За последние 50 лет все отрасли наук шагнули стремительно вперед. Но прочитав множество журналов о природе магнетизма и гравитации, можно прийти к выводу, что у человека появляется еще больше вопросов, чем было.
Природа магнетизма и гравитации
Всем очевидно и понятно, что предметы, подброшенные вверх, стремительно падают на землю. Что же их притягивает? Можно смело предположить, что они притягиваются какими-то неведомыми силами. Те самые силы получили название - природная гравитация. После каждый интересующийся сталкивается со множеством споров, догадок, предположений и вопросов. Какова природа магнетизма? Чем являются В результате какого воздействия они образуются? В чем проявляется их сущность, а также частота? Как они воздействуют на окружающую среду и на каждого человека по отдельности? Как рационально можно использовать это явление во благо цивилизации?
Понятие магнитизма
В начале девятнадцатого века физик Эрстед Ханс Кристиан открыл магнитное поле электрического тока. Это дало возможность предполагать, что природа магнетизма тесно взаимосвязана с электрическим током, который образуется внутри каждого из существующих атомов. Возникает вопрос, какими явлениями можно объяснить природу земного магнетизма?
На сегодняшний день установлено, что магнитные поля в намагниченных объектах зарождаются в большей степени электронами, которые беспрерывно делают обороты вокруг своей оси и около ядра существующего атома.
Давно установлено, что хаотичное перемещение электронов являет собой самый настоящий электрический ток, а его прохождение провоцирует зарождение магнитного поля. Подводя итог этой части, можно смело утверждать, что электроны вследствие своего хаотичного перемещения внутри атомов порождают внутриатомные токи, которые, в свою очередь, способствуют зарождению магнитного поля.
Но чем же обусловлено то, что в разных материях магнитное поле имеет значительные отличия в собственной величине, а также различную силу намагничивания? Это связано с тем, что оси и орбиты перемещения самостоятельных электронов в атомах способны быть в разнообразных положениях относительно друг друга. Это приводит к тому, что в соответствующих положениях располагаются и произведенные перемещающимися электронами магнитные поля.
Таким образом, следует отметить, что среда, в которой зарождается магнитное поле, оказывает воздействие непосредственно на него, преумножая или ослабевая само поле.
Поле которых ослабляет результирующее поле, получили название диамагнитные, а материалы, весьма слабо усиливающие магнитное поле, именуются парамагнитными.
Магнитные особенности веществ
Следует отметить, то природа магнетизма зарождается не только благодаря электрическому току, но и постоянными магнитами.
Постоянные магниты могут быть изготовлены из небольшого количества веществ на Земле. Но стоит отметить, что все предметы, которые будут находиться в радиусе магнитного поля, намагнитятся и станут непосредственными Проведя анализ вышеизложенного, стоит добавить, что вектор магнитной индукции в случае наличия вещества отличается от вектора вакуумной магнитной индукции.
Гипотеза Ампера о природе магнетизма
Причинно-следственная связь, в результате которой была установлена связь обладания тел магнитными особенностями, была открыта выдающимся французским ученым Андре-Мари Ампером. Но в чем состоит гипотеза Ампера о природе магнетизма?
История положила свое начало благодаря сильному впечатлению от увиденного ученым. Он стал свидетелем исследований Эрстеда Лмиера, который смело предположил, что причиной магнетизма Земли являются токи, которые регулярно проходят внутри земного шара. Был сделан основополагающий и самый весомый вклад: магнитные особенности тел можно было объяснить беспрерывной циркуляцией в них токов. После Ампер выдвинул следующее заключение: магнитные особенности любого из существующих тел определены замкнутой цепью электрических токов, протекающих внутри них. Заявление физика было смелым и отважным поступком, поскольку он перечеркнул все предшествующие открытия, объяснив магнитные особенности тел.
Перемещение электронов и электрический ток
Гипотеза Ампера гласит, что внутри каждого атома и молекулы существует элементарный и циркулирующий заряд электрического тока. Стоит отметить, что на сегодняшний день нам уже известно, что те самые токи образуются в результате хаотичного и беспрерывного перемещения электронов в атомах. Если оговариваемые плоскости находятся беспорядочно относительно друг к друга вследствие теплового перемещения молекул, то их процессы взаимокомпенсируются и совершенно никакими магнитными особенностями не владеют. А в намагниченном предмете простейшие токи направлены на то, чтобы их действия слаживались.
Гипотеза Ампера в силах объяснить, почему магнитные стрелки и рамки с электрическим током в магнитном поле ведут себя идентично друг другу. Стрелку, в свою очередь, следует рассмотреть как комплекс небольших контуров с током, которые направлены идентично.
Особую группу в которых значительно усиливается магнитное поле, называют ферромагнитной. К этим материал относится железо, никель, кобальт и гадолиний (и их сплавы).
Но как объяснить природу магнетизма постоянных поля образуются ферромагнетиками не исключительно в результате перемещения электронов, но и в результате их собственного хаотичного движения.
Момент импульса (собственного вращательного момента) приобрел название - спин. Электроны в течение всего времени существования вращаются вокруг своей оси и, имея заряд, зарождают магнитное поле вместе с полем, образующимся вследствие их орбитального перемещения около ядер.
Температура Мария Кюри
Температура, выше которой вещество-ферромагнетик теряет намагниченность, получила свое определенное название - температура Кюри. Ведь именно французский ученый с данным именем сделал это открытие. Он пришел к выводу: если существенно нагреть намагниченный предмет, то он лишится возможности притягивать к себе предметы из железа.
Ферромагнетики и их использование
Невзирая на то, что ферромагнитных тел в мире существует не так много, их магнитные особенности имеют большое практическое применение и значение. Сердечник в катушке, изготовленный из железа или стали, многократно усиливает магнитное поле, при этом не превышает расхода силы тока в катушке. Это явление значительно помогает экономить электроэнергию. Сердечники изготавливаются исключительно из ферромагнетиков, и не имеет значения, для каких целей послужит эта деталь.
Магнитный способ записи информации
С помощью ферромагнетиков изготавливают первоклассные магнитные ленты и миниатюрные магнитные пленки. Магнитные ленты имеют широкое применение в сферах звуко-и видеозаписи.
Магнитная лента является пластичной основой, состоящей из полирхлорвинила или прочих составляющих. Поверх нее наносится слой, представляющий собой магнитный лак, которые состоит из множества очень маленьких игольчатых частичек железа или прочего ферромагнетика.
Процесс звукозаписи осуществляется на ленту благодаря поле которых подвергается изменениям в такт вследствие колебаний звука. В результате движения ленты около магнитной головки, каждый участок пленки подвергается намагничиванию.
Природа гравитации и его понятия
Стоит прежде всего отметить, что гравитация и ее силы заключены в пределах закона всемирного тяготения, который гласит о том, что: две материальные точки притягивают друг друга с силой прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Современная наука немного иначе стала рассматривать понятия гравитационной силы и объясняет его как действие гравитационного поля самой Земли, происхождение которой до сих пор, к сожалению ученых, не установлено.
Подводя итоги всего вышеизложенного, хочется отметить, что все в нашем мире тесно взаимосвязано, и существенного отличия между гравитацией и магнетизмом нет. Ведь гравитация обладает тем самым магнетизмом, просто не в большой мере. На Земле нельзя отрывать объект от природы - нарушается магнетизм и гравитация, что в будущем может значительно усложнить жизнь цивилизации. Следует пожинать плоды научных открытий великих ученых и стремиться к новым свершениям, но использовать всю данность следует рационально, не причиняя вреда природе и человечеству.
Благодаря различию свойств на уровне атомно-молекулярного строения все вещества по своим магнитным свойствам подразделяются на три класса — ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.
Согласно закону Ампера , электрический ток производит магнитное поле. Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы и радиуса. Однако магнитное поле он, и это не удивительно, всё равно индуцирует. Фактически же, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.
Теперь мы подходим к главному. В некоторых атомах равное число электронов вращается во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся. Однако в атомах некоторых элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся некомпенсированными за счет полей электронов, обращающихся в противоположном направлении. И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите, к тому же оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, он, в целом, создает вокруг себя стабильное и достаточно сильное магнитное поле. Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами.
Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества . По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики. Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков — антиферромагнетики и ферримагнетики. В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.
Ферромагнетики
Некоторые вещества и сплавы (прежде всего, следует отметить железо, никель и кобальт) при температуре ниже точки Кюри приобретают свойство выстраивать свою кристаллическую решетку таким образом, что магнитные поля атомов оказываются однонаправленными и усиливают друг друга, благодаря чему возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материла. Из таких материалов получаются постоянные магниты. На самом деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain — «область»). При остывании железа ниже точки Кюри формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Тогда мы получаем настоящий магнит — тело, обладающее ярко выраженным внешним магнитным полем. Именно так устроены постоянные магниты.
Парамагнетики
В большинстве материалов внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких материалов нет. Однако при помещении такого материала в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого материла. Материалы, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается , поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть, парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.
Диамагнетики
В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше — на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея , при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока. Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.
В отношении магнитных свойств вещества важно усвоить, что они зависят от конфигурации электронных орбит атомов. Даже после разбиения на отдельные атомы железо, например, сохранит свои ферромагнитные свойства. А вот при дальнейшем дроблении вы получите лишь элементарные частицы, которые собственными магнитными свойствами не обладают, и описать природу магнетизма будет уже нельзя. Итак, магнитные свойства вещества зависят исключительно от конфигурации элементарных частиц в составе атома и организации кристаллических доменов, но никак ни от свойства заряженных частиц атомной структуры.
Формулы электричества и магнетизма. Изучение основ электродинамики традиционно начинается с электрического поля в вакууме. Для вычисления силы взаимодействия между двумя точными зарядами и вычисления напряженности электрического поля, созданного точечным зарядом, нужно уметь применять закон Кулона. Для вычисления напряженностей полей, созданных протяженными зарядами (заряженной нитью, плоскостью и т.д.), применяется теорема Гаусса. Для системы электрических зарядов необходимо применять принцип
При изучении темы "Постоянный ток" необходимо рассмотреть во всех формах законы Ома и Джоуля-Ленца При изучении "Магнетизма" необходимо иметь в виду, что магнитное поле порождается движущимися зарядами и действует на движущиеся заряды. Здесь следует обратить внимание на закон Био-Савара-Лапласа. Особое внимание следует обратить на силу Лоренца и рассмотреть движение заряженной частицы в магнитном поле.
Электрические и магнитные явления связаны особой формой существования материи - электромагнитным полем. Основой теории электромагнитного поля является теория Максвелла.
Таблица основных формул электричества и магнетизма
|
Физические законы, формулы, переменные |
Формулы электричество и магнетизм |
||||||||
|
Закон Кулона:
|
|
||||||||
|
Напряженность электрического поля: где Ḟ - сила, действующая на заряд q 0 , находящийся в данной точке поля. |
|||||||||
|
Напряженность поля на расстоянии r от источника поля: 1) точечного заряда 2) бесконечно длинной заряженной нити с линейной плотностью заряда τ: 3) равномерно заряженной бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда σ: 4) между двумя разноименно заряженными плоскостями |
|
||||||||
|
Потенциал электрического поля: где W - потенциальная энергия заряда q 0 . |
|||||||||
|
Потенциал поля точечного заряда на расстоянии r от заряда: |
|
||||||||
|
По принципу суперпозиции полей, напряженность: |
|
||||||||
|
Потенциал: где Ē i и ϕ i - напряженность и потенциал в данной точке поля, создаваемый i-м зарядом. |
|||||||||
|
Работа сил электрического поля по перемещению заряда q из точки с потенциалом ϕ 1 в точку с потенциалом ϕ 2 : |
|
||||||||
|
Связь между напряженностью и потенциалом 1) для неоднородного поля: 2) для однородного поля: |
|
||||||||
|
Электроемкость уединенного проводника: |
|||||||||
|
Электроемкость конденсатора: |
|||||||||
|
Электроемкость плоского конденсатора: где S - площадь пластины (одной) конденсатора, d - расстояние между пластинами. |
|||||||||
|
Энергия заряженного конденсатора: |
|||||||||
|
Сила тока: |
|||||||||
|
Плотность тока: где S - площадь поперечного сечения проводника. |
|||||||||
|
Сопротивление проводника: l - длина проводника; S - площадь поперечного сечения. |
|||||||||
|
Закон Ома 1) для однородного участка цепи: 2) в дифференциальной форме: 3) для участка цепи, содержащего ЭДС: Где ε - ЭДС источника тока, R и r - внешнее и внутреннее сопротивления цепи; 4) для замкнутой цепи: |
|
||||||||
|
Закон Джоуля-Ленца 1) для однородного участка цепи постоянного тока: 2) для участка цепи с изменяющимся со временем током: |
|
||||||||
|
Мощность тока: |
|||||||||
|
Связь магнитной индукции и напряженности магнитного поля: где B - вектор магнитной индукции, |
|
||||||||
|
Магнитная индукция
(индукция магнитного поля):
2) поля бесконечно длинного прямого тока 3) поля, созданного отрезком проводника с током |
|
,
Взаимодействия.
Магнитное взаимодействие между железом и магнитом или между магнитами происходит не только при непосредственном их соприкосновении, но и на расстоянии. С увеличением расстояния сила взаимодействия уменьшается, и при достаточно большом расстоянии она перестает быть заметной. Следовательно, свойства части пространства вблизи магнита отличаются от свойств той части пространства, где магнитные силы не проявляются. В пространстве, где проявляются магнитные силы, имеется магнитное поле.
Если магнитную стрелку внести в магнитное поле, то она установится вполне определенным образом, причем в различных местах поля она будет устанавливаться по-разному.
В 1905 году Поль Ланжевен на основе теоремы Лармора и электронной теории Лоренца развил классическую трактовку теории диа- и парамагнетизма.
Естественные и искусственные магниты
Магнетит (магнитный железняк) – камень, притягивающий железо, был описан ещё древними учеными. Он представляет собой так называемый естественный магнит, встречающийся в природе довольно часто. Это широко распространенный минерал состава: 31% FeO и 69% Fe2O3, содержащий 72,4% железа.Если вырезать из такого материала полоску и подвесить ее на нить, то она будет устанавливаться в пространстве вполне определенным образом: вдоль прямой, проходящей с севера на юг. Если вывести полоску из этого состояния, т. е. отклонить от направления, в котором она находилась, а затем снова предоставить самой себе, то полоска, совершив несколько колебаний, займет прежнее положение, установившись в направлении с севера на юг.
Если погрузить эту полоску в железные опилки, то они притянутся к полоске не везде одинаково. Наибольшая сила притяжения будет на концах полоски, которые были обращены к северу и югу.
Эти места полоски, на которых обнаруживается наибольшая сила притяжения, носят название магнитных полюсов. Полюс, направленный к северу, получил название северного полюса магнита (или положительного) и обозначается буквой N (или С); полюс, направленный к югу» получил название южного полюса (или отрицательного) и обозначается буквой S (или Ю). Взаимодействие полюсов магнита можно изучить следующим образом. Возьмем две полоски из магнетита и одну из них подвесим на нити, как уже указывалось выше. Держа вторую полоску в руке, будем подносить ее к первой разными полюсами.
Окажется, что если, к северному полюсу одной полоски приближать южный полюс другой, то возникнут силы притяжения между полюсами, и подвешенная на нити полоска притянется. Если к северному полюсу подвешенной полоски поднести вторую полоску также северным полюсом, то подвешенная полоска будет отталкиваться.
Проводя такие опыты, можно убедиться в справедливости установленной Гильбертом закономерности о взаимодействии магнитных полюсов: одноименные полюсы отталкиваются, разноименные притягиваются.
Если бы мы захотели разделить магнит пополам, чтобы отделить северный магнитный полюс от южного, то, оказывается, нам не удалось бы сделать этого. Разрезав магнит пополам, мы получим два магнита, причем каждый с двумя полюсами. Если мы продолжали бы этот процесс и дальше, то, как показывает опыт, нам никогда не удастся получить магнит с одним полюсом. Этот опыт убеждает нас, что полюсы, магнита не существуют раздельно, подобно тому как раздельно существуют отрицательные и положительные электрические заряды. Следовательно, и элементарные носители магнетизма, или, как их называют, элементарные магнитики, также должны обладать двумя полюсами.
Описанные выше естественные магниты в.настоящее время практически не используются. Гораздо более сильными и более удобными оказываются искусственные постоянные магниты. Постоянный искусственный магнит проще всего изготовить из стальной полоски, если натирать ее от центра к концам противоположными полюсами естественных или других искусственных магнитов. Магниты, имеющие форму полоски, носят название полосовых магнитов. Часто удобнее бывает пользоваться магнитом, напоминающим по форме подкову. Такой магнит носит название подковообразного магнита.
Искусственные магниты обычно изготовляются так, что на их концах создаются противоположные магнитные полюса. Однако это совсем не обязательно. Можно изготовить такой магнит, у которого оба конца будут иметь один и тот же полюс, например, северный. Изготовить такой магнит можно, натирая от середины к концам стальную полоску одинаковыми полюсами.
Однако северный и южный полюсы и у такого магнита неотделимы. Действительно, если его погрузить в опилки, то они сильно притянутся не только по краям магнита, но и к его середине. Легко проверить, что по краям расположены северные полюсы, а южный – посередине.
Магнитные свойства. Классы веществ
Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества. По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики , парамагнетики и диамагнетики . Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков - антиферромагнетики и ферримагнетики . В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.Ферромагнетики
Некоторые вещества и сплавы (прежде всего, следует отметить железо, никель и кобальт) при температуре ниже точки Кюри приобретают свойство выстраивать свою кристаллическую решетку таким образом, что магнитные поля атомов оказываются однонаправленными и усиливают друг друга, благодаря чему возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материла. Из таких материалов получаются вышеупомянутые постоянные магниты. На самом деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain - «область»). При остывании железа ниже точки Кюри формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Тогда мы получаем настоящий магнит - тело, обладающее ярко выраженным внешним магнитным полем. Именно так устроены постоянные магниты.
Парамагнетики
В большинстве материалов внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких материалов нет. Однако при помещении такого материала в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого материла. Материалы, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако, убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть, парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.
Диамагнетики
В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше - на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока. Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.
Магнетизм в природе
Множество явлений природы определяется именно магнитными силами. Они являются источником многих явлений микромира: поведения атомов, молекул, атомных ядер и элементарных частиц – электронов, протонов, нейтронов и др. Кроме того, магнитные явления характерны и для огромных небесных тел: Солнце и Земля – это огромные магниты. Половина энергии электромагнитных волн (радиоволн, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения, рентгеновых и гамма-лучей) является магнитной. Магнитное поле Земли проявляется в целом ряде явлений и оказывается, в частности, одной из причин возникновения полярных сияний.Немагнитных веществ, в принципе, не существует. Любое вещество всегда «магнитно», т. е. изменяет свои свойства в магнитном поле. Иногда эти изменения совсем небольшие и обнаружить их можно только с помощью специальной аппаратуры; иногда они довольно значительны и обнаруживаются без особого труда с помощью весьма простых средств. К слабомагнитным веществам можно отнести алюминий, медь, воду, ртуть и др., к сильномагнитным или просто магнитным (при обычных температурах) – железо, никель, кобальт, некоторые сплавы.
Использование магнетизма
Современная электротехника очень широко использует магнитные свойства вещества для получения электрической энергии, для ее превращения в различные другие виды энергии. В аппаратах проволочной и беспроволочной связи, в телевидении, автоматике и телемеханике употребляются материалы с определенными магнитными свойствами. Магнитные явления играют существенную роль также в живой природе.Необычайная общность магнитных явлений, их огромная практическая значимость, естественно, приводят к тому, что учение о магнетизме является одним из важнейших разделов современной физики.
Магнетизм также неотъемлемая часть компьютерного мира: до 2010-х годов в мире были очень распространены магнитные носители информации (компакт-кассеты , дискеты и др), однако ещё «котируются» магнитооптические носители (DVD-RAM
После того как Ампер высказал догадку, что никаких «магнитных зарядов» не существует и что намагничивание тел объясняется молекулярными круговыми токами (§§ 57 и 61), прошло почти сто лет, когда, наконец, это предположение было с полной убедительностью доказано прямыми экспериментами. Вопрос о природе магнетизма был решен опытами в области так называемых магнето-механических явлений. Методы осуществления и расчета этих опытов были разработаны на основе развитых Резерфордом в 1911 г. и Бором в 1913 г. представлений о строении атомов (впрочем, некоторые близкие по замыслу эксперименты проводились и раньше, в частности Максвеллом, но безуспешно).
При исследовании явлений радиоактивности Резерфордом было установлено, что электроны в атомах вращаются по замкнутым орбитам вокруг положительно заряженных ядер атомов; Бор показал при теоретическом анализе спектров, что только некоторые из этих орбит устойчивы; наконец, вслед за этим (в 1925 г., также на основе анализа спектров) было обнаружено вращение электронов вокруг своей оси, как бы аналогичное суточному вращению Земли; совокупность этих данных привела к ясному пониманию природы амперовых круговых токов. Стало очевидным, что основными элементами магнетизма в веществах является: или вращение электронов вокруг ядер, или вращение электронов вокруг своей оси, или же оба эти вращения одновременно.
При постановке в 1914-1915 гг. первых успешных магнетомеханических опытов, которые пояснены ниже, вначале предполагалось, что магнитные свойства веществ полностью определяются орбитальным движением электронов вокруг ядер. Однако количественные результаты упомянутых опытов показали, что свойства ферромагнитных и парамагнитных веществ определяются не движением электронов по орбитам, а вращением электронов вокруг своей оси.
Чтобы понять замысел магнетомеханических опытов и правильно оценить выводы, к которым привели эти опыты, нужно вычислить отношение магнитного момента кругового тока, создаваемого движением электрона, к механическому моменту количества движения электрона.
Величина любого тока, как известно, определяется количеством электричества, проходящего через поперечное сечение в единицу времени; очевидно, что величина тока, эквивалентного орбитальному вращению электрона, равна произведению заряда электрона на число оборотов в единицу времени где скорость движения электрона и радиус орбиты. Указанное произведение выражает величину эквивалентного тока в электростатических единицах. Чтобы получить величину тока в электромагнитных единицах, указанное произведение нужно разделить на скорость света (стр. 296); таким образом,
Круговой ток образует такое же магнитное поле, как магнитный листок с моментом, равным произведению тока на обтекаемую им площадь [формула (17)]:
Таким образом, мы видим, что движение электрона вокруг ядра сообщает атому магнитный момент, равный
Сопоставляя этот магнитный момент с механическим моментом количества движения электрона:
находим, что отношение магнитного момента к механическому импульсу не зависит ни от скорости движения электрона, ни от радиуса орбитьи
И действительно, более полная теория показывает, что уравнение (33) является справедливым не только для круговых орбит, но также и для эллиптических орбит электрона.
Вращение электрона вокруг своей оси сообщает самому электрону некоторый магнитный момент. Вращение электрона вокруг своей оси называют спином (от английского слова «спин», означающего вращение вокруг оси). Если предположить, что электрон имеет шарообразную форму и что заряд электрона распределен с равномерной плотностью по сферической поверхности, то вычисления показывают, что отношение спинового магнитного момента электрона к механическому импульсу вращения электрона вокруг своей оси в два раза больше, чем аналогичное отношение для орбитального движения:
Изложенные соображения о пропорциональности магнитного момента и импульса вращения указывают на то, что в известных условиях магнитные явления могут оказаться связанными с гироскопическими эффектами. Эту связь магнитных явлений с гироскопическими эффектами пытался экспериментально обнаружить еще Максвелл, но только Эйнштейну и де Гаазу (1915 г.), А. Ф. Иоффе и П. Л. Капице (1917 г.) и Барнету (1914 г. и 1922 г.) впервые удалось произвести удачные опыты. Эйнштейн и де Гааз установили, что железный стержень, подвешенный в соленоиде в качестве сердечника, при намагничивании током, пропускаемым через соленоид, приобретает импульс вращения (рис. 256). Чтобы получить заметный эффект, Эйнштейн и де Гааз воспользовались явлением резонанса, производя периодическое перемагничивание переменным током с частотой, совпадающей с частотой собственных крутильных колебаний стержня.
Рис. 256. Схема опыта Эйнштейна и де Гааза, а - зеркальце, О - источник света.
Эффект Эйнштейна и де Гааза объясняется следующим образом. При намагничивании оси элементарных магнитов - «электронных волчков» - ориентируются в направлении магнитного поля; геометрическая сумма импульсов вращения «электронных волчков» становится отличной от нуля, а так как в начале опыта импульс вращения железного стержня (рассматриваемого как механическая система атомов) был равен нулю, то по закону сохранения импульса вращения
(т. I, § 38) вследствие намагничивания стержень в целом должен приобрести импульс вращения, равный по величине, но противоположный по направлению геометрической сумме импульсов вращения «электронных волчков».
Барнет произвел опыт, обратный опыту Эйнштейна и де Гааза, а именно, Барнет вызвал намагничивание железного стержня, приведя его в быстрое вращение; намагничивание происходило в направлении, противоположном оси вращения. Подобно тому как вследствие суточного вращения Земли ось гирокомпаса принимает положение, параллельное земной оси (т. I, § 38), точно так же в опыте Барнета оси «электронных волчков» принимают положение-, параллельное оси вращения железного стержня (при этом вследствие того, что заряд электрона отрицателен, направление намагниченности будет противоположно оси вращения стержня).
В опытах А. Ф. Иоффе и П. Л. Капицы (1917 г.) железный намагниченный стержень, подвешенный на нити, подвергался быстрому нагреванию выше точки Кюри. При этом упорядоченное размещение «элементарных волчков», оси которых вследствие намагниченности были ориентированы по полю параллельно оси стержня, утрачивалось и заменялось хаотическим распределением направления осей, так что суммарный магнитный и механический моменты «элементарных волчков» оказывались близкими к нулю (рис. 257). В силу закона сохранения момента количества движения железный стержень при размагничивании приобретал импульс вращения.
Рис. 257. Схема, поясняющая идею опыта Иоффе - Капицы. а - железный стержень намагничен; б - стержень размагничен нагреванием выше точки Кюри.
Измерение магнитного момента и импульса вращения в опытах Эйнштейна и де Гааза, в опытах Барнета и в опытах Иоффе и Капицы, которые были неоднократно повторены многими учеными, показало, что отношение этих величин определяется формулой (34), а не формулой (33). Это указывает на то, что основным элементом магнетизма в железе (и вообще в ферромагнитных телах) является спин - осевое вращение электронов, а не орбитальное движение электронов вокруг положительных ядер атомов.
Однако и орбитальное движение электронов сказывается на магнитных свойствах веществ: магнитный момент атомов, ионов и молекул представляет собой геометрическую сумму спиновых и орбитальных магнитных моментов (впрочем, строение атомов таково, что определяющую роль в этой сумме опять-таки имеют спиновые моменты).
Когда суммарный магнитный момент частицы равен нулю, то вещество оказывается диамагнитным. Формально диамагнитные вещества характеризуются магнитной проницаемостью меньшей, чем единица следовательно, отрицательной магнитной восприимчивостью это означает, что диамагнитные вещества намагничиваются в направлении, противоположном напряженности намагничивающего поля.
Электронная теория объясняет диамагнетизм влиянием магнитного поля на орбитальное движение электронов вокруг ядер. Это движение электрона, как уже было пояснено, эквивалентно току. Когда на атом начинает действовать магнитное поле и напряженность его возрастает от нуля до некоторого значения «индуцируется добавочный ток», который согласно закону Ленца (§ 71) имеет такое направление, что созданный этим «добавочным током» магнитный момент всегда направлен противоположно возросшему от нуля до полю. Если намагничивающее поле перпендикулярно к плоскости орбиты, то оно просто изменяет скорость движения электрона по орбите, и это измененное значение скорости сохраняется все время, пока атом пребывает в магнитном поле; если же поле не перпендикулярно к плоскости орбиты, то возникает и устанавливается прецессионное движение оси орбиты вокруг направления поля (аналогично прецессии оси волчка вокруг вертикали, проходящей через точку опоры волчка) (т. I, § 38).
Вычисления приводят к нижеследующей формуле для магнитной восприимчивости диамагнитных веществ:
здесь заряд и масса электрона, число электронов в атоме, число атомов в единице объема вещества, средний радиус электронных орбит.
Таким образом, диамагнитный эффект является общим свойством всех веществ; однако этот эффект мал, и поэтому он может быть наблюдаем только в том случае, если нет противоположного ему сильного парамагнитного эффекта.
Теория парамагнетизма была разработана Ланжевеном в 1905 г. и развита на основе современных представлений Флеком, Стонером и др. (в 1927 и в последующие годы). В зависимости от строения атома магнитные моменты, создаваемые отдельными внутриатомными электронами, могут или взаимно компенсироваться, так что атом в целом оказывается немагнитным (подобные вещества проявляют диамагнитные свойства), или же результирующий магнитный момент атома оказывается отличным от нуля. В этом последнем случае, как показывает квантовая механика, магнитный момент атома (точнее, его электронной оболочки) закономерно выражается (т. III, §§ 59, 67-70) через своего рода «атом магнетизма» По квантовой
механике этим «атомом магнетизма» является магнитный момент создаваемый вращением электрона вокруг ядра, - магнетон Бора, равный
(здесь заряд электрона, постоянная Планка, с - скорость света, масса электрона).
Точно такой же магнитный момент имеет каждый электрон независимо от его движения вокруг ядра, но вследствие своего строения или, как условно говорят, вследствие своего вращения вокруг оси. Магнитный момент спина равен магнетону Бора, тогда как механический момент спина [в соответствии с формулами (33) и (34)] равен половине орбитального момента электрона.
Некоторые атомные ядра также имеют магнитные моменты, но в тысячи раз меньшие, чем магнитные моменты, присущие электронным оболочкам атомов § 115). Магнитные моменты ядер выражаются через ядерный магнетон, величина которого определяется такой же формулой, как величина магнетона Бора, если в этой формуле заменить массу электрона массой протона.
По теории Ланжевена, при намагничивании парамагнитного вещества молекулы ориентируются своими магнитными моментами по направлению силовых линий поля, но молекулярно-тепловое
движение в той или иной мере расстраивает эту ориентацию. Молекулярная картина намагничивания парамагнитного вещества аналогична поляризации диэлектрика (§ 22), если, конечно, представить себе, что жесткие электрические диполи заменены элементарными магнитиками, а электрическое поле - магнитным полем. О степени ориентации элементарных магнитиков в направлении намагничивающего поля можно судить по величине средней проекции магнитного момента на направление поля (рассчитанной на одну молекулу). При беспорядочном расположении осей элементарных магнитиков когда же все элементарные магнитики ориентированы в направлении поля,
Ланжевен показал, что при температуре и при напряженности внутреннего магнитного поля утр аналогично формуле для в § 22) отношение выражается следующей функцией:
При малых значениях как уже упоминалось в § 22, вышеуказанная функция Ланжевена (36) приобретает значение у, так что в этом случае
Очевидно, что намагниченность равна произведению величины на число молекул в единице объема:
Таким образом, при неизменной плотности вещества намагниченность обратно пропорциональна абсолютной температуре. Этот факт эмпирически установлен Кюри в 1895 г.
Для большинства парамагнитных веществ мало в сравнении с единицей, поэтому, подставив в формулу и заменив через можно пренебречь величиной в сравнении с единицей; тогда получаем:
где означает удельную магнитную восприимчивость (т. е. восприимчивость, отнесенную к единице массы). Эта формула носит название закона Кюри. Для многих парамагнетиков более точной является нижеследующая, более сложная форма закона Кюри [формула (31)]:
Величина для некоторых парамагнитных веществ положительна, для других отрицательна.
Парамагнитное вещество при намагничивании втягивается в пространство между полюсами магнита. Следовательно, при намагничивании парамагнитное вещество может производить работу, тогда как на размагничивание работа должна быть затрачена. В связи с этим, как было теоретически предсказано Дебаем, парамагнитные вещества при быстром адиабатном размагничивании должны испытывать некоторое охлаждение (в особенности в той области весьма низких температур, где магнитная восприимчивость парамагнетика сильно возрастает при понижении температуры). Опыты, проведенные с 1933 г. в ряде лабораторий, подтвердили выводы теории и послужили основой для разработки магнитного метода глубокого охлаждения тел. Парамагнитное вещество обычными методами охлаждают в магнитном поле до температуры жидкого гелия, после чего вещество быстро удаляют из магнитного поля, что и вызывает в этом веществе еще большее понижение температуры. Этим методом получают температуры, отличающиеся от абсолютного нуля на тысячные доли градуса.
Характерной особенностью ферромагнитных веществ является то, что в относительно слабых полях они намагничиваются почти до полного насыщения. Стало быть, в ферромагнетиках существуют какие-то силы, которые, преодолевая влияние теплового движения, содействуют упорядоченной ориентации элементарных магнитных моментов. Предположение о существовании внутреннего поля сил, содействующих намагничиванию ферромагнетиков, впервые было высказано русским ученым Б. Л. Розингом в 1892 г. и обосновано П. Вейсом в 1907 г.
В ферромагнитных веществах элементарными магнитами являются вращающиеся вокруг своей оси электроны - спины. В развитие идей Вейса предполагают, что спины, будучи расположены в узлах кристаллической решетки и взаимодействуя друг с другом, создают внутреннее поле, которое в отдельных мелких участках ферромагнитного кристалла (эти участки называют доменами) поворачивает все спины в одну сторону, так что каждый такой участок (домен) оказывается спонтанно (самопроизвольно) намагниченным до насыщения. Однако смежные участки кристалла в отсутствие внешнего магнитного поля имеют неодинаковое направление
намагниченности. Вычисления показывают, что, например, в кристаллах железа «самопроизвольное» намагничивание может происходить в направлении любого ребра кубической кристаллической ячейки.
Слабое внешнее магнитное поле заставляет все спины в домене повернуться в направлении того ребра кубической ячейки, которое составляет наименьший угол с направлением намагничивающего поля.
Рис. 258. Ориентация спинов в доменах при намагничивании ферромагнетика.
Более сильное поле вызывает новый поворот спинов ближе к направлению поля. Магнитное насыщение достигается тогда, когда магнитные моменты всех спонтанно намагниченных микрокристаллических участков окажутся ориентированными в направлении поля. При намагничивании поворачиваются не домены, но все спины в них; все спины в каком-либо микрокристаллике поворачиваются единовременно, как солдаты в строю; этот поворот спинов происходит сначала в одних доменах, потом в других. Таким образом, процесс намагничивания ферромагнитного вещества является ступенчатым (рис. 258).
Экспериментально ступенчатость намагничивания впервые была обнаружена Баркгаузеном (1919 г.). Простейший опыт, пригодный для демонстрации этого явления, заключается в следующем: железный стерженек, вложенный в катушку, соединенную с телефоном, постепенно намагничивают, медленно поворачивая подковообразный магнит, подвешенный над катушкой (рис. 259); при этом в телефоне слышится характерный шорох, который распадается на отдельные удары, если намагничивающее поле изменять достаточно медленно (на сотые доли эрстеда в 1 сек.).
Рис. 259. Опыт Баркгаузена.
Оказалось, что эффект Баркгаузена исключительно велик при намагничивании тонкой никелевой проволоки, которая предварительно была завита в локон протягиванием через блок, а затем вложена в капилляр, удерживающий ее принудительно в выпрямленном состоянии. Прерывистый характер намагничивания сказывается на диаграмме намагничивания в виде мельчайших ступенчатых уступов (рис. 260).
Области самопроизвольного намагничивания - домены - были экспериментально обнаружены и исследованы Н. С. Акуловым, который использовал для этого разработанный им порошковый метод магнитной дефектоскопии. Поскольку домены аналогичны маленьким магнитикам, на границе между ними поле не однородно.
Рис. 260. Ступенчатый характер кривых намагничивания. Участки, отмеченные окружностями, приведены в увеличенном масштабе.
Чтобы выявить очертания доменов, образец размагниченного ферромагнитного вещества помещают под микроскопом и покрывают поверхность образца жидкостью со взвешенной в ней тончайшей железной пылью. Железная пыль, собираясь около границ доменов, четко обозначает их контуры (рис. 261),
Рис. 261. Домены в чистом железе (а), в кремнистом железе (б) и в кобальте (в).
В поясненной выше картине происхождения ферромагнитных свойств некоторое время оставалась невыясненной одна важная часть, а именно природа сил, образующих то внутреннее поле, которое вызывает упорядоченную ориентацию спинов внутри доменов. В 1927 г. советский физик Я. Г. Дорфман осуществил опыт, показавший, что силы внутреннего поля в ферромагнетиках не
являются силами магнитного взаимодействия, а имеют иное происхождение. Выделив узкий пучок из потока быстро движущихся электронов («бета-лучей», выбрасываемых радиоактивными веществами), Дорфман заставил эти электроны проходить через тонкую ферромагнитную пленку никеля; за пленкой никеля была поставлена фотографическая пластинка, позволявшая после проявления определить место встречи с нею электронов, так что можно было с большой точностью измерить угол, на который электроны отклонялись, проходя через намагниченную пленку никеля (рис. 262). Расчет показывает, что если бы внутреннее поле в ферромагнетике имело природу обычных магнитных взаимодействий, то след электронного пучка сместился бы на фотопластинке в установке Дорфмана почти на 2 см; в действительности смещение оказалось ничтожно малым.
Рис. 262. Схема, поясняющая идею опыта Дорфмана.
Теоретические исследования проф. Френкеля (1928 г.) и позже Блоха, Стонера и Слейтера показали, что упорядоченная ориентация спинов в доменах вызывается особого рода силами, существование которых было вскрыто квантовой механикой и которые проявляются при химическом взаимодействии атомов (в ковалентной связи; т. I, § 130). Эти силы, согласно принятому в квантовой механике способу их вычисления и истолкования, называют обменными силами. Вычисления показали, что энергия обменного взаимодействия между атомами железа в монокристалле в сотни раз превышает энергию магнитного взаимодействия. Это согласуется с измерениями, которые были сделаны Я. Г. Дорфманом в упомянутых выше опытах.
Тем не менее практически наиболее важные свойства ферромагнетиков определяются не столько обменным взаимодействием, но преимущественно магнитным взаимодействием. Дело в том, что хотя существование областей «самопроизвольной» намагниченности (доменов) в ферромагнетиках вызывается обменными силами (упорядоченная ориентация спинов соответствует минимальной энергии обменного взаимодействия, т. е. является наиболее устойчивой), но преобладающие направления намагниченности доменов определяются симметрией кристаллической решетки и соответствуют минимуму энергии магнитного взаимодействия. А процесс технического намагничивания, как пояснено выше (рис. 258), заключается в опрокидывании всех спинов внутри отдельных доменов сначала в направлении той кристаллографической оси легкого намагничивания, которая составляет наименьший угол с направлением поля, а потом и в повороте спинов по направлению поля. Затраты энергии, необходимые для осуществления такого ступенчатого опрокидывания спинов поочередно во всех
доменах и поворота их по полю, а также ряд величин, которые зависят от указанных затрат энергии (величин, определяющих намагничивание, магнитострикцию и другие явления), наиболее успешно вычисляются методами, которые разработаны Н. С. Акуловым (с 1928 г.) и Е. Е. Кондорским (с 1937 г.).
Рис. 263. Сопоставление теоретических кривых намагниченности с экспериментальными данными (они показаны кружочками) для монокристалла железа.
Из рис. 263, который мы приводим в качестве одного из примеров, можно видеть, что теоретические кривые, полученные по уравнениям Н. С. Акулова, хорошо согласуются с экспериментальными данными; диаграмма справа представляет намагничивание монокристалла железа в направлении пространственной диагонали кубической решетки, диаграмма слева - то же в направлении диагонали грани куба,