Магнетизм основні поняття. Основні формули з фізики - електрика та магнетизм. Магнітний потік. Електромагнітна індукція

Взаємодія.

Магнітна взаємодія між залізом і магнітом або між магнітами відбувається не тільки при безпосередньому їхньому зіткненні, а й на відстані. Зі збільшенням відстані сила взаємодії зменшується, і за досить великій відстані вона перестає бути помітною. Отже, властивості частини простору поблизу магніту відрізняються від властивостей тієї частини простору, де не виявляються магнітні сили. У просторі, де проявляються магнітні сили, є магнітне поле.

Якщо магнітну стрілку внести в магнітне поле, то вона встановиться цілком певним чином, причому в різних місцях поля встановлюватиметься по-різному.

У 1905 році Поль Ланжевен на основі теореми Лармора та електронної теорії Лоренца розвинув класичне трактування теорії діа-і парамагнетизму.

Природні та штучні магніти

Магнетит (магнітний залізняк) - камінь, що притягує залізо, був описаний ще давніми вченими. Він є так званий природний магніт, що зустрічається в природі досить часто. Це широко поширений мінерал складу: 31% FeO та 69% Fe2O3, що містить 72,4% заліза.

Якщо вирізати з такого матеріалу смужку і підвісити її на нитку, то вона встановлюватиметься в просторі певним чином: уздовж прямої, що проходить з півночі на південь. Якщо вивести смужку з цього стану, тобто відхилити від напрямку, в якому вона знаходилася, а потім знову надати самій собі, то смужка, здійснивши кілька коливань, займе колишнє положення, встановившись у напрямку з півночі на південь.

Якщо занурити цю смужку в металеву тирсу, то вони притягнуться до смужки не скрізь однаково. Найбільша сила тяжіння буде на кінцях смужки, які були звернені на північ та південь.

Ці місця смужки, у яких виявляється найбільша сила тяжіння, звуться магнітних полюсів. Полюс, спрямований на північ, отримав назву північного полюса магніту (або позитивного) та позначається буквою N (або С); полюс, спрямований на південь», отримав назву південного полюса (або негативного) і позначається буквою S (або Ю). Взаємодія полюсів магніту можна вивчити в такий спосіб. Візьмемо дві смужки з магнетиту і одну з них підвісимо на нитки, як уже зазначалося вище. Тримаючи другу смужку в руці, підноситимемо її до першої різними полюсами.

Виявиться, що якщо до північного полюса однієї смужки наближати південний полюс іншої, то виникнуть сили тяжіння між полюсами, і підвішена на нитці смужка притягнеться. Якщо до північного полюса підвішеної смужки піднести другу смужку також північним полюсом, то підвішена смужка відштовхуватиметься.

Проводячи такі досліди, можна переконатися у справедливості встановленої Гільбертом закономірності про взаємодію магнітних полюсів: однойменні полюси відштовхуються, притягуються різноіменні.

Якби ми захотіли розділити магніт навпіл, щоб відокремити північний магнітний полюс від південного, то виявляється, нам не вдалося б зробити цього. Розрізавши магніт навпіл, ми отримаємо два магніти, причому кожен із двома полюсами. Якби ми продовжували цей процес і далі, то, як показує досвід, нам ніколи не вдасться отримати магніт з одним полюсом. Цей досвід переконує нас, що полюси, магніту не існують окремо, як окремо існують негативні і позитивні електричні заряди. Отже, і елементарні носії магнетизму, або, як їх називають, елементарні магнітики, також повинні мати два полюси.

Описані вище природні магніти в даний час практично не використовуються. Набагато сильнішими і зручнішими виявляються штучні постійні магніти. Постійний штучний магніт найпростіше виготовити із сталевої смужки, якщо натирати її від центру до кінців протилежними полюсами природних чи інших штучних магнітів. Магніти, що мають форму смужки, звуться смугових магнітів. Часто зручніше буває користуватися магнітом, що нагадує за формою підкову. Такий магніт зветься підковоподібним магнітом.

Штучні магніти зазвичай виготовляються так, що на їхніх кінцях створюються протилежні магнітні полюси. Однак, це зовсім не обов'язково. Можна виготовити такий магніт, у якого обидва кінці будуть мати той самий полюс, наприклад, північний. Виготовити такий магніт можна, натираючи від середини до кінців сталеву смужку однаковими полюсами.

Однак північний та південний полюси і у такого магніту невіддільні. Дійсно, якщо його занурити в тирсу, то вони сильно притягнуться не тільки по краях магніту, але і до його середини. Легко перевірити, що на краях розташовані північні полюси, а південний – посередині.

