Магнитни свойства на материята. феромагнетици

Откритията на Ерстед и Ампер доведоха до ново и по-задълбочено разбиране на природата на магнитните явления. Разчитайки на установената в тези експерименти идентичност на магнитните действия на магнитите и съответно избраните токове, Ампер решително изостави идеята за съществуването на специални магнитни заряди в природата. От гледна точка на Ампер, елементарен магнит е кръгов ток, циркулиращ вътре в малка частица материя: атом, молекула или група от тях. При намагнитване по-голяма или по-малка част от тези токове се задават успоредно един на друг, както е показано в (амперни токове).

Видяхме, че по отношение на своите магнитни свойства кръговият ток е доста подобен на къс магнит, чиято ос е перпендикулярна на равнината на тока. Следователно, изобразен условно на фиг. 209 системата от ориентирани молекулни токове е напълно еквивалентна на вериги от елементарни магнити в хипотезата на Кулон.

По този начин теорията на Ампер направи ненужно предположението за съществуването на специални магнитни заряди, което направи възможно обяснението на всички магнитни явления с помощта на елементарни електрически токове. По-нататъшното по-задълбочено изследване на свойствата на магнетизиращите се тела показа не само, че хипотезата за магнитните заряди или елементарните магнити е излишна, но и че е неправилна и не може да бъде съгласувана с някои експериментални факти. С тези факти ще се запознаем по-късно. От гледна точка на теорията на Ампер неотделимостта на северния и южния полюс един от друг, за която говорихме в предишния параграф, става напълно разбираема. Всеки елементарен магнит е кръгова токова верига. Вече видяхме, че едната страна на тази намотка съответства на северния, а другата на южния полюс. Ето защо е невъзможно да се отделят северният и южният полюс един от друг, както е невъзможно да се отдели едната страна на равнината от другата.

Така стигнахме до следния основен резултат.

Няма магнитни заряди. Всеки атом на материята може да се разглежда във връзка с неговите магнитни свойства като кръгов ток. Магнитното поле на магнетизирано тяло се състои от магнитните полета на тези кръгови токове.

В немагнитизирано тяло всички елементарни токове са разположени хаотично и следователно не наблюдаваме никакво магнитно поле във външното пространство.

Процесът на намагнитване на тялото се състои в това, че под въздействието на външно магнитно поле неговите елементарни токове са повече или по-малко успоредни един на друг и създават резултантно магнитно поле.

Магнитен момент

Магнитен момент, магнитен диполен момент- основното количество, характеризиращо магнитните свойства на веществото. Източникът на магнетизъм, според класическата теория на електромагнитните явления, са електрическите макро- и микротокове. Елементарен източник на магнетизъм се счита за затворен ток. Елементарните частици, атомните ядра, електронните обвивки на атомите и молекулите имат магнитен момент. Магнитният момент на елементарните частици (електрони, протони, неутрони и други), както показва квантовата механика, се дължи на съществуването на собствен механичен момент - спин.

Магнитният момент се измерва в A⋅m 2 или J / T (SI), или erg / Gs (CGS), 1 erg / Gs \u003d 10 -3 J / T. Специфичната единица на елементарния магнитен момент е магнетонът на Бор.

В случай на плоска верига с електрически ток, магнитният момент се изчислява като

където аз- ток във веригата, С- площ на контура, - единичен вектор на нормалата към равнината на контура. Посоката на магнитния момент обикновено се намира според правилото на гимлета: ако завъртите дръжката на гимлета по посока на тока, тогава посоката на магнитния момент ще съвпадне с посоката на транслационното движение на гимлета.

За произволен затворен контур магнитният момент се намира от.

Откритията на Ерстед и Ампер доведоха до ново и по-задълбочено разбиране на природата на магнитните явления. Разчитайки на идентичността на магнитните действия на магнитите и подходящо подбраните токове, установени в тези експерименти, Ампер решително изостави идеята за съществуването на специални магнитни заряди в природата. От гледна точка на Ампер, елементарен магнит е кръгов ток, циркулиращ вътре в малка частица материя: атом, молекула или група от тях. По време на намагнитването, повече или по-малко от тези токове се задават успоредно един на друг, както е показано на фиг. 209 (амперни токове).

Ориз. 209 Правилно подреждане на амперните токове в магнетизирано желязо, поставено в магнитно поле

В § 115 видяхме, че по своите магнитни свойства кръговият ток е доста подобен на къс магнит, чиято ос е перпендикулярна на равнината на тока. Следователно, изобразен условно на фиг. 209 системата от ориентирани молекулни токове е напълно еквивалентна на вериги от елементарни магнити в хипотезата на Кулон.

