Магнетизм

Источники магнетизма

Магнетизм, в корне, возникает из двух источников:

  1. Электрический ток .
  2. Спин магнитные моменты из элементарных частиц .

Магнитные свойства материалов, в основном , за счет магнитных моментов их атомов , вращающихся вокруг » электронов . Магнитные моменты ядер атомов , как правило , в тысячи раз меньших , чем магнитные моменты электронов, таким образом , они являются незначительными в контексте намагничивания материалов. Ядерные магнитные моменты, тем не менее очень важны в других контекстах, особенно в ядерно — магнитного резонанса (ЯМР) и магнитно — резонансной томографии (МРТ).

Обычно, огромное число электронов в материале расположены таким образом, что их магнитные моменты (как орбитальные и внутренние) сокращаются. Это обусловлено, в некоторой степени, чтобы электроны объединения в пары с противоположными внутренними магнитными моментами в результате этого принципа запрета Паули (см электронную конфигурацию ), и объединение в заполненных подоболочек с нулевой чистой орбитальным движением. В обоих случаях, электроны предпочтительно принять меры , в которых магнитный момент каждого электрона компенсируется противоположным моментом другого электрона. Более того, даже тогда , когда электронная конфигурация является такой , что существуют неспаренных электронов и / или не заполненные подоболочки, это часто бывает , что различные электроны в твердом будет способствовать магнитные моменты , которые указывают в разных, случайных направлениях, так что материал не будет магнитным.

Иногда, либо спонтанно, либо вследствие приложенного внешнего магнитного поля, каждый из магнитных моментов электрона будет, в среднем, выстроились. Подходящий материал может затем произвести сильное магнитное поле чистое.

Магнитное поведение материала зависит от его структуры, в частности , его электронной конфигурации , по причинам , указанным выше, а также от температуры. При высоких температурах, случайное тепловое движение делает его более трудным для электронов , чтобы поддерживать выравнивание.

дальнейшее чтение

  • Дэвид К. Cheng (1992). Поле и волны Электромагнетизм . Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN  978-0-201-12819-2 .
  • Furlani, Эдвард П. (2001). Постоянный магнит и электромеханические устройства: материалы, анализ и применение . Academic Press. ISBN  978-0-12-269951-1 . OCLC   .
  • Гриффитс, Дэвид Дж (1998). Введение в электродинамике (3 — е изд.) . Prentice Hall. ISBN  978-0-13-805326-0 . OCLC   .
  • Kronmüller, Helmut. (2007). Справочник по магнетизму и перспективных магнитных материалов, 5 Volume Set . John Wiley & Sons. ISBN  978-0-470-02217-7 . OCLC   .
  • Перселла, Эдвард М. (2012). Электричество и магнетизм (3 — е изд.). Cambridge: Cambridge Univ. Нажмите. ISBN  9781-10701-4022 .
  • Типлер, Paul (2004). Физика для ученых и инженеров: (. 5 — е изд) Электричество, магнетизм, свет и Elementary современной физики . WH Freeman. ISBN  978-0-7167-0810-0 . OCLC   .

Магнитная сила

Магнитные силовые линии магнитного бруска, показанные железные опилки на бумаге

Обнаружение магнитного поля с компасом и железными опилками

Феномен магнетизма «опосредованный» магнитным полем. Электрический ток или магнитный диполь создает магнитное поле, и это поле, в свою очередь, передает магнитные силы на других частицах, которые находятся в полях.

Уравнения Максвелла, которые упрощают к закону Био-Савара в случае установившегося течения, описывают происхождение и поведение полей , которые регулируют эти силы. Поэтому, магнетизм рассматривается всякий раз , когда электрический заряженные частицы находятся в движении -для например, от движения электронов в электрическом токе , или в некоторых случаях от орбитального движения электронов вокруг ядра атома в. Они также возникают из «собственных» магнитных диполей , возникающих из квантово-механического спина .

