物理学における電磁現象の例 7. 地球と私たちの周囲で起こる自然界の磁気現象。磁気嵐とその人体への影響

親愛なる読者の皆さん、こんにちは。自然には多くの秘密が隠されています。人類はいくつかの謎については説明を見つけることができましたが、他の謎については説明を見つけることができませんでした。自然界の磁気現象は地球や私たちの周囲で発生しますが、時には私たちがそれに気付かないことがあります。

これらの現象の 1 つは、磁石を持ち上げて金属の釘やピンに向けることで確認できます。彼らがどのようにお互いに惹かれ合っているかを見てください。

私たちの多くは今でも覚えています通学コース物理学者はこの物体を使って実験を行います。磁場.

磁気現象とは何なのか覚えていただけたでしょうか？もちろん、これは磁場を持ち、他の金属物体を自分自身に引き付ける能力です。

磁石の原料となる磁性鉄鉱石を考えてみましょう。皆さんも冷蔵庫のドアにこのような磁石を付けているのではないでしょうか。

他にどのような磁気自然現象があるのか知りたいと思われるかもしれません。から学校の授業物理学では、場には磁気と電磁が存在する可能性があることが知られています。

磁性鉄鉱石は私たちの時代以前から自然界で知られていたことを知っておいてください。このとき、中国の皇帝が数々の遠征や海上散歩の際に使用したコンパスが作成されました。

からの翻訳中国語磁石という言葉は愛に満ちた石のようなものです。素晴らしい翻訳ですね。

クリストファー・コロンブスは、旅行中に磁気コンパスを使用していて、次のことに気づきました。地理的座標コンパスの針のずれに影響します。その後、この観測結果により、科学者たちは地球上には磁場が存在するという結論に至りました。

生物および無生物の自然における磁場の影響

渡り鳥が生息地を正確に特定する独特の能力は、常に科学者の関心を集めてきました。地球の磁場のおかげで、彼らは間違いなく横たわることができます。そして多くの動物の移動はこの地球の領域に依存しています。

したがって、鳥だけでなく、次のような動物も同様です。

カメ
貝類
サケ
サンショウウオ
そして他の多くの動物たち。

科学者たちは、生物の体内には磁場や電磁場の感知に役立つ特別な受容体と磁鉄鉱粒子があることを発見しました。

しかし、どのようにして生き物は生きているのでしょうか？野生動物、目的のランドマークが見つかるかどうか、科学者は明確に答えることができません。

磁気嵐とその人体への影響

私たちは地球の磁場についてすでに知っています。これらは、太陽から届く帯電微粒子の影響から私たちを守ってくれます。磁気嵐は、私たちを守るものが突然変化することに他なりません。電磁場土地。

時々突然、こめかみに鋭い痛みが走り、すぐに激しい痛みが現れることに気づいたことがありますか? 頭痛? 人間の体に起こるこれらすべての痛みを伴う症状は、この病気の存在を示しています。自然現象.

この磁気現象は 1 時間から 12 時間続くこともあれば、短期間であることもあります。そして医師らも指摘しているように、心血管疾患を患う高齢者はこれにさらに悩まされている。

磁気嵐が長く続くと、心臓発作の数が増加することが指摘されています。磁気嵐の発生を監視している科学者は数多くいます。

ですから、親愛なる読者の皆さん、時には彼らの外見について学び、可能であればその恐ろしい結果を防ぐように努めることは価値があります。

ロシアの磁気異常

私たちの地球の広大な領域には、さまざまな種類の磁気異常が存在します。それらについて少し調べてみましょう。

有名な科学者で天文学者のP.B.イノホトツェフは1773年に研究しました。地理的位置ロシア中部のすべての都市。そのとき、彼はクルスクとベルゴロドの地域でコンパスの針が熱狂的に回転している強い異常を発見した。最初の井戸が掘削され、金属鉱石が発見されたのは 1923 年のことでした。

科学者たちは今日でも、クルスクの磁気異常における鉄鉱石の膨大な蓄積を説明できません。

私たちは地理の教科書で、鉄鉱石はすべて山岳地帯で採掘されることを知っています。平野に鉄鉱石鉱床がどのようにして形成されたのかは不明です。

ブラジルの磁気異常

ブラジル沖、高度1000キロメートル以上、ほとんどの計器がこの場所上空を飛行航空機– 航空機や衛星さえも運航を停止します。

オレンジオレンジを想像してください。その皮は果肉と地球の磁場を保護します。保護層大気は宇宙からの有害な影響から地球を守っています。そして、ブラジルの異常は、この皮のへこみのようなものです。

さらに、この珍しい場所では、謎のものが複数回観察されました。

私たちの土地には、科学者たちに明らかにされるべき謎と秘密がまだたくさんあります。あなたの健康と、好ましくない磁気現象があなたを回避することを祈りたいと思います。

私のものを気に入っていただければ幸いです簡単な概要自然界の磁気現象。あるいは、すでにそれらを観察したり、自分自身への影響を感じたりしているかもしれません。コメントにそれについて書いてください。興味を持って読んでみたいと思います。今日はここまでです。あなたに別れを告げて、また会いましょう。

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の上このレッスン、そのトピックは「電磁場」です。「電磁場」の概念、その発現の特徴、およびこの場のパラメーターについて説明します。

私たちは話しています携帯電話。信号はどのように伝達されるのでしょうか? 火星に飛んでいる宇宙ステーションからの信号はどのように送信されるのでしょうか? 虚空の中で？確かに実体は存在しないかもしれないが、これは空虚ではなく、信号が伝わる何か他のものがある。この何かは電磁場と呼ばれていました。これは直接観察できるものではありませんが、実際に存在する自然物体です。

音声信号が空気などの物質のパラメータの変化である場合 (図 1)、無線信号は電磁場のパラメータの変化です。

米。 1.配布音波空中で

「電気」と「磁気」という言葉は私たちには明らかです。私たちはすでに電気現象 (図 2) と磁気現象 (図 3) を別々に研究しましたが、それではなぜ電磁場の話をするのでしょうか? 今日はそれを解明していきます。

