Όλοι γνωρίζουν πόσο διασκεδαστικοί μπορεί να είναι οι μαγνήτες. Ως παιδί, ποιος από εμάς δεν ήθελε να δει αν θα μπορούσαμε να κάνουμε τα ασημικά μας να κολλήσουν μεταξύ τους; Και τι θα λέγατε για εκείνους τους μικρούς μαγνητικούς βράχους που θα μπορούσαμε να κανονίσουμε να σχηματίσουν σχεδόν οποιοδήποτε σχήμα επειδή κόλλησαν μεταξύ τους; Λοιπόν, ο μαγνητισμός δεν είναι απλώς μια ατελείωτη πηγή διασκέδασης ή καλό για επιστημονικά πειράματα. είναι επίσης ένας από τους βασικούς φυσικούς νόμους στους οποίους βασίζεται το σύμπαν.
Η έλξη γνωστή ως μαγνητισμός εμφανίζεται όταν υπάρχει ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο είναι ένα πεδίο δύναμης που παράγεται από ένα μαγνητικό αντικείμενο ή σωματίδιο. Μπορεί επίσης να παραχθεί από ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο και ανιχνεύεται από τη δύναμη που ασκεί σε άλλα μαγνητικά υλικά. Ως εκ τούτου, η περιοχή μελέτης που ασχολείται με τους μαγνήτες είναι γνωστή ως ηλεκτρομαγνητισμός.
Ορισμός:
Τα μαγνητικά πεδία μπορούν να οριστούν με διάφορους τρόπους, ανάλογα με το περιβάλλον. Ωστόσο, σε γενικές γραμμές, είναι ένα αόρατο πεδίο που ασκεί μαγνητική δύναμη σε ουσίες που είναι ευαίσθητες στον μαγνητισμό. Οι μαγνήτες ασκούν επίσης δυνάμεις και ροπές ο ένας στον άλλο μέσω των μαγνητικών πεδίων που δημιουργούν.
Οπτικοποίηση του ηλιακού ανέμου που συναντά τη μαγνητόσφαιρα της Γης. Όπως ένας διπολικός μαγνήτης, έχει γραμμές πεδίου και βόρειο και νότιο πόλο. Πίστωση: JPL
Μπορούν να δημιουργηθούν κοντά σε έναν μαγνήτη, από ένα ηλεκτρικό ρεύμα ή ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Είναι διπολικής φύσης, που σημαίνει ότι έχουν και βόρειο και νότιο μαγνητικό πόλο. Η μονάδα Standard International (SI) που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των μαγνητικών πεδίων είναι ο Tesla, ενώ τα μικρότερα μαγνητικά πεδία μετρώνται σε όρους Gauss (1 Tesla = 10.000 Guass).
Μαθηματικά, ένα μαγνητικό πεδίο ορίζεται ως προς την ποσότητα της δύναμης που άσκησε σε ένα κινούμενο φορτίο. Η μέτρηση αυτής της δύναμης είναι σύμφωνη με το Νόμος της δύναμης Lorentz , το οποίο μπορεί να εκφραστεί ωςF = qvB, όπουφάείναι η μαγνητική δύναμη,τιείναι η χρέωση,vείναι η ταχύτητα, και το μαγνητικό πεδίο είναισι. Αυτή η σχέση είναι ένα διανυσματικό γινόμενο, όπουφάείναι κάθετη (->) σε όλες τις άλλες τιμές.
Γραμμές πεδίου:
Τα μαγνητικά πεδία μπορεί να αντιπροσωπεύονται από συνεχείς γραμμές δύναμης (ή μαγνητική ροή ) που αναδύονται από μαγνητικούς πόλους που αναζητούν βορρά και εισέρχονται σε πόλους που αναζητούν νότο. Η πυκνότητα των γραμμών δείχνει το μέγεθος του πεδίου, καθώς είναι πιο συγκεντρωμένες στους πόλους (όπου το πεδίο είναι ισχυρό) και εξατμίζονται και εξασθενούν όσο πιο μακριά απέχουν από τους πόλους.
Ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο αντιπροσωπεύεται από ίσες παράλληλες ευθείες γραμμές. Αυτές οι γραμμές είναι συνεχείς, σχηματίζοντας κλειστούς βρόχους που εκτείνονται από βορρά προς νότο και περιστρέφονται ξανά. Η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου σε οποιοδήποτε σημείο είναι παράλληλη με την κατεύθυνση των κοντινών γραμμών πεδίου και η τοπική πυκνότητα των γραμμών πεδίου μπορεί να γίνει ανάλογη με την ισχύ του.
Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου μοιάζουν με ροή ρευστού, δεδομένου ότι είναι βελτιωμένες και συνεχείς και εμφανίζονται περισσότερες (ή λιγότερες γραμμές) ανάλογα με το πόσο προσεκτικά παρατηρείται ένα πεδίο. Οι γραμμές πεδίου είναι χρήσιμες ως αναπαράσταση μαγνητικών πεδίων, επιτρέποντας σε πολλούς νόμους του μαγνητισμού (και του ηλεκτρομαγνητισμού) να απλοποιηθούν και να εκφραστούν με μαθηματικούς όρους.
Ένας απλός τρόπος για να παρατηρήσετε ένα μαγνητικό πεδίο είναι να τοποθετήσετε ρινίσματα σιδήρου γύρω από έναν μαγνήτη σιδήρου. Οι διατάξεις αυτών των ρινισμάτων θα αντιστοιχούν στη συνέχεια στις γραμμές πεδίου, σχηματίζοντας ραβδώσεις που συνδέονται στους πόλους. Εμφανίζονται επίσης κατά τη διάρκεια των πολικών σέλας, στις οποίες ορατές λωρίδες φωτός ευθυγραμμίζονται με την τοπική κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου της Γης.
Ιστορία Σπουδών:
Η μελέτη των μαγνητικών πεδίων ξεκίνησε το 1269 όταν ο Γάλλος μελετητής Petrus Peregrinus de Maricourt χαρτογράφησε το μαγνητικό πεδίο ενός σφαιρικού μαγνήτη χρησιμοποιώντας σιδερένιες βελόνες. Τα μέρη όπου διέσχιζαν αυτές οι γραμμές ονόμασε «πόλους» (αναφορικά με τους πόλους της Γης), τους οποίους θα συνεχίσει να ισχυρίζεται ότι όλοι οι μαγνήτες κατείχαν.
Κατά τη διάρκεια του 16ου αιώνα, ο Άγγλος φυσικός και φυσικός φιλόσοφος William Gilbert από το Colchester επανέλαβε το πείραμα του Peregrinus. Το 1600, δημοσίευσε τα ευρήματά του σε συνθήκες ( Από Magnete ) στο οποίο ανέφερε ότι η Γη είναι μαγνήτης. Το έργο του ήταν εγγενές στην καθιέρωση του μαγνητισμού ως επιστήμης.
Άποψη του ανατολικού ουρανού κατά τη διάρκεια της κορύφωσης του σημερινού πρωινού σέλας. Πίστωση: Bob King
Το 1750, ο Άγγλος κληρικός και φιλόσοφος John Michell δήλωσε ότι οι μαγνητικοί πόλοι έλκονται και απωθούνται μεταξύ τους. Η δύναμη με την οποία το κάνουν αυτό, παρατήρησε, είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης, αλλιώς γνωστή ως νόμος αντίστροφου τετραγώνου .
Το 1785, ο Γάλλος φυσικός Charles-Augustin de Coulomb επαλήθευσε πειραματικά το μαγνητικό πεδίο της Γης. Ακολούθησε ο Γάλλος μαθηματικός και γεωμέτρης του 19ου αιώνα Simeon Denis Poisson δημιούργησε το πρώτο μοντέλο του μαγνητικού πεδίου, το οποίο παρουσίασε το 1824.
