Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!
Děti si rády hrají s magnety. Všimli si, že je lze použít k přemisťování malých ocelových předmětů. Zajímavostí je, že to lze provést na dálku bez dotyku předmětů. Takže: špendlíky, hřebíky, sponky se záhadně pohybují po stole a vše ovládáme pomocí magnetu přeneseného pod desku stolu.
Je také dobře známo, že rozptýlené železné piliny budou ležet blízko magnetu podél magnetické indukční čáry (obr. 1.).
Rýže. 1. Magnetické pole kolem tyčového magnetu zobrazující železné piliny.
Vertikální "řetízek" můžete zavěsit na magnet, jak je znázorněno na fotografii níže (obr. 2.). Přestože kovové části nejsou k sobě připojeny, drží pohromadě. Fungoval by takový trik bez přítomnosti magnetu?
Rýže. 2. Řetízek ze dvou kancelářských sponek různých velikostí a špendlíku visí díky přítomnosti magnetu. To však platí pouze pro větší kancelářskou sponku.
V důsledku toho je jasné, že dva magnety se mohou jak přitahovat, tak odpuzovat, v závislosti na jejich vzájemné poloze.
Tento článek vysvětlí tyto záhady - záhadné chování magnetu a ocelových předmětů v jeho blízkosti. Vysvětlen bude i samotný fenomén feromagnetismu, tzn. velmi silné zesílení magnetického pole např. železem.
Co je feromagnetismus?
Začněme tím, co je feromagnetismus. Jedná se o fyzikální jev, který spočívá v kolosálním nárůstu magnetického pole umístěním vhodné látky do tohoto pole – feromagnetika.Indukce magnetického pole vytvořeného např. v elektromagnetu může být stotisíckrát zvýšena, pokud je do elektromagnetu umístěno vhodné jádro.
Jak se objekty vybavené magnetickým momentem chovají v magnetickém poli?
Abychom pochopili, jaký je mechanismus feromagnetismu, musíme nejprve představit koncept magnetického momentu.
Pamatujte si, jak funguje stejnosměrný motor a jak funguje. Zjednodušeně řečeno se jedná o rám s elektrickým proudem umístěný v rovnoměrném magnetickém poli (obr. 3a.). Takový rám, pokud je umístěn pod jakýmkoli úhlem, se bude otáčet kolem osy naznačené na obrázku.
Rýže. 3a. Síly působící na obdélníkový rám s elektrickým proudem umístěným v magnetickém poli
To je lépe vidět na obr. 3b., když je osa otáčení kolmá k rovině obrázku.
Rýže. 3b. Schematické znázornění dvou vektorů elektrodynamické síly. Každá síla působí na jednu stranu rámu a způsobuje jeho rotaci v magnetickém poli.
Rám se otočí do polohy, kde čáry magnetické indukce budou kolmé k rovině rámu. Toto je konstantní rovnovážná poloha rámu. Pokud by v systému nebylo žádné tlumení, rám by kolem této polohy osciloval donekonečna.
Ukazuje se, že jakýkoli obvod s elektrickým proudem, pokud je volný, se otáčí v magnetickém poli až do rovnovážné polohy. Velikost momentu síly působícího na takový obvod je přímo úměrná (mimo jiné) ploše S, kterou obvod zabírá, a v něm protékajícímu elektrickému proudu I. Lze ukázat, že tento moment síly popisuje tzv. výraz:
M=μB ,
kde μ je magnetický dipólový moment, definovaný pro smyčku s elektrickým proudem jako: μ=IS. Vektor S je kolmý k povrchu pokrytému smyčkou a podle konvenční moudrosti jeho směr ukazuje palec pravé ruky, pokud jsou prsty složené, ukazují směr elektrického proudu protékajícího smyčkou.(obr. 4.).
Rýže. 4. Dipólový magnetický moment vytvořený elektrickým proudem síly I, pokrývající oblast oblasti S
Dalším (kromě rámu s elektrickým proudem v magnetickém poli) příkladem objektu, který rotuje v magnetickém poli (v tomto případě zemském) je střelka kompasu. Z toho můžeme usoudit, že je obdařen magnetickým momentem. Uvnitř magnetické jehly zřejmě dochází k nějakému pohybu nábojů. O tom si povíme v další části tohoto článku. Kromě toho je důležité pochopit, že každý předmět obdařený magnetickým momentem je sám zdrojem magnetického pole a indukční vektor B je nasměrován stejným směrem jako vektor magnetického momentu μ (obr. 5 a 6). ).
Rýže. 5. Kruhový obvod s elektrickým proudem ve formě magnetického dipólu (předmět vybavený magnetickým dipólovým momentem)
Rýže. 6. Magnetické siločáry vytvářené magnetickým dipólem, který je zde znázorněn jako malý magnet. Vektor magnetického momentu směřuje z S k N pólu dipólu
Nyní můžeme snadno ukázat, že objekt s magnetickým momentem je buď vtahován dovnitř nebo vytlačován ze silnějšího pole, v závislosti na orientaci magnetického momentu μ vzhledem k indukčnímu vektoru vnějšího magnetického pole B0 Nejjednodušší způsob, jak si to představit, je aplikovat znalosti o odpuzování unipolárních pólů a přitahování opačných pólů. To je znázorněno na Obr. 7a. a 7b.
Rýže. 7. a) Přitahování k silnějšímu poli (přitahování k magnetu). b) Odpuzování směrem k slabšímu poli (odpuzování magnetem)
Proč mohou mít atomy nenulový magnetický moment a odkud pochází?
Pojem magnetického momentu je zásadní pro pochopení magnetismu různých látek.Faktem je, že v atomech – základních stavebních kamenech látek – máme co do činění s pohybem elektronů, který lze považovat za jakýsi „atomový proud“. Proto může být atom vybaven magnetickým momentem. Správný popis atomového magnetického momentu lze nalézt pouze v kvantové fyzice. Model atomu jako smyčky s elektrickým proudem by nám měl stačit.
Jakoukoli látku si představujeme jako soubor magnetických momentů. V nepřítomnosti vnějšího magnetického pole (B0) jsou magnetické momenty jednotlivých atomů uspořádány náhodně - jejich výsledný (celkový) magnetický moment je nulový (obr. 8a.).
Rýže. 8a. Náhodné uspořádání magnetických momentů v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole: B0=0
Rýže. 8b. Korelované uspořádání magnetických momentů v přítomnosti vnějšího magnetického pole. Zde je vektor B0 nasměrován doprava.
Pokud však zavedeme hmotu do vnějšího nenulového magnetického pole s indukcí B0, pak bude všechno jinak. Magnetické momenty se budou otáčet, aby se vyrovnaly s indukčním vektorem B0 - to je jejich rovnovážná poloha (obr. 8b.). Faktor, který toto uspořádání značně komplikuje, jsou tepelné pohyby atomů.
Atomy v pevné látce oscilují kolem svých rovnovážných poloh, srážejí se se sousedními atomy, s volnými elektrony. Na Obr. 6b jsme popsaný jev uvedli v nadnesené verzi. Takové uspořádání magnetických momentů by bylo možné ve velmi silném vnějším magnetickém poli a při velmi nízké teplotě. Celkový magnetický moment všech atomů však již nebude nulový – hmota se zmagnetizuje, což znamená, že se sama stane magnetickým dipólem. Bude tedy reagovat na magnetické pole, takže např. celý vzorek může být vtažen do oblasti silnějšího pole.
Toto je obecný mechanismus magnetizace látek v případě paramagnetismu a feromagnetismu.
Pokud vezmeme např. vzorek hliníku a umístíme ho do vnějšího magnetického pole, tak se hodnota magnetické indukce zvýší μrkrát. Tento koeficient se nazývá relativní magnetická permeabilita látky. Pro hliník je μrdobrá aproximace 1,00002. Z toho vyplývá, že magnetické pole vzniklé vlivem vnějšího pole v důsledku „uspořádání“ magnetických momentů je zanedbatelné. Všimněte si, že pole B se skládá z vnějšího pole B0a pole Bsvytvořeného v látce. Všechny tyto indukční vektory mají stejný směr a návrat, takže B=B0+ Bs=μrB0 , tedy:
Bs=( μr- 1 )B00=02, 0 B0 .
Takové malé magnetické pole se vytvoří v hliníku (paramagnet). Pokud však odebereme vzorek oceli, pak lze magnetické pole zesílit například 10 000krát. Proč je takový rozdíl mezi chováním paramagnetu a feromagnetika? Ukázalo se, že je to otázka teploty.Každé feromagnetikum se při zahřátí nad určitou teplotu, tzv. Curieovu teplotu, stává paramagnetem. Typická okolní teplota je nižší než Curieova teplota oceli, ale vyšší než Curieova teplota hliníku.
Použitá literatura
- Irodov I.E. Elektromagnetismus. Základní zákony. - 3. vyd. M, St. Petersburg: Basic Knowledge Laboratory, 2000. - 352 s.
- Landsberg G.S. Základní učebnice fyziky: Učebnice. Ve 3 svazcích. / Editoval G.S. Landsberg: T.P. elektřina a magnetismus. - 11. vyd. - M.: Nauka, Fizmatlit, 1995. - 480. léta