Для школьников.
Явления магнетизма были известны ещё древним грекам. Они знали удивительные свойства магнитного камня, найденного вблизи города Магнесия в Малой Азии - его способность притягивать к себе мелкие железные предметы. Знали, что намагниченной иглой (магнитной стрелкой) можно пользоваться как указателем севера или юга.
На рисунке а) показан кусок магнитного камня (железной руды), притянувшего к себе железные опилки. Если камень подвесить на нити (рис. б), то он установится в направлении север - юг.
Камень, которым натирали железную иглу (магнитную стрелку), называли камнем Геркулеса.
Сократ, древнегреческий мудрец, так описал свойства этого камня: "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".
В Китае и Индии о магнитном камне ходили легенды. Магнетизм с незапамятных времён загадывал людям множество загадок.
Первые исследования магнитных явлений были проведены англичанином Гильбертом, описавшим результаты своих исследований в 1600 году в книге "О магните, магнитных телах и великом магните Земли".
Гильберт считал, что Земля подобна намагниченному шару. Сделав стальной шар, он намагнитил его так, чтобы в диаметрально противоположных точках были ярко выражены магнитные полюсы.
Перемещая магнитную стрелку вдоль меридиана, он наблюдал как менялось наклонение магнитной стрелки - оно убывало при перемещении стрелки от одного полюса к другому, а на экваторе угол наклонения становился равным нулю.
На основании этих результатов Гильберт пришёл к выводу, что магнитное поле Земли сосредоточено в самой Земле.
Книга Гильберта явилась началом науки о магнетизме Земли.
(В наше время магнитное поле Земли объясняется процессами, которые должны происходить в её ядре. Земля - гигантский магнит.
Южный магнитный полюс Земли находится вблизи северного географического, а северный магнитный полюс Земли находится вблизи южного географического.
Земное магнитное поле имеет такой вид, как будто земной шар представляет собой магнит с осью направленной приблизительно с севера на юг.
Прямая, проходящая через оба магнитных полюса Земли не проходит через центр Земли. Точки схождения линий земного магнитного поля не лежат на поверхности Земли, а находятся под ней.
Магнитные стрелки устанавливаются вдоль незримых линий (магнитных силовых линий), которые идут над поверхностью Земли от одного магнитного полюса к другому, и в каждой точке стрелка направлена по касательной к такой линии.
При этом расположение полюсов магнитной стрелки говорит о том, что разноимённые магнитные полюсы притягиваются, а одноимённые отталкиваются).
На вопрос, почему магнитное поле Земли лишь поворачивает магнитную стрелку, но не смещает её, убедительный ответ был дан Кулоном.
Объяснение Кулоном этого явления заключалось в следующем.
Силы взаимодействия между каждым из полюсов Земли и магнитной стрелкой равны по величине. Они приложены к концам стрелки, параллельны друг другу, но направлены в противоположные стороны.
Силы, приложенные к телу таким образом, не могут его смещать. Их действие приводит к вращению тела (магнитной стрелки).
По мере приближения стрелки к направлению меридиана линии действия этих сил сближаются, уравновешивают друг друга, и стрелка устанавливается по магнитному меридиану.
Ещё Гильберт заметил, что при намагничивании железного стержня стержень удлинялся.
(В 1847 году Джоуль, исследуя это явление, установил зависимость удлинения и укорачивания металлического стержня при перемагничивании - это явление было названо магнитострикцией).
Гильберт также заметил, что магнитные свойства тела меняются при его нагревании.
(В 1895 году Пьером Кюри была исследована зависимость магнитных свойств магнетиков от температуры и установлена температура (точка Кюри), при которой магнитные свойства вещества исчезают из-за теплового движения молекул).
Гильбертом было ещё замечено, что при разбивании магнита у его частей всё равно остаются два полюса.
Это свойство магнита заставило исследователей задуматься, что же происходит в железе при его намагничивании?
В 1797 году ирландский химик Кирван предложил рассматривать молекулы железа как природные магниты независимо от того, намагничено оно или нет.
Когда железный брусок натирают от середины к краям противоположными полюсами магнита, магнетики - молекулы подобно стрелке компаса, устанавливаются вдоль бруска и сам он становится магнитом.
Ампером было обнаружено сходство магнитных полей, создаваемых полосовым магнитом и катушкой такого же размера, по которой проходил ток.
Наблюдаемое привело Ампера к мысли, что с молекулами вещества связаны круговые токи (молекулярные токи); что, обладая магнитным моментом, молекулярные токи являются элементарными источниками магнетизма.
Согласно взглядам Ампера, когда вещество не намагничено, магнитные моменты молекулярных токов ориентированы хаотично и его общий магнитный момент равен нулю.
Когда же вещество находится в намагниченном состоянии, то магнитные моменты молекул ориентированы в одном направлении, и дают результирующий магнитный момент (рисунок ниже).