Магнітні властивості. Класи речовин

Саме сукупна поведінка таких міні-магнітів атомів кристалічних ґрат і визначає магнітні властивості речовини. За своїми магнітними властивостями речовини поділяються на три основні класи: феромагнетики, парамагнетикиі діамагнетики. Є також два відокремлені підкласи матеріалів, виділених із загального класу феромагнетиків. антиферомагнетикиі феримагнетики. В обох випадках ці речовини відносяться до класу феромагнетиків, але мають особливі властивості при низьких температурах: магнітні поля сусідніх атомів вишиковуються строго паралельно, але в протилежних напрямках. Антиферомагнетики складаються з атомів одного елемента і, як наслідок, їхнє магнітне поле стає рівним нулю. Ферримагнетики є сплавом двох і більше речовин, і результатом суперпозиції протилежно спрямованих полів стає макроскопічне магнітне поле, властиве матеріалу в цілому.

Феромагнетики

Деякі речовини та сплави (передусім слід зазначити залізо, нікель і кобальт) при температурі нижче точки Кюрінабувають властивість вибудовувати свою кристалічну решітку таким чином, що магнітні поля атомів виявляються односпрямованими та посилюють один одного, завдяки чому виникає макроскопічне магнітне поле за межами матеріалу. З таких матеріалів виходять вищезгадані постійні магніти. Насправді магнітне вирівнювання атомів зазвичай не поширюється на необмежений обсяг феромагнітного матеріалу: намагнічування обмежується обсягом, що містить від кількох тисяч до кількох десятків тисяч атомів, і такий обсяг речовини прийнято називати доменом(Від англійської domain - «область»). При охолодженні заліза нижче точки Кюрі формується безліч доменів, у кожному їх магнітне полі спрямоване по-своєму. Тому в звичайному стані тверде залізо не намагнічене, хоча всередині нього утворені домени, кожен з яких є готовим міні-магнітом. Однак під впливом зовнішніх умов (наприклад, при застиганні виплавленого заліза у присутності потужного магнітного поля) домени вибудовуються впорядковано та їх магнітні поля взаємно посилюються. Тоді ми отримуємо справжній магніт - тіло, що має яскраво виражене зовнішні магнітне поле. Саме так улаштовані постійні магніти.

Парамагнетики

У більшості матеріалів внутрішні сили вирівнювання магнітної орієнтації атомів відсутні, домени не утворюються і магнітні поля окремих атомів спрямовані випадковим чином. Через це поля окремих атомів-магнітів взаємно гасяться, і зовнішнього магнітного поля такі матеріали не мають. Однак при поміщенні такого матеріалу в сильне зовнішнє поле (наприклад, між полюсами потужного магніту) магнітні поля атомів орієнтуються в напрямку, що збігається з напрямом зовнішнього магнітного поля, і ми спостерігаємо ефект посилення магнітного поля у присутності такого матеріалу. Матеріали, що мають подібні властивості, називаються парамагнетиками. Варто, однак, прибрати зовнішнє магнітне поле, як парамагнетик відразу розмагнічується, оскільки атоми знову вишиковуються хаотично. Тобто парамагнетики характеризуються здатністю до тимчасового намагнічування.

Діамагнетики

У речовинах, атоми яких не мають власний магнітний момент (тобто в таких, де магнітні поля гасяться ще в зародку - на рівні електронів), може виникнути магнетизм іншої природи. Згідно з другим законом електромагнітної індукції Фарадея, зі збільшенням потоку магнітного поля, що проходить через струмопровідний контур, зміна електричного струму в контурі протидіє збільшенню магнітного потоку. Внаслідок цього, якщо речовина, що не володіє власними магнітними властивостями, ввести в сильне магнітне поле, електрони на атомних орбітах, що є мікроскопічними контурами зі струмом, змінять характер свого руху таким чином, щоб перешкодити збільшенню магнітного потоку, тобто створять власне магнітне поле , спрямоване на протилежну проти зовнішнім полем сторону. Такі матеріали прийнято називати діамагнетиками.

Магнетизм у природі

Безліч явищ природи визначається саме магнітними силами. Вони є джерелом багатьох явищ мікросвіту: поведінки атомів, молекул, атомних ядер та елементарних частинок – електронів, протонів, нейтронів та ін. Крім того, магнітні явища характерні і для величезних небесних тіл: Сонце та Земля – це величезні магніти. Половина енергії електромагнітних хвиль (радіохвиль, інфрачервоного, видимого та ультрафіолетового випромінювання, рентгенових та гамма-променів) є магнітною. Магнітне поле Землі проявляється в ряді явищ і виявляється, зокрема, однією з причин виникнення полярних сяйв.

Немагнітних речовин, у принципі, немає. Будь-яка речовина завжди «магнітно», тобто змінює свої властивості в магнітному полі. Іноді ці зміни зовсім невеликі і виявити їх можна лише за допомогою спеціальної апаратури; іноді вони досить значні і виявляються без особливих зусиль за допомогою дуже простих засобів. До слабомагнітних речовин можна віднести алюміній, мідь, воду, ртуть та інших., до сильномагнітним чи навіть магнітним (за нормальних температур) – залізо, нікель, кобальт, деякі сплави.

