แนวคิดพื้นฐานของแม่เหล็ก สูตรพื้นฐานทางฟิสิกส์ - ไฟฟ้าและแม่เหล็ก ฟลักซ์แม่เหล็ก การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

การโต้ตอบ

ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กระหว่างเหล็กกับแม่เหล็กหรือระหว่างแม่เหล็กเกิดขึ้นไม่เพียงแต่เมื่อสัมผัสกันโดยตรงเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นในระยะไกลด้วย เมื่อระยะทางเพิ่มขึ้น แรงของการโต้ตอบจะลดลง และในระยะทางที่ไกลพอสมควรก็จะไม่เห็นชัดเจน ดังนั้นคุณสมบัติของพื้นที่ส่วนหนึ่งของพื้นที่ใกล้กับแม่เหล็กจึงแตกต่างจากคุณสมบัติของพื้นที่ส่วนนั้นซึ่งแรงแม่เหล็กไม่ปรากฏออกมา ในอวกาศที่มีแรงแม่เหล็กเกิดขึ้น จะมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้น

หากนำเข็มแม่เหล็กเข้าไปในสนามแม่เหล็ก เข็มนั้นจะถูกติดตั้งในลักษณะที่ชัดเจนมาก และเข็มแม่เหล็กจะถูกติดตั้งแตกต่างออกไปในสถานที่ต่างๆ

ในปี 1905 Paul Langevin ซึ่งใช้ทฤษฎีบทของ Larmor และทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์ของ Lorentz ได้พัฒนาการตีความแบบดั้งเดิมของทฤษฎีไดอะแกรมและพาราแมกเนติกนิยม

แม่เหล็กธรรมชาติและแม่เหล็กประดิษฐ์

Magnetite (แร่เหล็กแม่เหล็ก) - หินที่ดึงดูดเหล็กได้รับการอธิบายโดยนักวิทยาศาสตร์โบราณ เป็นสิ่งที่เรียกว่าแม่เหล็กธรรมชาติซึ่งพบได้ค่อนข้างบ่อยในธรรมชาติ เป็นแร่ธาตุที่พบได้ทั่วไปโดยมีองค์ประกอบ FeO 31% และ Fe2O3 69% โดยมีธาตุเหล็ก 72.4%

หากคุณตัดแถบจากวัสดุดังกล่าวแล้วแขวนไว้บนด้ายก็จะติดตั้งในอวกาศในลักษณะที่เฉพาะเจาะจงมาก: ตามแนวเส้นตรงที่วิ่งจากเหนือจรดใต้ หากคุณนำแถบออกจากสถานะนี้นั่นคือเบี่ยงเบนไปจากทิศทางที่เคยเป็นแล้วปล่อยไว้กับตัวเองอีกครั้งจากนั้นแถบที่มีการแกว่งหลายครั้งจะเข้าสู่ตำแหน่งก่อนหน้าโดยปักหลักในทิศทาง จากเหนือจรดใต้

หากคุณจุ่มแถบนี้ลงในตะไบเหล็ก แถบเหล่านั้นจะไม่ถูกดึงดูดไปที่แถบนั้นเท่ากันทุกแห่ง แรงดึงดูดที่ยิ่งใหญ่ที่สุดคือปลายแถบซึ่งหันหน้าไปทางเหนือและใต้

สถานที่เหล่านี้บนแถบซึ่งมีแรงดึงดูดมากที่สุดเรียกว่าขั้วแม่เหล็ก ขั้วที่ชี้ไปทางเหนือเรียกว่าขั้วเหนือของแม่เหล็ก (หรือขั้วบวก) และถูกกำหนดด้วยตัวอักษร N (หรือ C) เสาที่หันไปทางทิศใต้" เรียกว่าขั้วโลกใต้ (หรือขั้วลบ) และถูกกำหนดด้วยตัวอักษร S (หรือ Yu) ปฏิกิริยาของขั้วแม่เหล็กสามารถศึกษาได้ดังนี้ ลองใช้แมกนีไทต์สองแถบแล้วแขวนอันหนึ่งไว้บนด้ายดังที่ได้กล่าวไปแล้วข้างต้น ถือแถบที่สองไว้ในมือเราจะนำมันไปที่แถบแรกด้วยเสาที่แตกต่างกัน

ปรากฎว่าถ้าคุณนำขั้วใต้ของแถบอื่นเข้าใกล้ขั้วเหนือของแถบหนึ่งมากขึ้น แรงดึงดูดจะเกิดขึ้นระหว่างขั้วทั้งสอง และแถบที่ห้อยอยู่บนด้ายจะถูกดึงดูด ถ้าแถบที่สองถูกนำไปที่ขั้วโลกเหนือของแถบแขวนที่มีขั้วเหนือ แถบแขวนนั้นจะถูกผลักออกไป

จากการทดลองดังกล่าว เราจึงสามารถมั่นใจได้ถึงความถูกต้องของกฎหมายที่ฮิลเบิร์ตกำหนดขึ้นเกี่ยวกับอันตรกิริยาของขั้วแม่เหล็ก เหมือนกับขั้วที่ผลักกัน ต่างจากขั้วที่ดึงดูด

หากเราต้องการแบ่งแม่เหล็กออกครึ่งหนึ่งเพื่อแยกขั้วแม่เหล็กด้านเหนือออกจากทิศใต้ ปรากฎว่าเราไม่สามารถทำเช่นนี้ได้ เมื่อตัดแม่เหล็กออกครึ่งหนึ่ง เราจะได้แม่เหล็ก 2 อัน แต่ละอันมี 2 ขั้ว หากเราดำเนินกระบวนการนี้ต่อไป ดังประสบการณ์แสดงให้เห็น เราจะไม่มีทางได้รับแม่เหล็กจากขั้วเดียว ประสบการณ์นี้ทำให้เรามั่นใจว่าขั้วของแม่เหล็กไม่ได้แยกจากกัน เช่นเดียวกับประจุไฟฟ้าลบและบวกแยกกัน ดังนั้นตัวพาแม่เหล็กเบื้องต้นหรือที่เรียกกันว่าแม่เหล็กพื้นฐานจะต้องมีขั้วสองขั้วด้วย

แม่เหล็กธรรมชาติที่อธิบายไว้ข้างต้นไม่ได้ถูกนำมาใช้จริงในปัจจุบัน แม่เหล็กถาวรประดิษฐ์นั้นแข็งแกร่งและสะดวกกว่ามาก วิธีที่ง่ายที่สุดในการสร้างแม่เหล็กประดิษฐ์ถาวรคือการใช้แถบเหล็ก หากคุณถูจากศูนย์กลางไปจนสุดด้วยขั้วตรงข้ามของแม่เหล็กธรรมชาติหรือแม่เหล็กประดิษฐ์อื่นๆ แม่เหล็กที่มีรูปร่างคล้ายแถบเรียกว่าแถบแม่เหล็ก มักจะสะดวกกว่าถ้าใช้แม่เหล็กที่มีรูปร่างคล้ายเกือกม้า แม่เหล็กชนิดนี้เรียกว่าแม่เหล็กเกือกม้า

แม่เหล็กประดิษฐ์มักจะทำในลักษณะที่มีขั้วแม่เหล็กที่อยู่ตรงข้ามกันถูกสร้างขึ้นที่ปลายของมัน อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่จำเป็นเลย สามารถสร้างแม่เหล็กได้ โดยปลายทั้งสองข้างจะมีขั้วเดียวกัน เช่น ขั้วเหนือ คุณสามารถสร้างแม่เหล็กได้โดยการถูแถบเหล็กที่มีเสาเท่ากันจากตรงกลางถึงปลาย

อย่างไรก็ตาม ขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็กชนิดนี้แยกออกจากกันไม่ได้ แน่นอนถ้าคุณจุ่มมันลงในขี้เลื่อยพวกมันจะถูกดึงดูดอย่างมากไม่เพียง แต่ที่ขอบของแม่เหล็กเท่านั้น แต่ยังดึงดูดตรงกลางด้วย ง่ายต่อการตรวจสอบว่าขั้วเหนืออยู่ที่ขอบและขั้วใต้อยู่ตรงกลาง

คุณสมบัติทางแม่เหล็ก ชั้นเรียนของสาร

เป็นพฤติกรรมที่รวมกันของแม่เหล็กขนาดเล็กของอะตอมในโครงตาข่ายคริสตัลที่กำหนดคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสาร ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสาร สารจะถูกแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก: แม่เหล็กเฟอร์ริก, พาราแมกเนติกและ วัสดุแม่เหล็ก- นอกจากนี้ยังมีคลาสย่อยสองคลาสที่แยกจากวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกทั่วไป - สารต้านเฟอร์โรแมกเนติกและ เฟอร์ริแมกเนติกส์- ในทั้งสองกรณี สารเหล่านี้อยู่ในกลุ่มเฟอร์โรแม่เหล็ก แต่มีคุณสมบัติพิเศษที่อุณหภูมิต่ำ: สนามแม่เหล็กของอะตอมข้างเคียงจะเรียงขนานกันอย่างเคร่งครัด แต่ไปในทิศทางตรงกันข้าม แอนติเฟอร์โรแมกเนติกประกอบด้วยอะตอมขององค์ประกอบเดียว และเป็นผลให้สนามแม่เหล็กของพวกมันกลายเป็นศูนย์ เฟอร์ริแมกเนตเป็นโลหะผสมของสารตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป และผลลัพธ์ของการทับซ้อนของสนามแม่เหล็กที่มีทิศทางตรงข้ามกันคือสนามแม่เหล็กขนาดมหึมาที่มีอยู่ในวัสดุโดยรวม

เฟอร์โรแมกเนติกส์

สารและโลหะผสมบางชนิด (เหล็ก นิกเกิล และโคบอลต์เป็นหลัก) ที่อุณหภูมิต่ำกว่า แต้มกูรีได้รับคุณสมบัติในการสร้างโครงตาข่ายคริสตัลในลักษณะที่สนามแม่เหล็กของอะตอมกลายเป็นทิศทางเดียวและเสริมกำลังซึ่งกันและกันเนื่องจากสนามแม่เหล็กขนาดมหภาคเกิดขึ้นนอกวัสดุ แม่เหล็กถาวรที่กล่าวข้างต้นได้มาจากวัสดุดังกล่าว ในความเป็นจริง การจัดแนวแม่เหล็กของอะตอมมักจะไม่ขยายไปถึงวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกในปริมาตรไม่จำกัด: การดึงดูดนั้นจำกัดอยู่ที่ปริมาตรที่มีอะตอมหลายพันถึงหลายหมื่นอะตอม และมักจะเรียกว่าปริมาตรของวัสดุดังกล่าว โดเมน(จากโดเมนภาษาอังกฤษ - “พื้นที่”) เมื่อเหล็กเย็นตัวลงต่ำกว่าจุดกูรี จะเกิดโดเมนจำนวนมากขึ้น ซึ่งแต่ละโดเมนจะมีทิศทางของสนามแม่เหล็กในลักษณะของตัวเอง ดังนั้นในสถานะปกติ เหล็กแข็งจะไม่ถูกดึงดูดแม้ว่าจะมีโดเมนเกิดขึ้นอยู่ข้างใน ซึ่งแต่ละอันเป็นแม่เหล็กขนาดเล็กสำเร็จรูป อย่างไรก็ตาม ภายใต้อิทธิพลของสภาวะภายนอก (เช่น เมื่อเหล็กหลอมแข็งตัวเมื่อมีสนามแม่เหล็กกำลังแรง) โดเมนต่างๆ จะถูกจัดเรียงในลักษณะที่เป็นระเบียบ และสนามแม่เหล็กของพวกมันจะถูกขยายร่วมกัน จากนั้นเราจะได้แม่เหล็กจริง - วัตถุที่มีสนามแม่เหล็กภายนอกเด่นชัด นี่คือวิธีการออกแบบแม่เหล็กถาวร

พาราแมกเนติก

ในวัสดุส่วนใหญ่ ไม่มีแรงภายในที่จะปรับทิศทางแม่เหล็กของอะตอม โดเมนจะไม่ก่อตัวขึ้น และสนามแม่เหล็กของแต่ละอะตอมจะถูกสุ่มทิศทาง ด้วยเหตุนี้ สนามของอะตอมแม่เหล็กแต่ละอะตอมจึงถูกยกเลิกร่วมกัน และวัสดุดังกล่าวไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก อย่างไรก็ตาม เมื่อวางวัสดุดังกล่าวไว้ในสนามแม่เหล็กภายนอกที่มีกำลังแรง (เช่น ระหว่างขั้วของแม่เหล็กกำลังสูง) สนามแม่เหล็กของอะตอมจะวางตัวในทิศทางที่สอดคล้องกับทิศทางของสนามแม่เหล็กภายนอก และเราจะสังเกต ผลของการเสริมสร้างสนามแม่เหล็กเมื่อมีวัสดุดังกล่าว วัสดุที่มีคุณสมบัติคล้ายกันเรียกว่าพาราแมกเนติก อย่างไรก็ตาม ทันทีที่สนามแม่เหล็กภายนอกถูกลบออก พาราแมกเนติกจะทำการล้างอำนาจแม่เหล็กทันที เนื่องจากอะตอมเรียงตัวกันอย่างโกลาหลอีกครั้ง นั่นคือวัสดุพาราแมกเนติกนั้นมีความสามารถในการดึงดูดแม่เหล็กได้ชั่วคราว

ไดอะแมกเนติกส์

ในสารที่อะตอมไม่มีโมเมนต์แม่เหล็กของตัวเอง (นั่นคือในที่ที่สนามแม่เหล็กดับอยู่ในตา - ที่ระดับอิเล็กตรอน) แม่เหล็กที่มีลักษณะแตกต่างกันอาจเกิดขึ้นได้ ตามกฎข้อที่สองของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์ เมื่อฟลักซ์ของสนามแม่เหล็กที่ไหลผ่านลูปที่มีกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าในลูปจะขัดขวางการเพิ่มขึ้นของฟลักซ์แม่เหล็ก ผลที่ตามมาคือ ถ้าสารที่ไม่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กในตัวเองถูกนำเข้าไปในสนามแม่เหล็กแรง อิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอมซึ่งเป็นวงจรจุลทรรศน์ที่มีกระแสไฟฟ้า จะเปลี่ยนลักษณะของการเคลื่อนที่ของพวกมันในลักษณะที่ป้องกันไม่ให้เกิด การเพิ่มขึ้นของฟลักซ์แม่เหล็กนั่นคือพวกเขาจะสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเอง มุ่งไปในทิศทางตรงกันข้ามเมื่อเปรียบเทียบกับสนามแม่เหล็กภายนอก วัสดุดังกล่าวมักเรียกว่าไดอะแมกเนติก

แม่เหล็กในธรรมชาติ

ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติหลายอย่างถูกกำหนดอย่างแม่นยำโดยแรงแม่เหล็ก พวกมันเป็นที่มาของปรากฏการณ์โลกใบเล็กมากมาย: พฤติกรรมของอะตอม, โมเลกุล, นิวเคลียสของอะตอมและอนุภาคมูลฐาน - อิเล็กตรอน, โปรตอน, นิวตรอน ฯลฯ นอกจากนี้ปรากฏการณ์แม่เหล็กยังเป็นลักษณะของเทห์ฟากฟ้าขนาดใหญ่เช่นกัน: ดวงอาทิตย์และโลกมีขนาดใหญ่มาก แม่เหล็ก พลังงานครึ่งหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นวิทยุ อินฟราเรด รังสีที่มองเห็นและรังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา) นั้นเป็นแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กของโลกปรากฏในปรากฏการณ์หลายประการและกลายเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้เกิดแสงออโรร่าโดยเฉพาะ

โดยหลักการแล้ว ไม่มีสารที่ไม่ใช่แม่เหล็กอยู่จริง สสารใด ๆ ที่เป็น "แม่เหล็ก" เสมอนั่นคือมันเปลี่ยนคุณสมบัติของมันในสนามแม่เหล็ก บางครั้งการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจมีเพียงเล็กน้อยและสามารถตรวจพบได้โดยใช้อุปกรณ์พิเศษเท่านั้น บางครั้งมันก็ค่อนข้างสำคัญและสามารถตรวจจับได้โดยไม่ยากนักโดยใช้วิธีการง่ายๆ สารแม่เหล็กอ่อน ได้แก่ อะลูมิเนียม ทองแดง น้ำ ปรอท ฯลฯ แม่เหล็กสูงหรือแม่เหล็กเพียงอย่างเดียว (ที่อุณหภูมิปกติ) ได้แก่ เหล็ก นิกเกิล โคบอลต์ และโลหะผสมบางชนิด

การใช้แม่เหล็ก

วิศวกรรมไฟฟ้าสมัยใหม่ใช้คุณสมบัติทางแม่เหล็กของสสารอย่างกว้างขวางมากเพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้าและแปลงเป็นพลังงานประเภทอื่นๆ ในอุปกรณ์สื่อสารแบบมีสายและไร้สาย ในโทรทัศน์ ระบบอัตโนมัติ และเทเลเมคานิกส์ จะใช้วัสดุที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กบางประการ ปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กยังมีบทบาทสำคัญในธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตอีกด้วย

ความธรรมดาที่ไม่ธรรมดาของปรากฏการณ์แม่เหล็กและความสำคัญในทางปฏิบัติอันมหาศาลนำไปสู่ความจริงที่ว่าการศึกษาแม่เหล็กเป็นหนึ่งในสาขาที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์สมัยใหม่

อำนาจแม่เหล็กยังเป็นส่วนสำคัญของโลกคอมพิวเตอร์ จนถึงปี 2010 สื่อจัดเก็บข้อมูลแบบแม่เหล็ก (คอมแพคคาสเซ็ตต์ ฟลอปปีดิสก์ ฯลฯ) เป็นสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไปในโลก แต่สื่อจัดเก็บข้อมูลแบบแมกนีโตออปติคัล (DVD-RAM) ยังคง "อ้างอิงถึง ”

มีเนื้อหาทางทฤษฎีในส่วน "แม่เหล็ก" ของสาขาวิชา "ฟิสิกส์"

ออกแบบมาเพื่อช่วยเหลือนักเรียนที่เชี่ยวชาญด้านเทคนิคทุกรูปแบบในการศึกษาอิสระ รวมถึงการเตรียมตัวสำหรับแบบฝึกหัด การประชุมสัมนา และการสอบ

© Andreev A.D., Chernykh L.M., 2009

 สถาบันการศึกษาของรัฐที่มีการศึกษาวิชาชีพชั้นสูง “มหาวิทยาลัยโทรคมนาคมแห่งรัฐเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก ตั้งชื่อตาม ศาสตราจารย์ ม.อ. บอนช์-บรูวิช", 2552

การแนะนำ

ในปี 1820 Hans Christian Oersted ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน บรรยายเรื่องไฟฟ้า กัลวานิซึม และแม่เหล็ก ในเวลานั้น ไฟฟ้าเรียกว่าไฟฟ้าสถิต กัลวานิซึมเป็นชื่อที่ตั้งให้กับปรากฏการณ์ที่เกิดจากกระแสตรงที่ได้รับจากแบตเตอรี่ แม่เหล็กมีความเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติที่ทราบของแร่เหล็กกับเข็มเข็มทิศกับสนามแม่เหล็กของโลก

เพื่อค้นหาความเชื่อมโยงระหว่างกัลวานิซึมและแม่เหล็ก เออร์สเตดทดลองโดยให้กระแสไหลผ่านลวดที่ห้อยอยู่เหนือเข็มเข็มทิศ เมื่อกระแสน้ำเปิดขึ้น ลูกศรก็เบี่ยงเบนไปจากทิศทางลมปราณ หากทิศทางของกระแสน้ำเปลี่ยนไปหรือลูกศรถูกวางไว้เหนือกระแสน้ำก็จะเบี่ยงเบนไปจากเส้นลมปราณไปในทิศทางอื่น

การค้นพบของเออร์สเตดเป็นแรงกระตุ้นอันทรงพลังสำหรับการวิจัยและการค้นพบเพิ่มเติม เวลาผ่านไปเล็กน้อย แอมแปร์ ฟาราเดย์ และคนอื่นๆ ได้ทำการศึกษาการกระทำทางแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์และแม่นยำ การค้นพบปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์เกิดขึ้น 12 ปีหลังจากการทดลองของเออร์สเตด จากการค้นพบเชิงทดลองเหล่านี้ ทฤษฎีคลาสสิกของแม่เหล็กไฟฟ้าได้ถูกสร้างขึ้น แม็กซ์เวลล์ให้รูปแบบสุดท้ายและรูปแบบทางคณิตศาสตร์แก่มัน และเฮิรตซ์ก็ยืนยันได้อย่างยอดเยี่ยมในปี พ.ศ. 2431 โดยทดลองพิสูจน์การมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

1. สนามแม่เหล็กในสุญญากาศ

1.1. ปฏิสัมพันธ์ของกระแส การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก

กระแสไฟฟ้ามีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน ตามประสบการณ์แสดงให้เห็น ตัวนำไฟฟ้าขนานตรงสองตัวที่กระแสไหลผ่านดึงดูดหากกระแสในตัวนำนั้นมีทิศทางเดียวกัน และขับไล่หากกระแสมีทิศทางตรงกันข้าม (รูปที่ 1) ยิ่งไปกว่านั้น แรงปฏิสัมพันธ์ต่อหน่วยความยาวของตัวนำจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแรงของกระแสไฟฟ้าในตัวนำแต่ละตัว และแปรผกผันกับระยะห่างระหว่างตัวนำเหล่านั้น กฎปฏิสัมพันธ์ของกระแสน้ำเกิดขึ้นจากการทดลองโดย Andre Marie Ampere ในปี 1820

ในโลหะ ประจุรวมของโครงตาข่ายไอออนิกที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนอิสระที่มีประจุลบจะเป็นศูนย์ ประจุจะกระจายอย่างเท่าเทียมกันในตัวนำ ดังนั้นจึงไม่มีสนามไฟฟ้ารอบตัวนำ นี่คือเหตุผลว่าทำไมตัวนำจึงไม่โต้ตอบกันในกรณีที่ไม่มีกระแสไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม เมื่อมีกระแส (การเคลื่อนที่ตามคำสั่งของตัวพาประจุฟรี) ปฏิสัมพันธ์จะเกิดขึ้นระหว่างตัวนำ ซึ่งมักเรียกว่าแม่เหล็ก

ในฟิสิกส์สมัยใหม่ ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กของกระแสถูกตีความว่าเป็นผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพที่เกิดขึ้นในกรอบอ้างอิงโดยสัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ตามลำดับของประจุที่เกิดขึ้น ในบทช่วยสอนนี้ เราจะใช้แนวคิดเรื่องสนามแม่เหล็กเป็นคุณสมบัติของพื้นที่รอบๆ กระแสไฟฟ้า การมีอยู่ของสนามแม่เหล็กของกระแสจะปรากฏออกมาเมื่อมีอันตรกิริยากับตัวนำอื่นด้วยกระแส (กฎของแอมแปร์) หรือเมื่อมีอันตรกิริยากับอนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ (แรงลอเรนซ์ ส่วนย่อย 2.1) หรือเมื่อหันเหเข็มแม่เหล็กที่วางอยู่ใกล้ตัวนำด้วย ปัจจุบัน (การทดลองของเออร์สเตด)

เพื่ออธิบายลักษณะของสนามแม่เหล็กของกระแส เราแนะนำแนวคิดของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ในทำนองเดียวกันกับวิธีการใช้แนวคิดของประจุจุดทดสอบในการกำหนดลักษณะของสนามไฟฟ้าสถิต เมื่อแนะนำเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก เราจะใช้วงจรทดสอบที่มีกระแสไฟฟ้า ปล่อยให้แบนปิดไป โครงร่างของรูปร่างโดยพลการและขนาดที่เล็ก เล็กมากจนเมื่อถึงจุดที่สนามแม่เหล็กตั้งอยู่ก็ถือว่าเหมือนกัน การวางแนวของเส้นชั้นความสูงในอวกาศจะมีลักษณะเป็นเวกเตอร์ปกติกับเส้นชั้นความสูง ซึ่งสัมพันธ์กับทิศทางของกระแสในนั้นตามกฎของสกรูด้านขวา (วงแหวน): เมื่อด้ามจับของสว่านหมุนไปในทิศทางของ กระแส (รูปที่ 2) การเคลื่อนที่เชิงแปลของส่วนปลายของสว่านจะกำหนดทิศทางของเวกเตอร์ปกติของหน่วยไปยังระนาบของเส้นขอบ

เอ็กซ์ ลักษณะของวงจรทดสอบคือโมเมนต์แม่เหล็กโดยที่ ส– พื้นที่ของวงจรทดสอบ

อี หากคุณวางวงจรทดสอบโดยมีกระแสอยู่ที่จุดที่เลือกไว้ถัดจากกระแสตรง กระแสจะโต้ตอบกัน ในกรณีนี้ วงจรทดสอบที่มีกระแสไฟฟ้าจะได้รับผลกระทบจากแรงบิดของแรงคู่หนึ่ง ม(รูปที่ 3) ขนาดของช่วงเวลานี้ ดังที่ประสบการณ์แสดงให้เห็น ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสนาม ณ จุดที่กำหนด (วงจรมีขนาดเล็ก) และคุณสมบัติของวงจร (โมเมนต์แม่เหล็กของมัน)

ในรูป 4 ซึ่งเป็นภาพตัดขวางของรูป ระนาบแนวนอน 3 แสดงตำแหน่งต่างๆ ของวงจรทดสอบที่มีกระแสไฟฟ้าอยู่ในสนามแม่เหล็กกระแสตรง ฉัน- จุดในวงกลมแสดงถึงทิศทางของกระแสน้ำที่มีต่อผู้สังเกต กากบาทแสดงทิศทางของกระแสที่อยู่ด้านหลังรูปแบบ ตำแหน่งที่ 1 สอดคล้องกับความสมดุลที่เสถียรของวงจร ( ม= 0) เมื่อแรงยืดออก ตำแหน่งที่ 2 สอดคล้องกับความสมดุลที่ไม่เสถียร ( ม= 0) ในตำแหน่งที่ 3 วงจรทดสอบที่มีกระแสจะขึ้นอยู่กับแรงบิดสูงสุด ขึ้นอยู่กับทิศทางของวงจร ขนาดของแรงบิดสามารถรับค่าใดก็ได้ตั้งแต่ศูนย์ถึงสูงสุด ตามที่ประสบการณ์แสดงให้เห็น ณ จุดใดๆ กล่าวคือ ค่าสูงสุดของโมเมนต์เชิงกลของแรงคู่หนึ่งขึ้นอยู่กับขนาดของโมเมนต์แม่เหล็กของวงจรทดสอบ และไม่สามารถใช้เป็นลักษณะของสนามแม่เหล็ก ณ จุดที่กำลังศึกษาได้ อัตราส่วนของโมเมนต์เชิงกลสูงสุดของแรงคู่หนึ่งต่อโมเมนต์แม่เหล็กของวงจรทดสอบไม่ได้ขึ้นอยู่กับค่าหลังและสามารถทำหน้าที่เป็นลักษณะของสนามแม่เหล็กได้ ลักษณะนี้เรียกว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก)

ใน เราถือว่ามันเป็นปริมาณเวกเตอร์ สำหรับทิศทางของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก เราจะหาทิศทางของโมเมนต์แม่เหล็กของวงจรทดสอบกับกระแสที่วางอยู่ที่จุดสนามที่กำลังศึกษา ในตำแหน่งสมดุลที่มั่นคง (ตำแหน่ง 1 ในรูปที่ 4) ทิศทางนี้เกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางทางเหนือสุดของเข็มแม่เหล็กที่วาง ณ จุดนี้ จากที่กล่าวมาข้างต้นเป็นไปตามที่แสดงลักษณะของแรงกระทำของสนามแม่เหล็กต่อกระแสดังนั้นจึงเป็นอะนาล็อกของความแรงของสนามในไฟฟ้าสถิต สนามเวกเตอร์สามารถแสดงได้โดยใช้เส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ที่แต่ละจุดบนเส้นตรง เวกเตอร์จะมีทิศทางสัมผัสกับเวกเตอร์นั้น เนื่องจากเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่จุดใดๆ ในสนามมีทิศทางที่แน่นอน ทิศทางของเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กจึงไม่ซ้ำกันในแต่ละจุดในสนาม ด้วยเหตุนี้ เส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กและเส้นสนามไฟฟ้าจึงไม่ตัดกัน ในรูป รูปที่ 5 แสดงเส้นเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กหลายเส้นของกระแสตรง ซึ่งแสดงในระนาบตั้งฉากกับกระแส มีลักษณะเป็นวงกลมปิดและมีจุดศูนย์กลางบนแกนปัจจุบัน

ควรสังเกตว่าเส้นสนามแม่เหล็กปิดอยู่เสมอ นี่เป็นคุณลักษณะที่โดดเด่นของสนามกระแสน้ำวนซึ่งฟลักซ์ของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กผ่านพื้นผิวปิดใดๆ จะเป็นศูนย์ (ทฤษฎีบทของเกาส์ในด้านแม่เหล็ก)

1.2. กฎหมายไบโอต-ซาวาร์ต-ลาปลาซ
หลักการซ้อนทับในแม่เหล็ก

Biot และ Savard ได้ทำการศึกษาสนามแม่เหล็กของกระแสรูปร่างต่างๆ ในปี พ.ศ. 2363 พวกเขาพบว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กในทุกกรณีนั้นแปรผันตามความแรงของกระแสไฟฟ้าที่สร้างสนามแม่เหล็ก ลาปลาซวิเคราะห์ข้อมูลการทดลองที่ได้รับจากไบโอตและซาวาร์ต และพบว่าสนามแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้า ฉันของการกำหนดค่าใด ๆ สามารถคำนวณเป็นผลรวมเวกเตอร์ (การซ้อนทับ) ของฟิลด์ที่สร้างขึ้นโดยแต่ละส่วนเบื้องต้นของกระแส

ดี ความยาวของแต่ละส่วนของกระแสมีขนาดเล็กมากจนถือได้ว่าเป็นส่วนตรงซึ่งระยะทางจากจุดสังเกตจะมากกว่ามาก สะดวกในการแนะนำแนวคิดขององค์ประกอบปัจจุบันโดยที่ทิศทางของเวกเตอร์เกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของกระแส ฉันและโมดูลของมันมีค่าเท่ากับ (รูปที่ 6)

เพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยองค์ประกอบปัจจุบัน ณ จุดที่อยู่ห่างจากกัน รจากเขา (รูปที่ 6) ลาปลาซได้สูตรที่ใช้ได้สำหรับสุญญากาศ:

. (1.1)

สูตรของกฎหมาย Biot–Savart–Laplace (1.1) เขียนอยู่ในระบบ SI ซึ่งค่าคงที่ เรียกว่าค่าคงที่แม่เหล็ก

มีข้อสังเกตว่าในสนามแม่เหล็กเช่นเดียวกับไฟฟ้าหลักการของการทับซ้อนของสนามเกิดขึ้นเช่น การเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยระบบกระแส ณ จุดที่กำหนดในอวกาศจะเท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของการเหนี่ยวนำของ สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้น ณ จุดนี้โดยแต่ละกระแสแยกจากกัน :

เอ็น และมะเดื่อ รูปที่ 7 แสดงตัวอย่างการสร้างเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กในสนามของกระแสคู่ขนานและกระแสตรงข้ามและ:

1.3. การใช้กฎหมาย Biot-Savart-Laplace
สนามแม่เหล็กกระแสตรง

ลองพิจารณาส่วนของกระแสตรง องค์ประกอบปัจจุบันสร้างสนามแม่เหล็กซึ่งเกิดการเหนี่ยวนำที่จุดหนึ่ง ก(รูปที่ 8) ตามกฎหมาย Biot-Savart-Laplace พบได้จากสูตร:

, (1.3)

สูตรไฟฟ้าและแม่เหล็ก การศึกษาพื้นฐานของพลศาสตร์ไฟฟ้ามักเริ่มต้นด้วยสนามไฟฟ้าในสุญญากาศ ในการคำนวณแรงอันตรกิริยาระหว่างประจุสองจุดและคำนวณความแรงของสนามไฟฟ้าที่เกิดจากประจุแบบจุด คุณจะต้องใช้กฎของคูลอมบ์ได้ ในการคำนวณความแรงของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากประจุขยาย (เส้นด้ายที่มีประจุ ระนาบ ฯลฯ) จะใช้ทฤษฎีบทของเกาส์ สำหรับระบบประจุไฟฟ้าจำเป็นต้องใช้หลักการ

เมื่อศึกษาหัวข้อ "กระแสตรง" จำเป็นต้องพิจารณากฎของโอห์มและจูล-เลนซ์ในทุกรูปแบบ เมื่อศึกษา "แม่เหล็ก" จำเป็นต้องจำไว้ว่าสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นจากประจุที่เคลื่อนที่และกระทำต่อประจุที่เคลื่อนที่ คุณควรใส่ใจกับกฎหมาย Biot-Savart-Laplace ที่นี่ ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษกับแรงลอเรนซ์และพิจารณาการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุในสนามแม่เหล็ก

ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กเชื่อมโยงกันด้วยการดำรงอยู่ของสสารในรูปแบบพิเศษ - สนามแม่เหล็กไฟฟ้า พื้นฐานของทฤษฎีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าคือทฤษฎีของแมกซ์เวลล์

ตารางสูตรพื้นฐานของไฟฟ้าและแม่เหล็ก

กฎฟิสิกส์ สูตร ตัวแปร	สูตรไฟฟ้าและแม่เหล็ก
กฎของคูลอมบ์: ที่ไหน q 1 และ q 2 - ค่าของการชาร์จจุดё 1 - ค่าคงที่ทางไฟฟ้า; ε - ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของตัวกลางไอโซโทรปิก (สำหรับสุญญากาศε = 1) r คือระยะห่างระหว่างประจุ
ความแรงของสนามไฟฟ้า: ที่ไหน Ḟ - แรงที่กระทำต่อประจุคิว 0 ซึ่งอยู่ที่จุดใดจุดหนึ่งในสนาม
ความแรงของสนามไฟฟ้าที่ระยะห่าง r จากแหล่งกำเนิดสนาม: 1) การชาร์จแต้ม 2) เธรดที่มีประจุยาวไม่ จำกัด โดยมีความหนาแน่นประจุเชิงเส้น τ: 3) ระนาบอนันต์ที่มีประจุสม่ำเสมอซึ่งมีความหนาแน่นประจุที่พื้นผิว σ: 4) ระหว่างระนาบที่มีประจุตรงข้ามกันสองลำ
ศักย์สนามไฟฟ้า: โดยที่ W คือพลังงานศักย์ของประจุคิว 0 .
ศักย์ไฟฟ้าของจุดประจุที่ระยะ r จากประจุ:
ตามหลักการของการทับซ้อนของสนาม ความตึงเครียด:
ศักยภาพ: ที่ไหน ฉัน และ ϕ ฉัน- ความตึงเครียดและศักยภาพ ณ จุดที่กำหนดในสนามที่สร้างขึ้นโดยประจุที่ i
งานที่ทำโดยแรงสนามไฟฟ้าเพื่อย้ายประจุ q จากจุดที่มีศักยภาพϕ 1 ถึงจุดที่มีศักยภาพϕ 2:
ความสัมพันธ์ระหว่างความตึงเครียดและศักยภาพ 1) สำหรับฟิลด์ที่ไม่สม่ำเสมอ: 2) สำหรับสนามที่สม่ำเสมอ:
ความจุไฟฟ้าของตัวนำเดี่ยว:
ความจุของตัวเก็บประจุ:
ความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุแบบแบน: โดยที่ S คือพื้นที่ของแผ่น (หนึ่ง) ของตัวเก็บประจุ d คือระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลก
พลังงานของตัวเก็บประจุที่มีประจุ:
ความแรงปัจจุบัน:
ความหนาแน่นกระแส: โดยที่ S คือพื้นที่หน้าตัดของตัวนำ
ความต้านทานของตัวนำ: l คือความยาวของตัวนำ S คือพื้นที่หน้าตัด
กฎของโอห์ม 1) สำหรับส่วนที่เป็นเนื้อเดียวกันของโซ่: 2) ในรูปแบบดิฟเฟอเรนเชียล: 3) สำหรับส่วนของวงจรที่มี EMF: โดยที่ ε คือแรงเคลื่อนไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดปัจจุบัน R และ r - ความต้านทานภายนอกและภายในของวงจร 4) สำหรับวงจรปิด:
กฎจูล-เลนซ์ 1) สำหรับส่วนที่เป็นเนื้อเดียวกันของวงจรไฟฟ้ากระแสตรง: โดยที่ Q คือปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาในตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน เสื้อ - เวลาผ่านไปปัจจุบัน 2) สำหรับส่วนของวงจรที่มีกระแสแปรผันตามเวลา:
กำลังไฟฟ้าปัจจุบัน:
ความสัมพันธ์ระหว่างการเหนี่ยวนำแม่เหล็กและความแรงของสนามแม่เหล็ก: โดยที่ B คือเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก μ √ การซึมผ่านของแม่เหล็กของตัวกลางไอโซโทรปิก (สำหรับสุญญากาศ μ = 1) µ 0 - ค่าคงที่แม่เหล็ก, H - ความแรงของสนามแม่เหล็ก
การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก(การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก): 1) อยู่ตรงกลางของกระแสวงกลม โดยที่ R คือรัศมีของกระแสวงกลม 2) สาขาของกระแสไปข้างหน้ายาวอย่างไม่สิ้นสุด โดยที่ r คือระยะทางที่สั้นที่สุดไปยังแกนตัวนำ 3) สนามที่สร้างขึ้นโดยส่วนของตัวนำที่มีกระแส โดยที่ ɑ 1 และ ɑ 2 - มุมระหว่างส่วนของตัวนำกับเส้นที่เชื่อมต่อปลายของส่วนและจุดสนาม 4) สนามของโซลินอยด์ที่ยาวไม่สิ้นสุด โดยที่ n คือจำนวนรอบต่อความยาวหน่วยของโซลินอยด์

เนื่องจากคุณสมบัติที่แตกต่างกันในระดับโครงสร้างอะตอม - โมเลกุล สารทั้งหมดตามคุณสมบัติทางแม่เหล็กจึงถูกแบ่งออกเป็นสามประเภท - เฟอร์โรแมกเนติก, พาราแมกเนติกและไดอะแมกเนติก

ตามกฎของแอมแปร์ กระแสไฟฟ้าจะก่อให้เกิดสนามแม่เหล็ก อิเล็กตรอนที่หมุนรอบอะตอมถือได้ว่าเป็นกระแสไฟฟ้าแบบไซคลิกซึ่งมีความแข็งแรงและรัศมีน้อยมาก อย่างไรก็ตาม มันยังคงก่อให้เกิดสนามแม่เหล็ก และไม่น่าแปลกใจเลย ในความเป็นจริง อิเล็กตรอนทุกตัวที่หมุนรอบอะตอม ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กของตัวเอง และแต่ละอะตอมจึงมีสนามแม่เหล็กเป็นของตัวเอง ซึ่งก็คือสนามแม่เหล็กทั้งหมด หรือ การซ้อนทับสนามแม่เหล็กของอิเล็กตรอนแต่ละตัว

ตอนนี้เรามาถึงประเด็นหลักแล้ว ในบางอะตอม จำนวนอิเล็กตรอนที่เท่ากันจะหมุนไปในทิศทางที่เป็นไปได้ทั้งหมด และสนามแม่เหล็กของพวกมันจะหักล้างกัน อย่างไรก็ตาม ในอะตอมของธาตุบางชนิด วงโคจรของอิเล็กตรอนสามารถถูกวางทิศทางในลักษณะที่อิเล็กตรอนบางตัวผลิตสนามแม่เหล็กที่ยังคงไม่ได้รับการชดเชยจากสนามของอิเล็กตรอนที่โคจรไปในทิศทางตรงกันข้าม และเมื่อสนามแม่เหล็กที่เกี่ยวข้องกับการหมุนของอิเล็กตรอนในวงโคจรกลายเป็นทิศทางที่เท่ากันในอะตอมทั้งหมดของโครงสร้างผลึกของสารโดยทั่วไปจะสร้างสนามแม่เหล็กที่เสถียรและค่อนข้างแรงรอบตัวมันเอง ชิ้นส่วนใดๆ ของสสารดังกล่าวจะเป็นแม่เหล็กขนาดเล็กที่มีขั้วเหนือและขั้วใต้กำหนดไว้อย่างชัดเจน