Выводы Ампера нашли своё подтверждение. Сейчас, когда мы знаем строение атома (состоящего из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра), то легко представить движущийся по орбите электрон как круговой ток.
Тогда атом в целом и молекулу, состоящую из атомов, можно заменить круговым током, имеющим магнитный момент.
Таким образом, условно можно считать, что внутри намагниченного вещества (называемого магнетиком) существуют замкнутые микротоки.
На следующем рисунке слева они показаны в поперечном сечении магнетика, глядя на который можно заметить, что во внутренних частях магнетика молекулярные токи компенсируют (уничтожают) друг друга, а на поверхности магнетика они складываются в поверхностные круговые токи (рисунок справа):
Последний рисунок подтверждает справедливость вывода Ампера о существовании круговых (молекулярных) токов в веществе, и объяснения ими намагничивания вещества (теория Ампера называется молекулярной теорией магнетизма).
По магнитным свойствам все вещества (магнетики) делятся на парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики.
При помещении магнетика во внешнее магнитное поле в нём возникает своё магнитное поле В, то есть вещество намагничивается.
Магнитной характеристикой магнетика является величина
называемая магнитной проницаемостью вещества.
Магнитная проницаемость вещества показывает во сколько раз индукция магнитного поля в веществе больше (для парамагнетиков и ферромагнетиков) или меньше (для диамагнетиков) индукции того же магнитного поля в отсутствии вещества.
Магнитную проницаемость воздуха приняли равной единице. Магнитную проницаемость магнетиков сравнивают с магнитной проницаемостью воздуха. Магнитная проницаемость парамагнетиков и диамагнетиков очень мала (близка к единице).
(Ниже приведён рисунок, когда прямой провод с током создаёт вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого имеют вид окружностей
Ответьте себе на вопрос: Почему магнитная стрелка располагается по касательной к силовой линии?
Если на изображённую поверхность насыпать мелкие железные опилки, то они расположатся по окружностям вокруг прямого провода с током (по силовым линиям магнитного поля). Почему они так расположатся и что при этом происходит в каждой частичке железа? Ответ сможете дать, прочитав статью "Как физика объясняет способность ферромагнетиков сильно намагничиваться").
Парамагнетики
Парамагнетики - это вещества, атомы которых и в отсутствие магнитного поля обладают магнитным моментом, но вектора магнитных моментов ориентированы хаотично и в целом вещество не намагничено.
При помещении же его в магнитное поле магнитные вектора ориентируются по направлению поля и вещество намагничивается, но очень слабо.
К парамагнетикам относятся алюминий, платина, вольфрам и др. Их магнитная проницаемость чуть больше единицы.
Так, магнитная проницаемость платины равна 1,00036. Это значит что парамагнетик слабо намагничивается в направлении внешнего магнитного поля.
Если стержень из парамагнетика подвесить в однородном магнитном поле, то в положении равновесия он установится вдоль линий магнитной индукции (рисунок ниже):
Если парамагнетик окажется в неоднородном магнитном поле, то он будет перемещаться в сторону большей индукции (будет втягиваться в поле).
Диамагнетики
Диамагнетиками являются вещества, которые при помещении их в магнитное поле намагничиваются навстречу этому полю.
Такое поведение диамагнетиков обусловлено строением их атомов: в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты, создаваемые отдельными электронами в их атомах, взаимно скомпенсированы.
При внесении диамагнетика в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома, согласно закону электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые токи, т. е. добавочное круговое движение электронов вокруг направления магнитного поля. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему магнитному полю.
(Индуцированные магнитные моменты создаются в магнетиках независимо от того, имелся ли первоначально у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован, поэтому слабый диамагнетизм свойственен всем веществам, но он перекрывается более сильными парамагнетизмом и ферромагнетизмом в соответствующих магнетиках).
К чистым диамагнетикам относятся серебро, золото, висмут и др.
Магнитная проницаемость диамагнетиков близка к единице (чуть меньше единицы). Например, для висмута она равна 0,9998.
В силу намагниченности диамагнетиков против внешнего магнитного поля диамагнитный стержень в магнитном поле ориентируется перпендикулярно его силовым линиям, что показано на следующем рисунке (вид сверху):
В неоднородном магнитном поле частицы диамагнетика "выталкиваются из поля", что видно на следующем рисунке, где пламя свечи (продукты сгорания являются диамагнитными частицами) испытывает отклонение от направления поля:
Особенности веществ (ферромагнетиков), способных очень сильно намагничиваться под действием магнитного поля, будут рассмотрены в следующей статье.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Физика и музыка. Тембр звука. Основной тон. Обертоны.
Следующая запись: Как физика объясняет способность ферромагнетиков сильно намагничиваться? Доменная структура ферромагнетиков.
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.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .
