Земной магнетизм и жизнь на земле. Загадки магнетизма земли

У Земли есть магнитное поле, причины существования кото­рого не установлены. Магнитное поле имеет два магнитных по­люса и магнитную ось. Положение магнитных полюсов не совпа­дает с положением географических. Магнитные полюсы располо­жены в Северном и Южном полушариях несимметрично относи­тельно друг друга. В связи с этим линия, соединяющая их, - магнитная ось Земли образует с осью ее вращения угол до 11°.

Магнетизм Земли характеризуется магнитной напряженностью, склонением и наклонением. Магнитная напряженность изме­ряется в эрстедах.

Магнитным склонением называется угол отклоне­ния магнитной стрелки от географического меридиана в данном месте. Поскольку магнитная стрелка указывает направление магнитного меридиана, то магнитное склонение будет соответ­ствовать углу между магнитным и географическим меридианами. Склонение может быть восточным и западным. Линии, соединя­ющие на карте одинаковые склонения, называются изого­нами. Изогона склонения, равного нулю, называется нулевым магнитным меридианом. Изогоны исходят из магнитного полюса, расположенного в Южном полушарии, и сходятся в магнитном полюсе, находящемся в Северном полушарии.

Магнитным наклонением называется угол на­клона магнитной стрелки к горизонту. Линии, соединяющие точки с равным наклонением, называются изоклинами. Нулевая изо­клина называется магнитным экватором. Изоклины, подобно параллелям, вытягиваются в широтном направлении и изме­няются от 0 до 90°.

Плавный ход изогон и изоклин в некоторых местах земной поверхности довольно резко нарушается, что связано с существо­ванием магнитных аномалий. Источниками таких аномалий могут служить крупные скопления железных руд. Самая крупная маг­нитная аномалия - Курская. Магнитные аномалии могут быть вызваны также разрывами в земной коре - сбросами, взбросами, в результате чего происходит соприкосновение пород с различными магнитными характеристиками, и т. п. Магнитные аномалии широко используются для поиска месторождений полезных иско­паемых и изучения строения недр.

Величины магнитных напряженностей, склонений и наклоне­ний испытывают суточные и вековые колебания (вариации).

Суточные вариации вызываются солнечными и лунными воз­мущениями ионосферы и проявляются больше летом, чем зимой, и больше днем, чем ночью. Гораздо значительнее интенсивность

вековых вариаций. Считается, что они обусловлены изменениями, происходящими в верхних слоях земного ядра. Вековые вариации в разных географических точках различны.

Внезапные, длящиеся несколько суток магнитные колебания (магнитные бури) связаны с солнечной активностью и наиболее интенсивно проявляются в высоких широтах.

§ 4. Теплота Земли

Земля получает тепло из двух источников: от Солнца и из собственных недр. Тепловое состояние поверхности Земли почти полностью зависит от нагрева ее Солнцем. Однако под влиянием многих факторов происходит перераспределение солнечного тепла, попавшего на поверхность Земли. Различные точки земной по­верхности получают неодинаковое количество тепла вследствие наклонного положения оси вращения Земли относительно пло­скости эклиптики.

Для сравнения температурных условий введены понятия о среднесуточных, среднемесячных и среднегодовых температурах на отдельных участках поверхности Земли.

Наибольшие колебания температур испытывает верхняя толща Земли. Вглубь от поверхности суточные, месячные и годовые колебания температур постепенно уменьшаются. Толща земной коры, в пределах которой породы испытывают влияние солнечного тепла, называется гелиотермической зоной. Глубина этой зоны варьирует от нескольких метров до 30 м.

Под гелиотермической зоной располагается пояс постоянной температуры, где сезонные колебания температуры не сказы­ваются. В районе Москвы он находится на глубине 20 м.

Ниже пояса постоянной температуры расположена зона гео­термии. В этой зоне происходит повышение температуры с глуби­ной за счет внутренней теплоты Земли - в среднем на 1 °С на каждые 33 м. Этот интервал глубин называется „геотерми­ческой ступенью. Прирост температуры при углублении внутрь Земли на 100 м называется геотермическим градиентом. Величины геотермических ступени и гра­диента обратно пропорциональны и различны для разных районов Земли. Их произведение - величина постоянная и равна 100. Если, например, ступень равна 25 м, то градиент равен 4 °С.

Различия в величинах геотермической ступени могут быть обусловлены разной радиоактивностью и теплопроводностью гор­ных пород, гидрохимическими процессами в недрах, характером залегания горных пород, температурой подземных вод, удален­ностью от океанов и морей.

Величина геотермической ступени изменяется в широких пределах. В районе Пятигорска она равна 1,5 м, Ленинграда - 19,6 м, Москвы - 38,4 м, в Карелии - более 100 м, в районе Поволжья и Башкирии - 50 м и т. д. 14

Главным источником внутренней теплоты Земли является радиоактивный распад веществ, сосредоточенных в основном в зем­ной коре. Предполагают, что теплота в ней увеличивается в соот­ветствии с геотермической ступенью до глубины 15-20 км. Глубже происходит резкое возрастание величины геотермической ступени. Специалисты считают, что температура в центре Земли не превышает 4000 °С. Если бы величина геотермической ступени сохранилась одинаковой до центра Земли, то температура на глу­бине 900 км равнялась бы 27 000 °С, а в центре Земли достигла бы примерно 193 000 °С.

Принцип работы магнитного компаса основан на свойстве магнитной стрелки устанавливаться по направлению вектора напряженности магнитного поля, в котором она находится.

Землю и околоземное пространство окружает магнитное поле, силовые линии которого выходят из южного магнитного полюса, огибают земной шар и сходятся в северном магнитном полюсе. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими, их положение на 1970 г. определялось приближенно координатами: Северный - φ = = 75°N, λ = 99°W; Южный - φ = 66,5°S; λ = 140°Е. Принято считать, что на Южном магнитном полюсе сосредоточен положительный магнетизм, а на Северном - отрицательный.

Магнитное поле Земли характеризует вектор напряженности Т (полная сила земного магнетизма), который направлен по касательной к магнитным силовым линиям (рис. 9). В общем случае этот вектор составляет некоторый угол I с плоскостью истинного горизонта и не лежит в плоскости истинного меридиана.