米。 2. 電界

米。 3. 磁場

電磁現象の例。

マイクロ波は、電荷に作用する強力な、そして最も重要なことに、非常に急速に変化する電磁場を生成します。そして、ご存知のとおり、物質の原子や分子は電荷を持っています（図4）。ここで電磁場が作用し、分子がより速く移動するように強制されます（図5）。温度が上昇し、食品が加熱されます。 X線、紫外線、可視光線は同じ性質を持っています。

米。 4.水分子は双極子です

米。 5. 電荷を持った分子の動き

電子レンジでは、電磁場が物質にエネルギーを与え、それが加熱に使用されます。可視光は、目の受容体にエネルギーを与え、そのエネルギーは受容体を活性化するために使用されます（図 6）。紫外線皮膚のメラニンが生成され（日焼けの様子、図7）、X線のエネルギーによってフィルムが黒くなり、その上に骨格の画像が見えます（図8）。これらすべての場合の電磁場には異なるパラメータがあり、したがって異なる影響を及ぼします。

米。 6. 可視光エネルギーによる目の受容器の活性化の条件図

米。 7. 肌の日焼け

米。 8. X線撮影時のフィルムの黒化

したがって、私たちは思っているよりもはるかに頻繁に電磁場に遭遇し、それに関連する現象に長い間慣れてきました。

それで私たちはそれを知っています電界電荷の周りで発生します（図9）。ここではすべてが明らかです。

米。 9. 電荷の周りの電場

電荷が移動すると、私たちが研究したように、その周囲に磁場が発生します (図 10)。ここですでに疑問が生じています。電荷が移動しており、その周りに電場があります。磁場はそれと何の関係があるのでしょうか? もう一つ質問します。私たちは「電荷が動いている」と言います。しかし、動きは相対的なものであり、ある参照系では動き、別の参照系では静止することがあります (図 11)。これは、磁場はある基準系には存在するが、別の基準系には存在しないということを意味するのでしょうか? ただし、参照フレームの選択に応じて、フィールドが存在するか存在しないかが決まります。

米。 10. 移動する電荷の周囲の磁場

米。 11. 電荷運動の相対性

事実は、単一の電磁場が存在し、その源は単一である、つまり電荷であるということです。これには 2 つのコンポーネントがあります。電場と磁場は別個の現れであり、単一の電磁場の別個の成分であり、異なる基準系では異なった形で現れます (図 12)。

米。 12. 電磁場の発現

電界のみ、磁界のみ、またはその両方が同時に表示される基準系を選択できます。しかし、電気成分と磁気成分の両方がゼロになる、つまり電磁場が存在しなくなる基準系を選択することは不可能です。

参照系に応じて、フィールドの 1 つのコンポーネント、別のコンポーネント、またはその両方が表示されます。これは円を描く物体の動きのようなものです。このような物体を上から見ると円を描くように動き (図 13)、横から見るとセグメントに沿った振動が見えます (図 14)。）。座標軸への各投影では、円運動は振動です。

米。 13. 円を描く体の動き

米。 14. セグメントに沿った本体の振動

米。 15. 円運動の座標軸への投影

もう 1 つの類似点は、ピラミッドを平面に投影することです。三角形や四角形に投影することができます。平面上ではこれらはまったく異なる図形ですが、これらはすべて異なる側面から見たピラミッドです。しかし、ピラミッドが完全に消える角度はありません。正方形または三角形のように見えます (図 16)。

米。 16. ピラミッドの平面への投影

電流が流れる導体を考えてみましょう。その中で、負の電荷は正の電荷によって補償され、その周りの電場はゼロになります（図17）。磁場はゼロではありません (図 18)。電流による導体の周囲の磁場の出現を考えました。電子が形成される基準系を選択しましょう。電流、動かなくなります。しかし、電子を基準としたこの基準系では、導体の正に荷電したイオンが移動します。裏: 磁場がまだ現れています (図 18)。

米。 17. 電界がゼロになる電流が流れる導体

米。 18. 通電導体の周囲の磁場

電子が真空中にある場合、この基準系では、電子は正電荷によって補償されないため、電子の周囲に電場が発生しますが、磁場は存在しません (図 19)。

米。 19. 真空中の電子の周囲の電場

別の例を見てみましょう。永久磁石を考えてみましょう。周囲には磁場がありますが、電気的な場はありません。実際、陽子と電子の電場は補償されます (図 20)。

米。 20. 永久磁石の周囲の磁場

磁石が移動する基準フレームを考えてみましょう。動く永久磁石の周りに渦電場が現れます (図 21)。それを識別するにはどうすればよいですか? 磁石の通り道に置きます金属リング(指定された参照フレーム内では静止しています)。その中に電流が発生します。これは電磁誘導のよく知られた現象です。磁束が変化すると電場が発生し、電荷の移動が起こり、電流が発生します（図22）。ある枠組みの中で電界いいえ、しかし別の場合にはそれが現れます。

米。 21. 動く永久磁石の周りの渦電場

米。 22. 電磁誘導現象

永久磁石の磁場

どのような物質においても、原子核の周りを回る電子は、円を描くように流れる小さな電流と考えることができます（図23）。これは、周囲に磁場が発生することを意味します。物質が磁性を持たない場合、電子の回転面は任意の方向を向いており、個々の電子からの磁場は無秩序に方向を向いているため、互いに補償し合うことを意味します。

米。 23. 原子核の周りの電子の回転の表現

磁性体では、電子の回転面はほぼ同じ方向を向いています（図24）。したがって、すべての電子からの磁場が合計され、磁石全体のスケールで非ゼロの磁場が得られます。

米。 24. 磁性体中の電子の回転

永久磁石の周りには磁場、つまり電磁場の磁気成分が存在します (図 25)。磁気成分がゼロになり、磁石がその特性を失う基準系を見つけることはできるでしょうか? まだいいえ。実際、電子は同じ平面内で回転しますが (図 24 を参照)、電子の速度は常に同じ方向を向いているわけではありません (図 26)。したがって、それらがすべて凍結して磁場が消える基準枠を見つけることは不可能です。

米。 25. 永久磁石の周囲の磁場

したがって、電場と磁場は、単一の電磁場の異なる現れです。空間の特定の点に磁場のみ、または電場のみが存在するとは言えません。どちらか一方が存在する可能性があります。それはすべて、この点をどのような基準で見るかによって決まります。

以前に電界と磁界について別々に説明したのはなぜですか? 第一に、これは歴史的に起こったことです。人々は磁石について長い間知っていましたし、琥珀の上で電気を帯びた毛皮を長い間観察していましたが、これらの現象が同じ性質のものであるとは誰も気づきませんでした。そして二番目に、これは便利なモデル。電気成分と磁気成分の関係に関心がない問題では、それらを別々に考えると便利です。与えられた基準系内の 2 つの静止電荷が電場を通じて相互作用します。これらにクーロンの法則を適用します。これらの同じ電子が何らかの基準系内を移動して磁場を生成するという事実には興味がありません。そして問題を首尾よく解決します。 (図27) 。

米。 27. クーロンの法則

移動する電荷に対する磁場の影響は別のモデルで考慮されており、その適用可能性の枠組みの中で、多くの問題の解決にも完全に機能します (図 28)。

米。 28.左手の法則

電磁場の成分がどのように相互接続されているかを理解してみましょう。

正確な関係は非常に複雑であることに注意してください。英国の物理学者ジェームス・マクスウェルによって開発されました。彼は有名な 4 つのマクスウェル方程式 (図 29) を導き出しました。これらは大学で研究されており、高等数学の知識が必要です。もちろん、私たちはそれらを研究するつもりはありませんが、いくつかの分野で簡単な言葉で言うとそれらが何を意味するのか見てみましょう。

米。 29. マクスウェル方程式

マクスウェルは、すべての現象を単に定性的に記述した別の物理学者、ファラデーの研究に依存しました (図 30)。彼は図面 (図 31) とメモを作成し、それがマクスウェルに大いに役立ちました。

米。 31. マイケル・ファラデーによる『電気』の絵（1852年）

ファラデーは電磁誘導現象を発見しました (図 32)。それが何なのか思い出してみましょう。交流磁場は導体内に誘導起電力を生成します。言い換えれば、交流磁場（はい、この場合は電荷ではありません）が電場を生成します。この電場は渦巻きです、つまり、その線は閉じています(図33)。

米。 32. マイケル・ファラデーによる実験用の図面

米。 33. 導体における誘導起電力の発生

さらに、電荷の移動によって磁場が発生することもわかっています。交流電界によって生成されると言ったほうが正確でしょう。電荷が移動すると各点の電場が変化し、この変化によって磁場が発生します（図34）。

米。 34. 磁場の出現

コンデンサのプレート間に磁界が発生していることがわかります。充電または放電すると、プレート間に交流電界が発生し、それによって磁界が発生します。この場合、磁力線は電力線に垂直な平面内に存在します (図 35)。

米。 35. コンデンサプレート間の磁場の出現

ここで、マクスウェルの方程式 (図 29) を見てみましょう。参考までに、それらの簡単な説明を以下に示します。

発散アイコンは数学演算子であり、ソースを持つフィールドのコンポーネント、つまりフィールドの線が何かで始まり、何かで終わることを強調表示します。 2 番目の方程式を見てください。磁場のこの成分はゼロです。磁力線はどこからも始まりも終わりもせず、磁荷はありません。最初の方程式を見てください。電場のこの成分は電荷密度に比例します。電場は電荷によって生成されます。

最も興味深いのは次の 2 つの式です。ローターアイコンは、フィールドの渦成分を強調表示する数学演算子です。 3 番目の方程式は、渦電場が時間変化する磁場によって生成されることを意味します (これは導関数であり、数学からわかるように、磁場の変化率を意味します)。つまり、電磁誘導のことです。

4 番目の方程式は、比例係数に注意を払わなければ、渦磁場は変化する電場と電流 ( - 電流密度) によって生成されることを示しています。私たちがよく知っていることについて話しているのです。磁場は移動する電荷によって生成されます。

ご覧のとおり、交流磁場は交流電場を生成することができ、さらに交流電場は交流磁場を生成します (図 36)。

米。 36. 交流磁場は交流電場を生成することができ、その逆も同様です

その結果、空間に電磁波が形成される（図３７）。これらの波には、電波、可視光線、紫外線など、さまざまな症状が現れます。これについては次のレッスンで説明します。

米。 37. 電磁波

参考文献

カシャノフ V.A. 物理。 11 年生: 教育。一般教育用機関。 - M.: バスタード、2005 年。
ミャキシェフG.Ya。物理：教科書。 11年生用一般教養機関。 - M.: 教育、2010 年。

インターネットポータル「studopedia.su」（）
インターネットポータル「worldofschool.ru」（）

宿題

テレビの受像管内で生成される流れの中で均一に移動する電子の 1 つに関連する基準フレーム内の磁場を検出することは可能ですか?
与えられた基準系内を一定の速度で移動する電子の周りにどのような場が現れるでしょうか?
静電気を帯びた動かない琥珀の周囲にはどのような場が検出できるのでしょうか? 動くものの周り？自分の答えを正当化してください。

肉体というのは「俳優» 物理現象。それらのいくつかを知ってみましょう。

機械現象

機械現象とは、物体の動き (図 1.3) と、反発や引力などの物体の相互作用です。物体が互いに作用することを相互作用と呼びます。

今年度は力学現象についてさらに詳しく学んでいきます。

米。 1.3. 機械的現象の例: 運動中の物体の動きと相互作用スポーツ大会(a、b、c); 太陽の周りの地球の動きとそれ自身の軸の周りの回転 (g)

音現象

音現象とはその名の通り、音に関わる現象のことです。これには、たとえば、空気や水中の音の伝播や、山や建物などのさまざまな障害物からの音の反射が含まれます。音が反射すると、おなじみのエコーが現れます。

熱現象

熱現象とは、物体の加熱と冷却のほか、蒸発 (液体から蒸気への変化) や融解 (液体から蒸気への変化) などです。固体液体にします）。

熱現象は非常に広範囲に及んでいます。たとえば、熱現象は自然界の水循環を決定します (図 1.4)。

米。 1.4. 自然界の水循環

加熱された太陽光線海と海の水は蒸発します。蒸気は上昇すると冷えて水滴や氷の結晶になります。それらは雲を形成し、そこから水が雨や雪の形で地球に戻ります。

熱現象の本当の「実験室」はキッチンです。コンロでスープが調理されているかどうか、やかんで水が沸騰しているかどうか、冷蔵庫で食べ物が凍っているかどうか、これらはすべて熱現象の例です。

車のエンジンの動作は熱現象によっても決まります。ガソリンが燃焼すると非常に高温のガスが形成され、それがピストン (モーター部分) を押します。そして、ピストンの動きは特別な機構を介して車の車輪に伝達されます。

電気および磁気現象

電気現象の最も顕著な (言葉の文字通りの意味で) 例は雷です (図 1.5、a)。電気照明と電気輸送（図 1.5、b）は、電気現象を利用することで可能になりました。磁気現象の例としては、永久磁石による鉄と鋼の物体の吸引や相互作用などがあります。永久磁石.

米。 1.5. 電気および磁気現象とその用途

コンパスの針 (図 1.5、c) は、まさにその針が小さな永久磁石であり、地球が巨大な磁石であるため、その「北」端が北を指すように回転します。オーロラ (図 1.5、d) は、宇宙から飛来する荷電粒子が磁石と同様に地球と相互作用するという事実によって引き起こされます。テレビやコンピュータの動作は電気的および磁気的現象によって決まります (図 1.5、e、f)。

光学現象

私たちがどこを見ても、あらゆる場所で光学現象が見られます (図 1.6)。これらは光に関係する現象です。

光学現象の例としては、さまざまな物体による光の反射があります。物体によって反射された光線が私たちの目に入り、そのおかげで私たちはそれらの物体を見ることができます。

米。 1.6. 光学現象の例: 太陽は光を放射します (a)。月は太陽光を反射します (b)。鏡 (c) は光を特によく反射します。最も美しい光学現象の 1 つ - 虹 (d)

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作業の段階

目標と目的を設定する実践的な部分。研究と観察。結論。

スライド 3

目的: 磁気現象の性質を実験的に研究すること。目的: - 文学を勉強する。

- 実験や観察を行います。

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磁気

磁気は、移動する電荷の相互作用の一形態であり、磁場を介して離れた場所で行われます。磁気相互作用は、宇宙で起こるプロセスにおいて重要な役割を果たします。ここで述べたことを裏付ける 2 つの例を示します。星の磁場は太陽風に似た星風を発生させ、星の質量と慣性モーメントを減少させることによって、星の発展の過程を変えることが知られています。地球の磁気圏が宇宙線の悲惨な影響から私たちを守ってくれていることも知られています。もしそれが存在しなかったら、地球上の生物の進化は明らかに異なる道をたどり、おそらく地球上の生命はまったく誕生しなかっただろう。

スライド 5

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地球の磁場

地球の磁場の存在の主な理由は、地球の核が熱い鉄（地球内で生じる電流の良導体）で構成されているためです。図的に見ると、地球の磁場は永久磁石の磁場に似ています。地球の磁場は磁気圏を形成し、太陽の方向に7万〜8万キロメートル広がります。地球の表面を保護し、荷電粒子、高エネルギー、宇宙線の有害な影響から保護し、天気の性質を決定します。太陽の磁場は地球の磁場の100倍です。

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磁場の変化

絶えず変化する理由は、鉱床の存在です。地球上には、鉄鉱石の発生によって磁場が大きく歪められている地域があります。たとえば、クルスク地域にあるクルスク磁気異常です。地球の磁場の短期的な変化の理由は、「太陽風」の作用です。太陽から放出される荷電粒子の流れの作用。この流れの磁場が地球の磁場と相互作用し、「磁気嵐」が発生します。

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人間と磁気嵐心血管系および循環器系、血圧が上昇し、冠状動脈循環が悪化します。磁気嵐は病気に苦しむ人の体内に引き起こします。、増悪（心筋梗塞、脳卒中、高血圧クリーゼなど）。呼吸器官磁気嵐の影響で生体リズムが変化します。一部の患者の状態は磁気嵐の前に悪化し、他の患者は後に悪化します。このような患者の磁気嵐の状況への適応力は非常に低いです。

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実践編

目標: 2008 年の救急車の出動件数に関するデータを収集し、結論を導き出す。小児の罹患率と磁気嵐との相関関係を調べること。

14. 磁場誘導。磁場の重ね合わせの原理。アンペア電力。ローレンツ力。 電気測定器。物質の磁気特性。

磁気現象

電気現象と磁気現象はどちらも、離れた場所にある物体の相互作用です。これらの相互作用は、物体間に作用する機械的な力や力のモーメントの出現として現れます。

電気的相互作用と磁気的相互作用の違いは、たとえば、電荷を分離するには、こすることができるという事実に現れます。さまざまなアイテム磁石を得るには、物体をこすり合わせるのは無駄です。帯電した物体を濡れた布で包むと、その帯電を破壊できます。磁石でも同様の操作を行っても磁気特性が消失することはありません。他の磁石の存在下で磁性材料を磁化しても、電荷は分離されません。離れた場所にある物体のこれら 2 つのタイプの相互作用を相互に還元することはできません。

磁石の実験研究とさまざまな素材は、一部の物体は常に磁性を持っている、つまり「永久磁石」である一方、他の物体は永久磁石の存在下でのみ磁性を獲得することを示しています。顕著な磁気特性を持たない材料もあります。つまり、強力な永久磁石に引き寄せられたり反発したりしない材料もあります。物体の固有磁気特性と誘導磁気特性も同様の効果をもたらします。たとえば、永久磁石のサンプルは通常、どの学校の物理教室にもありますが、水平に吊るした場合、その端が北と南を向くように方向付けられます。磁石のこの性質だけでも、人類に多大な貢献をしてきました。コンパスはずっと前に発明されましたが、物体の磁気特性の定量的研究とこれらの特性の数学的分析が行われたのは 18 世紀から 19 世紀になってからです。

互いに広い間隔で極が配置された「長い」磁石があると想像してみましょう。 2 つの異なる磁石の 2 つの極が互いに近くに配置され、同じ磁石の 2 番目の極が互いに遠くに配置されている場合、近い極間の力の相互作用は、静電場のクーロンの法則と同じ式で記述されます。。磁石の各極には磁荷を割り当てることができ、それによってその「北」または「南」が特徴付けられます。力や力のモーメントの測定を含む手順を考案することは可能であり、これにより、磁石の磁気「電荷」を標準と比較できるようになります。この精神構造により、長い帯状の磁石がどのように機能するのか、つまり 2 つの磁極を結ぶ空間領域の磁石の内部に何があるかという疑問をまだ自問していない限り、実際的な問題を解決することができます。

磁荷の単位を入力できます。このような単位を決定する最も簡単な手順は、互いに 1 メートルの距離にある単位磁荷の 2 つの「点」磁極の間の相互作用の力が 1 ニュートンに等しいと仮定することです。磁極を分離する試みは常に失敗したため、つまり、ストリップ磁石が切断された場所では、常に 2 つの反対の磁極が現れ、その大きさは端の磁極の大きさとまったく同じであるため、次のように結論付けられました。磁極は常に対でのみ存在します。したがって、長いストリップ磁石は、チェーン状に配置された短い磁石として表すことができます。同様に、有限次元の磁石は次の形式で表現できます。大量空間全体に配置された短い磁石。

電荷と磁荷の力の相互作用を説明するには、空間内の特定の力ベクトル場の存在について同じ考えが使用されます。「電気」の場合、対応するベクトルはベクトルと呼ばれます。緊張電界 E 。「磁気」の場合、対応するベクトルはベクトルと呼ばれます。誘導磁場で . (1)

どちらの場合の場も、空間内の「力ベクトル」の分布によって説明できます。北磁極の場合、磁場からそれに作用する力の方向はベクトルの方向と一致します。で、そしてのために南極力はこのベクトルと反対の方向に向きます。「磁荷」の大きさが、その符号 (「北」または「南」) を考慮して記号 N で示される場合、磁場から磁荷に作用する力は次のようになります。 F =N B .

場を介した電荷の相互作用を記述するときに行ったことと同様に、磁荷の相互作用を記述するときにも行います。周囲の空間の点磁荷によって生成される磁場は、電場の場合とまったく同じ式で記述されます。

B = K m N R /R3.

定数 K m は、単位系の選択に依存する比例係数です。磁荷の相互作用については、クーロンの法則も成り立ち、重ね合わせの原理も成り立ちます。

クーロンの法則 (または法則) を思い出してください。万有引力) とガウスの定理は双子の兄弟です。磁極は個別には存在せず、磁石は反対の極性で大きさが等しい極のペアの組み合わせとして表すことができるため、磁場の場合、閉曲面を通る磁場誘導ベクトルの磁束は次のようになります。は常にゼロです。

私たちは磁気現象について議論し、磁荷の概念をあたかもそれが実際に存在するかのように使用しています。実際、これは空間の磁場を記述する (磁気相互作用を記述する) 1 つの方法にすぎません。磁場の性質がより詳細にわかったら、この方法の使用をやめる予定です。森林建設者が建物を建てるのと同じように、私たちにもそれが必要です。建設が完了すると、足場は解体され、見えなくなり、不要になります。

最も興味深いのは、磁場 (静) は静止電荷 (または双極子) に影響を与えず、電場 (静) は静止磁荷 (または双極子) に影響を及ぼさないことです。あたかもフィールドが互いに独立して存在しているかのような状況です。しかし、ご存知のとおり、平和は相対的な概念です。異なる参照系を選択すると、「静止している」ボディが「動く」ようになる可能性があります。電場と磁場は統一されたものであり、それぞれの場はいわば同じコインの異なる側面を表していることが判明しました。

今では電界と磁界の関係が簡単に語られますが、19世紀初頭までは電気現象と磁気現象には関連性があるとは考えられていませんでした。彼らはこの関連性を推測し、実験による確認を試みました。たとえば、フランスの物理学者アラゴは、落雷後に針路を逸れた船に関する情報を収集しました。「稲妻は壊れたコンパス」 – 関連性はありますが、実験を繰り返すにはどうすればよいでしょうか? 彼らは雷を再現する方法をまだ知らなかったので、体系的な研究を行うことは不可能でした。

これらの現象間の関係を理解するための出発点は、1820 年にデンマーク人のハンス・クリスチャン・エルステッドによってなされた発見でした。長い真っ直ぐなワイヤを流れる電流が、ワイヤの隣に配置された可動磁針の向きに与える影響が確立されました。矢印はワイヤーに対して垂直になる傾向がありました。逆の現象、つまり電流に対する磁場の影響は、アンペールによって実験的に発見されました。

電流が流れる小さなフラットコイルは、磁場中で力と配向効果の両方を受けます。磁場が均一であれば、電流によってコイルに作用する力の合計はゼロとなり、コイルはその平面が磁場誘導ベクトルの方向に垂直になる向きになります（平衡位置になります）。磁場誘導の単位を確立するために、この機械的現象も使用できます。

1820 年以降数年間にわたって、通電導体相互の相互作用および永久磁石との相互作用の主な特徴が明らかになりました。そのうちのいくつかは現在法律と呼ばれています。これらの法則は、アンペール、ビオ、サバール、ラプラスという物理学者の名前に関連付けられています。確立された相互作用の法則からの最も一般的な結論は次のようになりました。

荷電粒子は周囲の空間に電場を生成します。
電場は、移動しているか静止している荷電粒子に同じ影響を与えます。
荷電粒子が移動すると、その周囲の空間に磁場が発生します。
磁場は運動中の荷電粒子に力を及ぼしますが、静止している荷電粒子には作用しません。
荷電粒子が作り出す電場と磁場は、その位置や運動状態が変化したときに空間全体で瞬時に変化するのではなく、遅れがあります。

