Магнитное поле тока: Магнитное поле тока. Магнитные силовые линии

Содержание

Магнитное поле — урок. Физика, 8 класс.

Одним из свойств электрического тока является магнитное поле, оно возникает при протекании тока по проводнику.

 

 

Рис. \(1\). Магнитное поле проводника

 

Пример:

При прохождении тока по двум параллельно расположенным проводникам между проводниками возникают силы взаимодействия, которые называются магнитными силами. Действие этих сил может привести к деформации проводников (см. рисунок).

 

Рис. \(2\). Магнитные силы

 

Для изучения магнитного действия тока используют магнитную стрелку.

 

 

Рис. \(3\). Магнитная стрелка 

 

Обрати внимание!

У магнитной стрелки есть два полюса — северный (обозначается буквой \(N\), окрашен в синий цвет) и южный (обозначается буквой \(S\), окрашен в красный цвет).

Линию, соединяющую полюсы магнитной стрелки, называют её осью.

Магнитную стрелку ставят на заостренный коней иглы или булавки, чтобы она могла свободно поворачиваться вокруг своей оси (в горизонтальной плоскости).

 

Рис. \(4\). Устройство для демонстрации

 

Проведем опыт, который первым реализовал Эрстед в 1820 году.

 

 

Рис. \(5\). Эрстед Ханс Кристиан

 

Для опыта понадобится источник тока, реостат, ключ, провода и магнитная стрелка на подставке. В начальный момент магнитная стрелка располагается под проводом параллельно ему. На рисунке видно изменение положения магнитной стрелки в разомкнутом и замкнутом контурах.

 

 

Рис. \(6\). Опыт Эрстеда

 

Данный опыт демонстрирует факт наличия магнитного поля в пространстве направленного движения электрических зарядов.

 

Опыт Эрстеда устанавливает связь между электрическими и магнитными явлениями. О существовании такой связи догадывались ещё первые исследователи, которых поражала аналогия электрических и магнитных явлений, например, притягивание и отталкивание: в электричестве — разноимённых и одноимённых зарядов, а в магнетизме — разноимённых и одноимённых полюсов.

 

Таким образом, подводя итог выше сказанному, заполним таблицу:

 

неподвижные электрические заряды создают 

движущиеся электрические заряды создают 

Поле

 электрическое

электрическое и магнитное

 

Это означает, что вокруг проводника с током (т.е. движущихся зарядов) существует как электрическое, так и магнитное поле. Поэтому электрический ток считают источником  магнитного поля.

Источники:

Рис. 2. Магнитные силы. © ЯКласс.

 

Главное по теме «Магнитное поле тока» | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Магнитное поле связано с движущимися электрически заряженными частицами или телами (электрическим током).


Главным свойством магнитного поля, которое позволяет отличить его от других полей, является его действие на движущиеся заряженные частицы или тела.


Силовое действие магнитного поля на заряженное тело описывается магнитной индукцией. Магнитная индукция — силовая характери­стика магнитного поля. Это векторная величина, ее вектор перпен­дикулярен вектору скорости движения заряженных частиц.


Направление магнитной индукции определяется по правилу правого винта.


Модуль магнитной индукции определяется как отношение максималь­ного вращательного момента, действующего на виток с током в маг­нитном поле, к произведению силы тока на площадь витка:

B = Mmax / IS.


Для измерения магнитной индукции пользуются единицей тесла (Тл).


Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, назы­вается силой Ампера. Модуль силы Ампера определяется по формуле

FА = BIΔl • sin α.

Вектор силы Ампера лежит в плоскости, перпендикулярной плоскости векторов скорости заряженных частиц и магнитной индукции.


На отдельную частицу, которая имеет электрический заряд и движется в магнитном поле, действует магнитная составляющая силы Лоренца.

FЛ = qvBsin

α. Материал с сайта http://worldofschool.ru


Все вещества взаимодействуют с магнитным полем. Магнитные свой­ства веществ определяются их внутренним строением. По магнитным свойствам вещества делят на диамагнетики, парамагнетики и ферро­магнетики.


Ферромагнетики отличаются большой магнитной проницаемостью, что является следствием их доменной структуры. Поскольку фер­ромагнетики принадлежат к кристаллическим веществам, то на их свойства влияют намагничивание, нагревание, деформации и т. п.


Проявления магнитного поля и его взаимодействия с веществом находят практическое применение.

На этой странице материал по темам:
  • Магнитное поле тока доклад

  • Шпаргалка по теме магнитное поле

  • Доклад магнитное поле тока

  • Доклад по теме магнитное поле тока

  • Шпаргалка формулы на тему магнитное поле

Магнитное поле — все статьи и новости

Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и тела, обладающие магнитным моментом. Это одна из пяти известных нам сил, управляющих Вселенной от микромасштабов до масштабов межгалактических. С тех пор как Джеймс Клерк Максвелл связал в своих знаменитых пяти уравнениях электродинамики электричество и магнетизм, объединение всех пяти сил стало для физиков одной из главных задач. В так называемой Стандартной модели им удалось объединить слабое взаимодействие с электромагнитным. С Великим объединением, включающим в силовой союз и сильное взаимодействие, пока не получается, но уже в наличии прогресс в виде множества моделей. Вопрос за малым: каким-то образом, объединить все это еще и с гравитацией.

Похоже, что магнитное поле — непременное условие для существования жизни. Оно представляет собой единственную защиту от убивающей радиации Солнца. По одной из гипотез истории Марса, у него в далекой древности были моря и воздух, но потом что-то сильно его ударило и лишило магнитного поля. Атмосферу снесло солнечным ветром, океан, тогда существовавший, усох, и сегодня он непригоден для жизни.

О магнитах и их силе люди, наверное, знали, чуть ли не с момента появления у них разума. Самый первый компас — сынань — был изобретен в Китае еще в третьем веке до н.э. Однако «по-настоящему» магнитное поле люди начали изучать лишь в Средние века. В 1269 году французский ученый Петр Перегрин (рыцарь Пьер из Мерикура) отметил магнитное поле на поверхности сферического магнита, применяя стальные иглы, и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» — по аналогии с полюсами Земли. Почти три столетия спустя Уильям Гилберт Колчестер, заложивший основы магнетизма как науки, впервые определенно заявил, что сама Земля является магнитом. В XVIII-XIX веках ученые доказали, что у магнита обязательно должно быть два полюса, а также то, что электрический ток может порождать магнитное поле и наоборот. Ампер, Фарадей, Кельвин и Максвелл завершили классическое описание электромагнитного поля.

Изображение: NASA

(PDF) О магнитном поле токов смещения

33

О магнитном поле токов смещения

УДК 537.851

О магнитном поле токов смещения

Искандер Рахимович Мубаракшин

Марийский государственный университет (МарГУ)

424001 Россия, ЙошкарОла, пл. Ленина, д. 1; email: [email protected]

Рассматривается соленоид с переменным током, магнитное поле в котором зависит от

времени квадратично. Учет токов смещения и их магнитных полей позволяет построить

полную картину взаимопревращений электрического и магнитного полей. Отмечены

встречающиеся в литературе ошибки.

Ключевые слова: вихревое поле, токи смещения, электромагнитная индукция.

Введение

В квазистационарном приближении токами смещения как дополнительными

источниками магнитного поля обычно пренебрегают по сравнению с токами

проводимости. Но в совокупности с электромагнитной индукцией учет токов смещения

дает полную картину взаимопревращения электрического и магнитного полей.

В работе рассматривается поле длинного (бесконечного) соленоида, в котором

ток меняется так, что магнитное поле в соленоиде зависит от времени квадратично. На

первый взгляд квадратичная зависимость поля от времени должна приводить к

постоянным (не зависящим от времени) токам смещения за счет двойного

дифференцирования по времени: один раз при дифференцировании магнитного потока

и нахождении индукционного электрического поля, второй – при нахождении

непосредственно плотности токов смещения. В учебном пособии [1] при рассмотрении

этой задачи такой результат и приводится. Однако более тщательный анализ показывает,

что это не совсем так. Обсуждается предлагаемое в [1] решение задачи. Находятся

магнитные поля токов смещения.

Задача с магнитным полем соленоида,

зависящим от времени квадратично

В учебном пособии [1] приводится следующая задача:

Ток, текущий по длинному прямому соленоиду, радиус сечения которого R, меняют так,

что магнитное поле внутри соленоида возрастает со временем по закону B =

β

t2, где

β

постоянная. Найти плотность тока смещения как функцию расстояния r от оси

соленоида [1].

Затем предлагается решение. Сначала находится напряженность вихревого

электрического поля. На основе уравнения Максвелла для циркуляции вектора E имеем:

Физическое образование в вузах. Т. 24, № 3, 2018

Компас внутри: вы хотели бы чувствовать магнитные поля?

  • Джейсон Голдман
  • BBC Future

Автор фото, iStock

Как мы знаем, некоторые животные ориентируются по магнитному полю Земли. А может, мы тоже так умеем, просто об этом не задумываемся? Обозреватель BBC Future рассказывает о скрытых возможностях людей и зверей.

В 2006 году Стив Хэуорт, биохакер из Аризоны, совершил надрез на безымянном пальце Куинн Нортон, поместил туда небольшой магнит из редкоземельных металлов и зашил.

«Когда я трогаю телефонный шнур или провожу рукой по определенным частям ноутбука, палец начинает покалывать», — сказала она в интервью радиоканалу NPR (а перед этим написала о своем эксперименте статью для издания Wired).

«Иногда потянусь за чем-нибудь, а палец начинает покалывать — значит, рядом телефонный провод. В таких проводах не очень высокое напряжение, но и изоляции у них почти нет. Поэтому поле вокруг них ощущается особенно сильно», — рассказывает она.

Автор фото, iStock

Подпись к фото,

Даже низковольтный телефонный провод вызывает у Куинн Нортон покалывание в пальце

Нортон не стремилась стать супергероем — ее вовсе не прельщало перемещать предметы на расстоянии, как Магнето из «Людей Икс», или что-нибудь еще в этом роде.

Она просто хотела попробовать научиться чувствовать магнитные поля.

Как ей помог магнит?

В кончике пальца тысячи рецепторов — нервных окончаний, передающих в мозг информацию о том, к чему вы прикасаетесь.

При попадании в магнитное поле имплантированный в палец крохотный магнит может начать чуть-чуть двигаться или вибрировать — и этого будет достаточно, чтобы активировать нервные окончания.

Конечно, мы круглые сутки находимся в водовороте разных магнитных полей — они есть у Земли, Солнца, у каждого холодильника, лампочки, смартфона и телевизионного пульта.

Электричество и магнетизм неразрывно связаны, поэтому магнитное поле возникает везде, где есть электрический ток, — и наоборот.

Но биохакерский проект Хэуорта и Нортон и не предусматривал того, чтобы человек начал видеть все эти поля разом.

Как Нортон пояснила в радиоинтервью, ей чаще всего приходилось прикоснуться к предмету, чтобы почувствовать его магнитное поле.

Животным гораздо проще. Еще в конце 1960-х ученые выяснили, что некоторые птицы определяют направление перелета, ориентируясь по магнитному полю Земли. И они обходятся без хирургических операций — за них всё сделала эволюция.

Например, у малиновки (зарянки) в клетках сетчатки есть такое вещество, как криптохром, которое регулирует чувствительность зрительных нервов в зависимости от магнитного поля.

Благодаря этому часть картинки становится темнее, а часть светлее — птичка буквально видит магнитное поле Земли. И она в этом не одинока.

У голубей есть чувствительные к магнитному полю нейроны, а головастые морские черепахи ориентируются по магнитным полям при миграции.

Лисы предположительно используют магнитную чувствительность при охоте. Собаки, справляя нужду, стараются вставать по оси север — юг.

Коровы же поссорили зоологов, которые не могут договориться о том, выстраиваются ли стада коров (и оленей) вдоль линий магнитного поля.

Автор фото, fotoVoyager

Подпись к фото,

Неужели эти коровы чувствуют что-то, что нам недоступно?

Получается, магниторецепция (умение чувствовать магнитные поля) — вовсе не редкость в царстве животных. Напрашивается вопрос: а как же человек?

Если бы магнит от холодильника прилипал к руке, мы бы это, конечно, заметили.

Но не стоит исключать, что магнитные поля влияют на нас менее заметным образом — может быть, даже помимо нашего сознания.

В 1980 году британский зоолог Робин Бейкер опубликовал отчет о серии экспериментов, которые стали известны как манчестерские.

«При перемещении в другое место многие виды животных могут определить, в каком направлении следует двигаться, чтобы вернуться», — писал он в журнале Science.

Аналогичные эксперименты с людьми показали, что у них есть похожая способность.

Бейкер был уверен, что люди находят «дорогу домой» не за счет построения внутренней карты или чего-либо подобного.

Для него вывод был очевиден: homo sapiens умеет чувствовать магнитное поле Земли.

Студентов Манчестерского университета загружали в минифургоны группами от пяти до одиннадцати человек. После этого им завязывали глаза и везли «по извилистой дороге» от шести до 52 километров.

Когда студента выводили из фургона и разрешали снять повязку с глаз, его просили указать направление в сторону университета, назвав сторону света — например, «север» или «юго-восток».

Бейкер повторил этот эксперимент десять раз с десятью группами студентов, и в среднем они действительно чаще указывали в верном направлении (или близком к нему), чем в противоположном.

Затем Бейкер повторил эксперимент еще раз, по просьбе одной из телепередач.

На этот раз у половины участников к затылку был пристегнут магнит. Другой половине дали кусочек меди, не обладающий магнитными свойствами, но для чистоты эксперимента тоже сказали, что это магнит.

Те, у кого к затылку была приложена медь, чаще указывали в нужную сторону, как и участники первого эксперимента.

Те же, кому достались настоящие магниты, путали направление, что позволило сделать вывод, что на выявленную способность ориентироваться в пространстве легко повлиять.

Автор фото, Josh Clark/Flickr/CC BY Sa

Подпись к фото,

Наличие молекул магнетита в мозге человека и криптохрома в тканях сетчатки — доводы в пользу гипотезы о том, что мы тоже чувствуем магнитные поля

Хотя манчестерские эксперименты и не стали однозначным доказательством того, что у человека есть магнеторецепция, они послужили стимулом для дальнейшей работы в этой области.

Ученые по всему миру провели десятки исследований, стремясь воспроизвести полученные Бейкером результаты. Но это оказалось не так просто.

Например, биологи Джеймс Гулд и Кеннет Эйбл восемь раз пытались получить обнаруженный Бейкером эффект, но не смогли.

«Отсутствие результата в каждом из проведенных экспериментов свидетельствует о том, что рассматриваемое явление носит более сложный и непостоянный характер, чем ожидалось», — написали они в журнале Science.

