что такое магнетизм в физике

Магнетизм

Благодаря различию свойств на уровне атомно-молекулярного строения все вещества по своим магнитным свойствам подразделяются на три класса — ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.

Согласно закону Ампера, электрический ток производит магнитное поле. Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы и радиуса. Однако магнитное поле он, и это не удивительно, всё равно индуцирует. Фактически же, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.

Теперь мы подходим к главному. В некоторых атомах равное число электронов вращается во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся. Однако в атомах некоторых элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся некомпенсированными за счет полей электронов, обращающихся в противоположном направлении. И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите, к тому же оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, он, в целом, создает вокруг себя стабильное и достаточно сильное магнитное поле. Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами.

Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества. По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики. Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков — антиферромагнетики и ферримагнетики. В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.

Ферромагнетики

Некоторые вещества и сплавы (прежде всего, следует отметить железо, никель и кобальт) при температуре ниже точки Кюри приобретают свойство выстраивать свою кристаллическую решетку таким образом, что магнитные поля атомов оказываются однонаправленными и усиливают друг друга, благодаря чему возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материла. Из таких материалов получаются постоянные магниты. На самом деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain — «область»). При остывании железа ниже точки Кюри формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Тогда мы получаем настоящий магнит — тело, обладающее ярко выраженным внешним магнитным полем. Именно так устроены постоянные магниты.

Парамагнетики

В большинстве материалов внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких материалов нет. Однако при помещении такого материала в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого материла. Материалы, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть, парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.

Диамагнетики

В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше — на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока. Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.

В отношении магнитных свойств вещества важно усвоить, что они зависят от конфигурации электронных орбит атомов. Даже после разбиения на отдельные атомы железо, например, сохранит свои ферромагнитные свойства. А вот при дальнейшем дроблении вы получите лишь элементарные частицы, которые собственными магнитными свойствами не обладают, и описать природу магнетизма будет уже нельзя. Итак, магнитные свойства вещества зависят исключительно от конфигурации элементарных частиц в составе атома и организации кристаллических доменов, но никак ни от свойства заряженных частиц атомной структуры.

Источник

Магнетизм (электромагнетизм): что это такое в теории элементарной физики

Главная страница » Магнетизм (электромагнетизм): что это такое в теории элементарной физики

Силу, образующуюся в результате течения электрического тока через проводник (например, через участок провода или кабеля), характеризуют как электромагнетизм. При таких условиях, когда существует магнетизм, проводник находится в области магнитного поля. Направление магнитного поля относительно «северного» / «южного» полюсов определяется направлением тока, текущего через проводник.

Роль электромагнетизма в электротехнике

Магнетизм играет важную роль в электротехнике (электронике). Многие электронные и электрические компоненты:

попросту не способны работать в условиях отсутствия эффекта магнетизма. По сути, любая катушка, выполненная намоткой провода, даёт эффект электромагнетизма в момент течения электрического тока. Для лучшего понимания магнетизма и электромагнетизма в частности, логично рассмотреть физику работы магнитов и магнетизма.

Какой видится природа магнетизма?

Магнетизм нередко присутствуют в естественном состоянии, например, в виде продуктов добываемой минеральной руды. Причём двумя основными типами элементов природного магнетизма выступают:

Если указанную пару естественных магнитов подвесить на нить, оба займут положение, соответствующее магнитному полю Земли, которое всегда указывает на север.

Полюса Земли лежат в основе эффекта электромагнетизма — явления, с которым приходится сталкиваться не только инженерам-физикам в исследованиях, но также обычным людям в хозяйственной практике

Достаточно наглядно демонстрирует эффект магнетизма стрелка туристического компаса. Относительно практических применений магнетизм природного происхождения редко принимается во внимание.

Обусловлено это низким уровнем эффекта магнетизма, характерным для таких объектов, плюс следует брать в расчёт создание искусственных магнитов. Люди научились делать искусственные магниты разных форм, размеров, силы.

Эффект магнетизма поддерживается объектами двух форм, представляющих:

Причём используемый тип магнита зависит от конкретного применения. Применяется масса различных типов материалов под изготовление магнитов:

Что интересно, будучи в естественном состоянии материала, некоторые элементы списка, например, никель и кобальт, демонстрируют крайне низкие величины магнетизма.

Однако если эти элементы «легируются» с другими материалами — пероксидом железа или алюминия, формируются очень сильные магниты, получившие необычные названия:

Материал в немагнитном состоянии имеет молекулярную структуру в виде разрозненных цепочек (отдельных микро-магнитов), свободно расположенных в случайном порядке.

Общий эффект такого расположения приводит к нулевому или очень слабому эффекту магнетизма. Объясняется подобное явление случайным расположением отдельного молекулярного магнита, имеющего тенденцию нейтрализовать соседние молекулы.

Формирование поля в структуре материала: 1 – хаотичным случайным образом расположенные магнитные домены не дают эффекта магнетизма; 2 – упорядоченные ровно выстроенные домены дают выраженный эффект магнетизма

Когда материал намагничен, случайное расположение молекул изменяется. В итоге микроскопические случайные молекулярные магниты «выстраиваются» последовательным расположением. Этот эффект молекулярного выравнивания ферромагнитных материалов известен как теория Вебера.

Магнетизм и выравнивание молекулы куска железа

Теория Вебера основана на магнитных свойствах атомов благодаря действию вращения атомов электронов. Группы атомов объединяются, а магнитные поля вращаются в одном направлении. Материалы составляют микроскопические магниты на молекулярном уровне.

Структура большинства намагниченных материалов состоит из микроскопических элементов, выстроенных в одном направлении для создания только северного полюса и в другом направлении для создания южного полюса.

Материал, в структуре которого молекулярные магниты сосредоточены по всем направлениям, имеет «нейтральные» молекулярные частицы, нейтрализующие любой эффект магнетизма. Эти области молекулярных магнитов именуются «доменами».

Любому материалу характерно создание орбитальных и вращающихся электронов магнитного поля, полностью зависящего от степени выравнивания доменов в материале. Эта степень выравнивания, как правило, определяется величиной намагниченности (М).

Схематичная демонстрация формирования силовых линий: 1 – индуцируемый ток в рабочем материале; 2 – течение тока внутри проводников катушки; 3 – магнитное поле

Внутренняя структура немагнитного материала показывает М = 0. Однако некоторые из доменов могут оставаться выровненными по границам небольших областей в материале. Эффект приложения намагничивающей силы к материалу заключается в выравнивании некоторых доменов для получения ненулевого значения намагничивания.

Как только сила намагничивания нейтрализована, магнетизм внутри материала остаётся на некотором уровне, либо быстро затухнет в зависимости от используемого материала. Эта способность материала сохранять свойство магнетизма называется «Остаточная намагниченность».

Материалы, обладающие свойствами сохранения магнетизма, демонстрируют достаточно высокую способность к остаточной намагниченности, а потому часто используются для изготовления постоянных магнитов.

В то же время материалы, обладающие свойством быстрой потери магнетизма, демонстрируют низкую способность остаточной намагниченности. Из таких материалов, изготавливают, к примеру, сердечники для реле и соленоидов.

Что такое магнитный поток?

Любым магнитам, независимо от формы, присуще характерное свойство — наличие пары полюсов. Внутренний магнетизм и молекулярные цепи полюсов образуют своеобразную цепочку невидимых линий потока организованной и сбалансированной структуры.

Эти линии потока образуют магнитное поле. Форма такого поля в некоторых частях более интенсивная, чем в других. Причём область магнита (традиционно концевая), обладающая наибольшим уровнем магнетизма, являются активной областью полюса.

Примерно такой вид формирования полей можно наблюдать (с помощью специальной техники) в области двух сближаемых противоположными полюсами магнитов

Линии потока — векторные поля, не видны невооруженным глазом, но доступны к определению, например, с помощью компаса. Полюса всегда присутствуют парами. Всегда существует область «северного» полюса и область «южного» полюса.

Поля отображаются визуально силовыми линиями, определяющими полюс на каждом конце материала, где линии потока более плотные и концентрированные. Линии, образующие поле, показывающие направление и степень интенсивности, называются силовыми линиями (магнитным потоком). Традиционно такой поток обозначается греческим символом «Фи» (φ).

Магнетизм — эффект определения силовых линий

Как показано выше, магнитное поле является наиболее сильным вблизи полюсов магнита, где линии потока расположены близко друг к другу. Общее направление потока – традиционно от северного полюса (N) к южному (S) полюсу. Кроме того, силовые линии образуют замкнутые петли, выходящие на северный и на южный полюс.

Однако магнитный поток не течёт с «севера» на «юг» полюсов или каким-либо другим образом, поскольку является статической областью, окружающей магнит, где отмечается действие магнитной силы.