Використання магнетизму

Сучасна електротехніка дуже широко використовує магнітні властивості речовини для отримання електричної енергії, для її перетворення на різні види енергії. В апаратах дротяного і бездротового зв'язку, у телебаченні, автоматиці та телемеханіці використовуються матеріали з певними магнітними властивостями. Магнітні явища відіграють істотну роль також у живій природі.

Надзвичайна спільність магнітних явищ, їх величезна практична значимість, природно, призводять до того, що вчення про магнетизм є одним із найважливіших розділів сучасної фізики.

Магнетизм також є невід'ємною частиною комп'ютерного світу: до 2010-х років у світі були дуже поширені магнітні носії інформації (компакт-касети, дискети та ін), проте ще «котуються» магнітооптичні носії (DVD-RAM

Містить теоретичний матеріал у розділі «Магнетизм» дисципліни «Фізика».

Призначений для надання допомоги студентам технічних спеціальностей усіх форм навчання у самостійній роботі, а також при підготовці до вправ, колоквіумів та іспитів.

© Андрєєв А.Д., Чорних Л.М., 2009

 Державний навчальний заклад вищої професійної освіти «Санкт-Петербурзький державний університет телекомунікацій ім. проф. М.А.Бонч-Бруєвича», 2009

ВСТУП

У 1820 р. професор університету в Копенгагені Ганс Христиан Ерстед читав лекції з електрики, гальванізму та магнетизму. Тоді електрикою називали електростатику, гальванізмом називалися явища, викликані постійним струмом, одержуваним від батарей, магнетизм був із відомими властивостями залізних руд, зі стрілкою компаса, з магнітним полем Землі.

У пошуках зв'язку між гальванізмом і магнетизмом Ерстед зробив досвід із пропусканням струму через дріт, підвішений над стрілкою компаса. При включенні струму стрілка відхилялася убік від меридіонального напряму. Якщо змінювався напрямок струму або стрілка поміщалася над струмом, вона відхилялася в інший бік від меридіана.

Відкриття Ерстеда стало потужним стимулом для подальших досліджень та відкриттів. Пройшло трохи часу і Ампер, Фарадей та інші провели повне та точне дослідження магнітної дії електричних струмів. Відкриття Фарадеєм явища електромагнітної індукції відбулося через 12 років після досвіду Ерстеда. На основі цих експериментальних відкриттів було побудовано класичну теорію електромагнетизму. Максвелл надав їй остаточного вигляду і математичної форми, а Герц в 1888 р. блискуче підтвердив, експериментально довівши існування електромагнітних хвиль.

1. МАГНІТНЕ ПОЛЕ У ВАКУУМІ

1.1. Взаємодія струмів. Магнітна індукція

Електричні струми взаємодіють між собою. Як показує досвід, два прямолінійних паралельних провідника, якими течуть струми, притягуються, якщо струми мають однаковий напрям, і відштовхуються, якщо струми протилежні за напрямом (рис. 1). При цьому сила їхньої взаємодії на одиницю довжини провідника прямо пропорційна силі струму в кожному з провідників і обернено пропорційна відстані між ними. Закон взаємодії струмів було встановлено Андре Марі Ампером 1820 р. експериментально.

У металах сумарний заряд позитивно заряджених іонних ґрат і негативно заряджених вільних електронів дорівнює нулю. Заряди розподілені у провіднику рівномірно. Таким чином, електричне поле довкола провідника відсутнє. Саме тому провідники за відсутності струму взаємодіють друг з одним.

Однак за наявності струму (упорядкованого руху вільних носіїв заряду) між провідниками виникає взаємодія, яку називають магнітним.

У сучасній фізиці магнітна взаємодія струмів сприймається як релятивістський ефект, що виникає в системі відліку, щодо якої має місце впорядкований рух зарядів. У цьому посібнику будемо використовувати поняття магнітного поля як властивість простору, що оточує електричний струм. Існування магнітного поля струму проявляється при взаємодії з іншими провідниками зі струмом (закон Ампера), або при взаємодії з зарядженою частинкою, що рухається (сила Лоренца, підрозд. 2.1), або при відхиленні магнітної стрілки, вміщеної поблизу провідника зі струмом (досвід Ерстеда).

Для характеристики магнітного поля струму запровадимо поняття вектора магнітної індукції. Для цього, аналогічно тому, як при визначенні характеристик електростатичного поля використовувалося поняття пробного точкового заряду, при введенні вектора магнітної індукції будемо використовувати пробний контур зі струмом. Нехай це буде плоский замкнутий до онтур довільної форми та малих розмірів. Настільки малих, що у точках місця його розташування магнітне поле вважатимуться однаковим. Орієнтацію контуру в просторі будемо характеризувати вектором нормалі до контуру, пов'язаним з напрямком струму в ньому правилом правого гвинта (буральника): при обертанні ручки свердла в напрямку струму (рис. 2) поступальний рух кінчика свердла визначає напрямок одиничного вектора нормалі до площини контуру.