Даже пригласив самого Бейкера в Нью-Джерси, чтобы он помог организовать эксперименты надлежащим образом, авторам не удалось выявить какие-либо признаки магнеторецепции.

Однако в 1987 году Бейкер провел метаанализ, в котором пришел к выводу, что если объединить данные всех неудачных экспериментов, предпринятых в Великобритании, США и Австралии, просматривается именно та закономерность, о которой он писал.

Ученые до сих пор не пришли к единому мнению о том, как толковать результаты «манчестерских экспериментов».

Бесспорно одно: у нас в мозге и костях есть минеральное вещество магнетит, а в клетках сетчатки содержится криптохром — следовательно, не исключено, что наш организм тоже реагирует на магнитные поля. Исследователи продолжают искать подтверждение этой гипотезы.

Иными словами, даже если у нас есть хоть какое-то «магнитное чувство», доказать его наличие непросто.

Похоже, что пока самый верный способ продемонстрировать такую сверхспособность — имплантировать в кончики пальцев по магниту. Но мы настоятельно не рекомендуем это делать.

Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.

Действие электрического тока


Наличие тока в электроцепи всегда проявляется каким-либо действием. Например, работа при конкретной нагрузке или какое-то сопутствующее явление. Следовательно, именно действие электротока говорит о его присутствии как таковом в той или иной электроцепи. То есть, если работает нагрузка, то ток имеет место быть. 

Известно, что электрический ток вызывает различного рода действия. Например, к таковым относятся тепловые, химические, магнитные, механические или световые. При этом различные действия электрического тока способны проявлять себя одновременно. Более подробно о всех проявлениях мы расскажем Вам в данном материале.

Тепловое явление

Известно, что температура проводника повышается при прохождении через него тока. В качестве таких проводников выступают различные металлы или их расплавы, полуметаллы или полупроводники, а также электролиты и плазма. Например, при пропускании через проволоку из нихрома электрического тока происходит ее сильное нагревание. Данное явление используют в приборах нагрева, а именно: в электрических чайниках, кипятильниках, обогревателях и т.п. Электродуговая сварка отличается самой большой температурой, а именно нагрев электродуги может достигать до 7 000 градусов по Цельсию. При такой температуре достигается легкое расплавление металла. 

Количество выделяемой теплоты напрямую зависит от того, какое напряжение было приложено к данному участку, а также от электротока и времени его прохождения по цепи.  

Для расчета объемов выделяемой теплоты используется или напряжение, или сила тока. При этом необходимо знание показателя сопротивления в электроцепи, поскольку именно оно провоцирует нагрев из-за ограничения тока. Также количество тепла можно определить при помощи тока и напряжения.

Химическое явление

Химическое действие электротока заключается в электролизе ионов в электролите. Анод при электролизе присоединяет к себе анионы, катод – катионы. 

Иными словами, во время электролиза на электродах источника тока происходит выделение определенных веществ.

Приведем пример: в кислотный, щелочной или же солевой раствор опускаются два электрода. После пропускается по электроцепи ток, что провоцирует создание положительного заряда на одном из электродов, на другом – отрицательного. Ионы, которые находятся в растворе, откладываются на электроде с иным зарядом. 

Химическое действие электротока применяется в промышленности. Так, используя данное явление, осуществляют разложение воды на кислород и водород. Кроме того, при помощи электролиза получают металлы в их чистом виде, а также осуществляют гальваническое покрытие поверхности. 

Магнитное явление

Электрический ток в проводнике любого агрегатного состояния создает магнитное поле. Иными словами, проводник при электрическом токе наделяется магнитными свойствами.

Таким образом, если к проводнику, в котором протекает электроток, приблизить магнитную стрелку компаса, то та начнет поворачиваться и займет к проводнику перпендикулярное положение. Если же на сердечник из железа намотать данный проводник и пропустить сквозь него постоянный ток, то данный сердечник примет свойства электромагнита. 

Природа магнитного поля всегда заключается в наличии электрического тока. Объясним: движущиеся заряды (заряженные частицы) образуют магнитное поле. При этом токи противоположного направления отталкиваются, а одинакового направления – притягиваются.

Данное взаимодействие обосновано магнитным и механическим взаимодействием магнитных полей электротоков. Выходит, что магнитное взаимодействие токов первостепенно. 

Магнитное действие применяется в трансформаторах и электромагнитах. 

Световое явление

Самый простой пример светового действия – лампа накаливания. В данном источнике света спираль достигает нужной температурной величины посредством проходящего сквозь нее тока до состояния белого каления. Тем самым и излучается свет. В традиционной лампочке накаливания всего лишь пять процентов всей электроэнергии расходуется на свет, остальная же львиная доля преобразуется в тепло. 

Более современные аналоги, например, люминесцентные лампы наиболее эффективно преобразуют электроэнергию в свет. То есть, около двадцати процентов всей энергии лежит в основе света. Люминофор принимает УФ-излучение, идущее от разряда, что возникает в ртутных парах или в инертных газах.

 

Самая эффективная реализация светового действия тока происходит в светодиодных источниках света. Электрический ток, проходя через pn-переход, провоцирует рекомбинацию носителей заряда с излучением фотонов. Лучшими led излучателями света являются прямозонные полупроводники. Изменяя состав данных полупроводников, возможно создание светодиодов для различных световых волн (разной длины и диапазона). Коэффициент полезного действия светодиода достигает 50 процентов. 

Механическое явление

Напомним, что вокруг проводника с электрическим током возникает магнитное поле. Все магнитные действия преобразуются в движение. Примером служат электрические двигатели, магнитные подъемные установки, реле и др.

В 1820 году Андре Мари Ампер вывел известный всем «Закон Ампера», который как раз описывает механическое действие одного электротока на другой. 

Данный закон гласит, что параллельные проводники с электрическим током одинакового направления испытывают притяжение друг другу, а противоположного направления, наоборот, отталкивание.  

Также закон ампера определяет величину силы, с которой магнитное поле воздействует на небольшой отрезок проводника с электротоком. Именно данная сила лежит в основе функционирования электрического двигателя.

Статьи по теме: 

Магнитное поле — определение, виды

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Магнитное поле

Люди только и делают, что говорят про какие-то магнитные бури, привозят магнитики на холодильник, ходят в походы с компасом, который показывает, где север, а где юг. В основе всего этого лежит магнитное поле.

Магнитное поле — это материя, за счет которой осуществляется взаимодействие зарядов.

У нее есть несколько условий для существования:

  • магнитное поле материально, то есть существует независимо от наших знаний о нем;
  • порождается только движущимся электрическим зарядом;
  • обнаружить магнитное поле можно по действию на движущийся электрический заряд (или проводник с током) с некоторой силой;
  • магнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

Магнитное поле создается только движущимся электрическим зарядом? А как же магниты?

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Электроны могут вращаться по разным орбитам. На каждой орбите может находиться по два электрона, которые вращаются в разных направлениях.

Но у некоторых веществ не все электроны парные, и несколько электронов крутятся в одном и том же направлении, такие вещества называются ферромагнетиками. А поскольку электрон — заряженная частица, вращающиеся вокруг атома в одну и ту же сторону электроны создают магнитное поле. Получается миниатюрный электромагнит.

Если атомы вещества расположены в произвольном порядке, поля этих крошечных магнитиков компенсируют друг друга. Но если эти магнитные поля направить в одну и ту же сторону, то они сложатся — и получится магнит.

У любого магнита есть два полюса — северный и южный.

Любое магнитное поле описывается магнитными линиями, которые выходят из северного поля и приходят в южный. Эти линии всегда замкнуты, даже если у них бесконечная длина. Вот так это выглядит:



Как запомнить, что выходят магнитные линии из северного полюса, а приходят в южный?

Все просто — на севере жить никто не хочет. Многие люди переезжают туда, где теплее, зимуют в теплых краях, в общем — стремятся на юг. Магнитные линии тоже.

Северный полюс обозначается латинской буквой N (от английского слова North). А южный — буквой S (от английского слова South).

Наша планета — это один большой магнит. У нее тоже есть северный и южный полюса. Но есть один нюанс — географические полюса отличаются от физических. Да-да, на северном полюсе, который наверху карты, находится южный физический полюс. Ну и наоборот, на южном географическом — северный физический.

Не паникуйте, компас показывает вам географический полюс. Да, компас — это магнитная стрелка, и должен по идее показывать физический полюс, но стрелка окрашена так, чтобы направившись на северный физический полюс, показать южный географический. Чтобы люди не путались.

Опыт Эрстеда

Самое главное экспериментальное доказательство того, что магнитное поле возникает из-за движения зарядов — это опыт Эрстеда. В1820 году Эр­стед опыт­ным пу­тём свя­зал элек­три­че­ст­во и маг­не­тизм с по­мо­щью экс­пе­ри­мен­та с от­кло­не­ни­ем стрел­ки ком­па­са.

Это явление использовали, когда создавали первые ам­пер­мет­ры, так как от­кло­не­ние стрел­ки про­пор­цио­наль­но ве­ли­чи­не то­ка. Оно ле­жит в ос­но­ве лю­бо­го элек­тро­маг­ни­та.

Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.

Магнитное поле Земли: вклад океанских течений в вертикальные профили в глубоких океанах | Международный геофизический журнал

Сводка

Главное магнитное поле Земли, возникающее в ядре, в океане должно иметь четко определенный равномерный градиент с глубиной. На этот равномерный градиент могут накладываться магнитные сигналы от множества источников. К ним относятся намагничивание земной коры, временные колебания, возникающие вне Земли и вызывающие вторичные индуцированные поля внутри нее; и, в центре внимания данной статьи, магнитные сигналы, возникающие из-за индукции движения морской воды, движущейся в постоянном основном магнитном поле Земли.Существуют обстоятельства, при которых теория предсказывает, что такие индуцированные движением магнитные поля будут порядка 10 2 нТл и будут меняться с глубиной таким образом, который напрямую связан с профилем скорости.

Исследовательское зондирование магнитного поля с глубиной было выполнено в океанах вокруг Австралии как для проверки этих прогнозов, так и для исследования практической возможности измерения таких профилей. Наблюдаемый параметр магнитного поля — это «полное поле», которое должно определять компонент скорости океана, лежащий в магнитном меридиане.Магнитометр был спущен с корабля по тросу, а также работал в режиме свободного падения на морское дно (и обратно). Наблюдения, по-видимому, подтверждают теоретический градиент основного поля там, где нет океанических течений, и там, где существуют океанические течения, подтверждают их профили, разрешенные в направлении магнитного севера. В частности, наблюдения, сделанные в водовороте Восточно-Австралийского течения, показывают правильный контраст знаков для потоков, текущих на север и на юг.

1 Введение

Измерение вертикального градиента геомагнитного поля имеет особую историю, связанную с экспериментами, проведенными около пятидесяти лет назад по установлению причины самого поля. Наблюдения проводились на суше с использованием шахтных стволов, и одна новаторская попытка была предпринята в океане.

Вскоре стали широко доступны ранние «современные» магнитометры. Эти инструменты были основаны в одном случае на принципах гистерезиса железа («флюксгейт»), а в другом — на принципах «прецессии протонов». Последние особенно хорошо подходят для применения в морской геофизике для измерения профилей магнитного поля полного поля вдоль путей судов.Как хорошо известно, далеко идущим следствием этих усилий по измерению горизонтальных профилей полного поля было открытие магнитных полос на морском дне. Это открытие, в свою очередь, привело к возникновению теории тектонических плит.

В рамках морских приложений, исследуемых для магнитометров прецессии протона при измерении магнитных полей земной коры, Хейрцлер (1967) использовал два таких прибора для измерения вертикальных градиентов магнитного поля в Северном Ледовитом океане. Один магнитометр был записан на ледяном острове, а другой был подвешен на тросе на глубине 305 м, так как ледяной остров дрейфовал вбок.

В то время также ракетные магнитометры измеряли профили по вертикали над поверхностью Земли (Matsushita 1967). Эти профили свидетельствовали о существовании ионосферных электрических токов, наблюдая за изменениями магнитного поля, которые наблюдались при проникновении магнитного датчика в ионосферный токовый слой. Ранний пример — это Берроуз и Холл (1965).

В целом, однако, похоже, что измерениям, которые стали возможными, уделялось мало внимания вертикальным профилям магнитного поля Земли вниз через океаны.Эта статья теперь обращается к этой теме. Для этого есть фундаментальная причина геомагнетизма. Он призван продемонстрировать существование магнитного поля, которое, согласно теоретическим расчетам, создается океанскими течениями. Кроме того, существуют возможные приложения к океанографии для получения информации о составляющей океанического потока в направлении северного магнитного поля.

Разведочные измерения проводились у восточного и западного побережья Австралии, особенно в первом случае, когда Восточно-Австралийское течение (EAC) течет сильно. В ВАС намеренно измерены контрастирующие северные и южные потоки. Цель состояла в том, чтобы проверить наличие сигналов противоположного знака, которые, согласно теории, должны давать такие противоположные потоки. Детали наблюдений приведены в таблице 1.

Таблица 1

Детали наблюдений вертикальных профилей полного магнитного поля в столбе океана вокруг Австралии, 1994–1997 гг. Позиции сайтов, относящиеся к данной статье, перечислены в таблице 2.Согласие между градиентами IGRF для Индийского океана (площадка 4) и Тасманова моря случайно.

Таблица 1

Детали наблюдений вертикальных профилей полного магнитного поля в столбе океана вокруг Австралии, 1994–1997 гг. Положения участков, относящиеся к настоящему документу, перечислены в Таблице 2. Согласие между градиентами IGRF для Индийского океана (участок 4) и Тасманова моря является случайным.

2 История

2.

1 Вертикальные профили магнитного поля Земли

В конце 1940-х, когда современные магнитометры (флюксгейт и протонная прецессия, последовательно) были на грани начала геофизических исследований с таким далеко идущим воздействием, возникла дискуссия о происхождении главного магнитного поля Земли. Споры сосредоточились на том, было ли магнитное поле Земли присуще планете как массивному вращающемуся телу, или оно было вызвано совершенно другим процессом динамо-действия в ядре Земли.Первый случай был выдвинут тогда, например, Блэкеттом (1947), а второй случай, например, Буллардом (1949). Runcorn et al. (1951) приписывают Булларду идею о том, что проверка между этими двумя теориями была возможна путем измерения вертикального градиента напряженности поля в поверхностном слое Земли, и это признание подтверждается Хиде (1997) в его принятии теории Уильяма Боуи. Медаль Американского геофизического союза.

