БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра ЭТТ
"Анализ задачи общего воздействия динамическим магнитным полем на человека и формирование требований на технические средства комплексной магнитотерапии"
МИНСК, 2008
Воздействию магнитных полей на организм человека посвящено большое число работ и, хотя физика воздействия до сих пор проявлена слабо, имеется значительный ряд исследований по установлению функциональных связей состояния организма человека с параметрами магнитных полей. На повестке дня стоит вопрос формирования динамических магнитных полей, имеющих определенную функциональную направленность, прежде всего для лечения различных заболеваний. Причем формирование магнитных полей в локальной области уже не отвечает многим требованиям медицины. Требуется формирование динамических магнитных полей вокруг всего организма человека вначале как физиотерапевтической процедуры, а в дальнейшем и как фактора среды обитания.
Методологическое, математическое, физиологическое и, наконец, техническое решение этой задачи для формирования магнитных полей явилось бы прецедентом решения аналогичных задач для других видов полей и, в конечном итоге, привело бы к решению глобальной задачи формирования нужной структуры физических полей вокруг человека, наличие которых помогло бы ему справиться с болезнями. Для развития рассматриваемого направления с целью повышения эффективности лечения, расширения класса заболеваний, охватываемых системами магнитотерапии, требуется решение следующих вопросов:
· разработка единичного универсального излучателя магнитного поля, методики его расчета и оптимизации параметров в соответствии с заданными критериями;
· разработка способов формирования оптимальной конфигурации поля в целом, соответствующей заданной методике лечения;
· конструирование эффективных технических средств для создания заданных полей вокруг человека;
· исследование механизмов воздействия динамических магнитных полей (ДМП) на организм человека и его важнейшие функции;
· разработка эффективных каналов обратной связи и отыскание их параметров с целью автоматизированного управления характеристиками ДМП в ходе воздействия на основе измерения реакцией пациента.
В настоящем разделе сконцентрировано внимание на формировании динамических магнитных полей вокруг всего человека. Под динамическим магнитным полем будем понимать поле, изменяющееся во времени и в пространстве заданного объема (в данном случае внутри и вокруг человека) и имеющее ячеистую структуру, дискретность которой определяется элементами объекта восприятия (например, органы, сосуды, ткани и т.п.), что позволяет обеспечить достаточную независимость управления векторами магнитного поля в соседних ячейках структуры.
Реализация этой идеи распадается на две задачи. Первая из них связана с техническим решением формирования в заданной локальной области пространства ничтожно малого объема (физическая точка, далее - просто точка) вектора магнитной индукции, локализацией выделенных точек, формированием объемных матриц векторов магнитного поля, локализацией точек с учетом формы тела человека и его органов, обеспечивающей необходимое распределение магнитного поля как внутри тела человека, так и на поверхности. Эта задача обусловливает разработку и создание источников магнитного поля, определение их числа, размеров, пространственного расположения, взаимодействия и конфигурации. Внешним проявлением решения данной задачи является вид объема, в котором размешается человек. Это может быть магнитная комната, магнитный бокс, магнитная камера, магнитная кушетка, магнитный ложемент, магнитный скафандр и др. При этом конструкция объема размещения источников излучения играет не последнюю роль в эффективности воздействия, а тем более в системах, обеспечивающих формирование заданной конфигурации динамического магнитного поля в заданной области пространства.
Вторая задача связана с системой электронного формирования и управления электрическими токами и напряжениями с целью получения заданной динамики (перемещения во времени и пространстве) векторов магнитной индукции в каждой ячейке заданного объема. Рассмотрим эти задачи раздельно.
Формирование метрики векторов магнитного поля
Многомерный вектор динамического магнитного поля D - {Иm, Im} составлен из многомерного вектора пространственного расположения индукторов Иm = {И1, И2,... Иs} и многомерного вектора токов, протекающих через индукторы, Iт = {I1, I2,... Iп}, где s - число индукторов, n - число каналов аппарата. В свою очередь последний составлен из векторов канальных токов Ii = {I,Р, Т,t}, где I - интенсивность, Р - полярность, Т - время подключения, t - текущее время.
