Скорость магнитного поля. Магнитное поле: свойства, силовые линии и взаимодействие с веществом

Еще одним необычным рекордом являются сверхпроводящие магниты немецкого стелларатора Wendelstein 7-X со сложнейшей геометрией.

Итак, начнем мы с определения некоторых координат. Для постоянных магнитов, которые выпускает промышленность, характерны значения поля от 0,01 до 0,5 Т, причем неодимовые магниты в 0,5 Т уже воспринимаются как “сильные”. Рекорд, который можно выжать из постоянных магнитов ~1,5 Т у самой поверхности.

В электрических машинах (двигателях, генераторах, трансформаторах) поле внутри железных магнитопроводов ограничивается насыщением железа, полями где-то в 1,8-2,2 Т. В воздушном зазоре типичного асинхронного двигателя вы увидите скорее всего поле 0,5-0,8 Т, для рекордных по энергомассовым характеристикам BLDC моторов (4-5 кВт/кг) — 1. ..1,2 Т.

Довольно оригинальным применением силы неодимовых магнитов является 19 кВт электродвигатель (на снимке — красный цилиндр), 2 таких крутят насосы окислителя и горючего на новом ракетном двигателе «Резерфорд» компании Rocket lab.

Где-то начиная с 1,5 Т обычные медные электромагниты начинают испытывать трудности, прежде всего с отводом тепла. Необходимость перемежать медь с трубками водяного охлаждения, а также растущее межвитковое напряжение вздувает размеры магнита гораздо быстрее, чем растет поле. Витки, которые располагаются дальше от рабочего объема вносят относительно небольшой вклад в поле, а значит ток в основном расходуется на нагрев магнита, а не на создание поля.

Медь

Однако с 1930х годов и почти до сих пор рекордные стационарные поля достигались в практически обычных водоохлаждаемых медных магнитах. Это так называемые Биттеровские магниты, представляющие собой медную пластинку свитую в спираль и имеющую хитрую систему продольных каналов охлаждения. 2), электрические мощности в 1,10 и даже 30 мегаватт, и расход охлаждающей воды в десятки и сотни литров в секунду. Первый магнит на 10 Т был пущен в 1936 году, и следующие 30 лет держал рекорд по стационарному полю.

Американские биттеровские магниты 60-х годов на 25 Тесла.

Эта конструкция магнитов затем неоднократно оптимизировалась, и на сегодня рекорд поля в таких магнитах доведен до 38,5 Т в китайской лаборатории CHMFL. Мощность магнита составила 28,5 МВт с расходом охлаждающей воды в 500 литров в секунду (кстати, похоже к мощности магнита надо добавить еще примерно такую же на насосы, которые прокачивают эту воду через магнит). Ток около 36 тысяч ампер. При этом рекордное поле достигается в объеме диаметром всего 32 мм и длинной около 70 мм.

Китайский рекордный резистивный магнит — один заход спирали соленоида (из сплава CuAg), разрез и набор коаксиальных катушек.

Резистивные магниты сегодня подошли к лимитам возможностей материалов, и максимальное доступное поле в них растет в основном экстенсивно — за счет наращивания мощности системы питания и охлаждения, увеличения количества катушек. Подобные магниты сегодня в основном используются для изучения очень разнообразных физических явлений в небольших образцах, зачастую при низкой температуре. Поэтому такие магниты работают в центрах коллективного использования, когда физики привозят свои образцы и ап

Движение частиц в магнитном поле

Сила Лоренца направлена по правилу левой руки: если пальцы указывают направление вектора скорости частицы, а линии магнитной индукции “втыкаются” в ладонь, то большой палец укажет направление действия силы (для положительно заряженных частиц). То есть в любой момент времени сила направлена перпендикулярно скорости, а это значит, что двигаться частица будет по окружности.

Задача 1. Электрон движется в однородном магнитном поле с индукцией  Тл перпендикулярно линиям поля. Определить силу, действующую на электрон со стороны поля, если радиус кривизны траектории  см.

Сила Лоренца направлена все время перпендикулярно скорости, и поэтому траектория частицы закручивается. По второму закону Ньютона

Откуда

А сила тогда

Ответ: 1,4 пН
Задача 2. Определить  частоту обращения электрона по круговой орбите в магнитном поле, индукция которого Тл.
По второму закону Ньютона

Откуда

Частота обращения

Ответ: Гц, или 5,6 ГГц.
Задача 3.  Электрон влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно силовым линиям. Скорость электрона м/с, индукция магнитного поля мТл. Определить нормальное, тангенциальное ускорение электрона и радиус кривизны его траектории.

Откуда

Тогда нормальное ускорение равно:

Ответ: мм, м/с, .

Задача 4. Частица массой влетает перпендикулярно силовым линиям в однородное магнитное поле с индукцией В. Заряд частицы . Доказать, что период обращения частицы не зависит от ее скорости.

По второму закону Ньютона

Откуда

Период обращения – время одного оборота. Пусть частица движется по окружности радиуса , тогда длина этой окружности .  Период будет равен , а скорость частицы мы нашли, поэтому

Ответ: – не зависит от скорости.

Задача 5. Электрон движется в однородном магнитном поле с индукцией Тл по окружности радиусом см. Определить импульс электрона.

По второму закону Ньютона

Откуда

Импульс электрона будет равен

Ответ: кгм/с.

Задача 6. Электрон движется в магнитном поле с индукцией Тл по окружности радиусом см. Определить кинетическую энергию электрона (в джоулях и электрон-вольтах).

По второму закону Ньютона

Откуда

Или в электронвольтах  эВ.

Ответ: или 3500 эВ.
Задача 7. Заряженная частица с кинетической энергией Ек = 1 кэВ движется в однородном магнитном поле по окружности радиусом мм. Найти силу, действующую на частицу со стороны поля. 13.68.

По второму закону Ньютона

Ответ: Н.

ПЕРЕСОЕДИНЕНИЕ МАГНИТНЫХ СИЛОВЫХ ЛИНИЙ • Большая российская энциклопедия

• В книжной версии

  Том 25. Москва, 2014, стр. 665-666

• Скопировать библиографическую ссылку:

  ---

Авторы: Л.  М. Зелёный, Х. В. Малова

ПЕРЕСОЕДИНЕ́НИЕ МАГНИ́ТНЫХ СИ­ЛОВЫ́Х ЛИ́НИЙ в плаз­ме, из­ме­не­ние то­по­ло­гии си­ло­вых ли­ний маг­нит­но­го по­ля, свя­зан­ное с на­ру­ше­ни­ем их вмо­ро­жен­но­сти в плаз­му; обыч­но со­про­во­ж­да­ет­ся вы­сво­бо­ж­де­ни­ем сво­бод­ной маг­нит­ной энер­гии, на­ко­п­лен­ной в разл. плаз­мен­ных кон­фи­гу­ра­ци­ях, и её пре­об­ра­зо­ва­ни­ем в те­п­ло­вую и ки­не­тич. энер­гию час­тиц, ко­то­рые мо­гут ус­ко­рять­ся вплоть до ульт­ра­ре­ля­ти­ви­ст­ских ско­ро­стей. При П. м. с. л. воз­ни­ка­ют но­вые маг­нит­ные струк­ту­ры: маг­нит­ные пет­ли, ост­ро­ва, ней­траль­ные точ­ки и ли­нии, но­вые те­че­ния плаз­мы.

На­ру­ше­ние свой­ст­вен­ной иде­аль­ной маг­нит­ной гид­ро­ди­на­ми­ке вмо­ро­жен­но­сти маг­нит­но­го по­ля в плаз­му обу­слов­ли­ва­ет разл. ме­ха­низ­мы П. м. с. л.: ре­зи­стив­ный (вы­зван­ный ко­неч­ной элек­трич. про­во­ди­мо­стью плаз­мы $σ$), инер­ци­он­ный (обу­слов­лен­ный ко­неч­ной мас­сой но­си­те­лей за­ря­да – элек­тро­нов), а так­же свя­зан­ные с эф­фек­том Хол­ла, вяз­ко­стью и ани­зо­тро­пи­ей дав­ле­ния элек­трон­ной ком­по­нен­ты плаз­мы. Ки­не­тич. тео­рия по­зво­ля­ет учесть ме­ха­низм пе­ре­со­еди­не­ния, свя­зан­ный с бес­столк­но­ви­тель­ным ре­зо­нанс­ным Лан­дау за­ту­ха­ни­ем. П. м. с. л. воз­мож­но и при на­ли­чии ано­маль­но­го со­про­тив­ле­ния, воз­ни­каю­ще­го при рас­сея­нии элек­тро­нов на разл. плаз­мен­ных мик­ро­не­ус­той­чи­во­стях. Раз­ли­ча­ют вы­ну­ж­ден­ное и спон­тан­ное (про­ис­хо­дя­щее без внеш­не­го воз­дей­ст­вия) пе­ре­сое­ди­не­ние маг­нит­ных си­ло­вых ли­ний.

Рис. 1. Модель пересоединения Паркера – Свита.

В наи­бо­лее из­вест­ных мо­де­лях вы­нуж­ден­но­го пе­ре­со­еди­не­ния (мо­де­ли Пар­ке­ра – Сви­та, Пет­че­ка и Сы­ро­ват­ско­го) изу­ча­ют­ся те­че­ния плаз­мы под дей­ст­ви­ем внеш­не­го элек­трич. по­ля на­пря­жён­но­стью $\boldsymbol{E}_0$. В этих мо­де­лях маг­нит­ные по­ля ин­дук­ци­ей $\boldsymbol{B}_0$ на гра­ни­цах сис­те­мы на­прав­ле­ны ан­ти­па­рал­лель­но, по­это­му в центр. час­ти сис­те­мы су­ще­ст­ву­ет осо­бая ней­траль­ная ли­ния, где маг­нит­ное по­ле об­ра­ща­ет­ся в нуль. {1/2}$.

Мо­дель Пар­ке­ра – Сви­та хо­ро­шо опи­сы­ва­ет про­цес­сы мед­лен­но­го П. м. с. л. в столк­но­ви­тель­ной плаз­ме.

Рис. 2. Модель вынужденного пересоединения Петчека. Пересоединение силовых линий осуществляется в малой диффузионной области l. Синими линиями показаны ударные магнитогидродинамические волны, на котор…

В мо­де­ли Пет­че­ка (рис. 2) под дей­ст­ви­ем скре­щен­ных элек­трич. $\boldsymbol{E}_0$ и маг­нит­но­го $\boldsymbol{B}_0$ по­лей плаз­ма вме­сте с вмо­ро­жен­ны­ми маг­нит­ны­ми си­ло­вы­ми ли­ния­ми дрей­фу­ет со ско­ро­стью $\boldsymbol{u}$ к ней­траль­ной ли­нии, пер­пен­ди­ку­ляр­ной плос­ко­сти ри­сун­ка. Во­круг диф­фу­зи­он­ной об­лас­ти, где про­ис­хо­дит раз­рыв и пе­ре­со­еди­не­ние си­ло­вых ли­ний, рас­по­ло­же­ны че­ты­ре стоя­чие удар­ные вол­ны, пе­ре­се­кая ко­то­рые по­то­ки плаз­мы на­прав­ля­ют­ся на­пра­во или на­ле­во от об­лас­ти пе­ре­со­еди­не­ния. Удар­ные вол­ны из­ги­ба­ют маг­нит­ные си­ло­вые ли­нии; в ито­ге ско­рость пе­ре­со­еди­не­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся до ве­ли­чи­ны $M∼1/\ln Re_m$.

Рис. 3. Модель токового слоя Сыроватского.

В мо­де­ли раз­ры­ва ней­траль­но­го то­ко­во­го слоя Сы­ро­ват­ско­го про­цесс П. м. с. л. рас­смат­ри­ва­ет­ся как ди­на­ми­че­ский и не­ста­цио­нар­ный (рис. 3). Ис­ход­ная кон­фи­гу­ра­ция маг­нит­ных по­лей схо­жа с кон­фи­гу­ра­ци­ей мо­де­ли Пет­че­ка, но в ней под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля реа­ли­зует­ся те­че­ние не ква­зи­ста­цио­нар­но­го, а ку­му­ля­тив­но­го ти­па. По­ток вмо­ро­жен­но­го в плаз­му маг­нит­но­го по­ля, по­сту­паю­щий к ней­траль­ной ли­нии со ско­ро­стью $\boldsymbol{u}$, не ус­пе­ва­ет пе­ре­со­еди­нить­ся и «уп­лот­ня­ет­ся» в ок­ре­ст­но­сти уд­ли­няю­ще­го­ся в обе сто­ро­ны то­ко­во­го слоя, где плот­ность час­тиц бы­ст­ро убы­ва­ет, что при­во­дит к раз­ры­ву слоя. Воз­ни­ка­ют силь­ные им­пульс­ные ин­дук­ци­он­ные элек­трич. по­ля, ко­то­рые мо­гут ус­ко­рять час­ти­цы плаз­мы до боль­ших ско­ро­стей. Мо­дель Сы­ро­ват­ско­го, не­смот­ря на боль­шое ко­ли­че­ст­во уп­ро­щаю­щих пред­по­ло­же­ний, луч­ше дру­гих со­гла­су­ет­ся с совр. дан­ны­ми пря­мых спут­ни­ко­вых из­ме­ре­ний в маг­ни­то­сфе­ре Зем­ли. По­доб­ные ди­на­мич. мо­де­ли вы­ну­ж­ден­но­го пе­ре­со­еди­не­ния ис­поль­зу­ют­ся при ис­сле­до­ва­нии вспы­шек на Солн­це и в ла­бо­ра­тор­ных экс­пе­ри­мен­тах.

Рис. 4. Модель пересоединения магнитных силовых линий Данжи. Xд и Xн – нейтральные области,где происходит пересоединение. Красными стрелками показано направление движения плазмы при обтекании ма…

Про­цесс спон­тан­но­го пе­ре­со­еди­не­ния впер­вые ис­сле­до­ван в уп­ро­щён­ной мо­де­ли Хар­ри­са ней­траль­но­го то­ко­во­го слоя с ан­ти­па­рал­лель­ны­ми маг­нит­ны­ми по­ля­ми и ну­ле­вой по­пе­реч­ной ком­по­нен­той. На­ру­ше­ние вмо­ро­жен­но­сти маг­нит­но­го по­ля при­во­дит к пин­че­ва­нию по­пе­реч­но­го то­ка и об­ра­зо­ва­нию маг­нит­ных ост­ро­вов (см. рис. 1 в ст. Ней­траль­ный то­ко­вый слой). Спон­тан­ный про­цесс П. м. с. л. на­зы­ва­ет­ся раз­рыв­ной не­ус­той­чи­во­стью или ти­ринг-не­ус­той­чи­во­стью. Су­ще­ст­ву­ют её ре­зи­стив­ные, инер­ци­он­ные и ре­зо­нанс­ные мо­ды. Для бес­столк­но­ви­тель­ной кос­мич. плаз­мы ха­рак­тер­на ре­зо­нанс­ная мо­да, свя­зан­ная с за­туха­ни­ем Лан­дау. На­ли­чие нор­маль­ной ком­по­нен­ты маг­нит­но­го по­ля кар­ди­наль­но ме­ня­ет ус­той­чи­вость сис­те­мы. В бес­столк­но­ви­тель­ной плаз­ме раз­рыв­ная не­ус­той­чи­вость ста­би­ли­зи­ру­ет­ся, но маг­нит­ная кон­фи­гу­ра­ция ме­та­ста­биль­на. В сис­те­ме на­ка­п­ли­ва­ет­ся зна­чит. ко­ли­че­ст­во маг­нит­ной энер­гии, ко­то­рая при дос­ти­же­нии по­ро­го­вой ве­ли­чи­ны взрыв­ным об­ра­зом вы­сво­бо­ж­да­ет­ся. Эти свой­ст­ва про­цес­сов П. м. с. л. про­яв­ля­ют­ся в сол­неч­ных вспыш­ках и маг­ни­то­сфер­ных суб­бу­рях. В кос­мич. плаз­ме про­цес­сы П. м. с. л. кон­тро­ли­ру­ют струк­ту­ру и ди­на­ми­ку маг­ни­то­сфер пла­нет. Со­глас­но мо­де­ли Дан­жи (рис. 4), меж­пла­нет­ное и гео­маг­нит­ное по­ля пе­ре­со­еди­ня­ют­ся в ло­бо­вой об­лас­ти на гра­ни­це маг­ни­то­сфе­ры Зем­ли, об­ра­зуя ги­гант­ские маг­нит­ные «труб­ки» диа­мет­ром по­ряд­ка 1–2 ра­диу­сов Зем­ли. Эти маг­нит­ные «труб­ки» с по­то­ком сол­неч­ной плаз­мы, об­те­каю­щей маг­ни­то­сфе­ру, уно­сят­ся на ноч­ную сто­ро­ну Зем­ли и там сно­ва пе­ре­со­еди­ня­ют­ся в об­рат­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти.

Напряженность магнитного поля

Магнитные поля, создаваемые токами и рассчитываемые по закону Ампера или закону Био-Савара, характеризуются магнитным полем B, измеряемым в теслах. Но когда генерируемые поля проходят через магнитные материалы, которые сами вносят вклад во внутренние магнитные поля, могут возникнуть неоднозначности относительно того, какая часть поля исходит от внешних токов, а какая — от самого материала. Обычной практикой было определение другой величины магнитного поля, обычно называемой «силой магнитного поля», обозначенной Х.Его можно определить соотношением

и имеет значение, однозначно определяя управляющее магнитное влияние от внешних токов в материале, независимо от магнитного отклика материала. Отношение для B можно записать в эквивалентной форме

H и M будут иметь одинаковые единицы измерения, ампер / метр. Чтобы еще больше отличить B от H, B иногда называют плотностью магнитного потока или магнитной индукцией.Величина M в этих соотношениях называется намагниченностью материала.

Другая часто используемая форма отношения между B и H —

где

μ ₀ — магнитная проницаемость пространства, а K _м — относительная проницаемость материала. Если материал не реагирует на внешнее магнитное поле, создавая какую-либо намагниченность, то K _м = 1.Другой часто используемой магнитной величиной является магнитная восприимчивость, которая указывает, насколько относительная проницаемость отличается от единицы.

Для парамагнитных и диамагнитных материалов относительная проницаемость очень близка к 1, а магнитная восприимчивость очень близка к нулю. Для ферромагнитных материалов эти количества могут быть очень большими.

Единица измерения напряженности магнитного поля H может быть получена из ее отношения к магнитному полю B, B = мкГн.Так как единица магнитной проницаемости μ — N / A ² , то единица измерения напряженности магнитного поля:

Старой единицей измерения напряженности магнитного поля является эрстед: 1 А / м = 0,01257 эрстед

Высокоскоростная визуализация магнитных полей

За некоторое время до экспериментов с аппаратами МРТ и создания своего собственного компьютерного томографа [Питер Янсен] хотел визуализировать магнитные поля. Один из его небольших побочных проектов — создание трикодеров — карманных датчиков, которые отображают все, — и, поигравшись с функцией магнитометра на своем инструменте, одобренном Родденберри, он решил, что у него должен быть способ визуализировать магнитные поля.После некоторой работы у него есть инструменты, чтобы делать это с тысячами кадров в секунду. Это видеокамера для магнитных полей, расширяющая границы как технологии магнитного изображения, так и определения слова «камера».

Когда мы в последний раз смотрели на камеру с эффектом Холла [Питера], устройство работало, но не обязательно в комплекте. Первоначальная конструкция использовала мультиплексоры ввода-вывода I2C для адресации каждого отдельного «пикселя» массива эффекта Холла, ограничивая «частоту кадров» «камеры» примерно до 30 Гц.Хотя это сработает для визуализации статических магнитных полей, наиболее интересные магнитные поля вокруг нас колеблются — например, двигатели, трансформаторы и тому подобное. Требовалась гораздо более быстрая магнитная камера, и именно это [Питер] намеревался построить.

Вместо расширителя ввода / вывода [Питер] модернизировал свою конструкцию, чтобы использовать аналоговые мультиплексоры и двоичный счетчик для циклического перебора каждого пикселя по одному. По сути, новая схема использует два аналоговых мультиплексора для столбцов и строк массива эффекта Холла, двоичный счетчик для циклического перебора каждого пикселя на мегагерцовой скорости и быстрый АЦП для чтения каждого значения.Как ни странно, это образ жизни 1970-х годов; это простые микросхемы, а контроллеру (Chipkit Max32) нужно только прочитать одно аналоговое значение и очень быстро синхронизировать двоичный счетчик.

Благодаря новому дизайну [Питер] может получать чрезвычайно высокую частоту кадров около 2000 Гц. Этого достаточно для красивой визуализации вращающихся двигателей и трансформаторов, как показано на видео ниже. Дальнейшие усовершенствования могут включать трехосные магнитометры, которые должны позволить получить впечатляющие визуализации, подобные 3D-сканеру магнитного поля Теда Япо.

20.1 Магнитные поля, силовые линии и сила

Магниты и намагниченность

Люди знали о магнитах и ​​магнетизме тысячи лет. Самые ранние записи относятся к древним временам, особенно в регионе Малой Азии под названием Магнезия — название этого региона является источником таких слов, как магнит . Магнитные породы, обнаруженные в Магнезии, которая сейчас является частью западной Турции, вызвали интерес в древние времена.Когда люди впервые обнаружили магнитные породы, они, вероятно, обнаружили, что некоторые части этих пород притягивают куски железа или других магнитных пород сильнее, чем другие части. Эти области называются полюсами и магнита. Магнитный полюс — это часть магнита, которая оказывает наибольшую силу на другие магниты или магнитный материал, например, железо. Например, полюса стержневого магнита, показанного на рисунке 20.2, являются местом сосредоточения скрепок.

Рис. 20.2 Стержневой магнит со скрепками, притянутыми к двум полюсам.

Если стержневой магнит подвешен так, чтобы он мог свободно вращаться, один полюс магнита всегда будет поворачиваться на север, а противоположный полюс — на юг. Это открытие привело к созданию компаса, который представляет собой просто небольшой удлиненный магнит, установленный так, чтобы он мог свободно вращаться. Пример компаса показан на рисунке 20.3. Полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом, а противоположный полюс магнита — южным.

Рис. 20.3 Компас — это удлиненный магнит, установленный в устройстве, которое позволяет магниту свободно вращаться.

Открытие того, что один полюс магнита направлен на север, а другой — на юг, позволило людям идентифицировать северный и южный полюса любого магнита. Затем было замечено, что северные полюса двух разных магнитов отталкиваются друг от друга, как и южные полюса. И наоборот, северный полюс одного магнита притягивает южный полюс других магнитов. Эта ситуация аналогична ситуации с электрическим зарядом, когда одинаковые заряды отталкиваются, а разные — притягиваются.В магнитах мы просто заменяем заряд на полюс : полюса отталкиваются, а полюса — притягиваются. Это показано на рисунке 20.4, на котором показано, как сила между магнитами зависит от их взаимной ориентации.

Рис. 20.4. В зависимости от их взаимной ориентации полюса магнита будут притягиваться друг к другу или отталкиваться.

Еще раз рассмотрим тот факт, что полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом магнита. Если противоположные полюса притягиваются, то магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Северному полюсу, должен быть магнитным южным полюсом! Точно так же магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Южному полюсу, должен быть магнитным северным полюсом.Эта ситуация изображена на рис. 20.5, на котором Земля представлена ​​как содержащая гигантский внутренний стержневой магнит, южный магнитный полюс которого находится на географическом Северном полюсе, и наоборот. Если бы мы каким-то образом подвесили гигантский стержневой магнит в космосе возле Земли, то северный полюс космического магнита был бы притянут к южному полюсу внутреннего магнита Земли. По сути, именно это происходит со стрелкой компаса: ее северный магнитный полюс притягивается к южному полюсу внутреннего магнита Земли.

Рис. 20.5. Землю можно представить как содержащую гигантский магнит, проходящий через ее ядро. Южный магнитный полюс магнита Земли находится на географическом Северном полюсе, поэтому северный полюс магнитов притягивается к Северному полюсу, отсюда и название северного полюса магнитов. Точно так же южный полюс магнитов притягивается к географическому Южному полюсу Земли.

Что произойдет, если разрезать стержневой магнит пополам? Вы получаете один магнит с двумя южными полюсами и один магнит с двумя северными полюсами? Ответ отрицательный: каждая половина стержневого магнита имеет северный и южный полюсы.Вы даже можете продолжить разрезать каждую часть стержневого магнита пополам, и вы всегда получите новый, меньший магнит с двумя противоположными полюсами. Как показано на рисунке 20.6, вы можете продолжить этот процесс вплоть до атомного масштаба, и вы обнаружите, что даже самые маленькие частицы, которые ведут себя как магниты, имеют два противоположных полюса. Фактически, ни в одном эксперименте не было обнаружено никаких объектов с одним магнитным полюсом, от мельчайших субатомных частиц, таких как электроны, до самых больших объектов во Вселенной, таких как звезды.Поскольку магниты всегда имеют два полюса, их называют магнитными диполями: di означает два . Ниже мы увидим, что магнитные диполи обладают свойствами, аналогичными электрическим диполям.

Рис. 20.6. Все магниты имеют два противоположных полюса, от самых маленьких, таких как субатомные частицы, до самых больших, таких как звезды.

Watch Physics

Введение в магнетизм

Это видео представляет интересное введение в магнетизм и обсуждает, в частности, как электроны вокруг своих атомов вносят вклад в наблюдаемые нами магнитные эффекты.

Проверка захвата

К какому магнитному полюсу Земли притягивается северный полюс стрелки компаса?

1. Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
2. Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
3. Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.
4. Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.

Только некоторые материалы, такие как железо, кобальт, никель и гадолиний, обладают сильными магнитными эффектами. Такие материалы называются ферромагнетиками, по латинскому слову ferrum для железа. Другие материалы проявляют слабые магнитные эффекты, которые можно обнаружить только с помощью чувствительных инструментов. Ферромагнитные материалы не только сильно реагируют на магниты — так, как железо притягивается к магнитам, — но они также могут намагничиваться сами, то есть их можно заставить быть магнитными или превратить в постоянные магниты (рис.7). Постоянный магнит — это просто материал, который сохраняет свои магнитные свойства в течение длительного времени даже при воздействии размагничивающих воздействий.

Рисунок 20.7 Немагниченный кусок железа помещается между двумя магнитами, нагревается, а затем охлаждается, или просто постукивается в холодном состоянии. Утюг становится постоянным магнитом с выровненными полюсами, как показано: его южный полюс примыкает к северному полюсу исходного магнита, а его северный полюс примыкает к южному полюсу исходного магнита. Обратите внимание, что силы притяжения создаются между центральным магнитом и внешними магнитами.

Когда магнит приближают к ранее немагниченному ферромагнитному материалу, он вызывает локальное намагничивание материала с противоположными полюсами, расположенными ближе всего, как показано на правой стороне рисунка 20.7. Это вызывает силу притяжения, поэтому немагнитное железо притягивается к магниту.

То, что происходит в микроскопическом масштабе, показано на Рисунке 7 (а). Области внутри материала, называемые доменами, действуют как маленькие стержневые магниты. Внутри доменов магнитные полюса отдельных атомов выровнены.Каждый атом действует как крошечный стержневой магнит. В немагнитном ферромагнитном объекте домены имеют небольшие размеры и ориентированы случайным образом. В ответ на внешнее магнитное поле домены могут вырасти до миллиметра, выравниваясь, как показано на рисунке 7 (b). Это индуцированное намагничивание можно сделать постоянным, если материал нагреть, а затем охладить, или просто постучать в присутствии других магнитов.

Рис. 20.8 (a) Немагниченный кусок железа или другой ферромагнитный материал имеет случайно ориентированные домены.(b) При намагничивании внешним магнитом домены демонстрируют большее выравнивание, и некоторые из них растут за счет других. Отдельные атомы выровнены внутри доменов; каждый атом действует как крошечный стержневой магнит.

И наоборот, постоянный магнит можно размагнитить сильными ударами или нагреванием в отсутствие другого магнита. Повышенное тепловое движение при более высокой температуре может нарушить и изменить ориентацию и размер доменов. Для ферромагнитных материалов существует четко определенная температура, называемая температурой Кюри, выше которой они не могут намагничиваться.Температура Кюри для железа составляет 1043 К (770 ° C ° C), что намного выше комнатной температуры. Есть несколько элементов и сплавов, температура Кюри которых намного ниже комнатной, и ферромагнитные только ниже этих температур.

Snap Lab

Магниты на холодильник

Мы знаем, что подобные магнитные полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются. Посмотрим, сможете ли вы показать это для двух магнитов на холодильник. Прилипнут ли магниты, если их перевернуть? Почему они вообще прилепляются к дверце холодильника? Что можете сказать о магнитных свойствах дверцы холодильника возле магнита? Магниты на холодильник прилипают к металлическим или пластиковым ложкам? Прилипают ли они ко всем типам металла?

Проверка захвата

У вас есть один магнит с обозначенными северным и южным полюсами.Как вы можете использовать этот магнит для определения северного и южного полюсов других магнитов?

1. Если северный полюс известного магнита отталкивается полюсом неизвестного магнита при приближении их, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.
2. Если северный полюс известного магнита притягивается к полюсу неизвестного магнита при приближении их, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.