Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!
Djeca se vole igrati s magnetima. Primijetili su da se mogu koristiti za pomicanje malih čeličnih predmeta. Zanimljivo je da se to može učiniti na daljinu bez dodirivanja predmeta. Dakle: pribadače, čavli, spajalice misteriozno se kreću po stolu, a mi sve kontroliramo pomoću magneta prebačenog ispod ploče stola.
Također je dobro poznato da će razbacane strugotine željeza ležati u blizini magneta duž linije magnetske indukcije (slika 1.).
Riža. 1. Magnetsko polje oko šipkastog magneta koji prikazuje željezne strugotine.
Možete objesiti vertikalni "lanac" na magnet, kao što je prikazano na slici ispod (sl. 2.). Iako metalni dijelovi nisu spojeni jedan s drugim, oni se drže zajedno. Bi li takav trik funkcionirao bez prisustva magneta?
Riža. 2. Lanac od dvije spajalice različitih veličina i pribadača visi zbog prisutnosti magneta. Međutim, to se odnosi samo na veću spajalicu.
Kao rezultat, jasno je da se dva magneta mogu i privlačiti i odbijati, ovisno o njihovom međusobnom položaju.
Ovaj članak će objasniti ove misterije - misteriozno ponašanje magneta i čeličnih predmeta u njegovoj blizini. Također će se objasniti i sam fenomen feromagnetizma, tj. vrlo jako pojačanje magnetskog polja, na primjer, sa željezom.
Što je feromagnetizam?
Počnimo s time što je feromagnetizam. Ovo je fizički fenomen koji se sastoji u kolosalnom povećanju magnetskog polja postavljanjem odgovarajuće tvari u to polje - feromagneta.Indukcija magnetskog polja stvorenog, na primjer, u elektromagnetu može se povećati stotinama tisuća puta ako se u elektromagnet stavi odgovarajuća jezgra.
Kako se objekti s magnetskim momentom ponašaju u magnetskom polju?
Da bismo razumjeli što je mehanizam feromagnetizma, prvo moramo uvesti koncept magnetskog momenta.
Prisjetite se kako i kako radi istosmjerni motor. Jednostavno rečeno, to je okvir s električnom strujom smješten u jednolično magnetsko polje (slika 3a.). Takav okvir, ako se postavi pod bilo kojim kutom, okretat će se oko osi prikazane na slici.
Riža. 3a. Sile koje djeluju na pravokutni okvir s električnom strujom smješten u magnetskom polju
Ovo se bolje vidi na sl. 3b., kada je os rotacije okomita na ravninu figure.
Riža. 3b. Shematski prikaz dva vektora elektrodinamičke sile. Svaka sila djeluje na jednu stranu okvira, uzrokujući njegovo okretanje u magnetskom polju.
Okvir će se zarotirati do položaja u kojem će linije magnetske indukcije biti okomite na ravninu okvira. Ovo je stalni ravnotežni položaj okvira. Da nema prigušenja u sustavu, okvir bi beskonačno oscilirao oko ove pozicije.
Ispostavilo se da bilo koji strujni krug s električnom strujom, dok je slobodan, rotira u magnetskom polju do ravnotežnog položaja. Veličina momenta sile koja djeluje na takav krug izravno je proporcionalna (između ostalog) površini S koju zauzima krug i električnoj struji koja u njemu teče I. Može se pokazati da je taj moment sile opisan izrazom izraz:
M=μB ,
gdje je μ magnetski dipolni moment, definiran za petlju s električnom strujom kao: μ=IS. Vektor S je okomit na površinu koju pokriva petlja, a prema konvencionalnom mišljenju, njegov smjer pokazuje palac desne ruke, ako su savijeni, prsti će pokazati smjer električne struje koja teče u petlji.(Sl. 4.).
Riža. 4. Dipolni magnetski moment stvoren električnom strujom sile I, koja pokriva područje površine S
Još jedan (osim okvira s električnom strujom u magnetskom polju) primjer objekta koji rotira u magnetskom polju (u ovom slučaju zemljinom) je igla kompasa. Iz ovoga možemo zaključiti da je obdaren magnetskim momentom. Očigledno postoji neko kretanje naboja unutar magnetske igle. O tome ćemo govoriti u sljedećem dijelu ovog članka. Osim toga, važno je razumjeti da je svaki objekt obdaren magnetskim momentom sam po sebi izvor magnetskog polja, a vektor indukcije B usmjeren je u istom smjeru kao i vektor magnetskog momenta μ (sl. 5. i 6. ).
Riža. 5. Kružni krug s električnom strujom u obliku magnetskog dipola (objekat s magnetskim dipolnim momentom)
Riža. 6. Linije magnetskog polja koje proizvodi magnetski dipol, koji je ovdje predstavljen kao mali magnet. Vektor magnetskog momenta usmjeren je od S prema N polu dipola
Sada možemo lako pokazati da je objekt s magnetskim momentom ili uvučen ili izbačen iz jačeg polja, ovisno o orijentaciji magnetskog momenta μ u odnosu na vektor indukcije vanjskog magnetskog polja B0 Najlakši način da to zamislite je primijeniti znanje o odbijanju unipolarnih polova i privlačenju suprotnih polova. Ovo je prikazano na sl. 7a. i 7b.
Riža. 7. a) Privlačenje jačeg polja (privlačenje magneta). b) Odbijanje prema slabijem polju (odbijanje od magneta)
Zašto atomi mogu imati magnetski moment različit od nule i odakle on dolazi?
Koncept magnetskog momenta ključan je za razumijevanje magnetizma različitih tvari.Činjenica je da se u atomima - osnovnim građevnim elementima tvari - radi o kretanju elektrona, što se može smatrati nekom vrstom "atomske struje" . Prema tome, atom može biti obdaren magnetskim momentom. Točan opis atomskog magnetskog momenta može se pronaći samo u kvantnoj fizici. Model atoma kao petlje s električnom strujom trebao bi nam biti dovoljan.
Svaku tvar zamišljamo kao skup magnetskih momenata. U odsutnosti vanjskog magnetskog polja (B0), magnetski momenti pojedinačnih atoma su nasumično raspoređeni - njihov rezultirajući (ukupni) magnetski moment je nula (slika 8a.).
Riža. 8a. Slučajni raspored magnetskih momenata u odsutnosti vanjskog magnetskog polja: B0=0
Riža. 8b. Korelirani raspored magnetskih momenata u prisutnosti vanjskog magnetskog polja. Ovdje je vektor B0 usmjeren udesno.
Međutim, ako uvedemo materiju u vanjsko magnetsko polje različito od nule s indukcijom B0, tada će sve biti drugačije. Magnetski momenti će se rotirati kako bi se poravnali s vektorom indukcije B0 - to je njihov ravnotežni položaj (Sl. 8b.). Čimbenik koji uvelike komplicira ovaj poredak su toplinska gibanja atoma.
Atomi u čvrstom tijelu osciliraju oko svojih ravnotežnih položaja, sudaraju se sa susjednim atomima, sa slobodnim elektronima. Na sl. 6b opisali smo opisanu pojavu u preuveličanoj verziji. Takav poredak magnetskih momenata bio bi moguć u vrlo jakom vanjskom magnetskom polju i na vrlo niskoj temperaturi. Međutim, ukupni magnetski moment svih atoma više neće biti jednak nuli – materija će se magnetizirati, što znači da će i sama postati magnetski dipol. Stoga će reagirati na magnetsko polje, tako da npr. cijeli uzorak može biti uvučen u područje jačeg polja.
Ovo je opći mehanizam magnetiziranja tvari u slučaju paramagnetizma i feromagnetizma.
Uzmemo li, na primjer, uzorak aluminija i stavimo ga u vanjsko magnetsko polje, tada će se vrijednost magnetske indukcije povećati μrputa. Taj se koeficijent naziva relativna magnetska permeabilnost tvari. Za aluminij, μrdobra je aproksimacija 1,00002. Iz toga slijedi da je magnetsko polje koje nastaje pod utjecajem vanjskog polja kao rezultat "poretka" magnetskih momenata zanemarivo. Imajte na umu da se polje B sastoji od vanjskog polja B0i polja Bsgeneriranog u tvari. Svi ovi vektori indukcije imaju isti smjer i povrat, pa je B=B0+ Bs=μrB0 , dakle:
Bs=( μr- 1 )B0=0, 00002B0 .
Tako malo magnetsko polje će se stvoriti u aluminiju (paramagnet). Međutim, ako uzmemo uzorak čelika, tada se magnetsko polje može pojačati npr. 10 000 puta. Zašto postoji tolika razlika između ponašanja paramagneta i feromagneta? Ispostavilo se da je stvar u temperaturi.Svaki feromagnet, kada se zagrije iznad određene temperature, takozvane Curiejeve temperature, postaje paramagnet. Tipična temperatura okoline je ispod Curiejeve temperature čelika, ali iznad Curiejeve temperature aluminija.
Korištena literatura
- Irodov I.E. elektromagnetizam. Osnovni zakoni. - 3. izd. M, St. Petersburg: Laboratorij temeljnog znanja, 2000. - 352 str.
- Landsberg G.S. Osnovni udžbenik fizike: Udžbenik. U 3 sveska. / Uredio G.S. Landsberg: T.P. elektricitet i magnetizam. - 11. izd. - M.: Nauka, Fizmatlit, 1995. - 480s.