このように、荷電粒子の相互作用は、それらの相互の空間的配置だけでなく、相互の（相対的）運動にも依存することが判明した。この相互作用を説明する法則は、数学的な観点から見ると非常に単純であることが判明しました。

力学を勉強するとき、私たちはニュートンの法則を使用しました。この法則から、任意の 1 つの慣性基準系内で加速度を伴って移動する物質点は、選択に関係なく、他のすべての ISO で同じ加速度を持つことがわかります。磁場は移動する荷電粒子にのみ作用することが現在では明らかになっています。ある ISO では、荷電粒子が磁場中を移動しますが、電場は存在しないと想像してみましょう。別の慣性参照系に移してみましょう。現時点で時間の経過とともに、問題の粒子の速度はゼロになります。磁場からの力の影響は消え、粒子は依然として加速して移動する必要があります。デンマーク王国で何かがおかしい！特定の瞬間に静止している荷電粒子が加速するには、電場の中になければなりません。

したがって、電場と磁場は絶対的なものではなく、基準系の選択に依存することがわかります。相互作用の存在は絶対的ですが、それが「電気的」または「磁気的」方法でどのように記述されるかは、参照系の選択によって異なります。したがって、電場と磁場は互いに独立していないことを理解する必要があります。実際、単一の電磁場を考慮するのは正しいでしょう。ご了承ください正しい説明 James Clerk Maxwell の理論で与えられるフィールド。この理論の方程式は、ある慣性基準系から別の慣性基準系に移動しても形が変わらないように書かれています。これは物理学における最初の「相対論的」理論です。

電流と磁場

19世紀初頭に戻ってみましょう。 G.H.大学での講義でのデモンストレーション中エルステッド自身、あるいは学生たちの協力を得て、たまたまワイヤーの近くにあった磁針が、ワイヤーに電流が流れると位置が変わることに気づきました。この現象をより徹底的に研究した結果、長い直線ワイヤに流れる電流の大きさと方向に応じて、磁針が図に示すような方向を向くことがわかりました。

誘導線は閉じており、電流が流れる長い直線導体の場合、これらの閉じた線は、電流が流れる導体に垂直な平面内に位置する円の形状を有します。これらの円の中心は、電流が流れる導体の軸上にあります。空間内の特定の点 (磁気誘導線の接線) における磁気誘導ベクトルの方向は、「右ネジ」(ギムレット、ネジ、コルク栓抜き) の法則によって決まります。図に示すコルク栓抜きが軸を中心に回転するときに動く方向は、長い直線に流れる電流の方向に対応し、ハンドルの先端が動く方向は磁気誘導ベクトルの方向に対応します。ハンドルの端が配置されている場所。

同心円の概略図の場合、図面の平面に垂直に配置されたワイヤ内の荷電粒子はこのワイヤに沿って移動します。正に荷電した粒子が移動している場合、それらは「この平面を越えて」遠ざかります。マイナスに帯電した電子がワイヤ内を移動すると、それらもワイヤに沿って移動しますが、「図面の平面の下から私たちの方向に」移動します。

干渉要因は地球の磁場でした。ワイヤ内の電流が大きくなるほど、矢印はワイヤの位置を中心とする円の接線の方向に正確に方向付けられます。結論は非常に明白です - 電流が流れる導体の周囲に磁場が発生しました。磁気矢印は磁場誘導ベクトルに沿って並びます。

ニュートンの第 3 法則によれば、磁針 (磁石またはその磁場) は、電流が流れる導体にも作用します。電流Iが流れる長さLの導体の直線部分では、誘導を伴う均一磁場の側からで L、I、B に比例する力が働き、力の方向はベクトルの相対的な向きに依存します。 L そしてで。ベクター L この方向は、このワイヤ内に電流を生み出す正の荷電粒子の速度の方向と一致します。この力は、磁気現象の活発な研究者の一人である A.M. にちなんで名付けられました。アンペア。

F =K I [ L × B ].

ここで、K は比例係数です。角括弧は、2 つのベクトルのベクトル積を示します。導体が真っ直ぐでなく、磁場が均一でない場合、この場合、電流が流れる導体に作用する力を見つけるには、導体を（精神的に）多くの小さなセグメントに分割する必要があります。それぞれの小さなセグメントについては、それが均一なフィールド内にあると仮定できます。合計の力は、これらすべてのセグメントにわたるアンペア力を合計することによって求められます。

導体と電流の相互作用

ワイヤ内の電流は周囲の空間に磁場を生成し、この磁場は電流によって別のワイヤに力を及ぼします。 (2) SI 単位系では、電流 1 アンペアの単位は、並列導体と電流との力の相互作用から決定されます。細く長い2本平行導体、互いに 1 メートルの距離に位置し、同じ方向の同じ変化しない電流が 1 アンペアの力で流れ、導体の長さ 1 メートルごとに 2 × 10 -7 ニュートンの力で互いに引き付けられます。。

SI システムでは、アンペア力の公式で、比例係数 K は 1 に等しいように選択されます。

F =私[ L × B ].

ローレンツ力

アンペア力の式に、移動する各荷電粒子によって生成される項で構成される電流の大きさの式を代入すると、磁場内では移動する各荷電粒子に力が作用すると結論付けることができます。

F = q [ v × で ].

空間に電場と磁場の両方が存在すると、荷電粒子は次の力を受けます。

F = q [ v × で ] + q E .

電磁場中で荷電粒子に働く力をローレンツ力といいます。この力の式は、静止場に限らず、常に有効です。

粒子の基本的な運動中にローレンツ力が行う仕事を計算する場合、力の式には次の積をスカラー乗算する必要があります。 v Δt。ローレンツ力の公式の最初の項は粒子速度に垂直なベクトルであるため、これを次のように乗算します。 v Δt はゼロになります。

したがって、ローレンツ力の磁気成分は、対応する基本変位と力の磁気成分が常に互いに垂直であるため、荷電粒子を移動させるときに何の仕事も行いません。

電流によってどのような磁場が発生しますか?

ビオとサバールの実験とラプラス (いずれもフランスの物理学者) の理論的研究により、電流が流れる導体の各小さなセクションが「共通の原因」、つまり磁場誘導ベクトルの生成に寄与することを求める公式が導き出されました。空間内の特定の点で。

一般式を導き出す（より正確には選択する）際には、全体の磁場が個々の部分で構成され、重ね合わせの原理が満たされる、つまり、通電導体の異なるセクションによって生成される磁場が合計されるという仮定が立てられました。ベクトルとして。電流が流れる導体の各セクション、実際には移動するすべての荷電粒子が、周囲の空間に磁場を生成します。特定の点で生じる磁界は、通電導体の各セクションによって生成される磁気誘導ベクトルの加算の結果として発生します。

磁気誘導ベクトルの基本成分 Δ で、導体の小さな部分によって作成されます Δ 私導体のこの部分とはベクトルの位置が異なる空間内の点に電流 I がある場合 R 、次の式に従います。

Δ で = (μ 0 /4π) I [Δ 私 × R ］／Ｒ３．

ここで[Δ 私 × R ] は 2 つのベクトルのベクトル積です。次元係数 (μ 0 /4π) は、SI システムでは便宜上この形式で正確に導入されていますが、繰り返しますが、これは学校物理学ではまったく登場しません。

指揮者が作り出すフィールドフリーフォームは、いつものように、作成された基本磁気誘導ベクトルを合計することによって求められます。狭いエリアでこの指揮者。直流電流を用いたすべての実験結果は、ビオ - サバール - ラプラスという名前が付けられた上記の式を使用して得られた予測を裏付けています。

先学期に紹介した電流の定義を思い出してみましょう。電流は、選択したサーフェスを通る電流密度ベクトルの流れです。電流密度を求める式には、移動するすべての荷電粒子の合計が含まれています。

J = Σqi v i /V、I=( JS )

したがって、ビオ・サバール・ラプラスの式には積 (Δ lS )、これは荷電粒子が移動する導体の体積です。

その結果、通電領域によって生成される磁界が発生すると結論付けることができます。共同行動この領域内のすべての荷電粒子の数。電荷 q を持ち、速度とともに移動する各粒子の寄与 v 以下に等しい:

で = (μ 0 /4π) q [ v × R ]/R 3 = μ 0 ε 0 [ v × E ],

どこ E = q R /(4πε 0 R 3)。

ここ R は動径ベクトルであり、その始点は粒子が位置する点に位置し、ベクトルの終点は磁場が求められる空間内の点に位置します。式の 2 番目の部分は、空間内の同じ点で荷電粒子によって生成される電場と磁場が互いにどのように関係しているかを示します。

E - 空間内の同じ点で同じ粒子によって生成される電場。 μ 0 =

4π×10 -7 H/m - 磁気定数。

電磁相互作用の力の「非中心性」

2 点移動する同一の荷電粒子の相互作用を考慮すると、この相互作用を説明する力は粒子を結ぶ直線に沿って方向付けられていないという事実に注目します。本当に、電気部品相互作用力はこの直線に沿って方向付けられますが、磁性部分はそうではありません。

他のすべての粒子がこの粒子のペアから非常に遠いものとします。相互作用を説明するために、これらの粒子の質量中心に関連付けられた参照系を選択します。

内部電気力の合計は、それらが反対方向を向いており、同じ直線上に位置し、大きさが互いに等しいため、明らかにゼロです。

磁力の合計もゼロになります。

Qμ 0 ε 0 [ v 2 [v 1 × E 1 ]] + qμ 0 ε 0 [ v 1 [v 2 × E 2 ]] = 0

v 2 = – v 1 ; E 1 = – E 2 .

そしてこれがその瞬間の合計です内力ゼロに等しくない場合があります:

Qμ 0 ε 0 [ R 12 [v 2 [v 1 × E 1 ]]] = qμ 0 ε 0 [ v 1 × E 1 ](R 12 v 2 ).

ニュートンの第三法則を否定する例が見つかったかのように思えるかもしれない。ただし、第 3 法則自体は、相互作用に 2 人の参加者だけが存在するという条件でモデル形式で定式化されており、離れた場所での相互作用の伝達の性質はまったく考慮されていないことに注意する必要があります。この場合、イベントには 3 人の参加者がいます。2 つの粒子と、その周囲の空間にある電磁場です。システムが孤立している場合、粒子だけでなく電磁場自体も運動のこれらの特性を備えているため、システム全体として運動量と角運動量の保存則が満たされます。このことから、空間内の電磁場の変化を考慮して、移動する荷電粒子の相互作用を考慮する必要があることがわかります。次のセクションのいずれかで、宇宙における電磁波の出現と伝播について説明します。加速された動き荷電粒子。

これらの粒子の速度係数が v 1 および v 2 である他の基準系を選択すると、粒子間の相互作用力の磁気成分の係数と電気成分の比は以下になります。価値：

これは、光の速度よりもはるかに遅い粒子速度では、相互作用の電気的要素が主な役割を果たすことを意味します。

ワイヤ内の電荷が互いに補償し合う状況では、システム間の相互作用の電気的な部分は、多数の荷電粒子は磁性部分よりも大幅に小さくなります。この状況により、磁気相互作用を電気相互作用から「分離して」研究することが可能になります。

メーターとスピーカー

エルステッドとアンペールの発見後、物理学者は電流を記録するための機器である検流計を受け取りました。これらのデバイスは、電流と磁場の相互作用を利用します。最新のデバイスには永久磁石を使用するものと、磁界を生成するために電流を使用するものがあります。現在では、電流計、電圧計、抵抗計、電力計などと呼ばれるようになりました。ただし、基本的にこのタイプのデバイスはすべて同じです。それらでは、磁場が電流を流すコイルに作用します。

で測定器通電コイルは、磁界側から機械的トルクが作用するように配置されています。コイルに取り付けられたコイルスプリングは、コイルに作用する機械的トルクを生成します。平衡位置は、流れる電流に対応する角度でフレームを回転させることによって達成されます。コイルには矢印が付いており、矢印の回転角度が電流の尺度として機能します。

