Для школьников.
В природе есть магнитные руды, способные притягивать к себе небольшие железные предметы. Если подвесить такой кусок руды на нити, то он установится от севера к югу.
На рис. а) показано, как этот кусок руды (естественный магнит) притянул к своим полюсам железные опилки. а на рис б) показано, как он установился в направлении магнитного поля Земли.
О существовании таких естественных магнитов было известно ещё в древние времена, их звали магнитными камнями.
Так, Сократ (древнегреческий мудрец) писал о природном магните :" Этот камень не только притягивает железное кольцо, - он одаривает своей силой и кольцо. так что оно в свою очередь может притягивать другое кольцо. и таким образом может висеть друг на друге множество колец или кусков железа; это происходит благодаря силе магнитного камня".
Натирая естественным магнитом железную иглу (стрелку) или железный брусок от середины к краям, можем получить искусственные магниты.
Одноимённые полюса магнитов отталкиваются, а разноимённые притягиваются.
На какие бы мелкие части не разбивали магнит, в каждой части всё равно существуют два полюса.
Возникает вопрос: что же происходит в железе при его намагничивании?
Но прежде посмотрим, как была обнаружена тесная связь между магнетизмом и электричеством.
Первым, кто обратил на это внимание, был датский физик Эрстед, который в 1820 году случайно увидел реакцию магнитной стрелки на оказавшийся вблизи проводник с током.
После этого стали ставить специальные опыты по обнаружению взаимосвязи постоянного магнита с электрическим током.
Так, при пропускании тока по соленоиду, на его концах были обнаружены два противоположных полюса, ничем не отличающихся от полюсов магнита. Эти полюса взаимодействовали с полюсами магнита.
Далее французский физик Араго, поместив стальной стержень в стеклянную трубку и обмотав её медной проволокой, пустил по проволоке ток. Стержень намагнитился.
Затем Ампером были поставлены опыты по взаимодействию двух параллельных проводников с током. Он же определил направление силы, действующей на проводник с током со стороны магнитного поля, которое мы называем "правилом левой руки".
Ампером же была высказана гипотеза о сущности намагничивания.
Он предположил, что причину намагничивания ферромагнетиков надо искать в существовании круговых молекулярных токов.
Так, электрон, вращающийся по круговой орбите в атоме, можно представить как круговой ток, создающий магнитное поле (имеющий магнитный момент). Молекулу тоже можно представить в виде кругового тока.
Когда вектора магнитных моментов всех молекул выстроятся по направлению внешнего магнитного поля, ферромагнетик окажется полностью намагниченным.
На рисунке показано несколько доменов ферромагнетика. Они в отсутствие магнитного поля намагничены вдоль осей лёгкого намагничивания кристалла так, что общая намагниченность равна нулю.
При наложении внешнего магнитного поля Н (показано пунктирным вектором) сначала границы доменов смещаются, затем вектора намагниченности доменов поворачиваются и направляются по полю, то есть все домены сливаются и ферромагнетик намагничивается до насыщения вдоль поля.
Теперь о магнитном поле Земли.
Земля обладает не только электрическим полем, но и магнитным. Магнитные силовые линии Земли показаны на следующем рисунке.
Южный магнитный полюс Земли находится вблизи северного географического, а северный магнитный полюс вблизи южного географического.
Из рисунка видно, что ход линий магнитного поля Земли имеет такой вид, как будто земной шар представляет собой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг.
Точки схождения линий магнитного поля лежат внутри Земли, то есть источники магнитного поля Земли находятся внутри Земли.
Для объяснения существования магнитного поля Земли существует много гипотез.
Вернее всего представляется гипотеза, что в жидком ядре Земли могут происходить сложные и интенсивные движения, приводящие к самовозбуждению магнитного поля.
Магнитное поле Земли меняется, испытывает медленные вековые изменения.
Об изменении магнитного поля Земли судят по изучению магнитных свойств горных пород, содержащих железо, судят по остаточной намагниченности горных пород.
Исследования показывают, что в прошлом направление магнитного поля Земли многократно изменялось на противоположное (магнитные полюса менялись местами). Последнее такое изменение было около 0,7 млн. лет назад.
Из - за того, что магнитное поле Земли меняется, ведутся постоянные исследования магнитных свойств горных пород, магнитных составляющих этих пород.
Моя диссертационная работа была посвящена исследованию магнитных свойств природного пирротина из Норильского (Талнахского) месторождения.
Пирротин является одним из немногих минералов, обладающих ярко выраженным магнетизмом. Поэтому даже незначительное содержание пирротина в горных породах оказывает большое влияние на магнетизм горных пород.
Среди горных пород Норильска был найден монокристалл пирротина (шестигранник) размером около 5 мм. Вырезав его из породы, получила диск, поверхность которого отшлифовала, отполировала. Затем на эту поверхность наносился слой магнитной суспензии (очень мелкого магнитного порошка с водой).
Суспензия оседала на границах доменов. Далее под микроскопом в магнитных полях наблюдалась и фотографировалась доменная структура в полях разной напряжённости при разных температурах. Про домены будет сказано в следующей статье, а сейчас покажу некоторые фото.
На первом фото сняты домены в отсутствии магнитного поля. В соответствии с гексагональной кристаллической структурой пирротина, домены направлены вдоль трёх осей легкого намагничивания. На рисунке видно, что домены направлены друг к другу на этом участке под углом 120 градусов.
На следующем рисунке показана доменная структура (её изменение) во вращающемся магнитном поле.
На заводе Красноярска был изготовлен мощный магнит, на котором мы, аспиранты, исследовали каждый свои образцы. Исследования проводились в циклических и вращающихся магнитных полях при температурах от + 195 градусов Цельсия до минус 170 градусов (при жидком кислороде).
Приведу ещё один интересный рисунок, показывающий, что при низкой температуре оси лёгкого и трудного намагничивания пирротина при некотором значении магнитного поля поменялись местами.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Спасибо.
Предыдущая запись: Занятие 63. Магнитное поле постоянного тока.
Следующая запись:Занятие 64. Намагничивание ферромагнетиков. Потери энергии от гистерезиса.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.