การนำเสนอในหัวข้อ "ปรากฏการณ์แม่เหล็กในธรรมชาติ" ปรากฏการณ์แม่เหล็กในธรรมชาติ
ลักษณะของแม่เหล็กคืออะไร? เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าแม่เหล็กเองก็เป็นหนึ่งในคุณสมบัติพื้นฐานของสสาร ด้วยเหตุนี้โลหะบางชนิดจึงกลายเป็นแม่เหล็กและเริ่มดึงดูดโลหะอื่น แต่นี่คือสาเหตุว่าทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น - ไม่มีคำตอบที่ชัดเจนและแม่นยำ เช่นเดียวกับที่ไม่มีคำตอบสำหรับคำถามที่ว่ากระแสไฟฟ้าคืออะไร แน่นอนว่าในทางทฤษฎีมีการอธิบายแนวคิดทั้งหมดเหล่านี้มีการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และบุคคลสามารถควบคุมทั้งแรงแม่เหล็กและไฟฟ้าได้ แต่แก่นแท้ของปัญหายังคงอยู่นอกเหนือจิตสำนึก ผู้คนไม่รู้ว่าทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น เช่นเดียวกับที่พวกเขาไม่รู้ว่าทำไมหัวใจมนุษย์ถึงเต้น
แม่เหล็กแต่ละอันมี 2 ขั้ว - เหนือและใต้- ข้อเท็จจริงนี้ชี้ให้เห็นว่าพลังงานแม่เหล็กสะสมอยู่ที่ขั้ว นอกจากนี้พลังงานนี้ยังมี สัญญาณที่แตกต่างกัน- บวกและลบ ตามเหตุผลแล้วถ้าคุณตัดแม่เหล็กออกครึ่งหนึ่งก็จะมีส่วนหนึ่งอยู่ พลังงานบวกและอีกอย่างคือลบ
อย่างไรก็ตามไม่มีอะไรเกิดขึ้น ทันทีที่แม่เหล็กแข็งถูกตัดออกเป็น 2 ส่วน แต่ละขั้วจะเกิด 2 ขั้วทันที คุณสามารถตัดหนึ่งชิ้นออกเป็น 20 ชิ้น จะไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลง แต่ละชิ้นจะมีเสา 2 อัน
อย่างไรก็ตาม เราได้สัมผัสถึงความฝันอันเป็นที่รักที่สุดของนักฟิสิกส์แล้ว พวกเขาหวังว่าจะพบมันในธรรมชาติหรือได้รับจากการทดลอง การผูกขาด- ขั้วแม่เหล็กเดี่ยว นี้ ความฝันอันล้ำค่าเป็นเวลานานกว่า 100 ปี มันขึ้นอยู่กับอะไร?
ผู้เชี่ยวชาญทำการเปรียบเทียบกับอิเล็กตรอน เป็นตัวพาประจุไฟฟ้า ดังนั้นจึงต้องมีประจุแม่เหล็กเบื้องต้นอยู่ แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่มีการค้นพบสิ่งที่คล้ายกันในโลกภายนอก
ธรรมชาติของสนามแม่เหล็กแยกออกจากพิภพเล็ก ๆ ซึ่งประกอบด้วยอะตอมและโมเลกุลไม่ได้ เขากำลังศึกษามันอยู่ กลศาสตร์ควอนตัมเราต้องรู้ว่าอนุภาคที่เล็กที่สุดทุกอนุภาคคือไมโครแม่เหล็ก นี่คือไดโพลเบื้องต้นซึ่งขั้วเหนือและขั้วใต้มีทิศทางต่างกัน ดังนั้นแรงแม่เหล็กของพวกมันจึงหักล้างกัน
แต่บางครั้งก็เกิดขึ้นที่อนุภาคมูลฐานก่อตัวขึ้นตามลำดับสัมพันธ์กัน ขั้วเหนือทั้งหมดหันไปในทิศทางเดียวและขั้วใต้หันไปในทิศทางอื่นตามลำดับ ในกรณีนี้ ในบริเวณรอบๆ ตัวก็ปรากฏขึ้น สนามแม่เหล็ก.
ลองจินตนาการว่ามีแม่เหล็กอยู่ตรงหน้าเรา เอาตะปูเหล็กธรรมดาๆมาด้วย ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่อยู่แบบสุ่ม แต่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก พวกมันจะหมุนขนานกันอย่างเคร่งครัด ด้วยเหตุนี้เล็บจึงกลายเป็นแม่เหล็ก โดยจะมีขั้วเหนือของตัวเองตรงข้ามกับขั้วใต้ของสนามแม่เหล็ก และมีขั้วใต้ตรงข้ามกับขั้วเหนือ จากฟิสิกส์เรารู้ว่าขั้วแม่เหล็กที่อยู่ตรงข้ามกันดึงดูดกัน ดังนั้นตะปูเหล็กจะติดแม่เหล็ก
เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่าวัตถุทั้งหมดมีแม่เหล็ก: ของแข็ง ก๊าซ ของเหลว แต่สารเหล่านี้ส่วนใหญ่มีระดับการดึงดูดที่ต่ำมาก สามารถสังเกตได้โดยใช้เครื่องมือที่มีความแม่นยำสูงเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ทองคำขาว ดีบุก ไทเทเนียมถูกดึงดูดด้วยแม่เหล็ก แต่แรงดึงดูดของพวกมันนั้นน้อยกว่าเหล็กหรือเหล็กหลายแสนเท่า ใน ชีวิตธรรมดาทุกคนคิดว่าพวกเขาไม่ได้ถูกดึงดูดเลย
เหตุผลนี้คืออะไร? ประเด็นก็คือไม่ใช่ว่าสสารทุกชนิดจะมีอะตอมที่แสดงคุณสมบัติทางแม่เหล็ก อะตอมเองก็เป็นอนุภาคของสสารที่ค่อนข้างซับซ้อน มันมีนิวเคลียสหนักซึ่งมีอิเล็กตรอนหมุนอยู่ ส่วนประกอบทั้งหมดของอะตอมกำลังเคลื่อนที่และสร้างสนามแม่เหล็กรอบๆ ตัวมันเอง มิฉะนั้นเราจะพูดได้ว่าพวกเขามีบางอย่าง ช่วงเวลาแม่เหล็ก.
สนามแม่เหล็กจะรวมกันและก่อตัวเป็นโมเมนต์แม่เหล็กรวมของอะตอม อย่างไรก็ตาม มันแตกต่างจากอะตอมหนึ่งไปอีกอะตอมหนึ่ง ถ้าคุณเอา แม่เหล็กเฟอร์ริกซึ่งรวมถึงเหล็ก นิกเกิล โคบอลต์ และโลหะผสม โดยแต่ละอะตอมจะเป็นแม่เหล็กขนาดจิ๋ว แต่ในสสารอื่น โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมแทบจะใกล้ศูนย์
เป็นที่น่าสังเกตว่าในเฟอร์โรแม่เหล็กอะตอมจะรวมตัวกัน กลุ่มใหญ่- พวกเขาถูกเรียกว่า โดเมน- แต่ละโดเมนดังกล่าวมีลักษณะเฉพาะด้วยทิศทางเดียวกันของโมเมนต์แม่เหล็ก นั่นคือเราสามารถพูดได้ว่าสารเฟอร์โรแมกเนติกจะมีพื้นที่แม่เหล็กอยู่เสมอ แต่ละพื้นที่ดังกล่าวมีอะตอมหลายพันล้านอะตอม
เมื่อเฟอร์โรแมกเน็ตไม่ได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กภายนอก สนามแม่เหล็กจะไม่แสดงคุณสมบัติทางแม่เหล็ก ในสถานการณ์เช่นนี้ โมเมนต์แม่เหล็กของโดเมนจะทำให้กันและกันเป็นกลางเนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอะตอม แต่ทันทีที่แรงแม่เหล็กภายนอกปรากฏ สสารก็จะกลายเป็นแม่เหล็ก นอกจากนี้ คุณสมบัติของมันจะยังคงอยู่แม้หลังจากที่สนามแม่เหล็กภายนอกถูกลบออกไปแล้วก็ตาม ซึ่งหมายความว่าบางโดเมนจะไม่กลับสู่สภาวะวุ่นวาย แต่ยังคงมุ่งเน้นอย่างเคร่งครัด
เรากำลังพูดถึงวัตถุพาราแมกเนติก แต่นอกเหนือจากนั้น ยังมีสสารที่ไม่ดึงดูด แต่ถูกผลักออกจากแม่เหล็ก ซึ่งรวมถึงทองคำ เงิน และบิสมัท พวกมันถูกเรียกว่าไดแมกเนติก อะไรคือสาเหตุของความขัดแย้งนี้?
ความจริงก็คือเมื่อเหล็กถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก ขั้วตรงข้ามกับขั้วของแม่เหล็กจะปรากฏขึ้น แต่ทองคำหรือบิสมัทต้องผ่านกระบวนการที่แตกต่างออกไป ที่ขั้วเหนือของแม่เหล็ก ขั้วเหนือจะปรากฏขึ้น และที่ขั้วใต้ ขั้วใต้ก็ปรากฏขึ้นตามลำดับ นี่คือสาเหตุที่วัสดุไดแมกเนติกผลักกัน
นี่คือธรรมชาติของแม่เหล็กในรูปแบบที่ทั่วไปและเรียบง่ายที่สุด แต่ปรากฏการณ์อัศจรรย์นี้ยังไม่ได้รับการชี้แจงให้ครบถ้วนเพียงพอ ไม่ต้องสงสัยเลยว่าวิทยาศาสตร์ในพื้นที่นี้จะค้นพบสิ่งมหัศจรรย์อีกมากมายที่จะให้ความกระจ่างเกี่ยวกับกระบวนการและปรากฏการณ์ลึกลับ จากนั้นบางทีเราแต่ละคนจะสามารถเข้าใจและอธิบายว่าแม่เหล็กคืออะไรซึ่งเป็นหนึ่งในความลึกลับหลักของโลกรอบตัวเรา
ตลอดระยะเวลา 50 ปีที่ผ่านมา วิทยาศาสตร์ทุกแขนงได้ก้าวไปข้างหน้าอย่างรวดเร็ว แต่หลังจากอ่านวารสารหลายฉบับเกี่ยวกับธรรมชาติของแม่เหล็กและแรงโน้มถ่วง เราสามารถสรุปได้ว่าบุคคลนั้นมีคำถามมากกว่าเดิม
ธรรมชาติของแม่เหล็กและแรงโน้มถ่วง
เป็นที่ชัดเจนและชัดเจนสำหรับทุกคนว่าสิ่งของที่ถูกขว้างลงมาอย่างรวดเร็วตกลงสู่พื้น อะไรดึงดูดพวกเขา? เราสามารถสรุปได้อย่างปลอดภัยว่าพวกมันถูกดึงดูดโดยกองกำลังที่ไม่รู้จัก แรงชนิดเดียวกันนี้เรียกว่าแรงโน้มถ่วงตามธรรมชาติ หลังจากนั้นทุกคนที่สนใจจะต้องเผชิญกับข้อโต้แย้ง การคาดเดา ข้อสันนิษฐาน และคำถามมากมาย ลักษณะของแม่เหล็กคืออะไร? พวกเขาคืออะไร? ผลจากอิทธิพลของพวกเขาคืออะไร? สาระสำคัญและความถี่ของพวกเขาคืออะไร? พวกมันส่งผลกระทบอย่างไร สิ่งแวดล้อมและสำหรับแต่ละคนแยกกัน? ปรากฏการณ์นี้สามารถนำมาใช้อย่างมีเหตุผลเพื่อประโยชน์ของอารยธรรมได้อย่างไร?
แนวคิดเรื่องแม่เหล็ก
ในตอนต้นของศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ เออร์สเตด ฮันส์ คริสเตียน ค้นพบสนามแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้า- สิ่งนี้ทำให้สามารถสรุปได้ว่าธรรมชาติของสนามแม่เหล็กมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายในแต่ละอะตอมที่มีอยู่ คำถามเกิดขึ้น: ปรากฏการณ์ใดที่สามารถอธิบายธรรมชาติของแม่เหล็กโลกได้
ปัจจุบันมีการพิสูจน์แล้วว่าสนามแม่เหล็กในวัตถุที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กนั้นถูกสร้างขึ้นในระดับที่มากขึ้นโดยอิเล็กตรอน ซึ่งหมุนรอบแกนของพวกมันและรอบนิวเคลียสของอะตอมที่มีอยู่อย่างต่อเนื่อง
เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่วุ่นวายนั้นเป็นกระแสไฟฟ้าที่แท้จริงและทางเดินของมันกระตุ้นให้เกิดการสร้างสนามแม่เหล็ก เพื่อสรุปส่วนนี้ เราสามารถพูดได้อย่างปลอดภัยว่าเนื่องจากการเคลื่อนที่ที่วุ่นวายภายในอะตอม ทำให้เกิดกระแสภายในอะตอม ซึ่งในทางกลับกัน ก็มีส่วนทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก
แต่อะไรคือเหตุผลที่ว่าในเรื่องต่าง ๆ สนามแม่เหล็กมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในขนาดของมันเองรวมถึงแรงดึงดูดที่แตกต่างกัน? นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าแกนและวงโคจรการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในอะตอมสามารถอยู่ในตำแหน่งต่าง ๆ ที่สัมพันธ์กัน สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสม
ดังนั้นจึงควรสังเกตว่าสภาพแวดล้อมที่สร้างสนามแม่เหล็กมีผลกระทบโดยตรงต่อสนามแม่เหล็ก ทำให้สนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้นหรืออ่อนลง
สนามที่ทำให้สนามแม่เหล็กอ่อนลงเรียกว่าไดแมกเนติก และวัสดุที่เสริมสนามแม่เหล็กได้อ่อนมากเรียกว่าพาราแมกเนติก
คุณสมบัติทางแม่เหล็กของสาร
ควรสังเกตว่าธรรมชาติของแม่เหล็กนั้นไม่ได้เกิดจากกระแสไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังเกิดจากแม่เหล็กถาวรด้วย
แม่เหล็กถาวรสามารถสร้างขึ้นจากสสารจำนวนเล็กน้อยบนโลก แต่เป็นที่น่าสังเกตว่าวัตถุทั้งหมดที่จะอยู่ในรัศมีของสนามแม่เหล็กจะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กและกลายเป็นแม่เหล็กทันที หลังจากวิเคราะห์ข้างต้นแล้ว ควรเพิ่มว่าเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กต่อหน้าสารนั้นแตกต่างจากแม่เหล็กสุญญากาศ เวกเตอร์การเหนี่ยวนำ
สมมติฐานของแอมแปร์เกี่ยวกับธรรมชาติของแม่เหล็ก
ความสัมพันธ์ระหว่างเหตุและผลซึ่งเป็นผลมาจากการเชื่อมโยงระหว่างการครอบครองคุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัตถุได้ถูกค้นพบโดย Andre-Marie Ampère นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสผู้มีชื่อเสียงชาวฝรั่งเศส แต่สมมติฐานของ Ampere เกี่ยวกับธรรมชาติของแม่เหล็กคืออะไร?
เรื่องราวเริ่มต้นขึ้นด้วยความประทับใจอันแรงกล้าต่อสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เห็น เขาได้เห็นงานวิจัยของ Ørsted Lmyer ผู้ซึ่งเสนอแนะอย่างกล้าหาญว่าสาเหตุของสนามแม่เหล็กโลกคือกระแสน้ำที่ไหลผ่านเข้าไปเป็นประจำ โลก- มีส่วนร่วมขั้นพื้นฐานและสำคัญที่สุด: คุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัตถุสามารถอธิบายได้โดยการไหลเวียนของกระแสอย่างต่อเนื่องในพวกมัน หลังจากนั้นแอมแปร์หยิบยกข้อสรุปดังต่อไปนี้: คุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัตถุที่มีอยู่จะถูกกำหนดโดยสายโซ่ปิดของกระแสไฟฟ้าที่ไหลอยู่ข้างใน คำกล่าวของนักฟิสิกส์เป็นการกระทำที่กล้าหาญและกล้าหาญ เนื่องจากเขาขีดฆ่าการค้นพบก่อนหน้านี้ทั้งหมดด้วยการอธิบายคุณสมบัติทางแม่เหล็กของร่างกาย
การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและกระแสไฟฟ้า
สมมติฐานของแอมแปร์ระบุว่าภายในทุกอะตอมและโมเลกุลจะมีประจุกระแสไฟฟ้าพื้นฐานและหมุนเวียนอยู่ เป็นที่น่าสังเกตว่าวันนี้เรารู้แล้วว่ากระแสเหล่านั้นเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอะตอมที่วุ่นวายและต่อเนื่อง หากระนาบที่ระบุนั้นอยู่ในตำแหน่งแบบสุ่มโดยสัมพันธ์กันเนื่องจากการเคลื่อนที่ทางความร้อนของโมเลกุล กระบวนการของพวกมันจะได้รับการชดเชยร่วมกันและไม่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กอย่างแน่นอน และในวัตถุที่มีแม่เหล็ก กระแสที่ง่ายที่สุดมีจุดมุ่งหมายเพื่อให้แน่ใจว่าการกระทำของพวกมันสอดคล้องกัน
สมมติฐานของแอมแปร์สามารถอธิบายได้ว่าทำไมเข็มและเฟรมแม่เหล็กที่มีกระแสไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กจึงมีพฤติกรรมเหมือนกัน ในทางกลับกันลูกศรควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นวงจรที่ซับซ้อนขนาดเล็กที่มีกระแสไฟฟ้าซึ่งมีทิศทางเหมือนกัน
กลุ่มพิเศษที่สนามแม่เหล็กได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเรียกว่าเฟอร์โรแมกเนติก วัสดุเหล่านี้ได้แก่ เหล็ก นิกเกิล โคบอลต์ และแกโดลิเนียม (และโลหะผสมของพวกมัน)
แต่จะอธิบายธรรมชาติของแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรได้อย่างไร? สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยเฟอร์ริกแม่เหล็กไม่เพียงแต่เป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังเป็นผลมาจากการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายของพวกมันด้วย
โมเมนตัม (โมเมนตัมการหมุนของมันเอง) ได้รับชื่อ - การหมุน อิเล็กตรอนหมุนรอบแกนของพวกมันตลอดการดำรงอยู่ของมัน และเมื่อมีประจุ จะสร้างสนามแม่เหล็กพร้อมกับสนามที่เกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของวงโคจรรอบนิวเคลียส
อุณหภูมิของมารี กูรี
อุณหภูมิที่สารเฟอร์โรแมกเนติกสูญเสียการดึงดูดแม่เหล็กไปนั้นได้รับชื่อเฉพาะว่าอุณหภูมิกูรี ท้ายที่สุดแล้ว นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสชื่อนี้เป็นผู้ค้นพบสิ่งนี้ เขามาถึงข้อสรุป: หากคุณให้ความร้อนกับวัตถุแม่เหล็กอย่างมีนัยสำคัญ มันจะสูญเสียความสามารถในการดึงดูดวัตถุที่ทำจากเหล็ก
Ferromagnets และการใช้งาน
แม้ว่าจะมีตัวแม่เหล็กไฟฟ้าไม่มากในโลก แต่คุณสมบัติทางแม่เหล็กของพวกมันก็มีมาก การประยุกต์ใช้จริงและความหมาย แกนกลางในขดลวดทำจากเหล็กหรือเหล็กกล้า ช่วยเพิ่มสนามแม่เหล็กเป็นทวีคูณ โดยที่ไม่เกินการใช้กระแสไฟฟ้าในขดลวด ปรากฏการณ์นี้ช่วยประหยัดพลังงานได้อย่างมาก แกนทำจากวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกโดยเฉพาะ และไม่สำคัญว่าชิ้นส่วนนี้จะถูกนำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์ใด
วิธีการบันทึกข้อมูลแบบแม่เหล็ก
วัสดุเฟอร์โรแมกเนติกถูกนำมาใช้เพื่อผลิตเทปแม่เหล็กชั้นหนึ่งและฟิล์มแม่เหล็กขนาดเล็ก เทปแม่เหล็กมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการบันทึกเสียงและวิดีโอ
เทปแม่เหล็กเป็นฐานพลาสติกที่ประกอบด้วยโพลีไวนิลคลอไรด์หรือส่วนประกอบอื่นๆ มีการทาเลเยอร์ทับซึ่งเป็นสารเคลือบเงาแม่เหล็กซึ่งประกอบด้วยอนุภาคเหล็กหรือวัสดุแม่เหล็กไฟฟ้าอื่น ๆ ที่มีรูปร่างคล้ายเข็มขนาดเล็กมาก
กระบวนการบันทึกเสียงดำเนินการบนเทปเนื่องจากสนามอาจมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาเนื่องจากการสั่นสะเทือนของเสียง ผลจากการเคลื่อนที่ของเทปใกล้กับหัวแม่เหล็ก ทำให้แต่ละส่วนของฟิล์มถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก
ธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงและแนวคิดของมัน
ประการแรกเป็นที่น่าสังเกตว่าแรงโน้มถ่วงและแรงของมันนั้นอยู่ภายใต้กฎแรงโน้มถ่วงสากล ซึ่งระบุว่า: จุดวัตถุสองจุดดึงดูดกันด้วยแรงที่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของมวลและแปรผกผันกับกำลังสองของจุดวัตถุนั้น ระยะห่างระหว่างพวกเขา
วิทยาศาสตร์สมัยใหม่เริ่มพิจารณาแนวคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงแตกต่างออกไปเล็กน้อยและอธิบายว่าเป็นการกระทำของสนามโน้มถ่วงของโลกเองซึ่งน่าเสียดายที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้กำหนดต้นกำเนิดของมันเอง
เมื่อสรุปทั้งหมดข้างต้น ฉันอยากจะทราบว่าทุกสิ่งในโลกของเราเชื่อมโยงกันอย่างใกล้ชิด และไม่มีความแตกต่างที่มีนัยสำคัญระหว่างแรงโน้มถ่วงและแม่เหล็ก ท้ายที่สุดแล้ว แรงโน้มถ่วงก็มีแม่เหล็กเหมือนกัน เพียงแต่มีไม่มากนัก บนโลกคุณไม่สามารถแยกวัตถุออกจากธรรมชาติได้ - แม่เหล็กและแรงโน้มถ่วงถูกรบกวนซึ่งในอนาคตอาจทำให้ชีวิตของอารยธรรมมีความซับซ้อนมากขึ้น เราควรเก็บเกี่ยวผลจากการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ของนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่และมุ่งมั่นเพื่อความสำเร็จใหม่ ๆ แต่ควรใช้ข้อมูลทั้งหมดอย่างมีเหตุผล โดยไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อธรรมชาติและมนุษยชาติ
14. การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก หลักการซ้อนทับของสนามแม่เหล็ก กำลังแอมแปร์ ลอเรนซ์ ฟอร์ซ. เครื่องมือวัดทางไฟฟ้า คุณสมบัติทางแม่เหล็กของสสาร
ปรากฏการณ์ทางแม่เหล็ก
ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นปฏิกิริยาระหว่างวัตถุในระยะไกล ปฏิสัมพันธ์เหล่านี้แสดงออกมาในการเกิดขึ้น แรงทางกลและโมเมนต์ของแรงที่กระทำระหว่างร่างกายความแตกต่างระหว่างปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กนั้นแสดงออกมาเช่นในความเป็นจริงสำหรับการแยก ค่าไฟฟ้าคุณสามารถถูวัตถุต่างๆ กัน แต่เพื่อให้ได้แม่เหล็ก การถูวัตถุกันนั้นไม่มีประโยชน์ ด้วยการห่อวัตถุที่มีประจุด้วยผ้าเปียก คุณสามารถทำลายประจุไฟฟ้าได้ ขั้นตอนเดียวกันนี้กับแม่เหล็กจะไม่ทำให้คุณสมบัติทางแม่เหล็กหายไป การทำแม่เหล็กให้วัสดุแม่เหล็กโดยมีแม่เหล็กอื่นอยู่ด้วยไม่ส่งผลให้ประจุไฟฟ้าแยกตัว การโต้ตอบของวัตถุทั้งสองประเภทนี้ในระยะไกลไม่สามารถลดลงให้กันและกันได้