มันเป็นพฤติกรรมรวมของแม่เหล็กขนาดเล็กของอะตอมขัดแตะคริสตัลที่กำหนด คุณสมบัติทางแม่เหล็กของสสาร- ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสาร สารจะถูกแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก: เฟอร์โรแมกเนติก, พาราแมกเนติกและ ไดอะแมกเนติกส์นอกจากนี้ยังมีคลาสย่อยสองคลาสที่แยกจากวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกทั่วไป - สารต้านเฟอร์โรแมกเนติกและ เฟอร์ริแมกเนตในทั้งสองกรณี สารเหล่านี้อยู่ในกลุ่มเฟอร์โรแม่เหล็ก แต่มีคุณสมบัติพิเศษที่อุณหภูมิต่ำ: สนามแม่เหล็กของอะตอมข้างเคียงจะเรียงขนานกันอย่างเคร่งครัด แต่ไปในทิศทางตรงกันข้าม แอนติเฟอร์โรแมกเนติกประกอบด้วยอะตอมขององค์ประกอบเดียว และเป็นผลให้สนามแม่เหล็กของพวกมันกลายเป็นศูนย์ เฟอร์ริแมกเนตเป็นโลหะผสมของสารตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป และผลลัพธ์ของการทับซ้อนของสนามแม่เหล็กที่มีทิศทางตรงข้ามกันคือสนามแม่เหล็กขนาดมหึมาที่มีอยู่ในวัสดุโดยรวม

เฟอร์โรแมกเนติกส์

สารและโลหะผสมบางชนิด (โดยส่วนใหญ่เป็นเหล็ก นิกเกิล และโคบอลต์) ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดกูรีจะมีคุณสมบัติในการสร้างโครงตาข่ายคริสตัลในลักษณะที่สนามแม่เหล็กของอะตอมมีทิศทางเดียวและเสริมกำลังซึ่งกันและกัน เนื่องจากสนามแม่เหล็กขนาดมหภาค ฟิลด์ปรากฏอยู่นอกวัสดุ จากวัสดุดังกล่าวที่เราได้รับ แม่เหล็กถาวรในความเป็นจริง การจัดตำแหน่งอะตอมของแม่เหล็กโดยทั่วไปไม่ได้ขยายไปถึงวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกในปริมาตรไม่จำกัด: การทำให้เป็นแม่เหล็กจำกัดอยู่เพียงปริมาตรที่ประกอบด้วยอะตอมตั้งแต่หลายพันอะตอมจนถึงหลายหมื่นอะตอม และปริมาตรของสสารดังกล่าวมักเรียกว่า โดเมน(จากภาษาอังกฤษ โดเมน- "ภูมิภาค") เมื่อเหล็กเย็นตัวลงต่ำกว่าจุดกูรี จะเกิดโดเมนจำนวนมากขึ้น ซึ่งแต่ละโดเมนจะมีทิศทางของสนามแม่เหล็กในลักษณะของตัวเอง ดังนั้นในสถานะปกติ เหล็กแข็งจะไม่ถูกดึงดูดแม้ว่าจะมีโดเมนเกิดขึ้นอยู่ข้างใน ซึ่งแต่ละอันเป็นแม่เหล็กขนาดเล็กสำเร็จรูป อย่างไรก็ตาม ภายใต้อิทธิพลของสภาวะภายนอก (เช่น เมื่อเหล็กหลอมแข็งตัวเมื่อมีสนามแม่เหล็กกำลังแรง) โดเมนต่างๆ จะถูกจัดเรียงในลักษณะที่เป็นระเบียบ และสนามแม่เหล็กของพวกมันจะถูกขยายร่วมกัน จากนั้นเราจะได้แม่เหล็กจริง - วัตถุที่มีสนามแม่เหล็กภายนอกเด่นชัด นั่นคือวิธีการทำงานของพวกเขา แม่เหล็กถาวร

พาราแมกเนติก

ในวัสดุส่วนใหญ่ ไม่มีแรงภายในที่จะปรับทิศทางแม่เหล็กของอะตอม โดเมนจะไม่ก่อตัวขึ้น และสนามแม่เหล็กของแต่ละอะตอมจะถูกสุ่มทิศทาง ด้วยเหตุนี้ สนามของอะตอมแม่เหล็กแต่ละอะตอมจึงถูกยกเลิกร่วมกัน และวัสดุดังกล่าวไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก อย่างไรก็ตาม เมื่อวางวัสดุดังกล่าวไว้ในสนามแม่เหล็กภายนอกที่มีกำลังแรง (เช่น ระหว่างขั้วของแม่เหล็กกำลังแรง) สนามแม่เหล็กของอะตอมจะวางตัวในทิศทางที่สอดคล้องกับทิศทางของสนามแม่เหล็กภายนอก และเราจะสังเกต ผลกระทบ ได้รับสนามแม่เหล็กเมื่อมีวัสดุดังกล่าว วัสดุที่มีคุณสมบัติคล้ายกันเรียกว่าพาราแมกเนติก . อย่างไรก็ตาม การถอดสนามแม่เหล็กภายนอกออกเป็นพาราแมกเนติกทันทีก็คุ้มค่า ล้างอำนาจแม่เหล็กเนื่องจากอะตอมเรียงตัวกันอย่างวุ่นวายอีกครั้ง นั่นคือวัสดุพาราแมกเนติกนั้นมีความสามารถในการ การทำให้เป็นแม่เหล็กชั่วคราว

ไดอะแมกเนติกส์

ในสารที่อะตอมไม่มีโมเมนต์แม่เหล็กของตัวเอง (นั่นคือในที่ที่สนามแม่เหล็กดับอยู่ในตา - ที่ระดับอิเล็กตรอน) แม่เหล็กที่มีลักษณะแตกต่างกันอาจเกิดขึ้นได้ ตามกฎข้อที่สองของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์ เมื่อฟลักซ์ของสนามแม่เหล็กที่ไหลผ่านลูปที่มีกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าในลูปจะขัดขวางการเพิ่มขึ้นของฟลักซ์แม่เหล็ก ผลที่ตามมาคือ ถ้าสารที่ไม่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กในตัวเองถูกนำเข้าไปในสนามแม่เหล็กแรง อิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอมซึ่งเป็นวงจรจุลทรรศน์ที่มีกระแสไฟฟ้า จะเปลี่ยนลักษณะของการเคลื่อนที่ของพวกมันในลักษณะที่ป้องกันไม่ให้เกิด การเพิ่มขึ้นของฟลักซ์แม่เหล็กนั่นคือพวกเขาจะสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเอง มุ่งไปในทิศทางตรงกันข้ามเมื่อเปรียบเทียบกับสนามแม่เหล็กภายนอก วัสดุดังกล่าวมักเรียกว่าไดอะแมกเนติก

เกี่ยวกับคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสสาร สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าคุณสมบัติเหล่านี้ขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าของวงโคจรอิเล็กตรอนของอะตอม แม้ว่าเหล็กจะแตกออกเป็นอะตอมเดี่ยวๆ ก็ตาม ก็ยังคงรักษาคุณสมบัติของเฟอร์โรแมกเนติกไว้ได้ แต่ด้วยการบดเพิ่มเติมคุณจะได้เฉพาะอนุภาคมูลฐานที่ไม่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กของตัวเองและจะไม่สามารถอธิบายธรรมชาติของแม่เหล็กได้อีกต่อไป ดังนั้นคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสารจึงขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าของอนุภาคมูลฐานในองค์ประกอบของอะตอมและการจัดเรียงโดเมนของผลึกโดยเฉพาะ แต่ไม่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของอนุภาคที่มีประจุของโครงสร้างอะตอม

แม้กระทั่งหนึ่งพันปีก่อนการสังเกตปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าครั้งแรก มนุษยชาติก็เริ่มสะสมกันแล้ว ความรู้เกี่ยวกับแม่เหล็ก- และเพียงสี่ร้อยปีที่แล้ว เมื่อการพัฒนาฟิสิกส์ในฐานะวิทยาศาสตร์เพิ่งเริ่มต้นขึ้น นักวิจัยได้แยกคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสสารออกจากคุณสมบัติทางไฟฟ้า และหลังจากนั้นก็เริ่มศึกษาพวกมันอย่างอิสระ นี่คือจุดเริ่มต้นของการเริ่มต้นเชิงทดลองและเชิงทฤษฎี ซึ่งในกลางศตวรรษที่ 19 ได้กลายเป็นรากฐานของ ทฤษฎีไดนามิกของปรากฏการณ์ไฟฟ้าและแม่เหล็ก.

