атомных носителей магнетизма. Это взаимодействие обусловливает также большое разнообразие типов атомной магнитной структуры (См.
Магнитная структура) у ферримагнетиков (ферритов (См.
Ферриты))
.
Внутрикристаллическое М. п., измеренное в ферримагнетиках (ферритах-гранатах) на ядрах ионов железа, оказалось Магн
итное п
оле 5·10
5 гс, на ядрах редкоземельного металла диспрозия Магн
итное п
оле 8·10
6 гс. На расстоянии порядка размера атома (Магн
итное п
оле 10
-8 см) М. п. ядра составляет Магн
итное п
оле 50
гс. Внешнее М. п. и внутриатомные М. п., создаваемые электронами атома и его ядром, расщепляют энергетические уровни атома (Зеемана эффект); в результате спектры атомов приобретают сложное строение (см.
Тонкая структура и
Сверхтонкая структура)
. Расстояния между зеемановскими подуровнями энергии (и соответствующими спектральными линиями) пропорциональны величине М. п., что позволяет спектральными методами определять значение М. п. С возникновением зеемановских подуровней энергии в М. п. и с квантовыми переходами между ними связано ещё одно важное физическое явление - резонансное поглощение веществом радиоволн (явление магнитного резонанса (См.
Магнитный резонанс))
. Зависимость положения и формы линий спектра магнитного резонанса от особенностей взаимодействия молекул, атомов, ионов, а также ядер в жидкостях и твёрдых телах даёт возможность исследовать при помощи электронного парамагнитного резонанса (См.
Электронный парамагнитный резонанс) (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (См.
Ядерный магнитный резонанс) (ЯМР) структуру жидкостей, кристаллов и сложных молекул, кинетику химических и биохимических реакций.
М. п. способно заметно влиять на оптические свойства среды и процессы взаимодействия электромагнитного излучения с веществом (см.
Фарадея эффект, Магнитооптика)
, вызывать
Гальваномагнитные явления и
Термомагнитные явления в проводниках и полупроводниках. М. п. оказывает влияние на
Сверхпроводимость веществ: при достижении определённой величины М. п. разрушает сверхпроводимость (см.
Критическое магнитное поле)
. М. п. при намагничивании ферромагнитных тел изменяет их форму и упругие свойства (см.
Магнитострикция)
. Особые свойства в М. п. приобретает
Плазма. М. п. препятствует движению заряженных частиц плазмы поперёк силовых линий поля (см.
Магнитная гидродинамика)
. Этот эффект используется, например, для термоизоляции плазмы и обеспечения её устойчивости в установках для изучения свойств высокотемпературной плазмы.
Применение магнитных полей в науке и технике. М. п. обычно подразделяют на слабые (до 500
гс)
, средние (500
гс - 40
кгс)
, сильные (40
кгс - 1
Мгс) и сверхсильные (свыше 1
Мгс)
. На использовании слабых и средних М. п. основана практически вся электротехника, радиотехника и электроника. В научных исследованиях средние М. п. нашли применение в ускорителях заряженных частиц (См.
Ускорители заряженных частиц)
, в Вильсона камере (См.
Вильсона камера), искровой камере (См.
Искровая камера), пузырьковой камере (См.
Пузырьковая камера) и других трековых детекторах ионизующих частиц, в масс-спектрометра (См.
Масс-спектрометры)
х, при изучении действия М. п. на живые организмы и т.д. Слабые и средние М. п. получают при помощи магнитов постоянных (См.
Магнит постоянный)
, электромагнитов, неохлаждаемых соленоидов, магнитов сверхпроводящих (См.
Магнит сверхпроводящий)
.
М. п. до Магн
итное п
оле500
кгс широко применяются в научных и прикладных целях: в физике твёрдого тела для изучения энергетических спектров электронов в металлах, полупроводниках и сверхпроводниках; для исследования ферро- и антиферромагнетизма, для удержания плазмы в МГД-генераторах и двигателях, для получения сверхнизких температур (см.
Магнитное охлаждение)
, в электронных микроскопах для фокусировки пучков электронов и т.д. Для получения сильных М. п. применяют сверхпроводящие соленоиды (до 150-200
кгс,
рис. 2), соленоиды, охлаждаемые водой (до 250
кгс,
рис. 3), импульсные соленоиды (до 1,6
Мгс,
рис. 4). Силы, действующие на проводники с током в сильных М. п., могут быть очень велики (так, в полях Магн
итное п
оле 250
кгс механические напряжения достигают 4·10
8 н/м2, то есть предела прочности меди). Эффект давления М. п. учитывают при конструировании электромагнитов и соленоидов, его используют для штамповки изделий из металла. Предельное значение поля, которое можно получить без разрушения соленоида, не превышает 0,9
Мгс.
Сверхсильные М. п. используют для получения данных о свойствах веществ в полях свыше 1 Мгс и при сопутствующих им давлениях в десятки млн. атмосфер. Эти исследования позволят, в частности, глубже понять процессы, происходящие в недрах планет и звёзд. Сверхсильные М. п. получают методом направленного взрыва (рис. 5). Медную трубу, внутри которой предварительно создано сильное импульсное М. п., радиально сжимают давлением продуктов взрыва. С уменьшением радиуса R трубы величина М. п. в ней возрастает Магнитное поле 1/R2 (если магнитный поток через трубу сохраняется). М. п., получаемое в установках подобного типа (так называемых взрывомагнитных генераторах), может достигать нескольких десятков Мгс. К недостаткам этого метода следует отнести кратковременность существования М. п. (несколько мксек), небольшой объём сверхсильного М, п. и разрушение установки при взрыве.
Лит.: Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); Тамм И. Е., Основы теории электричества, 8 изд., М., 1966; Парселл Э., Электричество и магнетизм, перевод с английского, М., 1971 (Берклеевский курс физики, т. 2); Карасик В. Р., Физика и техника сильных магнитных полей, М., 1964; Монтгомери Б., Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов, перевод с английского, М., 1971; Кнопфель Г., Сверхсильные импульсные магнитные поля, перевод с английского, М., 1972; Кольм Г., Фриман А., Сильные магнитные поля, "Успехи физических наук", 1966, т. 88, в. 4, с. 703; Сахаров А. Д., Взрывомагнитные генераторы, там же, с. 725; Биттер Ф., Сверхсильные магнитные поля, там же, с. 735; Вайнштейн С. И., Зельдович Я. Б., О происхождении магнитных полей в астрофизике, там же, 1972, т. 106, в. 3.
Л. Г. Асламазов, В. Р. Карасик, С. Б. Пикельнер.
Рис. 1. a - действие однородного постоянного магнитного поля на магнитную стрелку, виток с током I и атомный диполь (е - электрон атома); б - действие однородного постоянного магнитного поля на свободно движущиеся электрические заряды q (их траектория в общем случае имеет вид спирали); в - разделение пучка магнитных диполей в неоднородном магнитном поле; г - возникновение тока индукции в витке при усилении внешнего магнитного поля В (стрелками показано направление тока индукции и создаваемого магнитного поля Винд). Здесь pт - магнитный момент, q - электрический заряд, v - скорость заряда.
Рис. 2. Сверхпроводяший соленоид с обмоткой из сплава Nb - Zr на 30 кгс (рабочий объём диаметром 32 мм находится при комнатной температуре): 1 - соленоид; 2 - жидкий гелий; 3 - жидкий азот; 4 - азотный экран; 5 - кожух; 6 - заливная горловина.
Рис. 3. Схематический разрез водоохлаждаемого соленоида на 250 кгс (движение воды показано стрелками), 1-я секция имеет массу 2 кг, потребляет мощность 0,4 Мвт и создаёт поле Bmax Магнитное поле 45 кгс, 2-я секция - 16 кг, 2 Мвт и 65 кгс, 3-я секция - 1250 кг, 12 Мвт и 140 кгс.
Рис. 4. Модель импульсного одновиткового соленоида (длина 10 мм, диаметр отверстия 2 мм). Источник питания - батарея конденсаторов на 2,4 кдж. Получаемые поля - до 1,6 Мгс.
Рис. 5. Взрывомагнитный генератор. Первичное импульсное поле создаётся разрядом батареи конденсаторов. Когда поле достигает максимальной величины, осуществляется взрыв (ВВ - взрывчатое вещество), приводящий к резкому возрастанию поля в медной трубе ("ловушке" магнитного поля). Тригер применялся для синхронизации первичного импульсного магнитного поля и детонации взрывчатого вещества.