ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНЫХ БУРЬ НА ДВИЖЕНИЕ МАГНИТНОГО ШАРИКА В ДИА- И ПАРАМАГНИТНОЙ ТРУБКАХ Текст научной статьи по специальности «Физика»

ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНЫХ БУРЬ НА ДВИЖЕНИЕ МАГНИТНОГО ШАРИКА В ДИА- И ПАРАМАГНИТНОЙ ТРУБКАХ

Ахметова С.А., Захаров Л.М., Захаров Ю.Б., Пыхалова Н.Е.

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет», Краснодар, Россия

Аннотация

В данной статье рассматривается изменение магнитного поля Земли во время магнитных бурь. Показано, что характер движения магнитного тела, а также наличие трубки, в которой возбуждается индукционный вихревой ток, существенно влияют на изменения магнитного потока, пронизывающего контур. Проецируя полученный результат на биологические системы организма человека, можно сделать вывод о том, что явление изменения площади вихревого тока, возникающего в предутренние часы в период магнитных бурь, приводит к закупорке кровеносного сосуда и к ишемическим явлениям.

Ключевые слова: солнечная активность, магнитные бури, магнитное поле, электродвижущая сила индукции, магнитное поле вихревого тока, правило Ленца.

Интенсификация потока волн солнечной радиации и приход на Землю волн от корональных выбросов на Солнца вызывают сильные колебания геомагнитного поля Земли - создание геомагнитных бурь. Геомагнитные бури являются одним из важнейших факторов космической погоды, нарушая связь, системы навигации космических кораблей, создавая вихревые токи в трансформаторах и трубопроводах и даже нарушая работу энергетических систем. После солнечной вспышки по Земле распространяется магнитная буря. Влияние на здоровье человека очевидно [1]. На самом деле, состояние многих людей в это время ухудшается. В принципе симптомы у всех примерно одинаковые. Некоторые начинает чувствовать сильную чрезмерную усталость.

У других начинаются головные боли. У многих людей учащается сердцебиение. Однако у людей с хроническими заболеваниями последствия этого необычайного природного явления выражаются, например, в таком виде: у людей с гипертонией часто бывает резкое повышение артериального давления. Даже здоровые люди могут испытывать повышенную раздражительность, излишнее беспокойство и снижение работоспособности. У людей с нестабильной психикой могут возникать приступы депрессии и агрессии.

Есть занимательный и красивый опыт. Если бросить постоянный магнит в медную трубу, он будет медленно падать. Это, как если бы тело двигалось в невесомости или гравитация внезапно изменилась.

Известно, что медь относится к слабомагнитным веществам. Материал, который ослабляет внешнее магнитное поле, потому что его собственное магнитное поле имеет противоположное направление, называется диамагнетиком. Многие вещества обладают диамагнетизмом. В частности, к диамагнетикам относятся вода, многие органические вещества, некоторые драгоценные металлы (серебро), медь, висмут, стекло. Вещество, собственное магнитное поле которого усиливает внешнее магнитное поле, называется парамагнетиком. К парамагнитным веществам относятся газы, щелочи, щелочноземельные металлы, растворы их солей, платина, алюминий, эбонит. Для большинства парамагнетиков и диамагнетиков напряженность собственного магнитного поля, образующегося при намагничивании, незначительна. Поэтому внешнее магнитное поле мало влияет на энергию молекул [2].

В этой статье приведены опыты с магнитным шариком и диамагнитной и парамагнитной трубками в обычные дни и в дни магнитных бурь, а также под наклоном в разные стороны света.

Перво-наперво, нам понадобится математическая модель постоянного магнита. Постоянный магнит будет удобно рассматривать как магнитный диполь.

Несмотря на небольшой размер магнитного шарика он очень мощный. Магнитное поле шариков больше, чем в магнитных дисках или в магнитных пластинах, так как оно сконцентрировано в полюсах в соответствии с рисунком 1. Магнитное поле в полюсах: Б=7,39 мкТл, на экваторе: Б=3,66 мкТл.

Рисунок 1 - Магнитное поле пластины и шара

Рисунок 2 - Закон Фарадея

т. • г)г рт

(1)

4п\

Здесь приняты обозначения г = (г, г) - радиус-вектор из центра диполя в точку наблюдения, р^ - вектор дипольного момента.

Далее, нам нужно записать ъ -компоненту вектора магнитной индукции для вычисления магнитного потока, захваченного в поперечном сечении металла медной трубы. Выпишем ъ -компоненту магнитного поля здесь.

МоРш 222-г2

Вг = л 4 п

(2)

(г2 + г2)2

Теперь запишем выражение для магнитного потока через площадь, охватываемую окружностью радиуса г на расстоянии ъ от диполя.

г г

I В2(г,г)г<1г(1<р

оо

= 2п\

о

У-оУт 222-Т2

4п 5

(г2 + г2)2

гйг

5

Отсюда находим интеграл:

Ф(г,г) = *^ г2 з (4)

(г2 + г2)2

Из-за того, что диполь движется вдоль оси ъ со скоростью V, нужно также сделать стандартную подстановку Ф (г, г) ^ Ф (г, г — у£)

Кажется, пришло время обратиться к одному из уравнений Максвелла, тому самому уравнению, которое объясняет закон Фарадея (рис. 2): Изменение потока магнитной индукции, проходящего через незамкнутую поверхность Б, взятое с обратным знаком, пропорционально циркуляции электрического поля на замкнутом контуре Ь, который является границей поверхности Б [3].

ФЕ-сИ = — I — £¿5

Опыт показывает, что индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Это утверждение, сформулированное в 1933 г, называется правилом Ленца.

ДФ

Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что еинд и —

всегда имеют противоположные знаки. Правило ленца имеет глубокий физический смысл - оно выражает закон сохранения энергии [4].

В эксперименте лабораторная установка включала в себя медную трубку диаметром ё=12 мм, б=1 173 мм, алюминиевую трубку диаметром ё=15 мм, б=700 м, неодимовый магнит в форме шара ё=10 мм, компас, транспортир, секундомер и измеритель электромагнитного излучения (рис. 3).

Рисунок 3 - Измеритель электромагнитного излучения

Измеритель электромагнитного излучения может улавливать излучение электрического поля и излучение магнитного поля. Он используется для тестирования и изучения обстановки с электромагнитным излучением внутри и снаружи помещений. Он оснащен встроенным датчиком электромагнитного излучения, который может отображать значение излучения на жидкокристаллическом цифровом дисплее после обработки управляющим микрочипом.

Функции и особенности:

Этот измеритель обладает следующими характеристиками:

• Один прибор с двумя назначениями, он может одновременно проверять электрическое поле и излучение магнитного поля;

• Звуковая и световая сигнализация, когда результат измерения превышает безопасное значение, прибор автоматически подает сигнал тревоги;

• Блокировка данных, блокировка значения излучения одним ключом;

• Жидкокристаллическое графическое отображение направление значения излучения;

• Оценка радиации, напоминающая вам, является ли значение радиации безопасным или нет;

• Модный дизайн, простота в эксплуатации, его легко перемещать или производить измерения в полевых условиях.

Область применения

• Мониторинг электромагнитного излучения:

Дом и квартира, офис, открытая и промышленная площадка;

• Испытание на электромагнитное излучение:

Проверка на излучение мобильного телефона, компьютера, телевизора, холодильника и высоковольтного кабеля;

• Испытание продукта для радиационной защиты:

Испытательное воздействие радиационно-защитной одежды, радиационно-защитной пленки и других профилактических изделий.

На первом этапе эксперимента мы определяли степень воздействия магнитного поля земли на движение магнитного шарика по трубке в зависимости от угла наклона а используемой трубки по отношению к магнитным линиям земли. Как видно из таблицы 1 магнитное поле земли оказывает существенное воздействие на движение магнитного тела, ориентируя собственный магнитный момент тела по направлению магнитных линий.

Таблица 1 - Движение магнитного шарика при спокойном состоянии магнитного поля (небольшая геомагнитная активность) и 5-и бальной магнитной бури (магнитной бури 01 уровня)_

Направление наклона трубки 21:00 25 марта $ср>С 21:00 1 апреля $ср>С

а=90° а=60° а=30° а=90° а=60° а=30°

С 8,58 11,07 19,86 8,62 11,97 18,93

СЗ 8,58 10,68 16,24 8,62 10,21 18,46

З 8,58 9,88 15,96 8,62 10,42 15,19

ЮЗ 8,58 9,57 15,92 8,62 10,86 17,21

Ю 8,58 11,70 19,39 8,62 12,25 20,71

ЮВ 8,58 9,50 15,33 8,62 11,20 16,56

В 8,58 9,77 15,32 8,62 10,42 16,49

СВ 8,58 9,83 15,26 8,62 10,51 16,29

Где 6ср- среднее время движения шарика по трубке, с.

25 20 15 10 5 0

С

СЗ

Магнитная буря Магнитная буря ■ Спокойное состояние

ЮЗ

Ю

ЮВ

Магнитная буря стороны света

■ Спокойное состояние

■ Спокойное состояние

СВ

Рисунок 4 - Графическое изображение результатов эксперимента

Во время магнитной бури происходит изменение магнитного поля, причем, чем ближе к магнитному полюсу (чем выше геомагнитная широта), тем это изменение сильнее. Величина индуцированных токов зависит от многих условий. Прежде всего, конечно, от быстроты и силы изменения геомагнитного поля, то есть от силы магнитной бури (рисунки 4 - 8).

Таблица 2 - Движение магнитного шарика в медной и алюминиевой трубках, Магнитное поле медной трубки В = 2,21; Магнитное поле алюминиевой трубки Я = 2,01.

З

В

Направление наклона трубки 21:00 Медная 6ср,с трубка 21:00 Алюминиевая 6ср, с трубка

а=90° а=60° а=30° а=90° а=60° а=30°

С 8,60 9,97 20,30 2,90 3,55 6,64

СЗ 8,60 9,24 15,28 2,90 3,63 4,88

З 8,60 10,0 16,12 2,90 3,48 5,64

ЮЗ 8,60 9,58 14,30 2,90 3,36 4,60

Ю 8,60 10,04 17,15 2,90 4,06 5,92

ЮВ 8,60 10,9 14,64 2,90 3,56 5,91

В 8,60 9,54 14,78 2,90 3,54 5,78

СВ 8,60 9,45 14,41 2,90 3,49 5,38

Чем длиннее проводник, тем сильнее будет индуцированный ток. Кроме того, он будет тем сильнее, чем ближе ориентация проводника к направлению север - юг. Ведь в этом случае вариации магнитного поля в его концах будут наибольшими, и, значит, наибольшей будет ЭДС. Как видно из таблицы 1 есть небольшие изменения во времени падения шарика. Из этого следует, что геомагнитная активность влияет на движение магнитного тела.

0 -

С СЗ 3 юз ю юв в св

стороны света

Медная трубка — Медная трубка

Медная трубка Алюминиевая трубка

Алюминиевая трубка Алюминиевая трубка

Рисунок 5 - Графическое изображение результатов эксперимента

Рисунок 7

- Диаграмма измерений скорости падения тела в медной трубке

Рисунок 8 - Графическое изображение скорости падения тела в медной трубке

На втором этапе эксперимента сравним данные, полученные при использовании медной и алюминиевой трубки во время магнитной бури 3 октября 2022 г магнитная буря Кр 5 (01) (таблица 2, рисунки 9 - 13).

Рисунок 9 - Графическое изображение времени падения тела в медной

трубке

90° 60° 30°

Ю

Рисунок 10 - Диаграмма измерений скорости падения тела в алюминиевой

трубке

С

В

З

90° 60° 30°

ЮЗ

Ю

Рисунок 11 - Диаграмма измерений времени падения тела в алюминиевой

трубке

С

В

З

Рисунок 12 - Графическое изображение скорости падения тела в

алюминиевой трубке

Рисунок 13 - Графическое изображение времени падения тела в

алюминиевой трубке

Выводы

Анализируя вышеизложенные результаты экспериментов, можно сделать вывод о том, что характер движения магнитного тела, а также наличие трубки,

в которой возбуждается индукционный вихревой ток, существенно влияют на изменения магнитного потока, пронизывающего контур. Магнитная буря индекса G1 тоже влияет на изменение магнитного потока, но не так существенно.

Проецируя полученный результат на биологические системы организма человека, можно сделать вывод о том, что явление изменения площади вихревого тока, возникающего в предутренние часы в период магнитных бурь, при которых заряженные частицы и монетные столбики эритроцитов оттесняются к стенкам кровеносных сосудов и в какой-то момент сталкиваются со стенкой сосуда, что обуславливает остановку движения заряженных частиц крови по току; - это приводит к закупорке кровеносного сосуда и к ишемическим явлениям.

Библиографический список

1. Влияние магнитных бурь на организм человека // Коллективная монография. Выпуск 8. Современные проблемы физики, биофизики и инфокоммуникационных технологий / Ю. Б. Захаров [и др.]. - Краснодар: ЦНТИ, 2019. - C. 158-167

2. Магнитные свойства биотканей // Коллективная монография. Выпуск 8. Современные проблемы физики, биофизики и инфокоммуникационных технологий / Ю. Б. Захаров [и др.]. - Краснодар: ЦНТИ, 2019. - C. 168-178

3. Закон Фарадея или как магнит застревает в медной трубе [Электр. Ресурс] / Режим доступа: https://habr.com/ru/post/490310

4. Савельев, И.В. Курс общей физики. В 5 книгах. Книга 2. Электричество и магнетизм. Учебное пособие для втузов / И. В. Савельев. - М.: АСТ, Астрель, 2021. - 336 с. - С. 53-56.