Магнітне поле, силове поле, що діє на рухомі електричні заряди і на тіла, що володіють магнітним моментом, незалежно від стану їх руху. М. п. характеризується вектором магнітної індукції В, який визначає: силу, що діє в даній точці поля на рухомий електричний заряд (див. Лоренца сила ) ; дія М. п. на тіла, що мають магнітний момент, а також інші властивості М. п.
Вперше термін «М-коду. п.» ввів в 1845 М. Фарадей, що вважав, що як електричні так і магнітні взаємодії здійснюються за допомогою єдиного матеріального поля. Класична теорія електромагнітного поля була створена Дж. Максвеллом (1873), квантова теорія — в 20-х роках 20 століть (див. Квантова теорія поля ) .
Джерелами макроскопічного М. п. є намагнічені тіла, провідники із струмом і рухомі електрично заряджені тіла. Природа цих джерел єдина: М. п. виникає в результаті руху заряджених мікрочасток (електронів, протонів, іонів), а також завдяки наявності в мікрочасток власного (спину) магнітного моменту (див. Магнетизм ) .
М.. п. електричного струму визначається Біо — Савара законом : М. п. тіл, що мають магнітний момент, — формулами, що описують поле магнітного диполя (у загальному випадку — мультиполя ) .
Змінне М. п. виникає також при зміні в часі електричного поля . У свою чергу, при зміні в часі М. п. виникає електричне поле. Повне опис електричного і магнітного полів в їх взаємозв'язку дають Максвелла рівняння . Для характеристики М. п. часто вводять силові лінії поля (лінії магнітної індукції). Дотична в кожній точці такої лінії має напрям вектора В в цій крапці. Числом силових ліній, що проходять через одиничний перпендикулярний до них майданчик, кількісно визначають індукцію поля. У місцях підвищених значень В лінії індукції згущуються, в тих же місцях, де поле слабкіше, лінії розходяться (див., наприклад, мал. 1 ).
Для М. п. найбільш характерні наступні прояви.
1. У постійному однорідному М. п. на магнітний диполь з магнітним моментом p m діє момент N , що обертає = [ р m В ] (так, магнітна стрілка в М. п. повертається по полю; виток з током I , що також володіє магнітним моментом, прагне зайняти положення, при якому його плоскість була б перпендикулярна лініям індукції; атомний диполь процесує довкола силової лінії з характеристичною частотою; мал. 1 , а).
2. У постійному однорідному М. п. дія сили Лоренца приводить до того, що траєкторія руху електричного заряду має вигляд спіралі з кривизною, обернено пропорційній швидкості ( мал. 1 , би) . Викривлення траєкторії електричних зарядів під дією сили Лоренца позначається, наприклад, в перерозподілі струму по перетину провідника при внесенні його в М. п. Цей ефект лежить в основі гальваномагнітних, термомагнітних і інших родинних ним явищ.
3. У просторово неоднорідному М. п. на магнітний диполь діє сила F , що переміщає диполь у напрямі градієнта поля: F = grad ( p m B ); так, пучок атомів, що містить атоми з протилежно орієнтованими магнітними моментами, в неоднорідному М. п. розділяється на два пучки, що розходяться ( мал. 1 , в).
4. М. п., непостійне в часі, надає силову дію на електричні заряди, що покояться, і приводить їх в рух; що виникає при цьому в контурі струм I інд ( мал. 1 , г) своїм М. п. В інд протидіє зміні первинного М. п. (див. Індукція електромагнітна ) .
Магнітна індукція В визначає середнє макроскопічне М. п., створюване в даній точці поля як струмами провідності (рухом вільних носіїв зарядів), так і наявними намагніченими тілами (іонами і атомами речовини). М. п., створене струмами провідності і не залежне від магнітних властивостей речовини, характеризується вектором напруженості магнітного поля Н = В — 4 p J або Н = ( В / m 0 ) — J (відповідно вСГС системі одиниць і Міжнародній системі одиниць ) . В цих співвідношеннях вектор J —намагніченість речовини (магнітний момент одиниці його об'єму), m 0 — магнітна постійна .
Відношення m = У / m 0 Н , що визначає магнітні властивості речовини, називається його магнітною проникністю . Залежно від величини m речовини ділять на діамагнетіки (m < 1) і парамагнетики (m > 1) речовини з m >> 1 називаються феромагнетиками .
Об'ємна щільність енергії М. п. у відсутності феромагнетиків: w M = m H 2 / 8p або w M = BH / 8p (у одиницях СГС); w M = mm 0 H 2 / 2 або BH / 2 (у одиницях СІ). У загальному випадку w M = 1 / 2 ò HDB, де межі інтеграції визначаються початковими і кінцевими значеннями магнітної індукції В , складним чином залежною від поля Н .
Для виміру характеристик М. п. і магнітних властивостей речовин застосовують різного типа магнітометри . Одиницею індукції М. п. в системі одиниць СГС є гаус ( гс ), в Міжнародній системі одиниць — тесла ( тл ) , 1 тл = 10 4 гс. Напруженість вимірюється, відповідно, в ерстедах ( е ) і амперах на метр ( а / м-код , 1 а/м = 4p/10 3 е » 0,01256 е ; енергія М. п. — в ерг/см 2 або дж/м 2 , 1 дж/м 2 = 10 ерг/см 2 .
Магнітні поля в природі надзвичайно всілякі як по своїх масштабах, так і по ефектах, що викликаються ними. М. п. Землі, створююче земну магнітосферу, тягнеться до відстані в 70—80 тисяч км. в напрямі на Сонці і на багато мільйонів км. в протилежному напрямі (див. Земля ) . В поверхні Землі М. п. рівно в середньому 0,5 гс, на кордоні магнітосфери ~ 10 -3 гс. Геомагнітне поле екранує поверхня Землі і біосферу від потоку заряджених часток сонячного вітру і частково космічних променів. Вплив самого геомагнітного поля на життєдіяльність організмів вивчає магнітобіологія . В навколоземному просторі М. п. утворює магнітну пастку для заряджених часток високих енергій — радіаційний пояс Землі . частки, що Містяться в радіаційному поясі, представляють значну небезпеку при польотах в космос. Походження М. п. Землі пов'язують з конвективними рухами провідної рідкої речовини в земному ядрі (див. Земний магнетизм ) .
Безпосередні виміри за допомогою космічних апаратів показали, що найближчі до Землі космічні тіла — Луна, планети Венера і Марс не мають власного М. п., подібного земному. З інших планет Сонячної системи лише Юпітер і, мабуть, Сатурн володіють власними М. п., достатніми для створення планетарних магнітних пасток. На Юпітері виявлені М. п. до 10 гс і ряд характерних явищ (магнітні бурі, синхротронне радіовипромінювання та інші), вказуючих на значну роль М. п. в планетарних процесах.
Міжпланетне М. п. — це головним чином поле сонячного вітру (плазми сонячної корони, що безперервно розширюється). Поблизу орбіти Землі міжпланетне поле ~ 10 -4 —10 -5 гс. Силові лінії регулярного міжпланетного М. п. мають вигляд розкручуються спіралей, що йдуть від Сонця (їх форма обумовлена складанням радіального руху плазми і обертання Сонця). М. п. міжпланетної плазми має секторну структуру: у одних секторах воно направлене від Сонця, в інших — до Сонця. Регулярність міжпланетного М. п. може порушуватися із-за розвитку різних видів плазмової нестійкості, проходження ударних хвиль і поширення потоків швидких часток, народжених сонячними спалахами (см.Космічна магнітогідродинаміка ) .
У всіх процесах на Сонці — спалахах, появі плям і протуберанців, народженні сонячних космічних променів М. п. грає найважливішу роль (див. Сонячний магнетизм ) . Виміри, засновані на ефекті Зеемана, показали, що М. п. сонячних плям досягає декількох тисяч гс, протуберанці стримуються полями ~ 10—100 гс (при середньому значенні загального М. п. Сонця ~ 1 гс ) . Віддаленість зірок не дозволяє доки спостерігати у них М. п. типа сонячних. В той же час більш ніж в двохсот так званих магнітних зірок виявлені аномально великі поля (до 3,4·10 4 гс ) . Поля ~ 10 7 гс виміряні в декількох зірок — білих карликів. Особливо великі (~ 10 10 —10 12 гс ) М. п. мають бути, по сучасних виставах, в нейтронних зірок . С М. п. космічних об'єктів тісно зв'язано прискорення заряджених часток (електронів протонів, ядер) до релятивістських швидкостей (близьких до швидкості світла). При русі таких часток в космічних М. п. виникає електромагнітне синхротронне випромінювання . Індукція міжзоряного М. п., визначена по Зеемана ефекту (у радіолінії 21 см спектру водню) і по Фарадея ефекту (обертанню плоскості поляризації електромагнітного випромінювання в М. п.), складає всього ~ 5·10 -6 гс. Проте загальна енергія міжзоряного (галактичного) М. п. перевищує енергію хаотичного руху часток міжзоряного газу і порівнянна з енергією космічних променів.
В явищах мікросвіту роль М. п. настільки ж істотна, як і в космічних масштабах. Це пояснюється існуванням у всіх часток — структурних елементів речовини (електронів, протонів, нейтронів) магнітного моменту, а також дією М. п. на рухомі електричні заряди. Якщо сумарний магнітний момент М-коду часток, створюючий атом або молекулу, дорівнює нулю, то такі атоми і молекули називаються діамагнітнимі. Атоми (іони, молекули) з М-кодом ¹ 0 називаються парамагнітними. У всіх атомів (як з М-кодом = 0 так і з М-кодом ¹ 0) при накладенні зовнішнього М. п. виникає індукований магнітний момент, направлений назустріч полю (див. Діамагнетизм ) , що намагнічує . Проте в парамагнітних атомів в М. п. цей ефект маскується переважним поворотом їх магнітних моментів по полю (див. Парамагнетизм ) . В парамагнетиків і феромагнетиків намагніченість збільшується із зростанням зовнішнього М. п. (до стану насичення). Вигляд кривих намагнічення феромагнетиків (і антиферомагнетиків) в значній мірі визначається магнітною взаємодією атомних носіїв магнетизму. Ця взаємодія обумовлює також велику різноманітність типів атомною магнітної структури у феримагнетиків (феритів ) .
Внутрішньокристалічне М. п., виміряне у феримагнетиках (феритах-гранатах) на ядрах іонів заліза, виявилося ~ 5·10 5 гс, на ядрах рідкоземельного металу діспрозія ~ 8·10 6 гс. На відстані порядку розміру атома (~ 10 -8 см ) М. п. ядра складає ~ 50 гс. Зовнішнє М. п. і внутріатомні М. п., що створюються електронами атома і його ядром, розщеплюють енергетичні рівні атома (Зеемана ефект); в результаті спектри атомів набувають складної будови (див. Тонка структура і Надтонка структура ) . Відстані між зєємановськимі підрівнями енергії (і відповідними спектральними лініями) пропорційні величині М. п., що дозволяє спектральними методами визначати значення М. п. З виникненням зєємановських підрівнів енергії в М. п. і з квантовими переходами між ними зв'язано ще одне важливе фізичне явище — резонансне поглинання речовиною радіохвиль (явище магнітного резонансу ) . Залежність положення і форми ліній спектру магнітного резонансу від особливостей взаємодії молекул, атомів, іонів, а також ядер в рідинах і твердих тілах дає можливість досліджувати за допомогою електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) і ядерного магнітного резонансу (ЯМР) структуру рідин, кристалів і складних молекул, кінетику хімічних і біохімічних реакцій.
М. п. здатне помітно впливати на оптичні властивості середовища і процеси взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною (див. Фарадея ефект, Магнітооптика ) , викликати гальваномагнітні явища і термомагнітні явища в провідниках і напівпровідниках. М. п. надає вплив на надпровідність речовин: досягши певної величини М. п. руйнує надпровідність (див. Критичне магнітне поле ) . М. п. при намагніченні феромагнітних тіл змінює їх форму і пружні властивості (див. Магнітострикція ) . Особливих властивостей в М. п. набуває плазма . М. п. перешкоджає руху заряджених часток плазми впоперек силових ліній поля (див. Магнітна гідродинаміка ) . Цей ефект використовується, наприклад, для термоізоляції плазми і забезпечення її стійкості в установках для вивчення властивостей високотемпературної плазми.
Вживання магнітних полів в науці і техніці. М. п. зазвичай підрозділяють на слабкі (до 500 гс ) , середні (500 гс — 40 кгс ) , сильні (40 кгс — 1 Мгс ) і надсильні (понад 1 Мгс ) . На використанні слабких і середніх М. п. заснована практично вся електротехніка, радіотехніка і електроніка. У наукових дослідженнях середні М. п. знайшли вживання в прискорювачах заряджених часток, в Вільсона камері, іскровій камері, бульбашковій камері і інших трекових детекторах іонізующих часток, в мас-спектрометра х, при вивченні дії М. п. на живі організми і т.д. Слабкі і середні М. п. отримують за допомогою магнітів постійних, електромагнітів, неохолоджуваних соленоїдів, магнітів надпровідних .
М. п. до ~500 кгс широко застосовуються в наукових і прикладних цілях: у фізиці твердого тіла для вивчення енергетичних спектрів електронів в металах, напівпровідниках і надпровідниках; для дослідження ферро- і антиферомагнетизму, для утримання плазми в МГД-генераторах і двигунах, для здобуття наднизьких температур (див. Магнітне охолоджування ) в електронних мікроскопах для фокусування пучків електронів і т.д. Для здобуття сильних М. п. застосовують надпровідні соленоїди (до 150—200 кгс , мал. 2 ), соленоїди, що охолоджуються водою (до 250 кгс , мал. 3 ), імпульсні соленоїди (до 1,6 Мгс , мал. 4 ). Сили, що діють на провідники із струмом в сильних М. п., можуть бути дуже великі (так, в полях ~ 250 кгс механічна напруга досягає 4·10 8 н/м 2 , тобто межі міцності міді). Ефект тиску М. п. враховують при конструюванні електромагнітів і соленоїдів, його використовують для штампування виробів з металу. Граничне значення поля, яке можна отримати без руйнування соленоїда, не перевищує 0,9 Мгс.
Надсильні М. п. використовують для здобуття даних про властивості речовин в полях понад 1 Мгс і при супутньому їм тиску в десятки млн. атмосфер. Ці дослідження дозволять, зокрема, глибше зрозуміти процеси, що відбуваються в надрах планет і зірок. Надсильні М. п. отримують методом направленого вибуху ( мал. 5 ). Мідну трубу, усередині якої заздалегідь створене сильне імпульсне М. п., радіально стискують тиском продуктів вибуху. Із зменшенням радіусу R труби величина М. п. в ній зростає ~ 1/ R 2 (якщо магнітний потік через трубу зберігається). М. п., отримуване в установках подібного типа (так званих взривомагнітних генераторах), може досягати декількох десятків Мгс. До недоліків цього методу слід віднести короткочасність існування М. п. (декілька мксек ) , невеликий об'єм надсильного М-коду, п. і руйнування установки при вибуху.
Літ.: Ландау Л. Д. і Ліфшиц Е. М., Теорія поля, 6 видавництво, М., 1973 (Теоретична фізика, т. 2); Тамм І. Е., Основи теорії електрики, 8 видавництво, М., 1966; Парселл Е., Електрика і магнетизм, переклад з англійського, М., 1971 (Берклєєвський курс фізики, т. 2); Карасик Ст Р., Фізика і техніка сильних магнітних полів, М., 1964; Монтгомері Б., Здобуття сильних магнітних полів за допомогою соленоїдів, переклад з англійського, М., 1971; Кнопфель Р., Надсильні імпульсні магнітні поля, переклад з англійського, М., 1972; Кольм Р., Фріман А., Сильні магнітні поля, «Успіхи фізичних наук», 1966, т. 88, ст 4, с. 703; Цукрів А. Д., Взривомагнітниє генератори, там же, с. 725; Біттер Ф., Надсильні магнітні поля, там же, с. 735; Вайнштейн С. І., Зельдовіч Я. Б., Про походження магнітних полів в астрофізиці, там же, 1972, т. 106, ст 3.
