Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!
Deti sa radi hrajú s magnetmi. Všimli si, že sa dajú použiť na premiestňovanie malých oceľových predmetov. Zaujímavosťou je, že sa to dá urobiť na diaľku bez dotyku predmetov. Takže: špendlíky, klinčeky, sponky sa záhadne pohybujú po stole a všetko ovládame pomocou magnetu preneseného pod dosku stola.
Je tiež dobre známe, že rozptýlené železné piliny budú ležať v blízkosti magnetu pozdĺž magnetickej indukčnej čiary (obr. 1.).
Ryža. 1. Magnetické pole okolo tyčového magnetu zobrazujúce železné piliny.
Vertikálnu "reťazku" môžete zavesiť na magnet, ako je znázornené na fotografii nižšie (obr. 2.). Kovové časti síce nie sú k sebe pripevnené, ale držia spolu. Fungoval by takýto trik bez prítomnosti magnetu?
Ryža. 2. Reťaz dvoch sponiek rôznych veľkostí a špendlíka visí vďaka prítomnosti magnetu. To však platí len pre tú väčšiu sponku.
V dôsledku toho je jasné, že dva magnety sa môžu navzájom priťahovať a odpudzovať v závislosti od ich vzájomnej polohy.
Tento článok vysvetlí tieto záhady - záhadné správanie magnetu a oceľových predmetov v jeho blízkosti. Vysvetlený bude aj samotný fenomén feromagnetizmu, t.j. veľmi silné zosilnenie magnetického poľa napríklad železom.
Čo je feromagnetizmus?
Začnime tým, čo je feromagnetizmus. Ide o fyzikálny jav, ktorý spočíva v kolosálnom náraste magnetického poľa umiestnením vhodnej látky do tohto poľa – feromagnetika.Indukcia magnetického poľa vytvoreného napríklad v elektromagnete sa môže stotisíckrát zvýšiť, ak sa do elektromagnetu umiestni vhodné jadro.
Ako sa správajú predmety vybavené magnetickým momentom v magnetickom poli?
Aby sme pochopili, čo je mechanizmus feromagnetizmu, musíme najprv predstaviť pojem magnetického momentu.
Pamätajte si, ako funguje a ako funguje jednosmerný motor. Zjednodušene povedané, ide o rám s elektrickým prúdom umiestnený v rovnomernom magnetickom poli (obr. 3a.). Takýto rám, ak je umiestnený v akomkoľvek uhle, sa bude otáčať okolo osi vyznačenej na obrázku.
Ryža. 3a. Sily pôsobiace na pravouhlý rám s elektrickým prúdom umiestneným v magnetickom poli
Toto je lepšie vidieť na obr. 3b., keď je os otáčania kolmá na rovinu obrázku.
Ryža. 3b. Schematické znázornenie dvoch vektorov elektrodynamickej sily. Každá sila pôsobí na jednu stranu rámu a spôsobuje jeho otáčanie v magnetickom poli.
Rám sa otočí do polohy, v ktorej budú čiary magnetickej indukcie kolmé na rovinu rámu. Toto je konštantná rovnovážna poloha rámu. Ak by v systéme nebolo tlmenie, rám by okolo tejto polohy osciloval donekonečna.
Ukazuje sa, že akýkoľvek obvod s elektrickým prúdom, pokiaľ je voľný, rotuje v magnetickom poli až do rovnovážnej polohy. Veľkosť momentu sily pôsobiaceho na takýto obvod je priamo úmerná (okrem iného) ploche S, ktorú obvod zaberá a v ňom pretekajúcemu elektrickému prúdu I. Dá sa ukázať, že tento moment sily popisuje tzv. výraz:
M=μB ,
kde μ je magnetický dipólový moment, definovaný pre slučku s elektrickým prúdom ako: μ=IS. Vektor S je kolmý na povrch pokrytý slučkou a podľa konvenčnej múdrosti jeho smer ukazuje palec pravej ruky, ak sú prsty zložené, ukážu smer elektrického prúdu tečúceho v slučke.(Obr. 4.).
Ryža. 4. Dipólový magnetický moment vytvorený elektrickým prúdom sily I, pokrývajúci oblasť oblasti S
Ďalším (okrem rámu s elektrickým prúdom v magnetickom poli) príkladom objektu, ktorý rotuje v magnetickom poli (v tomto prípade zemskom), je strelka kompasu. Z toho môžeme usúdiť, že je obdarený magnetickým momentom. Zdá sa, že vo vnútri magnetickej ihly je nejaký pohyb nábojov. O tom si povieme v ďalšej časti tohto článku. Okrem toho je dôležité pochopiť, že každý objekt vybavený magnetickým momentom je sám o sebe zdrojom magnetického poľa a indukčný vektor B je nasmerovaný rovnakým smerom ako vektor magnetického momentu μ (obr. 5 a 6). ).
Ryža. 5. Kruhový obvod s elektrickým prúdom vo forme magnetického dipólu (predmet vybavený magnetickým dipólovým momentom)
Ryža. 6. Magnetické siločiary vytvárané magnetickým dipólom, ktorý je tu znázornený ako malý magnet. Vektor magnetického momentu smeruje z S k N pólu dipólu
Teraz môžeme ľahko ukázať, že objekt s magnetickým momentom je buď vtiahnutý dovnútra alebo vytlačený zo silnejšieho poľa, v závislosti od orientácie magnetického momentu μ voči vektoru indukcie vonkajšieho magnetického poľa B0 Najjednoduchší spôsob, ako si to predstaviť, je aplikovať poznatky o odpudzovaní unipolárnych pólov a príťažlivosti opačných pólov. To je znázornené na obr. 7a. a 7b.
Ryža. 7. a) Príťažlivosť k silnejšiemu poľu (príťažlivosť k magnetu). b) Odpudzovanie smerom k slabšiemu poľu (odpudzovanie magnetom)
Prečo môžu mať atómy nenulový magnetický moment a odkiaľ pochádza?
Pojem magnetického momentu je rozhodujúci pre pochopenie magnetizmu rôznych látok.Faktom je, že v atómoch – základných stavebných kameňoch látok – máme dočinenia s pohybom elektrónov, ktorý možno považovať za akýsi „atómový prúd“. Preto môže byť atóm vybavený magnetickým momentom. Správny popis atómového magnetického momentu možno nájsť len v kvantovej fyzike. Model atómu ako slučky s elektrickým prúdom by nám mal stačiť.
Predstavujeme si akúkoľvek látku ako súbor magnetických momentov. V neprítomnosti vonkajšieho magnetického poľa (B0) sú magnetické momenty jednotlivých atómov usporiadané náhodne - ich výsledný (celkový) magnetický moment je nulový (obr. 8a.).
Ryža. 8a. Náhodné usporiadanie magnetických momentov v neprítomnosti vonkajšieho magnetického poľa: B0=0
Ryža. 8b. Korelované usporiadanie magnetických momentov v prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa. Tu je vektor B0 nasmerovaný doprava.
Ak však zavedieme hmotu do vonkajšieho nenulového magnetického poľa s indukciou B0, potom bude všetko inak. Magnetické momenty sa budú otáčať, aby sa zarovnali s indukčným vektorom B0 - to je ich rovnovážna poloha (obr. 8b.). Faktor, ktorý značne komplikuje toto usporiadanie, sú tepelné pohyby atómov.
Atómy v pevnej látke oscilujú okolo svojich rovnovážnych polôh, zrážajú sa so susednými atómami, s voľnými elektrónmi. Na obr. 6b sme opísaný jav uviedli v prehnanej verzii. Takéto usporiadanie magnetických momentov by bolo možné vo veľmi silnom vonkajšom magnetickom poli a pri veľmi nízkej teplote. Celkový magnetický moment všetkých atómov však už nebude nulový - hmota sa zmagnetizuje, čo znamená, že sa sama stane magnetickým dipólom. Preto bude reagovať na magnetické pole, takže napríklad celá vzorka môže byť vtiahnutá do oblasti silnejšieho poľa.
Toto je všeobecný mechanizmus magnetizácie látok v prípade paramagnetizmu a feromagnetizmu.
Ak vezmeme napríklad vzorku hliníka a umiestnime ju do vonkajšieho magnetického poľa, hodnota magnetickej indukcie sa zvýši μrkrát. Tento koeficient sa nazýva relatívna magnetická permeabilita látky. Pre hliník je μrdobrá aproximácia 1,00002. Z toho vyplýva, že magnetické pole vytvorené vplyvom vonkajšieho poľa v dôsledku „usporiadania“ magnetických momentov je zanedbateľné. Všimnite si, že pole B pozostáva z externého poľa B0a poľa Bsvygenerovaného v látke. Všetky tieto indukčné vektory majú rovnaký smer a návrat, takže B=B0+ Bs=μrB0 , teda:
Bs=( μr- 1 )B00=02, B0 .
Takéto malé magnetické pole sa vytvorí v hliníku (paramagnet). Ak však odoberieme vzorku ocele, tak magnetické pole môže byť zosilnené napríklad 10 000-krát. Prečo je taký rozdiel medzi správaním paramagnetu a feromagnetika? Ukázalo sa, že je to otázka teploty.Každé feromagnetikum sa pri zahriatí nad určitú teplotu, takzvanú Curieho teplotu, stáva paramagnetom. Typická okolitá teplota je nižšia ako Curieho teplota ocele, ale vyššia ako Curieho teplota hliníka.
Použitá literatúra
- Irodov I.E. Elektromagnetizmus. Základné zákony. - 3. vyd. M, Petrohrad: Laboratórium základných znalostí, 2000. - 352 s.
- Landsberg G.S. Základná učebnica fyziky: Učebnica. V 3 zväzkoch. / Spracoval G.S. Landsberg: T.P. elektrina a magnetizmus. - 11. vyd. - M.: Nauka, Fizmatlit, 1995. - 480. roky