Магнетизм
Магнитное поле. Действие магнитного поля на рамку с током. Индукция магнитного поля (магнитная индукция). Линии магнитной индукции. Картины линий индукции магнитного поля прямого тока и соленоида. Понятие о магнитном поле Земли.
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Закон Ампера.
Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.
Магнитные свойства вещества. Гипотеза Ампера. Ферромагнетики
Свойства магнитов ориентироваться относительно Земли в определенном положении было известно давно, равно как взаимодействие магнитов - притяжение разноименных полюсов и отталкивание одноименных. Первое объяснение этому дал У. Гильберт в 1600 г., предположив, что Земля является гигантским магнитом, поэтому стрелка компаса ориентируется определенным образом.
Это предположение он обосновал экспериментально, намагнитив большой железный шар и наблюдая его действие на стрелку компаса.
Количественно взаимодействие магнитов исследовал Кулон с помощью своим крутильных весов. Он высказал предположение, что существуют магнитные заряды подобные электрическим, а неспособность разделить магнит на противоположные магнитные заряды он объяснил неспособность магнитных зарядов внутри молекул вещества свободно переходить от одной молекулы к другой.
Разгадка природы магнетизма пришла значительно позже. Начало положил Х. Эрстед в 1920г., поместив магнитную стрелку вблизи проводника с током и установив, что при прохождении тока по проводнику магнитная стрелка отклоняется.
Открытие Эрстеда подтолкнуло Ампера к объяснению природы магнетизма и к открытию ещё одного типа взаимодействия электрических зарядов. Он установил, что расположенные рядом два проводника с током взаимодействуют, причем при одинаковом направлении токов в проводниках они притягиваются, а при противоположном – отталкиваются.
Если ток идет только по одному из проводников, то магнитного взаимодействия между ними нет; также не будет между двумя проводниками с током, если один из проводников свит из двух.
Объясняя природу магнетизма Ампер, пришёл к заключению, что магнитные свойства вещества объясняются замкнутыми электрическими токами внутри вещества, а магнитное взаимодействие – это взаимодействие токов.
Согласно гипотезе Ампера внутри молекул, из которых состоит вещество, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи ориентированы хаотично по отношению друг к другу, то их действие взаимно компенсируются и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает (рис.4.3 а). В намагниченном состоянии элементарные токи ориентированы строго определённым образом так, что их действия складываются и образуют магнитное свойство тела (рис.4.3 б).
Таким образом, не существует магнитных зарядов, подобных электрическим, а магнитные свойства тел объясняются ориентацией циркуляционных элементарных токов.
Магнитное взаимодействие проявляется на расстоянии, а значит должна быть среда, которая осуществляет это взаимодействие. Эта среда называется магнитным полем. Многочисленные наблюдения убедили ученых в том, что вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов, в пространстве существует магнитное поле. Если электрическое поле действует и на движущиеся и на неподвижные заряды, то магнитное поле оказывает действие лишь на движущиеся заряды.
За последние 50 лет все отрасли наук шагнули стремительно вперед. Но прочитав множество журналов о природе магнетизма и гравитации, можно прийти к выводу, что у человека появляется еще больше вопросов, чем было.
Всем очевидно и понятно, что предметы, подброшенные вверх, стремительно падают на землю. Что же их притягивает? Можно смело предположить, что они притягиваются какими-то неведомыми силами. Те самые силы получили название - природная гравитация. После каждый интересующийся сталкивается со множеством споров, догадок, предположений и вопросов. Какова природа магнетизма? Чем являются В результате какого воздействия они образуются? В чем проявляется их сущность, а также частота? Как они воздействуют на окружающую среду и на каждого человека по отдельности? Как рационально можно использовать это явление во благо цивилизации?
В начале девятнадцатого века физик Эрстед Ханс Кристиан открыл магнитное поле электрического тока. Это дало возможность предполагать, что природа магнетизма тесно взаимосвязана с электрическим током, который образуется внутри каждого из существующих атомов. Возникает вопрос, какими явлениями можно объяснить природу земного магнетизма?
На сегодняшний день установлено, что магнитные поля в намагниченных объектах зарождаются в большей степени электронами, которые беспрерывно делают обороты вокруг своей оси и около ядра существующего атома.