По този начин теорията на Ампер направи ненужно предположението за съществуването на специални магнитни заряди, което направи възможно обяснението на всички магнитни явления с помощта на елементарни електрически токове. По-нататъшното по-задълбочено изследване на свойствата на магнетизиращите се тела показа не само, че хипотезата за магнитните заряди или елементарните магнити е излишна, но и че е неправилна и не може да бъде съгласувана с някои експериментални факти. По-късно ще се запознаем с тези факти (§ 147).

От гледна точка на теорията на Ампер неотделимостта на северния и южния полюс един от друг, за която говорихме в предишния параграф, става напълно разбираема. Всеки елементарен магнит е кръгова токова верига. Вече видяхме, че едната страна на тази намотка съответства на северния, а другата на южния полюс. Ето защо е невъзможно да се отделят северният и южният полюс един от друг, както е невъзможно да се отдели едната страна на равнината от другата.

Така стигнахме до следния основен резултат.

Няма магнитни заряди. Всеки атом на материята може да се разглежда във връзка с неговите магнитни свойства като кръгов ток. Магнитното поле на магнетизирано тяло се състои от магнитните полета на тези кръгови токове.

В немагнитизирано тяло всички елементарни токове са разположени хаотично и следователно не наблюдаваме никакво магнитно поле във външното пространство.

Процесът на намагнитване на тялото се състои в това, че под въздействието на външно магнитно поле неговите елементарни токове са повече или по-малко успоредни един на друг и създават резултантно магнитно поле.

Стойността на теорията на Ампер не беше под съмнение. Но идеите на Ампер за съществуването на елементарни токове, непрекъснато циркулиращи вътре в частиците на веществата, са изключително смели и необичайни за времето си. По-нататъшното развитие на науката превърна тези идеи в естествено следствие от създадената през 20 век теория за атома. Атомът е система от централно положително заредено ядро ​​и електрони, които се въртят около него, точно както планетите се въртят около слънцето. Движението на електроните е кръгови токове, циркулиращи в атомите. Дори беше възможно да се извършат специални експерименти, показващи, че намагнитването на телата е придружено от ориентацията на осите на тези кръгови токове, които са склонни да бъдат успоредни.

Такива визуални представяния на структурата на атомите са твърде груби и следователно неточни, но в общи линии те правилно предават същността на материята.

През последните 50 години всички клонове на науката напреднаха бързо. Но след като прочетете много списания за природата на магнетизма и гравитацията, човек може да стигне до извода, че човек има още повече въпроси от преди.

Природата на магнетизма и гравитацията

За всички е очевидно и разбираемо, че изхвърлените предмети бързо падат на земята. Какво ги привлича? Спокойно можем да предположим, че те са привлечени от някакви неизвестни сили. Същите тези сили се наричат ​​естествена гравитация. След това всеки, който се интересува, е изправен пред много спорове, предположения, предположения и въпроси. Каква е природата на магнетизма? Какви са В резултат на какво влияние се формират? Каква е тяхната същност, както и честота? Как влияят върху околната среда и всеки човек поотделно? Колко рационално може да се използва този феномен в полза на цивилизацията?

Понятието магнетизъм

В началото на деветнадесети век физикът Ханс Кристиан Ерстед открива магнитното поле на електрическия ток. Това направи възможно да се предположи, че природата на магнетизма е тясно свързана с електрическия ток, който се генерира във всеки от съществуващите атоми. Възниква въпросът какви явления могат да обяснят природата на земния магнетизъм?

Към днешна дата е установено, че магнитните полета в магнетизираните обекти се генерират в по-голяма степен от електрони, които непрекъснато се въртят около своята ос и около ядрото на съществуващ атом.

Отдавна е установено, че хаотичното движение на електрони е истински електрически ток и неговото преминаване провокира появата на магнитно поле. Обобщавайки тази част, можем спокойно да кажем, че електроните, поради своето хаотично движение вътре в атомите, генерират вътрешноатомни токове, които от своя страна допринасят за генерирането на магнитно поле.

Но каква е причината за това, че в различни материи магнитното поле има значителни разлики в собствената си стойност, както и различна сила на намагнитване? Това се дължи на факта, че осите и орбитите на движение на независими електрони в атомите могат да бъдат в различни позиции една спрямо друга. Това води до факта, че магнитните полета, произведени от движещите се електрони, също са разположени в съответните позиции.

По този начин трябва да се отбележи, че средата, в която възниква магнитното поле, влияе пряко върху него, като увеличава или отслабва самото поле.

Полето, което отслабва полученото поле, се нарича диамагнитно, а материалите, които усилват много слабо магнитното поле, се наричат ​​парамагнитни.

Магнитни свойства на веществата

Трябва да се отбележи, че природата на магнетизма се ражда не само поради електрически ток, но и поради постоянни магнити.

Постоянните магнити могат да бъдат направени от малък брой вещества на Земята. Но си струва да се отбележи, че всички обекти, които ще бъдат в радиуса на магнитното поле, ще се намагнетизират и ще станат директни , След като анализираме горното, струва си да добавим, че векторът на магнитната индукция в случай на наличие на вещество се различава от вектора на вакуумната магнитна индукция.

Хипотезата на Ампер за природата на магнетизма

Причинно-следствената връзка, в резултат на която е установена връзката между притежаването на тела от магнитни свойства, е открита от изключителния френски учен Андре-Мари Ампер. Но каква е хипотезата на Ампер за природата на магнетизма?

Историята започна благодарение на силното впечатление от видяното от учения. Той беше свидетел на изследванията на Ерстед Лмиер, който смело предположи, че причината за магнетизма на Земята са теченията, които редовно преминават в земното кълбо. Основният и най-значим принос е направен: магнитните свойства на телата могат да бъдат обяснени с непрекъснатата циркулация на токове в тях. След като Ампер направи следното заключение: магнитните характеристики на всяко от съществуващите тела се определят от затворена верига от електрически токове, протичащи вътре в тях. Изявлението на физика беше смел и смел акт, тъй като той зачеркна всички предишни открития, обяснявайки магнитните свойства на телата.

Движение на електрони и електрически ток

Хипотезата на Ампер гласи, че във всеки атом и молекула има елементарен и циркулиращ заряд от електрически ток. Заслужава да се отбележи, че днес вече знаем, че същите тези токове се образуват в резултат на хаотичното и непрекъснато движение на електрони в атомите. Ако съгласуваните равнини са случайно една спрямо друга поради термичното движение на молекулите, тогава техните процеси са взаимно компенсирани и нямат абсолютно никакви магнитни свойства. И в магнетизиран обект най-простите токове са насочени към гарантиране, че техните действия са координирани.

Хипотезата на Ампер е в състояние да обясни защо магнитните стрелки и рамки с електрически ток в магнитно поле се държат идентично една спрямо друга. Стрелката от своя страна трябва да се разглежда като комплекс от малки вериги с ток, които са насочени еднакво.

Специална група, в която магнитното поле е значително засилено, се нарича феромагнитна. Тези материали включват желязо, никел, кобалт и гадолиний (и техните сплави).

Но как да обясним природата на магнетизма на постоянните магнити? Магнитните полета се образуват от феромагнетици не само в резултат на движението на електрони, но и в резултат на тяхното собствено хаотично движение.

Ъгловият импулс (собственият въртящ момент) е придобил името - спин. През цялото време на съществуване електроните се въртят около оста си и, имайки заряд, генерират магнитно поле заедно с полето, образувано в резултат на орбиталното им движение около ядрата.

Температура Мария Кюри

Температурата, над която феромагнитното вещество губи магнетизация, е получила специфичното си име - температура на Кюри. Все пак френски учен с това име е направил това откритие. Той стигна до извода: ако магнетизиран обект се нагрее значително, тогава той ще загуби способността да привлича железни предмети към себе си.

Феромагнетици и тяхното приложение

Въпреки факта, че в света няма толкова много феромагнитни тела, техните магнитни свойства са от голямо практическо приложение и значение. Сърцевината в бобината, изработена от желязо или стомана, усилва многократно магнитното поле, като същевременно не надвишава консумацията на ток в бобината. Това явление значително помага за пестене на енергия. Ядрата са направени изключително от феромагнетици и няма значение за каква цел ще служи тази част.

Магнитен метод за запис на информация

С помощта на феромагнетици се правят първокласни магнитни ленти и миниатюрни магнитни филми. Магнитните ленти се използват широко в областта на звукозаписа и видеозаписа.

Магнитната лента е пластмасова основа, състояща се от PVC или други компоненти. Върху него се нанася слой, представляващ магнитен лак, който се състои от множество много малки игловидни частици желязо или друг феромагнетик.

Процесът на звукозапис се извършва на лента, поради което полето е подложено на промени във времето поради звукови вибрации. В резултат на движението на лентата около магнитната глава, всеки участък от филма е подложен на намагнитване.

Природата на гравитацията и нейните концепции

На първо място, заслужава да се отбележи, че гравитацията и нейните сили се съдържат в закона за всемирното притегляне, който гласи, че: две материални точки се привличат една друга със сила, право пропорционална на произведението на техните маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.

Съвременната наука започна да разглежда понятията за гравитационната сила малко по-различно и я обяснява като действието на гравитационното поле на самата Земя, чийто произход, за съжаление, учените все още не са установили.

Обобщавайки всичко по-горе, бих искал да отбележа, че всичко в нашия свят е тясно свързано и няма съществена разлика между гравитацията и магнетизма. В крайна сметка гравитацията има същия магнетизъм, но не в голяма степен. На Земята е невъзможно да се отдели обект от природата - магнетизмът и гравитацията са нарушени, което в бъдеще може значително да усложни живота на цивилизацията. Човек трябва да бере плодовете на научните открития на велики учени и да се стреми към нови постижения, но трябва да използва всички дадености рационално, без да навреди на природата и човечеството.

Всяко вещество в света има определени магнитни свойства. Те се измерват чрез магнитна проницаемост. В тази статия ще разгледаме магнитните свойства на материята.

Хипотеза на Ампер

Магнитната проницаемост показва колко пъти по-малка или по-голяма е индукцията на магнитното поле в дадена среда на индукцията на магнитното поле във вакуум.

Вещество, което създава собствено магнитно поле, се нарича магнетизирано. Намагнитването възниква, когато дадено вещество се постави във външно магнитно поле.

Френският учен Ампер установи причината, следствие от която е притежаването на магнитни свойства от телата. Хипотезата на Ампер гласи, че вътре в веществото има микроскопични електрически токове (електронът има свой собствен магнитен момент, който е от квантов характер, орбитално движение в електронните атоми). Именно те определят магнитните свойства на материята. Ако токовете имат неподредени посоки, тогава генерираните от тях магнитни полета се компенсират взаимно. Тялото не е магнетизирано. Външно магнитно поле регулира тези токове. В резултат на това веществото има собствено магнитно поле. Това е намагнитването на материята.

Магнитните свойства на веществото се определят от реакцията на веществата към външно магнитно поле и от подредеността на тяхната вътрешна структура. В съответствие с тези параметри те се разделят на следните групи:

• Парамагнетици
• Диамагнети
• феромагнетици
• Антиферомагнетици

Диамагнети и парамагнетици

• Веществата, които имат отрицателна магнитна чувствителност, независимо от силата на магнитното поле, се наричат ​​диамагнетици. Нека да видим какви магнитни свойства на дадено вещество се наричат ​​отрицателна магнитна чувствителност. Това е, когато магнит се доближава до тялото и в същото време се отблъсква, а не се привлича. Диамагнитите включват например инертни газове, водород, фосфор, цинк, злато, азот, силиций, бисмут, мед, сребро. Тоест, това са вещества, които са в свръхпроводящо състояние или имат ковалентни връзки.
• Парамагнетици. За тези вещества магнитната чувствителност също не зависи от съществуващата напрегнатост на полето. Все пак е позитивна. Тоест, когато парамагнетик се доближи до постоянен магнит, възниква сила на привличане. Те включват алуминий, платина, кислород, манган, желязо.

феромагнетици

Вещества с висока положителна магнитна чувствителност се наричат ​​феромагнетици. При тези вещества, за разлика от диамагнетиците и парамагнетиците, магнитната чувствителност зависи до голяма степен от температурата и силата на магнитното поле. Те включват кристали от никел и кобалт.

Антиферомагнетици и феримагнетици

• Вещества, в които по време на нагряване настъпва фазов преход на дадено вещество, придружен от появата на парамагнитни свойства, се наричат ​​антиферомагнетици. Ако температурата стане под определена, тези свойства на веществото няма да се наблюдават. Примери за тези вещества биха били манган и хром.
• Феримагнетиците се характеризират с наличието на некомпенсиран антиферомагнетизъм в тях. Тяхната магнитна чувствителност също зависи от температурата и силата на магнитното поле. Но те все още имат различия. Тези вещества включват различни оксиди.

Всички горепосочени магнити могат да бъдат допълнително разделени на 2 категории:

• твърди магнитни материали. Това са материали с висока стойност на коерцитивна сила. За тяхното обръщане на намагнитването е необходимо да се създаде мощно магнитно поле. Тези материали се използват в производството на постоянни магнити.
• Меките магнитни материали, напротив, имат малка коерцитивна сила. В слаби магнитни полета те са в състояние да влязат в насищане. Те имат ниски загуби за обръщане на намагнитването. Поради това тези материали се използват за направата на сърцевини за електрически машини, които работят с променлив ток. Това, например, е трансформатор на ток и напрежение, или генератор, или асинхронен двигател.

Разгледахме всички основни магнитни свойства на материята и разбрахме какви видове магнити съществуват.

Контролна работа по темата "Електромагнитни явления" (8 клас.)

Опция 1.

От следните примери посочете тези, свързани с електромагнитни явления:

а) взаимодействието на паралелни токове,

б) взаимодействието на два магнита,

в) топката пада на земята,

г) търкаляне на топка по наклонен улей,

д) взаимодействието на проводник с ток и магнитна стрелка.

2. Два магнита, обърнати един към друг със северните си полюси. Как магнитите ще взаимодействат един с друг?

а) Привличане. б) Отблъскване. в) няма да взаимодействат. г) Нито един от отговорите не е верен.

3. При преминаване на постоянен електрически ток през проводник около него възниква магнитно поле. Открива се по разположението на стоманени стърготини върху лист хартия или магнитна стрелка, разположена в близост до проводника.В кой случай това поле изчезва?

a) Ако премахнете стоманените стърготини. б) Ако премахнете магнитната стрелка. в) Ако премахнете стоманените стърготини и магнитната игла. г) Ако изключите електрическия ток в проводника.

5. Каква е същността на хипотезата на Ампер? Как хипотезата на Ампер се съгласува със съвременните представи за структурата на материята?

9. Имате три елемента - "устройство":

1) постоянен магнит, 2) немагнетизирана стоманена пръчка, 3) медна пръчка.

Трите "черни кутии" съдържат едни и същи три елемента. Какви устройства и в каква последователност е по-добре да използвате, за да разберете какво се крие във всяка от трите "черни кутии"?

10. Постояннотоков електродвигател консумира ток 3 A от източник с напрежение 42 V. Каква е механичната мощност на двигателя, ако съпротивлението на намотката му е 5 ома? Каква е K.P.D.?

Вариант 2.

Какво се наблюдава в експеримента на Ерстед?

а) Взаимодействие на два успоредни проводника с ток.

б) Взаимодействие на две магнитни стрелки.

в) Въртене на магнитната стрелка в близост до проводника при преминаване на ток през него.

г) Появата на електрически ток в намотката, когато в нея е поставен магнит.

2. Как взаимодействат помежду си два паралелни проводника, ако през тях протичат токове в една и съща посока?

а) се привличат. б) Отблъскване. в) Силата на взаимодействие е нула. г) Няма верен отговор.

3. При преминаване на постоянен електрически ток през проводник около него възниква магнитно поле. Открива се по разположението на стоманените стружки върху лист хартия или по завъртането на магнитна стрелка, разположена близо до проводника.Как може това магнитно поле да се движи в пространството?

а) Прехвърляне на стоманени стружки. б) Чрез преместване на магнита. в) Прехвърляне на проводник с ток. г) Магнитното поле не може да бъде преместено.

4. Как ще бъдат разположени магнитните стрелки, поставени в точки A и B вътре в бобината, когато ключът K се отвори?

а) Еднакво северния полюс вдясно на фигурата.

б) Същият северен полюс отляво на фигурата.

в) Стрелки със северни полюси един срещу друг.

г) Стрелки с южни полюси един срещу друг.

5. Защо устройството на AC двигатели е по-просто от DC? Защо постояннотокови двигатели се използват в превозни средства?

6. Определете полюсите на електромагнита.

7. Изобразете магнитното поле на токовете и определете посоката на линиите на магнитното поле.

8. Определете посоката на силата, действаща върху проводник с ток, поставен в магнитно поле.

9. Имате три предмета - "устройства": дървено блокче, два стоманени пирона, които не се привличат един към друг, и постоянен магнит.

Три "черни кутии" съдържат съответно: магнит, два пирона и дървено блокче. Какви инструменти и в каква последователност е по-добре да използвате, за да разберете какво има във всяка от кутиите?

10. DC двигател консумира ток 2 A от източник с напрежение 24 V. Каква е механичната мощност на двигателя, ако съпротивлението на намотката му е 3 ома? Каква е K.P.D.?