Х арактеристикою пробного контуру є його магнітний момент, де s- Площа пробного контуру.

Е Якщо помістити пробний контур зі струмом у вибрану точку поруч із прямим струмом, то струми будуть взаємодіяти. При цьому на пробний контур зі струмом діятиме обертальний момент пари сил М(Рис. 3). Величина цього моменту, як показує досвід, залежить від властивостей поля в цій точці (контур малий за розміром) та від властивостей контуру (його магнітного моменту).

На рис. 4, що є перерізом рис. 3 горизонтальною площиною, показано кілька положень пробного контуру зі струмом у магнітному полі прямого струму I. Крапка в гуртку позначає напрямок струму до спостерігача. Хрест позначає напрямок струму за малюнок. Положення 1 відповідає стійкій рівновазі контуру ( М= 0) коли сили розтягують його. Положення 2 відповідає нестійкій рівновазі ( М= 0). У положенні 3 на пробний контур зі струмом діє максимальний момент, що обертає сил. Залежно від орієнтації контуру величина крутного моменту може приймати будь-які значення від нуля до максимального. Як показує досвід, у будь-якій точці , тобто максимальне значення механічного моменту пари сил залежить від величини магнітного моменту пробного контуру і не може бути характеристикою магнітного поля в точці, що досліджується. Відношення максимального механічного моменту пари сил магнітного моменту пробного контуру залежить від останнього і може бути характеристикою магнітного поля. Ця характеристика називається магнітною індукцією (індукцією магнітного поля)

У ведемо її як векторну величину. За напрямок вектора магнітної індукції прийматимемо напрямок магнітного моменту пробного контуру зі струмом, поміщеного в досліджувану точку поля, в положенні стійкої рівноваги (положення 1 на рис. 4). Цей напрямок збігається із напрямком північного кінця магнітної стрілки, поміщеної у цю точку. Зі сказаного випливає, що характеризує силову дію магнітного поля на струм і, отже, є аналогом напруженості поля в електростатиці. Поле вектора можна уявити за допомогою ліній магнітної індукції. У кожній точці лінії вектор направлений щодо до неї. Так як вектор магнітної індукції в будь-якій точці поля має певний напрямок, то і напрямок лінії магнітної індукції - єдиний у кожній точці поля. Отже, лінії магнітної індукції, як і силові лінії електричного поля, не перетинаються. На рис. 5 представлено кілька ліній індукції магнітного поля прямого струму, зображених у площині перпендикулярної струму. Вони мають вигляд замкнутих кіл з центрами на осі струму.

Слід зазначити, що лінії індукції магнітного поля завжди замкнуті. Це характерна риса вихрового поля, у якому потік вектора магнітної індукції через довільну замкнуту поверхню дорівнює нулю (теорема Гауса в магнетизмі).

1.2. Закон Біо-Савара-Лапласа.
Принцип суперпозиції у магнетизмі

Біо і Савар провели 1820 р. дослідження магнітних полів струмів різної форми. Вони встановили, що магнітна індукція завжди пропорційна силі струму, що створює магнітне поле. Лаплас проаналізував експериментальні дані, отримані Біо та Саваром, і виявив, що магнітне поле струму Iбудь-який конфігурації може бути обчислено як векторна сума (суперпозиція) полів, створюваних окремими елементарними ділянками струму.

Д Ліна кожної ділянки струму настільки мала, що його можна вважати прямим відрізком, відстань від якого до точки спостереження набагато більше. Зручно ввести поняття елемента струму, де напрям вектора збігається з напрямком струму I, А його модуль дорівнює (рис. 6).

Для індукції магнітного поля, створюваного елементом струму в точці, що знаходиться на відстані rвід нього (рис. 6), Лаплас вивів формулу, справедливу для вакууму:

. (1.1)

Формула закону Біо-Савара-Лапласа (1.1) написана в системі СІ, в якій постійна називається магнітною постійною.

Вже зазначалося, що у магнетизмі, як й у електриці, має місце принцип суперпозиції полів, т. е. індукція магнітного поля, створюваного системою струмів, у цій точці простору дорівнює векторної сумі індукцій магнітних полів, створюваних у цій точці кожним із струмів окремо :

Н а рис. 7 наведено приклад побудови вектора магнітної індукції в полі двох паралельних та протилежних за напрямом струмів та :

1.3. Застосування закону Біо-Савара-Лапласа.
Магнітне поле прямого струму

Розглянемо відрізок прямого струму. Елемент струму створює магнітне поле, індукція якого у точці А(рис. 8) згідно із законом Біо-Савара-Лапласа знаходиться за формулою:

, (1.3)