Другими словами, поток не течёт и не движется в принципе, а попросту существует, будучи не подверженным влиянию гравитации. Следующие важные факты магнетизма сопровождают построение силовых линий:

Силы магнетизма притягивают и отталкивают подобно электрическим силам, поэтому сближение двух силовых линий (взаимодействие между двумя полями) вызывает одно из двух явлений магнетизма:

Этот эффект легко запоминается благодаря известному выражению «противоположности притягиваются». Это взаимодействие магнитных полей, показывающие силовые линии окружающие магнит, легко продемонстрировать, используя железные наполнители. Влияние на магнитные поля различных комбинаций полюсов, когда одинаковые полюсы отталкиваются и в отличие от полюсов притягиваются, показано на картинке выше.

Магнитное поле одноименных и разноименных полюсов

Анализ линий магнитного поля с помощью компаса позволяет видеть, что созданием силовых линий придаётся определённый полюс на каждом конце магнита. Эффект магнетизма может быть нарушен нагреванием или ударом магнитного материала, но магнетизм невозможно уничтожить или изолировать, простым разделением магнита на две части.

Поэтому, если используя обычный стержневой магнит, разбить тело этого объекта на две части, двух половинок одного магнита получить не удастся. Вместо этого каждая часть слома образует полноценный магнит, наделённый «северным» и «южным» полюсами.

Продолжением разделения пополам других полученных частей приведёт к тому же результату. Независимо от того, насколько маленькими становятся кусочки магнита, у каждого кусочка будет формироваться «северный» и «южный» полюс, соответственно.

Принцип определения величины магнетизма

Как отмечалось ранее, силовые линии (магнитный поток) магнитного материала обозначается греческим символом «Фи» (φ). Под единицей измерения потока используется Вебер (латинское обозначение Wb, русское – Вб). Число силовых линий в пределах данной единичной области называется «плотностью потока».

Поскольку магнитный поток измеряется в Веберах, а площадь в метрах квадратных, следовательно, плотность потока измеряется отношением Вб / S и обозначается латинским символом — B.

Однако когда речь идет о магнетизме, плотность потока задается в единицах Тесла, поэтому один Вб / S равен одному Тесла (1Вб / 1м 2 = 1T). Плотность потока пропорциональна силовым линиям и обратно пропорциональна площади. Отсюда плотность магнитного потока определяется как:

B = φ / S

Магнетизм + пример определения силы магнитного поля

Количественный показатель магнитного потока, присутствующего в круглом магнитном стержне, равен 0,06 Вб. Какая плотность магнитного потока, если диаметр стержня магнита равен 24 см? Решение:

Сначала определяется площадь поперечного сечения стержня (в м 2 ):

S = π * R 2 (3.14 * 0.12 2 ) = 0.045

Далее рассчитывается плотность магнитного потока (в Тесла):

B = φ / S = 0. 06 / 0.045 = 1.33

Если применительно к магнетизму электрических цепей 1Т — это плотность магнитного поля, проводник, несущий ток 1А под прямым углом к магнитному полю, испытывает нагрузку магнитной силы в один ньютон на метр.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Источник

Магнетизм для чайников: основные формулы, определение, примеры

Часто бывает, что задачу не удается решить из-за того, что под рукой нет нужной формулы. Выводить формулу с самого начала – дело не самое быстрое, а у нас на счету каждая минута.

Ниже мы собрали вместе основные формулы по теме «Электричество и Магнетизм». Теперь, решая задачи, вы сможете пользоваться этим материалом как справочником, чтобы не терять время на поиски нужной информации.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Магнетизм: определение

Магнетизм – это взаимодействие движущихся электрических зарядов, происходящее посредством магнитного поля.

Поле – особая форма материи. В рамках стандартной модели существует электрическое, магнитное, электромагнитные поля, поле ядерных сил, гравитационное поле и поле Хиггса. Возможно, есть и другие гипотетические поля, о которых мы пока что можем только догадываться или не догадываться вовсе. Сегодня нас интересует магнитное поле.

Магнитная индукция

Так же, как заряженные тела создают вокруг себя электрическое поле, движущиеся заряженные тела порождают магнитное поле. Магнитное поле не только создается движущимися зарядами (электрическим током), но еще и действует на них. По сути магнитное поле можно обнаружить только по действию на движущиеся заряды. А действует оно на них с силой, называемой силой Ампера, о которой речь пойдет позже.

Изображение магнитного поля при помощи силовых линий

Прежде чем мы начнем приводить конкретные формулы, нужно рассказать про магнитную индукцию.

Магнитная индукция – это силовая векторная характеристика магнитного поля.

Она обозначается буквой B и измеряется в Тесла (Тл). По аналогии с напряженностью для электрического поля Е магнитная индукция показывает, с какой силой магнитное поле действует на заряд.

Кстати, вы найдете много интересных фактов на эту тему в нашей статье про теорию магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли.

Как определять направление вектора магнитной индукции? Здесь нас интересует практическая сторона вопроса. Самый частый случай в задачах – это магнитное поле, создаваемое проводником с током, который может быть либо прямым, либо в форме окружности или витка.

Для определения направления вектора магнитной индукции существует правило правой руки. Приготовьтесь задействовать абстрактное и пространственное мышление!

Если взять проводник в правую руку так, что большой палец будет указывать на направление тока, то загнутые вокруг проводника пальцы покажут направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника. Вектор магнитной индукции в каждой точке будет направлен по касательной к силовым линиям.

Сила Ампера

Представим, что есть магнитное поле с индукцией B. Если мы поместим в него проводник длиной l, по которому течет ток силой I, то поле будет действовать на проводник с силой:

Это и есть сила Ампера. Угол альфа – угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока в проводнике.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если расположить левую руку так, чтобы в ладонь входили линии магнитной индукции, а вытянутые пальцы указывали бы направление тока, отставленный большой палец укажет направление силы Ампера.

Сила Лоренца

Мы выяснили, что поле действует на проводник с током. Но если это так, то изначально оно действует отдельно на каждый движущийся заряд. Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся в нем электрический заряд, называется силой Лоренца. Здесь важно отметить слово «движущийся», так на неподвижные заряды магнитное поле не действует.

Итак, частица с зарядом q движется в магнитном поле с индукцией В со скоростью v, а альфа – это угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции. Тогда сила, которая действует на частицу:

Как определить направление силы Лоренца? По правилу левой руки. Если вектор индукции входит в ладонь, а пальцы указывают на направление скорости, то отогнутый большой палец покажет направление силы Лоренца. Отметим, что так направление определяется для положительно заряженных частиц. Для отрицательных зарядов полученное направление нужно поменять на противоположное.

Если частица массы m влетает в поле перпендикулярно линиям индукции, то она будет двигаться по окружности, а сила Лоренца будет играть роль центростремительной силы. Радиус окружности и период обращения частицы в однородном магнитном поле можно найти по формулам:

Взаимодействие токов

Рассмотрим два случая. Первый – ток течет по прямому проводу. Второй – по круговому витку. Как мы знаем, ток создает магнитное поле.

В первом случае магнитная индукция провода с током I на расстоянии R от него считается по формуле:

Мю – магнитная проницаемость вещества, мю с индексом ноль – магнитная постоянная.

Во втором случае магнитная индукция в центре кругового витка с током равна:

Также при решении задач может пригодиться формула для магнитного поля внутри соленоида. Соленоид – это катушка, то есть множество круговых витков с током.

Пусть их количество – N, а длина самого соленоилда – l. Тогда поле внутри соленоида вычисляется по формуле:

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Магнитный поток и ЭДС

Если магнитная индукция – векторная характеристика магнитного поля, то магнитный поток – скалярная величина, которая также является одной из самых важных характеристик поля. Представим, что у нас есть какая-то рамка или контур, имеющий определенную площадь. Магнитный поток показывает, какое количество силовых линий проходит через единицу площади, то есть характеризует интенсивность поля. Измеряется в Веберах (Вб) и обозначается Ф.

S – площадь контура, альфа – угол между нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура и вектором В.

При изменении магнитного потока через контур в контуре индуцируется ЭДС, равная скорости изменения магнитного потока через контур. Кстати, подробнее о том, что такое электродвижущая сила, вы можете почитать в еще одной нашей статье.

По сути формула выше – это формула для закона электромагнитной индукции Фарадея. Напоминаем, что скорость изменения какой-либо величины есть не что иное, как ее производная по времени.

Для магнитного потока и ЭДС индукции также справедливо обратное. Изменение тока в контуре приводит к изменению магнитного поля и, соответственно, к изменению магнитного потока. При этом возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует изменению тока в контуре. Магнитный поток, который пронизывает контур с током, называется собственным магнитным потоком, пропорционален силе тока в контуре и вычисляется по формуле:

L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью, который измеряется в Генри (Гн). На индуктивность влияют форма контура и свойства среды. Для катушки с длиной l и с числом витков N индуктивность рассчитывается по формуле:

Формула для ЭДС самоиндукции:

Энергия магнитного поля

Объемная плотность энергии поля:

Источник