Магнитное поле

Магнитное поле, силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. М. п. характеризуется вектором магнитной индукции В,который определяет: силу, действующую в данной точке поля на движущийся электрический заряд (см. Лоренца сила); действие М. п. на тела, имеющие магнитный момент, а также другие свойства М. п.

Впервые термин "М. п." ввёл в 1845 М. Фарадей, считавший, что как электрические так и магнитные взаимодействия осуществляются посредством единого материального поля. Классическая теория электромагнитного поля была создана Дж. Максвеллом (1873), квантовая теория - в 20-х годах 20 века (см. Квантовая теория поля).

Источниками макроскопического М. п. являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: М. п. возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента (см. Магнетизм).

М.. п. электрического тока определяется Био - Савара законом: М. п. тел, имеющих магнитный момент, - формулами, описывающими поле магнитного диполя (в общем случае - мультиполя).
Переменное М. п. возникает также при изменении во времени электрического поля. В свою очередь, при изменении во времени М. п. возникает электрическое поле. Полное описание электрического и магнитного полей в их взаимосвязи дают Максвелла уравнения. Для характеристики М. п. часто вводят силовые линии поля (линии магнитной индукции). Касательная в каждой точке такой линии имеет направление вектора В в этой точке. Числом силовых линий, проходящих через единичную перпендикулярную к ним площадку, количественно определяют индукцию поля. В местах повышенных значений В линии индукции сгущаются, в тех же местах, где поле слабее, линии расходятся (см., например, рис. 1).
Для М. п. наиболее характерны следующие проявления.
1. В постоянном однородном М. п. на магнитный диполь с магнитным моментом p_m действует вращающий момент N = [р_m В] (так, магнитная стрелка в М. п. поворачивается по полю; виток с током I, также обладающий магнитным моментом, стремится занять положение, при котором его плоскость была бы перпендикулярна линиям индукции; атомный диполь прецессирует вокруг силовой линии с характеристической частотой; рис. 1, а).
2. В постоянном однородном М. п. действие силы Лоренца приводит к тому, что траектория движения электрического заряда имеет вид спирали с кривизной, обратно пропорциональной скорости (рис. 1, б). Искривление траектории электрических зарядов под действием силы Лоренца сказывается, например, в перераспределении тока по сечению проводника при внесении его в М. п. Этот эффект лежит в основе гальваномагнитных, термомагнитных и других родственных им явлений.
3. В пространственно неоднородном М. п. на магнитный диполь действует сила F, перемещающая диполь в направлении градиента поля: F = grad (p_mB); так, пучок атомов, содержащий атомы с противоположно ориентированными магнитными моментами, в неоднородном М. п. разделяется на два расходящихся пучка (рис. 1, в).
4. М. п., непостоянное во времени, оказывает силовое действие на покоящиеся электрические заряды и приводит их в движение; возникающий при этом в контуре ток I_инд (рис. 1, г) своим М. п. В_инд противодействует изменению первоначального М. п. (см. Индукция электромагнитная).
Магнитная индукция В определяет среднее макроскопическое М. п., создаваемое в данной точке поля как токами проводимости (движением свободных носителей зарядов), так и имеющимися намагниченными телами (ионами и атомами вещества). М. п., созданное токами проводимости и не зависящее от магнитных свойств вещества, характеризуется вектором напряжённости магнитного поля Н = В - 4 pJ или Н = (В / m₀) - J? (соответственно в СГС системе единиц и Международной системе единиц). В этих соотношениях вектор J - намагниченностьвещества (магнитный момент единицы его объёма), m₀ - магнитная постоянная.
Отношение m = В / m₀Н, определяющее магнитные свойства вещества, называется его магнитной проницаемостью. В зависимости от величины m вещества делят на диамагнетики (m < 1) и парамагнетики (m > 1), вещества с m >> 1 называются ферромагнетиками.
Объёмная плотность энергии М. п. в отсутствии ферромагнетиков: w_M = mH² / 8p или w_M = BH / 8p (в единицах СГС); w_M = mm₀H² / 2 или BH / 2 (в единицах СИ). В общем случае w_M = ¹/₂ òHdB, где пределы интегрирования определяются начальными и конечными значениями магнитной индукции В, сложным образом зависящей от поля Н.
Для измерения характеристик М. п. и магнитных свойств веществ применяют различного типа магнитометры. Единицей индукции М. п. в системе единиц СГС является гаусс (гс), в Международной системе единиц - тесла (тл), 1 тл = 10⁴ гс. Напряжённость измеряется, соответственно, в эрстедах (э) и амперах на метр (а/м, 1 а/м = 4p/10³ э " 0,01256 э; энергия М. п. - в эрг/см² или дж/м², 1 дж/м² = 10 эрг/см².
Магнитные поля в природе чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым ими эффектам. М. п. Земли, образующее земную магнитосферу, простирается до расстояния в 70-80 тысяч км в направлении на Солнце и на многие миллионы км в противоположном направлении (см. Земля). У поверхности Земли М. п. равно в среднем 0,5 гс, на границе магнитосферы ~ 10^-3 гс. Геомагнитное поле экранирует поверхность Земли и биосферу от потока заряженных частиц солнечного ветра и частично космических лучей. Влияние самого геомагнитного поля на жизнедеятельность организмов изучает магнитобиология. В околоземном пространстве М. п. образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий - радиационный пояс Земли. Содержащиеся в радиационном поясе частицы представляют значительную опасность при полётах в космос. Происхождение М. п. Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре (см. Земной магнетизм).
Непосредственные измерения при помощи космических аппаратов показали, что ближайшие к Земле космические тела - Луна, планеты Венера и Марс не имеют собственного М. п., подобного земному. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и, по-видимому, Сатурн обладают собственными М. п., достаточными для создания планетарных магнитных ловушек. На Юпитере обнаружены М. п. до 10 гс и ряд характерных явлений (магнитные бури, синхротронное радиоизлучение и другие), указывающих на значительную роль М. п. в планетарных процессах.
Межпланетное М. п. - это главным образом поле солнечного ветра (непрерывно расширяющейся плазмы солнечной короны). Вблизи орбиты Земли межпланетное поле ~ 10^-4-10^-5 гс. Силовые линии регулярного межпланетного М. п. имеют вид идущих от Солнца раскручивающихся спиралей (их форма обусловлена сложением радиального движения плазмы и вращения Солнца). М. п. межпланетной плазмы имеет секторную структуру: в одних секторах оно направлено от Солнца, в других - к Солнцу. Регулярность межпланетного М. п. может нарушаться из-за развития различных видов плазменной неустойчивости, прохождения ударных волн и распространения потоков быстрых частиц, рожденных солнечными вспышками (см. Космическая магнитогидродинамика).
Во всех процессах на Солнце - вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей М. п. играет важнейшую роль (см. Солнечный магнетизм). Измерения, основанные на эффекте Зеемана, показали, что М. п. солнечных пятен достигает нескольких тысяч гс, протуберанцы удерживаются полями ~ 10-100 гс (при среднем значении общего М. п. Солнца ~ 1 гс). Удалённость звёзд не позволяет пока наблюдать у них М. п. типа солнечных. В то же время более чем у двухсот так называемых магнитных звёзд обнаружены аномально большие поля (до 3,4-10⁴ гс). Поля ~ 10⁷ гс измерены у нескольких звёзд - белых карликов. Особенно большие (~ 10¹⁰-10¹² гс) М. п. должны быть, по современным представлениям, у нейтронных звёзд. С М. п. космических объектов тесно связано ускорение заряженных частиц (электронов протонов, ядер) до релятивистских скоростей (близких к скорости света). При движении таких частиц в космических М. п. возникает электромагнитное синхротронное излучение. Индукция межзвёздного М. п., определённая по Зеемана эффекту (в радиолинии 21 см спектра водорода) и по Фарадея эффекту (вращению плоскости поляризации электромагнитного излучения в М. п.), составляет всего ~ 5-10^-6 гс. Однако общая энергия межзвёздного (галактического) М. п. превышает энергию хаотического движения частиц межзвёздного газа и сравнима с энергией космических лучей.
В явлениях микромира роль М. п. столь же существенна, как и в космических масштабах. Это объясняется существованием у всех частиц - структурных элементов вещества (электронов, протонов, нейтронов) магнитного момента, а также действием М. п. на движущиеся электрические заряды. Если суммарный магнитный момент М частиц, образующих атом или молекулу, равен нулю, то такие атомы и молекулы называются диамагнитными. Атомы (ионы, молекулы) с М ¹ 0 называются парамагнитными. У всех атомов (как с М = 0, так и с М ¹ 0) при наложении внешнего М. п. возникает индуцированный магнитный момент, направленный навстречу намагничивающему полю (см. Диамагнетизм). Однако у парамагнитных атомов в М. п. этот эффект маскируется преимущественным поворотом их магнитных моментов по полю (см. Парамагнетизм). У парамагнетиков и ферромагнетиков намагниченность увеличивается с ростом внешнего М. п. (до состояния насыщения). Вид кривых намагничивания ферромагнетиков (и антиферромагнетиков) в значительной степени определяется магнитным взаимодействием атомных носителей магнетизма. Это взаимодействие обусловливает также большое разнообразие типов атомной магнитной структуры у ферримагнетиков (ферритов).
Внутрикристаллическое М. п., измеренное в ферримагнетиках (ферритах-гранатах) на ядрах ионов железа, оказалось ~ 5-10⁵ гс, на ядрах редкоземельного металла диспрозия ~ 8-10⁶ гс. На расстоянии порядка размера атома (~ 10^-8 см) М. п. ядра составляет ~ 50 гс. Внешнее М. п. и внутриатомные М. п., создаваемые электронами атома и его ядром, расщепляют энергетические уровни атома (Зеемана эффект); в результате спектры атомов приобретают сложное строение (см. Тонкая структура и Сверхтонкая структура). Расстояния между зеемановскими подуровнями энергии (и соответствующими спектральными линиями) пропорциональны величине М. п., что позволяет спектральными методами определять значение М. п. С возникновением зеемановских подуровней энергии в М. п. и с квантовыми переходами между ними связано ещё одно важное физическое явление - резонансное поглощение веществом радиоволн (явление магнитного резонанса). Зависимость положения и формы линий спектра магнитного резонанса от особенностей взаимодействия молекул, атомов, ионов, а также ядер в жидкостях и твёрдых телах даёт возможность исследовать при помощи электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) структуру жидкостей, кристаллов и сложных молекул, кинетику химических и биохимических реакций.
М. п. способно заметно влиять на оптические свойства среды и процессы взаимодействия электромагнитного излучения с веществом (см. Фарадея эффект, Магнитооптика), вызывать гальваномагнитные явления и термомагнитные явления в проводниках и полупроводниках. М. п. оказывает влияние на сверхпроводимость веществ: при достижении определённой величины М. п. разрушает сверхпроводимость (см. Критическое магнитное поле). М. п. при намагничивании ферромагнитных тел изменяет их форму и упругие свойства (см. Магнитострикция). Особые свойства в М. п. приобретает плазма. М. п. препятствует движению заряженных частиц плазмы поперёк силовых линий поля (см. Магнитная гидродинамика). Этот эффект используется, например, для термоизоляции плазмы и обеспечения её устойчивости в установках для изучения свойств высокотемпературной плазмы.
Применение магнитных полей в науке и технике. М. п. обычно подразделяют на слабые (до 500 гс), средние (500 гс - 40 кгс), сильные (40 кгс - 1 Мгс) и сверхсильные (свыше 1 Мгс). На использовании слабых и средних М. п. основана практически вся электротехника, радиотехника и электроника. В научных исследованиях средние М. п. нашли применение в ускорителях заряженных частиц, в Вильсона камере, искровой камере, пузырьковой камере и других трековых детекторах ионизующих частиц, в масс-спектрометрах, при изучении действия М. п. на живые организмы и т.д. Слабые и средние М. п. получают при помощи магнитов постоянных, электромагнитов, неохлаждаемых соленоидов, магнитов сверхпроводящих.
М. п. до ~500 кгс широко применяются в научных и прикладных целях: в физике твёрдого тела для изучения энергетических спектров электронов в металлах, полупроводниках и сверхпроводниках; для исследования ферро- и антиферромагнетизма, для удержания плазмы в МГД-генераторах и двигателях, для получения сверхнизких температур (см. Магнитное охлаждение), в электронных микроскопах для фокусировки пучков электронов и т.д. Для получения сильных М. п. применяют сверхпроводящие соленоиды (до 150-200 кгс, рис. 2), соленоиды, охлаждаемые водой (до 250 кгс, рис. 3), импульсные соленоиды (до 1,6 Мгс, рис. 4). Силы, действующие на проводники с током в сильных М. п., могут быть очень велики (так, в полях ~ 250 кгс механические напряжения достигают 4-10⁸ н/м², то есть предела прочности меди). Эффект давления М. п. учитывают при конструировании электромагнитов и соленоидов, его используют для штамповки изделий из металла. Предельное значение поля, которое можно получить без разрушения соленоида, не превышает 0,9 Мгс.
Сверхсильные М. п. используют для получения данных о свойствах веществ в полях свыше 1 Мгс и при сопутствующих им давлениях в десятки млн. атмосфер. Эти исследования позволят, в частности, глубже понять процессы, происходящие в недрах планет и звёзд. Сверхсильные М. п. получают методом направленного взрыва (рис. 5). Медную трубу, внутри которой предварительно создано сильное импульсное М. п., радиально сжимают давлением продуктов взрыва. С уменьшением радиуса R трубы величина М. п. в ней возрастает ~ 1/R²(если магнитный поток через трубу сохраняется). М. п., получаемое в установках подобного типа (так называемых взрывомагнитных генераторах), может достигать нескольких десятков Мгс. К недостаткам этого метода следует отнести кратковременность существования М. п. (несколько мксек), небольшой объём сверхсильного М, п. и разрушение установки при взрыве.
Лит.: Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); Тамм И. Е., Основы теории электричества, 8 изд., М., 1966; Парселл Э., Электричество и магнетизм, перевод с английского, М., 1971 (Берклеевский курс физики, т. 2); Карасик В. Р., Физика и техника сильных магнитных полей, М., 1964; Монтгомери Б., Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов, перевод с английского, М., 1971; Кнопфель Г., Сверхсильные импульсные магнитные поля, перевод с английского, М., 1972; Кольм Г., Фриман А., Сильные магнитные поля, "Успехи физических наук", 1966, т. 88, в. 4, с. 703; Сахаров А. Д., Взрывомагнитные генераторы, там же, с. 725; Биттер Ф., Сверхсильные магнитные поля, там же, с. 735; Вайнштейн С. И., Зельдович Я. Б., О происхождении магнитных полей в астрофизике, там же, 1972, т. 106, в. 3.
? Л. Г. Асламазов, В. Р. Карасик, С. Б. Пикельнер.