Формули електрики та магнетизму. Вивчення основ електродинаміки зазвичай починається з електронного поля у вакуумі. Для обчислення сили взаємодії між двома точними зарядами та обчислення напруженості електричного поля, створеного точковим зарядом, потрібно вміти застосовувати закон Кулона. Для обчислення напруженостей полів, створених протяжними зарядами (зарядженою ниткою, площиною тощо), застосовується теорема Гауса. Для системи електричних зарядів необхідно застосовувати принцип

При вивченні теми "Постійний струм" необхідно розглянути у всіх формах закони Ома і Джоуля-Ленца При вивченні "Магнетизму" необхідно мати на увазі, що магнітне поле породжується зарядами, що рухаються, і діє на заряди, що рухаються. Тут слід звернути увагу до закону Біо-Савара-Лапласа. Особливу увагу слід привернути до себе силу Лоренца і розглянути рух зарядженої частинки в магнітному полі.

Електричні та магнітні явища пов'язані особливою формою існування матерії – електромагнітним полем. Основою теорії електромагнітного поля є теорія Максвелла.

Таблиця основних формул електрики та магнетизму

Фізичні закони, формули, змінні	Формули електрика та магнетизм
Закон Кулону: де q 1 і q 2 - величини точкових зарядів,ԑ 1 - електрична стала; ε - діелектрична проникність ізотропного середовища (для вакууму ε = 1), r – відстань між зарядами.
Напруженість електричного поля: де Ḟ - сила, що діє на заряд q 0 , що знаходиться в цій точці поля.
Напруженість поля з відривом r від джерела поля: 1) точкового заряду 2) нескінченно довгої зарядженої нитки з лінійною щільністю заряду τ: 3) рівномірно зарядженої нескінченної площини з поверхневою щільністю заряду σ: 4) між двома різноіменно зарядженими площинами
Потенціал електричного поля: де W - потенційна енергія заряду q 0 .
Потенціал поля точкового заряду на відстані r від заряду:
За принципом суперпозиції полів, напруженість:
Потенціал: де Ē i і ϕ i- Напруженість і потенціал у цій точці поля, створюваний i-м зарядом.
Робота сил електричного поля переміщення заряду q з точки з потенціаломϕ 1 в точку з потенціаломϕ 2 :
Зв'язок між напруженістю та потенціалом 1) для неоднорідного поля: 2) для однорідного поля:
Електроємність відокремленого провідника:
Електроємність конденсатора:
Електроємність плоского конденсатора: де S - площа пластини (однієї) конденсатора, d – відстань між пластинами.
Енергія зарядженого конденсатора:
Сила струму:
Щільність струму: де S – площа поперечного перерізу провідника.
Опір провідника: l – довжина провідника; S – площа поперечного перерізу.
Закон Ома 1) для однорідної ділянки ланцюга: 2) у диференційній формі: 3) для ділянки ланцюга, що містить ЕРС: Де ε - ЕРС джерела струму, R і r - зовнішній та внутрішній опори ланцюга; 4) для замкнутого ланцюга:
Закон Джоуля-Ленца 1) для однорідної ділянки ланцюга постійного струму: де Q - кількість тепла, що виділяється у провіднику зі струмом, t – час проходження струму; 2) для ділянки ланцюга з струмом, що змінюється з часом:
Потужність струму:
Зв'язок магнітної індукції та напруженості магнітного поля: де B - вектор магнітної індукції, μ √ магнітна проникність ізотропного середовища, (для вакууму μ = 1), µ 0 - магнітна постійна, H – напруженість магнітного поля.
Магнітна індукція(індукція магнітного поля): 1) у центрі кругового струму де R - радіус кругового струму, 2) поля нескінченно довгого прямого струму де r - найкоротша відстань до осі провідника; 3) поля, створеного відрізком провідника зі струмом де ? 1 і ? 2 - кути між відрізком провідника та лінією, що з'єднує кінці відрізка та точкою поля; 4) поля нескінченно довгого соленоїда де n – число витків на одиницю довжини соленоїда.

Завдяки відмінності властивостей на рівні атомно-молекулярної будови всі речовини за своїми магнітними властивостями поділяються на три класи - феромагнетики, парамагнетики та діамагнетики.

Відповідно до закону Ампера, електричний струм виробляє магнітне поле. Електрон, що обертається навколо атома, можна розглядати як циклічний електричний струм дуже малої сили та радіусу. Однак магнітне поле він, і це не дивно, все одно індукує. Фактично ж, всі електрони, обертаючись навколо атомів, виробляють своє магнітне поле, і кожен атом, як наслідок, має власне магнітне поле, яке являє собою сумарне поле, або суперпозиціюмагнітних полів окремих електронів

Тепер ми наближаємося до головного. У деяких атомах рівне число електронів обертається у різних напрямках, та його магнітні поля взаємно гасятся. Однак в атомах деяких елементів орбіти електронів можуть бути орієнтовані таким чином, що частина електронів виробляє магнітні поля, що залишаються некомпенсованими за рахунок електронних полів, що звертаються в протилежному напрямку. І коли такі магнітні поля, пов'язані з обертанням електронів по орбіті, до того ж виявляються однаково спрямованими у всіх атомів кристалічної структури речовини, він загалом створює навколо себе стабільне і досить сильне магнітне поле. Будь-який фрагмент такої речовини є маленьким магнітом з чітко вираженими північним і південним полюсами.