Μέχρι τον 19ο αιώνα, περαιτέρω αποκαλύψεις βελτίωσαν και αμφισβήτησαν τις προηγούμενες αντιλήψεις. Για παράδειγμα, το 1819, ο Δανός φυσικός και χημικός Hans Christian Orsted ανακάλυψε ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο γύρω του. Το 1825, ο André-Marie Ampère πρότεινε ένα μοντέλο μαγνητισμού όπου αυτή η δύναμη οφειλόταν σε συνεχώς ρέοντες βρόχους ρεύματος, αντί για τα δίπολα του μαγνητικού φορτίου.
Το 1831, ο Άγγλος επιστήμονας Michael Faraday έδειξε ότι ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργεί ένα κυκλικό ηλεκτρικό πεδίο. Στην πραγματικότητα, ανακάλυψε την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, η οποία χαρακτηριζόταν από τον νόμο της επαγωγής του Faraday (γνωστός και ως. Νόμος του Φαραντέι ).
Ένα κλουβί Faraday σε εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας στο Heimbach, Γερμανία. Προσφορά: Wikipedia Commons/Φρανκ Βίνσεντς
Μεταξύ 1861 και 1865, ο Σκωτσέζος επιστήμονας James Clerk Maxwell δημοσίευσε τις θεωρίες του για τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό - γνωστές ως Εξισώσεις Maxwell . Αυτές οι εξισώσεις όχι μόνο έδειξαν την αλληλεπίδραση μεταξύ του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού, αλλά έδειξαν πώς το ίδιο το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα.
Το πεδίο της ηλεκτροδυναμικής επεκτάθηκε περαιτέρω κατά τα τέλη του 19ου και 20ου αιώνα. Για παράδειγμα, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν (ο οποίος πρότεινε το Νόμος της Ειδικής Σχετικότητας το 1905), έδειξε ότι τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία αποτελούν μέρος των ίδιων φαινομένων που παρατηρούνται από διαφορετικά πλαίσια αναφοράς. Η εμφάνιση της κβαντικής μηχανικής οδήγησε επίσης στην ανάπτυξη της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής (QED).
Παραδείγματα:
Ένα κλασικό παράδειγμα μαγνητικού πεδίου είναι το πεδίο που δημιουργείται από έναν σιδερένιο μαγνήτη. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το μαγνητικό πεδίο μπορεί να απεικονιστεί περιβάλλοντάς το με ρινίσματα σιδήρου, τα οποία θα έλκονται από τις γραμμές πεδίου του και θα σχηματίζονται σε σχηματισμό βρόχου γύρω από τους πόλους.
Τα μεγαλύτερα παραδείγματα μαγνητικών πεδίων περιλαμβάνουν το μαγνητικό πεδίο της γης , που μοιάζει με το πεδίο που παράγεται από έναν απλό μαγνήτη ράβδων. Αυτό το πεδίο πιστεύεται ότι είναι το αποτέλεσμα της κίνησης στον πυρήνα της Γης, ο οποίος διαιρείται μεταξύ ενός στερεού εσωτερικού πυρήνα και του λιωμένου εξωτερικού πυρήνα που περιστρέφεται προς την αντίθετη κατεύθυνση από τη Γη. Αυτό δημιουργεί ένα φαινόμενο δυναμό, το οποίο πιστεύεται ότι τροφοδοτεί το μαγνητικό πεδίο της Γης (γνωστός και ως μαγνητόσφαιρα).
