Одноименные полюса разноименные. Магниты и магнитные свойства вещества

Свойства постоянных магнитов. 1. Разноименные магнитные полюса притягиваются, одноименные отталкиваются. 2. Магнитные линии – замкнутые линии. Вне магнита магнитные линии выходят из «N» и входят в «S», замыкаясь внутри магнита. В 1600г. английский врач Г.Х.Гилберт вывел основные свойства постоянных магнитов.

Физика 8 класс

«Три вида теплообмена» - Аэростаты. Теплообмен. Как можно объяснить конвекцию с точки зрения молекулярного строения газа. Солнечная энергия. Сравнительная таблица теплопроводностей различных веществ. Из рисунка сделайте вывод. Жидкость. Теплоприемник. Использование двойных оконных рам. Теплопроводность. Виды теплообмена. Как можно объяснить хорошую теплопроводность металлов. Лучистый теплообмен. Почему конвекция невозможна в твердых телах.

«Процесс кипения» - Давление. Формула. Удельная теплота парообразования. Можно ли заставить кипеть воду, не нагревая. Q=Lm. Температура жидкости. Приготовление пищи. Газы и твёрдые тела. Кипение в быту и промышленности. Определение. Применение. Сходство и различие. Вещество. Кипение. Процесс нагревания. Реши задачи. Процесс кипения. Температура кипения. Температура кипения жидкости. Процессы нагревания и кипения. Парообразование.

««Оптические приборы» физика» - Использование микроскопа. Использование телескопов. Строение электронного микроскопа. Рефракторы. Содержание. Разновидности телескопов. Микроскоп. Проекционный аппарат. Создание микроскопа. Строение телескопа. Оптические приборы: телескоп, микроскоп, фотоаппарат. Телескоп. Фотоаппарат. Электронный микроскоп. История фотографирования. Рефлекторы.

«Создание научной картины мира» - Революция в медицине. Изменения. Луи Пастер. Повелитель молний. Рене Лаэннек. Российский и французский биолог. Немецкий микробиолог. Наука: создание научной картины мира. Джеймс Карл Максвелл. Вильгельм Конрад Рентген. Сенсации продолжаются. Хендрик Антон Лоренц. Учёные, изучающие явление радиоактивности. Генрих Рудольф Герц. Переворот. Эдуард Дженнер. Революция в естествознании. Лучи пронизывают различные предметы.

«Физика в 8 классе «Тепловые явления»» - Тематическое планирование уроков раздела «Тепловые явления». Разработка урока. Моделирование системы уроков раздела «Тепловые явления». Методы обучения. Психолого-педагогическое объяснение восприятия и освоения учебного материала. Продолжить формирование у учащихся знаний об энергии. Общие предметные результаты. Личностные результаты. Анализ выполнения диагностической работы. Учебно-методический комплекс.

«Постоянные магниты» - Изучение свойств постоянных магнитов. Магнитные аномалии. Магнитное поле. Земной шар. Происхождение магнитного поля. Магнитные свойства тел. Магнитное действие катушки с током. Замкнутость силовых линий. Земное магнитное поле. Северный полюс. Постоянные магниты. Намагничивание железа. Разноимённые магнитные полюсы. Магнитное поле на Луне. Магнитные действия. Магнит, имеющий один полюс. Магнитные силовые линии.

«Движение частиц в магнитном поле» - Проявление действия силы Лоренца. Повторение. Межзвёздное вещество. Направления силы Лоренца. Масс-спектрограф. Применение силы Лоренца. Циклотрон. Изменение параметров. Движение частиц в магнитном поле. Электронно-лучевая трубка. Спектрограф. Значение. Сила Лоренца. Контрольные вопросы. Определение величины силы Лоренца.

«Магнитное поле и его графическое изображение» - Биометрология. Магнитные линии. Полярное сияние. Концентрические окружности. Магнитное поле постоянного магнита. Разноименные магнитные полюса. Магнитное поле. Внутри полосового магнита. Земное магнитное поле. Магнитное поле и его графическое изображение. Постоянные магниты. Гипотеза Ампера. Магнитные полюсы.

«Энергия магнитного поля» - Время релаксации. Переходные процессы. Плотность энергии. Скалярная величина. Электродинамика. Плотность энергии магнитного поля. Постоянные магнитные поля. Энергия катушки. Экстратоки в цепи с индуктивностью. Импульсное магнитное поле. Самоиндукция. Расчёт индуктивности. Определение индуктивности. Колебательный контур.

«Характеристики магнитного поля» - Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости. Линии магнитной индукции. Формула справедлива при скоростях заряженных частиц. Сила, действующая на электрический заряд. Точка, в которой определяется магнитное поле. Электромагнетизм. Магнитное поле кругового тока. Три способа задать вектор магнитной индукции.

«Магнитное поле, магнитные линии» - Опыт по обнаружению магнитного поля тока. Магнит обладает на разных участках различной притягивающей силой. Магнитные линии соленоида. Магнитные линии прямолинейного проводника с током. Расположение металлических опилок вокруг прямолинейного проводника. Закончить фразу. Движущиеся электрические заряды.

«Определение магнитного поля» - Оборудование. Вечернее размышление. По данным, полученным в ходе экспериментов, заполним таблицу. Экспериментальное задание. Сирано де Бержерак. Ж. Верн. Графическое изображение магнитных полей. Магнит имеет два полюса: северный и южный. Действия электрического тока. Направление магнитных силовых линий.