Давно установлено, что хаотичное перемещение электронов являет собой самый настоящий электрический ток, а его прохождение провоцирует зарождение магнитного поля. Подводя итог этой части, можно смело утверждать, что электроны вследствие своего хаотичного перемещения внутри атомов порождают внутриатомные токи, которые, в свою очередь, способствуют зарождению магнитного поля.
Но чем же обусловлено то, что в разных материях магнитное поле имеет значительные отличия в собственной величине, а также различную силу намагничивания? Это связано с тем, что оси и орбиты перемещения самостоятельных электронов в атомах способны быть в разнообразных положениях относительно друг друга. Это приводит к тому, что в соответствующих положениях располагаются и произведенные перемещающимися электронами магнитные поля.
Таким образом, следует отметить, что среда, в которой зарождается магнитное поле, оказывает воздействие непосредственно на него, преумножая или ослабевая само поле.
Поле которых ослабляет результирующее поле, получили название диамагнитные, а материалы, весьма слабо усиливающие магнитное поле, именуются парамагнитными.
Следует отметить, то природа магнетизма зарождается не только благодаря электрическому току, но и постоянными магнитами.
Постоянные магниты могут быть изготовлены из небольшого количества веществ на Земле. Но стоит отметить, что все предметы, которые будут находиться в радиусе магнитного поля, намагнитятся и станут непосредственными Проведя анализ вышеизложенного, стоит добавить, что вектор магнитной индукции в случае наличия вещества отличается от вектора вакуумной магнитной индукции.
Причинно-следственная связь, в результате которой была установлена связь обладания тел магнитными особенностями, была открыта выдающимся французским ученым Андре-Мари Ампером. Но в чем состоит гипотеза Ампера о природе магнетизма?
История положила свое начало благодаря сильному впечатлению от увиденного ученым. Он стал свидетелем исследований Эрстеда Лмиера, который смело предположил, что причиной магнетизма Земли являются токи, которые регулярно проходят внутри земного шара. Был сделан основополагающий и самый весомый вклад: магнитные особенности тел можно было объяснить беспрерывной циркуляцией в них токов. После Ампер выдвинул следующее заключение: магнитные особенности любого из существующих тел определены замкнутой цепью электрических токов, протекающих внутри них. Заявление физика было смелым и отважным поступком, поскольку он перечеркнул все предшествующие открытия, объяснив магнитные особенности тел.
Гипотеза Ампера гласит, что внутри каждого атома и молекулы существует элементарный и циркулирующий заряд электрического тока. Стоит отметить, что на сегодняшний день нам уже известно, что те самые токи образуются в результате хаотичного и беспрерывного перемещения электронов в атомах. Если оговариваемые плоскости находятся беспорядочно относительно друг к друга вследствие теплового перемещения молекул, то их процессы взаимокомпенсируются и совершенно никакими магнитными особенностями не владеют. А в намагниченном предмете простейшие токи направлены на то, чтобы их действия слаживались.
Гипотеза Ампера в силах объяснить, почему магнитные стрелки и рамки с электрическим током в магнитном поле ведут себя идентично друг другу. Стрелку, в свою очередь, следует рассмотреть как комплекс небольших контуров с током, которые направлены идентично.
Особую группу в которых значительно усиливается магнитное поле, называют ферромагнитной. К этим материал относится железо, никель, кобальт и гадолиний (и их сплавы).
Но как объяснить природу магнетизма постоянных магнитов? Магнитные поля образуются ферромагнетиками не исключительно в результате перемещения электронов, но и в результате их собственного хаотичного движения.
Момент импульса (собственного вращательного момента) приобрел название - спин. Электроны в течение всего времени существования вращаются вокруг своей оси и, имея заряд, зарождают магнитное поле вместе с полем, образующимся вследствие их орбитального перемещения около ядер.
Температура, выше которой вещество-ферромагнетик теряет намагниченность, получила свое определенное название - температура Кюри. Ведь именно французский ученый с данным именем сделал это открытие. Он пришел к выводу: если существенно нагреть намагниченный предмет, то он лишится возможности притягивать к себе предметы из железа.
Невзирая на то, что ферромагнитных тел в мире существует не так много, их магнитные особенности имеют большое практическое применение и значение. Сердечник в катушке, изготовленный из железа или стали, многократно усиливает магнитное поле, при этом не превышает расхода силы тока в катушке. Это явление значительно помогает экономить электроэнергию. Сердечники изготавливаются исключительно из ферромагнетиков, и не имеет значения, для каких целей послужит эта деталь.
С помощью ферромагнетиков изготавливают первоклассные магнитные ленты и миниатюрные магнитные пленки. Магнитные ленты имеют широкое применение в сферах звуко-и видеозаписи.
Магнитная лента является пластичной основой, состоящей из полирхлорвинила или прочих составляющих. Поверх нее наносится слой, представляющий собой магнитный лак, которые состоит из множества очень маленьких игольчатых частичек железа или прочего ферромагнетика.
Процесс звукозаписи осуществляется на ленту благодаря поле которых подвергается изменениям в такт вследствие колебаний звука. В результате движения ленты около магнитной головки, каждый участок пленки подвергается намагничиванию.
Стоит прежде всего отметить, что гравитация и ее силы заключены в пределах закона всемирного тяготения, который гласит о том, что: две материальные точки притягивают друг друга с силой прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Современная наука немного иначе стала рассматривать понятия гравитационной силы и объясняет его как действие гравитационного поля самой Земли, происхождение которой до сих пор, к сожалению ученых, не установлено.
Подводя итоги всего вышеизложенного, хочется отметить, что все в нашем мире тесно взаимосвязано, и существенного отличия между гравитацией и магнетизмом нет. Ведь гравитация обладает тем самым магнетизмом, просто не в большой мере. На Земле нельзя отрывать объект от природы - нарушается магнетизм и гравитация, что в будущем может значительно усложнить жизнь цивилизации. Следует пожинать плоды научных открытий великих ученых и стремиться к новым свершениям, но использовать всю данность следует рационально, не причиняя вреда природе и человечеству.
Для объяснения намагничения тел Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые токи (молекулярные токи). Каждый такой ток обладает магнитным моментом и создает в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего поля молекулярные токи ориентированы беспорядочным образом, вследствие чего обусловленное ими результирующее поле равно нулю. В силу хаотической ориентации магнитных моментов отдельных молекул суммарный магнитный момент тела также равен нулю. Под действием поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего магнетик намагничивается – его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля. Магнитные поля отдельных молекулярных токов в этом случае уже не компенсируют друг друга и возникает поле В
В начале исследования магнетизма для объяснения свойств постоянных магнитов Ампер выдвинул смелую по тем временам гипотезу о существовании так называемых "молекулярных токов", совокупность которых объясняет магнитные свойства вещества. В настоящее время гипотеза Ампера представляется чуть ли не очевидной, физические механизмы, ответственные за магнитные свойства веществ, изучены значительно более глубоко, чем это было возможно во времена Ампера
Рассмотрим изолированный атом, не подверженный действию внешнего магнитного поля. Согласно представлениям классической физики, электроны в атомах движутся по некоторым замкнутым орбитам. Такое движение каждого электрона эквивалентно замкнутому контуру тока. Поэтому любой атом или молекулу, с точки зрения их магнитных свойств, можно рассматривать как некоторую совокупность электронных микротоков. В этом состоит, гипотеза Ампера о природе магнетизма.
Магнитный момент р m электрического тока, вызванного движением электрона по орбите, называется орбитальным магнитным моментом электрона. Предположим для простоты, что электрон в атоме движется со скоростью v по круговой орбите радиуса r (рис.).
Согласно определению магнитного момента тока, орбитальный магнитный момент электрона численно равен
где S - площадь орбиты электрона. Вектор р m направлен в ту же сторону, что и магнитное поле в центре кругового тока.
Свойства, которые проявляют вещества в магнитном поле называют магнитными, а сами вещества – магнетиками . Магнитные свойства веществ определяется наличием у их атомов магнитных моментов. У большинства элементов в отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов, входящих в атомы, равны нулю, так как имеют разные направления и полностью компенсируют друг друга. Наложение внешнего магнитного поля приводит к переориентации моментов магнитных атомов и появлению отличного от нуля магнитного момента. При этом отличный от нуля суммарный магнитный момент изменяет магнитное поле.
При изучении магнитного поля в веществе (магнетике) различают два типа токов - макротоки и микротоки. Под макротоками понимают электрические токи проводимости, а также конвекционные токи, связанные с движением заряженных макроскопических тел. Микротоками или молекулярными токами называют токи, обусловленные движением электронов в атомах, ионах и молекулах.
В веществе на магнитное поле макротоков (его часто называют внешним) накладывается дополнительное магнитное поле микротоков (его соответственно называют внутренним). Вектор магнитной индукции В характеризует результирующее магнитное поле в веществе, т. е. он равен геометрической сумме магнитных индукций внешнего (Во) и внутреннего (В внутр) полей:
Т.е. вектор В должен зависеть от магнитных свойств магнетика. Магнитное поле микротоков возникает в результате намагничивания магнетика при его помещении во внешнее магнитное поле. Поэтому первичным источником магнитного поля в веществе являются макротоки.
Так как в вакууме поле создают только макротоки, а в веществе - макротоки и микротоки, то для поля в веществе закон полного тока имеет вид
(13.1.1)
где I макро и I микро - алгебраические суммы соответственно макро- и микротоков, охватываемых замкнутым.контуром L, т. е. результирующие макро- и микротоки сквозь поверхность, образованную контуром L.
Величину Н, зависящую от магнитных свойств среды называют напряженностью магнитного поля.
Единицей измерения напряженности магнитного поля является А/м. Если направления векторов намагниченности и напряженности магнитного поля совпадают, то вещества называются изотропными магнетиками. Если направление вектора намагниченности зависит от направления поля относительно кристаллографических осей, то вещества являются анизотропными магнетиками. Графически напряженность магнитного поля изображают с помощью линий, касательная к которым в каждой точке совпадает с направлением напряженности в этой точке. Густота этих линий пропорциональна величине вектора напряженности. В отличие от вектора магнитной индукции, линии вектора Н начинаются и заканчиваются на границе раздела между двумя веществами с разными магнитными свойствами.
Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов или молекул которых при отсутствии внешнего магнитного поля равны нулю, т.е. в атомах или молекулах диамагнитных веществ векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов равна нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, большинство органических соединений, многие металлы (висмут, цинк, золото, медь, серебро, ртуть и др.), смолы, вода, стекло, мрамор.
При внесении диамагнитного вещества в магнитное поле в каждом его атоме наводится магнитный момент ΔР m , направленный противоположно вектору В индукции магнитного поля.
Для характеристики намагничивания вещества вводится физическая величина, называемая интенсивностью намагничивания.
Вектором намагниченности или интенсивностью намагничивания J называется отношение магнитного момента малого объема ΔV вещества к этому объему
где Р mi - магнитный момент i -й молекулы, n - общее число молекул в объеме ΔV. Объем ΔV должен быть столь малым, чтобы в его пределах магнитное поле можно было считать однородным. В Международной системе единиц (СИ) вектор намагниченности измеряется в амперах на метр (А/м).
Если в однородное магнитное поле напряженностью Н 0 в среде с проницаемостью μ 1 внести некоторое тело, то напряженность магнитного поля внутри этого тела Н будет равна сумме напряженностей внешнего (первоначального) поля Н 0 и поля Н м, создаваемого молекулярными токами тела:
Н= Н 0 + Н м,
где Н м называют полем размагничивания . Это поле зависит от координат рассматриваемой точки тела, его формы и ориентации относительно внешнего поля.
Магнитная индукция B в магнетике определяется суммой поля, созданного внешними источниками, и поля магнитных моментов самого магнетика:
Откуда напряженность магнитного поля
Магнитная проницаемость в отличие от диэлектрической проницаемости может быть как большее, так и меньше единицы. У диамагнетиков μ<1, а у парамагнетиков μ>1.
Если векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов атома (или молекулы) не равна нулю, то атом в целом обладает некоторым магнитным моментом Р m . Такие атомы (молекулы) называются парамагнитными, а состоящие из них вещества - парамагнетиками . К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, алюминий, платина, и другие вещества.
В парамагнетиках вектор намагниченности направлен вдоль приложенного поля. При этом магнитные моменты атомов и молекул отличны от нуля, но направлены хаотично. При наложении внешнего магнитного поля происходит перераспределение их направлений. Число магнитных моментов, приближающихся по направлению к магнитному полю, оказывается преобладающим. Это приводит к тому, что появляется отличная от нуля намагниченность, направленная вдоль вектора индукции поля.
В отличие от диамагнетиков у парамагнетиков магнитная восприимчивость сильно зависит от температуры.
Для многих парамагнитных веществ изменение магнитной восприимчивости с температурой подчиняется закону, установленному Кюри:
где T – термодинамическая температура, C – постоянная Кюри, зависящая от рода вещества.
Классическая теория парамагнетизма была развита П. Ланжевеном в 1905 г. Он рассмотрел статистическую задачу о поведении молекулярных токов (и соответствующих им магнитных моментов Р m) в однородном магнитном поле. Ориентирующее действие магнитного поля на атом зависит от магнитного момента атома и магнитной индукции В поля.
Контрольная работа по теме « Электромагнитные явления» (8 класс.)
Вариант 1.
Из перечисленных примеров укажите связанные с электромагнитными явлениями:
а) взаимодействие параллельных токов,
б) взаимодействие двух магнитов,
в) падение мяча к Земле,
г) скатывание шарика по наклонному желобу,
д) взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки.
2. Два магнита обращены друг к другу северными полюсами. Как магниты будут взаимодействовать между собой?
а) Притягиваться. б) Отталкиваться. в) Не будут взаимодействовать. г) Среди ответов нет правильного.
3. При пропускании постоянного электрического тока через проводник вокруг него возникает магнитное поле. Оно обнаруживается по расположению стальных опилок на листе бумаги или магнитной стрелки, находящихся вблизи проводника.В каком случае это поле исчезает?
а) Если убрать стальные опилки. б) Если убрать магнитную стрелку. в) Если убрать стальные опилки и магнитную стрелку. г) Если отключить электрический ток в проводнике.
5 . В чем суть гипотезы Ампера? Как согласуется гипотеза Ампера с современными представлениями о строении вещества?
9 . У вас имеются три предмета – « прибора »:
1) постоянный магнит, 2) стальной ненамагниченный стержень, 3) медный стержень.
В трех « черных ящиках » находятся эти же три предмета. Какими приборами и в какой последовательности лучше воспользоваться, чтобы выяснить, что лежит в каждом из трех «черных ящиков» ?
10. Электродвигатель постоянного тока потребляет от источника с напряжением 42 В ток силой 3 А. Какова механическая мощность мотора, если сопротивление его обмотки равно 5 Ом? Каков его К.П.Д.?
Вариант 2.
Что наблюдалось в опыте Эрстеда?
а) Взаимодействие двух параллельных проводников с током.
б) Взаимодействие двух магнитных стрелок.
в) Поворот магнитной стрелки вблизи проводника при пропускании через него тока.
г) Возникновение электрического тока в катушке при помещении в нее магнита.
2. Как взаимодействуют между собой два параллельных проводника, если по ним протекают токи в одном направлении?
а) Притягиваются. б) Отталкиваются. в) Сила взаимодействия равна нулю. г) Правильный ответ не приведен.
3. При пропускании постоянного электрического тока через проводник вокруг него возникает магнитное поле. Оно обнаруживается по расположению стальных опилок на листе бумаги или повороту магнитной стрелки, находящихся вблизи проводника.Каким образом это магнитное поле можно переместить в пространстве?
а) Переносом стальных опилок. б) Переносом магнита. в) Переносом проводника с током. г) Магнитное поле переместить невозможно.
4. Как расположатся магнитные стрелки, помещенные в точки А и В внутри катушки при размыкании ключа К?
а) Одинаково- северным полюсом вправо по рисунку.
б) Одинаково- северным полюсом влево по рисунку.
в) Стрелки северными полюсами обращены друг к другу.
г) Стрелки южными полюсами обращены друг к другу.
5. Почему устройство двигателей переменного тока проще, чем постоянного? Почему на транспорте используют моторы постоянного тока?
6. Определить полюса электромагнита.
7. Изобразить магнитное поле токов и определить направление силовых линий магнитного поля.
8. Определить направление силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле.
9 . У вас имеются три предмета – « прибора »: деревянный брусок, два стальных гвоздя, не притягивающихся друг к другу, и постоянный магнит.
В трех « черных ящиках » находятся соответственно: магнит, два гвоздя и деревянный брусок. Какими приборами и в какой последовательности лучше воспользоваться, чтобы выяснить, что лежит в каждом из ящиков?
10. Электродвигатель постоянного тока потребляет от источника с напряжением 24 В ток силой 2 А. Какова механическая мощность мотора, если сопротивление его обмотки равно 3 Ом? Каков его К.П.Д.?