Рис. 9. Элементы земного магнетизма

Вертикальная плоскость, проходящая через вектор напряженности магнитного поля Земли в данной точке, называется плоскостью магнитного меридиана. В этой плоскости устанавливается ось свободно подвешенной магнитной стрелки. След от пересечения плоскости магнитного меридиана плоскостью истинного горизонта называется магнитным меридианом.

Угол в плоскости истинного горизонта между истинным меридианом (полуденной линией N - S)и магнитным меридианом называется магнитным склонением (d). Склонение отсчитывается от северной части истинного меридиана к Е или W от 0 до 180°. Восточному (Е) склонению приписывают знак (+), а западному (W) - знак (-).

Угол между плоскостью истинного горизонта И вектором полной силы земного магнетизма называется магнитным наклонением (/). На магнитных полюсах наклонение максимально и равно 90°, а по мере удаления от полюсов уменьшается до нулю. Кривая на земной поверхности, образованная точками, в которых магнитное наклонение равно нулю, называется магнитным экватором.

Вектор напряженности магнитного поля Земли можно разложить на горизонтальную (Н) и вертикальную (Z) составляющие (см. рис. 9). Величины Т, Н, Z и I связаны соотношениями

Горизонтальная составляющая Н направлена по магнитному меридиану и удерживает в нем чувствительный элемент (стрелку, картушку) магнитного компаса. Как видно из (12), максимальное значение Н принимает при I - 0, т.е. на магнитном экваторе, и становится равным нулю на магнитных полюсах. Поэтому в близкополярных районах показания магнитного компаса не надежны, а на магнитных полюсах компас вообще не работает.

Величины d, I, H, Z называются элементами земного магнетизма. Из всех элементов наибольшее значение для судовождения имеет магнитное склонение. Распределение магнетизма на земной поверхности показывают на специальных картах элементов земного магнетизма. Кривыми линиями на карте соединены точки с одинаковыми значениями того или иного элемента. Линия, соединяющая точки с одинаковым значением склонения, называется изогоной. Изолиния нулевого склонения - агона разделяет районы с восточным и западным склонением. Величина магнитного склонения приводится также на морских навигационных картах.

Все элементы земного магнетизма подвержены изменениям по времени - вариациям. Вариации склонения различают вековые, суточные и апериодические.

Вековое изменение - это изменение среднегодовой величины склонения из года в год. Годовое изменение склонения (годовое увеличение или уменьшение) не превышает 15" и показывается на морских картах. Суточные или солнечносуточныевариации склонения имеют период, равный солнечным суткам, по величине незначительны и в судовождении не учитываются. Апериодические изменения или магнитные воз мущения происходят без определенного периода.

Магнитные возмущения большой интенсивности, когда в течение нескольких часов все элементы земного магнетизма резко изменяются, называются магнитными бурями. Возникновение магнитных бурь связано с солнечной активностью и наблюдается по всей земной поверхности. Показания компаса во время магнитных бурь ненадежны - склонение может изменяться на несколько десятков градусов.

В некоторых районах поверхности Земли величины элементов магнетизма, в том числе и склонение, резко отличаются от их значений в окружающей местности. Такое изменение связано со скоплением магнитных пород под поверхностью и называется магнитной аномалией. Районы магнитных аномалий и пределы изменения склонения в них

Рис. 10. Магнитные направления

указываются на морских навигационных картах и в лоциях. Примером аномалий являются магнитные аномалии в Повенецкой бухте Онежского озера и в южной части Ладожского озера. Показания магнитного компаса в районе аномалий использовать затруднительно, а иногда даже опасно.

Для использования в практике данные с карты о величине склонения должны быть приведены к году плавания. С этой целью умножают годовое изменение склонения на число лет, прошедших от года к которому отнесено склонение. Полученной поправкой исправляют склонение, снятое с карты. Необходимо учитывать, что термин «годовое уменьшение» или «годовое увеличение» относится к абсолютной величине склонения.

Если плавание происходит между точками, для которых указано склонение на карте, то производят интерполяцию склонения на глаз, разбивая район плавания на участки, в которых склонение принимают постоянным.

Направления в море, определенные относительно магнитного меридиана, называются магнитными (рис. 10).

Магнитный курс (МК) - угол в плоскости истинного горизонта между северной частью магнитного меридиана и диаметральной плоскостью судна по направлению его движения.

Магнитный пеленг (МП) - угол в плоскости истинного горизонта между северной частью магнитного меридиана и направлением из точки наблюдения на предмет.

Направление, отличающееся на 180° от магнитного пеленга называют обратным магнитным пеленгом (ОМП). Магнитные курсы, и пеленги отсчитываются в круговом счете от 0 до 360°.

Зная величину склонения, можно перейти от магнитных направлений к истинным и обратно. Из рис. 10 видно, что истинные и магнитные направления связаны зависимостями:

(13)
(14)

Формулы (13), (14) - алгебраические, где склонение d может быть величиной положительной и отрицательной.