Всего в теме 20 презентаций

Доработана: 10.03.16

О магнитах

Магнит - тело, имеющее намагниченность.

Поле – это пространство, внутри которого один объект (Источник) воздействует, не обязательно прямым контактом, на другой объект (Приёмник). Если Источником воздействия является магнит, то поле считается магнитным.

Магнитное поле - это пространство вокруг каждого из полюсов магнита и по этой причине оно не имеет ограничений по всем направлениям! Центром каждого магнитного поля является соответствующий полюс магнита.

В некотором ограниченном пространстве одновременно могут находиться более одного Источника. Интенсивность этих Источников совсем не обязательно будет одинаковой. Соответственно этому, центров может быть тоже более одного.

Итоговое поле в этом случае будет не однородным. В каждой точке-Приёмнике такого поля интенсивность будет соответствовать сумме интенсивностей магнитных полей, формируемых всеми центрами.

При этом северные магнитные поля и южные магнитные поля условно следует считать разнознаковыми. К примеру, если в некоторой точке суммарного поля интенсивность находящегося в ней южного магнитного поля совпадает с интенсивностью находящего здесь же северного магнитного поля, то суммарная интенсивность в обсуждаемой точке-Приёмнике от взаимодействия обоих полей будет равна нулю.

Постоянный магнит - изделие, способное сохранять свою намагниченность после выключения внешнего магнитного поля.

Электромагнит - устройство, магнитное поле которого создаётся в катушке только при протекании по ней электрического тока.

Общее свойство любого магнита не зависимо от типа магнитного поля (северное или южное) – это притяжение к материалам, содержащим железо (Fe ) . С висмутом обычный магнит работает на отталкивание. Физика ни того, ни другого эффекта объяснить не может, хотя гипотез можно предложить неограниченное количество! Из этого правила («притяжение») исключаются некоторые марки нержавеющей стали, в состав которых тоже входит железо – эту особенность физика объяснить также не может, хотя гипотез тоже можно предложить неограниченное количество!

Магнитный полюс - одна из сторон магнита. Если магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы полюса имели вертикальную ориентацию и он (магнит) мог бы свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то одна из сторон магнита повернётся к северному полюсу Земли. Соответственно, противоположная сторона повернётся к южному полюсу. Сторона магнита, направленная к северному полюсу Земли, называется южным полюсом магнита, а противоположная сторона - северным полюсом магнита.

Магнит притягивает другие магниты и предметы из магнитных материалов, даже не находясь в соприкосновении с ними. Такое действие на расстоянии объясняется существованием магнитного поля в пространстве вокруг обоих магнитных полюсов магнита.

Разноимённые полюса двух магнитов обычно притягиваются друг к другу , а одноименные – обычно взаимно отталкиваются .

Почему «обычно»? Да потому, что иногда встречаются аномальные явления, когда, например, разноимённые полюса ни притягиваются взаимно, ни отталкиваются! У этого явления имеется название « магнитная яма ». Физика объяснить его не может!

В моих экспериментах встречались также ситуации, когда одноимённые полюса притягиваются (вместо ожидаемого взаимного отталкивания), а разноимённые полюса отталкиваются (вместо ожидаемого взаимного притягивания)! У этого явления даже названия нет, и физика тоже пока не может его объяснить!

Если к одному из полюсов магнита приблизить кусок не намагниченного железа, то последний временно намагнитится.

Такой материал считается магнитным.

При этом ближний к магниту край куска станет магнитным полюсом, наименование которого противоположно наименованию ближнего полюса магнита, а дальний конец куска – полюсом, одноименным с ближним полюсом магнита.

В этом случае в зоне взаимного действия оказываются два разноименных полюса двух магнитов: магнита-Источника и условного магнита (из железки).

Выше было упомянуто, что в пространстве между этими магнитами происходит алгебраическое сложение интенсивностей взаимодействующих полей. А, поскольку поля оказываются разнознаковые, постольку между магнитами формируется зона суммарного магнитного поля с нулевой (или – почти нулевой) интенсивностью. В дальнейшем я буду называть такую зону « Зероузона ».

Так как «Природа не терпит пустоты», можно предположить, что она (Природа) стремится заполнить пустоту ближайшим, имеющимся «под рукой» материалом. В нашем случае таким материалом являются магнитные поля, между которыми образовалась нулевая зона (Зероузона). Для этого требуется сблизить оба разнознаковых Источника (сблизить центры магнитных полей) до полного исчезновения зероузоны между полями! Если, конечно, движению центров (сближению магнитов) ничто не мешает!

Вот Вам и объяснение взаимного притяжения разноимённых магнитных полюсов и взаимного притяжения магнита с железкой!

По аналогии с притяжением можно рассмотреть явление отталкивания.

В этом варианте в зоне взаимного воздействия оказываются однознаковые магнитные поля. Разумеется, они тоже между собой алгебраически складываются. Из-за этого в точках-Приёмниках между магнитами возникает зона с интенсивностью выше интенсивностей на соседних участках. В дальнейшем я буду называть такую зону « Максизона ».

Логично предположить, что Природа норовит уравновесить эту неприятность и отодвинуть центры взаимодействующих полей друг от друга, чтобы сгладить интенсивность поля в Максизоне.

