Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!
Децата обичат да играят с магнити. Те забелязаха, че могат да се използват за преместване на малки стоманени предмети. Интересното е, че това може да стане дистанционно, без да се докосват предметите. И така: карфици, пирони, кламери мистериозно се движат около масата, а ние контролираме всичко с помощта на магнит, прехвърлен под плота.
Също така е добре известно, че разпръснати железни стърготини ще лежат близо до магнита по линията на магнитна индукция (фиг. 1.).
Ориз. 1. Магнитно поле около пръчков магнит, изобразяващ железни стружки.
Можете да закачите вертикална "верижка" на магнит, както е показано на снимката по-долу (фиг. 2.). Въпреки че металните части не са прикрепени една към друга, те се държат заедно. Ще работи ли такъв трик без наличието на магнит?
Ориз. 2. Верижка от две кламери с различни размери и карфица виси поради наличието на магнит. Това обаче важи само за по-големия кламер.
В резултат на това е ясно, че два магнита могат както да се привличат, така и да се отблъскват, в зависимост от относителната им позиция.
Тази статия ще обясни тези мистерии - мистериозното поведение на магнит и стоманени предмети в близост до него. Ще бъде обяснено и самото явление феромагнетизъм, т.е. много силно усилване на магнитното поле, например с желязо.
Какво е феромагнетизъм?
Да започнем с това какво е феромагнетизъм. Това е физическо явление, което се състои в колосално увеличаване на магнитното поле чрез поставяне на подходящо вещество в това поле - феромагнетик.Индукцията на магнитно поле, създадено например в електромагнит, може да се увеличи стотици хиляди пъти, ако в електромагнита се постави подходящо ядро.
Как се държат обектите с магнитен момент в магнитно поле?
За да разберем какъв е механизмът на феромагнетизма, първо трябва да въведем понятието магнитен момент.
Припомнете си как работи и как работи DC мотор. Най-просто казано, това е рамка с електрически ток, поставена в еднородно магнитно поле (фиг. 3а.). Такава рамка, ако бъде поставена под произволен ъгъл, ще се върти около оста, посочена на фигурата.
Ориз. 3а. Сили, действащи върху правоъгълна рамка с електрически ток, поставена в магнитно поле
Това се вижда по-добре на фиг. 3b., когато оста на въртене е перпендикулярна на равнината на фигурата.
Ориз. 3б. Схематично представяне на два вектора на електродинамична сила. Всяка сила действа от едната страна на рамката, карайки я да се върти в магнитното поле.
Рамката ще се завърти до позиция, в която линиите на магнитната индукция ще бъдат перпендикулярни на равнината на рамката. Това е постоянното равновесно положение на рамката. Ако нямаше затихване в системата, рамката щеше да осцилира около тази позиция за неопределено време.
Оказва се, че всяка верига с електрически ток, докато е свободна, се върти в магнитно поле до равновесно положение. Големината на момента на сила, действаща върху такава верига, е право пропорционална (наред с други неща) на площта S, заета от веригата, и електрическия ток I, протичащ в нея. Може да се покаже, че този момент на сила се описва от израз:
M=μB ,
където μ е магнитният диполен момент, дефиниран за контур с електрически ток като: μ=IS. Векторът S е перпендикулярен на повърхността, покрита от контура, и според общоприетото мнение посоката му показва палецът на дясната ръка, ако са сгънати, пръстите ще покажат посоката на електрическия ток, протичащ в контура.(Фиг. 4.).
Ориз. 4. Диполен магнитен момент, създаден от електрически ток със сила I, покриващ площ от площ S
Друг (освен рамка с електрически ток в магнитно поле) пример за обект, който се върти в магнитно поле (в този случай земното) е стрелка на компас. От това можем да заключим, че той е надарен с магнитен момент. Очевидно има някакво движение на заряди вътре в магнитната стрелка. Ще говорим за това в следващата част на тази статия. Освен това е важно да се разбере, че всеки обект, надарен с магнитен момент, сам по себе си е източник на магнитно поле и векторът на индукция B е насочен по същия начин като вектора на магнитния момент μ (фиг. 5. и 6. ).
