Учёные рассказали о магнитах, магнитных полях и их влиянии на человека

Фото: сгенерировано нейросетью Kandinsky

Невидимая, но мощная сила магнитов присутствует повсюду — от миниатюрных бытовых устройств до огромной оболочки нашей планеты. Ученные Пермского Политехнического университета поделились информацией о том, какими бывают магниты, почему для увеличения их притягивающей способности используют форму подковы, что представляет собой монополь и возможно ли разделить полюса, от чего зависит цвет северного сияния, как магнитотерапия влияет на суставы и сосуды.

Магниты бывают разными

Это может быть естественное или искусственное тело, а также техническое устройство, способное генерировать вокруг себя магнитное поле, которое притягивает предметы из стали.

Чтобы создать такой объект, необходимо сначала расплавить ферромагнитный материал, такой как железо, никель, кобальт или их смеси. Затем нужно придать ему нужную форму, нагреть и намагнитить полученные заготовки.

Наиболее распространены постоянные магниты, которые могут сохранять своё поле без внешнего источника энергии. Мы часто сталкиваемся с ними в повседневной жизни: в компасах, банковских картах, карточках метро и аудиоустройствах.

Также существуют более мощные редкоземельные магниты, которые, как и постоянные, не нуждаются во внешнем источнике энергии. Благодаря своей высокой силе притяжения они находят применение в более ответственных областях, таких как космическая и авиационная техника, а также в сложных акустических и компьютерных системах.

— Электромагниты отличаются тем, что их магнитное поле возникает при прохождении электрического тока. Это позволяет включать, выключать и регулировать их с помощью специальных микросхем и контроллеров. Благодаря этой особенности они широко используются в электродвигателях, реле и медицинских устройствах, включая томографы. В состоянии покоя такие объекты могут сохранять остаточную намагниченность. В качестве примера природного материала с такой скрытой энергией можно привести железную руду, — рассказывает аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского Политеха Егор Разумовский.

Почему магнит часто делают в форме подковы

У магнитов есть невидимые для человеческого глаза силовые линии, которые выходят с одной стороны и входят с другой. В обычном прямом теле они расходятся в разные стороны, рассеивая энергию. Однако если придать им форму подковы, то можно значительно улучшить свойства этой энергии.

— У подковообразного магнита полюса расположены близко друг к другу, что позволяет концентрировать силовые линии. Это делает поле более плотным и мощным. Это повышает эффективность магнита и делает его полезным для проведения различных экспериментов, подъёма металла и использования в технических устройствах, — говорит специалист Пермского Политеха.

Притяжение не вечно

С течением времени материал действительно утрачивает свои магнитные свойства. Это может быть вызвано незначительными вибрациями, ударами или нагреванием, которые нарушают упорядоченное расположение частиц, ответственных за притяжение. Кроме того, воздействие противоположных магнитных полей может привести к изменению хаотичного расположения атомов.

Даже при отсутствии внешних воздействий со временем внутренние процессы в материале ослабевают.

Если нагреть магнит до определённой температуры, он практически полностью потеряет свои свойства. Это явление было открыто в 1895 году учёным-физиком Пьером Кюри. В его честь была названа точка Кюри — температура, при которой в веществе происходят специфические изменения многих физических свойств. Эта температура зависит от материала: для чистого железа она составляет около 770 °C, для никеля — 358 °C, а для некоторых сплавов может быть и ниже.

Егор Разумовский, аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского Политеха, отмечает: «Даже при отсутствии внешних воздействий со временем внутренние процессы в материале ослабевают».

Почему у Земли есть магнитное поле

Магнитное поле Земли — это результат сложного процесса, который включает в себя динамическое взаимодействие жидкого ядра, конвекцию, вращение планеты и электрические токи. Этот процесс самоподдерживается и распространяется в космос, защищая нашу планету и космонавтов, находящихся на низкой околоземной орбите, от космических лучей.

Интересно, что географические полюса не совпадают с магнитными полюсами Земли. Это связано с тем, что ферромагнитные элементы движутся в конвекционных потоках в жидком внешнем ядре нашей планеты, создавая магнитное поле. Эти потоки образуются из-за разницы температур: более горячие участки поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз. Эти движения создают электрические токи.

Егор Разумовский отмечает, что процесс геодинамо не является идеально симметричным из-за неравномерного распределения железа, поэтому поле не всегда выстраивается идеально вдоль оси вращения Земли.

Магнитное поле создает северное сияние

Солнце постоянно испускает поток заряженных частиц, который называется солнечным ветром. Когда этот поток достигает Земли, он формирует магнитосферу — область, где доминирует магнитное поле Земли. Магнитосфера сжата со стороны Солнца и вытянута в «магнитный хвост» на ночной стороне.

Несмотря на то, что магнитосфера защищает нас от солнечного ветра, некоторые частицы всё же проникают внутрь, особенно у полюсов, где силовые линии магнитного поля сходятся. Когда эти частицы достигают верхних слоёв атмосферы, они сталкиваются с атомами кислорода и азота. Это приводит к возбуждению атомов и переходу их в неустойчивое состояние. Затем следует релаксация и переход в основное состояние, сопровождающийся излучением фотонов. Именно эти фотоны и создают видимое нам северное сияние.

Специалист рассказал, что цвет сияния зависит от типа газа и высоты, на которой происходит столкновение частиц. Зелёный цвет обычно наблюдается на расстоянии около 100 километров от поверхности Земли, а красный — в более высоких слоях. Таким образом, северное сияние — это результат сложного взаимодействия высоты, типа атомов и уровня возбуждения, что и создаёт его уникальную цветовую гамму.

Магнита с одним полюсом не существует

Уравнения Максвелла, которые лежат в основе электромагнетизма, не допускают существования монополей — отдельных «северных» или «южных» полюсов.

Разделение магнита не приводит к разделению его полюсов, а создаёт меньшие части, каждая из которых имеет свою полярность — «плюс» и «минус». Намагниченность материала обусловлена ориентацией магнитных моментов электронов в доменах, которые остаются упорядоченными даже после разделения. Об этом говорит Егор Разумовский.

Важно понимать, что возникновение магнитного поля — это результат сложного взаимодействия на разных уровнях, от квантовых эффектов, связанных с движением и расположением электронов, до макроскопических эффектов, которые не позволяют создать однополюсный объект. Эти фундаментальные законы физики не позволяют разделить объект на отдельные полюса, поскольку они всегда существуют как диполи.

Удерживают от нескольких грамм до сотни тонн

Как объясняет аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского Политеха Егор Разумовский, в общем случае, чем больше размер магнита, тем сильнее его способность притягивать предметы.

Подковообразные магниты, как мы уже говорили, создают более сильное поле и поэтому могут поднимать более тяжёлые грузы, чем стержневые магниты того же размера.

Плоские магниты на холодильнике могут удерживать только несколько граммов, в то время как промышленные подъёмники, оснащённые мощными постоянными или электромагнитами, способны поднимать десятки тонн стали.

Эффективны ли магниты для лечения недугов

Магнитотерапия — это метод лечения, который использует магнитные поля для воздействия на организм человека. Эти поля могут расширять кровеносные сосуды, улучшать кровоток и активировать метаболические процессы в клетках, способствуя восстановлению и регенерации. Это может быть полезно при заживлении травм и повреждений тканей.

— Кроме того, процедура воздействует на нервные окончания, снижая болевую чувствительность. Это делает её полезной для лечения хронической боли, артрита и других заболеваний, сопровождающихся болевыми ощущениями, — говорит научный консультант по вопросам фармакологии НОЦ «ХимБио» Пермского Политеха, кандидат медицинских наук Сергей Солодников.

Обычно используются низкочастотные электромагнитные поля (1–100 Гц). Во время работы аппарата поле обеспечивает непрерывное воздействие, а переменное (пульсирующее) позволяет регулировать интенсивность и частоту потока на организм. Пространственная неоднородность полей вызывает в электропроводящих движущихся средах (кровь и лимфа) формирование сил, которые существенно увеличивают скорость течения крови и активируют метаболизм тканей.

Низкочастотная магнитотерапия с использованием сложных модуляций основана на использовании биологических эффектов, которые возникают в организме под воздействием индуцируемых электрических полей и токов. Эти эффекты увеличивают скорость проведения импульсов по нервным волокнам и уменьшают отёк вокруг нервов. В результате импульсы из болевого очага ослабевают и прекращаются.

За счёт увеличения колебаний белков в плазме крови происходит активация локального кровотока и усиление кровоснабжения различных органов и тканей. Это отмечает старший преподаватель Пермского Политеха Регина Ларионова.

Магнитные поля, воздействуя на ткани вокруг сустава, улучшают микроциркуляцию. Это приводит к увеличению доставки кислорода и питательных веществ к клеткам, а также к более эффективному удалению продуктов метаболизма. В результате создаются благоприятные условия для регенерации тканей и ускорения процесса заживления повреждений.

Кроме того, магнитотерапия оказывает расширяющее воздействие на артерии мышечного типа.

Магнитотерапия может способствовать улучшению обмена веществ и помочь в борьбе с лишним весом. Некоторые исследования показывают, что после процедуры у человека снижается уровень стресса и улучшается качество сна. Всё это положительно влияет на общее состояние здоровья.

Однако эффективность магнитотерапии может варьироваться в зависимости от индивидуальных особенностей пациента и конкретного заболевания.

Процедура может быть рекомендована при различных заболеваниях суставов, таких как артриты и артрозы, а также при бронхиальной астме, варикозной болезни, воспалительных заболеваниях матки и придатков в период стихания острого процесса, гематомах, гипертонии I–II стадии и других нарушениях здоровья.

Однако есть и противопоказания. Магнитотерапия не подходит для людей с туберкулёзом, эпилепсией, заболеваниями крови или сердца, психическими отклонениями, а также для тех, у кого установлены кардиостимуляторы или наблюдается пониженное артериальное давление.

Публикация подготовлена по материалам пресс-службы Пермского Политеха.

Ранее Жуковский.Life публиковало, что график магнитных бурь на февраль 2025 года.

Загрузка ...
Жуковский Life

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: