Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Dzieci uwielbiają bawić się magnesami. Zauważyli, że można nimi przenosić małe stalowe przedmioty. Co ciekawe, można to zrobić zdalnie, bez dotykania obiektów. A więc: szpilki, gwoździe, spinacze w tajemniczy sposób poruszają się po stole, a my sterujemy wszystkim za pomocą magnesu przeniesionego pod blat.
Dobrze wiadomo również, że rozrzucone opiłki żelaza będą leżeć w pobliżu magnesu wzdłuż linii indukcji magnetycznej (Rys. 1.).
Ryż. 1. Pole magnetyczne wokół magnesu sztabkowego przedstawiające opiłki żelaza.
Na magnesie można zawiesić pionowy „łańcuszek”, jak pokazano na poniższym zdjęciu (rys. 2.). Chociaż metalowe części nie są ze sobą połączone, są trzymane razem. Czy taka sztuczka zadziałałaby bez obecności magnesu?
Ryż. 2. Łańcuch składający się z dwóch spinaczy różnej wielkości i szpilki wisi z powodu obecności magnesu. Dotyczy to jednak tylko większego spinacza do papieru.
W rezultacie jasne jest, że dwa magnesy mogą zarówno się przyciągać, jak i odpychać, w zależności od ich względnego położenia.
Ten artykuł wyjaśni te tajemnice - tajemnicze zachowanie magnesu i stalowych przedmiotów w jego pobliżu. Wyjaśnione zostanie również samo zjawisko ferromagnetyzmu, tj. bardzo silne wzmocnienie pola magnetycznego np. żelazem.
Co to jest ferromagnetyzm?
Zacznijmy od tego, czym jest ferromagnetyzm. Jest to zjawisko fizyczne, które polega na kolosalnym wzroście pola magnetycznego poprzez umieszczenie w tym polu odpowiedniej substancji - ferromagnesu.Indukcję pola magnetycznego wytworzonego np. w elektromagnesie można zwiększyć setki tysięcy razy, jeśli w elektromagnesie zostanie umieszczony odpowiedni rdzeń.
Jak zachowują się obiekty obdarzone momentem magnetycznym w polu magnetycznym?
Aby zrozumieć mechanizm ferromagnetyzmu, musimy najpierw wprowadzić pojęcie momentu magnetycznego.
Pamiętaj, jak działa silnik prądu stałego i jak działa. Mówiąc najprościej, jest to rama z prądem elektrycznym umieszczonym w jednorodnym polu magnetycznym (rys. 3a.). Taka ramka umieszczona pod dowolnym kątem będzie się obracać wokół osi wskazanej na rysunku.
Ryż. 3a. Siły działające na prostokątną ramę z prądem elektrycznym umieszczonym w polu magnetycznym
To lepiej widać na ryc. 3b., gdy oś obrotu jest prostopadła do płaszczyzny figury.
Ryż. 3b. Schematyczne przedstawienie dwóch wektorów siły elektrodynamicznej. Każda siła działa na jedną stronę ramy, powodując jej obrót w polu magnetycznym.
Rama obróci się do pozycji, w której linie indukcji magnetycznej będą prostopadłe do płaszczyzny ramy. Jest to stała pozycja równowagi ramy. Gdyby w układzie nie było tłumienia, rama oscylowałaby wokół tej pozycji w nieskończoność.
Okazuje się, że dowolny obwód z prądem elektrycznym, gdy jest swobodny, wiruje w polu magnetycznym aż do położenia równowagi. Wielkość momentu siły działającego na taki obwód jest wprost proporcjonalna (między innymi) do pola powierzchni S zajmowanego przez obwód i płynącego w nim prądu elektrycznego I. Można wykazać, że ten moment siły opisuje wzór wyrażenie:
M=μB ,
gdzie μ to magnetyczny moment dipolowy, określony dla pętli z prądem elektrycznym jako: μ=IS. Wektor S jest prostopadły do powierzchni objętej pętlą i zgodnie z obiegową wiedzą jego kierunek wskazuje kciuk prawej ręki, po złożeniu palce wskażą kierunek prądu elektrycznego płynącego w pętli.(Rys. 4.).
Ryż. 4. Dipolowy moment magnetyczny utworzony przez prąd elektryczny o sile I, obejmujący obszar o powierzchni S
Innym (oprócz ramki z prądem elektrycznym w polu magnetycznym) przykładem obiektu obracającego się w polu magnetycznym (w tym przypadku ziemskim) jest igła kompasu. Z tego możemy wywnioskować, że jest obdarzony momentem magnetycznym. Najwyraźniej następuje ruch ładunków wewnątrz igły magnetycznej. Porozmawiamy o tym w następnej części tego artykułu. Ponadto ważne jest, aby zrozumieć, że każdy obiekt obdarzony momentem magnetycznym sam jest źródłem pola magnetycznego, a wektor indukcji B jest skierowany w tym samym kierunku, co wektor momentu magnetycznego μ (ryc. 5. i 6. ).
Ryż. 5. Obwód kołowy z prądem elektrycznym w postaci dipola magnetycznego (obiekt obdarzony magnetycznym momentem dipolowym)
Ryż. 6. Linie pola magnetycznego wytwarzane przez dipol magnetyczny, przedstawiony tutaj jako mały magnes. Wektor momentu magnetycznego jest skierowany od bieguna S do bieguna N dipola
Teraz możemy łatwo pokazać, że obiekt z momentem magnetycznym jest albo wciągany, albo wypychany z silniejszego pola, w zależności od orientacji momentu magnetycznego μ względem wektora indukcji zewnętrznego pola magnetycznego B0 Najłatwiej to sobie wyobrazić, stosując wiedzę o odpychaniu biegunów jednobiegunowych i przyciąganiu biegunów przeciwnych. Pokazano to na ryc. 7a. i 7b.
Ryż. 7. a) Przyciąganie do silniejszego pola (przyciąganie do magnesu). b) Odpychanie w kierunku słabszego pola (odpychanie od magnesu)
Dlaczego atomy mogą mieć niezerowy moment magnetyczny i skąd on się bierze?
Pojęcie momentu magnetycznego jest kluczowe dla zrozumienia magnetyzmu różnych substancji.Faktem jest, że w atomach – podstawowych elementach budulcowych substancji – mamy do czynienia z ruchem elektronów, który można uznać za swego rodzaju „prąd atomowy”. Dlatego atom może być wyposażony w moment magnetyczny. Właściwy opis atomowego momentu magnetycznego można znaleźć jedynie w fizyce kwantowej. Model atomu jako pętli z prądem powinien nam wystarczyć.
Wyobrażamy sobie każdą substancję jako zbiór momentów magnetycznych. W przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego (B0) momenty magnetyczne poszczególnych atomów układają się losowo – ich wynikowy (całkowity) moment magnetyczny wynosi zero (Rys. 8a.).
Ryż. 8a. Losowy układ momentów magnetycznych przy braku zewnętrznego pola magnetycznego: B0=0
Ryż. 8b. Skorelowany układ momentów magnetycznych w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Tutaj wektor B0 jest skierowany w prawo.
Jeśli jednak wprowadzimy materię do zewnętrznego niezerowego pola magnetycznego o indukcji B0, wtedy wszystko będzie inaczej. Momenty magnetyczne będą się obracać, aby wyrównać się z wektorem indukcji B0 - to jest ich położenie równowagi (Rys. 8b.). Czynnikiem, który znacznie komplikuje to uporządkowanie, są ruchy termiczne atomów.
Atomy w ciele stałym oscylują wokół swoich położeń równowagi, zderzają się z sąsiednimi atomami, ze swobodnymi elektronami. na ryc. 6b przedstawiliśmy opisywane zjawisko w wersji przerysowanej. Takie uporządkowanie momentów magnetycznych byłoby możliwe w bardzo silnym zewnętrznym polu magnetycznym iw bardzo niskiej temperaturze. Jednak całkowity moment magnetyczny wszystkich atomów nie będzie już równy zeru - materia zostanie namagnesowana, co oznacza, że sama stanie się dipolem magnetycznym. W związku z tym będzie reagował na pole magnetyczne, dzięki czemu np. cała próbka może zostać wciągnięta w obszar silniejszego pola.
Jest to ogólny mechanizm namagnesowania substancji w przypadku paramagnetyzmu i ferromagnetyzmu.
Jeśli np. weźmiemy próbkę aluminium i umieścimy ją w zewnętrznym polu magnetycznym, to wartość indukcji magnetycznej wzrośnie o μrrazy. Współczynnik ten nazywany jest względną przenikalnością magnetyczną substancji. Dla aluminium μrjest dobrym przybliżeniem 1,00002. Wynika z tego, że pole magnetyczne powstałe pod wpływem pola zewnętrznego w wyniku „uporządkowania” momentów magnetycznych jest znikome. Zauważmy, że pole B składa się z pola zewnętrznego B0oraz pola Bswygenerowanego w substancji. Wszystkie te wektory indukcyjne mają ten sam kierunek i powrót, więc B=B0+ Bs=μrB0 , zatem:
Bs=(μr- 1 )B0=0, 00002B0 .
Takie małe pole magnetyczne powstanie w aluminium (paramagnetyku). Jeśli jednak weźmiemy próbkę stali, wówczas pole magnetyczne może zostać wzmocnione na przykład 10 000 razy. Dlaczego istnieje taka różnica między zachowaniem paramagnesu i ferromagnesu? Okazuje się, że to kwestia temperatury.Każdy ferromagnes podgrzany powyżej określonej temperatury, tzw. temperatury Curie, staje się paramagnesem. Typowa temperatura otoczenia jest niższa od temperatury Curie stali, ale wyższa od temperatury Curie aluminium.
Literatura używana
- Irodov I.E. Elektromagnetyzm. Podstawowe prawa. - 3. wyd. M, St.Petersburg: Basic Knowledge Laboratory, 2000. - 352 s.
- Landsberg G.S. Podstawowy podręcznik fizyki: Podręcznik. W 3 tomach. / Pod redakcją GS Landsberg: TP elektryczność i magnetyzm. - 11 wyd. - M.: Nauka, Fizmatlit, 1995. - lata 480.