При таком объяснении получается, что никакой из полюсов магнита не может отодвинуть от себя железку сам по себе! Потому что железка, находясь в магнитном поле, всегда будет превращаться в условный временный магнит и, поэтому, на ней (на железке) всегда будут формироваться магнитные полюса. Причём, ближний полюс вновь образовавшегося временного магнита противоположен полюс магнита-Источника. Следовательно, железка, находящаяся в магнитном поле полюса-Источника, будет притягиваться к магниту-Источнику (НО не притягивать его! )!

Условный магнит, образовавшийся из железки, помещённой в магнитное поле, ведёт себя, как магнит, только по отношению к магниту-Источнику. Но, если рядом с этим условным магнитом (железкой) поместить другую железку, то эти две железки будут вести себя по отношению друг к другу, как обычные две железки! Другими словами, первый магнит-железка, как бы, забывает о том что она – магнит! Важно только, чтобы толщина первой железки была достаточно ощутимой (для моих домашних магнитов – не менее 2мм) и поперечный габарит – больше габарита второй железки!

А вот одноимённый полюс принудительно введённого магнита (это – уже не простая железка) – обязательно отодвинет от себя такой же полюс, если не будет препятствий!

В учебниках по физике, а иногда и в солидных трудах по физике, написано, что некоторое представление об интенсивности магнитного поля и об изменении этой интенсивности в пространстве можно получить, насыпав железные опилки на лист подложки (картон, пластик, фанера, стекло или любой немагнитный материал), положенный на магнит. Опилки выстроятся цепочками в направлениях изменяющейся интенсивности поля, а густота линий из опилок будет соответствовать самой интенсивности этого поля.

Так вот это – чистый обман !!! Похоже на то, что никому не приходило в голову провести реальный эксперимент и насыпать-таки эти опилки!

Опилки соберутся в две плотные кучки. Одна кучка сформируется вокруг северного полюса магнита, а другая – вокруг его южного полюса!

Интересен тот факт, что как раз посередине между двумя кучками (в Зероузоне) вообще НЕ будет никаких опилок! Этот эксперимент ставит под сомнение существование пресловутых магнитных силовых линий , долженствующих выходить из северного полюса магнита и входить в его южный полюс!

М. Фарадей, мягко говоря, был неправ!

Если опилок будет достаточно много, то по мере удаление от полюса магнита кучка будет уменьшаться и редеть, что является индикатором ослабления интенсивности магнитного поля по мере удаления точки-Приёмника в пространстве от точки-Источника на полюсе магнита. Наблюдаемое уменьшение интенсивности магнитного поля, конечно же, не зависит от наличия или отсутствия опилок на экспериментальной подложке! Уменьшение – объективно!

А вот уменьшение плотности опилочного покрытия на подложке можно объяснить наличием трения опилок о подложку (по картонке, по стеклу и т. д.). Трение не позволяет ослабевшему притяжению сдвинуть опилки к полюсу магнита. И чем дальше от полюса, тем меньше сила притяжения и, тем самым, тем меньше опилок смогут приблизиться к полюсу. Но, если подложку встряхнуть, то ВСЕ опилки соберутся максимально близко к ближайшему полюсу! Видимая неоднородная плотность опилочного покрытия будет, таким образом, нивелирована!

В серединной зоне поперечных сечений магнита алгебраически складываются два магнитных поля: северное и южное. Суммарная плотность поля между полюсами является результатом алгебраического сложения интенсивностей от разноимённых полей. В самом серединном сечении сумма этих интенсивностей будет точно равна нулю (формируется Зероузона). По этой причине в этом сечении опилок вообще не должно быть и их реально нет!

По мере удаления от середины магнита (от Зероузоны) в сторону магнитного полюса (любого) интенсивность магнитного поля будет расти, достигая максимума на самом полюсе. Градиент изменения серединной интенсивности во много раз выше градиента изменения наружной интенсивности.

Но, в любом случае, опилки НИКОГДА не выстроятся хотя бы в подобие каких-нибудь линий, соединяющих северный полюс магнита с его южным полюсом!

Физика оперирует термином « Магнитный поток ».

Так вот, НЕ существует никакого магнитного потока !

Ведь « поток » означает «единонаправленное движение материальных частиц или частей»! Если эти частицы магнитные, то поток считается магнитным.

Существуют, конечно ещё и образные словосочетания типа «поток слов», «поток мыслей», «поток неприятностей» и тому подобные словосочетания. Но к физическим явлениям они отношения не имеют.

А в реальном магнитном поле ничто никуда не движется! Имеется только магнитное поле, интенсивность которого уменьшается по мере удаления от ближайшего полюса магнита-Источника.

Если бы поток существовал, то из массы магнита постоянно вытекала бы масса частиц! И с течением времени масса исходного магнита заметно уменьшалась бы! Однако, практика этого не подтверждает!

Поскольку существование пресловутых магнитных силовых линий не подтверждается практикой, постольку надуманно-придуманным становится и сам термин « магнитный поток ».

Физика, кстати, даёт такую трактовку магнитного потока, которая только подтверждает невозможность « магнитного потока » в Природе:

« Магнитный поток» - физическая величина, равная плотности потока силовых линий, проходящих через бесконечно малую площадку dS … (Продолжение трактовки можно посмотреть в Интернете).

Уже из начала определения следует белиберда! « Поток» , оказывается, это - упорядоченное перемещение не существующих в Природе «силовых линий»! Что само по себе – уже бред! Из линий вообще нельзя (! ) сформировать «Поток», так как линия НЕ является материальным объектом (субстанцией)! А уж сформировать поток из не существующих линий – тем более НЕ возможно!

Далее следует не менее интересное сообщение! Оказывается, совокупность не существующих силовых линий формирует некую «плотность». По принципу: чем больше не существующих в Природе линий собрать в ограниченном сечении, тем плотнее становится не существующий пучок из не существующих линий!

Наконец, « Поток » - это, по утверждению физиков, - физическая величина!

Что называется - «ПРИЕХАЛИ »!!!

Предлагаю Читателю самому додуматься и понять, почему, скажем, «сон» не может быть физической величиной?

Даже, если бы « Магнитный поток » существовал, то в любом случае «Движение» (а «Поток» - это «Движение») НЕ может быть величиной! « Величиной» может быть какой-нибудь параметр движения, например: «Скорость» движения, «Ускорение» движения, но никак, не само «Движение»!

Поскольку просто термин « Магнитный поток » физика переварить не смогла, физикам пришлось этот термин несколько дополнить. Теперь у физиков это - « Поток магнитной индукции » (хотя, по неграмотности, частенько встречается и просто « Магнитный поток »)!

Хрен редьки, конечно же, не слаще!

« Индукция » не является материальной субстанцией! Следовательно, она НЕ может сформировать поток! « Индукция » - это всего лишь иностранный перевод с русского термина « Наведение », « Переход от частного к общему »!

Можно использовать термин « Магнитная индукция », как воздействие магнитным полем, но совершенно неграмотным для физика является термин « Поток магнитной индукции »!

В физике существует термин « Плотность магнитного потока »!

Но, слава Богу, физикам слабо дать определение этому понятию! И поэтому они (физики) – не дают его!

И, если уж в физике прижилось ничего не обозначающее понятие, как « плотность магнитного потока », которое почему-то смешивается с понятием « магнитная индукция », то:

Плотностью магнитного потока (реально НЕ существующего), логичнее считать не количество не существующих в Природе силовых линий в единице сечения, перпендикулярного к какой-либо не существующей силовой линии, а отношение количества опилок, оказавшихся в единичном сечении магнитного поля относительно количества таких же опилок, принятого за единицу, в таком же единичном сечении, но у самого полюса, если рассматриваемые сечения перпендикулярны к вектору магнитного поля .

Я предлагаю вместо бессмысленного термина « Плотность магнитного потока » применять более логичный термин, определяющий силу, с которой Источник магнитного поля может воздействовать на Приёмник, - « Интенсивность магнитного поля »!

Это – что-то по аналогии с « Напряжённостью электромагнитного поля ».

Разумеется, что никто и никогда измерять эти количества опилок не будет! Да это никому и никогда не потребуется!

В физике применяется также термин « Магнитная индукция »!

Она является векторной величиной (т. е. « Магнитная индукция » является вектором) и показывает, с какой силой и в каком направлении магнитное поле действует на движущийся заряд!

Сразу же даю существенную поправку к принятой в физике трактовке!

Магнитное поле НЕ действует на заряд! Не зависимо от того, движется этот заряд или нет!

Магнитное поле Источника взаимодействует с магнитным полем , генерируемым движущимся зарядом!

Оказывается, что « магнитная индукция » - это ни что иное, как « сила », толкающая проводник с током! А « сила », толкающая проводник с током, - это ни что иное, как « Магнитная индукция »!

А ещё в физике предлагается такой посыл: «За положительное направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле».

А если стрелки компаса рядом не оказалось! Тогда как?

Тогда предлагаю следующее!

Если проводник с током расположен в зоне северного магнитного поля, то вектор исходит из ближайшей к проводнику точки-Источника на северном полюсе магнита и пересекает проводник.

Если же проводник с током оказывается в зоне южного магнитного поля, то вектор исходит из ближайшей к магнитному полюсу точки-Приёмника на проводнике к ближайшей точке-Источнику на южном полюсе магнита.

Другими словами, в любом случае берётся кратчайшее расстояние от проводника до ближайшего полюса. Далее, в зависимости от этого расстояние берётся величина силы непосредственного воздействия магнитного поля на проводник (лучше всего - из экспериментального графика зависимости магнитной силы от расстояния).

Предлагаю описанное кратчайшее расстояние воспринимать, как « Вектор магнитного поля ».

Таким образом, получается, что магнитных полей вокруг одного магнита (и, соответственно, количество векторов магнитного поля) можно вычленить не ограниченное множество! Столько, сколько можно построить нормалей к поверхностям магнитных полюсов.

Существуют магниты двух разных видов. Одни – так называемые постоянные магниты, изготовляемые из «магнитно-твердых» материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитно-мягкого» железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.

Магнитные полюса и магнитное поле.

Магнитные свойства стержневого магнита наиболее заметны вблизи его концов. Если такой магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то он займет положение, примерно соответствующее направлению с севера на юг. Конец стержня, указывающий на север, называют северным полюсом, а противоположный конец – южным полюсом. Разноименные полюса двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные взаимно отталкиваются.

Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок ненамагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний – одноименным. Притяжением между полюсом магнита и индуцированным им в бруске противоположным полюсом и объясняется действие магнита. Некоторые материалы (например, сталь) сами становятся слабыми постоянными магнитами после того, как побывают около постоянного магнита или электромагнита. Стальной стержень можно намагнитить, просто проведя по его торцу концом стержневого постоянного магнита.