Те же самые ситуации, которые создают магнитные поля заряда, движущегося в настоящее время или в атоме, и внутренние магнитные диполи-являются также ситуации, в которых магнитное поле оказывает воздействие, создавая силу. Ниже приводится формула для движущегося заряда; для сил на характеристическом диполе, см магнитного диполя.

Когда заряженная частица движется через B , он чувствует себя сила Лоренца F задается векторное произведение :

Fзнак равноQ(v×В){\ Displaystyle \ mathbf {F} = Q (\ mathbf {v} \ раз \ mathbf {B})}

где

Q{\ Displaystyle д} это электрический заряд частицы, и
v представляет собой скорость вектор частицы

Поскольку это векторное произведение, сила перпендикулярна как к движению частицы и магнитному полю. Отсюда следует , что магнитная сила не делает работу на частицу; он может изменить направление движения частицы, но не может заставить его ускорить или замедлить. Величина силы

Fзнак равноQvВгрех⁡θ{\ Displaystyle F = QVB \ грех \ Theta \}

где угол между V и B .
θ{\ Displaystyle \ Theta}

Магнитные диполи

Очень часто источником магнитного поля в природе является диполь с « южным полюсом » и « Северный полюс », термины восходящие к использованию магнитов , как циркулем, взаимодействуя с магнитным полем Земли , чтобы указать на Север и Юг на земной шар . Так как противоположные концы магнитов притягиваются, северный полюс магнита притягиваются к южному полюсу другого магнита. Земли Северный магнитный полюс ( в настоящее время в Северном Ледовитом океане, к северу от Канады) физически южный полюс, так как она привлекает северный полюс компаса. Магнитное поле содержит энергию , а также физические системы движутся к конфигурации с более низкой энергией. Когда диамагнитная материал помещают в магнитное поле, А магнитный дипольный стремится выровнять себя в противоположной полярности к этой области, тем самым снижая прочность чистого поля. Когда ферромагнитный материал помещается в магнитное поле, магнитные диполи присоединяются к приложенного поля, тем самым расширяя доменные стенки магнитных доменов.

Магнитные монополи

Так как магнитный стержень получает свой ферромагнетизм от электронов, распределенных равномерно по всей панели, когда магнитный стержень разрезают пополам, каждый из полученных кусков является меньшим стержневой магнит. Даже если магнит говорят, северный полюс и южный полюс, эти два полюса не могут быть отделены друг от друга. Монополь-если такая вещь существует, будет новый и принципиально другой вид магнитного объекта. Он будет выступать в качестве изолированного северного полюса, не привязанный к южному полюсу, или наоборот. Монополь будет нести «магнитный заряд», аналогичный электрический заряд. Несмотря на систематические поиски, начиная с 1931 года, по состоянию на 2010 г. они никогда не наблюдались, и вполне может не существовать.

Тем не менее, некоторые теоретические физики модели предсказывают существование этих магнитных монополей . Поль Дирак наблюдался в 1931 году, потому что электричество и магнетизм показать некоторую симметрию , так же , как квантовая теория предсказывает , что отдельные положительные или отрицательные электрические заряды могут наблюдаться без противостоящего заряда, изолированные Южные или Северных магнитных полюса должны быть видны. Использование квантовой теории Дирак показал , что если существуют магнитные монополи, то можно было бы объяснить квантование электрического заряда, то есть, почему наблюдаемые элементарные частицы несут заряды, кратные заряду электрона.

Некоторые теорий великого объединения предсказывают существование монополей , которые, в отличие от элементарных частиц, являются солитоны (локализованные энергетические пакеты). Первые результаты использования этих моделей для оценки числа монополей , созданных в большом взрыве противоречили космологическим наблюдения, монополи были бы столь многочисленны и массивными , что они давно бы остановили расширение Вселенной. Тем не менее, идея инфляции (для которых эта проблема послужила частичная мотивация) была успешной в решении этой проблемы, создавая модели , в которых монополи существовали , но были достаточно редки , чтобы быть в соответствии с текущими наблюдениями.