Προσομοίωση υπολογιστή του γήινου πεδίου σε μια περίοδο κανονικής πολικότητας μεταξύ των αντιστροφών.[1] Οι γραμμές αντιπροσωπεύουν γραμμές μαγνητικού πεδίου, μπλε όταν το πεδίο δείχνει προς το κέντρο και κίτρινες όταν είναι μακριά. Πίστωση: NASA
Ένα τέτοιο πεδίο ονομάζεται διπολικό πεδίο επειδή έχει δύο πόλους - βόρειο και νότιο, που βρίσκονται σε κάθε άκρο του μαγνήτη - όπου η ισχύς του πεδίου είναι στο μέγιστο. Στο μέσο μεταξύ των πόλων η ισχύς είναι η μισή της πολικής της τιμής και εκτείνεται δεκάδες χιλιάδες χιλιόμετρα στο διάστημα, σχηματίζοντας τη μαγνητόσφαιρα της Γης.Άλλα ουράνια σώματα έχουν αποδειχθεί ότι έχουν δικά τους μαγνητικά πεδία. Αυτό περιλαμβάνει τους γίγαντες αερίου και πάγου του Ηλιακού Συστήματος - τον Δία, τον Κρόνο, τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα. μαγνητικό πεδίο του Δία είναι 14 φορές πιο ισχυρό από αυτό της Γης, καθιστώντας την το ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο οποιουδήποτε πλανητικού σώματος. το φεγγάρι του Δία Γανυμήδης έχει επίσης μαγνητικό πεδίο και είναι το μόνο φεγγάρι στο Ηλιακό Σύστημα που είναι γνωστό ότι έχει ένα.
Ο Άρης πιστεύεται ότι είχε κάποτε ένα μαγνητικό πεδίο παρόμοιο με αυτό της Γης, το οποίο ήταν επίσης το αποτέλεσμα ενός φαινομένου δυναμό στο εσωτερικό του. Ωστόσο, λόγω είτε α μαζική σύγκρουση , ή γρήγορη ψύξη στο εσωτερικό του , ο Άρης έχασε το μαγνητικό του πεδίο πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Είναι εξαιτίας αυτού που πιστεύεται ότι έχει ο Άρης έχασε το μεγαλύτερο μέρος της ατμόσφαιράς του , και την ικανότητα διατήρησης υγρού νερού στην επιφάνειά του.
Όταν πρόκειται για αυτό, ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι ένα θεμελιώδες μέρος του Σύμπαντος μας, ακριβώς εκεί πάνω με τις πυρηνικές δυνάμεις και τη βαρύτητα. Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του και του πού εμφανίζονται τα μαγνητικά πεδία, δεν είναι μόνο το κλειδί για την κατανόηση του πώς δημιουργήθηκε το Σύμπαν, αλλά μπορεί επίσης να μας βοηθήσει να βρούμε ζωή πέρα από τη Γη κάποια μέρα.
Έχουμε γράψει πολλά άρθρα για το μαγνητικό πεδίο για το Σύμπαν Σήμερα. Εδώ είναι Τι είναι το Μαγνητικό Πεδίο της Γης , Είναι έτοιμο το μαγνητικό πεδίο της Γης να αναστραφεί; , Πώς λειτουργούν οι μαγνήτες; , Χαρτογράφηση των μαγνητικών πεδίων του Γαλαξία – Ο ουρανός του Φαραντέι , Μαγνητικά Πεδία σε Σπειροειδείς Γαλαξίες – Εξηγήθηκαν επιτέλους; , Αστρονομία Χωρίς Τηλεσκόπιο – Κοσμικά Μαγνητικά Πεδία .
Αν θέλετε περισσότερες πληροφορίες για το μαγνητικό πεδίο της Γης, ρίξτε μια ματιά Οδηγός εξερεύνησης ηλιακού συστήματος της NASA στη Γη . Και εδώ είναι ένας σύνδεσμος προς Παρατηρητήριο Γης της NASA .
Έχουμε ηχογραφήσει επίσης ένα επεισόδιο του Astronomy Cast all για τον πλανήτη Γη. Ακου εδώ, Επεισόδιο 51: Γη .
Πηγές: