Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Діти люблять грати з магнітами. Вони помітили, що з їхньою допомогою можна переміщати невеликі залізні предмети. Цікаво те, що це можна зробити віддалено, не торкаючись об'єктів. Отже: шпильки, цвяхи, скріпки таємниче переміщаються по столу, а ми керуємо всім за допомогою магніту, перенесеного під стільницю.
Також добре відомо, що розсіяна залізна тирса лежатиме біля магніту вздовж лінії магнітної індукції (рис. 1.).
Мал. 1. Магнітне поле навколо стрижневого магніту із зображенням залізної тирси.
Ви можете підвісити вертикальний «ланцюжок» до магніту, як показано на фотографії нижче (рис. 2). Хоча металеві частини не прикріплені одна до одної, вони тримаються разом. Чи вдався б такий трюк без присутності магніту?
Мал. 2. Ланцюжок із двох скріпок різного розміру та шпильки висить завдяки наявності магніту. Однак це стосується лише більшої скріпки.
У результаті видно, що два магніти можуть як притягувати, так і відштовхувати один одного залежно від їхнього взаємного розташування.
Ця стаття пояснить ці загадки - таємнича поведінка магніту та сталевих предметів у його околицях. Також пояснюється саме явище феромагнетизму, тобто. дуже сильне посилення магнітного поля, наприклад, залізом.
Що таке феромагнетизм?
Давайте почнемо з того, що таке феромагнетизм. Це фізичне явище, що полягає в колосальному посиленні магнітного поля шляхом приміщення в цьому полі відповідної речовини - феромагніту.Індукція магнітного поля, створюваного, наприклад, в електромагніті, може бути збільшена в сотні тисяч разів, якщо в електромагніт помістити відповідний сердечник.
Як об'єкти, наділені магнітним моментом, поводяться в магнітному полі?
Щоб зрозуміти, в чому полягає механізм феромагнетизму, ми повинні спочатку ввести поняття магнітного моменту.
Згадайте, як влаштований двигун постійного струму і як він працює. Простіше кажучи, це рамка з електричним струмом, вміщена в однорідне магнітне поле (рис. 3a). Така рамка, якщо її розташувати під будь-яким кутом, обертатиметься навколо осі, позначеної на малюнку.
Мал. 3а. Сили, що діють прямокутну рамку з електричним струмом, поміщену в магнітне поле
Це краще видно на рис. 3б., коли вісь обертання перпендикулярна площині малюнка.
Мал. 3б. Схематичне зображення двох векторів електродинамічної сили. Кожна сила діє однією сторону рамки, змушуючи її обертатися в магнітному полі
Рамка повернеться в положення, при якому лінії магнітної індукції будуть перпендикулярні площині рамки. Це постійне становище рівноваги рамки. Якби в системі не було демпфування, рама коливалася б навколо цього положення нескінченно довго.
Виявляється, що будь-який контур з електричним струмом, поки він вільний, обертається в магнітному полі до положення рівноваги. Величина моменту сили, що діє на такий контур, прямо пропорційна (крім іншого) величині площі S, займаної контуром, і електричному струму I, що протікає в ньому. Можна показати, що цей момент сили описується виразом:
M=μB ,
де μ - магнітний дипольний момент, що визначається для контуру з електричним струмом як: μ=IS. Вектор S перпендикулярний до поверхні, що охоплюється петлею, і за загальноприйнятою думкою, його напрямок показує великий палець правої руки, якщо складені пальці покажуть напрям електричного струму, що протікає у петлі.(рис. 4.).
Мал. 4. Дипольний магнітний момент, створюваний електричним струмом сили I, що охоплює область площею S
Інший (крім рамки з електричним струмом у магнітному полі) приклад об'єкта, що обертається в магнітному полі (в даному випадку – земному) – це стрілка компаса. З цього можна дійти невтішного висновку, що вона наділена магнітним моментом. Очевидно, всередині магнітної стрілки відбувається деякий рух зарядів. Про це ми розповімо надалі цієї статті. Крім того, важливо розуміти, що будь-який об'єкт, наділений магнітним моментом, сам є джерелом магнітного поля, причому вектор індукції B спрямований так само, як вектор магнітного моменту μ (рис. 5. і 6.).
Мал. 5. Круговий контур із електричним струмом у вигляді магнітного диполя (об'єкт, наділений магнітним дипольним моментом)
Мал. 6. Лінії магнітного поля, створювані магнітним диполем, який представлений у вигляді невеликого магніту. Вектор магнітного моменту спрямований від S до N полюса диполя
Тепер ми можемо легко показати, що об'єкт з магнітним моментом або втягується, або виштовхується з сильнішого поля залежно від орієнтації магнітного моменту μ щодо вектора індукції зовнішнього магнітного поля B0 Найпростіший спосіб уявити це - застосувати знання про відштовхування однополюсних і тяжіння різнополюсних полюсів. Це показано на рис. 7a. та 7b.
Мал. 7. a) Притягування до сильнішого поля (тяжіння до магніту). b) Відштовхування у бік слабшого поля (відштовхування від магніту)
Чому атоми можуть мати ненульовий магнітний момент і звідки він береться?
Поняття магнітного моменту має вирішальне значення для розуміння магнетизму різних речовин.Справа в тому, що в атомах – основних будівельних блоках речовин – ми маємо справу з рухом електронів, який можна розглядати як свого роду «атомний струм». Тому атом може бути наділений магнітним моментом. Правильне опис атомного магнітного моменту можна знайти лише у квантової фізики. Модель атома як петлі з електричним струмом має бути для нас достатньою.
Ми уявляємо будь-яку речовину як сукупність магнітних моментів. За відсутності відсутності зовнішнього магнітного поля (B0) магнітні моменти окремих атомів розташовуються довільним чином - їх результуючий (сумарний) магнітний момент дорівнює нулю (рис. 8а.).
Мал. 8a. Випадкове розташування магнітних моментів без зовнішнього магнітного поля: B0=0
Мал. 8b. Корельоване розташування магнітних моментів у присутності зовнішнього магнітного поля. Тут вектор B0 спрямований праворуч.
Однак якщо ми внесемо речовину до зовнішнього ненульового магнітного поля з індукцією B0, то все буде інакше. Магнітні моменти будуть обертатися, щоб вирівнятися з вектором індукції B0 - це їхнє рівноважне положення (рис. 8b.). Фактором, який значно ускладнює це впорядкування, є теплові рухи атомів.
Атоми у твердому тілі коливаються навколо своїх рівноважних положень, стикаються із сусідніми атомами, з вільними електронами. На рис. 6б ми представили описане явище у перебільшеному варіанті. Таке впорядкування магнітних моментів було б можливим у дуже сильному зовнішньому магнітному полі і за дуже низької температури. Тим не менш, сумарний магнітний момент всіх атомів тепер не дорівнюватиме нулю - речовина стане намагніченим, що означає, що вона сама стане магнітним диполем. Тому він реагуватиме на магнітне поле, так що, наприклад, весь зразок може бути втягнутий в область сильнішого поля.
Такий загальний механізм намагнічування речовин у разі парамагнетизму та феромагнетизму.
Якщо взяти, наприклад, зразок алюмінію та помістити його у зовнішнє магнітне поле, то значення магнітної індукції збільшиться в μrразів. Цей коефіцієнт називається відносною магнітною проникністю речовини. Для алюмінію μrз гарним наближенням становить 1.00002. З цього випливає, що магнітне поле, яке створюється під впливом зовнішнього поля в результаті «упорядкування» магнітних моментів, дуже мало. Зауважимо, що поле B складається із зовнішнього поля B0і поля Bs, що генерується в речовині. Всі ці вектори індукції мають однаковий напрямок та повернення, так що B=B0+ Bs=μrB0 , отже:
Bs=( μr- 1 )B0=0, 0 B0 .
Таке маленьке магнітне поле буде створено в алюмінії (парамагнетиці). Однак якщо взяти зразок сталі, магнітне поле можна посилити, наприклад, в 10 000 разів. Чому існує така різниця між поведінкою парамагніту та феромагнетика? Виявляється, це питання температури.Кожен феромагніт при нагріванні вище за певну температуру, так званої температури Кюрі, стає парамагнетиком. Типова температура навколишнього середовища нижче температури Кюрі сталі, але вище температури Кюрі алюмінію.
Використана література
- Іродов І.Є. Електромагнетизму. Основні закони. - 3-тє вид. М, Спб.: Лабораторія базових знань, 2000. – 352 с.
- Ландсберг Г.С. Елементарний підручник з фізики: Навчальний посібник. У 3-х томах. / За редакцією Г.С. Ландсберг: Т.П. Електрика та магнетизм. - 11-те вид. - М.: Наука, Фізматліт, 1995. - 480с.