Для науки большой загадкой до сих пор остаётся вопрос образования магнитного поля (МП) Земли. Согласно современным научным источникам кроме Земли МП якобы имеется ещё на Солнце, Юпитере и Сатурне. МП являются важной составляющей в жизнедеятельности Земли, в том числе в создании магнитосферы, которая простирается на 70-80 тысяч километров. В околоземном пространстве МП образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий – радиационные пояса.
Но чёткого представления о строении МП и его энергопотоках у официальной науки нет. Образование МП до сих пор связывают с энергопроцессами, протекающими в высокотемпературной плазме или железоникелевом ядре планеты. Однако результаты исследований последнего времени показывают, что внутри Земли (и других планет), включая ядро, температура около 300°С. Косвенным подтверждением этому служит сверхглубокая скважина, пробуренная на Кольском полуострове. Поэтому расчёт на высокотемпературное ядро неоправдан.
Результаты наших исследований позволили получить общую картину магнитного поля и его магнитопотоков исходя из реального состояния дела. Удалось установить, что аура Земли имеет внешнюю оболочку, а также экваториальный дискообразный энергетический слой с важной функцией энергопотоков. Линии магнитной индукции, иниции-руемые энергоцентром планеты, выходят как из северного, так и из южного маг-нитных полюсов, унося один вид энергии, чтобы, после энергообмена с окружающей средой у периферии, получить другой вид жизненной энергии. Основная часть сило-вых магнитных линий, исходя из полюсов, огибает планету и устремляется к экваториальному слою, соприкасаясь с его поверхностью с разных сторон, но, не смыкаясь друг с другом. Меньшая часть силовых линий замыкается на границе внешней оболочки ауры планеты (см. рис. 1). Преобладающая часть энергопотоков, поступающих извне, двигается по внутренней части экваториального слоя к энергоцентру, расположенному у ядра планеты. Цикл повторяется. Подобное наблюдается и на других планетах Солнечной системы.
Возникает вопрос: за счёт чего же у Земли сильное МП? Для этого посмотрим на историю развития прежних цивилизаций Земли и космоса. Из средств массовой информации и других источников известно, что Землю посещали космические корабли в древности, также как посещают её и в наше время. Космические корабли землян в последние десятилетия тоже начали появляться на планетах Солнечной системы (Луне, Венере, Марсе).
Более развитая космическая цивилизация пытается на разных уровнях установить контакты с землянами, прерванные на каком-то этапе истории. Космические сообщества участвовали в создании на Земле различных наземных и подземных сооружений. К числу таких сооружений относились энергетические объекты с экологически чистыми источниками энергии. Одними из таких объектов являются энергомагнитные центры для повышения геомагнетизма Земли северного и южного полюсов. Так, например, у северного МП в базальтовом и гранитном слоях Земли находится комплекс сооружений из трёх энергогенераторов, которые могут работать совместно, в паре или по одному. Они имеют систему взаимосвязи и управления. Энергомагнитный генератор по форме напоминает перевёрнутый колокол (вазу). Внутреннее его строение многослойно. Его высота около 150 метров. При виде в плане они удалены друг от друга на зна-чительное расстояние, составляя равнобедренный треугольник (см. рис. 2). Между ними находится система энерго- и магнитопреобразователей. У южного магнитного полюса имеются свои подобные установки. Эти устройства стационарны. Они дают мощную энергетическую подпитку Земле. Естественный же энергоцентр планеты находится рядом с её ядром, но не в самом ядре. Энергоцентры есть у людей, кристаллов и т.д. Они обеспечивают их жизнь и развитие вместе с энергооболочками и энергопотоками.
В последнее время средствами массовой информации высказываются предположения о возможном изменении полярности (переполюсовки) планеты, подобно тому, как это якобы было в прошлой истории Земли. В данном вопросе необходимо уточнение.
За последние 42 тысячи лет Земля, вращаясь вокруг оси, постепенно наклонялась в меридиональном направлении, что привело её к повороту на 180°. За это время территория современной Антарктиды из-под Полярной звезды переместилась в район созвездия Южного креста, а территория Арктики со своим магнитным полюсом синхронно переместилась из-под созвездия Южного креста в район Полярной звезды. Это привело к изменению ориентации Земли в космическом пространстве. Неравномерность поворота Земли за этот период можно проследить по траектории проекции Полярной звезды (северного географического полюса) на поверхности Земли, где видна сильно извилистая линия, особенно в северном полушарии (см. рис. 3., а также ст. «Парадоксы полюсов Земли».). Можно предположить, что в это время на Земле происходили природные катаклизмы. В этот же период у нового места северного географического полюса происходило образование мерзлоты и льда, а на прежнем месте шло потепление и таяние льда. Оледенение и мерзлота на Земле не является природным процессом, а искусственным образованием. Изменение наклона оси Земли продолжается. Это можно видеть по смещению Полярной звезды за последние десятилетия от её привычного для нас положения. Ранее эту звезду можно было видеть из окна дома, а теперь она «ушла» за впереди стоящий дом.
При рассмотрении вопросов повышенного магнетизма планет, оледенения, рельефо-образования, вихрей и других «природных» явлений необходимо учитывать результаты деятельности предыдущих земных и космических цивилизаций. Структура магнетизма Земли и стержневого магнита сходны.
Имеется предположение, что сейчас формируются новые энергомагнитные центры у южной оконечности Африки (г. Кейптаун) и в Атлантике (южнее острова Св. Елены).

ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ (геомагнетизм), магнитное поле Земли и околоземного космического пространства; раздел геофизики, изучающий магнитное поле Земли и связанные с ним явления (магнетизм горных пород, теллурические токи, полярные сияния, токи в ионосфере и магнитосфере Земли).

История изучения магнитного поля Земли . О существовании магнетизма было известно с глубокой древности. Считается, что первый компас появился в Китае (дата появления спорна). В конце 15 века во время плавания Х. Колумба было установлено, что склонение магнитное различно для разных точек поверхности Земли. Это открытие положило начало развитию науки о земном магнетизме. В 1581 году английский исследователь Р. Норман высказал предположение о том, что стрелку компаса разворачивают определённым образом силы, источник которых находится под поверхностью Земли. Следующим знаменательным шагом стало появление в 1600 книги У. Гильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле», где было дано представление о причинах земного магнетизма. В 1785 начались разработки способа измерения напряжённости магнитного поля, базирующегося на методе вращающего момента, предложенном Ш. Кулоном. В 1839 К. Гаусс теоретически обосновал метод измерения горизонтальной составляющей вектора магнитного поля планеты. В начале 20 века была определена связь между магнитным полем Земли и её строением.

В результате наблюдений было установлено, что намагниченность земного шара более или менее однородна, а магнитная ось Земли близка к её оси вращения. Несмотря на относительно большой объём экспериментальных данных и многочисленные теоретические исследования, вопрос о происхождении земного магнетизма окончательно не решён. К началу 21 века наблюдаемые свойства магнитного поля Земли стали связывать с физическим механизмом гидромагнитного динамо (смотри Магнитная гидродинамика), согласно которому первоначальное магнитное поле, проникшее в ядро Земли из межпланетного пространства, может усиливаться и ослабляться в результате движения вещества в жидком ядре планеты. Для усиления поля достаточно наличия определённой асимметрии такого движения. Процесс усиления продолжается до тех пор, пока рост потерь на нагрев среды, идущий за счёт увеличения силы токов, не уравновесит приток энергии, поступающей за счёт её гидродинамического движения. Сходный эффект наблюдается при генерации электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением.

Напряжённость магнитного поля Земли. Характеристикой любого магнитного поля служит вектор его напряженности Н - величина, не зависящая от среды и численно равная магнитной индукции в вакууме. Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) является суммой полей, созданных различными источниками. Принято считать, что на поверхности планеты магнитное поле Н Т складывается из: поля, создаваемого однородной намагниченностью земного шара (дипольное поле, Н 0); поля, связанного с неоднородностью глубоких слоёв земного шара (поле мировых аномалий, Н а); поля, обусловленного намагниченностью верхних частей земной коры (Н к); поля, вызываемого внешними причинами (Н В); поля вариаций (δН), также связанных с источниками, расположенными вне земного шара: Н Т = Н о + Н к + Н а + Н в + δН. Сумма полей Н 0 + Н к образует главное магнитное поле Земли. Его вклад в поле, наблюдаемое на поверхности планеты, составляет более 95%. Аномальное поле Н а (вклад Н а в Н т около 4%) подразделяется на поле регионального характера (региональная аномалия), распространяющееся на большие площади, и поле местного характера (локальная аномалия). Сумму полей Н 0 + Н к + Н а часто называют нормальным полем (Н н). Так как Н в мало по сравнению с Н о и Н к (около 1% от Н т), нормальное поле практически совпадает с главным магнитным полем. Реально наблюдаемое поле (за вычетом поля вариаций δН) есть сумма нормального и аномального магнитных полей: Н т = Н н + Н а. Задача разделения поля на поверхности Земли на эти две части является неопределённой, так как разделение можно провести бесконечным числом способов. Для однозначности решения данной задачи необходимы сведения об источниках каждой из составляющих магнитного поля Земли. К началу 21 века установлено, что источниками аномального магнитного поля являются намагниченные горные породы, залегающие на глубинах, малых по сравнению с радиусом Земли. Источник главного магнитного поля находится на глубине больше половины радиуса Земли. Многочисленные экспериментальные данные позволяют построить математическую модель магнитного поля Земли, основанную на формальном изучении её структуры.

Элементы земного магнетизма. Для разложения вектора Н т на составляющие обычно используют прямоугольную систему координат с началом в точке измерения поля О (рисунок). В этой системе ось Ох ориентирована по направлению географического меридиана на север, ось Оу - по направлению параллели на восток, ось Oz направлена сверху вниз к центру земного шара. Проекцию Н Т на ось Ох называют северной составляющей поля, проекцию на ось Оу - восточной составляющей, проекцию на ось Oz - вертикальной составляющей; они обозначаются соответственно через Х, Y, Z. Проекцию Н т на плоскость ху обозначают как Н и называют горизонтальной составляющей поля. Вертикальная плоскость, проходящая через вектор Н т и ось Оz, называется плоскостью меридиана магнитного, а угол между географическим и магнитным меридианами - магнитным склонением, обозначаемым через D. Если вектор Н отклонён от направления оси Ох к востоку, склонение будет положительным (восточное склонение), а если к западу - отрицательным (западное склонение). Угол между векторами Н и Н т в плоскости магнитного меридиана носит название наклонения магнитного и обозначается через I. Наклонение I положительно, когда вектор Н т направлен вниз от земной поверхности, что имеет место в Северном полушарии Земли, и отрицательно, когда Н т направлен вверх, то есть в Южном полушарии. Склонение, наклонение, горизонтальная, вертикальная, северная, восточная составляющие носят название элементов земного магнетизма, которые можно рассматривать как координаты конца вектора Н т в различных системах координат (прямоугольной, цилиндрической и сферической).

Ни один из элементов земного магнетизма не остаётся постоянным во времени: их величина меняется от часа к часу и от года к году. Такие изменения получили название вариаций элементов земного магнетизма (смотри Магнитные вариации). Изменения, происходящие в течение короткого промежутка времени (около суток), носят периодический характер; их периоды, амплитуды и фазы чрезвычайно разнообразны. Изменения среднегодовых значений элементов носят монотонный характер; их периодичность выявляется лишь при очень большой длительности наблюдений (порядка многих десятков и сотен лет). Медленные вариации магнитной индукции называются вековыми; их величина составляет около 10 -8 Тл/год. Вековые вариации элементов связаны с источниками поля, лежащими внутри земного шара, и вызываются теми же причинами, что и само магнитное поле Земли. Быстротечные вариации периодического характера обусловлены электрическими токами в околоземной среде (смотри Ионосфера, Магнитосфера) и весьма различаются по амплитуде.

Современные исследования магнитного поля Земли. К началу 21 века принято выделять следующие причины, вызывающие земной магнетизм. Источник главного магнитного поля и его вековых вариаций расположен в ядре планеты. Аномальное поле обусловлено совокупностью источников в тонком верхнем слое, называемом магнитоактивной оболочкой Земли. Внешнее поле связано с источниками в околоземном пространстве. Поле внешнего происхождения называется переменным электромагнитным полем Земли, поскольку оно является не только магнитным, но и электрическим. Главное и аномальное поля часто объединяют общим условным термином «постоянное геомагнитное поле».

Основной метод изучения геомагнитного поля - непосредственное наблюдение пространственного распределения магнитного поля и его вариаций на поверхности Земли и в околоземном пространстве. Наблюдения сводятся к измерениям элементов земного магнетизма в различных точках пространства и носят название магнитных съёмок. В зависимости от места проведения съёмок их подразделяют на наземные, морские (гидромагнитные), воздушные (аэромагнитные) и спутниковые. В зависимости от размера территории, которую охватывают съёмки, выделяют глобальные, региональные и локальные съёмки. По измеряемым элементам съёмки делятся на модульные (Т-съёмки, при которых ведётся измерение модуля вектора поля) и компонентные (измеряется только одна или несколько компонент этого вектора).

Земное магнитное поле находится под воздействием потока солнечной плазмы - солнечного ветра. В результате взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли образуется внешняя граница околоземного магнитного поля (магнитопауза), ограничивающая земную магнитосферу. Форма магнитосферы постоянно меняется под воздействием солнечного ветра, часть энергии которого проникает внутрь неё и передаётся токовым системам, существующим в околоземном пространстве. Изменения магнитного поля Земли во времени, вызванные действием этих токовых систем, называются геомагнитными вариациями и различаются как по своей длительности, так и по локализации. Существует множество различных типов временных вариаций, каждый из которых имеет свою морфологию. Под действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.

