Физика в быту

А вот магнитная индукция В = 1 Тл – это очень сильное магнитное поле. Такая индукция характерна для сильных постоянных магнитов, применяемых в электродвигателях и генераторах. Магнитные поля от 1 до 3 Тл используются в медицине при МРТ (магнито-резонансной томографии).

Для понимания дальнейшего подчеркнём ещё раз: магнитное поле всегда возникает вокруг проводов с током. Все электрические приборы питаются током. Чем больше ток (то есть чем больше мощность, потребляемая электрическим прибором), тем более сильное магнитное поле он создаёт вокруг себя. Естественно, это поле с расстоянием убывает.

А откуда же берётся поле постоянных магнитов, ведь мы не пропускаем через них токи? Ещё Ампер в 1820 году догадался, что оно возникает от упорядоченных атомных микротоков, похожих на крохотные круговые виточки. Чтобы все микротоки были одинаково ориентированы, магнит надо намагнитить, поместив во внешнее магнитное поле. Способностью сильно намагничиваться обладают ферромагнетики: железо, кобальт, никель и редкоземельные металлы. При нагревании выше определённой температуры эти вещества теряют свои магнитные свойства.

Магнитное поле Земли, как предполагают, порождается круговым током, циркулирующим во внешнем жидком ядре из-за вращения Земли.

В наших телах тоже имеются свободные (способные куда угодно двигаться) заряды и токи. Носителями заряда являются нейроны, а в разных клетках организма и в крови присутствуют ионы металлов, в том числе железа. Все эти компоненты создают собственные электрические и магнитные поля, характерные для разных органов, и реагируют на внешние поля. Мы получаем информацию об электрической активности сердца с помощью электрокардиограмм, мозга – электроэнцефалограмм. Много информации о сердце и мозге могут дать магнитограммы.

Более ста лет физики не знали, что же представляет собой эта таинственная субстанция – электромагнитное поле, – хотя прекрасно изучили законы, которым оно подчиняется. В середине XX века квантовая электродинамика раскрыла тайну электромагнитного поля: оно состоит из «супа» виртуальных фотонов и виртуальных электронно-позитронных пар, непрерывно рождающихся и исчезающих в пространстве вокруг заряженной частицы.

Индукционные токи

Все знают, что для получения тока в цепи надо, чтобы в цепи присутствовал источник напряжения, например аккумулятор или батарейка. Но Фарадей обнаружил, что можно получить ток в проводящем контуре безо всяких источников! Надо только, чтобы магнитный поток через этот контур изменялся по любым причинам. А что такое магнитный поток? Это, грубо говоря, произведение магнитной индукции на площадь, ограниченную контуром. Но важна также и ориентация контура относительно магнитного поля. Чтобы магнитный поток изменялся, можно или менять само магнитное поле в месте нахождения контура, или поворачивать контур в неизменном магнитном поле. По этому принципу работает генератор переменного тока: рамку, состоящую из многих витков, вращают между полюсами магнита, или, наоборот, магнит вращают вокруг неподвижной рамки. В обоих случаях через витки рамки течёт ток – тот самый переменный ток, которым мы активно пользуемся. Такой ток, созданный путём изменения магнитного потока, называют индукционным. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем больше величина индукционного тока. Это суть закона электромагнитной индукции Фарадея.

Если линии магнитной индукции составляют угол α с направлением нормали к площадке S, то магнитный поток через эту площадку равен BS·cosα. Изменение магнитного потока в электрогенераторах достигается за счёт изменения угла α при вращении рамки.

Но каким образом изменяющееся магнитное поле заставляет двигаться электроны в неподвижном проводнике? Ведь на неподвижные (в среднем) заряды магнитные поля не действуют. Размышляя над этой загадкой, Максвелл пришёл к выводу: изменяющееся со временем магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, то есть поле, линии напряженности которого замкнуты сами на себя. Оно-то и приводит в движение электроны в проводящем контуре, создавая индукционный (или вихревой) ток.