Саме сукупна поведінка таких міні-магнітів атомів кристалічних ґрат і визначає магнітні властивості речовини. За своїми магнітними властивостями речовини поділяються на три основні класи: феромагнетики, парамагнетикиі діамагнетики.Є також два відокремлені підкласи матеріалів, виділених із загального класу феромагнетиків. антиферомагнетикиі феримагнетики.В обох випадках ці речовини відносяться до класу феромагнетиків, але мають особливі властивості при низьких температурах: магнітні поля сусідніх атомів вишиковуються строго паралельно, але в протилежних напрямках. Антиферомагнетики складаються з атомів одного елемента і, як наслідок, їхнє магнітне поле стає рівним нулю. Ферримагнетики є сплавом двох і більше речовин, і результатом суперпозиції протилежно спрямованих полів стає макроскопічне магнітне поле, властиве матеріалу в цілому.

Феромагнетики

Деякі речовини і сплави (насамперед, слід зазначити залізо, нікель і кобальт) при температурі нижче точки Кюрі набувають властивість вибудовувати свою кристалічну решітку таким чином, що магнітні поля атомів виявляються односпрямованими та підсилюють один одного, завдяки чому виникає макроскопічне магнітне поле за межами матеріалу . З таких матеріалів виходять постійні магніти.Насправді магнітне вирівнювання атомів зазвичай не поширюється на необмежений обсяг феромагнітного матеріалу: намагнічуванняобмежується обсягом, що містить від кількох тисяч до кількох десятків тисяч атомів, і такий обсяг речовини прийнято називати доменом(від англійської domain- "Область"). При охолодженні заліза нижче точки Кюрі формується безліч доменів, у кожному їх магнітне полі спрямоване по-своєму. Тому в звичайному стані тверде залізо не намагнічене, хоча всередині нього утворені домени, кожен з яких є готовим міні-магнітом. Однак під впливом зовнішніх умов (наприклад, при застиганні виплавленого заліза у присутності потужного магнітного поля) домени вибудовуються впорядковано та їх магнітні поля взаємно посилюються. Тоді ми отримуємо справжній магніт - тіло, що володіє яскраво вираженим зовнішнім магнітним полем. Саме так влаштовані постійні магніти.

Парамагнетики

У більшості матеріалів внутрішні сили вирівнювання магнітної орієнтації атомів відсутні, домени не утворюються і магнітні поля окремих атомів спрямовані випадковим чином. Через це поля окремих атомів-магнітів взаємно гасяться, і зовнішнього магнітного поля такі матеріали не мають. Однак при поміщенні такого матеріалу в сильне зовнішнє поле (наприклад, між полюсами потужного магніту) магнітні поля атомів орієнтуються в напрямку, що збігається з напрямом зовнішнього магнітного поля, і ми спостерігаємо ефект посиленнямагнітного поля у присутності такого матеріалу. Матеріали, що мають подібні властивості, називаються парамагнетиками. . Варто, проте прибрати зовнішнє магнітне поле, як парамагнетик відразу розмагнічується, оскільки атоми знову вишиковуються хаотично. Тобто, парамагнетики характеризуються здатністю до тимчасове намагнічування.

Діамагнетики

У речовинах, атоми яких не мають власного магнітного моменту (тобто в таких, де магнітні поля гасяться ще в зародку — на рівні електронів), може виникнути магнетизм іншої природи. Згідно з другим законом електромагнітної індукції Фарадея, при збільшенні потоку магнітного поля, що проходить через струмопровідний контур, зміна електричного струму в контурі протидіє збільшенню магнітного потоку. Внаслідок цього, якщо речовина, що не володіє власними магнітними властивостями, ввести в сильне магнітне поле, електрони на атомних орбітах, що є мікроскопічними контурами зі струмом, змінять характер свого руху таким чином, щоб перешкодити збільшенню магнітного потоку, тобто створять власне магнітне поле , спрямоване на протилежну проти зовнішнім полем сторону. Такі матеріали прийнято називати діамагнетиками.

Що стосується магнітних властивостей речовини важливо засвоїти, що залежить від зміни електронних орбіт атомів. Навіть після розбиття на окремі атоми залізо, наприклад, збереже свої феромагнітні властивості. А ось при подальшому дробленні ви отримаєте лише елементарні частинки, які власними магнітними властивостями не мають, і описати природу магнетизму буде вже не можна. Отже, магнітні властивості речовини залежать виключно від зміни елементарних частинок у складі атома та організації кристалічних доменів, але ніяк не від якості заряджених частинок атомної структури.

Ще за тисячу років до перших спостережень електричних явищ людство вже почало накопичувати знання про магнетизм. І лише чотириста років тому, коли становлення фізики як науки тільки почалося, дослідники відокремили магнітні властивості речовин від їх електричних властивостей, і лише після цього почали вивчати їх самостійно. Так було покладено експериментальне та теоретичне початок, що стало до середини 19 століття фундаментом. діної теорії електричних та магнітних явищ.

Схоже, що незвичайні властивості магнітного залізняку були відомі ще в період бронзового віку у Месопотамії. А після початку розвитку залізної металургії люди помітили, що він притягує вироби із заліза. Про причини цього тяжіння замислювався і давньогрецький філософ і математик Фалес із міста Мілет (640-546 рр. до н. е.), він пояснював це тяжіння одухотвореністю мінералу.

Грецькі мислителі уявляли, як невидимі пари огортають магнетит і залізо, як ці пари тягнуть речовини один до одного. Слово "магніт"могло статися він назви міста Магнесії-у-Сіпіла в Малій Азії, неподалік якого залягав магнетит. Одна з легенд розповідає, що пастух Магніс якось виявився зі своїми вівцями поряд зі скелею, яка притягла до себе залізний наконечник його палиці та чоботи.

У давньокитайському трактаті «Весняні та осінні записи майстра Лю» (240 р. е.) згадується властивість магнетиту притягувати себе залізо. За сто років китайці зазначили, що магнетит не притягує ні мідь, ні кераміку. У 7-8 століттях вони помітили, що намагнічена залізна голка, будучи вільно підвішена, повертається до Полярної зірки.

Так, до другої половини 11 століття в Китаї почали виготовляти морські компаси, які європейські мореплавці освоїли лише через сто років після китайців. Тоді китайці вже виявили здатність намагніченої голки відхилятися в напрямку на схід від північного, і відкрили таким чином магнітне відмінювання, випередивши в цьому європейських мореплавців, які прийшли до такого висновку тільки в 15 столітті.

У Європі першим властивості природних магнітів описав філософ із Франції П'єр де Марікур, який у 1269 перебував на службі в армії сицилійського короля Карла Анжуйського. У період облоги одного з італійських міст, він відправив другу до Пікардії документ, який увійшов в історію науки під назвою «Лист про магніт», де розповів про свої експерименти з магнітним залізняком.

Марікур зазначив, що у будь-якому шматку магнетиту є дві області, які особливо сильно притягують до себе залізо. Він помітив у цьому подібність із полюсами небесної сфери, тому запозичив їх назви для позначення областей максимуму магнітної сили. Звідти й пішла традиція називати полюси магнітів південним та північним магнітними полюсами.

Марікур писав, що якщо розбити будь-який шматок магнетиту на дві частини, то в кожному уламку з'являться власні полюси.

Марікур вперше пов'язав ефект відштовхування та тяжіння магнітних полюсів із взаємодією різноіменних (південного та північного), або однойменних полюсів. Марікур по праву вважається піонером європейської експериментальної наукової школи, його нотатки про магнетизм відтворювалися в десятках списків, а з появою друкарства видавалися у формі брошури. Їх цитували багато вчених натуралісти аж до 17 століття.

Насилу Марікура був добре знайомий і англійський дослідник, вчений і лікар Вільям Гільберт. У 1600 році він опублікував працю «Про магніт, магнітні тіла і великий магніт - Землю». У цій праці Гільберт навів усі відомі на той момент відомості про властивості природних магнітних матеріалів та намагніченого заліза, а також описав свої власні досліди з магнітною кулею, у яких відтворив модель земного магнетизму.

Зокрема, він досвідченим шляхом встановив, що на обох полюсах «маленької Землі» стрілка компаса повертається перпендикулярно її поверхні, у екватора встановлюється паралельно, а на середніх широтах - повертається в проміжне положення. Таким чином Гільберту вдалося змоделювати магнітний спосіб, про який у Європі знали понад 50 років (у 1544 році його описав Георг Хартман, механік з Нюрнберга).

Гільберт відтворив також геомагнітне відмінювання, яке він приписав не ідеально гладкій поверхні кулі, а в масштабі планети пояснив цей ефект тяжінням між континентами. Він виявив, як сильно розігріте залізо втрачає свої магнітні властивості, а при охолодженні – відновлює їх. Нарешті, Гільберт першим чітко розрізнив тяжіння магніту та тяжіння бурштину, натертого вовною, яке назвав електричною силою. Це була справді новаторська праця, оцінена як сучасниками, і нащадками. Гільберт відкрив, що Землю буде правильним вважати "великим магнітом".

До початку ХІХ століття наука про магнетизм просунулася дуже небагато. В 1640 Бенедетто Кастеллі, учень Галілея, пояснив тяжіння магнетиту безліччю дуже маленьких магнітних частинок, що входять до його складу.

У 1778 році Себальд Бругманс, уродженець Голландії, помітив, як вісмут і сурма відштовхували полюси магнітної стрілки, що стало першим прикладом фізичного феномену, який пізніше Фарадей назве діамагнетизмом.

Шарль-Огюстен Кулон у 1785 році, за допомогою точних вимірювань на крутильних вагах, довів, що сила взаємодії магнітних полюсів між собою обернено пропорційна квадрату відстані між полюсами - так само точно, як і сила взаємодії електричних зарядів.

З 1813 датський фізик Ерстед старанно намагався експериментально встановити зв'язок електрики з магнетизмом. Як індикатори дослідник використовував компаси, але довго не міг досягти мети, адже він очікував, що магнітна сила паралельна струму, і мав електричний провід під прямим кутом до стрілки компаса. Стрілка не реагувала виникнення струму.

Навесні 1820, під час однієї з лекцій, Ерстед натягнув провід паралельно стрілці, причому не ясно, що привело його до цієї ідеї. І ось стрілка хитнулася. Ерстед чомусь припинив експерименти на кілька місяців, після чого повернувся до них і зрозумів, що «магнітний вплив електричного струму спрямований по колам, що охоплюють цей струм».

Висновок був парадоксальним, адже раніше сили, що обертаються, не проявляли себе ні в механіці, ні де-небудь ще у фізиці. Ерстед написав статтю, де виклав свої висновки, і більше електромагнетизм так і не займався.

Восени того ж року француз Андре-Марі Ампер розпочав досліди. Насамперед повторивши і підтвердивши результати та висновки Ерстеда, на початку жовтня він виявив тяжіння провідників, якщо струми в них спрямовані однаково, і відштовхування, якщо струми протилежні.

Ампер вивчив також взаємодію між непаралельними провідниками зі струмом, після чого описав його формулою, названою пізніше законом Ампера.Вчений показав і те, що згорнуті в спіраль дроти зі струмом повертаються під дією магнітного поля, як це відбувається зі стрілкою компаса.

Нарешті, він висунув гіпотезу про молекулярні струми, згідно з якою всередині намагнічених матеріалів мають місце безперервні мікроскопічні паралельні один одному кругові струми, що спричиняють магнітну дію матеріалів.

У той же час Біо та Савар спільно вивели математичну формулу, що дозволяє обчислювати інтенсивність магнітного поля постійного струму.

І ось, до кінця 1821 Майкл Фарадей, що вже працював у Лондоні, виготовив пристрій, в якому провідник зі струмом обертався навколо магніту, а інший магніт повертався навколо іншого провідника.

Фарадей висунув припущення, що і магніт, і провід огорнуті концентричними силовими лініями, які і зумовлюють їх механічну дію.

Згодом Фарадей переконався у фізичній реальності силових магнітних ліній. До кінця 1830-х учений вже чітко усвідомлював, що енергія як постійних магнітів, так і провідників зі струмом, розподілена в навколишньому просторі, який заповнений силовими магнітними лініями. Торішнього серпня 1831 року досліднику удалося змусити магнетизм виробляти генерацію електричного струму.

Пристрій складався із залізного кільця з розташованими на ньому двома протилежними обмотками. Першу обмотку можна було замикати на електричну батарею, а друга з'єднувалася з провідником, розташованим над стрілкою магнітного компасу. Коли по дроту першої котушки тек постійний струм, стрілка не змінювала свого становища, але починала хитатися в моменти його вимкнення та включення.

Фарадей дійшов висновку, що в ці моменти у дроті другої обмотки виникали електричні імпульси, пов'язані зі зникненням або виникненням магнітних силових ліній. Він зробив відкриття, що причиною електрорушійної сили, що виникає, є зміна магнітного поля.

У листопаді 1857 року Фарадей написав листа в Шотландію професору Максвеллу з проханням надати математичну форму знанням про електромагнетизм. Максвел прохання виконав. Поняття електромагнітного полязнайшло місце у 1864 році у його мемуарах.

Максвел ввів термін «поле» для позначення частини простору, яка оточує і містить тіла, що перебувають у магнітному або електричному стані, причому він особливо підкреслив, що саме цей простір може бути і порожнім і заповненим будь-яким видом матерії, а поле все одно матиме місце.

В 1873 Максвелл видав «Трактат про електрику і магнетизм», де представив систему рівнянь, що поєднують електромагнітні явища. Він дав їм назву загальних рівнянь електромагнітного поля, і досі вони звуться рівняннями Максвелла. За теорією Максвелла магнетизм - це взаємодія особливого роду між електричними струмами. Це фундамент, на якому побудовано всі теоретичні та експериментальні роботи, що належать до магнетизму.