การศึกษาทดลองแม่เหล็กและ วัสดุต่างๆแสดงว่าวัตถุบางอย่างมีอยู่เสมอ คุณสมบัติทางแม่เหล็กกล่าวคือ พวกมันคือ "แม่เหล็กถาวร" และวัตถุอื่นๆ จะมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กเมื่อมีแม่เหล็กถาวรเท่านั้น นอกจากนี้ยังมีวัสดุที่ไม่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กเด่นชัดนั่นคือไม่ถูกดึงดูดหรือผลักไสด้วยแม่เหล็กถาวรที่แข็งแกร่ง คุณสมบัติทางแม่เหล็กภายในและเหนี่ยวนำของวัตถุทำให้เกิดผลที่คล้ายกัน ตัวอย่างเช่น แม่เหล็กแถบถาวร ตัวอย่างซึ่งมักจะพบในห้องเรียนฟิสิกส์ทุกแห่งของโรงเรียนใดๆ เมื่อแขวนไว้ในแนวนอน จะถูกวางให้ปลายชี้ไปทางเหนือและใต้ คุณสมบัติของแม่เหล็กเพียงอย่างเดียวนี้มีประโยชน์ต่อมนุษย์เป็นอย่างมาก เข็มทิศถูกประดิษฐ์ขึ้นเมื่อนานมาแล้ว แต่การศึกษาเชิงปริมาณเกี่ยวกับคุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัตถุและการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ของคุณสมบัติเหล่านี้ดำเนินการเฉพาะในศตวรรษที่ 18 และ 19 เท่านั้น
ลองจินตนาการว่าเรามีแม่เหล็ก "ยาว" ซึ่งมีขั้วที่อยู่ห่างจากกันมาก ถ้าขั้วสองขั้วที่มีแม่เหล็กต่างกันสองขั้ววางใกล้กัน และขั้วที่สองของแม่เหล็กเดียวกันนั้นอยู่ห่างจากกัน ปฏิกิริยาระหว่างแรงระหว่างขั้วใกล้จะอธิบายโดยใช้สูตรเดียวกันกับในกฎของคูลอมบ์สำหรับสนามไฟฟ้าสถิต . แต่ละขั้วของแม่เหล็กสามารถกำหนดประจุแม่เหล็กได้ ซึ่งจะกำหนดลักษณะ "ทิศเหนือ" หรือ "ทิศใต้" ของมัน เป็นไปได้ที่จะเกิดขั้นตอนซึ่งรวมถึงการวัดแรงหรือโมเมนต์ของแรง ซึ่งจะช่วยให้สามารถเปรียบเทียบ "ประจุ" แม่เหล็กของแม่เหล็กใดๆ กับมาตรฐานได้ โครงสร้างทางจิตนี้ช่วยให้เราสามารถแก้ปัญหาในทางปฏิบัติได้ โดยมีเงื่อนไขว่าเรายังไม่ได้ถามตัวเองว่าแม่เหล็กแถบยาวทำงานอย่างไร นั่นคือสิ่งที่อยู่ภายในแม่เหล็กในพื้นที่ของพื้นที่ที่เชื่อมต่อขั้วแม่เหล็กทั้งสอง
คุณสามารถป้อนหน่วยประจุแม่เหล็กได้ ขั้นตอนที่ง่ายที่สุดในการกำหนดหน่วยดังกล่าวคือสมมติว่าแรงกระทำระหว่างขั้วแม่เหล็ก "จุด" สองขั้วของประจุแม่เหล็กหนึ่งหน่วยซึ่งอยู่ห่างจากกัน 1 เมตรจะเท่ากับ 1 นิวตัน เนื่องจากความพยายามที่จะแยกขั้วแม่เหล็กออกไม่สำเร็จเสมอไป กล่าวคือ ณ ตำแหน่งที่แถบแม่เหล็กถูกตัด ขั้วแม่เหล็กสองขั้วที่อยู่ตรงข้ามกันก็ปรากฏขึ้นเสมอ โดยมีขนาดเท่ากับขนาดของขั้วปลายทุกประการ สรุปได้ว่า ขั้วแม่เหล็กจะมีอยู่เป็นคู่เท่านั้น ดังนั้น แม่เหล็กแถบยาวใดๆ จึงสามารถแสดงเป็นแม่เหล็กที่สั้นกว่าซึ่งจัดเรียงเป็นโซ่ได้ ในทำนองเดียวกัน แม่เหล็กใดๆ ที่มีขนาดจำกัดสามารถแสดงในรูปแบบของแม่เหล็กสั้นจำนวนมากที่กระจายไปทั่วอวกาศ
เพื่ออธิบายปฏิกิริยาระหว่างแรงระหว่างประจุไฟฟ้าและแม่เหล็ก แนวคิดเดียวกันนี้จึงถูกนำมาใช้เกี่ยวกับการมีอยู่ของสนามเวกเตอร์แรงบางอย่างในอวกาศ ในกรณี "ไฟฟ้า" เวกเตอร์ที่สอดคล้องกันเรียกว่าเวกเตอร์ ความตึงเครียด สนามไฟฟ้า อี - สำหรับกรณี "แม่เหล็ก" เวกเตอร์ที่สอดคล้องกันจะเรียกว่าเวกเตอร์ การเหนี่ยวนำ สนามแม่เหล็ก ใน . (1)
ฟิลด์ในทั้งสองกรณีสามารถอธิบายได้ด้วยการกระจายตัวของ "เวกเตอร์แรง" ในอวกาศ สำหรับขั้วแม่เหล็กทิศเหนือ ทิศทางของแรงที่กระทำต่อขั้วแม่เหล็กจากสนามแม่เหล็กจะสอดคล้องกับทิศทางของเวกเตอร์ ใน และสำหรับขั้วโลกใต้ แรงจะพุ่งตรงข้ามกับเวกเตอร์นี้ หากขนาดของ "ประจุแม่เหล็ก" โดยคำนึงถึงเครื่องหมาย ("เหนือ" หรือ "ใต้") แสดงด้วยสัญลักษณ์ N ดังนั้นแรงที่กระทำต่อประจุแม่เหล็กจากสนามแม่เหล็กจะเท่ากับ เอฟ =น บี .
เช่นเดียวกับสิ่งที่เราทำเมื่ออธิบายอันตรกิริยาของประจุไฟฟ้าผ่านสนาม เรายังทำเมื่ออธิบายอันตรกิริยาของประจุแม่เหล็กด้วย สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยประจุแม่เหล็กแบบจุดในพื้นที่โดยรอบนั้นอธิบายได้ด้วยสูตรเดียวกันกับในกรณีของสนามไฟฟ้า
บี = เค ม เอ็น ร /ร3 .
ค่าคงที่ K m คือสัมประสิทธิ์สัดส่วนที่ขึ้นอยู่กับการเลือกระบบหน่วย สำหรับอันตรกิริยาของประจุแม่เหล็ก กฎของคูลอมบ์ก็ใช้ได้เช่นกัน และหลักการของการซ้อนก็ใช้ได้เช่นกัน
ขอให้เราระลึกว่ากฎของคูลอมบ์ (หรือกฎแรงโน้มถ่วงสากล) และทฤษฎีบทของเกาส์นั้นเป็นพี่น้องฝาแฝดกัน เนื่องจากไม่มีขั้วแม่เหล็กแยกกัน และแม่เหล็กใดๆ ก็สามารถแสดงเป็นคู่ของขั้วตรงข้ามและมีขนาดเท่ากันได้ ในกรณีของสนามแม่เหล็ก ฟลักซ์ของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กผ่านพื้นผิวปิดใดๆ เป็นศูนย์เสมอ
เรากำลังพูดถึงปรากฏการณ์แม่เหล็กและใช้แนวคิดเรื่องประจุแม่เหล็กราวกับว่ามีอยู่จริง อันที่จริง นี่เป็นเพียงวิธีหนึ่งในการอธิบายสนามแม่เหล็กในอวกาศ (อธิบายปฏิสัมพันธ์ของแม่เหล็ก) เมื่อเราทราบคุณสมบัติของสนามแม่เหล็กโดยละเอียดแล้ว เราจะหยุดใช้วิธีนี้ เราต้องการมันเหมือนกับผู้สร้างป่าเพื่อสร้างอาคาร เมื่อการก่อสร้างเสร็จสิ้น นั่งร้านจะถูกรื้อออกและไม่สามารถมองเห็นหรือจำเป็นอีกต่อไป
สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือสนามแม่เหล็ก (คงที่) ไม่มีผลกระทบต่อประจุไฟฟ้าที่อยู่นิ่ง (หรือไดโพล) และสนามไฟฟ้า (คงที่) ไม่มีผลกระทบต่อประจุแม่เหล็กนิ่ง (หรือไดโพล) สถานการณ์เหมือนกับว่าเขตข้อมูลมีอยู่อย่างเป็นอิสระจากกัน อย่างไรก็ตาม ดังที่เราทราบ สันติภาพนั้นเป็นแนวคิดที่สัมพันธ์กัน เมื่อเลือกระบบอ้างอิงอื่น ร่างกายที่ "พัก" อาจ "เคลื่อนไหว" ได้ ปรากฎว่าสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเป็นสิ่งที่รวมกันเป็นหนึ่งเดียว และแต่ละสนามก็แสดงถึงด้านที่แตกต่างกันของเหรียญเดียวกัน
ตอนนี้เราพูดถึงความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กได้อย่างง่ายดาย แต่จนถึงต้นศตวรรษที่ 19 ปรากฏการณ์ไฟฟ้าและแม่เหล็กไม่ถือว่าเกี่ยวข้องกัน พวกเขาเดาเกี่ยวกับการเชื่อมต่อนี้และมองหาการยืนยันการทดลอง ตัวอย่างเช่น นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Arago ได้รวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับเรือที่ออกนอกเส้นทางหลังจากฟ้าผ่าใส่เรือ “สายฟ้าคือเข็มทิศที่หัก” – มีความเชื่อมโยงกัน แต่จะทำการทดลองซ้ำได้อย่างไร? พวกเขายังไม่รู้วิธีสร้างฟ้าผ่า ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะทำการศึกษาอย่างเป็นระบบ
จุดเริ่มต้นในการทำความเข้าใจความเชื่อมโยงระหว่างปรากฏการณ์เหล่านี้คือการค้นพบที่เกิดขึ้นในปี 1820 โดย Dane Hans Christian Oersted อิทธิพลของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเส้นลวดตรงยาวต่อการวางแนวของเข็มแม่เหล็กที่สามารถเคลื่อนย้ายซึ่งอยู่ติดกับเส้นลวดได้ถูกสร้างขึ้น ลูกศรมีแนวโน้มที่จะตั้งฉากกับเส้นลวด ปรากฏการณ์ตรงกันข้าม: อิทธิพลของสนามแม่เหล็กต่อกระแสไฟฟ้าถูกค้นพบโดยแอมแปร์
ขดลวดแบนขนาดเล็กที่มีประสบการณ์ในปัจจุบันทั้งแรงและผลการวางแนวในสนามแม่เหล็ก หากสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ แรงทั้งหมดที่กระทำต่อขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าจะเป็นศูนย์ และขดลวดจะอยู่ในตำแหน่ง (รับตำแหน่งสมดุล) โดยที่ระนาบของมันจะตั้งฉากกับทิศทางของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก ในการสร้างหน่วยของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก ก็สามารถใช้ปรากฏการณ์ทางกลนี้ได้
ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าหลังปี ค.ศ. 1820 คุณลักษณะหลักของปฏิสัมพันธ์ของตัวนำที่มีกระแสไหลผ่านซึ่งกันและกันและกับแม่เหล็กถาวรได้รับการชี้แจง ปัจจุบันบางส่วนเรียกว่ากฎหมาย กฎหมายเหล่านี้เกี่ยวข้องกับชื่อของนักฟิสิกส์ Ampere, Biot, Savart, Laplace ข้อสรุปทั่วไปส่วนใหญ่จากกฎปฏิสัมพันธ์ที่กำหนดไว้คือ:
- อนุภาคที่มีประจุจะสร้างสนามไฟฟ้าในอวกาศรอบตัวพวกมัน
- สนามไฟฟ้ามีผลเช่นเดียวกันกับอนุภาคที่มีประจุ ไม่ว่าจะเคลื่อนที่หรืออยู่นิ่ง
- อนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่จะสร้างสนามแม่เหล็กในอวกาศรอบตัวพวกมัน
- สนามแม่เหล็กออกแรงกับอนุภาคที่มีประจุที่กำลังเคลื่อนที่ และไม่กระทำการกับอนุภาคที่มีประจุที่อยู่นิ่ง
- สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยอนุภาคที่มีประจุ เมื่อตำแหน่งและสถานะการเคลื่อนที่ของอนุภาคเปลี่ยนแปลง จะไม่เปลี่ยนแปลงทันทีทั่วทั้งอวกาศ แต่มีความล่าช้า
ในขณะที่ศึกษากลศาสตร์ เราใช้กฎของนิวตัน ซึ่งเป็นไปตามที่จุดวัสดุเคลื่อนที่ด้วยความเร่งในกรอบอ้างอิงเฉื่อยใด ๆ จะมีการเร่งความเร็วเท่ากันใน ISO อื่น ๆ ทั้งหมด โดยไม่คำนึงถึงตัวเลือก ตอนนี้เป็นที่ชัดเจนว่าสนามแม่เหล็กส่งผลต่ออนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่เท่านั้น ลองจินตนาการว่าใน ISO บางตัว อนุภาคที่มีประจุจะเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก แต่ไม่มีสนามไฟฟ้า ให้เราถ่ายโอนไปยังระบบอ้างอิงเฉื่อยอื่นซึ่ง ในขณะนี้เวลา อนุภาคดังกล่าวมีความเร็วเป็นศูนย์ อิทธิพลของแรงจากสนามแม่เหล็กหายไป และอนุภาคยังต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง!!! มีบางอย่างผิดปกติในราชอาณาจักรเดนมาร์ก! เพื่อให้อนุภาคที่มีประจุที่อยู่นิ่งในช่วงเวลาหนึ่งมีความเร่ง จะต้องอยู่ในสนามไฟฟ้า!
ปรากฎว่าสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กไม่สัมบูรณ์ แต่ขึ้นอยู่กับการเลือกระบบอ้างอิง การมีอยู่ของปฏิสัมพันธ์เป็นสิ่งที่แน่นอน แต่วิธีการอธิบายในลักษณะ "ไฟฟ้า" หรือ "แม่เหล็ก" ขึ้นอยู่กับการเลือกระบบอ้างอิง ดังนั้นเราต้องเข้าใจว่าสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กไม่เป็นอิสระจากกัน ที่จริงแล้ว การพิจารณาสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเพียงสนามเดียวก็ถูกต้องแล้ว โปรดทราบว่าคำอธิบายที่ถูกต้องของฟิลด์ต่างๆ ระบุไว้ในทฤษฎีของ James Clerk Maxwell สมการในทฤษฎีนี้เขียนขึ้นในลักษณะที่รูปแบบของมันไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อย้ายจากระบบอ้างอิงเฉื่อยระบบหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่ง นี่เป็นทฤษฎี "สัมพัทธภาพ" ทฤษฎีแรกในวิชาฟิสิกส์
กระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก
ย้อนกลับไปในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 ในระหว่างการสาธิตในการบรรยายที่มหาวิทยาลัย G.H. เออร์สเตดเองหรือด้วยความช่วยเหลือจากนักเรียนสังเกตเห็นว่าเข็มแม่เหล็กที่เกิดขึ้นใกล้กับเส้นลวดเปลี่ยนตำแหน่งเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเส้นลวด การศึกษาปรากฏการณ์อย่างละเอียดมากขึ้นแสดงให้เห็นว่า ขึ้นอยู่กับขนาดและทิศทางของกระแสในเส้นลวดตรงยาว เข็มแม่เหล็กจะถูกวางแนวตามที่แสดงในภาพ:เส้นเหนี่ยวนำจะถูกปิด และในกรณีของตัวนำตรงยาวที่ส่งกระแสไฟฟ้า เส้นปิดเหล่านี้จะมีรูปทรงเป็นวงกลมซึ่งอยู่ในระนาบตั้งฉากกับตัวนำที่ส่งกระแสไฟฟ้า จุดศูนย์กลางของวงกลมเหล่านี้อยู่บนแกนของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ทิศทางของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กใน จุดที่กำหนดช่องว่าง (แทนเจนต์กับเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็ก) ถูกกำหนดโดยกฎของ "สกรูด้านขวา" (วงแหวน สกรู เกลียวเหล็กไขจุก) ทิศทางที่เหล็กไขจุกดังแสดงในรูปภาพเคลื่อนที่เมื่อหมุนรอบแกนของมัน สอดคล้องกับทิศทางของกระแสในเส้นลวดตรงยาว และทิศทางที่เหล็กไขจุก จุดสูงสุดที่จับนั้นสอดคล้องกับทิศทางของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กในตำแหน่งที่ปลายของด้ามจับอยู่
สำหรับการวาดภาพแผนผังที่มีวงกลมมีศูนย์กลางร่วมกัน อนุภาคที่มีประจุในเส้นลวดที่ตั้งฉากกับระนาบของการวาดจะเคลื่อนที่ไปตามเส้นลวดนี้ และหากอนุภาคที่มีประจุบวกกำลังเคลื่อนที่ พวกมันก็จะเคลื่อนที่ "ออกไปจากเราเลยระนาบนี้" หากอิเล็กตรอนที่มีประจุลบเคลื่อนที่ในเส้นลวด พวกมันก็จะเคลื่อนที่ไปตามเส้นลวดด้วย แต่ "เข้าหาเราจากใต้ระนาบของภาพวาด"
ปัจจัยรบกวนคือสนามแม่เหล็กของโลก ยิ่งกระแสไฟฟ้าในเส้นลวดมีมากขึ้น ลูกศรก็จะยิ่งมีทิศทางที่แม่นยำมากขึ้นในทิศทางของเส้นสัมผัสของวงกลมโดยให้จุดศูนย์กลางอยู่ที่ตำแหน่งของเส้นลวด ข้อสรุปค่อนข้างชัดเจน - มีสนามแม่เหล็กปรากฏขึ้นรอบตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า ลูกศรแม่เหล็กเรียงกันตามแนวเวกเตอร์การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก
ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน เข็มแม่เหล็ก (แม่เหล็กหรือสนามแม่เหล็กของตัวมันเอง) จะทำหน้าที่กับตัวนำที่พากระแสไฟฟ้าไปด้วย ปรากฎว่าในส่วนตรงของตัวนำที่มีความยาว L ซึ่งกระแสที่ฉันไหลผ่านจากด้านข้างของสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอพร้อมการเหนี่ยวนำ ใน แรงที่เป็นสัดส่วนกับการกระทำของ L, I และ B และทิศทางของแรงขึ้นอยู่กับการวางแนวสัมพัทธ์ของเวกเตอร์ ล และ ใน - เวกเตอร์ ล เกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของความเร็วของอนุภาคที่มีประจุบวกซึ่งสร้างกระแสไฟฟ้าในเส้นลวดชิ้นนี้ พลังนี้ได้รับการตั้งชื่อตามหนึ่งในนักวิจัยที่กระตือรือร้นเกี่ยวกับปรากฏการณ์แม่เหล็ก - A.M. แอมแปร์
เอฟ =เค ฉัน [ ล × บี ].
โดยที่ K คือสัมประสิทธิ์สัดส่วน วงเล็บเหลี่ยมหมายถึง ผลิตภัณฑ์เวกเตอร์เวกเตอร์สองตัว หากตัวนำไม่ตรงและสนามแม่เหล็กไม่สม่ำเสมอในกรณีนี้เพื่อหาแรงที่กระทำต่อตัวนำที่มีกระแสไหลคุณจะต้องแบ่งมัน (ทางจิตใจ) ออกเป็นส่วนเล็ก ๆ จำนวนมาก สำหรับแต่ละส่วนเล็กๆ เราสามารถสรุปได้ว่าอยู่ในช่องที่สม่ำเสมอ แรงทั้งหมดหาได้จากการรวมแรงแอมแปร์เหนือส่วนเหล่านี้ทั้งหมด
ปฏิสัมพันธ์ของตัวนำกับกระแส
กระแสไฟฟ้าในเส้นลวดสร้างสนามแม่เหล็กในพื้นที่โดยรอบ และสนามแม่เหล็กนี้จะออกแรงกับลวดอีกเส้นหนึ่งด้วยกระแสไฟฟ้า (2) ในระบบ SI ของหน่วย หน่วยของกระแส 1 แอมแปร์ถูกกำหนดจากแรงกระทำระหว่างตัวนำขนานกับกระแส ตัวนำขนานยาวบางสองตัวซึ่งอยู่ห่างจากกัน 1 เมตรซึ่งกระแสคงที่เหมือนกันในทิศทางเดียวกันไหลด้วยแรง 1 แอมแปร์ถูกดึงดูดเข้าหากันด้วยแรง 2 × 10 -7 นิวตันสำหรับ ความยาวของตัวนำแต่ละเมตรในระบบ SI ในสูตรสำหรับแรงแอมแปร์ ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วน K จะถูกเลือกเท่ากับความสามัคคี:
เอฟ =ฉัน [ ล × บี ].
ลอเรนซ์ ฟอร์ซ
หากเราแทนสูตรสำหรับแรงแอมแปร์แทนการแสดงออกของขนาดของกระแสไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วยคำศัพท์ที่สร้างขึ้นโดยอนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่แต่ละอนุภาค เราก็สามารถสรุปได้ว่าในสนามแม่เหล็ก แรงกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่แต่ละอนุภาค:เอฟ = คิว [ โวลต์ × ใน ].
ในที่ที่มีทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในอวกาศ อนุภาคที่มีประจุจะประสบกับแรง:
เอฟ = คิว [ โวลต์ × ใน ] + ถาม อี .
แรงที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกว่าแรงลอเรนซ์ การแสดงออกของแรงนี้ใช้ได้เสมอ และไม่ใช่เฉพาะกับสนามที่อยู่นิ่งเท่านั้น
หากเราคำนวณการทำงานของแรงลอเรนซ์ที่เกิดขึ้นระหว่างการเคลื่อนที่เบื้องต้นของอนุภาค การแสดงออกของแรงจะต้องคูณด้วยผลคูณสเกล โวลต์ ∆t เทอมแรกในสูตรสำหรับแรงลอเรนซ์คือเวกเตอร์ที่ตั้งฉากกับความเร็วของอนุภาค ดังนั้นให้คูณด้วย โวลต์ Δt ให้ศูนย์
ดังนั้นองค์ประกอบแม่เหล็กของแรงลอเรนซ์จึงไม่ทำงานใด ๆ เมื่อเคลื่อนที่อนุภาคที่มีประจุ เนื่องจากการกระจัดเบื้องต้นที่สอดคล้องกันและองค์ประกอบแม่เหล็กของแรงจะตั้งฉากกันเสมอ
สนามแม่เหล็กใดที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า?
การทดลองของ Biot และ Savart และ งานเชิงทฤษฎีลาปลาซ(ทั้งหมด – นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส) นำไปสู่การได้มาของสูตรในการค้นหาการมีส่วนร่วมของส่วนเล็ก ๆ แต่ละส่วนของตัวนำที่มีกระแสไหลไปสู่ "สาเหตุทั่วไป" - สู่การสร้างเวกเตอร์การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก ณ จุดที่กำหนดในอวกาศ..เมื่อได้รับ (แม่นยำยิ่งขึ้น: การเลือก) สูตรทั่วไป มีการสันนิษฐานว่าสนามรวมประกอบด้วยแต่ละส่วนและเป็นไปตามหลักการของการซ้อนทับนั่นคือสนามที่สร้างขึ้นโดยส่วนต่าง ๆ ของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้ารวมกัน เป็นเวกเตอร์ ทุกส่วนของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า และในความเป็นจริงทุกอนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ จะสร้างสนามแม่เหล็กในพื้นที่โดยรอบ สนามผลลัพธ์ที่จุดที่กำหนดเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการเพิ่มเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยแต่ละส่วนของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า
องค์ประกอบเบื้องต้นของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก Δ ใน สร้างขึ้นโดยส่วนเล็กๆ ของตัวนำ Δ ล โดยกระแส I อยู่ที่จุดหนึ่งในอวกาศซึ่งตำแหน่งแตกต่างจากตัวนำส่วนนี้ตามเวกเตอร์ ร เป็นไปตามสูตร:
Δ ใน = (μ 0 /4π) ฉัน [Δ ล × ร ]/ร 3 .
ที่นี่ [∆ ล × ร ] คือผลคูณเวกเตอร์ของเวกเตอร์สองตัว ค่าสัมประสิทธิ์มิติ (μ 0 /4π) ถูกนำมาใช้ในรูปแบบนี้ในระบบ SI เพื่อความสะดวกซึ่งเราทำซ้ำใน ฟิสิกส์ของโรงเรียนอย่าปรากฏตัวเลย
สนามที่สร้างโดยตัวนำ แบบฟอร์มอิสระตามปกติ พบได้จากการรวมเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กเบื้องต้นที่สร้างขึ้นโดยส่วนเล็กๆ ของตัวนำนี้ ผลการทดลองทั้งหมดที่มีกระแสตรงยืนยันการคาดการณ์ที่ได้รับโดยใช้สูตรที่เขียนไว้ข้างต้นซึ่งมีชื่อ: Biot - Savart - Laplace
เรามาจำคำจำกัดความของกระแสที่เราแนะนำในภาคการศึกษาที่แล้วกัน กระแสคือการไหลของเวกเตอร์ความหนาแน่นกระแสผ่านพื้นผิวที่เลือก สูตรในการค้นหาความหนาแน่นกระแสประกอบด้วยผลรวมของอนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ทั้งหมด:
เจ = Σq ฉัน โวลต์ ฉัน /วี ฉัน=( จส )
ดังนั้น สูตร Biot–Savart–Laplace จึงรวมผลิตภัณฑ์ไว้ด้วย (Δ ฉัน ส ) และนี่คือปริมาตรของตัวนำที่อนุภาคมีประจุเคลื่อนที่
เราสามารถสรุปได้ว่าสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยพื้นที่ที่มีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการกระทำรวมกันของอนุภาคที่มีประจุทั้งหมดในบริเวณนี้ การมีส่วนร่วมของแต่ละอนุภาคที่มีประจุ q และเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว โวลต์ เท่ากับ:
ใน = (μ 0 /4π) q [ โวลต์ × ร ]/R 3 = μ 0 ε 0 [ โวลต์ × อี ],
ที่ไหน อี = ถาม ร /(4πε 0 R 3).
ที่นี่ ร เป็นเวกเตอร์รัศมี โดยจุดเริ่มต้นอยู่ที่จุดที่อนุภาคตั้งอยู่ และจุดสิ้นสุดของเวกเตอร์อยู่ที่จุดในอวกาศที่ต้องการสนามแม่เหล็ก ส่วนที่สองของสูตรแสดงให้เห็นว่าสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยอนุภาคมีประจุที่จุดเดียวกันในอวกาศมีความสัมพันธ์กันอย่างไร
อี - สนามไฟฟ้าที่เกิดจากอนุภาคเดียวกัน ณ จุดเดียวกันในอวกาศ ไมโคร 0 =
4π×10 -7 H/m - ค่าคงที่แม่เหล็ก
"ความไม่เป็นศูนย์กลาง" ของแรงปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า
หากเราพิจารณาอันตรกิริยาของจุดสองจุดที่เคลื่อนที่อนุภาคที่มีประจุเหมือนกัน เราจะดึงความสนใจไปที่ข้อเท็จจริงที่ว่าแรงที่อธิบายปฏิกิริยานี้ไม่ได้มุ่งไปตามเส้นตรงที่เชื่อมอนุภาค แท้จริงแล้วส่วนทางไฟฟ้าของแรงปฏิสัมพันธ์นั้นพุ่งไปตามเส้นตรงนี้ แต่ส่วนแม่เหล็กไม่ได้เป็นเช่นนั้นให้อนุภาคอื่นๆ ทั้งหมดอยู่ห่างจากอนุภาคคู่นี้มาก เพื่ออธิบายปฏิสัมพันธ์นี้ เราเลือกระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับจุดศูนย์กลางมวลของอนุภาคเหล่านี้
ผลรวมของแรงไฟฟ้าภายในเป็นศูนย์อย่างเห็นได้ชัด เนื่องจากมีทิศทางตรงกันข้าม อยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกันและมีขนาดเท่ากัน
ผลรวมของแรงแม่เหล็กก็เป็นศูนย์เช่นกัน:
ค μ 0 ε 0 [ โวลต์ 2 [โวลต์ 1 × อี 1 ]] + คμ 0 ε 0 [ โวลต์ 1 [โวลต์ 2 × อี 2 ]] = 0
โวลต์ 2 = – โวลต์ 1 ; อี 1 = – อี 2 .
แต่ผลรวมของโมเมนต์ของแรงภายในอาจไม่เท่ากับศูนย์:
ค μ 0 ε 0 [ ร 12 [โวลต์ 2 [โวลต์ 1 × อี 1 ]]] = คิวμ 0 ε 0 [ โวลต์ 1 × อี 1 ](ร 12 โวลต์ 2 ).
อาจดูเหมือนว่ามีการค้นพบตัวอย่างที่หักล้างกฎข้อที่สามของนิวตัน อย่างไรก็ตามควรสังเกตว่ากฎข้อที่สามนั้นได้รับการกำหนดขึ้นในรูปแบบแบบจำลองโดยมีผู้เข้าร่วมเพียงสองคนในการโต้ตอบและไม่ได้คำนึงถึงธรรมชาติของการถ่ายทอดปฏิสัมพันธ์ในระยะไกล แต่อย่างใด ในกรณีนี้ มีผู้เข้าร่วม 3 คน: อนุภาค 2 ตัวและสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในอวกาศรอบตัวพวกเขา หากระบบถูกแยกออกกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมและโมเมนตัมเชิงมุมโดยรวมก็เป็นไปตามนั้นเนื่องจากไม่เพียง แต่อนุภาคเท่านั้น แต่สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเองก็มีลักษณะการเคลื่อนที่เหล่านี้ด้วย จากนี้ไปจำเป็นต้องพิจารณาปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่โดยคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในอวกาศ เราจะหารือ (ในหัวข้อต่อไปนี้) เกี่ยวกับการเกิดขึ้นและการแพร่กระจายในอวกาศ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของอนุภาคที่มีประจุ
หากเราเลือกระบบอ้างอิงอื่นซึ่งโมดูลัสของความเร็วของอนุภาคเหล่านี้ v 1 และ v 2 ดังนั้นอัตราส่วนของโมดูลัสของส่วนประกอบแม่เหล็กของแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคและส่วนประกอบทางไฟฟ้าจะน้อยกว่าหรือเท่ากับ ค่า:
ซึ่งหมายความว่าที่ความเร็วอนุภาคต่ำกว่าความเร็วแสงมาก ส่วนประกอบทางไฟฟ้าของการโต้ตอบจะมีบทบาทหลัก
ในสถานการณ์ที่ประจุไฟฟ้าในสายไฟชดเชยซึ่งกันและกัน ส่วนทางไฟฟ้าของการโต้ตอบของระบบจะประกอบด้วย จำนวนมากอนุภาคที่มีประจุจะมีขนาดเล็กกว่าส่วนแม่เหล็กอย่างมาก สถานการณ์นี้ทำให้สามารถศึกษาปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็ก "แยกกัน" จากทางไฟฟ้าได้
มิเตอร์และลำโพง
หลังจากการค้นพบเออร์สเตดและแอมแปร์ นักฟิสิกส์ได้รับเครื่องมือสำหรับบันทึกกระแส: กัลวาโนมิเตอร์ อุปกรณ์เหล่านี้ใช้ปฏิสัมพันธ์ของกระแสและสนามแม่เหล็ก มีการใช้อุปกรณ์สมัยใหม่บางชนิด แม่เหล็กถาวรและในบางสนามแม่เหล็กก็ถูกสร้างขึ้นโดยกระแส ตอนนี้พวกเขาถูกเรียกแตกต่างกัน - แอมมิเตอร์, โวลต์มิเตอร์, โอห์มมิเตอร์, วัตต์มิเตอร์ ฯลฯ แต่โดยพื้นฐานแล้วอุปกรณ์ประเภทนี้ทั้งหมดจะเหมือนกัน ในนั้นสนามแม่เหล็กจะกระทำต่อขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าในเครื่องมือวัด ขดลวดที่มีกระแสจะอยู่ในลักษณะที่แรงบิดเชิงกลทำหน้าที่จากด้านข้างของสนามแม่เหล็ก คอยล์สปริงที่ติดอยู่กับคอยล์จะสร้างแรงบิดเชิงกลที่กระทำต่อคอยล์ ตำแหน่งสมดุลทำได้โดยการหมุนเฟรมด้วยกระแสในมุมที่สอดคล้องกับกระแสไหล ลูกศรติดอยู่กับขดลวด มุมการหมุนของลูกศรทำหน้าที่เป็นตัววัดกระแส
ในอุปกรณ์ของระบบแมกนีโตอิเล็กทริก สนามแม่เหล็กจะคงที่ มันถูกสร้างขึ้นโดยแม่เหล็กถาวร ในอุปกรณ์ระบบแม่เหล็กไฟฟ้า สนามแม่เหล็กจะถูกสร้างขึ้นโดยกระแสที่ไหลผ่านขดลวดที่อยู่นิ่ง แรงบิดเชิงกลเป็นสัดส่วนกับผลคูณของกระแสของขดลวดเคลื่อนที่และการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะเป็นสัดส่วนกับกระแสในขดลวดที่อยู่กับที่ ตัวอย่างเช่น หากกระแสในขดลวดทั้งสองของอุปกรณ์ระบบแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสัดส่วนซึ่งกันและกัน แรงบิดก็จะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของกระแส
อย่างไรก็ตาม ลำโพงไดนามิกที่คุณชื่นชอบนั้นถูกสร้างขึ้นตามปฏิสัมพันธ์ของกระแสและสนามแม่เหล็ก ในนั้นขดลวดที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านนั้นตั้งอยู่เพื่อให้แรงกระทำต่อมันจากด้านข้างของสนามแม่เหล็กตามแนวแกนของลำโพง ขนาดของแรงจะแปรผันตามกระแสในขดลวด การเปลี่ยนทิศทางของกระแสในขดลวดทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทิศทางของแรง
สมมติฐานของแอมแปร์
เพื่ออธิบายโครงสร้างภายในของแม่เหล็กถาวร (ทำจากวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก) แอมแปร์ได้ตั้งสมมติฐานซึ่งเป็นสมมติฐานว่าวัสดุแม่เหล็กประกอบด้วยวงจรนำกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กจำนวนมาก แต่ละโมเลกุลของสารจะเกิดเป็นกรอบเล็กๆ ที่มีกระแส ภายในวัสดุแม่เหล็กตลอดปริมาตรทั้งหมด กระแสโมเลกุลจะชดเชยซึ่งกันและกัน และดูเหมือนว่ากระแส "พื้นผิว" จะไหลบนพื้นผิวของวัตถุ หากมีโพรงอยู่ภายในตัวแม่เหล็ก กระแส "พื้นผิว" ที่ไม่ได้รับการชดเชยจะไหลไปตามพื้นผิวของช่องนี้ด้วยกระแสพื้นผิวนี้สร้างขึ้นในอวกาศรอบๆ แม่เหล็กโดยมีสนามแม่เหล็กเดียวกันกับกระแสของโมเลกุลแม่เหล็กทั้งหมดระหว่างการกระทำรวมกัน
สมมติฐานของ Ampere รอการยืนยันจากการทดลองมานานหลายทศวรรษ และในที่สุดก็พิสูจน์ตัวเองได้อย่างสมบูรณ์ ตามแนวคิดสมัยใหม่ อะตอมและโมเลกุลบางชนิดมีโมเมนต์แม่เหล็กของตัวเองซึ่งสัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุภายใน ซึ่งอะตอมและโมเลกุลเหล่านี้ประกอบขึ้น เมื่อปรากฎว่าอนุภาคที่มีประจุซึ่งอะตอมและโมเลกุลถูกสร้างขึ้นนั้นมีโมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ภายในทางกลของอนุภาคเหล่านี้ (3)
สมมติฐานของแอมแปร์ทำให้สามารถละทิ้งแบบจำลองประจุแม่เหล็กได้ เนื่องจากสามารถอธิบายที่มาของปฏิกิริยาทางแม่เหล็กได้อย่างเพียงพอ
งาน:
- แม่เหล็กแถบยาวสองอันวางติดกัน ขั้วหนึ่งถึงขั้วหนึ่ง ทางเหนืออยู่ติดกับทางเหนือ และทางทิศใต้ติดกับทางใต้ บนเส้นตรงที่ต่อเนื่องกันของแม่เหล็กที่จุด A ซึ่งอยู่ที่ระยะ L จากขั้วที่ใกล้ที่สุด จะมีการสร้างสนามแม่เหล็กที่มีการเหนี่ยวนำ B ขึ้น 1.414 เท่า และเปลี่ยนทิศทางของสนาม ณ จุดนี้ 45° คุณได้รับอนุญาตให้ย้ายแม่เหล็กอันใดอันหนึ่ง คุณจะทำงานให้สำเร็จได้อย่างไร?
- ในระหว่างการสำรวจไปยังขั้วแม่เหล็กทิศเหนือของโลก สมาชิกคณะสำรวจได้วางขาตั้งที่เบามาก N = 1,000 อัน โดยแต่ละอันมีความสูง L = 1 ม. และฐานที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง D = 10 ซม. บนพื้นผิวน้ำแข็งแนวนอนเรียบ รอบเสาและขึงลวดโลหะโดยมีพื้นที่หน้าตัด S ตามจุดบน = 1 มม. 2 ผลลัพธ์ที่ได้คือรูปหลายเหลี่ยมแบนที่มีรูปร่างใกล้กับวงแหวนรัศมี R = 100 ม. กระแสตรงขั้นต่ำที่ต้องผ่านลวดเพื่อให้ขาตั้งทั้งหมดตกลงไปภายในรูปหลายเหลี่ยมที่เกิดจากฐานของมัน ขนาดของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก B ใกล้ขั้วบนพื้นผิวโลกคือ 10 -4 เทสลา ความหนาแน่น ρ ของวัสดุลวดคือ 10 4 กก./ลบ.ม.
- เส้นลวดบางๆ สองเส้นขนานกันนำกระแสเท่ากันในทิศทางตรงกันข้าม สายไฟอยู่ห่างจากกัน L ที่จุด A ซึ่งอยู่ที่ระยะ L ทั้งจากจุดหนึ่งและจากกระแสลวดอื่น ๆ ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่มีการเหนี่ยวนำ B ที่ด้านล่างของเส้นลวดทิศทางของกระแสจะเปลี่ยนเป็นตรงกันข้าม แต่ขนาดของกระแส ยังคงเหมือนเดิม การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร (ทั้งในด้านขนาดและทิศทาง) ที่จุด A นี้
- ลวดแข็งกลมวางอยู่บนโต๊ะแนวนอนเรียบ รัศมีของขดลวดคือ R มวลของขดลวดคือ M ในอวกาศมีสนามแม่เหล็กแนวนอนสม่ำเสมอพร้อมการเหนี่ยวนำ B กระแสตรงขั้นต่ำเท่าใดที่ต้องส่งผ่านขดลวดเพื่อที่จะหยุดการนอนนิ่งในแนวนอน อธิบายความเคลื่อนไหวของมันหลังจากผ่านกระแสดังกล่าว
- อนุภาคที่มีมวล M และประจุ Q เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอโดยมีการเหนี่ยวนำ B ความเร็วของอนุภาคทำให้เกิดมุม & (อัลฟา) กับเวกเตอร์การเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก อธิบายลักษณะของการเคลื่อนที่ของอนุภาค วิถีของมันมีรูปร่างเป็นอย่างไร?
- อนุภาคที่มีประจุได้เข้าสู่บริเวณอวกาศซึ่งมีสนามไฟฟ้า E และสนามแม่เหล็ก B เป็นเนื้อเดียวกันและตั้งฉากซึ่งกันและกัน อนุภาคเคลื่อนที่ด้วย ความเร็วคงที่- ค่าต่ำสุดที่เป็นไปได้คือเท่าไร?
- โปรตอนสองตัวเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ B = 0.1 T อยู่ในระยะห่างเท่ากันตลอดเวลา L = 1 m จากกันและกัน อะไร ความเร็วขั้นต่ำการเคลื่อนที่ของโปรตอนเป็นไปได้หรือไม่?
- ในบริเวณช่องว่างระหว่างระนาบ X = A และ X = C จะมีสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ B กำกับตามแนวแกน Y แกน Z ความเร็วจะทำให้อนุภาคมีระนาบ X = const หลังจากที่อนุภาคออกจากบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กแล้ว? แกน X,Y,Zตั้งฉากกัน
- แท่งเหล็กสม่ำเสมอ (L) ยาวทำจากวัสดุที่มี "แม่เหล็กอ่อน" (ไม่ใช่แม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก) มันถูกแขวนไว้ตรงกลางด้วยด้ายยาวบางๆ ในห้องทดลองที่อยู่ใกล้เส้นศูนย์สูตร ในสนามแรงโน้มถ่วงและสนามแม่เหล็กของโลก แท่งไม้ถูกวางในแนวนอน แกนถูกถอดออกจากตำแหน่งสมดุลโดยการหมุนเป็นมุม 30° รอบแกนแนวตั้งที่ตรงกับเกลียว ไม้เรียวถูกปล่อยทิ้งไว้ให้นิ่งและปล่อย หลังจากผ่านไป 10 วินาที ไม้วัดจะผ่านตำแหน่งสมดุล มันจะผ่านตำแหน่งสมดุลอีกครั้งในเวลาขั้นต่ำเท่าใด? จากนั้นตัดท่อนไม้ออกเป็นสองท่อนที่มีความยาวเท่ากัน L/2 มีการทดลองแบบเดียวกันกับหนึ่งในนั้น แท่งที่สั้นลงจะเกิดการสั่นเล็กน้อยใกล้กับตำแหน่งสมดุลที่คาบใด
- บนแกนของแม่เหล็กทรงกระบอกเล็ก จะมีลูกบอล "แม่เหล็กอ่อน" ขนาดเล็กอยู่ ระยะห่าง L จากลูกบอลถึงแม่เหล็กนั้นมาก ขนาดเพิ่มเติมแม่เหล็กและลูกบอล วัตถุทั้งสองดึงดูดกันด้วยแรง F วัตถุจะดึงดูดกันด้วยแรงเท่าใดหากระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสองลดลง 2 เท่า ลูกบอลยังคงอยู่บนแกนแม่เหล็ก
1 ชื่อในอดีตไม่ได้สะท้อนความหมายของปริมาณที่แนะนำซึ่งแสดงถึงส่วนประกอบทางไฟฟ้าและแม่เหล็กของ "สนามแม่เหล็กไฟฟ้า" อย่างเหมาะสม ดังนั้น เราจะไม่เกี่ยวข้องกับนิรุกติศาสตร์ของคำเหล่านี้
2 ข้อควรจำ: เราใช้สูตรประมาณเดียวกันนี้เมื่อพูดถึงปฏิกิริยาระหว่างประจุไฟฟ้า
3 ในกรณีนี้ เราหมายถึงคุณสมบัติของอนุภาคมูลฐานเช่นโมเมนตัมเชิงมุมเชิงกลของพวกมันเอง - การหมุน
การโต้ตอบ
ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กระหว่างเหล็กกับแม่เหล็กหรือระหว่างแม่เหล็กเกิดขึ้นไม่เพียงแต่เมื่อสัมผัสกันโดยตรงเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นในระยะไกลด้วย เมื่อระยะทางเพิ่มขึ้น แรงของการโต้ตอบจะลดลง และในระยะทางที่ไกลพอสมควรก็จะไม่เห็นชัดเจน ดังนั้นคุณสมบัติของพื้นที่ส่วนหนึ่งของพื้นที่ใกล้กับแม่เหล็กจึงแตกต่างจากคุณสมบัติของพื้นที่ส่วนนั้นซึ่งแรงแม่เหล็กไม่ปรากฏออกมา ในอวกาศที่มีแรงแม่เหล็กเกิดขึ้น จะมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้น
หากนำเข็มแม่เหล็กเข้าไปในสนามแม่เหล็ก เข็มนั้นจะถูกติดตั้งในลักษณะเฉพาะเจาะจงมาก และเข็มแม่เหล็กจะถูกติดตั้งแตกต่างออกไปในสถานที่ต่างๆ
ในปี 1905 Paul Langevin ซึ่งใช้ทฤษฎีบทของ Larmor และทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์ของ Lorentz ได้พัฒนาการตีความแบบดั้งเดิมของทฤษฎีไดอะแกรมและพาราแมกเนติกนิยม
แม่เหล็กธรรมชาติและแม่เหล็กประดิษฐ์
แมกนีไทต์ ( แร่เหล็กแม่เหล็ก) - หินที่ดึงดูดเหล็กอธิบายโดยนักวิทยาศาสตร์โบราณ เป็นสิ่งที่เรียกว่าแม่เหล็กธรรมชาติซึ่งพบได้ค่อนข้างบ่อยในธรรมชาติ เป็นแร่ธาตุที่พบได้ทั่วไปโดยมีองค์ประกอบ FeO 31% และ Fe2O3 69% โดยมีธาตุเหล็ก 72.4%หากคุณตัดแถบจากวัสดุดังกล่าวแล้วแขวนไว้บนด้ายก็จะติดตั้งในอวกาศในลักษณะที่เฉพาะเจาะจงมาก: ตามแนวเส้นตรงที่วิ่งจากเหนือจรดใต้ หากคุณนำแถบออกจากสถานะนี้นั่นคือเบี่ยงเบนไปจากทิศทางที่เคยเป็นแล้วปล่อยไว้กับตัวเองอีกครั้งจากนั้นแถบที่มีการแกว่งหลายครั้งจะเข้าสู่ตำแหน่งก่อนหน้าโดยปักหลักในทิศทาง จากเหนือจรดใต้
หากคุณจุ่มแถบนี้ลงในตะไบเหล็ก แถบเหล่านั้นจะไม่ถูกดึงดูดไปที่แถบนั้นเท่ากันทุกแห่ง แรงดึงดูดที่ยิ่งใหญ่ที่สุดคือปลายแถบซึ่งหันหน้าไปทางเหนือและใต้
สถานที่เหล่านี้บนแถบซึ่งมีแรงดึงดูดมากที่สุดเรียกว่าขั้วแม่เหล็ก ขั้วที่ชี้ไปทางเหนือเรียกว่าขั้วเหนือของแม่เหล็ก (หรือขั้วบวก) และถูกกำหนดด้วยตัวอักษร N (หรือ C) เสาที่หันไปทางทิศใต้" เรียกว่าขั้วโลกใต้ (หรือขั้วลบ) และถูกกำหนดด้วยตัวอักษร S (หรือ Yu) สามารถศึกษาปฏิสัมพันธ์ของขั้วแม่เหล็กได้ ดังต่อไปนี้- ลองใช้แมกนีไทต์สองแถบแล้วแขวนอันหนึ่งไว้บนด้ายดังที่ได้กล่าวไปแล้วข้างต้น ถือแถบที่สองไว้ในมือเราจะนำมันไปที่แถบแรกด้วยเสาที่แตกต่างกัน
ปรากฎว่าถ้าคุณนำขั้วใต้ของแถบอื่นเข้าใกล้ขั้วเหนือของแถบหนึ่งมากขึ้น แรงดึงดูดจะเกิดขึ้นระหว่างขั้วทั้งสอง และแถบที่ห้อยอยู่บนด้ายจะถูกดึงดูด ถ้าแถบที่สองถูกนำไปที่ขั้วโลกเหนือของแถบแขวนที่มีขั้วเหนือ แถบแขวนนั้นจะถูกผลักออกไป
จากการทดลองดังกล่าว เราจึงสามารถมั่นใจได้ถึงความถูกต้องของกฎหมายที่ฮิลเบิร์ตกำหนดขึ้นเกี่ยวกับอันตรกิริยาของขั้วแม่เหล็ก เหมือนกับขั้วที่ผลักกัน ต่างจากขั้วที่ดึงดูด
หากเราต้องการแบ่งแม่เหล็กออกครึ่งหนึ่งเพื่อแยกขั้วแม่เหล็กด้านเหนือออกจากทิศใต้ ปรากฎว่าเราไม่สามารถทำเช่นนี้ได้ เมื่อตัดแม่เหล็กออกครึ่งหนึ่ง เราจะได้แม่เหล็ก 2 อัน แต่ละอันมี 2 ขั้ว หากเราดำเนินกระบวนการนี้ต่อไป ดังประสบการณ์แสดงให้เห็น เราจะไม่มีทางได้รับแม่เหล็กจากขั้วเดียว ประสบการณ์นี้ทำให้เรามั่นใจว่าขั้วของแม่เหล็กไม่ได้แยกจากกัน เช่นเดียวกับประจุไฟฟ้าลบและบวกแยกกัน ดังนั้นตัวพาแม่เหล็กเบื้องต้นหรือที่เรียกกันว่าแม่เหล็กพื้นฐานจะต้องมีขั้วสองขั้วด้วย
แม่เหล็กธรรมชาติที่อธิบายไว้ข้างต้นไม่ได้ถูกนำมาใช้จริงในปัจจุบัน แม่เหล็กถาวรประดิษฐ์นั้นแข็งแกร่งและสะดวกกว่ามาก วิธีที่ง่ายที่สุดในการสร้างแม่เหล็กประดิษฐ์ถาวรคือการใช้แถบเหล็ก หากคุณถูจากศูนย์กลางไปจนสุดด้วยขั้วตรงข้ามของแม่เหล็กธรรมชาติหรือแม่เหล็กประดิษฐ์อื่นๆ แม่เหล็กที่มีรูปร่างคล้ายแถบเรียกว่าแถบแม่เหล็ก มักจะสะดวกกว่าถ้าใช้แม่เหล็กที่มีรูปร่างคล้ายเกือกม้า แม่เหล็กชนิดนี้เรียกว่าแม่เหล็กเกือกม้า
แม่เหล็กประดิษฐ์มักจะทำในลักษณะที่มีขั้วแม่เหล็กที่อยู่ตรงข้ามกันถูกสร้างขึ้นที่ปลายของมัน อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่จำเป็นเลย สามารถสร้างแม่เหล็กได้ โดยปลายทั้งสองข้างจะมีขั้วเดียวกัน เช่น ขั้วเหนือ คุณสามารถสร้างแม่เหล็กได้โดยการถูแถบเหล็กที่มีเสาเท่ากันจากตรงกลางถึงปลาย
อย่างไรก็ตาม ขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็กชนิดนี้แยกออกจากกันไม่ได้ แน่นอนถ้าคุณจุ่มมันลงในขี้เลื่อยพวกมันจะถูกดึงดูดอย่างแรงไม่เพียง แต่ที่ขอบของแม่เหล็กเท่านั้น แต่ยังดึงดูดตรงกลางด้วย ง่ายต่อการตรวจสอบว่ามีขอบอยู่หรือไม่ ขั้วโลกเหนือและทิศใต้อยู่ตรงกลาง
คุณสมบัติทางแม่เหล็ก ชั้นเรียนของสาร
เป็นพฤติกรรมที่รวมกันของแม่เหล็กขนาดเล็กของอะตอมในโครงตาข่ายคริสตัลที่กำหนดคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสาร ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสาร สารจะถูกแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก: แม่เหล็กเฟอร์ริก, พาราแมกเนติกและ วัสดุแม่เหล็ก- นอกจากนี้ยังมีคลาสย่อยสองคลาสที่แยกจากกันของวัสดุ ชั้นเรียนทั่วไปเฟอร์โรแมกเนติกส์ - สารต้านเฟอร์โรแมกเนติกและ เฟอร์ริแมกเนติกส์- ในทั้งสองกรณี สารเหล่านี้อยู่ในกลุ่มเฟอร์โรแม่เหล็ก แต่มีคุณสมบัติพิเศษที่อุณหภูมิต่ำ: สนามแม่เหล็กของอะตอมข้างเคียงจะเรียงขนานกันอย่างเคร่งครัด แต่ไปในทิศทางตรงกันข้าม แอนติเฟอร์โรแมกเนติกประกอบด้วยอะตอมขององค์ประกอบเดียว และเป็นผลให้สนามแม่เหล็กของพวกมันกลายเป็นศูนย์ เฟอร์ริแมกเนตเป็นโลหะผสมของสารตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป และผลลัพธ์ของการทับซ้อนของสนามแม่เหล็กที่มีทิศทางตรงข้ามกันคือสนามแม่เหล็กขนาดมหึมาที่มีอยู่ในวัสดุโดยรวมเฟอร์โรแมกเนติกส์
สารและโลหะผสมบางชนิด (เหล็ก นิกเกิล และโคบอลต์เป็นหลัก) ที่อุณหภูมิต่ำกว่า แต้มกูรีได้รับคุณสมบัติในการสร้างโครงตาข่ายคริสตัลในลักษณะที่สนามแม่เหล็กของอะตอมกลายเป็นทิศทางเดียวและเสริมกำลังซึ่งกันและกันเนื่องจากสนามแม่เหล็กขนาดมหภาคเกิดขึ้นนอกวัสดุ แม่เหล็กถาวรที่กล่าวข้างต้นได้มาจากวัสดุดังกล่าว ในความเป็นจริง การจัดตำแหน่งแม่เหล็กของอะตอมมักจะไม่ขยายไปถึงวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกในปริมาตรไม่จำกัด: การดึงดูดนั้นถูกจำกัดอยู่ที่ปริมาตรที่มีอะตอมตั้งแต่หลายพันถึงหลายหมื่นอะตอม และมักจะเรียกว่าปริมาตรของวัสดุดังกล่าว โดเมน(จากโดเมนภาษาอังกฤษ - “พื้นที่”) เมื่อเหล็กเย็นตัวลงต่ำกว่าจุดกูรี จะเกิดโดเมนจำนวนมากขึ้น ซึ่งแต่ละโดเมนจะมีทิศทางของสนามแม่เหล็กในลักษณะของตัวเอง ดังนั้นในสถานะปกติ เหล็กแข็งจะไม่ถูกดึงดูดแม้ว่าจะมีโดเมนเกิดขึ้นอยู่ข้างใน ซึ่งแต่ละอันเป็นแม่เหล็กขนาดเล็กสำเร็จรูป อย่างไรก็ตามภายใต้อิทธิพล สภาพภายนอก(ตัวอย่างเช่น เมื่อเหล็กหลอมแข็งตัวต่อหน้าสนามแม่เหล็กกำลังแรง) โดเมนต่างๆ จะถูกจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบ และสนามแม่เหล็กของพวกมันจะถูกขยายร่วมกัน จากนั้นเราจะได้แม่เหล็กจริง - วัตถุที่มีสนามแม่เหล็กภายนอกเด่นชัด นี่คือวิธีการออกแบบแม่เหล็กถาวร
พาราแมกเนติก
ในวัสดุส่วนใหญ่ ไม่มีแรงภายในที่จะปรับทิศทางแม่เหล็กของอะตอม ไม่มีการก่อตัวของโดเมน และสนามแม่เหล็กของแต่ละอะตอมจะถูกสุ่มทิศทาง ด้วยเหตุนี้ สนามของอะตอมแม่เหล็กแต่ละอะตอมจึงถูกยกเลิกร่วมกัน และวัสดุดังกล่าวไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก อย่างไรก็ตาม เมื่อวางวัสดุดังกล่าวไว้ในสนามแม่เหล็กภายนอกที่มีกำลังแรง (เช่น ระหว่างขั้วของแม่เหล็กกำลังสูง) สนามแม่เหล็กของอะตอมจะวางตัวในทิศทางที่สอดคล้องกับทิศทางของสนามแม่เหล็กภายนอก และเราจะสังเกต ผลของการเสริมสร้างสนามแม่เหล็กเมื่อมีวัสดุดังกล่าว วัสดุที่มีคุณสมบัติคล้ายกันเรียกว่าพาราแมกเนติก อย่างไรก็ตาม ทันทีที่สนามแม่เหล็กภายนอกถูกลบออก พาราแมกเนติกจะทำการล้างอำนาจแม่เหล็กทันที เนื่องจากอะตอมเรียงตัวกันอย่างโกลาหลอีกครั้ง นั่นคือวัสดุพาราแมกเนติกนั้นมีความสามารถในการดึงดูดแม่เหล็กได้ชั่วคราว
ไดอะแมกเนติกส์
ในสารที่อะตอมไม่มีโมเมนต์แม่เหล็กของตัวเอง (นั่นคือในที่ที่สนามแม่เหล็กดับอยู่ในตา - ที่ระดับอิเล็กตรอน) แม่เหล็กที่มีลักษณะแตกต่างกันอาจเกิดขึ้นได้ ตามกฎข้อที่สอง การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าฟาราเดย์ เมื่อฟลักซ์ของสนามแม่เหล็กไหลผ่านวงจรที่มีกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าในวงจรจะขัดขวางการเพิ่มขึ้น ฟลักซ์แม่เหล็ก- ผลที่ตามมาคือ ถ้าสารที่ไม่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กในตัวเองถูกนำเข้าไปในสนามแม่เหล็กแรง อิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอมซึ่งเป็นวงจรจุลทรรศน์ที่มีกระแสไฟฟ้า จะเปลี่ยนลักษณะของการเคลื่อนที่ของพวกมันในลักษณะที่ป้องกันไม่ให้เกิด การเพิ่มขึ้นของฟลักซ์แม่เหล็กนั่นคือพวกเขาจะสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเอง มุ่งไปในทิศทางตรงกันข้ามเมื่อเปรียบเทียบกับสนามแม่เหล็กภายนอก วัสดุดังกล่าวมักเรียกว่าไดอะแมกเนติก
แม่เหล็กในธรรมชาติ
ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติหลายอย่างถูกกำหนดอย่างแม่นยำโดยแรงแม่เหล็ก พวกมันเป็นที่มาของปรากฏการณ์มากมายของไมโครเวิลด์: พฤติกรรมของอะตอม, โมเลกุล, นิวเคลียสของอะตอมและอนุภาคมูลฐาน - อิเล็กตรอน, โปรตอน, นิวตรอน ฯลฯ นอกจากนี้ปรากฏการณ์แม่เหล็กยังเป็นลักษณะเฉพาะของขนาดใหญ่อีกด้วย เทห์ฟากฟ้า: ดวงอาทิตย์และโลกเป็นแม่เหล็กขนาดใหญ่ พลังงานครึ่งหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นวิทยุ อินฟราเรด รังสีที่มองเห็นและรังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา) นั้นเป็นแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กของโลกปรากฏในปรากฏการณ์หลายประการและกลายเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้เกิดแสงออโรร่าโดยเฉพาะโดยหลักการแล้ว ไม่มีสารที่ไม่ใช่แม่เหล็กอยู่จริง สสารใด ๆ ที่เป็น "แม่เหล็ก" เสมอนั่นคือมันเปลี่ยนคุณสมบัติของมันในสนามแม่เหล็ก บางครั้งการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจมีเพียงเล็กน้อยและสามารถตรวจพบได้โดยใช้อุปกรณ์พิเศษเท่านั้น บางครั้งมันก็ค่อนข้างสำคัญและสามารถตรวจจับได้โดยไม่ยากนักโดยใช้วิธีการง่ายๆ สารแม่เหล็กอ่อน ได้แก่ อะลูมิเนียม ทองแดง น้ำ ปรอท ฯลฯ แม่เหล็กสูงหรือแม่เหล็กเพียงอย่างเดียว (ที่อุณหภูมิปกติ) ได้แก่ เหล็ก นิกเกิล โคบอลต์ และโลหะผสมบางชนิด
การใช้แม่เหล็ก
วิศวกรรมไฟฟ้าสมัยใหม่ใช้คุณสมบัติทางแม่เหล็กของสสารอย่างกว้างขวางเพื่อให้ได้มา พลังงานไฟฟ้าเพื่อแปลงเป็นพลังงานรูปแบบต่างๆ ในอุปกรณ์สื่อสารแบบมีสายและไร้สาย ในโทรทัศน์ ระบบอัตโนมัติ และเทเลเมคานิกส์ จะใช้วัสดุที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กบางประการ ปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กยังมีบทบาทสำคัญในธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตอีกด้วยความธรรมดาที่ไม่ธรรมดาของปรากฏการณ์แม่เหล็กและความสำคัญในทางปฏิบัติอันมหาศาลนำไปสู่ความจริงที่ว่าการศึกษาแม่เหล็กเป็นหนึ่งในสาขาที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์สมัยใหม่
อำนาจแม่เหล็กยังเป็นส่วนสำคัญของโลกคอมพิวเตอร์ จนถึงปี 2010 สื่อจัดเก็บข้อมูลแบบแม่เหล็ก (คอมแพคคาสเซ็ตต์ ฟลอปปีดิสก์ ฯลฯ) เป็นสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไปในโลก แต่สื่อจัดเก็บข้อมูลแบบแมกนีโตออปติคัล (DVD-RAM) ยังคง "อ้างอิงถึง ”
ว่าด้วยธรรมชาติของสนามแม่เหล็กโลก
มีครั้งหนึ่งที่ผู้คนพยายามอธิบายว่าเหตุใดเข็มแม่เหล็กจึงมักจะชี้ไปทางทิศเหนือที่ปลายด้านหนึ่งเสมอ โดยเชื่อว่าแม่เหล็กของโลกอยู่บนท้องฟ้า และเข็มเข็มทิศนั้นถูกควบคุมโดยแรงแม่เหล็กที่เล็ดลอดออกมาจากดาวเหนือ เมื่อไม่นานมานี้ ผู้คนได้เรียนรู้ว่าโลกเป็นแม่เหล็กทรงกลมขนาดใหญ่ที่มีขั้วและสนามแม่เหล็กภายนอกที่ทำหน้าที่บนเข็มเข็มทิศเมื่อประมาณ 350 ปีที่แล้ว นักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ชาวรัสเซีย M.V. Lomonosov ให้ สำคัญการสังเกตเข็มเข็มทิศ ย้อนกลับไปในปี 1759 เขาเสนอให้สร้างเข็มทิศบันทึกตัวเองซึ่งสามารถบันทึกการสังเกตเหล่านี้ในขณะที่เรือกำลังเคลื่อนที่
ขณะที่มีการสำรวจแม่เหล็กโลก คุณสมบัติต่างๆ ของมันก็ค่อยๆ เปิดเผยออกมา ประการแรก ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเส้นเมอริเดียนทางภูมิศาสตร์ไม่ตรงกับเส้นเมอริเดียนแม่เหล็ก ซึ่งทิศทางบนพื้นผิวโลกถูกกำหนดด้วยเข็มเข็มทิศ ดังนั้นแกนแม่เหล็กของโลกจึงไม่ตรงกับแกนของมัน การหมุน นักวิทยาศาสตร์พบว่าทิศทางของสนามแม่เหล็กโลกสอดคล้องกับสิ่งที่จะเกิดขึ้นหากวางแม่เหล็กไว้ใกล้กับศูนย์กลางของโลก ซึ่งแกนของแม่เหล็กนั้นทำมุมประมาณ 11.5° กับแกนการหมุนของดาวเคราะห์ของเรา
สนามแม่เหล็กมีลักษณะเฉพาะที่แต่ละจุดในอวกาศ ไม่เพียงแต่ตามทิศทางเท่านั้น แต่ยังรวมถึงขนาดของความเข้มด้วย บนพื้นผิวโลก แรงตึงนี้ค่อนข้างน้อย ใกล้เคียงกับแม่เหล็กโรงเรียนธรรมดาที่ระยะ 10 - 15 ซม. จากปลายสุด ความแรงของสนามแม่เหล็กโลกสามารถแสดงเป็นผลจากองค์ประกอบสองส่วน: แนวตั้งและแนวนอน ส่วนหลังจะชี้เข็มเข็มทิศไปตามเส้นลมแม่เหล็ก
หากคุณเคลื่อนที่ด้วยเข็มทิศในมือไปตามละติจูดใด ๆ ทั่วโลกคุณจะพบว่าทิศทางของเส้นลมปราณแม่เหล็กในบางกรณีซึ่งเกิดขึ้นไม่บ่อยนักนั้นเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางทางภูมิศาสตร์ มีมุมบางมุมระหว่างทิศทางเหล่านี้เกือบตลอดเวลา ซึ่งเรียกว่าการปฏิเสธแม่เหล็ก ทิศทางของเข็มเข็มทิศอาจเบี่ยงเบนไปจากเส้นลมปราณทางภูมิศาสตร์ไปทางทิศตะวันออกหรือทิศตะวันตก การเสื่อมถอยทางแม่เหล็กพบได้ในทุกสถานที่บนโลก และได้รวบรวมแผนที่การกระจายตัวของการเสื่อมนี้ไว้ หากทราบความลาดเอียงของเข็มทิศในตำแหน่งที่กำหนด ก็สามารถกำหนดทิศทางของเส้นลมปราณทางภูมิศาสตร์ได้ ทำให้สามารถกำหนดตำแหน่งของเรือในทะเลหรือเครื่องบินเหนือพื้นผิวโลกได้
แต่สนามแม่เหล็กโลกเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ เมื่อเวลาผ่านไป และผลที่ตามมาคือ การเอียงของเข็มแม่เหล็กก็เปลี่ยนไปเช่นกัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องรวบรวมแผนที่ที่แสดงการกระจายอีกครั้งเป็นระยะ การปฏิเสธแม่เหล็ก.
รัสเซียเป็นประเทศแรกๆ ที่ก่อตั้ง ต้น XIXหอสังเกตการณ์แม่เหล็กแห่งศตวรรษ อย่างไรก็ตามเฉพาะในศตวรรษที่ 20 เท่านั้นที่มีการสร้างแผนที่โดยละเอียดของการกระจายตัวของสนามแม่เหล็กทั่วประเทศผ่านการสำรวจแม่เหล็กทั่วไป ทำให้สามารถสร้างแผนที่การปฏิเสธสนามแม่เหล็กได้ ซึ่งจำเป็นสำหรับการบริการการเดินเรือ
การเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ (ทางโลก) ในสนามแม่เหล็กโลกดูเหมือนจะเกิดขึ้นแทบจะเป็นระยะๆ ตลอดระยะเวลา 400-600 ปี ความแรงของสนามแม่เหล็กโลกจะเปลี่ยนแปลงไป 1-2% ของมูลค่าของมัน อย่างไรก็ตาม สำหรับสถานที่ต่างๆ บนพื้นผิวโลก ช่วงเวลานี้จะแสดงออกมาแตกต่างออกไป
ประมาณสองร้อยปีที่แล้ว มีการค้นพบว่า นอกจากการเปลี่ยนแปลงที่ช้าของสนามแม่เหล็กโลกแล้ว ยังมีความผันผวนในความแรงของสนามแม่เหล็กโลกค่อนข้างรวดเร็ว ทั้งแบบปกติและแบบไม่สม่ำเสมอ การแกว่งสม่ำเสมอเกิดขึ้นพร้อมกับช่วงเวลาทางดาราศาสตร์บางช่วง เช่น การหมุนของโลกรอบแกนในแต่ละวัน วันจันทรคติ และการหมุนรอบโลกประจำปีในวงกลมดวงอาทิตย์ ช่วงของความผันผวนเหล่านี้มีน้อย: ความผันผวนของสนามแม่เหล็กในแต่ละวันมีค่าประมาณ 0.05% ของความแรงของสนามแม่เหล็กโลกทั้งหมด และจะมีมากกว่าในฤดูร้อนมากกว่าในฤดูหนาว ความผันผวนในระหว่าง วันจันทรคติและน้อยกว่านั้น - ประมาณ 0.005%; ความผันผวนของความแข็งแกร่งในแต่ละปีก็คิดเป็นสองสามร้อยเปอร์เซ็นต์ของความแข็งแกร่งของสนามด้วย
นอกจากนี้ยังพบการเปลี่ยนแปลงที่ผิดปกติในสนามแม่เหล็กของโลกซึ่งเรียกว่า พายุแม่เหล็กซึ่งเกิดขึ้นอย่างกะทันหันและคงอยู่ตั้งแต่หลายชั่วโมงไปจนถึงหลายวัน ในช่วงที่เกิดพายุ ความแรงของสนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนแปลงถึงหลายเปอร์เซ็นต์ โดยส่วนใหญ่แล้วพายุแม่เหล็กเกิดขึ้นพร้อมกับแสงเหนือและมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับปรากฏการณ์ที่สังเกตได้บนดวงอาทิตย์ โดยเฉพาะจุดดับดวงอาทิตย์
สนามแม่เหล็กโลกเปลี่ยนแปลงอย่างไม่สม่ำเสมอไม่เพียงแต่ตามเวลาเท่านั้น แต่ยังเปลี่ยนแปลงในอวกาศเมื่อเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวโลกด้วย มีสถานที่หลายแห่งที่มีความแรงของสนามแม่เหล็กมากกว่า (และบางครั้งก็น้อยกว่า) ในพื้นที่โดยรอบมาก การเปลี่ยนแปลงในสนามโลกดังกล่าวเรียกว่าความผิดปกติของสนามแม่เหล็ก ตัวอย่างเช่น ภูมิภาคของความผิดปกติของสนามแม่เหล็กเคิร์สต์มีชื่อเสียงไปทั่วโลก โดยที่ความแรงของสนามแม่เหล็กนั้นสูงกว่าความแรงปกติของบริเวณโดยรอบสามถึงสี่เท่า ความผิดปกติของแม่เหล็กแรงสูงมักเกิดขึ้นในบริเวณดังกล่าว เปลือกโลกซึ่งมีปริมาณมาก แร่เหล็ก- แมกนีไทต์
คุณสมบัติหลักของสนามแม่เหล็กโลกอธิบายได้อย่างไร? ปัญหาที่ยากที่สุดสำหรับวิทยาศาสตร์กลายเป็นที่มาของสนามแม่เหล็กโลกหลักซึ่งในช่วงหลายล้านปีที่ผ่านมายังคงเกือบจะคงที่โดยมีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น มีการตั้งสมมติฐานหลายประการเกี่ยวกับปัญหานี้ นักวิทยาศาสตร์บางคนแย้งว่าโลกรักษาสนามแม่เหล็กในสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ให้หายขาด อย่างไรก็ตามการวิจัยเพิ่มเติมไม่ได้ยืนยันสมมติฐานนี้ แม้ว่าบางครั้งสนามแม่เหล็กแรงสูงจะเกิดขึ้นในบริเวณที่เรียกว่าจุดดับดวงอาทิตย์ แต่โดยทั่วไปแล้วดวงอาทิตย์ไม่มีสนามแม่เหล็กที่เห็นได้ชัดเจนที่ระยะห่างจากรัศมีวงโคจรของโลก สมมติฐานอีกประการหนึ่งยังไม่ได้รับการยืนยัน ตามที่โลกซึ่งมีประจุไฟฟ้าคงที่เนื่องจากการหมุนในแต่ละวันควรก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบตัวมันเอง การคำนวณแสดงให้เห็นว่าประจุที่พื้นผิวโลกโดยทั่วไปมีขนาดเล็กและสามารถก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กเพียงเล็กน้อยเท่านั้นเมื่อโลกหมุนรอบตัว
ใน เมื่อเร็วๆ นี้มีการเสนอสมมติฐานเกี่ยวกับต้นกำเนิดของแม่เหล็กโลก ซึ่งอธิบายการเกิดขึ้นโดยการหมุนของมวลโลก ตามทฤษฎีนี้ มวลที่หมุนรอบตัวจะสร้างสนามแม่เหล็ก โดยไม่คำนึงถึงสถานะทางไฟฟ้าของมวลนี้ แม้แต่นักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ของเรา P. N. Lebedev ต้องการทดสอบสมมติฐานนี้ในเชิงทดลอง: เขาให้วัตถุต่าง ๆ หมุนเร็วมาก แต่ตรวจไม่พบการเกิดขึ้นของแม่เหล็กในตัวพวกมัน
ในที่สุด นักวิทยาศาสตร์บางคนเชื่อว่าแหล่งกำเนิดของสนามแม่เหล็กกระจุกตัวอยู่ที่ไหนสักแห่งใต้พื้นผิวโลก
ข้อสันนิษฐานทั้งหมดเกี่ยวกับต้นกำเนิดของสนามแม่เหล็กโลกไม่ได้รับการยอมรับโดยทั่วไปในทางวิทยาศาสตร์ อาจเป็นไปได้ว่าปรากฏการณ์ของสนามแม่เหล็กหลักของโลกก็คือ การรวมกันที่ซับซ้อนสองกระบวนการหลัก: ระบบกระแสไฟฟ้าปิดที่มีแกนแม่เหล็กแทนที่สัมพันธ์กับแกนการหมุนของโลกและการดึงดูดแม่เหล็กที่เหลือของหินที่อุดมไปด้วยแมกนีไทต์ใน ชั้นบนเปลือกโลก กระบวนการแรกมีความเสถียร สร้างความแรงหลักของสนามแม่เหล็กหลัก มันถูกเชื่อมเข้ากับสนามแม่เหล็กที่เหลือของเปลือกโลก มันอาจจะก่อตัวขึ้นภายใต้อิทธิพลของความร้อนกัมมันตภาพรังสีในระหว่างการทำความร้อนและความเย็นของหินที่มีแมกนีไทต์ในสนามแม่เหล็กของโลก สำหรับการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวของสนามแม่เหล็กหลักจะอธิบายได้ดังนี้ การเปลี่ยนแปลงทางโลกอธิบายได้จากความผันผวนของอุณหภูมิในชั้นใต้ของเปลือกโลก การเพิ่มหรือลดอุณหภูมิจะเปลี่ยนการดึงดูดของหินและทำให้เกิดความผันผวนในสนามแม่เหล็กบนพื้นผิวโลก
ความแปรผันของสนามแม่เหล็กโลกในแต่ละวันถูกกำหนดโดยการเคลื่อนที่ของมวลอากาศที่แตกตัวเป็นไอออนในชั้นบรรยากาศสูง ในสิ่งที่เรียกว่าบรรยากาศรอบนอก ไอออนไนซ์ของอากาศเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพล แสงอาทิตย์เนื่องจากความเข้มของรังสีดวงอาทิตย์มีมากกว่าในช่วงเที่ยงวันและโดยเฉพาะเวลา วันฤดูร้อนจากนั้นความแปรผันของสนามแม่เหล็กโลกในแต่ละวันจะมีค่าสูงสุดในเวลานี้ พายุแม่เหล็กอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าโลกตกลงไปในกระแสรังสีจากแสงอาทิตย์ กระบวนการปะทุของอนุภาคแต่ละตัวเกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ ซึ่งบางครั้งถูกโยนออกไปไกลเกินวงโคจรของโลก อนุภาคเหล่านี้มีความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออนสูงและเพิ่มปริมาณประจุไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศรอบนอกได้อย่างรวดเร็ว การเคลื่อนที่ของประจุเหล่านี้ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ซึ่งบนโลกมองว่าเป็นพายุแม่เหล็ก
ดังนั้นสนามแม่เหล็กภาคพื้นดินจึงเป็นปรากฏการณ์ที่ซับซ้อนมาก: ส่วนต่าง ๆ ของโลกและกระบวนการทางกายภาพต่าง ๆ มีส่วนร่วมในการสร้างมัน ไม่ต้องสงสัยเลยว่าความสำเร็จเพิ่มเติมในธรณีฟิสิกส์ ดาราศาสตร์ และวิทยาศาสตร์อื่น ๆ ของรัสเซียจะทำให้ในอนาคตอันใกล้นี้สามารถค้นหาข้อมูลใหม่เกี่ยวกับต้นกำเนิดของสนามแม่เหล็กโลก ซึ่งจะอธิบายหนึ่งในนั้นอย่างถูกต้อง ปรากฏการณ์ที่น่าสนใจที่สุดธรรมชาติ.