Дипольный магнитный момент Земли составляет около 8·10 22 А·м 2 и постоянно уменьшается. Средняя индукция геомагнитного поля на поверхности планеты около 5·10 -5 Тл. Основное магнитное поле Земли (на расстоянии менее трёх радиусов Земли от её центра) по форме близко к полю эквивалентного магнитного диполя, центр которого смещён относительно центра Земли примерно на 500 км в направлении на точку с координатами 18° северной широты и 147,8° восточной долготы. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол полюсы геомагнитные отстоят от соответствующих географических полюсов. При этом южный геомагнитный полюс находится в Северном полушарии.

Широкомасштабные наблюдения за изменениями элементов земного магнетизма ведутся в магнитных обсерваториях, образующих мировую сеть. Вариации геомагнитного поля регистрируются специальными приборами, данные измерений обрабатываются и поступают в мировые центры сбора данных. Для визуального представления картины пространственного распределения элементов земного магнетизма проводится построение карт изолиний, то есть кривых, соединяющих на карте точки с одинаковыми значениями того или иного элемента земного магнетизма (смотри карты). Кривые, соединяющие точки одинаковых магнитных склонений, называются изогонами, кривые одинаковых магнитных наклонений - изоклинами, одинаковых горизонтальных или вертикальных, северных или восточных составляющих вектора Н т - изодинамами соответствующих составляющих. Линии равных изменений поля принято называть изопорами; линии равных значений поля (на картах аномального поля) - изоаномалиями.

Результаты исследований земного магнетизма применяют для изучения Земли и околоземного пространства. Измерения интенсивности и направления намагниченности горных пород позволяют судить об изменении геомагнитного поля во времени, что служит ключевой информацией для определения их возраста и развития теории литосферных плит. Данные о геомагнитных вариациях используются при магнитной разведке полезных ископаемых. В околоземном пространстве на расстоянии тысячи и более километров от поверхности Земли её магнитное поле отклоняет космические лучи, защищая всё живое на планете от жёсткой радиации.

Лит.: Яновский Б. М. Земной магнетизм. Л., 1978; Калинин Ю. Д. Вековые геомагнитные вариации. Новосиб., 1984; Колесова В. И. Аналитические методы магнитной картографии. М., 1985; Паркинсон У. Введение в геомагнетизм. М., 1986.

Существуют магниты двух разных видов. Одни – так называемые постоянные магниты, изготовляемые из «магнитно-твердых» материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитно-мягкого» железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.

Магнитные полюса и магнитное поле.

Магнитные свойства стержневого магнита наиболее заметны вблизи его концов. Если такой магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то он займет положение, примерно соответствующее направлению с севера на юг. Конец стержня, указывающий на север, называют северным полюсом, а противоположный конец – южным полюсом. Разноименные полюса двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные взаимно отталкиваются.

Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок ненамагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний – одноименным. Притяжением между полюсом магнита и индуцированным им в бруске противоположным полюсом и объясняется действие магнита. Некоторые материалы (например, сталь) сами становятся слабыми постоянными магнитами после того, как побывают около постоянного магнита или электромагнита. Стальной стержень можно намагнитить, просто проведя по его торцу концом стержневого постоянного магнита.

Итак, магнит притягивает другие магниты и предметы из магнитных материалов, не находясь в соприкосновении с ними. Такое действие на расстоянии объясняется существованием в пространстве вокруг магнита магнитного поля. Некоторое представление об интенсивности и направлении этого магнитного поля можно получить, насыпав на лист картона или стекла, положенный на магнит, железные опилки. Опилки выстроятся цепочками в направлении поля, а густота линий из опилок будет соответствовать интенсивности этого поля. (Гуще всего они у концов магнита, где интенсивность магнитного поля наибольшая.)

М.Фарадей (1791–1867) ввел для магнитов понятие замкнутых линий индукции. Линии индукции выходят в окружающее пространство из магнита у его северного полюса, входят в магнит у южного полюса и проходят внутри материала магнита от южного полюса обратно к северному, образуя замкнутую петлю. Полное число линий индукции, выходящих из магнита, называется магнитным потоком. Плотность магнитного потока, или магнитная индукция (В ), равна числу линий индукции, проходящих по нормали через элементарную площадку единичной величины.

Магнитной индукцией определяется сила, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем проводник с током. Если проводник, по которому проходит ток I , расположен перпендикулярно линиям индукции, то по закону Ампера сила F , действующая на проводник, перпендикулярна и полю, и проводнику и пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника. Таким образом, для магнитной индукции B можно написать выражение

где F – сила в ньютонах, I – ток в амперах, l – длина в метрах. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл) .

Гальванометр.

Гальванометр – чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используется вращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна.

Намагничивающая сила и напряженность магнитного поля.

Далее следует ввести еще одну величину, характеризующую магнитное действие электрического тока. Предположим, что ток проходит по проводу длинной катушки, внутри которой расположен намагничиваемый материал. Намагничивающей силой называется произведение электрического тока в катушке на число ее витков (эта сила измеряется в амперах, так как число витков – величина безразмерная). Напряженность магнитного поля Н равна намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины катушки. Таким образом, величина Н измеряется в амперах на метр; ею определяется намагниченность, приобретаемая материалом внутри катушки.

В вакууме магнитная индукция B пропорциональна напряженности магнитного поля Н :

где m 0 – т.н. магнитная постоянная, имеющая универсальное значение 4p Ч 10 –7 Гн/м. Во многих материалах величина B приблизительно пропорциональна Н . Однако в ферромагнитных материалах соотношение между B и Н несколько сложнее (о чем будет сказано ниже).

На рис. 1 изображен простой электромагнит, предназначенный для захвата грузов. Источником энергии служит аккумуляторная батарея постоянного тока. На рисунке показаны также силовые линии поля электромагнита, которые можно выявить обычным методом железных опилок.

Крупные электромагниты с железными сердечниками и очень большим числом ампер-витков, работающие в непрерывном режиме, обладают большой намагничивающей силой. Они создают магнитную индукцию до 6 Тл в промежутке между полюсами; эта индукция ограничивается лишь механическими напряжениями, нагреванием катушек и магнитным насыщением сердечника. Ряд гигантских электромагнитов (без сердечника) с водяным охлаждением, а также установок для создания импульсных магнитных полей был сконструирован П.Л.Капицей (1894–1984) в Кембридже и в Институте физических проблем АН СССР и Ф.Биттером (1902–1967) в Массачусетском технологическом институте. На таких магнитах удавалось достичь индукции до 50 Тл. Сравнительно небольшой электромагнит, создающий поля до 6,2 Тл, потребляющий электрическую мощность 15 кВт и охлаждаемый жидким водородом, был разработан в Лосаламосской национальной лаборатории. Подобные поля получают при криогенных температурах.

Магнитная проницаемость и ее роль в магнетизме.

Магнитная проницаемость m – это величина, характеризующая магнитные свойства материала. Ферромагнитные металлы Fe, Ni, Co и их сплавы обладают очень высокими максимальными проницаемостями – от 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермаллоя). В таких материалах при сравнительно малых напряженностях поля H возникают большие индукции B , но связь между этими величинами, вообще говоря, нелинейна из-за явлений насыщения и гистерезиса, о которых говорится ниже. Ферромагнитные материалы сильно притягиваются магнитами. Они теряют свои магнитные свойства при температурах выше точки Кюри (770° С для Fe, 358° С для Ni, 1120° С для Co) и ведут себя как парамагнетики, для которых индукция B вплоть до очень высоких значений напряженности H пропорциональна ей – в точности так же, как это имеет место в вакууме. Многие элементы и соединения являются парамагнитными при всех температурах. Парамагнитные вещества характеризуются тем, что намагничиваются во внешнем магнитном поле; если же это поле выключить, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля.

На рис. 2 представлена типичная петля гистерезиса для магнитно-твердого (с большими потерями) ферромагнитного материала. Она характеризует неоднозначную зависимость намагниченности магнитоупорядоченного материала от напряженности намагничивающего поля. С увеличением напряженности магнитного поля от исходной (нулевой) точки (1 ) намагничивание идет по штриховой линии 1 –2 , причем величина m существенно изменяется по мере того, как возрастает намагниченность образца. В точке 2 достигается насыщение, т.е. при дальнейшем увеличении напряженности намагниченность больше не увеличивается. Если теперь постепенно уменьшать величину H до нуля, то кривая B (H ) уже не следует по прежнему пути, а проходит через точку 3 , обнаруживая как бы «память» материала о «прошлой истории», откуда и название «гистерезис». Очевидно, что при этом сохраняется некоторая остаточная намагниченность (отрезок 1 –3 ). После изменения направления намагничивающего поля на обратное кривая В (Н ) проходит точку 4 , причем отрезок (1 )–(4 ) соответствует коэрцитивной силе, препятствующей размагничиванию. Дальнейший рост значений (- H ) приводит кривую гистерезиса в третий квадрант – участок 4 –5 . Следующее за этим уменьшение величины (- H ) до нуля и затем возрастание положительных значений H приведет к замыканию петли гистерезиса через точки 6 , 7 и 2 .

Магнитно-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса, охватывающей значительную площадь на диаграмме и потому соответствующей большим значениям остаточной намагниченности (магнитной индукции) и коэрцитивной силы. Узкая петля гистерезиса (рис. 3) характерна для магнитно-мягких материалов – таких, как мягкая сталь и специальные сплавы с большой магнитной проницаемостью. Такие сплавы и были созданы с целью снижения обусловленных гистерезисом энергетических потерь. Большинство подобных специальных сплавов, как и ферриты, обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.

Магнитные материалы с высокой проницаемостью изготовляются путем отжига, осуществляемого выдерживанием при температуре около 1000° С, с последующим отпуском (постепенным охлаждением) до комнатной температуры. При этом очень существенны предварительная механическая и термическая обработка, а также отсутствие в образце примесей. Для сердечников трансформаторов в начале 20 в. были разработаны кремнистые стали, величина m которых возрастала с увеличением содержания кремния. Между 1915 и 1920 появились пермаллои (сплавы Ni с Fe) с характерной для них узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса. Особенно высокими значениями магнитной проницаемости m при малых значениях H отличаются сплавы гиперник (50% Ni, 50% Fe) и му-металл (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тогда как в перминваре (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практически постоянна в широких пределах изменения напряженности поля. Среди современных магнитных материалов следует упомянуть супермаллой – сплав с наивысшей магнитной проницаемостью (в его состав входит 79% Ni, 15% Fe и 5% Mo).

Теории магнетизма.

Впервые догадка о том, что магнитные явления в конечном счете сводятся к электрическим, возникла у Ампера в 1825, когда он высказал идею замкнутых внутренних микротоков, циркулирующих в каждом атоме магнита. Однако без какого-либо опытного подтверждения наличия в веществе таких токов (электрон был открыт Дж.Томсоном лишь в 1897, а описание структуры атома было дано Резерфордом и Бором в 1913) эта теория «увяла». В 1852 В.Вебер высказал предположение, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнит, или магнитный диполь, так что полная намагниченность вещества достигается, когда все отдельные атомные магниты оказываются выстроенными в определенном порядке (рис. 4,б ). Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение вопреки возмущающему влиянию тепловых колебаний этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное «трение». Его теория смогла объяснить намагничивание тел при соприкосновении с магнитом, а также их размагничивание при ударе или нагреве; наконец, объяснялось и «размножение» магнитов при разрезании намагниченной иглы или магнитного стержня на части. И все же эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явлений насыщения и гистерезиса. Теория Вебера была усовершенствована в 1890 Дж.Эвингом, заменившим его гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые составляют постоянный магнит.

Подход к проблеме, предложенный когда-то Ампером, получил вторую жизнь в 1905, когда П.Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Кроме того, Ланжевен ввел понятие магнитного момента, равного для отдельного атомного магнита произведению «магнитного заряда» полюса на расстояние между полюсами. Таким образом, слабый магнетизм парамагнитных материалов обусловлен суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами.

В 1907 П.Вейс ввел понятие «домена», ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Вейс представлял домены в виде небольших «колоний» атомов, в пределах которых магнитные моменты всех атомов в силу каких-то причин вынуждены сохранять одинаковую ориентацию, так что каждый домен намагничен до насыщения. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм и соответственно объем порядка 10 –6 мм 3 . Домены разделены так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. «Стенка» и два противоположно ориентированных домена схематически изображены на рис. 5. Такие стенки представляют собой «переходные слои», в которых происходит изменение направления намагниченности доменов.

В общем случае на кривой первоначального намагничивания можно выделить три участка (рис. 6). На начальном участке стенка под действием внешнего поля движется сквозь толщу вещества, пока не встретит дефект кристаллической решетки, который ее останавливает. Увеличив напряженность поля, можно заставить стенку двигаться дальше, через средний участок между штриховыми линиями. Если после этого напряженность поля вновь уменьшить до нуля, то стенки уже не вернутся в исходное положение, так что образец останется частично намагниченным. Этим объясняется гистерезис магнита. На конечном участке кривой процесс завершается насыщением намагниченности образца за счет упорядочения намагниченности внутри последних неупорядоченных доменов. Такой процесс почти полностью обратим. Магнитную твердость проявляют те материалы, у которых атомная решетка содержит много дефектов, препятствующих движению междоменных стенок. Этого можно достичь механической и термической обработкой, например путем сжатия и последующего спекания порошкообразного материала. В сплавах алнико и их аналогах тот же результат достигается путем сплавления металлов в сложную структуру.

Кроме парамагнитных и ферромагнитных материалов, существуют материалы с так называемыми антиферромагнитными и ферримагнитными свойствами. Различие между этими видами магнетизма поясняется на рис. 7. Исходя из представления о доменах, парамагнетизм можно рассматривать как явление, обусловленное наличием в материале небольших групп магнитных диполей, в которых отдельные диполи очень слабо взаимодействуют друг с другом (или вообще не взаимодействуют) и потому в отсутствие внешнего поля принимают лишь случайные ориентации (рис. 7,а ). В ферромагнитных же материалах в пределах каждого домена существует сильное взаимодействие между отдельными диполями, приводящее к их упорядоченному параллельному выстраиванию (рис. 7,б ). В антиферромагнитных материалах, напротив, взаимодействие между отдельными диполями приводит к их антипараллельному упорядоченному выстраиванию, так что полный магнитный момент каждого домена равен нулю (рис. 7,в ). Наконец, в ферримагнитных материалах (например, ферритах) имеется как параллельное, так и антипараллельное упорядочение (рис. 7,г ), итогом чего оказывается слабый магнетизм.

Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. Первое из них – так называемый эффект Баркгаузена, второе – метод порошковых фигур. В 1919 Г.Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. С точки зрения доменной теории это не что иное, как скачкообразное продвижение междоменной стенки, встречающей на своем пути отдельные задерживающие ее дефекты. Данный эффект обычно обнаруживается с помощью катушки, в которую помещается ферромагнитный стерженек или проволока. Если поочередно подносить к образцу и удалять от него сильный магнит, образец будет намагничиваться и перемагничиваться. Скачкообразные изменения намагниченности образца изменяют магнитный поток через катушку, и в ней возбуждается индукционный ток. Напряжение, возникающее при этом в катушке, усиливается и подается на вход пары акустических наушников. Щелчки, воспринимаемые через наушники, свидетельствует о скачкообразном изменении намагниченности.

Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (обычно Fe 3 O 4). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля – на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Был предложен также метод, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал.

Первоначальная теория магнетизма Вейса в своих основных чертах сохранила свое значение до настоящего времени, получив, однако, обновленную интерпретацию на основе представления о нескомпенсированных электронных спинах как факторе, определяющем атомный магнетизм. Гипотеза о существовании собственного момента у электрона была выдвинута в 1926 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком, и в настоящее время в качестве «элементарных магнитов» рассматриваются именно электроны как носители спина.

Для пояснения этой концепции рассмотрим (рис. 8) свободный атом железа – типичного ферромагнитного материала. Две его оболочки (K и L ), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй – восемь электронов. В K -оболочке спин одного из электронов положителен, а другого – отрицателен. В L -оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех – отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент равен нулю. В M -оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направленные в одну сторону, и лишь шестой – в другую. В результате остаются четыре нескомпенсированных спина, чем и обусловлены магнитные свойства атома железа. (Во внешней N -оболочке всего два валентных электрона, которые не дают вклада в магнетизм атома железа.) Сходным образом объясняется магнетизм и других ферромагнетиков, например никеля и кобальта. Поскольку соседние атомы в образце железа сильно взаимодействуют друг с другом, причем их электроны частично коллективизируются, такое объяснение следует рассматривать лишь как наглядную, но весьма упрощенную схему реальной ситуации.

Теорию атомного магнетизма, основанную на учете спина электрона, подкрепляют два интересных гиромагнитных эксперимента, один из которых был проведен А.Эйнштейном и В.де Гаазом, а другой – С.Барнеттом. В первом из этих экспериментов цилиндрик из ферромагнитного материала подвешивался так, как показано на рис. 9. Если по проводу обмотки пропустить ток, то цилиндрик поворачивается вокруг своей оси. При изменении направления тока (а следовательно, и магнитного поля) он поворачивается в обратном направлении. В обоих случаях вращение цилиндрика обусловлено упорядочением электронных спинов. В эксперименте Барнетта, наоборот, так же подвешенный цилиндрик, резко приведенный в состояние вращения, в отсутствие магнитного поля намагничивается. Этот эффект объясняется тем, что при вращении магнетика создается гироскопический момент, стремящийся повернуть спиновые моменты по направлению собственной оси вращения.

За более полным объяснением природы и происхождения короткодействующих сил, упорядочивающих соседние атомные магнитики и противодействующих разупорядочивающему влиянию теплового движения, следует обратиться к квантовой механике. Квантово-механическое объяснение природы этих сил было предложено в 1928 В.Гейзенбергом, который постулировал существование обменных взаимодействий между соседними атомами. Позднее Г.Бете и Дж.Слэтер показали, что обменные силы существенно возрастают с уменьшением расстояния между атомами, но по достижении некоторого минимального межатомного расстояния падают до нуля.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Одно из первых обширных и систематических исследований магнитных свойств вещества было предпринято П.Кюри. Он установил, что по своим магнитным свойствам все вещества можно разделить на три класса. К первому относятся вещества с резко выраженными магнитными свойствами, подобными свойствам железа. Такие вещества называются ферромагнитными; их магнитное поле заметно на значительных расстояниях (см . выше ). Во второй класс попадают вещества, называемые парамагнитными; магнитные свойства их в общем аналогичны свойствам ферромагнитных материалов, но гораздо слабее. Например, сила притяжения к полюсам мощного электромагнита может вырвать из ваших рук железный молоток, а чтобы обнаружить притяжение парамагнитного вещества к тому же магниту, нужны, как правило, очень чувствительные аналитические весы. К последнему, третьему классу относятся так называемые диамагнитные вещества. Они отталкиваются электромагнитом, т.е. сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферро- и парамагнетики.

Измерение магнитных свойств.

При изучении магнитных свойств наиболее важное значение имеют измерения двух типов. Первый из них –измерения силы, действующей на образец вблизи магнита; так определяется намагниченность образца. Ко второму относятся измерения «резонансных» частот, связанных с намагничением вещества. Атомы представляют собой крошечные «гироскопы» и в магнитном поле прецессируют (как обычный волчок под влиянием вращающего момента, создаваемого силой тяжести) с частотой, которая может быть измерена. Кроме того, на свободные заряженные частицы, движущиеся под прямым углом к линиям магнитной индукции, действует сила, как и на электронный ток в проводнике. Она заставляет частицу двигаться по круговой орбите, радиус которой дается выражением

R = mv /eB ,

где m – масса частицы, v – ее скорость, e – ее заряд, а B – магнитная индукция поля. Частота такого кругового движения равна

где f измеряется в герцах, e – в кулонах, m – в килограммах, B – в теслах. Эта частота характеризует движение заряженных частиц в веществе, находящемся в магнитном поле. Оба типа движений (прецессию и движение по круговым орбитам) можно возбудить переменными полями с резонансными частотами, равными «естественным» частотам, характерным для данного материала. В первом случае резонанс называется магнитным, а во втором – циклотронным (ввиду сходства с циклическим движением субатомной частицы в циклотроне).

Говоря о магнитных свойствах атомов, необходимо особо остановиться на их моменте импульса. Магнитное поле действует на вращающийся атомный диполь, стремясь повернуть его и установить параллельно полю. Вместо этого атом начинает прецессировать вокруг направления поля (рис. 10) с частотой, зависящей от дипольного момента и напряженности приложенного поля.

Прецессия атомов не поддается непосредственному наблюдению, поскольку все атомы образца прецессируют в разной фазе. Если же приложить небольшое переменное поле, направленное перпендикулярно постоянному упорядочивающему полю, то между прецессирующими атомами устанавливается определенное фазовое соотношение и их суммарный магнитный момент начинает прецессировать с частотой, равной частоте прецессии отдельных магнитных моментов. Важное значение имеет угловая скорость прецессии. Как правило, это величина порядка 10 10 Гц/Тл для намагниченности, связанной с электронами, и порядка 10 7 Гц/Тл для намагниченности, связанной с положительными зарядами в ядрах атомов.

Принципиальная схема установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представлена на рис. 11. В однородное постоянное поле между полюсами вводится изучаемое вещество. Если затем с помощью небольшой катушки, охватывающей пробирку, возбудить радиочастотное поле, то можно добиться резонанса на определенной частоте, равной частоте прецессии всех ядерных «гироскопов» образца. Измерения сходны с настройкой радиоприемника на частоту определенной станции.

Методы магнитного резонанса позволяют исследовать не только магнитные свойства конкретных атомов и ядер, но и свойства их окружения. Дело в том, что магнитные поля в твердых телах и молекулах неоднородны, поскольку искажены атомными зарядами, и детали хода экспериментальной резонансной кривой определяются локальным полем в области расположения прецессирующего ядра. Это и дает возможность изучать особенности структуры конкретного образца резонансными методами.

Расчет магнитных свойств.

Магнитная индукция поля Земли составляет 0,5Ч 10 –4 Тл, тогда как поле между полюсами сильного электромагнита – порядка 2 Тл и более.

Магнитное поле, создаваемое какой-либо конфигурацией токов, можно вычислить, пользуясь формулой Био – Савара – Лапласа для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока. Расчет поля, создаваемого контурами разной формы и цилиндрическими катушками, во многих случаях весьма сложен. Ниже приводятся формулы для ряда простых случаев. Магнитная индукция (в теслах) поля, создаваемого длинным прямым проводом с током I

Поле намагниченного железного стержня сходно с внешним полем длинного соленоида с числом ампер-витков на единицу длины, соответствующим току в атомах на поверхности намагниченного стержня, поскольку токи внутри стержня взаимно компенсируются (рис. 12). По имени Ампера такой поверхностный ток называется амперовским. Напряженность магнитного поля H a , создаваемая амперовским током, равна магнитному моменту единицы объема стержня M .

Если в соленоид вставлен железный стержень, то кроме того, что ток соленоида создает магнитное поле H , упорядочение атомных диполей в намагниченном материале стержня создает намагниченность M . В этом случае полный магнитный поток определяется суммой реального и амперовского токов, так что B = m 0(H + H a ), или B = m 0(H + M ). Отношение M /H называется магнитной восприимчивостью и обозначается греческой буквой c ; c – безразмерная величина, характеризующая способность материала намагничиваться в магнитном поле.

Величина B /H , характеризующая магнитные свойства материала, называется магнитной проницаемостью и обозначается через m a , причем m a = m 0m , где m a – абсолютная, а m – относительная проницаемости,

В ферромагнитных веществах величина c может иметь очень большие значения –до 10 4 ё 10 6 . Величина c у парамагнитных материалов немного больше нуля, а у диамагнитных – немного меньше. Лишь в вакууме и в очень слабых полях величины c и m постоянны и не зависят от внешнего поля. Зависимость индукции B от H обычно нелинейна, а ее графики, т.н. кривые намагничивания, для разных материалов и даже при разных температурах могут существенно различаться (примеры таких кривых приведены на рис. 2 и 3).

Магнитные свойства вещества весьма сложны, и для их глубокого понимания необходим тщательный анализ строения атомов, их взаимодействий в молекулах, их столкновений в газах и их взаимного влияния в твердых телах и жидкостях; магнитные свойства жидкостей пока наименее изучены.