Квантово-механическое происхождение магнетизма

В то время как эвристические объяснения , основанные на классической физике могут быть сформулированы, Диамагнетизм, Парамагнетизм и ферромагнетизм могут только быть полностью объяснен с помощью квантовой теории. Успешная модель была разработана уже в 1927 году, по Гайтлеру и Фриц Лондона , который получает, квантово-механически, как молекулы водорода образуется из атомов водорода, то есть от атомных водородных орбиталей и с центром в ядрах A и B , см ниже. То, что это приводит к магнетизм не совсем очевидно, но будет объяснено ниже.
UA{\ Displaystyle и- {A}}UВ{\ Displaystyle и- {В}}

Согласно теории Гайтлер-Лондон, так называемым два тела молекулярным образуются -орбитали, а именно в результате орбитали:
σ{\ Displaystyle \ сигма}

ψ(р1,р2)знак равно12(UA(р1)UВ(р2)+UВ(р1)UA(р2)){\ Displaystyle \ фунтов на квадратный дюйм (\ mathbf {г} _ {1}, \, \, \ mathbf {г} _ {2}) = {\ гидроразрыва {1} {\ SQRT {2}}} \, \, \ левый (и- {А} (\ mathbf {г} _ {1}) и- {B} (\ mathbf {г} _ {2}) + и- {B} (\ mathbf {г} _ {1}) и- { А} (\ mathbf {г} _ {2}) \ справа)}

При этом последний продукт означает , что первый электрон, т 1 , в атомарном водороде-орбитали с центром в точке второго ядра, в то время как второй электрон проходит вокруг первого ядра. Этот «обмен» явление является выражением для квантово-механического свойства , которое частиц с одинаковыми свойствами невозможно отличить

Он специфичен не только для образования химических связей , но как будет видно, и для магнетизма, то есть в связи с этим термин обменное взаимодействие возникает, термин , который имеет важное значение для возникновения магнетизма, и которая сильнее, грубо факторы 100 и даже на 1000, чем энергии , возникающих из электродинамической диполь-дипольного взаимодействия.

Что же касается спиновой функции , которая отвечает за магнетизм, у нас есть уже упомянутый принцип Паули, а именно , что симметричная орбитальная (т.е. знак + , как указано выше) должны быть умножены антисимметрического спина функции (т.е. с — знак) , и наоборот . Таким образом:
χ(s1,s2){\ Displaystyle \ ци (S_ {1}, S_ {2})}

χ(s1,s2)знак равно12(α(s1)β(s2)-β(s1)α(s2)){\ Displaystyle \ ци (S_ {1}, \, \, S_ {2}) = {\ гидроразрыва {1} {\ SQRT {2}}} \, \, \ влево (\ альфа (S_ {1}) \ бета (S_ {2}) — \ бета (S_ {1}) \ альфа (S_ {2}) \ справа)},

Т.е., не только и должен быть замещен & alpha ; и & beta соответственно (первый объект означает «раскрутить», второй «спин вниз»), но и знак + на — знак, и , наконец , г I дискретным значения ы я (= ± ½); таким образом , мы имеем и . « Синглетное состояние », то есть — знак, означает: спины антипараллельны , то есть для твердого тела мы имеем антиферромагнетизм , и два-атомные молекулы приходится диамагнетизм . Тенденция к образованию а (homoeopolar) химическую связь (это означает: формирование симметричной молекулярной орбитали, т.е. со знаком +) приводит по принципу Паули автоматически в антисимметричной спинового состояния (то есть с — знак). В отличие от этого , кулоновское отталкивание электронов, то есть тенденция , что они стараются избегать друг друга этим отталкивание, приведет к антисимметричным орбитальной функции (то есть с — знак) этих двух частиц, и комплементарной симметричной спиновой функции (т.е. со знаком +, один из так называемых « триплетных функций »). Таким образом, теперь спина будет параллелен ( ферромагнетизм в твердом теле, парамагнетизм в двух атомных газах).
UA{\ Displaystyle и- {A}}UВ{\ Displaystyle и- {В}}α(+12)знак равноβ(-12)знак равно1{\ Displaystyle \ альфа (+1/2) = \ бета (-1/2) = 1}α(-12)знак равноβ(+12)знак равно{\ Displaystyle \ альфа (-1/2) = \ бета (+1/2) = 0}