磁気電気システムのデバイスでは、磁場は一定です。永久磁石によって作られます。デバイス内電磁システム磁場は固定コイルを流れる電流によって生成されます。機械的トルクは可動コイル電流と磁場誘導の積に比例し、磁場誘導は固定コイルの電流に比例します。たとえば、電磁システムデバイスの両方のコイルの電流が互いに比例する場合、トルクは電流の 2 乗に比例します。

ところで、お気に入りのダイナミックラウドスピーカーは、電流と磁場の相互作用に基づいて作成されました。それらでは、電流が流れるコイルは、磁場の側からスピーカーの軸に沿って力が作用するように配置されています。力の大きさはコイルに流れる電流に比例します。コイルに流れる電流の方向を変えると、力の方向が変わります。

アンペアの仮説

説明用内部構造永久磁石 (強磁性材料で作られたもの) アンペールは、磁石材料が多数の小さな電流が流れる回路から構成されているという仮定、つまり仮説を提唱しました。物質の各分子は電流とともに小さな枠を形成します。磁石材料の内部では、体積全体にわたって分子電流が互いに補償し合い、物体の表面ではあたかも「表面」電流が流れているかのようになります。磁性体の内部に空洞がある場合、補償されていない「表面」電流もこの空洞の表面に沿って流れます。

この表面電流は、磁石の周囲の空間に、すべての磁石分子の結合動作中の電流とまったく同じ磁場を生成します。

アンペールの仮説は数十年間実験による確認を待ちましたが、最終的には完全に正当化されました。現代の概念によれば、一部の原子や分子は、内部の荷電粒子の動きに関連した独自の磁気モーメントを持ち、そこからこれらの原子や分子が構成されます。結局のところ、原子や分子を構成する荷電粒子自体は、これらの粒子の機械的内部運動に関連する磁気双極子モーメントを持っています。 (3)

アンペールの仮説は、磁気相互作用の起源を十分に説明しているため、磁荷のモデルを放棄することを可能にします。

タスク:

2 つの長いストリップ磁石が極と極で隣り合って配置されています。北のものは北のものの隣にあり、南のものは南のものの隣にあります。点 A の磁石の延長線上で、それに最も近い極から距離 L の位置に、誘導 B の磁場が生成されます。あなたには、点 A での磁場の誘導を増加させるというタスクが与えられています。 1.414 倍、この時点でフィールドの方向を 45° 変更します。磁石の 1 つを移動することができます。どのようにしてタスクを完了しますか?
北方への遠征中に磁極地球上では、遠征隊のメンバーは、高さ L = 1 m、ベースの直径 D = 10 cm の非常に軽い三脚 N = 1000 個を極の周りの平らな水平な氷の表面に置き、それに沿って伸ばしました。最高点金属線エリア断面 S = 1 mm 2。結果は、半径 R = 100 m のリングに近い形状の平坦なポリゴンになります。最小サイズはどれくらいですか。 DCすべての三脚がそのベースによって形成される多角形の内側に収まるようにワイヤーを通す必要がありますか? 地表の極付近における磁場誘導 B の大きさは 10 -4 テスラです。線材の密度ρは10 4 kg/m 3 です。
2 本の細い平行ワイヤは、反対方向に等しい電流を流します。ワイヤは互いに距離 L の位置にあります。距離 L に位置する点 A では、一方のワイヤからの電流ともう一方のワイヤからの電流の両方により、誘導 B による磁場が発生しました。ワイヤの底部では、電流の方向が反対に変わりましたが、電流の大きさは変化しました。同じままでした。この点 A で磁場誘導は (大きさと方向で) どのように変化しましたか?
スムーズに水平テーブル硬いワイヤーの丸いコイルが横たわっています。コイルの半径は R です。コイルの質量は M です。空間には誘導 B による均一な水平磁場があります。コイルが水平に動かなくなるためには、コイルに最小いくらの直流電流を流す必要がありますか? このような電流を流した後の動きを説明してください。
質量 M と電荷 Q を持つ粒子は、誘導 B により均一な磁場内を移動します。粒子の速度は磁場誘導ベクトルと角度 & (α) を作ります。粒子の動きの性質を説明します。その軌跡はどのような形をしているのでしょうか？
荷電粒子は、均一で相互に垂直な電場 E と磁場 B が存在する空間領域に入りました。粒子は一定の速度で移動します。可能な最小値はいくらですか?
均一な磁場 B = 0.1 T の中を移動する 2 つの陽子は、互いに常に同じ距離 L = 1 m にあります。どのくらいの最小陽子の速度でこれは可能ですか?
平面 X = A と X = C の間の空間領域には、Y 軸に沿った方向の均一な磁場 B があり、質量 M と電荷 Q を持つ粒子が速度 V でこの空間領域に飛び込みます。粒子が磁場のある領域から出た後、速度は平面 X =const とどのような角度になりますか? X、Y、Z 軸互いに直角。
長い (L) の均一なロッドは、「弱磁性」 (非強磁性) 材料で作られています。それは赤道近くにある実験室の真ん中で細く長い糸で吊り下げられていた。重力場および地球の磁場では、ロッドは水平に配置されました。ロッドは、ねじ山と一致する垂直軸の周りを 30°の角度で回転させることによって、その平衡位置から取り外されました。ロッドは動かずに放置され、解放されました。 10 秒後、ロッドは平衡位置を通過します。最小どれくらいの時間で再び平衡位置を通過しますか? 次に、ロッドを同じ長さ L/2 の 2 本のロッドに切断しました。それらのうちの1つで同じ実験が行われました。短くなったロッドは平衡位置付近でどのくらいの周期で小さな振動をしますか?
小さな円筒形の磁石の軸上に小さな「弱磁性」のボールがあります。ボールから磁石までの距離Lが長い他のサイズ磁石とボール。物体は力 F で互いに引き合います。物体間の距離が 2 倍に減少すると、どのような力で引き付けられるでしょうか? ボールは磁石の軸上に残ります。