Эта тема широко обсуждалась в то время, см., Например, Runcorn (1948) и Chapman & Runcorn (1948). Эксперименты на суше проводились как на глубоких золотых приисках в Южной Африке (Hales & Gough, 1947), так и на угольных шахтах в Англии (Runcorn et al. 1951). Последний имел преимущество минимального возмущения за счет намагничивания земной коры, что повлияло на измерения в Южной Африке. Результаты, как сообщает Runcorn et al. (1951), были расценены как «решающее свидетельство против фундаментального происхождения геомагнитного поля» (то есть против теории массивного вращающегося тела), как, независимо, результаты лабораторных экспериментов Блэкетта (1952).Инструменты, разработанные для последнего, теперь уже известные, открыли новую эру в палеомагнитных измерениях (McElhinny & McFadden 2000).

В наземных экспериментах была получена информация о вертикальном градиенте путем наблюдений как на поверхности, так и на глубине в глубоких шахтах. Возможность проведения «измерений в море на большой глубине» была отмечена Runcorn et al. (1951) с оговоркой, что «индуцированные токи из-за движений жидкости могут маскировать эффект». Одна экспедиция датского корабля Galathea зарегистрирована (Espersen et al. 1956) как измерение вертикального градиента магнитного поля в океане с помощью специально сконструированного оборудования и магнитометров, основанных на классических принципах. Несмотря на навыки проектирования и изготовления приборов, а также экспериментальное определение во время рейса, возникли серьезные инструментальные и логистические трудности. Всего за несколько лет доступность магнитометров прецессии протонов полностью изменит положение.

2.2 Движение электромагнитной индукции в океане

Второй важный аспект этой статьи, двигательная электромагнитная индукция, имеет столь же характерную историю.Отправной точкой являются, пожалуй, знаменитые наблюдения Фарадея (1832 г.) на Темзе в Лондоне. Эта тема стала предметом острой океанографии с помощью метода GEK (Geoelectrokinetograph) для определения информации о океанских течениях, что привело к фундаментальной статье Longuet-Higgins et al. (1954). Измерения в длинных телефонных кабелях проводились, например, Baines & Bell (1987) и Larsen (1992), и см. Обзор Lanzerotti et al. (1993).Разработкой приборов для измерения морского дна руководил Filloux (1987), и в контексте настоящей статьи электрические и магнитные сигналы морского дна, регистрируемые приборами Filloux ниже Восточно-Австралийского течения, были предметом статей Lilley et al. (1986), Bindoff et al. (1986), Bindoff (1988) и Lilley et al. (1993). Другой важный обзор — это обзор Палшина (1996).

Ряд приборов для профилирования океанических течений на основе измерений электрического поля был разработан Сэнфордом, следуя теории, изложенной в его статье (Sanford, 1971).Аспекты данной статьи в некоторой степени являются магнитным аналогом работы Сэнфорда об электрическом поле (Sanford et al. 1985).

Обработка движущейся электромагнитной индукции в океане в глобальном масштабе включает расчеты Стивенсона и Брайана (1992) с учетом внешнего магнитного поля (которое равно нулю в модели, принятой для данного случая). Существуют и другие теоретические разработки Chave & Luther (1990) и Luther et al. (1991), а также другие соответствующие недавние статьи Chave et al. (1997), Flosadottir et al. (1997a, 1997b), Tyler et al. (1997) и Fujii & Chave (1999). Вклад Ранкорна и Винча в Barraclough et al. (1992) имеет дело с доказательствами годового сигнала, генерируемого океанскими течениями в геомагнитном поле.

Во многих из упомянутых выше статей акцент делается на наблюдении электрического поля, которое традиционно легче экспериментально измерить. В настоящей статье, однако, делается упор на магнитные наблюдения как на первоочередную задачу геомагнитных исследований, так и на то, что современные магнитометры открывают новые возможности измерения морского магнитного поля.Недавно Toh et al. (1998) сообщил о вертикальных профилях общего поля, зарегистрированных в Японском море.

3 Теория

3.

1 Главное геомагнитное поле

Элементарно показать, что для сферической Земли радиусом R , с магнитным полем, создаваемым центральным осевым диполем с напряженностью м , все компоненты магнитного поля (горизонтальные, вертикальные и общие) уменьшаются как r −3 , где r обозначает радиальное расстояние от центра.В частности, если взять модель Земли с радиусом 6371 км и силой центрального диполя 8 × 10 22 А · м 2 (Merrill et al. 1996), то полное поле на поверхности будет иметь вертикальное направление. градиент -20 пТл м -1 (то есть -20 нТл м -1 ) на экваторе, изменяющийся с широтой до -40 пТл м -1 на полюсах. Эти значения дают полезное представление о том, что можно ожидать на поверхности Земли. Хотя общая напряженность поля обратно пропорциональна третьей степени радиального расстояния, поскольку измерения даже в глубоком океане (на глубине, скажем, 5000 м) включают только небольшое изменение радиуса от центра Земли, радиального (или, как это есть видно, вертикальный) градиент, как можно ожидать, будет эффективно равномерным по толщине океана для практических целей.

Современные значения Международного опорного геомагнитного поля (IGRF) позволяют напрямую определять фактические вертикальные градиенты, ожидаемые для реальной Земли. Для позиций, где проводились наблюдения в этой статье, значения вертикального градиента были вычислены на основе значений IGRF Бартона (1997). Эти значения перечислены в Таблице 1.

3.2 Движение магнитного поля

Этот раздел основан на работе Sanford (1971), основанной на работе Longuet-Higgins et al. (1954). Принятые обозначения соответствуют Lilley et al. (1993).

Физические условия показаны на рисунке 1. Морская вода имеет электропроводность σ 1 и подстилается осадочным слоем с проводимостью σ 2 , ниже которой проводимость принимается равной нулю. Скорость океана находится в направлении y и изменяется только в пределах z . Обозначив скорость океана v y ( z ) через v ( z ), электрический ток Дж x ( z ) через J ( z ), электрическое поле E x на E , устойчивое вертикальное магнитное поле B z на B , возмущающее магнитное поле b y ( z ) из-за индукции движения b ( z ), а местная электропроводность — как σ ( z ), тогда закон Ома для движущейся среды может быть выражен

Рисунок 1

Рисунок для теории двигательной индукции.

Рисунок 1

Рисунок для теории двигательной индукции.

1

Горизонтальное электрическое поле E постоянно от поверхности моря к морскому дну, и есть изменение горизонтального электрического тока J ( z ) с глубиной, соответствующее изменению с глубиной скорости v ( z ). Для целей этого раздела градиенты B по горизонтали и вертикали (как в разделе 3.1) игнорируются.

Поле возмущения b ( z ) из-за двигательной индукции напрямую выражается как:

2

для z в диапазоне — H h < z <0 (и вне этого диапазона). диапазон b ( z ) равен нулю).Первый член в уравнении (2) представляет электрические токовые слои, протекающие ниже уровня измерения, а второй член представляет электрические токовые слои, протекающие выше этого уровня. Уравнение (2) может быть записано

3

, что при дифференцировании по z и замене из уравнения (1) дает

4

и

5

. Принятие обозначения для постоянной величины (- E / B) , исходя из предположения, что морская вода имеет однородную проводимость σ 1 , как показано на рис.1, и введение обозначения η как

6

позволяет записать уравнение (5)

7

, где компонент скорости, зависящий от глубины, v s ( z ), был введен как

8

Эта величина, v s ( z ), будет оценена из градиента (или «местного наклона») наблюдаемых магнитных профилей, представленных ниже.

Обозначение, используемое для (- E / B ), представляет собой среднюю по Сэнфорду скорость движения воды по вертикали и взвешенную по проводимости морской воды.Его значимость может быть продемонстрирована путем интегрирования уравнения (1) по всему столбу океана и донных отложений, когда допускается изменение проводимости с глубиной, то есть:

9

, где левая часть равна нулю из-за требования возврата баланс электрического тока в вертикальной плоскости. Таким образом,

10

и количество, умноженное на глубину водяного столба, дает оценку баротропного переноса океанического течения.

Количество v s ( z ), представленное в ур.(7) — это бароклинная скорость океанографии, которая будет называться таковой ниже. Другие аспекты этой теории обсуждаются в Lilley et al. (1993), где есть «рабочий пример», иллюстрирующий некоторые характеристики двигательной индукции.

3.3 Восстановление информации о океанских течениях из наблюдаемых данных магнитного профиля полного поля

Со ссылкой на фиг.1 горизонтальное направление v является общим, как и горизонтальное направление b , которое параллельно v .Таким образом, полное профилирование b по вертикали через толщу океана потребует измерения как его направления, так и силы. Эта задача осложняется отсутствием опорного направления, потому что использование магнитного компаса, которое является обычным в морских приборах, невозможно при измерении изменений самого магнитного поля.

Однако магнитометр полного поля без какой-либо конкретной ориентации определяет компонент поля возмущения, который параллелен доминирующему, главному геомагнитному полю.Именно этот принцип позволяет теперь наблюдать компонент b параллельно основному полю. Наблюдаемая составляющая будет иметь вид b n ( z ) cos I , где b n ( z ) — составляющая b в (горизонтальном) направлении магнитного севера, и I — наклон магнитного поля Земли.

Обратите внимание, что магнитометр полного поля не регистрирует небольшие изменения поля, которые перпендикулярны основному полю, т.е.е. в направлении восток-запад. Таким образом, также не получена информация о составляющей океанического течения в магнитном направлении восток-запад.

Таким образом, уравнение (8) можно применить к данным измерения полного поля, чтобы получить профиль с глубиной северного магнитного компонента бароклинного океанического течения. Введенный выше коэффициент cos I является коэффициентом затухания, и для восстановления b n ( z ) из измерений полного поля необходим коэффициент усиления, особенно sec I .Если сигнал полного поля из-за индукции движения составляет f ( z ) в общем сигнале полного поля F ( z ), соотношение будет

11

Обозначение v n ( z ) компонент бароклинной скорости в направлении магнитного севера, уравнение (8) становится

12

, где

13

и где теперь dF ( z ) / dz также будет включать, как фактически постоянная величина, радиальное или вертикальное изменение главного магнитного поля Земли, происходящего в ядре.

Таким образом, профиль бароклинной скорости является относительным, и его базовая линия должна быть установлена ​​путем фиксации на известном значении на некотором уровне. Морское дно — это то место, где можно ожидать, что v ( z ) будет равно нулю, но в настоящей статье v ( z ) установлено на ноль на полпути вниз через толщу океана, чтобы избежать эффектов. намагничивания морского дна, имеющего непропорциональный эффект.

Обратите внимание, что в идеальном случае без эффектов намагниченности морского дна значение бароклинной составляющей v n ( z ) на морском дне будет северной магнитной составляющей; плюс вклад из-за градиента основного поля.Таким образом, путем определения первого и оценки последнего получается значение северной магнитной составляющей баротропного течения в столбе океана.

3.4 Магнитное поле намагниченной коры

Аномалии полос, распространяющихся на морское дно, имеют амплитуды на поверхности моря порядка 10 2 нТл, поэтому ясно, что они будут больше на морском дне, и что в целом картины намагниченности земной коры на морском дне также вносят свой вклад в градиент к вертикальным профилям, наблюдаемый в столбе океана.

Планируется уделить этой теме больше внимания в будущих измерениях, а аспекты такой стратегии обсуждаются в Разделе 6 ниже. Примеры в настоящей статье плохо контролируются таким образом, но по большей части извлекают выгоду из ситуации в Тасмановом море, где на морском дне лежит 1 км слабо намагниченных отложений, которые будут иметь ослабляющий эффект на магнитные картины. базальта под ним.

Существует также то обстоятельство, что в идеальном случае, когда движение морской воды ограничено верхней частью водяного столба, в нижней части водяного столба магнитный градиент, вызванный индукцией движения, будет равномерным.В уравнении (7) ситуация является константой для v ( z ) = 0. Поскольку намагниченность земной коры будет влиять в основном на нижнюю часть профиля, любые сильные эффекты, которые она там оказывает, должны быть очевидны.

Что касается профилей, представленных в этой статье, во время зондирования 1994 года в Тасманово море магнитометр остановился на высоте 1600 м над морским дном, и никаких эффектов намагниченности морского дна обнаружено не было. Точно так же равномерный градиент в профиле 1995 года для Индийского океана (участок 4) согласуется с намагниченностью морского дна, имеющей незначительное влияние.

Для зондирования 1997 года в Тасмановом море все участки, кроме самого восточного, показывают профили в нижней части океана, которые показывают, что намагниченность земной коры оказывает лишь незначительное влияние. Однако наиболее восточнее (участки 1 и 7) наблюдаются уклоны, которые увеличиваются у морского дна. Такое поведение напрямую связано с намагниченностью морского дна, и, возможно, эти участки находятся рядом с вулканической экструзией на морском дне. В некоторой степени такие эффекты, ложные в данном контексте индукции движения, смягчаются принятой процедурой ограничения профиля скорости до нуля на глубине 2500 м.Для участков 1 и 7 информацию о скорости ниже 2500 м не следует принимать во внимание.

Существует также вопрос об обломках морского дна, сброшенных с проходящих судов. В 1997 г. было проведено зондирование главного судоходного коридора между двумя основными портами Мельбурн и Сидней, и считается, что обломки на морском дне объясняют некоторые незначительные эффекты вблизи морского дна в одном профиле (профиль свободного падения на участке 6 ).

Магнитные эффекты корабля в верхних 300 м водной толщи всегда присутствуют в пониженных профилях.Эта часть профиля важна, и одна из основных целей разработки оборудования для свободного падения (и возврата) заключалась в том, чтобы избежать воздействия магнитного поля корабля.

3,5 Магнитные поля суточного хода и магнитные бури

Магнитное поле Земли изменяется в масштабе времени в дни и меньше из-за первичных изменяющихся полей, которые возникают вне Земли, и вторичных полей, которые индуцируются в проводящей Земле (и ее океанах). Обычно присутствует дневная вариация, и Hitchman et al. (1998) приведены кривые полного поля для глобальной модели суточных колебаний как функции широты и местного времени.

В данной статье каждый профиль был измерен за максимально короткий промежуток времени, чтобы минимизировать изменения поля во времени во время него. Кроме того, наблюдение за полем осуществлялось на стационарных станциях (либо на близлежащей суше, либо на морском дне). Ссылка на данные фиксированной станции дает уверенность в том, что никаких серьезных переходных флуктуаций не произошло во время проведения значительных измерений профилирования.Кроме того, большинство измерений намеренно проводилось ночью, когда известно, что суточные колебания, как правило, минимальны.

Очевидно, что более подробное сокращение сроков внесения изменений возможно, но здесь оно не включено.