Последний из упомянутых тенденция доминирует в металлургии железа , кобальта и никеля , а в некоторых редких земель, которые являются ферромагнитные . Большинство других металлов, где доминирует первую упомянутую тенденция, является немагнитным (например , натрий , алюминий и магний ) или антиферромагнитным (например , марганец ). Диатомические газы также почти исключительно диамагнитны, а не парамагнитные. Однако молекула кислорода, из — за участия p-орбиталей, является исключением важным для жизненных наук.

Соображения ГЛГ могут быть обобщены на модели Гейзенберга магнетизма (Гейзенберга 1928).

Объяснение явлений, таким образом, по существу, на основе всех тонкостях квантовой механики, в то время как электродинамика охватывает в основном феноменологии.

Электромагнетизм

Проходящий по проводу электрический ток создает магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. Провод, намотанный на железный сердечник, при прохождении тока ведет себя как магнитный брусок. Провод в этом случае называют соленоидом. Направление линий магнитного поля зависит от направления тока в проводе. Если ток идет по часовой стрелке, мы смотрим со стороны южного полюса. Если при взгляде с торца ток течет против часовой стрелки, то это северный полюс. Подробнее можно прочитать в статье: Индукция магнитного поля. Соленоид используется в электромагнитах. Его магнитное поле можно включать и выключать, управляя током. Соленоиды также применяются в микрофонах и громкоговорителях.

Электромагниты

Электромагнит — это магнит, который можно включать и выключать при помощи электрического тока. Чтобы создать электромагнит, нужно обмотать железный сердечник проводом — соленоидом. Железо — это мягкий ферромагнетик, т.е. оно теряет магнитные свойства, когда ток исчезает. На электромагнетизме основано действие релейных переключателей и электрических звонков. Электромагниты используются в проекте скоростного поезда – они установлены на рельсах и днищах вагонов. Их полюса отталкивают друг друга, и поезд зависает над рельсами. Трение уменьшается, и скорость поезда возрастает.

Электромоторы

При помощи электромагнетизма электромотор превращает электроэнергию в энергию движения. В простом электромоторе имеется плоский проволочный контур — ротор, помещенный между двумя магнитами. Когда по ротору проходит ток, силы электромагнитного поля ротора и магнитных полей магнитов заставляют ротор вращаться. Когда ротор занимает вертикальное положение, коллектор меняет направление тока, что приводит к обращению направления магнитного поля, а значит, и силы, действующей на ротор. Ротор переворачивается. Когда ротор совершает полный оборот, цикл возобновляется. Электромоторы используются в самых разных машинах, от стиральных машин и фенов до игрушечных автомобилей и поездов. Небольшие электромоторы применяются в микрохирургии и в космической технике. Так устроен мощный электромотор — микромотор «Тошиба» диаметр 0,8 мм (слева). Электромагнит создает постоянное магнитное поле. В магнитном поле вращается ротор.

Производство электричества

Английский физик Майкл Фарадей (1791 — 1867) обнаружил, что при движении проводника в магнитном поле в про­воднике возникает ток. Фарадей обнаружил появление тока, вращая диск вблизи магнита. Такое устройство называется дисковым генератором. Генератор, или динамо-машина, — это устройство, превращающее энергию движения в электрическую. Принцип ее действия противоположен принципу действия электромотора.

На электростанциях энергию движения от­дает пар, вращающий турбины. Турбины вращают стержень генера­тора, при этом проволочные контуры вращаются между двумя магнитами. В результате возникает ток, меняющий направление после каждого полуоборота. Такой ток называется переменным.

Магнетизм

Слово «магнетизм» происходит от названия местности в Турции. В области Магнезия более 2000 лет назад древние греки обнаружили минорат, притягивающий металлы. Этот минерал представлял со­бой разновидность железной руды и был назван магнетитом. Подвешенный на веревке кусок магнетита вращается, стараясь занять положение «север —  юг». Удлиненные куски магнита – магнитного железняка — когда-то использовались как стрелки компаса. Обычно магнит — это металлическое тело, например железное или стальное, обладающее магнитными свойствами и ведущее себя как магнетит. У магнита есть два полюса — южный и северный.

ферромагнетикамииндуцированным

Магнитное поле — это область вокруг магнита, в которой действуют магнитные силы (подробнее в статье «Силы«). Их величину и направление можно показать с помощью линий магнитной индукции. У Земли также есть магнитное поле. Из-за вращения Земли вокруг своей оси расплавленный металл, содержащийся во внешнем ядре, медленно течет и создает магнитное поле Земли. Многие птицы, в том числе и крачки, ориентируются при своих перелётах по силовым линиям магнитного поля.

история

Lodestone , естественный магнит , привлекающий железные гвозди. Древние люди обнаружили свойство магнетизма от магнита.

Иллюстрация из Гилберта 1600 De Magnete показывает один из самых ранних способов изготовления магнита. Кузнец держит кусок раскаленного железа в направлении север-юг и молоты его , как он охлаждается. Магнитное поле Земли выравнивает домены, в результате чего железо , слабый магнит.

Нанесение медицинского лечения с использованием магнитных кисти. Чарльз Жак 1843, Франция.

Магнетизм был впервые обнаружен в древнем мире, когда люди заметили , что ведущие камни , естественно намагниченные куски минерала магнетита , могут привлечь железо. Слово магнит происходит от греческого термина μαγνῆτις λίθος magnētis LITHOS , «магнезиального камень, магнит.» В древней Греции, Аристотель приписывал первое из того, что можно было бы назвать научное обсуждение магнетизма философа Фалеса из Милета , который жил около 625 г. до н.э. до 545 г. до н. Древнеиндийский медицинский текст Sushruta Самхит описывает использование магнетита , чтобы удалить стрелки , внедренные в теле человека.

В , самые ранние литературные ссылки на магнетизм лежит в BC книге 4-го века именем его автора, Мудрец Долины Привидений . БК анналы второго века, Анналы Люй Бувэя , также отмечает: « магнетит делает железо подход, или он привлекает его.» Самое раннее упоминание о привлечении иглы в работе первого века Lunheng ( Balanced запросы ): «А магнетит притягивает иглу.» 11-го века китайский ученый Шен Куо был первым человеком , чтобы написать-в Дрим Pool Эссе -of магнитной иглы компаса и что улучшило точность навигации посредством использования астрономических концепцию истинного севера . К 12 — м веке китайцы были известны использовать Lodestone для навигации. Они скульптурный направленная ложку из магнита таким образом, чтобы ручка ложки всегда указывала на юге.

Неккам , по 1187, был первым в Европе , чтобы описать компас и его использование для навигации. В 1269 г. Петр Перегрин де Maricourt написал Epistola де Magnete , первый из дошедших до нас трактат , описывающий свойства магнитов. В 1282, свойства магнитов и сухие компасы были обсуждены Аль-Ашраф, в йеменской физика , астронома и географа .

В 1600 году Уильям Гильберт опубликовал свою De Magnete, Magneticisque Corporibus, и де Magno Magnete Tellure ( на магните и магнитных телах и на Большой Магнит Земли ). В этой работе он описывает многие из его экспериментов с его моделью Земли называется терреллой . Из своих опытов он пришел к выводу , что Земля сама магнитная и что это было причиной компасы указал на север (ранее, некоторые считали , что это путеводная звезда ( Polaris ) или большой магнитный остров на северном полюсе , который привлек компас).

