Свойство магнитного поля: Магнитное поле и его свойства

Магнитное поле и его свойства

Магнитное поле это материя, которая возникает вокруг источников электрического тока, а также вокруг постоянных магнитов. В пространстве магнитное поле отображается как совокупление сил, которые способны оказать воздействие на намагниченные тела. Это действие объясняется наличием движущих разрядов на молекулярном уровне.

Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле. Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.

Свойства магнитного поля:
1. Магнитное поле возникает под воздействие движущих зарядов электрического тока.
2. В любой своей точке магнитное поле характеризуется вектором физической величины под названием

магнитная индукция, которая является силовой характеристикой магнитного поля.
3. Магнитное поле может воздействовать только на магниты, на токопроводящие проводники и движущиеся заряды.
4. Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа
5. Магнитное поле измеряется только специальными приборами и не может быть воспринятым органами чувств человека.
6. Магнитное поля является электродинамическим, так как порождается только при движении заряженных частиц и оказывает влияние только на заряды, которые находятся в движении.
7. Заряженные частицы двигаются по перпендикулярной траектории.

Размер магнитного поля зависит от скорости изменения магнитного поля. Соответственно этому признаку существуют два вида магнитного поля: динамичное магнитное поле и гравитационное магнитное поле. Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей строения этих частиц.

Магнитный момент возникает в том случае, когда магнитное поле воздействует на токопроводящую раму. Другими словами, магнитный момент это вектор, который расположен на ту линию, которая идет перпендикулярно раме.

Магнитное поле можно изобразить графически с помощью магнитных силовых линий. Эти линии проводятся в таком направлении, так чтобы направление сил поля совпало с направлением самой силовой линии. Магнитные силовые линии являются непрерывными и замкнутыми одновременно.

Направление магнитного поля определяется с помощью магнитной стрелки. Силовые линии определяют также полярность магнита, конец с выходом силовых линий это северный полюс, а конец, с входом этих линий, это южный полюс.

Очень удобно наглядно оценить магнитное поле с помощью обычных железных опилок и листка бумаги.
Если мы на постоянный магнит положим лист бумаги, а сверху насыпим опилок, то частички железа выстроятся соответственно силовым линиям магнитного поля.

Направление силовых линий для проводника удобно определять по знаменитому правилу буравчика или правилу правой руки. Если мы обхватим проводник рукой так, чтобы большой палец смотрел по направлению тока(от плюса к минусу), то 4 оставшиеся пальцы покажут нам направление силовых линий магнитного поля.

А направление силы Лоренца — силы, с которой действует магнитное поле на заряженную частицу или проводник с током, по правилу левой руки.
Если мы расположим левую руку в магнитном поле так, что 4 пальца смотрели по направлению тока в проводнике , а силовые линии входили в ладонь, то большой палец укажет направление силы Лоренца, силы действующей на проводник помещенный в магнитное поле.

На этом собственно всё. Появившиеся вопросы обязательно задавайте в комментариях.

Заметка: учите инглиш? — рейтинг школ английского языка (http://www.schoolrate.ru/) будет вам полезен при выборе.

---

Если материал был полезен, вы можете отправить донат или поделиться данным материалом в социальных сетях:

---

Магнитное поле. Свойства магнитного поля. — Студопедия

Магнитное поле – это особая форма материи, которая создается магнитами, проводниками с током (движущимися заряженными частицами) и которую можно обнаружить по взаимодействию магнитов, проводников с током (движущихся заряженных частиц).

Опыт Эрстеда

Первыми экспериментами (проведены в 1820 г.), показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда.

Магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника, поворачивается на некоторый угол при включении тока в проводнике. При размыкании цепи стрелка возвращается в исходное положение.

Из опыта Г. Эрстеда следует, что вокруг этого проводника существует магнитное поле.

Опыт Ампера
Два параллельных проводника, по которым протекает электрический ток, взаимодействуют между собой: притягиваются, если токи сонаправлены, и отталкиваются, если токи направлены противоположно. Это происходит из-за взаимодействия возникающих вокруг проводников магнитных полей.

Свойства магнитного поля

1. Материально, т.е. существует независимо от нас и наших знаний о нём.

2. Создаётся магнитами, проводниками с током (движущимися заряженными частицами)

3. Обнаруживается по взаимодействию магнитов, проводников с током (движущихся заряженных частиц)

4. Действует на магниты, проводники с током (движущиеся заряженные частицы) с некоторой силой

5. Никаких магнитных зарядов в природе не существует. Нельзя разделить северный и южный полюсы и получить тело с одним полюсом.

6. Причина, вследствие которой тела обладают магнитными свойствами, была найдена французским учёным Ампером. Ампер выдвинул заключение — магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него.

Эти токи представляют собой движение электронов по орбитам в атоме.

Если плоскости, в которых циркулируют эти токи, расположены беспорядочно по отношению друг к другу вследствие теплового движения молекул, составляющих тело, то их взаимодействия взаимно компенсируются и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает.

И наоборот: если плоскости, в которых вращаются электроны, параллельны друг другу и направления нормалей к этим плоскостям совпадают, то такие вещества усиливают внешнее магнитное поле.

7. Магнитные силы действуют в магнитном поле по определенным направлениям, которые называют магнитными силовыми линиями. С их помощью можно удобно и наглядно показывать магнитное поле в том или ином случае.

Чтобы более точно изобразить магнитное поле, условились в тех местах, где поле сильнее, показывать силовые линии расположенными гуще, т.е. ближе друг к другу. И наоборот, в местах, где поле слабее, показывают силовые линии в меньшем количестве, т.е. расположенными реже.

8. Магнитное поле характеризует вектор магнитной индукции.

Вектор магнитной индукции — векторная величина, характеризующая магнитное поле.

Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса свободной магнитной стрелки в данной точке.

Направление вектора индукции поля и силы тока I связаны «правилом правого винта (буравчика)»:

если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление скорости движения конца его рукоятки в данной точке совпадет с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.

МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Содержание статьи

МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА. Простейшие проявления магнетизма известны очень давно и знакомы большинству из нас. Однако объяснить эти, казалось бы, простые явления на основе фундаментальных принципов физики удалось лишь сравнительно недавно.

Существуют магниты двух разных видов. Одни – так называемые постоянные магниты, изготовляемые из «магнитно-твердых» материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитно-мягкого» железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.

Магнитные полюса и магнитное поле.

Магнитные свойства стержневого магнита наиболее заметны вблизи его концов. Если такой магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то он займет положение, примерно соответствующее направлению с севера на юг. Конец стержня, указывающий на север, называют северным полюсом, а противоположный конец – южным полюсом. Разноименные полюса двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные взаимно отталкиваются.

Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок ненамагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний – одноименным. Притяжением между полюсом магнита и индуцированным им в бруске противоположным полюсом и объясняется действие магнита. Некоторые материалы (например, сталь) сами становятся слабыми постоянными магнитами после того, как побывают около постоянного магнита или электромагнита. Стальной стержень можно намагнитить, просто проведя по его торцу концом стержневого постоянного магнита.

Итак, магнит притягивает другие магниты и предметы из магнитных материалов, не находясь в соприкосновении с ними. Такое действие на расстоянии объясняется существованием в пространстве вокруг магнита магнитного поля. Некоторое представление об интенсивности и направлении этого магнитного поля можно получить, насыпав на лист картона или стекла, положенный на магнит, железные опилки. Опилки выстроятся цепочками в направлении поля, а густота линий из опилок будет соответствовать интенсивности этого поля. (Гуще всего они у концов магнита, где интенсивность магнитного поля наибольшая.)

М.Фарадей (1791–1867) ввел для магнитов понятие замкнутых линий индукции. Линии индукции выходят в окружающее пространство из магнита у его северного полюса, входят в магнит у южного полюса и проходят внутри материала магнита от южного полюса обратно к северному, образуя замкнутую петлю. Полное число линий индукции, выходящих из магнита, называется магнитным потоком. Плотность магнитного потока, или магнитная индукция (

В), равна числу линий индукции, проходящих по нормали через элементарную площадку единичной величины.

Магнитной индукцией определяется сила, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем проводник с током. Если проводник, по которому проходит ток I, расположен перпендикулярно линиям индукции, то по закону Ампера сила F, действующая на проводник, перпендикулярна и полю, и проводнику и пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника. Таким образом, для магнитной индукции B можно написать выражение

где F – сила в ньютонах, I – ток в амперах, l – длина в метрах. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл) (см. также ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ).

Гальванометр.

Гальванометр – чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используется вращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна.

Намагничивающая сила и напряженность магнитного поля.

Далее следует ввести еще одну величину, характеризующую магнитное действие электрического тока. Предположим, что ток проходит по проводу длинной катушки, внутри которой расположен намагничиваемый материал. Намагничивающей силой называется произведение электрического тока в катушке на число ее витков (эта сила измеряется в амперах, так как число витков – величина безразмерная). Напряженность магнитного поля Н равна намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины катушки. Таким образом, величина Н измеряется в амперах на метр; ею определяется намагниченность, приобретаемая материалом внутри катушки.

В вакууме магнитная индукция B пропорциональна напряженности магнитного поля Н:

где m0 – т.н. магнитная постоянная, имеющая универсальное значение 4pЧ10^–7 Гн/м. Во многих материалах величина B приблизительно пропорциональна Н. Однако в ферромагнитных материалах соотношение между B и Н несколько сложнее (о чем будет сказано ниже).

На рис. 1 изображен простой электромагнит, предназначенный для захвата грузов. Источником энергии служит аккумуляторная батарея постоянного тока. На рисунке показаны также силовые линии поля электромагнита, которые можно выявить обычным методом железных опилок.

Крупные электромагниты с железными сердечниками и очень большим числом ампер-витков, работающие в непрерывном режиме, обладают большой намагничивающей силой. Они создают магнитную индукцию до 6 Тл в промежутке между полюсами; эта индукция ограничивается лишь механическими напряжениями, нагреванием катушек и магнитным насыщением сердечника. Ряд гигантских электромагнитов (без сердечника) с водяным охлаждением, а также установок для создания импульсных магнитных полей был сконструирован П.Л.Капицей (1894–1984) в Кембридже и в Институте физических проблем АН СССР и Ф.Биттером (1902–1967) в Массачусетском технологическом институте. На таких магнитах удавалось достичь индукции до 50 Тл. Сравнительно небольшой электромагнит, создающий поля до 6,2 Тл, потребляющий электрическую мощность 15 кВт и охлаждаемый жидким водородом, был разработан в Лосаламосской национальной лаборатории. Подобные поля получают при криогенных температурах.

Магнитная проницаемость и ее роль в магнетизме.

Магнитная проницаемость m – это величина, характеризующая магнитные свойства материала. Ферромагнитные металлы Fe, Ni, Co и их сплавы обладают очень высокими максимальными проницаемостями – от 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермаллоя). В таких материалах при сравнительно малых напряженностях поля H возникают большие индукции B, но связь между этими величинами, вообще говоря, нелинейна из-за явлений насыщения и гистерезиса, о которых говорится ниже. Ферромагнитные материалы сильно притягиваются магнитами. Они теряют свои магнитные свойства при температурах выше точки Кюри (770° С для Fe, 358° С для Ni, 1120° С для Co) и ведут себя как парамагнетики, для которых индукция B вплоть до очень высоких значений напряженности H пропорциональна ей – в точности так же, как это имеет место в вакууме. Многие элементы и соединения являются парамагнитными при всех температурах. Парамагнитные вещества характеризуются тем, что намагничиваются во внешнем магнитном поле; если же это поле выключить, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля.

На рис. 2 представлена типичная петля гистерезиса для магнитно-твердого (с большими потерями) ферромагнитного материала. Она характеризует неоднозначную зависимость намагниченности магнитоупорядоченного материала от напряженности намагничивающего поля. С увеличением напряженности магнитного поля от исходной (нулевой) точки (1) намагничивание идет по штриховой линии 1–2, причем величина m существенно изменяется по мере того, как возрастает намагниченность образца. В точке 2 достигается насыщение, т.е. при дальнейшем увеличении напряженности намагниченность больше не увеличивается. Если теперь постепенно уменьшать величину H до нуля, то кривая B(H) уже не следует по прежнему пути, а проходит через точку 3, обнаруживая как бы «память» материала о «прошлой истории», откуда и название «гистерезис». Очевидно, что при этом сохраняется некоторая остаточная намагниченность (отрезок 1–3). После изменения направления намагничивающего поля на обратное кривая В (Н) проходит точку 4, причем отрезок (1)–(4) соответствует коэрцитивной силе, препятствующей размагничиванию. Дальнейший рост значений (-H) приводит кривую гистерезиса в третий квадрант – участок 4–5. Следующее за этим уменьшение величины (-H) до нуля и затем возрастание положительных значений H приведет к замыканию петли гистерезиса через точки 6, 7 и 2.

Магнитно-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса, охватывающей значительную площадь на диаграмме и потому соответствующей большим значениям остаточной намагниченности (магнитной индукции) и коэрцитивной силы. Узкая петля гистерезиса (рис. 3) характерна для магнитно-мягких материалов – таких, как мягкая сталь и специальные сплавы с большой магнитной проницаемостью. Такие сплавы и были созданы с целью снижения обусловленных гистерезисом энергетических потерь. Большинство подобных специальных сплавов, как и ферриты, обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.

Магнитные материалы с высокой проницаемостью изготовляются путем отжига, осуществляемого выдерживанием при температуре около 1000° С, с последующим отпуском (постепенным охлаждением) до комнатной температуры. При этом очень существенны предварительная механическая и термическая обработка, а также отсутствие в образце примесей. Для сердечников трансформаторов в начале 20 в. были разработаны кремнистые стали, величина m которых возрастала с увеличением содержания кремния. Между 1915 и 1920 появились пермаллои (сплавы Ni с Fe) с характерной для них узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса. Особенно высокими значениями магнитной проницаемости m при малых значениях H отличаются сплавы гиперник (50% Ni, 50% Fe) и му-металл (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тогда как в перминваре (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практически постоянна в широких пределах изменения напряженности поля. Среди современных магнитных материалов следует упомянуть супермаллой – сплав с наивысшей магнитной проницаемостью (в его состав входит 79% Ni, 15% Fe и 5% Mo).

Теории магнетизма.

Впервые догадка о том, что магнитные явления в конечном счете сводятся к электрическим, возникла у Ампера в 1825, когда он высказал идею замкнутых внутренних микротоков, циркулирующих в каждом атоме магнита. Однако без какого-либо опытного подтверждения наличия в веществе таких токов (электрон был открыт Дж.Томсоном лишь в 1897, а описание структуры атома было дано Резерфордом и Бором в 1913) эта теория «увяла». В 1852 В.Вебер высказал предположение, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнит, или магнитный диполь, так что полная намагниченность вещества достигается, когда все отдельные атомные магниты оказываются выстроенными в определенном порядке (рис. 4,б). Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение вопреки возмущающему влиянию тепловых колебаний этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное «трение». Его теория смогла объяснить намагничивание тел при соприкосновении с магнитом, а также их размагничивание при ударе или нагреве; наконец, объяснялось и «размножение» магнитов при разрезании намагниченной иглы или магнитного стержня на части. И все же эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явлений насыщения и гистерезиса. Теория Вебера была усовершенствована в 1890 Дж.Эвингом, заменившим его гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые составляют постоянный магнит.

Подход к проблеме, предложенный когда-то Ампером, получил вторую жизнь в 1905, когда П.Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Кроме того, Ланжевен ввел понятие магнитного момента, равного для отдельного атомного магнита произведению «магнитного заряда» полюса на расстояние между полюсами. Таким образом, слабый магнетизм парамагнитных материалов обусловлен суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами.

В 1907 П.Вейс ввел понятие «домена», ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Вейс представлял домены в виде небольших «колоний» атомов, в пределах которых магнитные моменты всех атомов в силу каких-то причин вынуждены сохранять одинаковую ориентацию, так что каждый домен намагничен до насыщения. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм и соответственно объем порядка 10^–6 мм³. Домены разделены так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. «Стенка» и два противоположно ориентированных домена схематически изображены на рис. 5. Такие стенки представляют собой «переходные слои», в которых происходит изменение направления намагниченности доменов.

В общем случае на кривой первоначального намагничивания можно выделить три участка (рис. 6). На начальном участке стенка под действием внешнего поля движется сквозь толщу вещества, пока не встретит дефект кристаллической решетки, который ее останавливает. Увеличив напряженность поля, можно заставить стенку двигаться дальше, через средний участок между штриховыми линиями. Если после этого напряженность поля вновь уменьшить до нуля, то стенки уже не вернутся в исходное положение, так что образец останется частично намагниченным. Этим объясняется гистерезис магнита. На конечном участке кривой процесс завершается насыщением намагниченности образца за счет упорядочения намагниченности внутри последних неупорядоченных доменов. Такой процесс почти полностью обратим. Магнитную твердость проявляют те материалы, у которых атомная решетка содержит много дефектов, препятствующих движению междоменных стенок. Этого можно достичь механической и термической обработкой, например путем сжатия и последующего спекания порошкообразного материала. В сплавах алнико и их аналогах тот же результат достигается путем сплавления металлов в сложную структуру.

Кроме парамагнитных и ферромагнитных материалов, существуют материалы с так называемыми антиферромагнитными и ферримагнитными свойствами. Различие между этими видами магнетизма поясняется на рис. 7. Исходя из представления о доменах, парамагнетизм можно рассматривать как явление, обусловленное наличием в материале небольших групп магнитных диполей, в которых отдельные диполи очень слабо взаимодействуют друг с другом (или вообще не взаимодействуют) и потому в отсутствие внешнего поля принимают лишь случайные ориентации (рис. 7,а). В ферромагнитных же материалах в пределах каждого домена существует сильное взаимодействие между отдельными диполями, приводящее к их упорядоченному параллельному выстраиванию (рис. 7,б). В антиферромагнитных материалах, напротив, взаимодействие между отдельными диполями приводит к их антипараллельному упорядоченному выстраиванию, так что полный магнитный момент каждого домена равен нулю (рис. 7,в). Наконец, в ферримагнитных материалах (например, ферритах) имеется как параллельное, так и антипараллельное упорядочение (рис. 7,г), итогом чего оказывается слабый магнетизм.

Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. Первое из них – так называемый эффект Баркгаузена, второе – метод порошковых фигур. В 1919 Г.Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. С точки зрения доменной теории это не что иное, как скачкообразное продвижение междоменной стенки, встречающей на своем пути отдельные задерживающие ее дефекты. Данный эффект обычно обнаруживается с помощью катушки, в которую помещается ферромагнитный стерженек или проволока. Если поочередно подносить к образцу и удалять от него сильный магнит, образец будет намагничиваться и перемагничиваться. Скачкообразные изменения намагниченности образца изменяют магнитный поток через катушку, и в ней возбуждается индукционный ток. Напряжение, возникающее при этом в катушке, усиливается и подается на вход пары акустических наушников. Щелчки, воспринимаемые через наушники, свидетельствует о скачкообразном изменении намагниченности.

Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (обычно Fe₃O₄). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля – на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Был предложен также метод, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал.

Первоначальная теория магнетизма Вейса в своих основных чертах сохранила свое значение до настоящего времени, получив, однако, обновленную интерпретацию на основе представления о нескомпенсированных электронных спинах как факторе, определяющем атомный магнетизм. Гипотеза о существовании собственного момента у электрона была выдвинута в 1926 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком, и в настоящее время в качестве «элементарных магнитов» рассматриваются именно электроны как носители спина.

Для пояснения этой концепции рассмотрим (рис. 8) свободный атом железа – типичного ферромагнитного материала. Две его оболочки (K и L), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй – восемь электронов. В K-оболочке спин одного из электронов положителен, а другого – отрицателен. В L-оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех – отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент равен нулю. В M-оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направленные в одну сторону, и лишь шестой – в другую. В результате остаются четыре нескомпенсированных спина, чем и обусловлены магнитные свойства атома железа. (Во внешней N-оболочке всего два валентных электрона, которые не дают вклада в магнетизм атома железа.) Сходным образом объясняется магнетизм и других ферромагнетиков, например никеля и кобальта. Поскольку соседние атомы в образце железа сильно взаимодействуют друг с другом, причем их электроны частично коллективизируются, такое объяснение следует рассматривать лишь как наглядную, но весьма упрощенную схему реальной ситуации.

Теорию атомного магнетизма, основанную на учете спина электрона, подкрепляют два интересных гиромагнитных эксперимента, один из которых был проведен А.Эйнштейном и В.де Гаазом, а другой – С.Барнеттом. В первом из этих экспериментов цилиндрик из ферромагнитного материала подвешивался так, как показано на рис. 9. Если по проводу обмотки пропустить ток, то цилиндрик поворачивается вокруг своей оси. При изменении направления тока (а следовательно, и магнитного поля) он поворачивается в обратном направлении. В обоих случаях вращение цилиндрика обусловлено упорядочением электронных спинов. В эксперименте Барнетта, наоборот, так же подвешенный цилиндрик, резко приведенный в состояние вращения, в отсутствие магнитного поля намагничивается. Этот эффект объясняется тем, что при вращении магнетика создается гироскопический момент, стремящийся повернуть спиновые моменты по направлению собственной оси вращения.

За более полным объяснением природы и происхождения короткодействующих сил, упорядочивающих соседние атомные магнитики и противодействующих разупорядочивающему влиянию теплового движения, следует обратиться к квантовой механике. Квантово-механическое объяснение природы этих сил было предложено в 1928 В.Гейзенбергом, который постулировал существование обменных взаимодействий между соседними атомами. Позднее Г.Бете и Дж.Слэтер показали, что обменные силы существенно возрастают с уменьшением расстояния между атомами, но по достижении некоторого минимального межатомного расстояния падают до нуля.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Одно из первых обширных и систематических исследований магнитных свойств вещества было предпринято П.Кюри. Он установил, что по своим магнитным свойствам все вещества можно разделить на три класса. К первому относятся вещества с резко выраженными магнитными свойствами, подобными свойствам железа. Такие вещества называются ферромагнитными; их магнитное поле заметно на значительных расстояниях (см. выше). Во второй класс попадают вещества, называемые парамагнитными; магнитные свойства их в общем аналогичны свойствам ферромагнитных материалов, но гораздо слабее. Например, сила притяжения к полюсам мощного электромагнита может вырвать из ваших рук железный молоток, а чтобы обнаружить притяжение парамагнитного вещества к тому же магниту, нужны, как правило, очень чувствительные аналитические весы. К последнему, третьему классу относятся так называемые диамагнитные вещества. Они отталкиваются электромагнитом, т.е. сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферро- и парамагнетики.

Измерение магнитных свойств.

При изучении магнитных свойств наиболее важное значение имеют измерения двух типов. Первый из них –измерения силы, действующей на образец вблизи магнита; так определяется намагниченность образца. Ко второму относятся измерения «резонансных» частот, связанных с намагничением вещества. Атомы представляют собой крошечные «гироскопы» и в магнитном поле прецессируют (как обычный волчок под влиянием вращающего момента, создаваемого силой тяжести) с частотой, которая может быть измерена. Кроме того, на свободные заряженные частицы, движущиеся под прямым углом к линиям магнитной индукции, действует сила, как и на электронный ток в проводнике. Она заставляет частицу двигаться по круговой орбите, радиус которой дается выражением

R = mv/eB,

где m – масса частицы, v – ее скорость, e – ее заряд, а B – магнитная индукция поля. Частота такого кругового движения равна

где f измеряется в герцах, e – в кулонах, m – в килограммах, B – в теслах. Эта частота характеризует движение заряженных частиц в веществе, находящемся в магнитном поле. Оба типа движений (прецессию и движение по круговым орбитам) можно возбудить переменными полями с резонансными частотами, равными «естественным» частотам, характерным для данного материала. В первом случае резонанс называется магнитным, а во втором – циклотронным (ввиду сходства с циклическим движением субатомной частицы в циклотроне).

Говоря о магнитных свойствах атомов, необходимо особо остановиться на их моменте импульса. Магнитное поле действует на вращающийся атомный диполь, стремясь повернуть его и установить параллельно полю. Вместо этого атом начинает прецессировать вокруг направления поля (рис. 10) с частотой, зависящей от дипольного момента и напряженности приложенного поля.

Прецессия атомов не поддается непосредственному наблюдению, поскольку все атомы образца прецессируют в разной фазе. Если же приложить небольшое переменное поле, направленное перпендикулярно постоянному упорядочивающему полю, то между прецессирующими атомами устанавливается определенное фазовое соотношение и их суммарный магнитный момент начинает прецессировать с частотой, равной частоте прецессии отдельных магнитных моментов. Важное значение имеет угловая скорость прецессии. Как правило, это величина порядка 10¹⁰ Гц/Тл для намагниченности, связанной с электронами, и порядка 10⁷ Гц/Тл для намагниченности, связанной с положительными зарядами в ядрах атомов.

Принципиальная схема установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представлена на рис. 11. В однородное постоянное поле между полюсами вводится изучаемое вещество. Если затем с помощью небольшой катушки, охватывающей пробирку, возбудить радиочастотное поле, то можно добиться резонанса на определенной частоте, равной частоте прецессии всех ядерных «гироскопов» образца. Измерения сходны с настройкой радиоприемника на частоту определенной станции.

Методы магнитного резонанса позволяют исследовать не только магнитные свойства конкретных атомов и ядер, но и свойства их окружения. Дело в том, что магнитные поля в твердых телах и молекулах неоднородны, поскольку искажены атомными зарядами, и детали хода экспериментальной резонансной кривой определяются локальным полем в области расположения прецессирующего ядра. Это и дает возможность изучать особенности структуры конкретного образца резонансными методами.

Расчет магнитных свойств.

Магнитная индукция поля Земли составляет 0,5Ч10^–4 Тл, тогда как поле между полюсами сильного электромагнита – порядка 2 Тл и более.

Магнитное поле, создаваемое какой-либо конфигурацией токов, можно вычислить, пользуясь формулой Био – Савара – Лапласа для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока. Расчет поля, создаваемого контурами разной формы и цилиндрическими катушками, во многих случаях весьма сложен. Ниже приводятся формулы для ряда простых случаев. Магнитная индукция (в теслах) поля, создаваемого длинным прямым проводом с током I (ампер), на расстоянии r (метров) от провода равна

Индукция в центре кругового витка радиуса R с током I равна (в тех же единицах):

Плотно намотанная катушка провода без железного сердечника называется соленоидом. Магнитная индукция, создаваемая длинным соленоидом c числом витков N в точке, достаточно удаленной от его концов, равна

Здесь величина NI/L есть число ампер (ампер-витков) на единицу длины соленоида. Во всех случаях магнитное поле тока направлено перпендикулярно этому току, а сила, действующая на ток в магнитном поле, перпендикулярна и току, и магнитному полю.

Поле намагниченного железного стержня сходно с внешним полем длинного соленоида с числом ампер-витков на единицу длины, соответствующим току в атомах на поверхности намагниченного стержня, поскольку токи внутри стержня взаимно компенсируются (рис. 12). По имени Ампера такой поверхностный ток называется амперовским. Напряженность магнитного поля H_a, создаваемая амперовским током, равна магнитному моменту единицы объема стержня M.

Если в соленоид вставлен железный стержень, то кроме того, что ток соленоида создает магнитное поле H, упорядочение атомных диполей в намагниченном материале стержня создает намагниченность M. В этом случае полный магнитный поток определяется суммой реального и амперовского токов, так что B = m0(H + H_a), или B = m0(H + M). Отношение M/H называется магнитной восприимчивостью и обозначается греческой буквой c ; c – безразмерная величина, характеризующая способность материала намагничиваться в магнитном поле.

Величина B/H, характеризующая магнитные свойства материала, называется магнитной проницаемостью и обозначается через ma, причем ma = m0m, где ma – абсолютная, а m – относительная проницаемости,

В ферромагнитных веществах величина c может иметь очень большие значения –до 10⁴ё10⁶. Величина c у парамагнитных материалов немного больше нуля, а у диамагнитных – немного меньше. Лишь в вакууме и в очень слабых полях величины c и m постоянны и не зависят от внешнего поля. Зависимость индукции B от H обычно нелинейна, а ее графики, т.н. кривые намагничивания, для разных материалов и даже при разных температурах могут существенно различаться (примеры таких кривых приведены на рис. 2 и 3).

Магнитные свойства вещества весьма сложны, и для их глубокого понимания необходим тщательный анализ строения атомов, их взаимодействий в молекулах, их столкновений в газах и их взаимного влияния в твердых телах и жидкостях; магнитные свойства жидкостей пока наименее изучены.

Магнитное поле, его свойства и характеристики.

Магнитное поле — форма существования материи, окружающей движущиеся электрические заряды (проводники с током, постоянные магниты).

Это название обусловлено тем, что, как обнаружил в 1820 году датский физик Ханс Эрстед, оно оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. Опыт Эрстеда: под проволокой с током помещалась магнитная стрелка, вращающаяся на игле. При включении тока она устанавливалась перпендикулярно проволоке; при изменении направления тока поворачивалась в противоположную сторону.

Основные свойства магнитного поля:

1) порождается движущимися электрическими зарядами, проводниками с током, постоянными магнитами и переменным электрическим полем;

2) действует с силой на движущиеся электрические заряды, проводники с током, намагниченные тела;

3) переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле.

Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно иметь векторную силовую характеристику. Ее обозначают и называют магнитной индукцией.

Магнитное поле изображается графически с помощью магнитных силовых линий или линий магнитной индукции. Магнитными силовыми линиями называются линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются железные опилки или оси маленьких магнитных стрелок. В каждой точке такой линии вектор направлен по касательной.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты, что говорит об отсутствии в природе магнитных зарядов и вихревом характере магнитного поля.

Условно они выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Густота линий выбирается так, чтобы число линий через единицу площади, перпендикулярную магнитному полю, было пропорционально величине магнитной индукции.

 

Магнитное соленоида с током

Направление линий определяется правилом правого винта. Соленоид — катушка с током, витки которой расположены вплотную друг к другу, а диаметр витка много меньше длины катушки.

Магнитное поле внутри соленоида является однородным. Магнитное поле называется однородным, если вектор в любой точке постоянен.

Магнитное поле соленоида аналогично магнитному полю полосового магнита.

Соленоид с током представляет собой электромагнит.

 

Опыт показывает, что для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: индукция магнитного поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме индукций магнитных полей, создаваемых каждым током или зарядом:

Вектор вводится одним из 3-х способов:

а) из закона Ампера;

б) по действию магнитного поля на рамку с током;

в) из выражения для силы Лоренца.

Ампер экспериментально установил, что сила с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током I, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе

тока I и векторному произведению элемента длины на магнитную индукцию :

— закон Ампера

 

Направление вектора может быть найдено согласно общим правилам векторного произведения, откуда следует правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы магнитные силовые линии входили в нее, а 4 вытянутых пальца направить по току, то отогнутый большой палец покажет направление силы.

Сила, действующая на провод конечной длины, найдется интегрированием по всей длине.

При I = const, B=const, F = B×I×l×sina

Если a =90⁰, F = B×I×l

Индукция магнитного поля — векторная физическая величина, численно равная силе, действующей в однородном магнитном поле на проводник единичной длины с единичной силой тока, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям.

1Тл — индукция однородного магнитного поля, в котором на проводник длиной 1м с током в 1А, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям, действует сила 1Н.

До сих пор мы рассматривали макротоки, текущие в проводниках. Однако, согласно предположению Ампера, в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах. Эти микроскопические молекулярные токи создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в полях макротоков, создавая в теле дополнительное магнитное поле. Вектор характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, т.е. при одном и том же макротоке вектор в различных средах имеет разные значения.

Магнитное поле макротоков описывается вектором магнитной напряженности .

Для однородной изотропной среды

,

m₀= 4p×10^-7Гн/м — магнитная постоянная, m₀= 4p×10^-7Н/А²,

m — магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков изменяется за счет поля микротоков среды.

 

Похожие статьи:

Магнитные свойства вещества

Магнетики — вещества, обладающие магнитными свойствами. Магнетиками являются все вещества, поскольку согласно гипотезе Ампера, магнитные свойства создаются элементарными токами (движением электрона в атоме).

Электрон, вращающийся по замкнутой орбите, представляет собой ток, направление которого противоположно движению электрона. Тогда это движение создает магнитное поле, магнитный момент которого p_m = IS направлен по правилу правой руки перпендикулярно плоскости орбиты.

 

Кроме того, независимо от орбитального движения, электроны обладают собственным магнитным моментом (спином). Таким образом, магнетизм атомов обусловлен двумя причинами: движением электронов по орбитам и собственным магнитным моментом. 

При внесении магнетика во внешнее магнитное поле с индукцией В₀ он намагничивается, то есть создает собственное магнитное поле с индукцией В’, которое складывется с внешним:

В =  В₀ + В’

Индукция собственного магнитного поля зависит как от внешнего поля, так и от магнитной восприимчивости χ вещества:

 В’ = χ В₀

Тогда В = В₀ + χ В₀ = В₀ (1 + χ)

Но магнитная индукция внутри магнетика зависит от магнитной проницаемости вещевтва:

В = μ В₀ 

Отсюда μ = 1 + χ.

Магнитная восприимчивость χ — физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе

Магнитная проницаемость μ — коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией и напряжённостью магнитного поля в веществе

В отличие от диэлектрической проницаемости вещества, которая всегда больше единицы, магнитная проницаемость может быть как больше, так и меньше единицы. Различают диамагнетики (μ < 1), парамагнетики (μ > 1) и ферромагнетики (μ >> 1).

Диамагнетики

Диамагнетиками называются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции поля.

К диамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов, молекул или ионов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и многие другие органические и неорганические соединения.

В случае отсутствия магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома равен нулю.

Т.к. диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойственен всем веществам.

Следует отметить, что магнитная проницаемость у диамагнетиков µ < 1. Вот, например, у золота µ = 0,999961, у меди µ = 0,9999897 и т.д.

В магнитном поле диамагнетики располагаются перпендикулярно силовым линиям внешнего магнитного поля.

Парамагнетики

Парамагнетики – вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля.

У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетиков во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов).

Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его.

При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается.

Вот некоторые парамагнитные вещества: алюминий µ = 1,000023; воздух µ = 1,00000038.

Во внешнем магнитном поле парамагнетики располагаются вдоль силовых линий.

Ферромагнетики

Ферромагнетиками называются твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры.

Ферромагнетики в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков являются сильномагнитными средами:

внутреннее магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле.

Ферромагнитные материалы в большой или меньшей степени обладают магнитной анизотропией, т.е. свойством намагничиваться с различной степенью трудности в различных направлениях.

Магнитные свойства ферромагнитных материалов сохраняются до тех пор, пока их температура не достигнет значения, называемого точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри ферромагнетик ведет себя во внешнем магнитном поле как парамагнитное вещество. Он не только теряет свои ферромагнитные свойства, но у него изменяется теплоемкость, электропроводимость и некоторые другие физические характеристики.

Точка Кюри для различных материалов различна:

Железо (Fe)	780 οС
Никель (Ni)	350 οС
Кобальт (Co)	1130 οС
Гадолиний (Gd)	16 οС
Диспрозий (Dy)	-186 οС

 

Природа ферромагнетизма:

Согласно представлениям Вейсса (1865-1940), его описательной теории ферромагнетизма, ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью независимо от наличия внешнего намагничивающего поля. Однако это вносило некое противоречие, т.к. многие ферромагнитные материалы при температурах ниже точки Кюри не намагничены.

Для устранения этого противоречия Вейсс ввел гипотезу, согласно которой ферромагнетик ниже точки Кюри разбивается на большое число малых микроскопических (порядка 10^-3– 10^-2 см) областей – доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных атомов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю, т.е. ферромагнетик не намагничен.

Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как в парамагнетике, а целых областей спонтанной намагниченности. Поэтому с ростом H намагниченность J  и магнитная индукция B уже в слабых полях растет довольно быстро.

Различные ферромагнитные материалы обладают неодинаковой способностью проводить магнитный поток. Основной характеристикой ферромагнитного материала является петля магнитного гистерезиса В(Н). Эта зависимость определяет значение магнитной индукции, которая будет возбуждена в магнитопроводе из данного материала при воздействии некоторой напряженности поля.

Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетика. Пусть первоначально он был полностью размагничен. Сначала индукция быстро возрастает за счет того, что магнитные диполи ориентируются по силовым линиям поля, добавляя свой магнитный поток к внешнему. Затем ее рост замедляется по мере того, как количество неориентированных диполей уменьшается и, наконец, когда практически все они ориентируются по внешнему полю рост индукции прекращается и наступает режим насыщения.

Гистерезисом называют отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля.

Симметричная петля гистерезиса, полученная при максимальной напряженности поля H_m, соответствующей насыщению ферромагнетика, называется предельным циклом.

Для предельного цикла устанавливают также значения индукции B_r при H = 0, которое называется остаточной индукцией, и значение H_c при B = 0, называемое коэрцитивной силой. Коэрцитивная (удерживающая) сила показывает, какую напряженность внешнего поля следует приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля.

Форма и характерные точки предельного цикла определяют свойства ферромагнетика. Вещества с большой остаточной индукцией, коэрцитивной силой и площадью петли гистерезиса называются магнитнотвердыми.

Они используются для изготовления постоянных магнитов. Вещества с малой остаточной индукцией и площадью петли гистерезиса (кривая 2 рис.8а) называются магнитномягкими и используются для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств, в особенности работающих при периодически изменяющемся магнитном потоке.

Площадь петли гистерезиса характеризует работу, которую необходимо совершить для перемагничивания ферромагнетика. Если по условиям работы ферромагнетик должен перемагничиваться, то его следует делать из магнито-мягкого материала, площадь петли гистерезиса которого мала. Из мягких ферромагнетиков делают сердечники трансформаторов. 

Из жестких ферромагнетиков (сталь и ее сплавы) делают постоянные магниты.

 

                                     

Теория магнитного поля: векторные свойства магнитного поля

Используя векторное исчисление, мы можем создать некоторые свойства любого магнитного поля, независимо от конкретного источника поля.

Линейные интегралы магнитных полей.

Напомним, что при изучении электрических полей мы установлено, что поверхностный интеграл через любую замкнутую поверхность в поле был равен 4 Π раз больше полного заряда, заключенного на поверхности. Мы желаем развивать подобное свойство для магнитных полей.Однако для магнитных полей мы используем не замкнутую поверхность, а замкнутый цикл. Рассмотрим замкнутый циркуляр петля радиуса r вокруг прямого провода, по которому течет ток I , как показано ниже. Замкнутый путь вокруг прямого провода Каков линейный интеграл вокруг этого замкнутого контура? Мы выбрали путь с постоянный радиус, поэтому магнитное поле в каждой точке пути одинаково: Б = . Кроме того, общая длина пути — это просто длина окружности: л = 2 Πr .Таким образом, поскольку поле постоянно на путь, линейный интеграл просто:

линейный интеграл

B · ds = Bl = (2 Πr ) =

Это уравнение, называемое законом Ампера, весьма удобно. Мы составили уравнение для линии интеграл магнитного поля, независимо от положения относительно источник. Фактически, это уравнение справедливо для любого замкнутого контура вокруг провода, не просто круговой (см. проблемы).

@@ Уравнение @@ можно обобщить для любого количества проводов, несущих любое количество токов в любом направлении. Не будем вдаваться в вывод, но просто сформулируем общее уравнение.

B · ds = × полный ток на пути

Обратите внимание, что путь не обязательно должен быть круглым или перпендикулярным проводам. В На рисунке ниже показана конфигурация замкнутого пути вокруг ряда проводов: Рисунок%: Замкнутый путь, охватывающий 4 провода Интеграл по окружности на рисунке равен ( I ₁ + I ₂ — I ₃ — I ₄ ) .Обратите внимание, что два провода направлены вниз. вычитаются, поскольку их поле указывает в противоположном направлении от кривая.

Это уравнение, подобное поверхностному интегральному уравнению для электрических полей, имеет вид мощный и позволяет нам значительно упростить многие физические ситуации.

Завихрение магнитного поля.

Из этого уравнения мы можем сгенерировать выражение для ротора магнитное поле. Теорема Стокса утверждает, что:

B · ds = curl B · da Мы уже установили, что B · ds = .Таким образом: локон B · da = Чтобы убрать интеграл из этого уравнения, мы включаем понятие тока плотность, Дж . Напомним, что I = J · da . Подставляя это в нашу уравнение, мы находим, что Понятно, что тогда:

=

Таким образом, ротор магнитного поля в любой точке равен плотности тока в таком случае.Это простейшее утверждение, связывающее магнитное поле и движущиеся обвинения. Это математически эквивалентно линейному интегральному уравнению мы разрабатывали раньше, но с ним легче работать в теоретическом смысле.

Дивергенция магнитного поля.

Напомним, что расходимость электрического поля равнялась полному заряду плотность в данной точке. Мы уже качественно рассмотрели, что есть нет такой вещи, как магнитный заряд. Все магнитные поля, по сути, созданы движущимися зарядами, а не статическими.Таким образом, поскольку нет магнитных зарядов, в магнитном поле расходимости нет:

= 0

Этот факт остается верным для любой точки в любом магнитном поле. Наши выражения для расходимости и ротора магнитного поля достаточно для однозначного описания любого магнитное поле от плотности тока в поле. Уравнения для дивергенция и завиток чрезвычайно сильны; вместе с уравнениями для дивергенции и ротора электрического поля они, как говорят, охватывают математически все исследование электричества и магнетизма..

магнетизм | Определение, примеры, физика и факты

Магнетизм , явление, связанное с магнитными полями, возникающими в результате движения электрических зарядов. Это движение может принимать разные формы. Это может быть электрический ток в проводнике или заряженные частицы, движущиеся в пространстве, или это может быть движение электрона по атомной орбитали. Магнетизм также связан с элементарными частицами, такими как электрон, которые обладают свойством, называемым спином.

Основы

В основе магнетизма лежат магнитные поля и их влияние на материю, как, например, отклонение движущихся зарядов и крутящих моментов на другие магнитные объекты.Свидетельством наличия магнитного поля является магнитная сила, действующая на заряды, движущиеся в этом поле; сила направлена ​​под прямым углом как к полю, так и к скорости заряда. Эта сила отклоняет частицы, не меняя их скорости. Отклонение можно наблюдать в крутящем моменте стрелки компаса, который выравнивает стрелку с магнитным полем Земли. Игла представляет собой тонкий кусок железа, намагниченный, то есть небольшой стержневой магнит. Один конец магнита называется северным полюсом, а другой — южным.Сила между северным и южным полюсами притягательна, тогда как сила между такими же полюсами отталкивающая. Магнитное поле иногда называют магнитной индукцией или плотностью магнитного потока; он всегда обозначается B . Магнитные поля измеряются в единицах тесла (Тл). (Другой единицей измерения, обычно используемой для B , является гаусс, хотя он больше не считается стандартной единицей измерения. Один гаусс равен 10 ⁻⁴ тесла.)

Основным свойством магнитного поля является то, что его поток через любую замкнутую поверхность равен нулю.(Замкнутая поверхность — это поверхность, полностью окружающая объем.) Математически это выражается как div B = 0 и может быть понято физически в терминах линий поля, представляющих B . Эти линии всегда замыкаются сами по себе, поэтому, если они входят в определенный объем в какой-то момент, они также должны покинуть этот объем. В этом отношении магнитное поле сильно отличается от электрического поля. Силовые линии электрического поля могут начинаться и заканчиваться на заряде, но, несмотря на многочисленные поиски так называемых магнитных монополей, не было найдено эквивалентного магнитного заряда.

Наиболее распространенным источником магнитных полей является электрическая петля. Это может быть электрический ток в круглом проводнике или движение вращающегося электрона в атоме. С обоими этими типами токовых петель связан магнитный дипольный момент, значение которого составляет i A , произведение тока i и площади контура A . Кроме того, электроны, протоны и нейтроны в атомах имеют магнитный дипольный момент, связанный с их собственным спином; такие магнитные дипольные моменты представляют собой еще один важный источник магнитных полей.Частицу с магнитным дипольным моментом часто называют магнитным диполем. (Магнитный диполь можно представить как крошечный стержневой магнит. Он имеет такое же магнитное поле, что и такой магнит, и ведет себя таким же образом во внешних магнитных полях.) При помещении во внешнее магнитное поле магнитный диполь может подвергаться воздействию крутящий момент, который стремится выровнять его с полем; если внешнее поле неоднородно, на диполь также может действовать сила.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской.Подпишитесь сегодня

Все вещества в той или иной степени проявляют магнитные свойства. При помещении в неоднородное поле материя либо притягивается, либо отталкивается в направлении градиента поля. Это свойство описывается магнитной восприимчивостью вещества и зависит от степени намагниченности вещества в поле. Намагниченность зависит от размера дипольных моментов атомов в веществе и степени выравнивания дипольных моментов относительно друг друга.Определенные материалы, такие как железо, демонстрируют очень сильные магнитные свойства из-за выравнивания магнитных моментов их атомов в определенных небольших областях, называемых доменами. В нормальных условиях различные домены имеют компенсирующие поля, но их можно выровнять друг с другом для создания чрезвычайно сильных магнитных полей. Различные сплавы, такие как NdFeB (сплав неодима, железа и бора), поддерживают выравнивание своих доменов и используются для изготовления постоянных магнитов. Сильное магнитное поле, создаваемое типичным магнитом из этого материала толщиной три миллиметра, сравнимо с электромагнитом, сделанным из медной петли, по которой проходит ток в несколько тысяч ампер.Для сравнения, ток в обычной лампочке составляет 0,5 ампера. Поскольку выравнивание доменов материала создает магнит, нарушение упорядоченного выравнивания разрушает магнитные свойства материала. Тепловое перемешивание, возникающее в результате нагрева магнита до высокой температуры, разрушает его магнитные свойства.

Магнитные поля сильно различаются по силе. Некоторые типичные значения приведены в таблице.

Типичные магнитные поля
внутри атомных ядер	10 11 т
в сверхпроводящих соленоидах	20 т
в циклотроне со сверхпроводящей катушкой	5 т
возле небольшого керамического магнита	0.1 т
Поле Земли на экваторе	4 (10 −5 ) т
в межзвездном пространстве	2 (10 −10 ) т

.

магнетизм | Определение, примеры, физика и факты

Магнетизм , явление, связанное с магнитными полями, возникающими в результате движения электрических зарядов. Это движение может принимать разные формы. Это может быть электрический ток в проводнике или заряженные частицы, движущиеся в пространстве, или это может быть движение электрона по атомной орбитали. Магнетизм также связан с элементарными частицами, такими как электрон, которые обладают свойством, называемым спином.

Основы

В основе магнетизма лежат магнитные поля и их влияние на материю, как, например, отклонение движущихся зарядов и крутящих моментов на другие магнитные объекты.Свидетельством наличия магнитного поля является магнитная сила, действующая на заряды, движущиеся в этом поле; сила направлена ​​под прямым углом как к полю, так и к скорости заряда. Эта сила отклоняет частицы, не меняя их скорости. Отклонение можно наблюдать в крутящем моменте стрелки компаса, который выравнивает стрелку с магнитным полем Земли. Игла представляет собой тонкий кусок железа, намагниченный, то есть небольшой стержневой магнит. Один конец магнита называется северным полюсом, а другой — южным.Сила между северным и южным полюсами притягательна, тогда как сила между такими же полюсами отталкивающая. Магнитное поле иногда называют магнитной индукцией или плотностью магнитного потока; он всегда обозначается B . Магнитные поля измеряются в единицах тесла (Тл). (Другой единицей измерения, обычно используемой для B , является гаусс, хотя он больше не считается стандартной единицей измерения. Один гаусс равен 10 ⁻⁴ тесла.)

Основным свойством магнитного поля является то, что его поток через любую замкнутую поверхность равен нулю.(Замкнутая поверхность — это поверхность, полностью окружающая объем.) Математически это выражается как div B = 0 и может быть понято физически в терминах линий поля, представляющих B . Эти линии всегда замыкаются сами по себе, поэтому, если они входят в определенный объем в какой-то момент, они также должны покинуть этот объем. В этом отношении магнитное поле сильно отличается от электрического поля. Силовые линии электрического поля могут начинаться и заканчиваться на заряде, но, несмотря на многочисленные поиски так называемых магнитных монополей, не было найдено эквивалентного магнитного заряда.

Наиболее распространенным источником магнитных полей является электрическая петля. Это может быть электрический ток в круглом проводнике или движение вращающегося электрона в атоме. С обоими этими типами токовых петель связан магнитный дипольный момент, значение которого составляет i A , произведение тока i и площади контура A . Кроме того, электроны, протоны и нейтроны в атомах имеют магнитный дипольный момент, связанный с их собственным спином; такие магнитные дипольные моменты представляют собой еще один важный источник магнитных полей.Частицу с магнитным дипольным моментом часто называют магнитным диполем. (Магнитный диполь можно представить как крошечный стержневой магнит. Он имеет такое же магнитное поле, что и такой магнит, и ведет себя таким же образом во внешних магнитных полях.) При помещении во внешнее магнитное поле магнитный диполь может подвергаться воздействию крутящий момент, который стремится выровнять его с полем; если внешнее поле неоднородно, на диполь также может действовать сила.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской.Подпишитесь сегодня

Все вещества в той или иной степени проявляют магнитные свойства. При помещении в неоднородное поле материя либо притягивается, либо отталкивается в направлении градиента поля. Это свойство описывается магнитной восприимчивостью вещества и зависит от степени намагниченности вещества в поле. Намагниченность зависит от размера дипольных моментов атомов в веществе и степени выравнивания дипольных моментов относительно друг друга.Определенные материалы, такие как железо, демонстрируют очень сильные магнитные свойства из-за выравнивания магнитных моментов их атомов в определенных небольших областях, называемых доменами. В нормальных условиях различные домены имеют компенсирующие поля, но их можно выровнять друг с другом для создания чрезвычайно сильных магнитных полей. Различные сплавы, такие как NdFeB (сплав неодима, железа и бора), поддерживают выравнивание своих доменов и используются для изготовления постоянных магнитов. Сильное магнитное поле, создаваемое типичным магнитом из этого материала толщиной три миллиметра, сравнимо с электромагнитом, сделанным из медной петли, по которой проходит ток в несколько тысяч ампер.Для сравнения, ток в обычной лампочке составляет 0,5 ампера. Поскольку выравнивание доменов материала создает магнит, нарушение упорядоченного выравнивания разрушает магнитные свойства материала. Тепловое перемешивание, возникающее в результате нагрева магнита до высокой температуры, разрушает его магнитные свойства.

Магнитные поля сильно различаются по силе. Некоторые типичные значения приведены в таблице.

Типичные магнитные поля
внутри атомных ядер	10 11 т
в сверхпроводящих соленоидах	20 т
в циклотроне со сверхпроводящей катушкой	5 т
возле небольшого керамического магнита	0.1 т
Поле Земли на экваторе	4 (10 −5 ) т
в межзвездном пространстве	2 (10 −10 ) т

.

4 Выводы и рекомендации | Возможности в науке о сильном магнитном поле

не просит давать более конкретные рекомендации в этой области, но настоятельно рекомендует решить эти вопросы как можно скорее.

Во всех областях науки, исследованных комитетом, магниты, создающие поля более высокие, чем те, которые доступны сегодня, улучшили бы охват текущих исследований и, во многих случаях, позволили бы по-новому взглянуть на нерешенные проблемы.Нельзя ожидать увеличения напряженности поля на порядок, но 50-процентное увеличение может быть достижимо, и оно будет значительным, как и всегда. Повышения напряженности поля и, для импульсных магнитов, продолжительности поля, которые являются более чем инкрементными, не будут достигнуты, если не будут решены многие проблемы фундаментальной инженерии и материаловедения, и именно эти проблемы должен решать предлагаемый консорциум.

Эта рекомендация нацелена в первую очередь на сообщества, заинтересованные в сильнопольных магнитах, и мотивирована очевидными преимуществами, которые могли бы получить все, если бы ресурсы были объединены для решения общих проблем.Комитет непредубежден в отношении того, как следует организовать эту деятельность, но цель ясна: объединить ученых и инженеров из всех сообществ, работающих сегодня над магнитными технологиями, в том числе инженеров-магнитов из NHMFL, академических исследователей, магнитов. проектировщики в сообществах физики высоких энергий и термоядерного синтеза, коммерческие поставщики сверхпроводящих магнитов, включая системы ЯМР и МРТ, а также производители современных материалов, таких как высокопрочные материалы и сверхпроводящие провода.Действия, которые должны быть предприняты предлагаемым консорциумом, достаточно важны, чтобы гарантировать федеральную поддержку, но было бы разумно, чтобы членство было международным. Многие сообщества, использующие сильные магнитные поля, уже носят наднациональный характер, а несколько ведущих компаний по разработке промышленных магнитов базируются за границей.

Обмен информацией и ресурсами в рамках этого более крупного сообщества, которое теперь разделено на компоненты, которые плохо взаимодействуют, должно ускорить поиск решений общих проблем.Комитет предлагает заинтересованным сообществам сотрудничать для создания консорциума, целью которого будет решение фундаментальных проблем материаловедения и инженерии, которые необходимо будет решить, прежде чем будет создано следующее поколение сильнопольных магнитов. Консорциумный подход кажется подходящим именно потому, что потребности многих сообществ, использующих сильные магнитные поля, совпадают. Комитет предполагает усилия, которые могут варьироваться от чего-то небольшого, например, серии совместных конференций или виртуальной лаборатории до широкой инициативы

. .