Ориз. 5. Кръгова верига с електрически ток под формата на магнитен дипол (обект, надарен с магнитен диполен момент)
Ориз. 6. Линии на магнитно поле, произведени от магнитен дипол, който тук е представен като малък магнит. Векторът на магнитния момент е насочен от S към N полюса на дипола
Сега можем лесно да покажем, че обект с магнитен момент е или изтеглен, или избутан от по-силно поле, в зависимост от ориентацията на магнитния момент μ спрямо вектора на индукция на външното магнитно поле B0 Най-лесният начин да си представите това е да приложите знанието за отблъскването на еднополярните полюси и привличането на противоположните полюси. Това е показано на фиг. 7а. и 7б.
Ориз. 7. а) Привличане към по-силно поле (привличане към магнит). б) Отблъскване към по-слабо поле (отблъскване от магнит)
Защо атомите могат да имат ненулев магнитен момент и откъде идва?
Концепцията за магнитен момент е от решаващо значение за разбирането на магнетизма на различни вещества.Факт е, че в атомите - основните градивни елементи на веществата - имаме работа с движението на електрони, което може да се разглежда като вид "атомен ток" . Следователно атомът може да бъде надарен с магнитен момент. Правилното описание на атомния магнитен момент може да се намери само в квантовата физика. Моделът на атома като верига с електрически ток трябва да ни е достатъчен.
Представяме си всяко вещество като набор от магнитни моменти. При липса на външно магнитно поле (B0), магнитните моменти на отделните атоми са произволно подредени - техният резултантен (общ) магнитен момент е нула (фиг. 8a.).
Ориз. 8а. Произволно подреждане на магнитните моменти при липса на външно магнитно поле: B0=0
Ориз. 8б. Корелирано подреждане на магнитни моменти при наличие на външно магнитно поле. Тук векторът B0 е насочен надясно.
Ако въведем материя във външно ненулево магнитно поле с индукция B0, тогава всичко ще бъде различно. Магнитните моменти ще се въртят, за да се изравнят с вектора на индукция B0 - това е тяхното равновесно положение (фиг. 8b.). Фактор, който значително усложнява това подреждане, са топлинните движения на атомите.
Атомите в твърдо тяло осцилират около своите равновесни позиции, сблъскват се със съседни атоми, със свободни електрони. На фиг. 6б представихме описания феномен в преувеличен вариант. Такова подреждане на магнитните моменти би било възможно в много силно външно магнитно поле и при много ниска температура. Въпреки това, общият магнитен момент на всички атоми вече няма да бъде нула - материята ще се намагнетизира, което означава, че самата тя ще се превърне в магнитен дипол. Следователно, той ще реагира на магнитно поле, така че, например, цялата проба да може да бъде привлечена в област с по-силно поле.
Това е общият механизъм на намагнитване на веществата в случай на парамагнетизъм и феромагнетизъм.
Ако вземем, например, проба от алуминий и я поставим във външно магнитно поле, тогава стойността на магнитната индукция ще се увеличи с μrпъти. Този коефициент се нарича относителна магнитна проницаемост на веществото. За алуминий μrе добро приближение на 1,00002. От това следва, че магнитното поле, създадено под въздействието на външно поле в резултат на "подреждането" на магнитните моменти, е незначително. Обърнете внимание, че полето B се състои от външното поле B0и полето Bs, генерирани във веществото. Всички тези индукционни вектори имат една и съща посока и връщане, така че B=B0+ Bs=μrB0 , следователно:
Bs=( μr- 1 )B0=0, 00002B0 .
Такова малко магнитно поле ще бъде създадено в алуминий (парамагнетик). Но ако вземем проба от стомана, тогава магнитното поле може да се усили, например, 10 000 пъти. Защо има такава разлика между поведението на парамагнетик и феромагнетик? Оказва се, че е въпрос на температура.Всеки феромагнетик, когато се нагрее над определена температура, така наречената температура на Кюри, се превръща в парамагнетик. Типичната околна температура е под температурата на Кюри на стоманата, но над температурата на Кюри на алуминия.
Използвана литература
- Иродов И.Е. Електромагнетизъм. Основни закони. - 3-то изд. М, Санкт Петербург: Лаборатория за основни знания, 2000. - 352 с.
- Landsberg G.S. Начален учебник по физика: Учеб. В 3 тома. / Под редакцията на G.S. Ландсберг: T.P. електричество и магнетизъм. - 11-то изд. - М .: Наука, Физматлит, 1995. - 480 с.