Понимание взаимосвязи между электричеством и магнетизмом началось в 1819 году с работой по Эрстедам , профессор Копенгагенского университета, который обнаружил в случайном подергивании стрелки компаса вблизи проволоки , что электрический ток может создать магнитное поле. Этот примечательный эксперимент известен как эксперимент Эрстед в. Несколько других экспериментов последовали, с Андре-Мари Ампер , который в 1820 году обнаружил , что магнитное поле , циркулирующей в замкнутом пути был связан с током , протекающим через периметр пути; Гаусс ; Жан-Батист Био и Савар , оба из которых в 1820 году придумал закон Био-Савара дает уравнение для магнитного поля из токопроводящей проволоки; Майкл Фарадей , который в 1831 году обнаружил , что изменяющийся во времени магнитный поток через петлю проволоки индуцированного напряжения, а другие найти дополнительные связи между магнетизмом и электричеством. Джеймс Клерк Максвелл синтезируется и расширила это понимание уравнений Максвелла , объединяющее электричество, магнетизм и оптику в область электромагнетизма . В 1905 году Эйнштейн использовал эти законы в мотивации его теорию относительности , требует , чтобы законы провели истинна во всех инерциальных системах отсчета .

Электромагнетизм продолжает развиваться в 21 — м веке, будучи включены в более фундаментальных теорий калибровочной теории , квантовой электродинамики , теории электрослабого взаимодействия , и , наконец, стандартная модель .

Два века перерыва

После Гильберта наука о магнетизме вплоть до начала XIX века продвинулась очень мало. Сделанное за это время можно буквально перечесть по пальцам. В 1640 году ученик Галилея Бенедетто Кастелли объяснил притяжение магнетита наличием в его составе множества мельчайших магнитных частиц — первая и очень несовершенная догадка, что природу магнетизма следует искать на атомном уровне. Голландец Себальд Бругманс в 1778 году заметил, что висмут и сурьма отталкиваются от полюсов магнитной стрелки — это был первый пример физического явления, которое 67 годами позже Фарадей назвал диамагнетизмом. В 1785 году Шарль-Огюстен Кулон посредством прецизионных измерений на крутильных весах показал, что сила взаимодействия магнитных полюсов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — точно так же, как и сила взаимодействия между электрическими зарядами (в 1750 году к аналогичному выводу пришел англичанин Джон Мичелл, но кулоновское заключение много надежней).

А вот изучение электричества в те годы двигалось семимильными шагами. Объяснить это нетрудно. Единственными первичными источниками магнитной силы оставались природные магниты — других наука не знала. Их сила стабильна, ее нельзя ни изменить (разве что уничтожить нагревом), ни тем более генерировать по собственному желанию. Понятно, что это обстоятельство сильно ограничивало возможности экспериментаторов.

Электричество было в гораздо более выгодном положении — ведь его можно было получать и накапливать. Первый генератор статических зарядов построил в 1663 году бургомистр Магдебурга Отто фон Герике (знаменитые магдебургские полушария — тоже его детище). Век спустя такие генераторы стали столь широко распространены, что их демонстрировали даже на великосветских приемах. В 1744 году немец Эвальд Георг фон Клейст и немногим позже голландец Питер ван Мушенбрук изобрели лейденскую банку — первый электрический конденсатор; тогда же появились и первые электрометры. В результате к концу XVIII века наука знала об электричестве куда больше, чем в его начале. А вот о магнетизме этого сказать было нельзя.

А потом все изменилось. В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый химический источник электрического тока — гальваническую батарею, также известную как вольтов столб. После этого открытие связи между электричеством и магнетизмом стало вопросом времени. Оно могло состояться уже на следующий год, когда французский химик Николя Готеро заметил, что два параллельных провода с током притягиваются друг к другу. Однако ни он, ни великий Лаплас, ни замечательный физик-экспериментатор Жан-Батист Био, которые позже наблюдали это явление, не придали ему никакого значения. Поэтому приоритет справедливо достался ученому, давно предположившему существование такой связи и много лет посвятившему ее поискам.

Ссылка на основную публикацию