4 Аппарат

Центральная часть разработанного устройства представляет собой подходящий комплект для регистрирующего магнитометра полного поля того типа, который обычно используется для исследований наземных магнитометров в разведочной геофизике. И инструменты протонной прецессии, и инструменты Оверхаузера дали хорошие результаты.Принципы регистрации «полного поля» приводят к информации о составляющей океанического течения в направлении северного магнитного поля.

В первой версии, показанной на рис. 2 (а), и головка детектора, и консоль магнитометра, настроенные для работы в режиме «обсерватория» со снятием показаний каждые 15 с, были упакованы вместе со вспомогательной батареей в стеклянную сферу диаметр 17 дюймов (0,43 м). Данные по Тасмановому морю 1994 года были записаны с помощью этого устройства, которое было спущено с корабля с помощью троса длиной 40 м между концом судового стального троса и прибором.

Рисунок 2

Эскизная схема оборудования, разработанного для вертикального магнитного профилирования. (Обратите внимание на большие изменения масштаба в разных частях рисунка.)

Рисунок 2

Эскизная схема оборудования, разработанного для вертикального магнитного профилирования. (Обратите внимание на резкие изменения масштаба в различных частях рисунка.)

Было обнаружено, что на детекторную головку воздействует сигнал силой около 10 нТл от записывающей консоли, и следующее развитие (рис.2b) поместите детекторную головку и консоль на расстоянии 1,8 м друг от друга в отдельные сферы диаметром 10 дюймов (0,25 м) и 17 дюймов (0,43 м) соответственно. Две сферы удерживались алюминиевой рамой и электрически соединялись соответствующими морскими кабелями. При таком расположении наблюдались данные 1995 года. Шум был значительно уменьшен, но все же выше оптимального (из-за наличия стальной шайбы в сфере головки детектора, обнаруженной и удаленной в конце 1995 года).

Следующая версия прибора, рис.2 (с), работает в режиме «свободного падения». Когда он находится на поверхности и вблизи нее, он остается удаленным от магнитных эффектов корабля, который отошел. Данные за 1997 год были собраны с использованием сначала устройства, показанного на рисунке 2 (b), а затем устройства, показанного на рисунке 2 (c).

При представлении результатов все данные профилирования записывались с интервалом 15 секунд. Эти временные ряды были преобразованы в глубины и представлены как таковые на основе вывода кабеля, который регистрировался отдельно со временем.Для данных свободного падения во всех случаях предполагались одинаковые скорости подъема и спуска.

Эталонные стационарные магнитометры, отслеживающие изменения магнитного поля во времени, были важной частью профилирующих наблюдений, и они суммированы в Таблице 1. Эксперимент 1997 года включал использование плавающего магнитометра (самый верхний в схеме c на рисунке 2) в качестве монитора магнитных флуктуаций на поверхности океана. Позже (в 1998 году у южной части Австралии) этот аппарат был намеренно оставлен в свободном плавании в открытом океане для регистрации магнитных сигналов, генерируемых океанскими волнами, а также для определения стрелок поверхностной индукции, используя также наземные справочные данные.Эти эксперименты 1998 г. (часть более крупного эксперимента SWAGGIE) описаны в Hitchman et al. (2000).

В более широкое описание аппарата следует также включить RV Franklin и его коллективное оборудование, включая, в частности, оборудование акустического доплеровского профилографа тока (ADCP). В примеры включены судовые данные ADCP, а также один спутниковый снимок.

5 Результаты

5.1 Сайтов

Пункты наблюдений показаны на рис.3, и соответствуют различным этапам разработки оборудования. Этап (а) оборудования был испытан в Восточно-Австралийском течении в 1994 г. (рейс Fr04 / 94). Этап (б) оборудования был испытан в Индийском океане в 1995 г. (рейс Fr04 / 95). Этап (b) был запущен в эксплуатацию, а этап (c) испытан в течение 1997 года в Восточно-Австралийском течении (рейс Fr08 / 97). Географические положения профилей, упомянутых в этой статье, перечислены в Таблице 2.

Рис. 3

Карта Австралии с указанием участков, упомянутых в настоящем документе.

Рис. 3

Карта Австралии с указанием участков, упомянутых в данной статье.

Таблица 2

Географические положения вертикальных магнитных профилей полного поля, упомянутых в этой статье.

Таблица 2

Географические положения вертикальных магнитных профилей полного поля, упомянутых в этой статье.

5.2 Редукция данных

Ансамбль наблюдений, на котором основаны основные результаты данной статьи, включает магнитные данные в виде временных рядов от устройства для профилирования, как описано в Разделе 4, данные ADCP с судового оборудования, спутниковые изображения температуры поверхности моря, которые указывают на поверхностные течения, и магнитные данные в виде временных рядов от различных установок, которые отслеживают изменения магнитного поля во время измерений профилометра и, таким образом, предоставляют информацию «базовой станции».Были выполнены некоторые общие процедуры, которые уместно резюмировать здесь.

Данные из понижающих прогнозов магнитного профилировщика предпочтительнее данных из восходящих, поскольку считается, что инструментальный пакет в понижающих прогнозах перемещается почти вертикально через толщу океана. К моменту начала подъема вверх корабль на поверхности обычно перемещается в боковом направлении относительно комплекта инструментов на конце кабеля у морского дна, вызывая горизонтальное перемещение комплекта инструментов во время подъема вверх.

Оборудование не было оснащено записывающим измерителем давления (стандартный океанографический метод определения глубины), и показания лебедки количества выданного кабеля снимаются для определения глубины оборудования на конце кабеля (добавляется также длина любого троса, используемого для изоляции оборудования от магнитного воздействия кабеля).

Данные, наблюдаемые во время понижающего преобразования, обычно сглаживались применением девятиточечного срединного фильтра.

Считается, что магнитные эффекты судна в целом незначительны на глубине 400 м и более под судном.В данных настоящей статьи есть множество свидетельств, подтверждающих этот предел.

5,3 Тасманово море, апрель 1994 г.

С помощью прототипа магнитометра, как описано, в апреле 1994 года было выполнено одиночное забросание в Тасманово море с НИС «Франклин». На основе спутниковых снимков было выбрано место, где поверхностное течение, как было указано, течет сильно на юг. Место наблюдения показано на рис.3. Имеющаяся длина кабеля позволила забросить ее на глубину около 3400 метров на глубину 5000 метров.Полученные данные представлены на рисунке 4. Это в основном необработанные данные, и хотя они имеют дефекты шума (в основном магнитное загрязнение), они, тем не менее, считаются качественно показывающими искомые характеристики. Сначала показано влияние магнитного поля корабля, но как только оно выходит за пределы допустимого диапазона (по ординате 12 часов), становится ясно, что профиль с глубиной искривлен, несмотря на наличие колебательного сигнала, приписываемого медленно вращающемуся устройству. и незначительное магнитное загрязнение.На рис.4 также показан рекорд того же времени из Канберрской магнитной обсерватории. Видно, что спуск производился в спокойных магнитных условиях.

Рисунок 4

Данные профилометра

(полное поле) и обсерватории Канберры (H-компонент), апрель 1994 г., Тасманово море. Заброс на глубину 3400 м при глубине воды 5000 м. Считается, что нисходящий поток в воде более близок к вертикальному, чем восходящий. Кроме того, в этом случае данные обсерватории показывают, что падение произошло во время более постоянного магнитного поля, чем восходящее.Считается, что «синусоидальный» сигнал, который присутствует в нисходящем потоке, связан с магнитным загрязнением (не удаленным на этой стадии) в корпусе магнитометра, который медленно вращается при спуске. При восходящем движении силы на корпусе магнитометра совершенно другие, и его поведение совершенно иное. Нет свидетельств медленного вращения. Вместо этого в первой четверти подъема запись магнитометра будет хорошей, до того, как характеристики прибора ухудшатся и запись станет зашумленной, возможно, из-за того, что весь пакет вибрирует при подъеме через толщу океана.

Рисунок 4

Данные профилометра

(полное поле) и обсерватории Канберры (H-компонент), апрель 1994 г., Тасманово море. Заброс на глубину 3400 м при глубине воды 5000 м. Считается, что нисходящий поток в воде более близок к вертикальному, чем восходящий. Кроме того, в этом случае данные обсерватории показывают, что падение произошло во время более постоянного магнитного поля, чем восходящее. Считается, что «синусоидальный» сигнал, который присутствует в нисходящем потоке, связан с магнитным загрязнением (не удаленным на этой стадии) в корпусе магнитометра, который медленно вращается при спуске.При восходящем движении силы на корпусе магнитометра совершенно другие, и его поведение совершенно иное. Нет свидетельств медленного вращения. Вместо этого в первой четверти подъема запись магнитометра будет хорошей, до того, как характеристики прибора ухудшатся и запись станет зашумленной, возможно, из-за того, что весь пакет вибрирует при подъеме через толщу океана.

5,4 Индийский океан, апрель – май 199 г.

Следующая версия прибора, изображенного на рис.2 (b), был испытан с борта НИС «Франклин» в Индийском океане в 1995 году в удобном круизе. Спутниковые изображения, проверенные на активность в течении Леувина, которое течет у побережья Западной Австралии, показали, что там, где были сделаны слепки, было слабое течение. Таким образом, помимо тестирования оборудования, наблюдения становятся полезными в качестве проверки фоновых эффектов и, в частности, в качестве тестовых измерений равномерного градиента, который должен характеризовать основное геомагнитное поле в океане.

Всего было выполнено 14 отливок с участков, показанных на рис. Пример этих результатов включен здесь, в частности, чтобы показать, как при небольшом океаническом течении наблюдаемые градиенты действительно соответствуют ожидаемой теории равномерного градиента для главного поля Земли в глубоких океанских глубинах. Таким образом, результаты служат эталоном, по которому можно судить о профилях, наблюдаемых в океаническом течении.

Основные данные наблюдений, полученные для двух слепков на участке 4, показаны на Рис.5. Как видно, наблюдается равномерный градиент, лучше отображаемый на рис.6, где данные второго нисходящего спуска построены заново, отфильтрованы и скорректированы с учетом изменений скорости лебедки (которые обычно возникают по механическим причинам около начала и конца любого конкретного нисходящего или восходящего движения). Можно увидеть, что магнитное влияние корабля распространяется на глубину около 300 метров под ним.

Рис. 5

Данные профилометра

(полное поле) и обсерватории Лермонта (H-компонент), май 1995 г., Индийский океан, площадка 4. Забросы сделаны на дно, на глубине 1800 м.Основные разделы записи очевидны в следующем порядке: вниз, вверх, вниз, вверх. Обратите внимание, что скорость лебедки варьируется в начале и в конце каждого заброса. Что касается повышения на рис. 4, то всплески шума, зарегистрированные во время повышения, приписываются ухудшенным характеристикам магнитометра, возможно, вызванным вибрацией.

Рис. 5

Данные профилометра (полное поле) и Обсерватории Лермонта (H-компонент), май 1995 г., Индийский океан, площадка 4. Забросы сделаны снизу, на глубине 1800 м. Основные разделы записи очевидны в следующем порядке: вниз, вверх, вниз, вверх.Обратите внимание, что скорость лебедки варьируется в начале и в конце каждого заброса. Что касается повышения на рис. 4, то всплески шума, зарегистрированные во время повышения, приписываются ухудшенным характеристикам магнитометра, возможно, вызванным вибрацией.

Рисунок 6

Данные понижающего преобразования с участка 4 в Индийском океане, отфильтрованные по медианным значениям и скорректированные на скорость лебедки. Также показана линия с градиентом, предсказанным IGRF для участка. Фактическое значение поверхности, предсказанное IGRF, составляет 56924 нТл, что примерно на 80 нТл больше наблюдаемого.Магнитные эффекты корабля очевидны в верхних 300 м заброса.

Рисунок 6

Данные понижающего преобразования с участка 4 в Индийском океане, отфильтрованные по медианным значениям и скорректированные на скорость лебедки. Также показана линия с градиентом, предсказанным IGRF для участка. Фактическое значение поверхности, предсказанное IGRF, составляет 56924 нТл, что примерно на 80 нТл больше наблюдаемого. Магнитные эффекты корабля очевидны в верхних 300 м заброса.

На рисунке также показан градиент, предсказанный IGRF для участка, произвольно проведенный через начало рисунка. Наблюдаемый градиент немного сильнее, чем у IGRF, что предположительно указывает на эффекты более коротковолновой намагниченности земной коры, чем те, которые включены в модель IGRF. Кроме того, абсолютное значение поверхности, предсказанное IGRF, составляет 56924 нТл, что примерно на 80 нТл больше наблюдаемого. Эти расхождения с IGRF по градиенту и поверхностному значению не считаются серьезными.

5,5 Тасманово море, сентябрь – октябрь 1997 г.

Наблюдения 1997 года, являющиеся частью эксперимента «Изучение действия океанского динамо» (SODA), составили основную цель 10-дневного круиза НИС «Франклин».Корабль мог свободно идти в места, где могли быть сильные северные и южные течения. Большой вихрь, или кольцо с теплым сердечником, был выбран на основе спутниковых снимков, один из которых показан на рис.7. Этот объект находился к югу от 35 ° южной широты, где Восточно-Австралийское течение уходит от побережья Австралии (Cresswell & Legeckis 1986; Tomczak & Godfrey 1994).

Рисунок 7

Спутниковый снимок кольца с теплым ядром в Восточно-Австралийском течении, 1 октября 1997 года.Шкала в верхней части рисунка показывает температуру поверхности моря в ° C. Линия точек профилирования пересекает вихрь к югу от параллели 36 ° широты (см. Рис. 8).

Рис. 7

Спутниковый снимок кольца с теплым ядром в Восточно-Австралийском течении, 1 октября 1997 г. верхняя часть рисунка показывает температуру поверхности моря в ° C. Линия точек профилирования пересекает вихрь к югу от параллели 36 ° широты (см. Рис. 8).

Общие скоростные характеристики этого вихря, полученные по спутниковым изображениям, были подтверждены судном во время круиза, и были собраны все данные. Данные ADCP во время крейсерского полета показаны на рис.8.

Рисунок 8

Судовая информация ADCP о поверхностных токах для кольца с теплым сердечником в Восточно-Австралийском течении, рейс Fr08 / 97, сентябрь – октябрь 1997 г. Цифры относятся к участкам профилирования в Таблице 2. Магнитное склонение для данной местности составляет 13,7 ° в.д.

Рис. 8

Судовая информация ADCP о поверхностных токах для кольца с теплым сердечником в Восточно-Австралийском течении, рейс Fr08 / 97, сентябрь – октябрь 1997 г. Цифры относятся к участкам профилирования в Таблице 2.Магнитное склонение для данной местности составляет 13,7 ° в.д.

Участки вертикального профилирования также отмечены на рис.8. После пересечения вихря с запада на восток, установки магнитометров на морском дне и проведения океанографических наблюдений, вихрь был затем пересечен с востока на запад с вертикальным профилированием с корабля в точках 1-5. Два профилирования «свободного падения» Затем операции были выполнены на участках 6 и 7, по одной с каждой стороны вихря. Плохая погода помешала большему количеству профилей свободного падения в отгрузочное время.Таким образом, существует семь участков профилирования для Eddy.

5.

6 Профили спуска с корабля

Наблюдаемые данные по отливкам кораблей не отличаются от данных, представленных на рисунке 4 (но без очевидного там сигнала загрязнения, который к 1997 году был удален). Такие наблюдаемые данные больше не представлены, но вместо этого данные со всех пяти пунктов представлены сначала как профили вертикального магнитного градиента, а затем как профили северной магнитной компоненты бароклинной скорости.

Значения вертикального градиента были вычислены непосредственно из основных наблюдений профилировщика после того, как последние были пропущены через простой медианный фильтр. Оценки градиента также сглаживаются, опять же простым способом, путем взятия среднего градиента на обычно 100 м профиля. Полученные таким образом профили вертикального градиента поперек вихря представлены на рисунке 9.

Рисунок 9

Данные, переданные вниз с пунктов 1–5, отфильтрованные по медиане, скорректированные на скорость лебедки и уменьшенные для получения профилей вертикального градиента общего магнитного поля. Ордината графиков — глубина в метрах. Пунктирная линия на участке 1 указывает на второе применение, примерно через 2,5 часа после первого.

Рисунок 9

Данные, переданные вниз с пунктов 1–5, с медианной фильтрацией, скорректированной на скорость лебедки и уменьшенной для получения профилей вертикального градиента общего магнитного поля. Ордината графиков — глубина в метрах. Пунктирная линия на участке 1 указывает на второе применение, примерно через 2,5 часа после первого.

Профили северной магнитной составляющей бароклинной скорости были вычислены с помощью уравнения.(12), по данным на рис.9. Принимая для данных Тасманова моря числовые значения μ 0 = 4 π × 10 −7 Гн / м, σ 1 = 3,3 См / м, I = −66,7 ° и B z = 54000 нТл, дает

14

Полученные таким образом профили для северной составляющей бароклинного тока через вихрь показаны на рисунке 10.

Рисунок 10

Данные понижающего преобразования с участков 1–5, отфильтрованные по медиане, скорректированные на скорость лебедки и уменьшенные для получения профилей компонента бароклинной скорости в направлении магнитного севера. Каждый такой профиль требует смещения нуля, чтобы преобразовать его в фактическую скорость, и такие смещения нуля показаны на рисунке 12. Считается, что нижняя половина профилей для участка 1 подвержена влиянию намагниченности морского дна и не должна приниматься во внимание с океанографической точки зрения.

Рисунок 10

Данные понижающего преобразования с участков 1–5, отфильтрованные по медиане, скорректированные на скорость лебедки и уменьшенные для получения профилей составляющей бароклинной скорости в направлении магнитного севера.Каждый такой профиль требует смещения нуля, чтобы преобразовать его в фактическую скорость, и такие смещения нуля показаны на рисунке 12. Считается, что нижняя половина профилей для участка 1 подвержена влиянию намагниченности морского дна и не должна приниматься во внимание с океанографической точки зрения.

В этом применении уравнения (12) полезно думать о η F как -0,0113 мс −1 на pT м −1 , так что отрицательный градиент (уменьшение наружу или вверх в смысле рис. 1) полного магнитного поля 10 пТл · м −1 соответствует оценке северной магнитной составляющей бароклинного океанического течения в 0,113 м · с −1 .

5.7 Профили, «свободное падение»

Две слепки «свободного падения» (и возврат), полученные во время эксперимента SODA 1997 года, хотя в то время считались экспериментальными, дали важные наблюдения. Их важность заключается, в частности, в достижении их главной цели — избежать магнитных эффектов корабля и получить профили от поверхности вниз.Характерной чертой Восточно-Австралийского течения является то, что его наибольший сдвиг скорости происходит в пределах нескольких сотен метров от поверхности океана. Именно на этих глубинах магнитные эффекты корабля портят данные профилировщика при забросах кораблей. Оборудование для «свободного падения» было разработано, чтобы избежать этой проблемы. Впервые он был испытан в конце операций по отливке корабля из-за опасности потери при таких испытаниях (к счастью, не было реализовано).

Таким образом, два профиля свободного падения теперь обсуждаются отдельно от приведенной выше группировки забросов с корабля в точках с 1 по 5.Полученные данные представлены на рис.11 как профили вертикального магнитного градиента, так и профили северной магнитной компоненты бароклинного тока. Для сравнения включены данные с ближайших регулярных судостроительных заводов. В случае площадки 6 свободного падения площадка 5 была сделана всего двумя днями ранее, но на значительно другом месте; площадка 5 находится в глубоком океане (глубина 5000 м), в то время как из-за судоходства в плохую погоду площадка 6 находится на полпути к континентальному шельфу (глубина 2500 м.) Площадка 7 свободного падения, однако, фактически находится на том же месте, что и площадка 1 корабельного заброса, но была на пять дней позже.

Рисунок 11

Результаты, полученные при забросах со свободным падением на площадках 6 и 7, нанесены на график с результатами, полученными при забросах судов на площадках 5 и 1, соответственно. Там, где профили проходят вниз от поверхности, отливка падает свободно, а пунктирная линия указывает на свободный подъем от морского дна. Для сайта 1 пунктирная линия указывает на второе понижение, примерно через 2,5 часа после первого понижения.

Рис. 11

Результаты, полученные методом свободного падения на площадках 6 и 7, нанесены на график с результатами, полученными при забросах судов на площадках 5 и 1, соответственно. Там, где профили проходят вниз от поверхности, отливка падает свободно, а пунктирная линия указывает на свободный подъем от морского дна. Для сайта 1 пунктирная линия указывает на второе понижение, примерно через 2,5 часа после первого понижения.

Осмотр рисунка 11 показывает большую часть приятной согласованности между забросами корабля и забросами свободного падения в аналогичных ситуациях океанских течений.Таким образом, для участков 1 и 7 графики для участка 7 перекрывают участки для участка 1 (для которого было два пониженных значения с разницей в несколько часов). Особенно приятно то, как прочный профиль сдвига плавно переносится на всю поверхность.

Аналогично для участков 5 и 6, хотя есть смещение вертикального градиента «нулевой уровень», которое дает смещение в бароклинной скорости, снова приятно видеть, что форма профилей очень похожа. И снова сильный сдвиг скорости у поверхности, предполагаемый броском корабля, подтверждается и переносится прямо на поверхность броском в свободном падении.

6 Обсуждение

6.1 Профили составляющей океанического течения в магнитном меридиане

На рисунке 12 собраны различные наборы данных. Сначала строятся судовые профили с рис.10, для каждого из которых задан соответствующий сдвиг базовой линии, чтобы он стал нулевым на глубине 2500 м. Затем к данным судового заброса для участка 1 добавляются, как показано на рисунке 11, данные свободного падения для участка 7, чтобы получить профили на всем пути до поверхности моря. Эти профили также зажимаются до нуля на глубине 2500 м.Наконец, добавляются профили, полученные от судового оборудования ADCP; они обычно простираются всего на несколько сотен метров вниз от поверхности моря и, таким образом, способствуют заполнению пробела (вызванного магнитным полем корабля) в верхних 400 м судовых данных.

Рисунок 12

Данные о скорости профилометра привязаны к нулю на глубине 2500 м, с профилями судовых ADCP в верхних нескольких сотнях метров толщи океана. Для участков 1 и 7 нанесены два (последовательных) снижения для участка 1, а для участка 7 нанесены профили свободного падения и свободного подъема, причем последний простирается вниз от поверхности моря.Считается, что нижняя половина профилей для участков 1 и 7 подвержена влиянию намагниченности морского дна, и с океанографической точки зрения ею следует пренебречь.

Рис. 12

Данные о скорости профилометра привязаны к нулю на глубине 2500 м, с профилями судовых ADCP в верхних нескольких сотнях метров столба океана. Для участков 1 и 7 нанесены два (последовательных) снижения для участка 1, а для участка 7 нанесены профили свободного падения и свободного подъема, причем последний простирается вниз от поверхности моря.Считается, что нижняя половина профилей для участков 1 и 7 подвержена влиянию намагниченности морского дна, и с океанографической точки зрения ею следует пренебречь.

В качестве проверки метода особенно важны комбинированные профили для участков 1 и 7 на рисунке 12. Между данными профиля свободного падения и данными ADCP существует согласованность в верхних 500 м водной толщи. Ниже 500 м наблюдается соответствие между данными свободного падения и данными судового заброса. Таким образом, данные свободного падения для участка 7 дают уверенность на других участках в интерполяции между данными судового заброса и данными ADCP.

Картина, показанная на рис. 12, в целом согласуется с тем, что понимается под кольцом с теплым ядром в Восточно-Австралийском течении. В частности, сильные течения силой порядка 1 м / с -1 на поверхности затухают с глубиной и практически равняются нулю на глубине 1500 м. Поскольку береговая линия восточной Австралии проходит приблизительно с севера на юг, составляющая течения в магнитном меридиане, как показано на рисунке 12, является прибрежной составляющей и указывает на перенос в этой части Тасманова моря параллельно береговой линии.

6.2 Измерение вертикальной составляющей

В свете опыта, накопленного при разработке и использовании профилирующих магнитометров, сразу приходят на ум некоторые дальнейшие усовершенствования метода. Например, концептуально просто добавить к профилирующему магнитометру еще один магнитный датчик для измерения вертикальной составляющей магнитного поля. Магнитофонный датчик, установленный на подвесе, может хорошо справиться с этой задачей. Данные от такого датчика могут быть использованы для проверки предположения в ур.(11) что измеренные сигналы действительно являются разрешенной составляющей сигнала, который изначально был горизонтальным.

Данные вертикального поля могут также помочь определить влияние магнитного поля земной коры и предупредить о других паразитных магнитных эффектах.

6.3 Градиометрические измерения

Пары протонных магнитометров с прецессией могут работать в конфигурациях градиентометров, а вертикальные профили градиентометров в океане могут иметь то преимущество, что на них минимально влияют временные флуктуации окружающего магнитного поля.Это преимущество является основной причиной использования сигналов градиентометра в других приложениях магнитного картографирования.

В контексте океана существует большая свобода в проектировании расстояния между двумя датчиками градиентометра, на котором измеряется вертикальный градиент. Оптимизация этого расстояния может быть важной задачей, поскольку может существовать компромисс между точностью измерения градиента и тончайшим масштабом магнитного сигнала (и движения океана), который может быть обнаружен.

6.4 Магнитные карты районов океана

Для дальнейшего решения вопроса о влиянии намагниченности земной коры можно искать вертикальные профили, где хранятся подходящие магнитные карты области океана. Для такой области, как та, которая изучалась в эксперименте SODA 1997 года, может быть полезно составить карту магнитной поверхности для конкретной цели управления эффектами намагниченности земной коры в данных вертикального профиля. Из-за своего положения в западном пограничном течении в районе SODA 1997 года часто присутствуют сильные океанографические особенности, которые, таким образом, являются отличной естественной лабораторией для изучения индукции движения в морской воде.

7 Выводы

Было продемонстрировано, что современные приборы сделали измерение полного магнитного поля сквозь толщу океана простым упражнением. Чтобы показать, отраженный в магнитном профиле, профиль океанического переноса в магнитном меридиане, требуется не более стандартной чувствительности магнитометра. Однако следует проявлять осторожность в отношении эффектов намагниченности земной коры и магнитных эффектов временных флуктуаций. Цель эксперимента SODA 1997 года состояла в том, чтобы найти поле скорости океана с контрастирующими конечностями, движущимися в южном и северном направлениях, и проверить эти конечности на предмет магнитных эффектов, которые, по прогнозам, имеют противоположный знак. Этот тест кажется успешным.

Продемонстрированный метод вертикального профилирования имеет важную зависимость от окружающего магнитного наклона, и можно ожидать, что он будет лучше всего работать в средних магнитных широтах. Метод зависит от того, является ли магнитное наклонение ни вертикальным (как на полюсах магнитного падения), ни горизонтальным (как на магнитном экваторе). Для вертикального наклона составляющая горизонтального поля возмущения, которая разрешается в направлении полного поля, будет равна нулю.Для горизонтального наклона горизонтальный электрический член vB в уравнении (1) будет равен нулю.

Таким образом, можно сделать вывод, что на фоне равномерного градиента, который отражает происхождение основного магнитного поля в ядре Земли, вертикальный магнитный профиль в океане будет показывать поля возмущений, вызванные намагниченностью земной коры, индукцией от полей внешнего источника. , и сигналы из-за индукции движения океанскими течениями. В пределах, указанных выше, последний может быть достаточно сильным, чтобы четко выделяться, так что наблюдаемый вертикальный профиль полного поля с минимальной обработкой данных может быть инвертирован напрямую, чтобы дать профиль локального океанского течения с глубиной. скорость, разрешенная в магнитном меридиане.

Магнитные поля с двигательной индукцией, рассматриваемые в этой статье, имеют фундаментальную характеристику, заключающуюся в том, что они не видны за пределами океана. В этом они напоминают тороидальные поля главного динамо-машины Земли, которые не видны за пределами ядра Земли.

Благодарности

Описанные наблюдения в основном проводились с судна RV Franklin, которое в 1997 году посвятило десять дней своего корабельного времени эксперименту SODA, значительная часть которого описана в данной статье.Мы благодарны за поддержку, оказываемую этим национальным исследовательским центром, и за вклад в наши измерения, сделанный ее командой. Данные о земле были предоставлены Канберрской магнитной обсерваторией AGSO и ​​проектом CICADA, которым руководят, в частности, Адриан Хитчман и Питер Миллиган. AW и GSH благодарят Австралийский исследовательский совет за финансовую поддержку. Особая благодарность в этой статье сделана покойному Стэнли Кейту Ранкорну. Перед его безвременной кончиной в конце 1995 года его интерес и поддержка к настоящей работе в начале этого года были щедро проявлены в важное время.Как ключевой участник измерений вертикальных градиентов магнитного поля Земли в 1940-х годах, он обратил внимание авторов на статью Espersen et al. (1956). Авторам также помогли обсуждения с Антоном Хейлсом (в Канберре) и Яном Гофом (в Канаде), главными исследователями южноафриканских минных промеров в конце 1940-х годов. Интерес и вклад целого ряда океанографов также были важны и высоко оценены. Питер Холлоуэй был главным научным сотрудником круиза Fr04 / 95.Джордж Крессвелл помогал во время эксперимента SODA 1997 года в интерпретации спутниковых изображений EAC. Студенты Натаниал Джуэлл, Эндрю Кисс, Дэвид Робинсон и Алан Вонг помогали в море во время Fr08 / 97. Обычно беседы в разное время с Натаном Биндоффом, Аланом Чейвом, Стивом Констеблем, Найджелом Эдвардсом, Яном Фергюсоном, Агустой Флосадоттир, Жаном Филлу, Джимом Ларсеном, Лори Лоу, Дугом Лютером, Филом Малхерном, Полом Робертсом, Томом Сэнфордом, Хироаки То, Робом Тайлером , Денис Винч и другие были очень полезны. Два рецензента предложили ценные улучшения рукописи. Наконец, TL и AW признают длительную стимуляцию чайной в Madingley Rise, Кембридж, около 35 лет назад, когда Эдвард Буллард проинструктировал одного из нас (TL) в отношении индукции движений, а другого (AW) — в отношении индукции движений. морские магнитометры. Мы очень рады объединить эти два направления в этой статье, особенно с третьим автором, теперь нашим коллегой со стажем более десяти лет.