ดูเหมือนว่าคุณสมบัติที่ผิดปกติของแร่เหล็กแม่เหล็กเป็นที่รู้จักตั้งแต่ยุคสำริดในเมโสโปเตเมีย และหลังจากการพัฒนาโลหะวิทยาเหล็กเริ่มขึ้น ผู้คนสังเกตเห็นว่ามันดึงดูดผลิตภัณฑ์เหล็ก นักปรัชญาและนักคณิตศาสตร์ชาวกรีกโบราณ Thales จากเมืองมิเลทัส (640-546 ปีก่อนคริสตกาล) ก็คิดถึงสาเหตุของการดึงดูดนี้เช่นกัน เขาอธิบายความดึงดูดนี้ด้วยภาพเคลื่อนไหวของแร่

นักคิดชาวกรีกจินตนาการว่าไอระเหยที่มองไม่เห็นห่อหุ้มแมกนีไทต์และเหล็กอย่างไร และคู่เหล่านี้ดึงดูดสสารซึ่งกันและกันได้อย่างไร คำ "แม่เหล็ก"อาจมาจากชื่อเมือง Magnesia-y-Sipila ในเอเชียไมเนอร์ ซึ่งอยู่ไม่ไกลจากที่ที่มีแม่เหล็กวางอยู่ ตำนานหนึ่งเล่าว่า Magnis คนเลี้ยงแกะพบว่าตัวเองอยู่กับแกะข้างก้อนหิน ซึ่งดึงดูดปลายเหล็กของไม้เท้าและรองเท้าบู๊ตของเขา

บทความจีนโบราณ "บันทึกฤดูใบไม้ผลิและฤดูใบไม้ร่วงของอาจารย์หลิว" (240 ปีก่อนคริสตกาล) กล่าวถึงคุณสมบัติของแมกนีไทต์ในการดึงดูดเหล็ก หนึ่งร้อยปีต่อมา ชาวจีนตั้งข้อสังเกตว่าแมกนีไทต์ไม่ดึงดูดทองแดงหรือเซรามิก ในศตวรรษที่ 7 และ 8 พวกเขาสังเกตเห็นว่าเข็มเหล็กที่มีแม่เหล็กเมื่อแขวนไว้อย่างอิสระจะหันไปทางดาวเหนือ

ดังนั้นในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 11 จีนจึงเริ่มผลิตเข็มทิศทางทะเลซึ่งกะลาสีเรือชาวยุโรปเชี่ยวชาญหลังจากจีนเพียงร้อยปีเท่านั้น จากนั้นชาวจีนได้ค้นพบความสามารถของเข็มแม่เหล็กในการเบี่ยงเบนไปในทิศทางตะวันออกของภาคเหนือและด้วยเหตุนี้จึงค้นพบการเสื่อมของแม่เหล็กต่อหน้านักเดินเรือชาวยุโรปซึ่งได้ข้อสรุปเดียวกันทุกประการเฉพาะในศตวรรษที่ 15 เท่านั้น

ในยุโรป คนแรกที่อธิบายคุณสมบัติของแม่เหล็กธรรมชาติคือนักปรัชญาชาวฝรั่งเศส ปิแอร์ เดอ มาริคอร์ต ซึ่งในปี 1269 รับราชการในกองทัพของกษัตริย์ชาร์ลส์แห่งอองชูแห่งซิซิลี ในระหว่างการปิดล้อมเมืองแห่งหนึ่งในอิตาลี เขาได้ส่งเอกสารให้เพื่อนคนหนึ่งในเมือง Picardy ซึ่งลงไปในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ภายใต้ชื่อ "Letter on the Magnet" ซึ่งเขาพูดถึงการทดลองของเขากับแร่เหล็กแม่เหล็ก

Maricourt ตั้งข้อสังเกตว่าในแมกนีไทต์ใดๆ มีสองบริเวณที่ดึงดูดเหล็กเป็นพิเศษ เขาสังเกตเห็นความคล้ายคลึงนี้กับขั้วของทรงกลมท้องฟ้า เขาจึงยืมชื่อพวกมันเพื่อกำหนดพื้นที่ที่มีแรงแม่เหล็กสูงสุด จากที่นั่นมีประเพณีเรียกขั้วแม่เหล็กว่าขั้วแม่เหล็กใต้และขั้วเหนือ

Maricourt เขียนไว้ว่าหากคุณหักแมกนีไทต์ออกเป็นสองส่วน แต่ละส่วนก็จะมีขั้วของมันเอง

Maricourt เป็นคนแรกที่เชื่อมโยงผลของแรงผลักและแรงดึงดูดของขั้วแม่เหล็กกับอันตรกิริยาของขั้วตรงข้าม (ใต้และเหนือ) หรือขั้วที่คล้ายกัน Maricourt ได้รับการพิจารณาอย่างถูกต้องว่าเป็นผู้บุกเบิกโรงเรียนวิทยาศาสตร์เชิงทดลองของยุโรป บันทึกของเขาเกี่ยวกับแม่เหล็กได้รับการทำซ้ำหลายสิบชุด และเมื่อมีการพิมพ์ออกมา พวกเขาจึงได้รับการตีพิมพ์ในรูปแบบของโบรชัวร์ พวกเขาถูกอ้างโดยนักธรรมชาติวิทยาผู้รอบรู้หลายคนจนกระทั่งศตวรรษที่ 17

นักธรรมชาติวิทยาชาวอังกฤษ นักวิทยาศาสตร์ และแพทย์ William Gilbert ก็คุ้นเคยกับงานของ Marikura เป็นอย่างดี ในปี 1600 เขาได้ตีพิมพ์ผลงานเรื่อง "On the Magnet, Magnetic Bodies and the Great Magnet - the Earth" ในงานนี้ กิลเบิร์ตให้ข้อมูลทั้งหมดที่ทราบในเวลานั้นเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุแม่เหล็กธรรมชาติและเหล็กแม่เหล็ก และยังบรรยายการทดลองของเขาเองกับลูกบอลแม่เหล็กซึ่งเขาได้สร้างแบบจำลองแม่เหล็กโลกขึ้นมาใหม่

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เขาทดลองว่าที่ขั้วทั้งสองของ "โลกใบเล็ก" เข็มเข็มทิศจะตั้งฉากกับพื้นผิว ที่เส้นศูนย์สูตรจะขนานกัน และที่ละติจูดกลาง เข็มจะเปลี่ยนเป็นตำแหน่งกึ่งกลาง ด้วยวิธีนี้กิลเบิร์ตสามารถจำลองความโน้มเอียงของแม่เหล็กซึ่งเป็นที่รู้จักในยุโรปมานานกว่า 50 ปี (ในปี 1544 ได้รับการอธิบายโดย Georg Hartmann ช่างเครื่องจากนูเรมเบิร์ก)

กิลเบิร์ตยังจำลองการเสื่อมของสนามแม่เหล็กโลก ซึ่งเขาถือว่าไม่ได้เกิดจากพื้นผิวที่เรียบสมบูรณ์แบบของลูกบอล แต่ในระดับดาวเคราะห์ได้อธิบายผลกระทบนี้โดยการดึงดูดระหว่างทวีป เขาค้นพบว่าเหล็กที่ได้รับความร้อนสูงสูญเสียคุณสมบัติทางแม่เหล็กไปอย่างไร และเมื่อเย็นลง เหล็กจะคืนสภาพกลับคืนมา ในที่สุด กิลเบิร์ตเป็นคนแรกที่แยกแยะความแตกต่างอย่างชัดเจนระหว่างแรงดึงดูดของแม่เหล็กกับแรงดึงดูดของอำพันที่ถูด้วยขนสัตว์ ซึ่งเขาเรียกว่าแรงไฟฟ้า เป็นผลงานที่สร้างสรรค์อย่างแท้จริงซึ่งได้รับความชื่นชมจากทั้งผู้ร่วมสมัยและลูกหลาน กิลเบิร์ตค้นพบว่ามันถูกต้องที่จะคิดว่าโลกเป็น "แม่เหล็กขนาดใหญ่"

จนกระทั่งต้นศตวรรษที่ 19 ศาสตร์แห่งแม่เหล็กมีความก้าวหน้าน้อยมาก ในปี ค.ศ. 1640 เบเนเดตโต คาสเตลลี ลูกศิษย์ของกาลิเลโอ เชื่อว่าแรงดึงดูดของแมกนีไทต์เกิดจากอนุภาคแม่เหล็กขนาดเล็กมากจำนวนมากที่บรรจุอยู่ในนั้น

ในปี พ.ศ. 2321 Sebald Brugmans ชาวฮอลแลนด์ สังเกตเห็นว่าบิสมัทและพลวงผลักขั้วของเข็มแม่เหล็กได้อย่างไร ซึ่งเป็นตัวอย่างแรกของปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ฟาราเดย์จะเรียกในภายหลัง ไดอะแมกเนติซึม.

Charles-Augustin Coulomb ในปี 1785 ด้วยการวัดที่แม่นยำบนความสมดุลของแรงบิด ได้พิสูจน์ว่าแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างขั้วแม่เหล็กเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างขั้ว - เช่นเดียวกับแรงปฏิสัมพันธ์ของประจุไฟฟ้าอย่างแม่นยำ

ตั้งแต่ปี 1813 นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก เออร์สเตด พยายามอย่างขยันขันแข็งในการทดลองสร้างการเชื่อมโยงระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก ผู้วิจัยใช้เข็มทิศเป็นตัวบ่งชี้ แต่เป็นเวลานานที่เขาไม่สามารถบรรลุเป้าหมายได้เพราะเขาคาดว่าแรงแม่เหล็กจะขนานกับกระแสและวางสายไฟฟ้าไว้ที่มุมขวากับเข็มเข็มทิศ ลูกศรไม่ตอบสนองต่อการเกิดกระแสแต่อย่างใด

ในฤดูใบไม้ผลิปี 1820 ในระหว่างการบรรยายครั้งหนึ่ง เออร์สเตดดึงลวดขนานกับลูกศร และไม่ชัดเจนว่าอะไรทำให้เขาเกิดแนวคิดนี้ แล้วลูกศรก็เหวี่ยงไป ด้วยเหตุผลบางประการ เออร์สเตดจึงหยุดการทดลองของเขาเป็นเวลาหลายเดือน หลังจากนั้นเขาก็กลับมาหาพวกเขาอีกครั้งและตระหนักว่า “ผลทางแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้าพุ่งไปตามวงกลมรอบๆ กระแสนี้”

ข้อสรุปนี้ขัดแย้งกัน เนื่องจากแรงหมุนรอบตัวก่อนหน้านี้ไม่เคยปรากฏชัดทั้งในกลศาสตร์หรือที่อื่นใดในฟิสิกส์ เออร์สเตดเขียนบทความโดยสรุปข้อสรุปของเขา และไม่เคยศึกษาแม่เหล็กไฟฟ้าอีกเลย

ในฤดูใบไม้ร่วงของปีเดียวกัน Andre-Marie Ampère ชาวฝรั่งเศสเริ่มทำการทดลอง ก่อนอื่น ทำซ้ำและยืนยันผลลัพธ์และข้อสรุปของ Oersted ในช่วงต้นเดือนตุลาคมเขาค้นพบแรงดึงดูดของตัวนำหากกระแสในนั้นอยู่ในทิศทางเดียวกัน และแรงผลักหากกระแสตรงกันข้าม

แอมแปร์ยังได้ศึกษาอันตรกิริยาระหว่างตัวนำที่ไม่ขนานกับกระแสไฟฟ้า หลังจากนั้นเขาได้อธิบายมันด้วยสูตรที่ต่อมาตั้งชื่อว่า กฎของแอมแปร์นักวิทยาศาสตร์ยังแสดงให้เห็นว่าลวดขดที่มีกระแสหมุนภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กเช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นกับเข็มเข็มทิศ

ในที่สุด เขาได้เสนอสมมติฐานเกี่ยวกับกระแสโมเลกุล โดยมีกระแสวงกลมขนาดเล็กมากที่ต่อเนื่องกันขนานกันภายในวัสดุแม่เหล็ก ซึ่งทำให้เกิดการกระทำทางแม่เหล็กของวัสดุ

ในเวลาเดียวกัน Biot และ Savard ร่วมกันพัฒนาสูตรทางคณิตศาสตร์ที่ช่วยให้สามารถคำนวณความเข้มของสนามแม่เหล็กกระแสตรงได้

ดังนั้นในปลายปี พ.ศ. 2364 ไมเคิล ฟาราเดย์ ซึ่งทำงานในลอนดอนอยู่แล้ว ได้สร้างอุปกรณ์ที่ตัวนำกระแสไฟหมุนรอบแม่เหล็ก และแม่เหล็กอีกอันหมุนรอบตัวนำอีกตัวหนึ่ง

ฟาราเดย์แนะนำว่าทั้งแม่เหล็กและลวดถูกห่อหุ้มด้วยเส้นแรงที่มีศูนย์กลางร่วมกัน ซึ่งเป็นตัวกำหนดการกระทำทางกลของพวกมัน

เมื่อเวลาผ่านไป ฟาราเดย์เริ่มมั่นใจในความเป็นจริงทางกายภาพของเส้นแรงแม่เหล็ก ในช่วงปลายทศวรรษที่ 1830 นักวิทยาศาสตร์ตระหนักดีอยู่แล้วว่าพลังงานของทั้งแม่เหล็กถาวรและตัวนำกระแสไฟถูกกระจายไปในพื้นที่รอบๆ ซึ่งเต็มไปด้วยเส้นแรงแม่เหล็ก ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2374 นักวิจัยได้ สามารถบังคับแม่เหล็กให้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้

อุปกรณ์ประกอบด้วยวงแหวนเหล็กที่มีขดลวดตรงข้ามกันสองอัน ขดลวดแรกสามารถเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ไฟฟ้า และขดลวดที่สองเชื่อมต่อกับตัวนำที่อยู่เหนือเข็มของเข็มทิศแม่เหล็ก เมื่อกระแสตรงไหลผ่านลวดของขดลวดแรกเข็มจะไม่เปลี่ยนตำแหน่ง แต่เริ่มแกว่งในขณะที่ปิดและเปิด

ฟาราเดย์ได้ข้อสรุปว่าในช่วงเวลาเหล่านี้แรงกระตุ้นทางไฟฟ้าเกิดขึ้นในเส้นลวดของขดลวดที่สองซึ่งเกี่ยวข้องกับการหายไปหรือลักษณะของเส้นแรงแม่เหล็ก เขาได้ค้นพบว่า สาเหตุของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นคือการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก

ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2400 ฟาราเดย์เขียนจดหมายถึงศาสตราจารย์แมกซ์เวลล์ในสกอตแลนด์โดยขอให้เขาให้ความรู้เกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปแบบทางคณิตศาสตร์ แม็กซ์เวลล์ปฏิบัติตามคำขอ แนวคิดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าพบสถานที่ในปี พ.ศ. 2407 ในบันทึกความทรงจำของเขา

แม็กซ์เวลล์แนะนำคำว่า "สนาม" เพื่อกำหนดส่วนของอวกาศที่ล้อมรอบและมีวัตถุที่อยู่ในสถานะแม่เหล็กหรือไฟฟ้า และเขาเน้นเป็นพิเศษว่าพื้นที่นี้สามารถว่างเปล่าและเต็มไปด้วยสสารทุกประเภทและสนาม จะยังมีสถานที่

ในปี พ.ศ. 2416 แม็กซ์เวลล์ได้ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็ก โดยเขาได้นำเสนอระบบสมการที่รวมปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าเข้าด้วยกัน เขาตั้งชื่อสมการทั่วไปของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแก่พวกเขา และจนถึงทุกวันนี้ สมการเหล่านี้ถูกเรียกว่าสมการของแมกซ์เวลล์ ตามทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ แม่เหล็กเป็นปฏิกิริยาพิเศษระหว่างกระแสไฟฟ้า- นี่คือรากฐานที่สร้างงานทางทฤษฎีและการทดลองทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับแม่เหล็ก