А. Б. Фрадков.
Рис. 1. Энтропийная диаграмма процесса магнитного охлаждения (S — энтропия, Т — температура). Кривая S — изменение энтропии рабочего вещества с температурой без магнитного поля; Sн — изменение энтропии вещества в поле напряжённостью Н; Sрeш — энтропия кристаллической решётки (Speш ~ Т3 ): Ткон — конечная температура в цикле магнитного охлаждения.
Рис. 2. Схемы установок для магнитного охлаждения: а — одноступенчатого (N, S — полюсы электромагнита), б — двухступенчатого.
Магнитное поле
Магни'тное по'ле, силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом , независимо от состояния их движения. М. п. характеризуется вектором магнитной индукции В, который определяет: силу, действующую в данной точке поля на движущийся электрический заряд (см. Лоренца сила ); действие М. п. на тела, имеющие магнитный момент, а также другие свойства М. п.
Впервые термин «М. п.» ввёл в 1845 М. Фарадей , считавший, что как электрические так и магнитные взаимодействия осуществляются посредством единого материального поля. Классическая теория электромагнитного поля была создана Дж. Максвеллом (1873), квантовая теория — в 20-х годах 20 века (см. Квантовая теория поля ).
Источниками макроскопического М. п. являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: М. п. возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента (см. Магнетизм ).
М.. п. электрического тока определяется Био — Савара законом : М. п. тел, имеющих магнитный момент, — формулами, описывающими поле магнитного диполя (в общем случае — мультиполя ).
Переменное М. п. возникает также при изменении во времени электрического поля . В свою очередь, при изменении во времени М. п. возникает электрическое поле. Полное описание электрического и магнитного полей в их взаимосвязи дают Максвелла уравнения . Для характеристики М. п. часто вводят силовые линии поля (линии магнитной индукции). Касательная в каждой точке такой линии имеет направление вектора В в этой точке. Числом силовых линий, проходящих через единичную перпендикулярную к ним площадку, количественно определяют индукцию поля. В местах повышенных значений В линии индукции сгущаются, в тех же местах, где поле слабее, линии расходятся (см., например, рис. 1 ).
Для М. п. наиболее характерны следующие проявления.
1. В постоянном однородном М. п. на магнитный диполь с магнитным моментом pm действует вращающий момент N = [рmВ ] (так, магнитная стрелка в М. п. поворачивается по полю; виток с током I , также обладающий магнитным моментом, стремится занять положение, при котором его плоскость была бы перпендикулярна линиям индукции; атомный диполь прецессирует вокруг силовой линии с характеристической частотой; рис. 1 , а).
2. В постоянном однородном М. п. действие силы Лоренца приводит к тому, что траектория движения электрического заряда имеет вид спирали с кривизной, обратно пропорциональной скорости (рис. 1 , б). Искривление траектории электрических зарядов под действием силы Лоренца сказывается, например, в перераспределении тока по сечению проводника при внесении его в М. п. Этот эффект лежит в основе гальваномагнитных, термомагнитных и других родственных им явлений.
3. В пространственно неоднородном М. п. на магнитный диполь действует сила F , перемещающая диполь в направлении градиента поля: F = grad (pmB ); так, пучок атомов, содержащий атомы с противоположно ориентированными магнитными моментами, в неоднородном М. п. разделяется на два расходящихся пучка (рис. 1 , в).
4. М. п., непостоянное во времени, оказывает силовое действие на покоящиеся электрические заряды и приводит их в движение; возникающий при этом в контуре ток Iинд (рис. 1 , г) своим М. п. Винд противодействует изменению первоначального М. п. (см. Индукция электромагнитная ).
Магнитная индукция В определяет среднее макроскопическое М. п., создаваемое в данной точке поля как токами проводимости (движением свободных носителей зарядов), так и имеющимися намагниченными телами (ионами и атомами вещества). М. п., созданное токами проводимости и не зависящее от магнитных свойств вещества, характеризуется вектором напряжённости магнитного поляН = В — 4 pJ или Н = (В / m ) — J (соответственно в СГС системе единиц и Международной системе единиц ). В этих соотношениях вектор J —намагниченность вещества (магнитный момент единицы его объёма), m — магнитная постоянная .
Отношение m = В / mН , определяющее магнитные свойства вещества, называется его магнитной проницаемостью . В зависимости от величины m вещества делят на диамагнетики (m < 1) и парамагнетики (m > 1), вещества с m >> 1 называются ферромагнетиками .
Объёмная плотность энергии М. п. в отсутствии ферромагнетиков: wM = mH2 / 8p или wM = BH / 8p (в единицах СГС); wM = mmH2 / 2 или BH / 2 (в единицах СИ). В общем случае wM = 1 /2 òHdB, где пределы интегрирования определяются начальными и конечными значениями магнитной индукции В , сложным образом зависящей от поля Н .
Для измерения характеристик М. п. и магнитных свойств веществ применяют различного типа магнитометры . Единицей индукции М. п. в системе единиц СГС является гаусс (гс ), в Международной системе единиц — тесла (тл ), 1 тл = 104гс. Напряжённость измеряется, соответственно, в эрстедах (э ) и амперах на метр (а /м , 1 а/м = 4p/103э » 0,01256 э ; энергия М. п. — в эрг/см2 или дж/м2 , 1 дж/м2 = 10 эрг/см2 .
Магнитные поля в природе чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым ими эффектам. М. п. Земли, образующее земную магнитосферу, простирается до расстояния в 70—80 тысяч км в направлении на Солнце и на многие миллионы км в противоположном направлении (см. Земля ). У поверхности Земли М. п. равно в среднем 0,5 гс, на границе магнитосферы ~ 10-3гс. Геомагнитное поле экранирует поверхность Земли и биосферу от потока заряженных частиц солнечного ветра и частично космических лучей. Влияние самого геомагнитного поля на жизнедеятельность организмов изучает магнитобиология . В околоземном пространстве М. п. образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий — радиационный пояс Земли . Содержащиеся в радиационном поясе частицы представляют значительную опасность при полётах в космос. Происхождение М. п. Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре (см. Земной магнетизм ).