Итак, магнит притягивает другие магниты и предметы из магнитных материалов, не находясь в соприкосновении с ними. Такое действие на расстоянии объясняется существованием в пространстве вокруг магнита магнитного поля. Некоторое представление об интенсивности и направлении этого магнитного поля можно получить, насыпав на лист картона или стекла, положенный на магнит, железные опилки. Опилки выстроятся цепочками в направлении поля, а густота линий из опилок будет соответствовать интенсивности этого поля. (Гуще всего они у концов магнита, где интенсивность магнитного поля наибольшая.)

М.Фарадей (1791–1867) ввел для магнитов понятие замкнутых линий индукции. Линии индукции выходят в окружающее пространство из магнита у его северного полюса, входят в магнит у южного полюса и проходят внутри материала магнита от южного полюса обратно к северному, образуя замкнутую петлю. Полное число линий индукции, выходящих из магнита, называется магнитным потоком. Плотность магнитного потока, или магнитная индукция (В ), равна числу линий индукции, проходящих по нормали через элементарную площадку единичной величины.

Магнитной индукцией определяется сила, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем проводник с током. Если проводник, по которому проходит ток I , расположен перпендикулярно линиям индукции, то по закону Ампера сила F , действующая на проводник, перпендикулярна и полю, и проводнику и пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника. Таким образом, для магнитной индукции B можно написать выражение

где F – сила в ньютонах, I – ток в амперах, l – длина в метрах. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл) .

Гальванометр.

Гальванометр – чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используется вращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна.

Намагничивающая сила и напряженность магнитного поля.

Далее следует ввести еще одну величину, характеризующую магнитное действие электрического тока. Предположим, что ток проходит по проводу длинной катушки, внутри которой расположен намагничиваемый материал. Намагничивающей силой называется произведение электрического тока в катушке на число ее витков (эта сила измеряется в амперах, так как число витков – величина безразмерная). Напряженность магнитного поля Н равна намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины катушки. Таким образом, величина Н измеряется в амперах на метр; ею определяется намагниченность, приобретаемая материалом внутри катушки.

В вакууме магнитная индукция B пропорциональна напряженности магнитного поля Н :

где m 0 – т.н. магнитная постоянная, имеющая универсальное значение 4p Ч 10 –7 Гн/м. Во многих материалах величина B приблизительно пропорциональна Н . Однако в ферромагнитных материалах соотношение между B и Н несколько сложнее (о чем будет сказано ниже).

На рис. 1 изображен простой электромагнит, предназначенный для захвата грузов. Источником энергии служит аккумуляторная батарея постоянного тока. На рисунке показаны также силовые линии поля электромагнита, которые можно выявить обычным методом железных опилок.

Крупные электромагниты с железными сердечниками и очень большим числом ампер-витков, работающие в непрерывном режиме, обладают большой намагничивающей силой. Они создают магнитную индукцию до 6 Тл в промежутке между полюсами; эта индукция ограничивается лишь механическими напряжениями, нагреванием катушек и магнитным насыщением сердечника. Ряд гигантских электромагнитов (без сердечника) с водяным охлаждением, а также установок для создания импульсных магнитных полей был сконструирован П.Л.Капицей (1894–1984) в Кембридже и в Институте физических проблем АН СССР и Ф.Биттером (1902–1967) в Массачусетском технологическом институте. На таких магнитах удавалось достичь индукции до 50 Тл. Сравнительно небольшой электромагнит, создающий поля до 6,2 Тл, потребляющий электрическую мощность 15 кВт и охлаждаемый жидким водородом, был разработан в Лосаламосской национальной лаборатории. Подобные поля получают при криогенных температурах.

Магнитная проницаемость и ее роль в магнетизме.

Магнитная проницаемость m – это величина, характеризующая магнитные свойства материала. Ферромагнитные металлы Fe, Ni, Co и их сплавы обладают очень высокими максимальными проницаемостями – от 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермаллоя). В таких материалах при сравнительно малых напряженностях поля H возникают большие индукции B , но связь между этими величинами, вообще говоря, нелинейна из-за явлений насыщения и гистерезиса, о которых говорится ниже. Ферромагнитные материалы сильно притягиваются магнитами. Они теряют свои магнитные свойства при температурах выше точки Кюри (770° С для Fe, 358° С для Ni, 1120° С для Co) и ведут себя как парамагнетики, для которых индукция B вплоть до очень высоких значений напряженности H пропорциональна ей – в точности так же, как это имеет место в вакууме. Многие элементы и соединения являются парамагнитными при всех температурах. Парамагнитные вещества характеризуются тем, что намагничиваются во внешнем магнитном поле; если же это поле выключить, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля.

На рис. 2 представлена типичная петля гистерезиса для магнитно-твердого (с большими потерями) ферромагнитного материала. Она характеризует неоднозначную зависимость намагниченности магнитоупорядоченного материала от напряженности намагничивающего поля. С увеличением напряженности магнитного поля от исходной (нулевой) точки (1 ) намагничивание идет по штриховой линии 1 –2 , причем величина m существенно изменяется по мере того, как возрастает намагниченность образца. В точке 2 достигается насыщение, т.е. при дальнейшем увеличении напряженности намагниченность больше не увеличивается. Если теперь постепенно уменьшать величину H до нуля, то кривая B (H ) уже не следует по прежнему пути, а проходит через точку 3 , обнаруживая как бы «память» материала о «прошлой истории», откуда и название «гистерезис». Очевидно, что при этом сохраняется некоторая остаточная намагниченность (отрезок 1 –3 ). После изменения направления намагничивающего поля на обратное кривая В (Н ) проходит точку 4 , причем отрезок (1 )–(4 ) соответствует коэрцитивной силе, препятствующей размагничиванию. Дальнейший рост значений (- H ) приводит кривую гистерезиса в третий квадрант – участок 4 –5 . Следующее за этим уменьшение величины (- H ) до нуля и затем возрастание положительных значений H приведет к замыканию петли гистерезиса через точки 6 , 7 и 2 .

Магнитно-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса, охватывающей значительную площадь на диаграмме и потому соответствующей большим значениям остаточной намагниченности (магнитной индукции) и коэрцитивной силы. Узкая петля гистерезиса (рис. 3) характерна для магнитно-мягких материалов – таких, как мягкая сталь и специальные сплавы с большой магнитной проницаемостью. Такие сплавы и были созданы с целью снижения обусловленных гистерезисом энергетических потерь. Большинство подобных специальных сплавов, как и ферриты, обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.

Магнитные материалы с высокой проницаемостью изготовляются путем отжига, осуществляемого выдерживанием при температуре около 1000° С, с последующим отпуском (постепенным охлаждением) до комнатной температуры. При этом очень существенны предварительная механическая и термическая обработка, а также отсутствие в образце примесей. Для сердечников трансформаторов в начале 20 в. были разработаны кремнистые стали, величина m которых возрастала с увеличением содержания кремния. Между 1915 и 1920 появились пермаллои (сплавы Ni с Fe) с характерной для них узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса. Особенно высокими значениями магнитной проницаемости m при малых значениях H отличаются сплавы гиперник (50% Ni, 50% Fe) и му-металл (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тогда как в перминваре (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практически постоянна в широких пределах изменения напряженности поля. Среди современных магнитных материалов следует упомянуть супермаллой – сплав с наивысшей магнитной проницаемостью (в его состав входит 79% Ni, 15% Fe и 5% Mo).

Теории магнетизма.

Впервые догадка о том, что магнитные явления в конечном счете сводятся к электрическим, возникла у Ампера в 1825, когда он высказал идею замкнутых внутренних микротоков, циркулирующих в каждом атоме магнита. Однако без какого-либо опытного подтверждения наличия в веществе таких токов (электрон был открыт Дж.Томсоном лишь в 1897, а описание структуры атома было дано Резерфордом и Бором в 1913) эта теория «увяла». В 1852 В.Вебер высказал предположение, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнит, или магнитный диполь, так что полная намагниченность вещества достигается, когда все отдельные атомные магниты оказываются выстроенными в определенном порядке (рис. 4,б ). Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение вопреки возмущающему влиянию тепловых колебаний этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное «трение». Его теория смогла объяснить намагничивание тел при соприкосновении с магнитом, а также их размагничивание при ударе или нагреве; наконец, объяснялось и «размножение» магнитов при разрезании намагниченной иглы или магнитного стержня на части. И все же эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явлений насыщения и гистерезиса. Теория Вебера была усовершенствована в 1890 Дж.Эвингом, заменившим его гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые составляют постоянный магнит.

Подход к проблеме, предложенный когда-то Ампером, получил вторую жизнь в 1905, когда П.Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Кроме того, Ланжевен ввел понятие магнитного момента, равного для отдельного атомного магнита произведению «магнитного заряда» полюса на расстояние между полюсами. Таким образом, слабый магнетизм парамагнитных материалов обусловлен суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами.

В 1907 П.Вейс ввел понятие «домена», ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Вейс представлял домены в виде небольших «колоний» атомов, в пределах которых магнитные моменты всех атомов в силу каких-то причин вынуждены сохранять одинаковую ориентацию, так что каждый домен намагничен до насыщения. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм и соответственно объем порядка 10 –6 мм 3 . Домены разделены так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. «Стенка» и два противоположно ориентированных домена схематически изображены на рис. 5. Такие стенки представляют собой «переходные слои», в которых происходит изменение направления намагниченности доменов.

В общем случае на кривой первоначального намагничивания можно выделить три участка (рис. 6). На начальном участке стенка под действием внешнего поля движется сквозь толщу вещества, пока не встретит дефект кристаллической решетки, который ее останавливает. Увеличив напряженность поля, можно заставить стенку двигаться дальше, через средний участок между штриховыми линиями. Если после этого напряженность поля вновь уменьшить до нуля, то стенки уже не вернутся в исходное положение, так что образец останется частично намагниченным. Этим объясняется гистерезис магнита. На конечном участке кривой процесс завершается насыщением намагниченности образца за счет упорядочения намагниченности внутри последних неупорядоченных доменов. Такой процесс почти полностью обратим. Магнитную твердость проявляют те материалы, у которых атомная решетка содержит много дефектов, препятствующих движению междоменных стенок. Этого можно достичь механической и термической обработкой, например путем сжатия и последующего спекания порошкообразного материала. В сплавах алнико и их аналогах тот же результат достигается путем сплавления металлов в сложную структуру.

Кроме парамагнитных и ферромагнитных материалов, существуют материалы с так называемыми антиферромагнитными и ферримагнитными свойствами. Различие между этими видами магнетизма поясняется на рис. 7. Исходя из представления о доменах, парамагнетизм можно рассматривать как явление, обусловленное наличием в материале небольших групп магнитных диполей, в которых отдельные диполи очень слабо взаимодействуют друг с другом (или вообще не взаимодействуют) и потому в отсутствие внешнего поля принимают лишь случайные ориентации (рис. 7,а ). В ферромагнитных же материалах в пределах каждого домена существует сильное взаимодействие между отдельными диполями, приводящее к их упорядоченному параллельному выстраиванию (рис. 7,б ). В антиферромагнитных материалах, напротив, взаимодействие между отдельными диполями приводит к их антипараллельному упорядоченному выстраиванию, так что полный магнитный момент каждого домена равен нулю (рис. 7,в ). Наконец, в ферримагнитных материалах (например, ферритах) имеется как параллельное, так и антипараллельное упорядочение (рис. 7,г ), итогом чего оказывается слабый магнетизм.

Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. Первое из них – так называемый эффект Баркгаузена, второе – метод порошковых фигур. В 1919 Г.Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. С точки зрения доменной теории это не что иное, как скачкообразное продвижение междоменной стенки, встречающей на своем пути отдельные задерживающие ее дефекты. Данный эффект обычно обнаруживается с помощью катушки, в которую помещается ферромагнитный стерженек или проволока. Если поочередно подносить к образцу и удалять от него сильный магнит, образец будет намагничиваться и перемагничиваться. Скачкообразные изменения намагниченности образца изменяют магнитный поток через катушку, и в ней возбуждается индукционный ток. Напряжение, возникающее при этом в катушке, усиливается и подается на вход пары акустических наушников. Щелчки, воспринимаемые через наушники, свидетельствует о скачкообразном изменении намагниченности.

Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (обычно Fe 3 O 4). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля – на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Был предложен также метод, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал.

Первоначальная теория магнетизма Вейса в своих основных чертах сохранила свое значение до настоящего времени, получив, однако, обновленную интерпретацию на основе представления о нескомпенсированных электронных спинах как факторе, определяющем атомный магнетизм. Гипотеза о существовании собственного момента у электрона была выдвинута в 1926 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком, и в настоящее время в качестве «элементарных магнитов» рассматриваются именно электроны как носители спина.

Для пояснения этой концепции рассмотрим (рис. 8) свободный атом железа – типичного ферромагнитного материала. Две его оболочки (K и L ), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй – восемь электронов. В K -оболочке спин одного из электронов положителен, а другого – отрицателен. В L -оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех – отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент равен нулю. В M -оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направленные в одну сторону, и лишь шестой – в другую. В результате остаются четыре нескомпенсированных спина, чем и обусловлены магнитные свойства атома железа. (Во внешней N -оболочке всего два валентных электрона, которые не дают вклада в магнетизм атома железа.) Сходным образом объясняется магнетизм и других ферромагнетиков, например никеля и кобальта. Поскольку соседние атомы в образце железа сильно взаимодействуют друг с другом, причем их электроны частично коллективизируются, такое объяснение следует рассматривать лишь как наглядную, но весьма упрощенную схему реальной ситуации.

Теорию атомного магнетизма, основанную на учете спина электрона, подкрепляют два интересных гиромагнитных эксперимента, один из которых был проведен А.Эйнштейном и В.де Гаазом, а другой – С.Барнеттом. В первом из этих экспериментов цилиндрик из ферромагнитного материала подвешивался так, как показано на рис. 9. Если по проводу обмотки пропустить ток, то цилиндрик поворачивается вокруг своей оси. При изменении направления тока (а следовательно, и магнитного поля) он поворачивается в обратном направлении. В обоих случаях вращение цилиндрика обусловлено упорядочением электронных спинов. В эксперименте Барнетта, наоборот, так же подвешенный цилиндрик, резко приведенный в состояние вращения, в отсутствие магнитного поля намагничивается. Этот эффект объясняется тем, что при вращении магнетика создается гироскопический момент, стремящийся повернуть спиновые моменты по направлению собственной оси вращения.

За более полным объяснением природы и происхождения короткодействующих сил, упорядочивающих соседние атомные магнитики и противодействующих разупорядочивающему влиянию теплового движения, следует обратиться к квантовой механике. Квантово-механическое объяснение природы этих сил было предложено в 1928 В.Гейзенбергом, который постулировал существование обменных взаимодействий между соседними атомами. Позднее Г.Бете и Дж.Слэтер показали, что обменные силы существенно возрастают с уменьшением расстояния между атомами, но по достижении некоторого минимального межатомного расстояния падают до нуля.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Одно из первых обширных и систематических исследований магнитных свойств вещества было предпринято П.Кюри. Он установил, что по своим магнитным свойствам все вещества можно разделить на три класса. К первому относятся вещества с резко выраженными магнитными свойствами, подобными свойствам железа. Такие вещества называются ферромагнитными; их магнитное поле заметно на значительных расстояниях (см . выше ). Во второй класс попадают вещества, называемые парамагнитными; магнитные свойства их в общем аналогичны свойствам ферромагнитных материалов, но гораздо слабее. Например, сила притяжения к полюсам мощного электромагнита может вырвать из ваших рук железный молоток, а чтобы обнаружить притяжение парамагнитного вещества к тому же магниту, нужны, как правило, очень чувствительные аналитические весы. К последнему, третьему классу относятся так называемые диамагнитные вещества. Они отталкиваются электромагнитом, т.е. сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферро- и парамагнетики.

Измерение магнитных свойств.

При изучении магнитных свойств наиболее важное значение имеют измерения двух типов. Первый из них –измерения силы, действующей на образец вблизи магнита; так определяется намагниченность образца. Ко второму относятся измерения «резонансных» частот, связанных с намагничением вещества. Атомы представляют собой крошечные «гироскопы» и в магнитном поле прецессируют (как обычный волчок под влиянием вращающего момента, создаваемого силой тяжести) с частотой, которая может быть измерена. Кроме того, на свободные заряженные частицы, движущиеся под прямым углом к линиям магнитной индукции, действует сила, как и на электронный ток в проводнике. Она заставляет частицу двигаться по круговой орбите, радиус которой дается выражением

R = mv /eB ,

где m – масса частицы, v – ее скорость, e – ее заряд, а B – магнитная индукция поля. Частота такого кругового движения равна

где f измеряется в герцах, e – в кулонах, m – в килограммах, B – в теслах. Эта частота характеризует движение заряженных частиц в веществе, находящемся в магнитном поле. Оба типа движений (прецессию и движение по круговым орбитам) можно возбудить переменными полями с резонансными частотами, равными «естественным» частотам, характерным для данного материала. В первом случае резонанс называется магнитным, а во втором – циклотронным (ввиду сходства с циклическим движением субатомной частицы в циклотроне).

Говоря о магнитных свойствах атомов, необходимо особо остановиться на их моменте импульса. Магнитное поле действует на вращающийся атомный диполь, стремясь повернуть его и установить параллельно полю. Вместо этого атом начинает прецессировать вокруг направления поля (рис. 10) с частотой, зависящей от дипольного момента и напряженности приложенного поля.

Прецессия атомов не поддается непосредственному наблюдению, поскольку все атомы образца прецессируют в разной фазе. Если же приложить небольшое переменное поле, направленное перпендикулярно постоянному упорядочивающему полю, то между прецессирующими атомами устанавливается определенное фазовое соотношение и их суммарный магнитный момент начинает прецессировать с частотой, равной частоте прецессии отдельных магнитных моментов. Важное значение имеет угловая скорость прецессии. Как правило, это величина порядка 10 10 Гц/Тл для намагниченности, связанной с электронами, и порядка 10 7 Гц/Тл для намагниченности, связанной с положительными зарядами в ядрах атомов.

Принципиальная схема установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представлена на рис. 11. В однородное постоянное поле между полюсами вводится изучаемое вещество. Если затем с помощью небольшой катушки, охватывающей пробирку, возбудить радиочастотное поле, то можно добиться резонанса на определенной частоте, равной частоте прецессии всех ядерных «гироскопов» образца. Измерения сходны с настройкой радиоприемника на частоту определенной станции.

Методы магнитного резонанса позволяют исследовать не только магнитные свойства конкретных атомов и ядер, но и свойства их окружения. Дело в том, что магнитные поля в твердых телах и молекулах неоднородны, поскольку искажены атомными зарядами, и детали хода экспериментальной резонансной кривой определяются локальным полем в области расположения прецессирующего ядра. Это и дает возможность изучать особенности структуры конкретного образца резонансными методами.

Расчет магнитных свойств.

Магнитная индукция поля Земли составляет 0,5Ч 10 –4 Тл, тогда как поле между полюсами сильного электромагнита – порядка 2 Тл и более.

Магнитное поле, создаваемое какой-либо конфигурацией токов, можно вычислить, пользуясь формулой Био – Савара – Лапласа для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока. Расчет поля, создаваемого контурами разной формы и цилиндрическими катушками, во многих случаях весьма сложен. Ниже приводятся формулы для ряда простых случаев. Магнитная индукция (в теслах) поля, создаваемого длинным прямым проводом с током I

Поле намагниченного железного стержня сходно с внешним полем длинного соленоида с числом ампер-витков на единицу длины, соответствующим току в атомах на поверхности намагниченного стержня, поскольку токи внутри стержня взаимно компенсируются (рис. 12). По имени Ампера такой поверхностный ток называется амперовским. Напряженность магнитного поля H a , создаваемая амперовским током, равна магнитному моменту единицы объема стержня M .

Если в соленоид вставлен железный стержень, то кроме того, что ток соленоида создает магнитное поле H , упорядочение атомных диполей в намагниченном материале стержня создает намагниченность M . В этом случае полный магнитный поток определяется суммой реального и амперовского токов, так что B = m 0(H + H a ), или B = m 0(H + M ). Отношение M /H называется магнитной восприимчивостью и обозначается греческой буквой c ; c – безразмерная величина, характеризующая способность материала намагничиваться в магнитном поле.

Величина B /H , характеризующая магнитные свойства материала, называется магнитной проницаемостью и обозначается через m a , причем m a = m 0m , где m a – абсолютная, а m – относительная проницаемости,

В ферромагнитных веществах величина c может иметь очень большие значения –до 10 4 ё 10 6 . Величина c у парамагнитных материалов немного больше нуля, а у диамагнитных – немного меньше. Лишь в вакууме и в очень слабых полях величины c и m постоянны и не зависят от внешнего поля. Зависимость индукции B от H обычно нелинейна, а ее графики, т.н. кривые намагничивания, для разных материалов и даже при разных температурах могут существенно различаться (примеры таких кривых приведены на рис. 2 и 3).

Магнитные свойства вещества весьма сложны, и для их глубокого понимания необходим тщательный анализ строения атомов, их взаимодействий в молекулах, их столкновений в газах и их взаимного влияния в твердых телах и жидкостях; магнитные свойства жидкостей пока наименее изучены.