Таким образом поставленная задача может быть формализована в следующих этапах:
· синтез пространственного расположения излучателей магнитного поля и формирование параметров одиночного базового излучателя;
· синтез канала формирования тока, изменяющегося во времени по заданному закону в определенном диапазоне интенсивностей и спектра, отражающему закон изменения магнитного поля во времени;
· синтез многомерности каналов, имеющей заданную корреляционную зависимость, отражающей заданную функциональную связь между локалиями и формирующей закон изменения поля в пространстве.
Наложим некоторые ограничения на решаемую задачу синтеза с учетом биологических свойств объекта восприятия и технической реализуемости системы.
Изменения магнитного поля во времени и в пространстве должны иметь периодический или квазипериодический характер, хотя и со сложным периодом формирования. Это связано с периодичностью основных биоритмов объекта (пульс, a-ритм, B-ритм) и периодичностью основной среды обитания (день, ночь и т.п.).
Изменения во времени и в пространстве должны учитывать периодичность биоритмов объекта либо с целью синхронизации с ними, либо наоборот, с целью десинхронизации.
Скорость изменения магнитного поля во времени и в пространстве должна быть одного порядка с основными скоростями функционирования организма объекта на макро-уровне (скорость кровотока, распространение ощущений, сокращение мышц и т.п.) и перекрывать их на достаточные значения в обе стороны.
Дискретность структуры динамического поля во времени, в пространстве и по уровню должны быть одного порядка и функционально связаны с обобщенной дискретностью макроэлементов объекта воздействия (органов человека).
Метрика динамического поля в пространстве должна быть согласована с метрикой макроэлементов и процессов в человеке. Рассмотрим задачу формирования динамического процесса во времени в одной точке пространства. Процесс квантования по уровню и дискретизации по времени.
Рисунок 1 – Диаграмма формирования полей, дисентируясь на следующие кратных по уровню и во времени рассуждения.
Формирование ячеистой структуры магнитного поля на одной конечности человека длиной L ограничено, кроме всего прочего, способностью в концентрации поля. Так как значение индукции магнитного поля в однородной среде убывает пропорционально квадрату расстояния, то по длине конечности в качестве размера локальной ячейки примем область, на границах которой поле убывает в два раза. Если принять, что магнитная индукция в центре ячейки Вц = Bi, а на границе Вг - Вi/2, можно определить ее размер D, исходя из размера ячейки Rя и размера Ri области формирования однородного поля:
(1)
Из последнего соотношения определим размер эффективного действия ячейки:
(2)Тогда размер ячейки составит
Техническая реализуемость диктует размеры источника излучения в пределах Dя = 3...5 см. Тогда размер одной элементарной ячейки магнитного поля D = 2,41-Dя, = 2,41(3...5) может быть определен в пределах D = 7...12 см.
Следовательно, на длине конечности L-1 м должно быть сформировано от 8 до 14 ячеек, а по длине всего тела человека 16...30 ячеек. Таким образом, порядок размерностей ячеек и процессов определился в пределах 8...30, т.е. значения m и n (рис.1) также должны находиться в пределах 8...30. При этом необходимо учесть, что определяющим фактором в расчете размеров явилась физическая реализуемость источников магнитного поля на современном уровне развития техники.
Анализ метрики поля
Выше проанализирована пространственная метрика ячеистой структуры динамического магнитного поля, создаваемого вокруг человека. Причем диаметр Dя одной ячейки магнитного поля должен находиться в пределах 7...12 см.
На следующем этапе анализа следует выяснить необходимое количество ячеек для формирования замкнутого магнитного поля вокруг человека. Обозначим общую площадь поверхности тела человека Sn и рассчитаем необходимое число ячеек в соответствии с выражением:
(3)
Если принять общую площадь поверхности тела человека в среднем равную Sn = 40000 см2 (с запасом на комфортное расположение пациента), то общее число ячеек определится в пределах N = 400...1000.
Обратимся теперь к вопросу формирования конфигурации объема магнитного поля вокруг человека. Очевидно, что пространственная структура макрополя, окружающая все тело пациента в целом, имеет немаловажное значение для достижения высокоэффективного лечения. Можно предложить множество моделей конфигурации ячеистой структуры излучателей:
· в форме плоскости, на которой располагается человек;
· в форме двух плоскостей, между которыми располагается человек;
Что же такое постоянный магнит? Постоянным магнитом называется тело, способное долгое время сохранять намагничивание. В результате многократных исследований, проведенных многочисленных опытов, мы можем сказать, что только три вещества на Земле могут быть постоянными магнитами (рис. 1).
Рис. 1. Постоянные магниты. ()
Только эти три вещества и их сплавы могут быть постоянными магнитами, только они могут намагничиваться и сохранять такое состояние долгое время.
Постоянные магниты использовались очень давно, и в первую очередь это приборы ориентирования в пространстве - первый компас был изобретен в Китае для того, чтобы ориентироваться в пустыне. На сегодняшний день о магнитных стрелках, о постоянных магнитах уже никто не спорит, их используют повсеместно в телефонах и в радиопередатчиках и просто в различных электротехнических изделиях. Они могут быть разными: есть полосовые магниты (рис. 2)
Рис. 2. Полосовой магнит ()
А есть магниты, которые называются дугообразными или подковообразными (рис. 3)
Рис. 3. Дугообразный магнит ()
Исследование постоянных магнитов связано исключительно с их взаимодействием. Магнитное поле может создаваться электрическим током и постоянным магнитом, поэтому первое, что было проведено, - это исследования с магнитными стрелками. Если поднести магнит к стрелке, то мы увидим взаимодействие - одноименные полюса будут отталкиваться, а разноименные будут притягиваться. Такое взаимодействие наблюдается со всеми магнитами.
Расположим вдоль полосового магнита маленькие магнитные стрелки (Рис. 4), южный полюс будет взаимодействовать с северным, а северный будет притягивать южный. Магнитные стрелки будут располагаться вдоль линии магнитного поля. Принято считать, что магнитные линии направлены вне постоянного магнита от северного полюса к южному, а внутри магнита от южного полюса к северному. Таким образом, магнитные линии замкнуты точно так же, как и у электрического тока, это концентрические окружности, они замыкаются внутри самого магнита. Получается, что вне магнита магнитное поле направлено от севера к югу, а внутри магнита от юга к северу.
Рис. 4. Лини магнитного поля полосового магнита ()
Для того чтобы пронаблюдать форму магнитного поля полосового магнита, форму магнитного поля дугообразного магнита, воспользуемся следующими приборами или деталями. Возьмем прозрачную пластину, железные опилки и проведем эксперимент. Посыплем железными опилками пластину, находящуюся на полосовом магните (рис. 5):
Рис. 5. Форма магнитного поля полосового магнита ()
Мы видим, что линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный полюс, по густоте линий можно судить о полюсах магнита, где линии гуще - там находятся полюса магнита (рис. 6).
Рис. 6. Форма магнитного поля дугообразного магнита ()
Аналогичный опыт проведем с дугообразным магнитом. Мы видим, что магнитные линии начинаются на северном и заканчиваются на южном полюсе по всему магниту.
Нам уже известно, что магнитное поле образуется только вокруг магнитов и электрических токов. Как же нам определить магнитное поле Земли? Любая стрелка, любой компас в магнитном поле Земли строго ориентированы. Раз магнитная стрелка строго ориентируется в пространстве, следовательно, на нее действует магнитное поле, и это магнитное поле Земли. Можно сделать вывод о том, что наша Земля - это большой магнит (Рис. 7) и, соответственно, этот магнит создает в пространстве достаточно мощное магнитное поле. Когда мы смотрим на стрелку магнитного компаса, мы знаем, что красная стрелочка показывает на юг, а синяя на север. Как же располагаются магнитные полюсы Земли? В этом случае необходимо помнить о том, что на северном географическом полюсе Земли располагается южный магнитный полюс и на южном географическом полюсе располагается северный магнитный полюс Земли. Если рассмотреть Землю как тело, находящееся в пространстве, то можно говорить о том, что, когда мы идем по компасу на север, мы придем на южный магнитный полюс, а когда идем на юг - мы попадем на северный магнитный полюс. На экваторе стрелочка компаса будет располагаться практически горизонтально относительно поверхности Земли, и чем ближе мы будем находиться к полюсам, тем вертикальнее будет расположение стрелки. Магнитное поле Земли могло изменяться, были времена, когда полюсы менялись относительно друг друга, то есть южный был там, где северный, и наоборот. По предположению ученых, это было предвестником больших катастроф на Земле. Последние несколько десятков тысячелетий этого не наблюдалось.
Рис. 7. Магнитное поле Земли ()
Магнитные и географические полюса не совпадают. Внутри самой Земли тоже существует магнитное поле, и, как в постоянном магните, оно направлено от южного магнитного полюса к северному.
Откуда же берется магнитное поле в постоянных магнитах? Ответ на этот вопрос дал французский ученый Андре-Мари Ампер. Он высказал идею о том, что магнитное поле постоянных магнитов объясняется элементарными, простейшими токами, протекающими внутри постоянных магнитов. Эти простейшие элементарные токи определенным образом усиливают друг друга и создают магнитное поле. Отрицательно заряженная частица - электрон - движется вокруг ядра атома, это движение можно считать направленным, и, соответственно, вокруг такого движущегося заряда создается магнитное поле. Внутри любого тела количество атомов и электронов просто огромно, соответственно, все эти элементарные токи принимают упорядоченное направление, и мы получаем достаточно значительное магнитное поле. То же самое мы можем сказать о Земле, то есть магнитное поле Земли очень напоминает магнитное поле постоянного магнита. А постоянный магнит - это достаточно яркая характеристика любого проявления магнитного поля.
Кроме существования магнитных бурь, существуют еще магнитные аномалии. Они связаны с солнечным магнитным полем. Когда на Солнце происходят достаточно мощные взрывы или выбросы, они происходят не без помощи проявления магнитного поля Солнца. Это эхо достигает Земли и сказывается на ее магнитном поле, в результате мы с вами наблюдаем магнитные бури. Магнитные аномалии связаны с залежами железных руд в Земле, огромные залежи в течение долгого времени намагничиваются магнитным полем Земли, и все тела, находящиеся вокруг, будут испытывать действие магнитного поля со стороны этой аномалии, стрелки компасов будут показывать неправильное направление.
На следующем уроке мы с вами рассмотрим другие явления, связанные с магнитными действиями.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
- Class-fizika.narod.ru ().
- Class-fizika.narod.ru ().
- Files.school-collection.edu.ru ().
Домашнее задание
- Какой из концов стрелки компаса притягивается к северному полюсу Земли?
- В каком месте Земли нельзя верить магнитной стрелке?
- О чем говорит густота линий на магните?
Одним из многочисленных физических методов лечения является магнитотерапия, показания и противопоказания этого терапевтического метода следует хорошо изучить, прежде чем начать курс лечения. Используемое в лечении магнитное поле подразделяют на статическое (постоянные магниты) и динамическое. Динамическое магнитное поле, вызывается электрическим током, протекающим в проводнике. В настоящее время, оно находит широкое применение в дополнительном лечении многих заболеваний.
Магнитотерапия — метод лечения с использованием магнитного поля с частотой 0-50 Гц или 0-60 Гц и магнитной индукции со значениями в диапазоне от 0,5 до 10 (миллитесл). Терапия проводится с помощью статического и динамического магнитного поля.
В статическом магнитном поле главную роль играют различного рода магниты, которые в настоящее время не так часто применяются в лечении. Современная медицина использует лечебное воздействие динамического магнитного поля (импульсного или переменного тока), возникающего при участии электрического тока, проходящего через проводник.
Научно доказано, что дефицит электромагнитной энергии в организме отвечает за замедление процессов обмена веществ, транспортировки питательных веществ и снижение работоспособности нервной системы. Кроме того, именно с дефицитом энергии возникает общее снижение настроения, работоспособности и потеря естественной жизненной силы человека.
Дефицит энергии может вызвать гораздо более серьезные последствия для здоровья организма. Такое состояние может спровоцировать или усилить симптомы болезней сердца, воспалительных процессов, ревматизма, а также неврологические заболевания и многие другие недуги.
Доказано, что наиболее эффективным способом противодействия заболеваниям, вызванным нехваткой энергии, является магнитотерапия.
Этот метод вызывает смещение ионов, в результате чего увеличивается электроотрицательность внутри клетки, что позволяет более эффективное поглощение и использование ею кислорода. Этот процесс носит название гиперполяризации.
Действие магнитного поля является равномерным, благодаря чему энергия проникает через все ткани организма, доходя до самых глубоких слоев. Магнитная терапия — процедура совершенно безболезненная, не вызывающая никаких побочных эффектов даже в перспективе длительного лечения. Иногда в начале терапии наблюдается лишь временное и краткосрочное осложнение симптомов заболевания.
Как действует магнитное поле?
Применение магнитного поля вызывает изменения в каждой клетке и ткани организма, поскольку оно проникает через все тело человека. Любые ионы, которые находятся в клетках и коллоидных системах, чувствительны и подвержены воздействию магнитного поля. Под влиянием магнитного поля происходят следующие процессы:
- ритмичное перемещение ионов в клетках человеческого тела;
- гиперполяризация клеточной мембраны;
- благотворное влияние на обмен веществ и энергетические процессы.
Импульсное магнитное поле приводит в свою очередь к:
- нормализации электрического потенциала покоя клеточной мембраны;
- улучшению динамики ионов, мигрирующих через мембрану;
- улучшению использования кислорода через клетку;
- повышению энергетического потенциала.
Что лечит магнитное поле?
В зависимости от показаний и особенностей организма в лечении подбирается определенная форма импульса (прямоугольная, треугольная или синусоидальная). При лечении магнитным полем предполагается, что:
- прямоугольные импульсы применяются в момент, когда патологический процесс распространяется в костной ткани;
- импульсы треугольной формы находят применение в лечении суставного хряща, связок и сухожилий;
- импульсы синусоидальные применяется в ситуациях, когда требуют лечения мышцы и нервы.
Когда и в каком состоянии болезни можно применить магнитное поле? В случае острых состояний заболевания применяются частоты импульсов от 1-5 Гц, интенсивность магнитного поля 0,5-3 мТ (милитесел). В подострых состояниях лечение проводят при частоте 5-20 Гц, напряженности магнитного поля 3-5 мТ, при хронических болезненных состояниях применяются частоты от 20-50 Гц и напряженность магнитного поля 6-10 мТ.
Следует иметь в виду, что напряженность магнитного поля должна равняться 40 % от максимальной величины принятой дозы. Во время 2 курса лечения ее силу можно увеличить до 70 %, а на 3 курсе процедур ее увеличивают до полной дозы.
Время процедуры, проводимое с помощью магнитного поля, может составлять от 15 до 30 минут, но может длиться и до 1 часа. Процедуры выполняются сериями от 15 до нескольких десятков процедур. В течение первых 5 -10 процедур терапию применяют ежедневно, а потом можно проводить от 2-3 процедур в течение недели.
Кому можно, а кому не стоит?
Принципы лечения магнитным полем:
- лечение с помощью магнитного поля должно проводиться в одно и то же время дня;
- процедуры не следует применять во второй половине дня, или вечером, из-за возникновения сонливости, в то время как у пожилых людей, наоборот, бессонницы;
- пациент должен перед проведением процедуры снять часы и все металлические предметы;
- при лечении магнитным полем не нужно раздеваться, можно оставаться в одежде.
Показаниями для выполнения процедуры магнитным полем, являются следующие:
- дегенеративные заболевания крупных суставов (конечностей) и суставов позвоночника;
- воспаления суставов и околосуставных тканей;
- ревматоидный артрит (РА);
- посттравматические состояния и спортивные травмы: переломы (болезнь Зудека), вывихи, растяжения с повреждением мышц, связок и суставной сумки;
- трудно заживающие раны, ожоги;
- нарушения периферического кровообращения;
- воспаление нервов (например, невралгии седалищного нерва);
- остеопороз;
- нарушения обмена веществ;
- бронхит и синусит пазух носа;
- воспаления яичников;
- язвы и трофические изменения голеней.
Процедуры с применением магнитного поля являются безопасными.
Применение процедур даже в течение очень долгого времени не вызывает неблагоприятных последствий.
Следует, однако, иметь в виду, что существует возможность обострения заболеваний после первых нескольких процедур, которые со временем проходят.
Значительным облегчением для пациентов является возможность применения магнитотерапии при травмах без снятия повязки, и даже гипса.
К самым распространенным противопоказаниям для лечения магнитным полем, относятся:
- беременность;
- раковые болезни;
- лечение ионизирующим излучением (лучевая терапия) и радиологические исследования;
- имплантированные электронные имплантаты, например, кардиостимулятор;
- тяжелые заболевания сердца и сердечно-сосудистой системы;
- облитерирующий тромбофлебит;
- склонность к кровотечениям;
- активный туберкулез;
- острые бактериальные и вирусные инфекции;
- сахарный диабет;
- тиреотоксикоз;
- эпилепсии;
- стригущий лишай.
Магнитотерапия имеет множество применений и незначительное число противопоказаний. Не следует применять магнитотерапию и в случае тяжелых системных заболеваний.
Терапия магнитным полем, имеет неоценимое значение в борьбе с длительными болевыми ощущениями. Показывает при этом отличные противовоспалительные свойства.
Применение магнитной терапии способствует общему расслаблению организма, и снижению чрезмерного мышечного напряжения. Она ускоряет и регулирует периферическое кровообращение и ускоряет обмен веществ, что применяется в лечебных процедурах для похудения тела. Применяя магнитотерапию после консультации со специалистом, вы сможете оздоровить свой организм.
Многие знают о существовании так называемого магнитного поля. Самым распространенным предметом, вокруг которого оно существует является обычный постоянный магнит. Что мы о нем знаем и как он себя обычно проявляет? Это кусок из твердого материала, притягивающий к себе железные предметы. Он может иметь любую форму, ее предают при изготовлении с учетом конкретного предназначения магнита. Магниты имеют полюса - южный и северный. Если взять два куска магнита и попытаться их соединить, то в одном случае они попытаются притянутся друг к другу, а в другом случае они будут стремится оттолкнуться. Одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются.
Помимо этого если одни целый магнит разбить на два куска (не важно, будут ли он и равны или нет) мы получим уже два разных магнита, у которых будут свои магнитные полюса и своя интенсивность притягивания. В этом случае сила магнетизма будет зависеть от размеров этих самых магнитов. Почему же так происходит? В чем заключается суть этих интересных явлений, связанных с магнетизмом?
А суть магнитного поля заключается в следующем. Из школьной физики вы должны были помнить, что существуют так называемые электрические заряды (электроны и ионы). В твердых веществах носителями электрических зарядов являются электроны, а в жидких и газообразных - ионы. Магнитные поля, как и любые другие поля, являются особым видом материи, которая проявляет себя в виде некой силы, невидимой глазу. Хотя точнее будет, пожалуй, говорить электромагнитные поля так как именно в суммарной форме они себя проявляют (электрическое и магнитное поле).
Итак, магнитное поле существует вокруг движущегося электрического заряда. Именно движущегося. Вокруг электрических зарядов, что находятся в статическом состоянии существует только электрическое поле. Но поскольку заряды находятся в постоянном движении, то речь скорей идет о интенсивности этого движения. Одно дело когда электроны (частицы, имеющие отрицательный электрический заряд) просто сконцентрированы в металлическом шаре (максимальным будет именно электрическое поле вокруг шара) и в этом случае их динамическое движение будет гораздо меньше проявляться нежели в случае их непосредственного движения по проводнику (именно тут мы увидим максимальное магнитное поле) от одного полюса источника питания к другому.
Получается, что суть магнитного поля заключается в его образовании именно вокруг движущихся электрических зарядов. И чем быстрее будет двигаться заряд по проводнику, тем больше будет интенсивность магнитного поля вокруг этого самого заряда. Кроме этого магнитные поля могут суммироваться если они имеют одну и ту же направленность. После чего уже имеем - чем быстрее движется электрический заряд и чем больше количество этих зарядов, движение которых совпадает по направлению, тем сильнее будет электромагнитное поле вокруг этих зарядов (и вокруг этого электрического проводника, по которому они перемещаются).
Теперь можно понять, почему вокруг обычной медной катушки, по которой течет постоянный ток, появляется магнитное поле и от чего зависит его интенсивность. Просто само движение тока, электронов (заряженных частиц с отрицательным знаком) по катушки и порождает электромагнитные поля. И чем больше количество витков у этой катушки, больше ток, проходящий по ней, тем больше и сила магнитного поля вокруг нее. А почему тогда лампочка, по которой бежит ток, не имеет такого магнитного поля (интенсивного) как у катушки? Просто электрическая энергия у лампочки больше расходуется именно на свет и тепло, и в меньшей степени на электромагнитное поле. В то время как у плотно намотанной, сконцентрированной катушки большая часть электрической энергии тратится именно на создание магнитного поля и совсем незначительная его часть на выделение тепла.
А как работают постоянные магниты? Ведь по ним же не течет ток. Токи есть, только это микротоки, порождаемые движением электронов внутри самого вещества. Тут все дело в однонаправленности этих токов и способности вещества удерживать постоянное состояние этой однонаправленности. Движение электронов присутствует во всех веществах, но вот магнитные свойства проявляются только у тех, которые обладают ферромагнитными свойствами. Ферромагнетики, это вещества, которые легко могут менять (при определенных условиях) и стабильно удерживать определенную внутреннюю структуру своих частиц, влияющую на магнитные свойства этого вещества.
Итак, мы берем вещество, с хорошими ферромагнитными свойствами, помещаем его в постоянное электромагнитное поле высокой интенсивности, после чего наблюдаем перестраивание внутренней структуры этого вещества. Появляется однонаправленность его магнитных частиц. В итоге, это вещество само становится магнитом. Все его внутреннии частички (атомы, молекулы) с одной стороны образовали южный магнитный полюс, а с другой стороны - северный. В результате мы получили обычный магнит. Если этот магнит поместить в переменное магнитное поле (большой интенсивности), сильно нагреть, подвергать сильным механическим ударам, то в итоге мы может размагнитить наше ферромагнитное вещество. Оно утратит свои магнитные свойства.
P.S. Электромагнитное поле существует повсюду, оно есть везде. Только вот его интенсивность везде разная и не во всех вещах имеется свойство стабильного поддержания этого магнитного поля. Магниты можно делать из вещей, которые до этого не были таковыми (их просто нужно намагнитить). Либо магнитное поле можно получить за счет пропускания постоянного тока через медную катушку. В этом случае мы уже получим электромагнит. Он будет работать только тогда, когда к нему подключено электрическое питание.
Инструкция
Создание магнитного поля токаВозьмите проводник и подключите его к источнику тока, следя за тем, чтобы проводник не перегрелся. Поднесите к нему тонкую магнитную стрелку, которая может свободно вращаться. Устанавливая ее в разных точках пространства вокруг проводника, убедитесь в том, что она ориентируется по силовым линиям магнитного поля.
Магнитное поле постоянного магнитаВозьмите постоянный магнит и поднесите его к предмету, содержащему большое количество . Сразу появится магнитная сила, притягивающая магнит и железное тело - это главным доказательством магнитного поля. Положите постоянный магнит на лист бумаги и посыпьте вокруг него мелкой железной стружкой. Через некоторое время на листе бумаги появится , иллюстрирующий наличие силовых линий магнитного поля. Их называют линии магнитной индукции.
Создание магнитного поля электромагнитаКатушку с изолированным проводом присоедините к источнику электрического тока через реостат. Для того чтобы избежать перегорания провода, установите реостат на максимальное сопротивление. В катушку поместите магнитопровод. Это может быть кусок мягкого железа или стали. Если предполагается получить мощное магнитное поле, железный сердечник (магнитопровод) необходимо набирать из пластин, изолированных между собой, чтобы избежать появления токов Фуко, которые будут препятствовать генерации магнитного поля. Подключив цепь к источнику тока, начинайте медленно двигать ползунок реостата, наблюдая за тем, чтобы обмотка катушки не перегревалась. При этом магнитопровод превратится в мощный магнит, способный притянуть и удержать массивные железные предметы.
Сложите два магнита и посмотрите, как они себя ведут. Если сложить магниты одинаковыми полюсами, они будут отталкивать друг друга. При помощи двух магнитов, вы сможете сделать пчелу, летающую над цветком. Магнит пчелы будет отталкиваться от нижнего магнита-цветка, заставляя пчелу суетливо качаться над цветком.
Вам понадобится
- - коробка от обуви
- - плотная цветная бумага
- - два круглых магнита
- - игока с ниткой
- - ножницы
- - двухсторонний скотч
- - клей-карандаш
- - цветная папиросная бумага
- - скотч
- - ершики для трубок
Инструкция
Оклейте изнутри одну короткую сторону ящика зеленой бумагой, а все остальные стороны - голубой. Поставьте ящик зеленой стороной вниз. Вырежьте длинную зеленую волнистую полоску и оклейте зеленое основание ящика изнутри. Нарисуйте и вырежьте цветы, солнце и облака для вашей декорации сада. Для каждой детали отрежьте полоску бумаги длиной 5 см. Согните ее буквой П для подвески. Приклейте одну ножку П к детали, а другую - к коробке.
Согните белый ершик или проволоку в петлю. Оберните концы вокруг магнита. Обмотайте магнит черными и желтыми ершиками (или проволочками). Это будет брюшко пчелы. Положите второй магнит под пчелой так, чтобы он ее отталкивал, т.е. чтобы встретились одинаковые полюсы. Отметьте верх магнита карандашом. Положите магнит на кусок папиросной бумаги отмеченной стороной вниз. Оберните бумагу вокруг магнита и заклейте скотчем. Переверните магнит и наклейте на него желтый кружок.
Вырежьте из цветной бумаги кружок. Нарисуйте и вырежьте лепестки. Приклейте ко дну ящика. Прижмите сверху магнит двухсторонней липкой лентой. Вденьте нитку в иголку и протяните ее между проволочками брюшка пчелы. Завяжите нитку, чтобы пчела на ней висела.