Список литературы

,

1987

.

Взаимосвязь между переносом океанских течений и разностью электрических потенциалов через Тасманово море, измеренная с помощью океанского кабеля

,

Deep-Sea Res

,

34

,

531

546

.

и другие. ,

1992

.

150 лет магнитным обсерваториям: последние исследования мировых данных

,

Surv. Geophys

,

13

,

47

88

.

,

1997

.

Международное опорное геомагнитное поле: седьмое поколение

,

J. Geomagn. Геоэлектр

,

49

,

123

148

.

,

1988

.

Электромагнитная индукция океанических источников в Тасмановом море

,

Докторская диссертация

,

Австралийский национальный университет

, Канберра.

,

1986

.

Вертикальные колебания электрического поля на дне Тасманской абиссальной равнины

,

Deep-Sea Res

,

33

,

587

600

.

,

1947

.

Магнитное поле массивно вращающихся тел

,

Nature

,

159

,

658

666

.

,

1952

.

Отрицательный эксперимент, связывающий магнетизм и вращение Земли

,

Phil. Пер. R. Soc. Lond., A

,

245

,

309

370

.

,

1949

.

Магнитное поле Земли

,

Proc.R. Soc. Лондон сер. А

,

197

,

433

453

.

,

1965

.

Ракетные измерения геомагнитного поля над Вумерой, Южная Австралия

,

J. geophys. Res

,

70

,

2149

2158

.

,

1948

.

Изменение интенсивности геомагнитного поля с глубиной

,

Nature

,

161

,

52

.

,

1990

.

Низкочастотные, вызванные движением электромагнитные поля в океане: 1. теория

,

J. geophys. Res

,

95

,

7185

7200

.

,

1997

.

Наблюдения за системой пограничных течений на 26,5 градусе северной широты в субтропической Северной Атлантике

,

J. Phys. Океаногр

,

27

,

1827

1848

.

,

1986

.

Водовороты у юго-востока Австралии

,

Deep-Sea Res

,

33

,

1527

1562

.

,

1956

.

Измерения в море вертикального градиента основного геомагнитного поля во время экспедиции Галатея

,

J. geophys. Рез.

,

61

,

593

624

.

,

1832

.

Экспериментальные исследования в области электричества (лекция Бейкера)

,

Фил.Пер. R. Soc. Lond., A

,

122

,

163

194

.

,

1987

.

Приборы и экспериментальные методы для изучения океана

, в

Геомагнетизм

, стр.

143

247

, изд. ,

Academic Press Inc

, Лондон.

,

1997

.

Связь напряжений на морском дне с океанскими переносами в моделях циркуляции Северной Атлантики: результаты моделирования и практические соображения для мониторинга транспорта

,

J.Phys. Океаногр

,

27

,

1547

1565

.

,

1997

.

Индукция движения в моделях циркуляции Северной Атлантики

,

J. geophys. Res

,

102

,

10 353

10 372

.

,

1999

.

Влияние индукции движения на геоэлектрический потенциал планетарного масштаба в восточной части северной части Тихого океана

,

J. geophys. Res

,

104

,

1343

1359

.DOI:

,

1947

.

Фундаментальная теория магнитного поля Земли Блэкетта

,

Nature

,

160

,

746

.

,

1967

.

Измерение вертикального градиента геомагнитного поля под поверхностью Северного Ледовитого океана

,

Geophys. Проспект

,

15

,

194

203

.

,

1997

.

Hide получает медаль Боуи: Response

,

EOS, Trans.Являюсь. геофизики. Un

,

78

,

295

296

.

,

1998

.

Спокойный суточный ход полного магнитного поля: глобальные кривые

,

Geophys. Res. Lett

,

25

,

2007

2010

.

,

2000

.

Индукционные стрелки от морских плавучих магнитометров с использованием наземных справочных данных

,

Geophys. J. Int

,

140

,

442

452

.

,

1993

.

Крупномасштабные измерения электрического поля на поверхности Земли: обзор

,

J. geophys. Res

,

98

,

23 525

23 534

.

,

1992

.

Перенос и тепловой поток Флоридского течения на 27 град. С.ш., полученные из поперечных напряжений и данных профилирования: теория и наблюдения

,

Phil. Пер. R. Soc. Lond., A

,

338

,

169

236

.

,

1986

.

Баротропный поток кольца с теплой сердцевиной по данным электрических измерений на морском дне

,

J. geophys. Res

,

91

,

12 979

12 984

.

,

1993

.

Магнитные сигналы от океанского вихря

,

J. Geomagn. Геоэлектр

,

45

,

403

422

.

,

1954

.

Электрическое поле, индуцированное океанскими течениями и волнами, с применением метода буксируемых электродов

,

Пап. Phys. Oceanogr. Метеорол

,

13

,

1

37

.

,

1991

.

Низкочастотные, вызванные движением электромагнитные поля в океане: 2. Сравнение электрического поля и эйлеровых течений

,

J. geophys. Рес

,

96

,

12 797

12 814

.

,

1967

.

Солнечная тишина и поля суточной вариации Луны

, в

Физика геомагнитных явлений

, стр.

302

424

, ред. ,

Academic Press Inc

, Нью-Йорк.

,

2000

.

Палеомагнетизм: континенты и океаны

,

Academic Press Inc

, Сан-Диего.

,

1996

.

Магнитное поле Земли: палеомагнетизм, ядро ​​и глубокая мантия

,

Academic Press Inc

, Сан-Диего.

,

1996

.

Электромагнитные исследования океана: обзор

,

Surv. Geophys

,

17

,

455

491

.

,

1948

.

Радиальное изменение магнитного поля Земли, с приложением С. Чепмена

,

Proc. Phys. Soc

,

61

,

373

382

.

,

1951

.

Измерения вариации основного геомагнитного поля с глубиной

,

Phil.Пер. R. Soc. Lond., A

,

244

,

113

151

.

,

1971

.

Движущиеся электрические и магнитные поля в море

,

J. geophys. Рес

,

76

,

3476

3492

.

,

1985

.

Акустический доплеровский и электромагнитный профилограф скорости

,

J. Atmos. Океан. Технол

,

2

,

110

124

.

,

1992

.

Крупномасштабные электрические и магнитные поля, создаваемые океанами

,

J. geophys. Res

,

97

,

15 467

15 480

.

,

1998

.

Новая электромагнитная станция на морском дне с магнитометром Оверхаузера, магнитотеллурическим вариографом и модемом акустической телеметрии

,

Земля, Планета. Помещение

,

50

,

895

903

.

,

1994

.

Региональная океанография: Введение

,

Pergamon Press

, Oxford.

,

1997

.

Геофизические проблемы использования крупномасштабных электромагнитных полей, генерируемых океаном, для определения океанического потока

,

J. Geomagn. Геоэлектр

,

49

,

1351

1372

.

© 2001 РАН

Магнитное поле провода

Магнитный поле длинного провода

Магнитный поля возникают из-за зарядов, как и электрические поля, но отличаются тем, что обвинения должны двигаться.А длинный прямой провод, по которому течет ток, — самый простой пример движущегося заряда, который генерирует магнитный поле. Мы упоминали, что сила, которую испытывает заряд, когда движение через магнитное поле зависело от правило правой руки. Направление магнитного поля из-за к движущимся зарядам также будет зависеть правая рука правило. В случае длинного прямого провода, несущего ток I , силовые линии магнитного поля наматываются вокруг провода.Указав большим пальцем правой руки направление тока, направление магнитного поле можно найти, обхватив пальцами провод.

Сила магнитного поля зависит от силы тока I в проводе и r , расстояние от провода.

Постоянная m 0 — магнитная проницаемость.Причина не отображается, так как произвольное число что единицы заряда и тока (кулоны и амперы) были выбраны, чтобы дать простую форму для этой постоянной. Один Также можно заметить товар м 0 и e 0 относятся к скорость света. (Подробнее об этом позже, фундаментальные константы)

Если один помнит случай электрического поля равномерно заряженный провод, тоже выпал как 1 / r .Нет реальной аналогии с законом Кулонов для магнетизма, поскольку магнитное поле точечного заряда сложно так как он не может стоять на месте, чтобы создать магнитный поле.


Примеры Магнитный индекс источника поля

Магнитное поле токоведущего провода

Темы и файлы

E&M Тема

  • Электромагнетизм, магнитное поле в катушке

Напильник Capstone

Перечень оборудования

Введение

Цель этого упражнения — измерить магнитное поле, создаваемое токоведущим проводом в форме катушки. Используйте усилитель мощности для создания и измерения тока в катушке и используйте датчик магнитного поля для измерения напряженности магнитного поля в катушке. Используйте Capstone для записи и отображения данных. Рассчитайте проницаемость свободного пространства ( μ 0 ) на основе размера и количества витков в катушке, измеренного тока и измеренного магнитного поля.

Фон

Токоведущий провод испытывает магнитную силу, когда помещается в магнитное поле, создаваемое внешним источником, например постоянным магнитом.Токоведущий провод также создает собственное магнитное поле. Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) впервые обнаружил этот эффект в 1820 году, когда он заметил, что провод с током влияет на ориентацию расположенной рядом стрелки компаса. Стрелка компаса выравнивается с чистым магнитным полем, создаваемым током и землей. Открытие Эрстеда, связавшее движение электрических зарядов с созданием магнитного поля, положило начало важной дисциплине под названием электромагнетизм. Экспериментально установлено, что величина B магнитного поля, создаваемого длинным прямым проводом, прямо пропорциональна току I и обратно пропорциональна радиальному расстоянию r от провода, как показано ниже. Константа пропорциональности преобразует выражение в уравнение, которое дает величину магнитного поля вокруг длинного прямого провода. Константа « μ 0 » известна как проницаемость свободного пространства, и ее значение показано ниже.

(3)

мкм 0 = 4 π × 10 −7 Т · м / А

Если токопроводящий провод согнут в круговую петлю, силовые линии магнитного поля вокруг петли будут иметь рисунок, аналогичный тому, что есть вокруг стержневого магнита. В центре петли радиусом R магнитное поле перпендикулярно плоскости петли и имеет значение, показанное в уравнении ниже, где I обозначает ток в петле. Часто петля состоит из N и витков провода, намотанных так близко друг к другу, что они образуют плоскую катушку с одной петлей. В этом случае магнитные поля отдельных витков складываются, чтобы получить результирующее поле, которое в Н в раз больше, чем у одиночной петли. Для такой катушки магнитное поле в центре зависит от количества витков, силы тока и радиуса петли, как показано в уравнении ниже.

Copyright © 2016 Advanced Instructional Systems, Inc. и Физический факультет Университета Центральной Флориды | Кредиты

10.2 Магнитное поле, связанное с током | Электромагнетизм

10.2 Магнитное поле, связанное с током (ESBPS)

Если вы поднесете компас к проводу, через который проходит ток. течет, стрелка компаса отклоняется.

Поскольку компасы работают, указывая вдоль силовых линий магнитного поля, это означает, что вблизи должно быть магнитное поле. провод, по которому течет ток.

Магнитное поле, создаваемое электрическим током, всегда ориентированы перпендикулярно направлению тока. Ниже приведен эскиз того, что магнитное поле вокруг провод выглядит так, когда по нему течет ток. Мы используем \ (\ vec {B} \) для обозначения магнитного поля и стрелки на силовых линиях показывают направление магнитного поля. Обратите внимание на , что если нет тока, не будет магнитного поля.

Направление тока в проводе (проводе) показано центральной стрелкой. Кружки — это силовые линии и у них также есть направление, указанное стрелками на линиях.Аналогично ситуации с электрическим полем линий, чем больше количество линий (или чем ближе они друг к другу) в области, тем сильнее магнитное поле. поле.

Важно: все наши обсуждения направлений работы предполагают, что мы имеем дело с условный ток .

Чтобы визуализировать эту ситуацию, поставьте ручку или карандаш прямо на стол. Круги сосредоточены вокруг карандаш или ручку и рисовать параллельно поверхности стола. Кончик ручки или карандаша будет указывать по направлению тока.

Вы можете посмотреть на карандаш или ручку сверху, и карандаш или ручка будет точкой в ​​центре кругов. Направление силовых линий магнитного поля в этой ситуации — против часовой стрелки.

Чтобы было легче увидеть, что происходит, мы нарисуем только один набор круговых линий полей, но обратите внимание что это просто для иллюстрации.

Если вы положите лист бумаги за карандаш и посмотрите на него сбоку, то увидите циркуляр. силовые линии расположены боком, и трудно понять, что они круглые.Они проходят через бумагу. Помните это поле линии имеют направление, поэтому когда вы смотрите на лист бумаги сбоку, это означает, что круги идут в бумагу с одной стороны карандаша и выйдите из бумаги с другой стороны.

Когда рисуем направления магнитных полей и токов, используем символы \ (\ odot \) и \ (\ otimes \). Символ \ (\ odot \) представляет собой стрелка, выходящая со страницы, и символ \ (\ время \) представляет собой стрелку, ведущую на страницу.

Значения символов легко запомнить, если вы подумаете о стрела с острым концом на голове и хвост с перьями в форме креста.

Датский физик Ганс Кристиан Эрстед однажды в 1820 году читал лекцию о возможности электричества. и магнетизм связаны друг с другом, и в процессе убедительно продемонстрировали это с помощью эксперимента перед всем своим классом. Пропуская электрический ток через металлический провод, подвешенный над магнитным компас, Эрстед смог произвести определенное движение стрелки компаса в ответ на течение.Что началось как предположение в начале занятия, которое подтвердилось как факт в конце. Излишне говорить, что Эрстед пришлось пересматривать свои конспекты лекций для будущих уроков. Его открытие проложило путь к совершенно новому направлению. наука — электромагнетизм.

Теперь мы рассмотрим три примера токоведущих проводов. Для каждого примера определим магнитную поля и нарисуйте силовые линии магнитного поля вокруг проводника.

Магнитное поле вокруг прямого провода (ESBPT)

Направление магнитного поля вокруг токоведущей проводник показан на рисунке 10.1.

Рисунок 10.1: Магнитное поле вокруг проводника, когда вы смотрите на проводник с одного конца. (а) Ток течет со страницы и магнитное поле против часовой стрелки. (б) Ток течет в страницы, а магнитное поле — по часовой стрелке. Рисунок 10.2: Магнитные поля вокруг проводника, смотрящего на проводник сверху вниз. (а) Ток течет по часовой стрелке. (б) текущий течет против часовой стрелки.

Направление магнитного поля

Используя направления, приведенные на Рисунке 10.1 и рис. 10.2 пытаются найти правило, которое легко подскажет вам направление магнитного поля.

Подсказка: используйте пальцы. Держите провод в руках и постарайтесь найти связь между направлением вашего большой палец и направление, в котором сгибаются пальцы.

Существует простой метод определения взаимосвязи между направлением тока, протекающего в проводник и направление магнитного поля вокруг того же проводника.Метод называется Right. Правило рук . Проще говоря, Правило правой руки гласит, что силовые линии магнитного поля, создаваемые токоведущий провод будет ориентирован в том же направлении, что и свернутые пальцы правой руки человека (в положение «автостоп»), при этом большой палец должен указывать в направлении течения.

Ваша правая и левая рука уникальны в том смысле, что вы не можете повернуть одну из них, чтобы она находилась в одном положении. положение как другой.Это означает, что важна правая часть правила. Вы всегда получите неправильный ответ, если вы ошиблись рукой.

временный текст

Правило правой руки

Используйте Правило правой руки, чтобы нарисовать направления магнитных полей для следующих проводников с токи, текущие в направлениях, показанных стрелками. Первая задача была выполнена за вас.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Магнитное поле вокруг проводника с током

Аппарат

  1. один \ (\ text {9} \) \ (\ text {V} \) аккумулятор с держателем

  2. два соединительных провода с зажимами типа «крокодил»

  3. компас

  4. секундомер

Метод

  1. Подсоедините провода к батарее, оставив один конец каждого провода неподключенным, чтобы цепь не закрыто.

  2. Обязательно ограничивайте текущий поток \ (\ text {10} \) \ (\ text {секунды} \) за раз (почему вы можете спросить, сам по себе провод имеет очень небольшое сопротивление, поэтому аккумулятор очень быстро разрядится). Это для продлить срок службы батареи, а также предотвратить перегрев проводов и контактов батареи.

  3. Поднесите компас к проводу.

  4. Замкните цепь и посмотрите, что происходит с компасом.

  5. Поменяйте полярность батареи и замкните цепь. Понаблюдайте, что происходит с компасом.

Выводы

Используйте свои наблюдения, чтобы ответить на следующие вопросы:

  1. Создает ли ток, протекающий по проводу, магнитное поле?

  2. Присутствует ли магнитное поле, когда ток не течет?

  3. Зависит ли направление магнитного поля, создаваемого током в проводе, от направления текущий поток?

  4. Как направление тока влияет на магнитное поле?

Магнитное поле вокруг токоведущей петли (ESBPV)

До сих пор мы рассматривали только прямые провода, по которым проходит ток, и магнитные поля вокруг них. Мы собираюсь изучить магнитное поле, создаваемое кольцевыми петлями из проволоки, по которой течет ток, потому что это поле очень полезные свойства, например, вы увидите, что мы можем создать однородное магнитное поле.

Магнитное поле вокруг контура проводника

Представьте себе две петли из проволоки, по которым течет ток (в противоположных направлениях) и которые параллельны странице. вашей книги. Используя Правило правой руки, нарисуйте то, на что, по вашему мнению, будет похоже магнитное поле. разные точки вокруг каждой из двух петель.В петле 1 ток течет против часовой стрелки. направление, в то время как в петле 2 ток течет по часовой стрелке.

Если сделать петлю из токоведущего проводника, то направление магнитного поля определяется следующим образом: применение правила правой руки к разным точкам петли.

Обратите внимание, что есть разновидность правила правой руки. Если вы заставите пальцы правой руки следовать направление тока в петле, ваш большой палец будет указывать в том направлении, где выходят силовые линии.Этот похож на северный полюс (где силовые линии выходят из стержневого магнита) и показывает, с какой стороны петля притянет северный полюс стержневого магнита.

temp text

Магнитное поле вокруг соленоида (ESBPW)

Если мы теперь добавим еще одну петлю с током в том же направлении, то магнитное поле вокруг каждой петли может сложить вместе, чтобы создать более сильное магнитное поле. Катушка из множества таких петель называется соленоидом .Соленоид — это цилиндрическая катушка с проволокой, действующая как магнит, когда электрический ток течет по проволоке. В Картина магнитного поля вокруг соленоида похожа на картину магнитного поля вокруг стержневого магнита, который вы учился в 10-м классе, у которого были определенные северный и южный полюсы, как показано на рис. 10.3.

Рисунок 10.3: Магнитное поле вокруг соленоида.

Реальные приложения (ESBPX)

Электромагниты

Электромагнит — кусок провода, предназначенный для создания магнитного поля при прохождении электрический ток через него.Хотя все проводники с током создают магнитные поля, электромагнит обычно строится таким образом, чтобы максимизировать силу магнитного поля, которое он создает для спец. Назначение. Электромагниты обычно используются в исследованиях, промышленности, медицине и потребительских товарах. An Пример обычно используемого электромагнита — в защитных дверях, например на двери магазина, которые открываются автоматически.

Как электрически управляемый магнит, электромагниты являются частью широкого спектра «Электромеханические» устройства: машины, которые создают механическую силу или движение посредством электрических сила. Пожалуй, наиболее очевидным примером такой машины является электродвигатель , который будет подробно описан в классе 12. Другими примерами использования электромагнитов являются электрические звонки, реле, громкоговорители и краны для металлолома.

Электромагниты

Цель

Магнитное поле создается, когда электрический ток течет по проводу. Один провод не производит сильное магнитное поле, но проволока, намотанная на железный сердечник, делает.Мы исследуем это поведение.

Аппарат

  1. аккумулятор и держатель

  2. длина провода

  3. компас

  4. несколько гвоздей

Метод

  1. Если вы еще не проводили предыдущий эксперимент в этой главе, сделайте это сейчас.

  2. Согните провод в несколько катушек перед тем, как прикрепить его к батарее. Наблюдайте, что происходит с отклонение стрелки компаса. Прогиб компаса стал сильнее?

  3. Повторите эксперимент, изменив количество и размер витков в проводе. Наблюдайте, что происходит к отклонению по компасу.

  4. Намотайте проволоку на железный гвоздь, а затем прикрепите катушку к батарее. Наблюдайте, что происходит с отклонение стрелки компаса.

Выводы

  1. Влияет ли количество катушек на силу магнитного поля?

  2. Железный гвоздь увеличивает или уменьшает силу магнитного поля?

Воздушные линии электропередачи и окружающая среда

Физическое воздействие

Линии электропередач — обычное явление для всей нашей страны. Эти линии подводят электроэнергию от электростанций к наши дома и офисы. Но эти линии электропередач могут иметь негативное воздействие на окружающую среду. Одна опасность, что они позируют птицам, которые влетают в них. Защитник природы Джессика Шоу провела последние несколько лет в поисках при этой угрозе. Фактически, линии электропередач представляют собой основную угрозу для синего крана, национального жителя Южной Африки. птица, в Кару.

«Нам повезло, что в Южной Африке обитает широкий спектр видов птиц, в том числе много крупных птиц, таких как журавли, аисты и дрофы.К сожалению, есть также много линий электропередач, которые могут повлиять на птиц. двумя способами. Они могут быть убиты электрическим током, когда садятся на некоторые типы пилонов, а также могут быть убиты столкновение с линией, если они влетят в нее, либо от удара о леску, либо от удара о землю после. Эти столкновения часто случаются с крупными птицами, которые слишком тяжелы, чтобы избежать попадания в линию электропередачи, если они увидеть это только в последнюю минуту. Другие причины, по которым птицы могут столкнуться, включают плохую погоду, полет стаями. и отсутствие опыта у молодых птиц.

В течение последних нескольких лет мы изучали серьезное влияние столкновений линий электропередач на Blue Журавли и дрофы Людвига. Это два наших эндемичных вида, а это значит, что они встречаются только в Южная Африка. Это большие птицы, которые живут долго и медленно размножаются, поэтому популяции могут не оправиться от высокой смертности. Мы шли и проезжали под линиями электропередач через Оверберг и Кару для подсчета мертвых птиц.Данные показывают, что тысячи этих птиц гибнут в результате столкновений каждые год, и дрофа Людвига занесена в список исчезающих видов из-за высокого уровня неестественная смертность. Мы также ищем способы уменьшить эту проблему и работаем с Eskom. для тестирования различных устройств разметки линий. Если на линиях электропередач вешать маркеры, птицы могут видеть линия электропередачи издалека, что даст им достаточно времени, чтобы избежать столкновения.”

Воздействие полей

Тот факт, что вокруг линий электропередачи создается поле, означает, что они потенциально могут оказывать влияние на расстояние. Это было изучено и продолжает оставаться предметом серьезных дискуссий. На момент написания в рекомендациях Всемирной организации здравоохранения по воздействию на человека электрических и магнитных полей указано, что нет четкой связи между воздействием магнитных и электрических полей, которые общественность столкновения с линиями электропередачи, потому что это поля крайне низкой частоты.

Шум в линии электропередач может мешать радиосвязи и радиовещанию. По сути, линии электропередач или связанное оборудование неправильно генерирует нежелательные радиосигналы, которые перекрывают или конкурируют с желаемым радиосигналом сигналы. Шум от линии электропередачи может повлиять на качество приема радио и телевидения. Срыв радио связь, такая как любительское радио, также может иметь место. Потеря критически важных коммуникаций, например полиции, пожары, военные и другие подобные пользователи радиочастотного спектра могут привести к еще более серьезным последствиям.

Групповое обсуждение:

Когда молния поражает корабль или самолет, она может повредить или иным образом изменить его магнитный компас. Там были зарегистрированы случаи удара молнии, меняющего полярность компаса, так что стрелка указывала юг вместо севера.

Магнитные поля

Учебное упражнение 10.1

Привести доказательства существования магнитного поля возле токоведущего провода.

Если вы поднесете компас к проводу, по которому течет ток, стрелка на компасе будет отклонено. Поскольку компасы работают, указывая вдоль силовых линий магнитного поля, это означает, что должен быть магнитное поле возле провода, по которому течет ток. Если ток перестанет течь, компас возвращается в исходное направление. Если ток снова начнет течь, то отклонение повторяется снова.

Опишите, как вы могли бы использовать свою правую руку, чтобы определять направление магнитного поля вокруг токоведущий проводник.

Мы используем правило правой руки, которое гласит, что силовые линии магнитного поля, создаваемые токоведущим проводом будут ориентированы в том же направлении, что и скрученные пальцы правой руки человека (в Положение «автостоп») с большим пальцем в направлении течения тока:

Со страницы

на страницу

Используйте Правило правой руки, чтобы найти направление магнитных полей в каждой из точек, обозначенных A — H на следующих диаграммах.

  • A: против часовой стрелки
  • B: против часовой стрелки
  • C: против часовой стрелки
  • D: против часовой стрелки
  • E: по часовой стрелке
  • F: по часовой стрелке
  • G: по часовой стрелке
  • H: по часовой стрелке

12.4 Магнитное поле токовой петли — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните, как закон Био-Савара используется для определения магнитного поля, создаваемого током в проволочной петле в точке вдоль линии, перпендикулярной плоскости петли.
  • Определите магнитное поле электрической дуги.

Круговая петля на рисунке 12.11 имеет радиус R , несет ток I и лежит в плоскости xz . Какое магнитное поле возникает из-за тока в произвольной точке P вдоль оси контура?

Рисунок 12.11 Определение магнитного поля в точке P вдоль оси токоведущей петли из проволоки.

Мы можем использовать закон Био-Савара, чтобы найти магнитное поле, создаваемое током.Сначала мы рассмотрим произвольные сегменты на противоположных сторонах петли, чтобы качественно показать с помощью векторных результатов, что чистое направление магнитного поля проходит вдоль центральной оси петли. Отсюда мы можем использовать закон Био-Савара, чтобы получить выражение для магнитного поля.

Пусть P будет расстоянием y от центра петли. Согласно правилу правой руки, магнитное поле [latex] d \ stackrel {\ to} {\ textbf {B}} [/ latex] на P , создаваемое текущим элементом [latex] I \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} d \ stackrel {\ to} {\ textbf {l}}, [/ latex] направлен под углом [latex] \ theta [/ latex] над осью y , как показано. Поскольку [latex] d \ stackrel {\ to} {\ textbf {l}} [/ latex] параллелен оси x , а [latex] \ hat {\ textbf {r}} [/ latex] находится в плоскости yz , два вектора перпендикулярны, поэтому мы имеем

[латекс] дБ = \ frac {{\ mu} _ {0}} {4 \ pi} \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ frac {I \ phantom {\ rule {0.2em} { 0ex}} dl \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ mathrm {sin} \ phantom {\ rule {0.{\ prime} [/ latex], перпендикулярный оси y , поэтому сокращается, и при вычислении чистого магнитного поля необходимо учитывать только компоненты вдоль оси y . Компоненты, перпендикулярные оси контура, попарно суммируются до нуля. Отсюда в точке P :

[латекс] \ stackrel {\ to} {\ textbf {B}} = \ hat {\ textbf {j}} \ underset {\ text {loop}} {\ int} дБ \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ mathrm {cos} \ phantom {\ rule {0.1em} {0ex}} \ theta = \ hat {\ textbf {j}} \ frac {{\ mu} _ {0} I} {4 \ pi} \ underset {\ text {loop}} {\ int} \ frac {\ mathrm {cos} \ phantom {\ rule {0. {3}}.{3}}. [/ Латекс]

Расчет магнитного поля из-за круговой токовой петли в точках вне оси требует довольно сложной математики, поэтому мы просто посмотрим на результаты. Линии магнитного поля имеют форму, показанную на рисунке 12.12. Обратите внимание, что одна линия поля следует за осью цикла. Это та линия поля, которую мы только что нашли. Кроме того, очень близко к проводу силовые линии почти круглые, как линии длинного прямого провода.

Рис. 12.12 Эскиз силовых линий магнитного поля круговой токовой петли.

Пример

Магнитное поле между двумя контурами

Две проволочные петли пропускают одинаковый ток 10 мА, но текут в противоположных направлениях, как показано на рисунке 12.13. Измеренный радиус одной петли составляет [латекс] R = 50 \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {cm} [/ latex], а радиус другой петли составляет [латекс] 2R = 100 \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {cm}. [/ Latex] Расстояние от первой петли до точки измерения магнитного поля составляет 0,25 м, а расстояние от этой точки до второй цикл — 0. 75 м. Какова величина чистого магнитного поля в точке P ?

Рисунок 12.13 Две петли разного радиуса имеют одинаковый ток, но текут в противоположных направлениях. Измеренное магнитное поле в точке P равно нулю.
Стратегия

Магнитное поле в точке P было определено по уравнению 12.15. Поскольку токи протекают в противоположных направлениях, чистое магнитное поле представляет собой разницу между двумя полями, создаваемыми катушками.{\ text {−9}} \ text {T} \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {справа}. \ hfill \ end {array} [/ latex]

Значение
Катушки

Гельмгольца обычно имеют петли с одинаковым радиусом, при этом ток течет в одном направлении, чтобы иметь сильное однородное поле в средней точке между петлями. Аналогичное применение распределения магнитного поля, создаваемого катушками Гельмгольца, можно найти в магнитной бутылке, которая может временно улавливать заряженные частицы. См. Раздел «Магнитные силы и поля» для обсуждения этого вопроса.

Проверьте свое понимание

Используя пример 12.5, на какое расстояние вам нужно переместить первую катушку, чтобы получить нулевое измеряемое магнитное поле в точке P ?

Показать решение

Сводка

  • Напряженность магнитного поля в центре круговой петли определяется выражением [латекс] B = \ frac {{\ mu} _ {0} I} {2R} \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {(в центре петли)}, [/ latex] где R — радиус петли. RHR-2 дает направление поля вокруг петли.

Концептуальные вопросы

Является ли магнитное поле токовой петли однородным?

Что происходит с длиной подвешенной пружины, когда через нее проходит ток?

Показать решение

Длина пружины уменьшается, поскольку каждая катушка имеет магнитное поле, создаваемое северным полюсом, рядом с южным полюсом следующей катушки.

Два концентрических круглых провода разного диаметра переносят ток в одном направлении. {3 \ text {/} 2}} [/ latex]

Для катушек в предыдущей задаче какое магнитное поле находится в центре каждой из катушек?

Лицензии и авторские права

Магнитное поле токовой петли. Автор : OpenStax College. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/12-4-mintage-field-of-a-current-loop. Лицензия : CC BY: Attribution . Условия лицензии : Загрузите бесплатно с https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/1-introduction

Что происходит с токоведущим проводом в магнитном поле? | Научный проект

  • Сильный подковообразный магнит
  • Длинный изолированный провод
  • Инструмент для зачистки проводов
  • D аккумулятор
  • Изолента
  1. Зачистите 1 дюйм изоляции с каждой стороны провода.
  2. Положите подковообразный магнит набок на плоскую поверхность.
  3. Используйте небольшой кусок изоленты, чтобы прикрепить металлическую часть одного конца провода к отрицательной клемме аккумулятора.
  4. Пропустите провод между ножками подковообразного магнита.
  5. Удерживая изолированную часть провода, коснитесь открытым концом провода положительной клеммы аккумулятора. В каком направлении течет электрический ток? Зачем держать изоляцию провода вместо металла? Запишите свои наблюдения.
  1. Переверните магнит и повторите эксперимент. Что изменится, если что? Запишите свои наблюдения.

Проволока отогнется от полюсов магнита.

Электрические токи всегда создают собственные магнитные поля. Поведение и ток всегда можно описать правилом правой руки . Сделайте знак «большой палец вверх» рукой вот так:

Ток будет течь в направлении, указанном большим пальцем, и направление магнитного поля будет описываться направлением пальцев.

Это означает, что при изменении направления тока вы также меняете направление магнитного поля. Ток течет от отрицательного полюса батареи через провод к положительному полюсу батареи. Это может помочь вам определить направление магнитного поля.

Магниты

, как и подковообразный магнит, используемый в этом упражнении, имеют два полюса , южный и северный. Фраза «противоположности притягиваются» применима к магнитам; поэтому взаимодействия север-юг держатся вместе, а взаимодействия север-север и юг-юг отталкивают , или отталкивают друг от друга.Поскольку магнитное поле, создаваемое электрическим током в проводе, меняет направление вокруг провода, оно отталкивает оба полюса магнита, отклоняясь от провода. В зависимости от того, какой полюс находится вверху (отметка на вашем магните может сказать вам, где север или юг), провод будет отклоняться от магнита или дальше в сторону буквы «U».

Заявление об ограничении ответственности и меры предосторожности

Education. com предлагает идеи проекта Science Fair для информационных целей. только для целей.Education.com не дает никаких гарантий или заверений относительно идей проектов Science Fair и не несет ответственности за любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких Информация. Получая доступ к идеям проектов Science Fair, вы отказываетесь от отказаться от любых претензий к Education.com, которые возникают в связи с этим. Кроме того, ваш доступ к веб-сайту Education.com и идеям проектов Science Fair покрывается Политика конфиденциальности Education.com и Условия использования сайта, которые включают ограничения по образованию.ком ответственность.

Настоящим дается предупреждение, что не все идеи проекта подходят для всех индивидуально или при любых обстоятельствах. Реализация идеи любого научного проекта должны проводиться только в соответствующих условиях и с соответствующими родительскими или другой надзор. Прочтите и соблюдайте правила техники безопасности всех Материалы, используемые в проекте, являются исключительной ответственностью каждого человека. За Для получения дополнительной информации обратитесь к справочнику по научной безопасности вашего штата.

Калькуляторы магнитного поля Земли — Инструкции

Вычислить значения магнитного поля Земли

Онлайн-калькуляторы для оценки текущих и прошлых значений магнитного поля.

Если вам нужно только магнитное склонение (склонение) для одного дня с 1900 по настоящее время, посетите наш Калькулятор склонения .

Если вам нужны все семь компонентов магнитного поля для одного дня или диапазона лет с 1900 г. по настоящее время, посетите наш Калькулятор магнитного поля . Пожалуйста, прочтите приведенные ниже инструкции перед использованием этого калькулятора.

Калькулятор исторического склонения США В этом калькуляторе используются модели склонения США для вычисления склонения только для соседних США с 1750 года по настоящее время. Из-за различий в доступности данных (записанных наблюдений магнитного поля) в западной части США могут не быть значений до начала 1800-х годов.

Вы также можете вычисляет значения для области . Увидеть инструкции для области.

Солнечные возмущения могут вызывать значительные расхождения между расчетными и фактическими значениями поля. Вы можете проверить текущие солнечные условия в NOAA. Центр прогнозов космической погоды.

Значения вычислены с использованием текущего международного опорного геомагнитного поля , принятого Международная ассоциация геомагнетизма и аэрономии . Значения являются оценками на основе IGRF10 и обычно точны с точностью до 30 минут дуги для D и I и 100–250 нТл для силовых элементов (F, H, Z, X и Y).

Требуется ввод:

  1. Местоположение (широта и долгота), вводится либо в десятичных градусах , либо в градусов, минут и секунд (целые числа, разделенные пробелами) . Примечание
    : Если вы не знаете свою широту и долготу и живете в Соединенных Штатах, введите свой почтовый индекс в соответствующее поле и используйте кнопку « Получить местоположение » или поля выбора страны и города слева. Также предоставляются ссылки на Газеттер США и Тезаурус Getty, хорошие источники информации о широте и долготе для США и мира соответственно.
  2. Высота (рекомендуется для использования на самолетах и ​​спутниках) в футах, метрах или километрах над средним уровнем моря.
  3. Дата в формате Год, Месяц, День (по умолчанию используется текущий день). Есть две записи даты, позволяющие вычислить значения магнитного поля в течение ряда лет. Обе даты по умолчанию равны текущему дню. Если вам нужны только текущие значения поля, ничего больше вводить не нужно! Если вы хотите узнать значения магнитного поля за определенный период (т. е.е. с 1967 по 2017), входят в самая старая дата в поле Start Date и самая последняя дата в поле Дата окончания коробка.
  4. Размер шага даты (используется только для диапазона лет) — это количество лет между вычислениями. Например, если вы хотите знать значения магнитного поля с 1967 по 2017 год для каждых двух лет, введите 1967 в качестве года начала, 2017 год в качестве года окончания и 2 для размера шага.
  5. Чтобы вычислить значения полей, нажмите Compute! Кнопка .

Результаты включают семь параметров поля и текущую скорость изменения за последний год:

  • Склонение (D) положительное значение на восток, в градусах и минутах
    Годовое изменение (dD) на положительный восток, в минутах в год
  • Наклон (I) положительный вниз, в градусах и минутах
    Годовое изменение (dI) положительное снижение, в минутах в год
  • Горизонтальная интенсивность (H), в нанотеслах
    Годовое изменение (dH) в нанотеслах в год
  • Север Компонент H (X), положительный север, в нанотеслах
    Годовое изменение (dX) в нанотеслах в год
  • Восток Компонент H (Y), положительный восток, в нанотеслах
    Годовое изменение (dY) в нанотеслах в год
  • Вертикальная интенсивность (Z), положительная вниз, в нанотеслах
    Годовое изменение (dZ) в нанотеслах в год
  • Общее поле (F), в нанотеслах
    Годовое изменение (dF) в нанотеслах в год

Вы можете увидеть дополнительную информацию о необходимом вводе или Результаты. Для получения дополнительной информации о магнетизме, настройке компаса, вычислении пеленгов, пожалуйста, посетите наш Страница ответов на часто задаваемые вопросы (FAQ). Перейти к Вычислить значения полей .

Вернуться к началу страницы


Требуемый ввод

Ввод информации о местоположении

Если вас интересует местоположение в США, вы можете ввести свой почтовый индекс в отведенное для этого поле и нажать кнопку « Получить местоположение ».Широта и долгота для этого почтового индекса (хранящегося в Бюро переписи населения США) будут автоматически подставлены в область местоположения. Если значение не отображается, вероятно, возникла проблема с получением местоположения для введенного почтового индекса. В этом случае введите широту и долготу прямо в соответствующие поля.

Если вы вводите местоположение в градусах, минутах и ​​секундах, введите значения для всех трех — через пробел — даже если значение равно нулю . Например, если ваше местоположение находится на широте 35 ° 30 ‘0 «, введите 35 30 0. Помните, что в минуте 60 секунд и 60 минут в градусе, поэтому 35 ° 30’ 0» эквивалентно 35 500 Не вводите в поле обозначения N, S, E или W. Вместо этого убедитесь, что для вашего местоположения установлен правильный выбор справа от поля. N — широта северного полушария, S — широта южного полушария, W — долгота западного полушария, E — долгота восточного полушария.США (в основном) расположены в северном (северном) и западном (западном) полушарии.

Широта колеблется от 90 ° южной широты (южный полюс) до 90 ° северной широты (северный полюс), где 0 ° означает экватор. Долгота колеблется от 0 ° (Гринвич, Англия) к востоку через 90 ° восточной долготы (Бангладеш) до 180 градусов и к западу через Атлантику, от 90 ° западной долготы (Джексон, Мичиган) до 180 градусов западной долготы. Например, местоположение Луисвилля, штат Кентукки, США составляет 38,2247 ° северной широты, 85,7412 ° западной долготы, также выражается как 38 ° 13 ’29 «северной широты, 85 ° 44′ 28» западной долготы.

Ввод информации о дате

Имеются две записи даты, позволяющие вычислить значения магнитного поля в течение ряда лет. Если вам нужен диапазон дат, введите самую старую дату в поле «Дата начала», самую последнюю дату в поле «Дата окончания» и введите количество лет между вычислениями в поле «Размер шага даты». Например, если вы хотите знать значения магнитного поля с 1900 по 2017 год с интервалом в 3 года, введите 1900 1 1 в качестве даты начала, 2017 1 1 в качестве даты окончания и 3 в качестве размера шага.Дата окончания должна быть больше или равна дате начала. Не вводите размер шага (по умолчанию — ноль), если вы не вычисляете диапазон лет.

Модель магнитного поля IGRF обновляется каждые 5 лет, чтобы обеспечить возможность прямого вычисления магнитного поля. Например, IGRF12, принятый в 2005 году, был действителен до 1 января 2020 года. Если вы введете дату окончания, превышающую допустимый период модели, вы получите сообщение об ошибке с просьбой ввести действительную дату.

Ввод отметки

Высота особенно важна при вычислении магнитного поля на самолетах или на больших высотах.Если вы не уверены в своей высоте и интересуетесь местоположением на поверхности Земли, достаточно значения по умолчанию 0. Введите высоту в километрах (от -1 до 600)

Нажмите кнопку «Вычислить» , когда будете готовы.

Вернуться к началу страницы

Область ввода

Чтобы вычислить значения полей для области, введите самую северную и самую южную широту, размер шага для широты, самую западную и самую восточную долготу и размер шага для долготы.Например, если вас интересует сетка склонений для континентальной части США со значениями, рассчитанными через каждые 5 градусов широты и долготы, вы должны ввести (щелкните пример, чтобы увеличить изображение):

Вернуться к началу страницы


Считывание результатов

Магнитные параметры: склонение, наклонение, горизонтальная составляющая, северная составляющая, восточная составляющая, вертикальная составляющая и полное поле (D, I, H, X, Y, Z и F) вычисляются на основе последнего Международного опорного геомагнитного поля ( IGRF) модель главного магнитного поля Земли. Точность угловых составляющих (склонение, D и наклон, I) указывается в градусах и минутах дуги и обычно находится в пределах 30 минут. Точность компонентов силы (горизонтальная — H, север — X, восточная — Y, вертикальная — Z и общая сила — F) обычно находится в пределах от 100 до 250 нанотесла. Локальные нарушения и попытки использовать модель за пределами допустимого диапазона дат могут вызвать более серьезные ошибки. Перед использованием IGRF прочтите «Предупреждение о вреде для здоровья». Знаки, используемые повсюду: склонение (D) положительное значение на восток, наклонение (I) и вертикальная интенсивность (Z) положительное значение вниз, северный компонент (X) положительный север и восточный компонент (Y) положительный восток.Горизонтальная (H) и общая (F) интенсивности всегда положительны. Подробнее о параметрах магнитного поля Земли см. Часто задаваемые вопросы.


Вернуться к началу страницы

.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.