Содержание
Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.
Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.
За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.
В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.
Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.
Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.
Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.
Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.
Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.
Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.
Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.
Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:
Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).
Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.
А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.
Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.
Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.
Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:
При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.
Модель магнитного поля движущегося заряда
Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.
Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.
Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.
Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.
А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.
Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.
Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».
Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.
И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.
У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).
Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:
Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.
Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.
Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia
UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.
Тема: что собой представляет магнитное поле, его принцип действия.
Многие знают о существовании так называемого магнитного поля. Самым распространенным предметом, вокруг которого оно существует является обычный постоянный магнит. Что мы о нем знаем и как он себя обычно проявляет? Это кусок из твердого материала, притягивающий к себе железные предметы. Он может иметь любую форму, ее предают при изготовлении с учетом конкретного предназначения магнита. Магниты имеют полюса — южный и северный. Если взять два куска магнита и попытаться их соединить, то в одном случае они попытаются притянутся друг к другу, а в другом случае они будут стремится оттолкнуться. Одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются.
Помимо этого если одни целый магнит разбить на два куска (не важно, будут ли он и равны или нет) мы получим уже два разных магнита, у которых будут свои магнитные полюса и своя интенсивность притягивания. В этом случае сила магнетизма будет зависеть от размеров этих самых магнитов. Почему же так происходит? В чем заключается суть этих интересных явлений, связанных с магнетизмом?
А суть магнитного поля заключается в следующем. Из школьной физики вы должны были помнить, что существуют так называемые электрические заряды (электроны и ионы). В твердых веществах носителями электрических зарядов являются электроны, а в жидких и газообразных — ионы. Магнитные поля, как и любые другие поля, являются особым видом материи, которая проявляет себя в виде некой силы, невидимой глазу. Хотя точнее будет, пожалуй, говорить электромагнитные поля так как именно в суммарной форме они себя проявляют (электрическое и магнитное поле).
Итак, магнитное поле существует вокруг движущегося электрического заряда. Именно движущегося. Вокруг электрических зарядов, что находятся в статическом состоянии существует только электрическое поле. Но поскольку заряды находятся в постоянном движении, то речь скорей идет о интенсивности этого движения. Одно дело когда электроны (частицы, имеющие отрицательный электрический заряд) просто сконцентрированы в металлическом шаре (максимальным будет именно электрическое поле вокруг шара) и в этом случае их динамическое движение будет гораздо меньше проявляться нежели в случае их непосредственного движения по проводнику (именно тут мы увидим максимальное магнитное поле) от одного полюса источника питания к другому.
Получается, что суть магнитного поля заключается в его образовании именно вокруг движущихся электрических зарядов. И чем быстрее будет двигаться заряд по проводнику, тем больше будет интенсивность магнитного поля вокруг этого самого заряда. Кроме этого магнитные поля могут суммироваться если они имеют одну и ту же направленность. После чего уже имеем — чем быстрее движется электрический заряд и чем больше количество этих зарядов, движение которых совпадает по направлению, тем сильнее будет электромагнитное поле вокруг этих зарядов (и вокруг этого электрического проводника, по которому они перемещаются).
Теперь можно понять, почему вокруг обычной медной катушки, по которой течет постоянный ток, появляется магнитное поле и от чего зависит его интенсивность. Просто само движение тока, электронов (заряженных частиц с отрицательным знаком) по катушки и порождает электромагнитные поля. И чем больше количество витков у этой катушки, больше ток, проходящий по ней, тем больше и сила магнитного поля вокруг нее. А почему тогда лампочка, по которой бежит ток, не имеет такого магнитного поля (интенсивного) как у катушки? Просто электрическая энергия у лампочки больше расходуется именно на свет и тепло, и в меньшей степени на электромагнитное поле. В то время как у плотно намотанной, сконцентрированной катушки большая часть электрической энергии тратится именно на создание магнитного поля и совсем незначительная его часть на выделение тепла.
А как работают постоянные магниты? Ведь по ним же не течет ток. Токи есть, только это микротоки, порождаемые движением электронов внутри самого вещества. Тут все дело в однонаправленности этих токов и способности вещества удерживать постоянное состояние этой однонаправленности. Движение электронов присутствует во всех веществах, но вот магнитные свойства проявляются только у тех, которые обладают ферромагнитными свойствами. Ферромагнетики, это вещества, которые легко могут менять (при определенных условиях) и стабильно удерживать определенную внутреннюю структуру своих частиц, влияющую на магнитные свойства этого вещества.
Итак, мы берем вещество, с хорошими ферромагнитными свойствами, помещаем его в постоянное электромагнитное поле высокой интенсивности, после чего наблюдаем перестраивание внутренней структуры этого вещества. Появляется однонаправленность его магнитных частиц. В итоге, это вещество само становится магнитом. Все его внутреннии частички (атомы, молекулы) с одной стороны образовали южный магнитный полюс, а с другой стороны — северный. В результате мы получили обычный магнит. Если этот магнит поместить в переменное магнитное поле (большой интенсивности), сильно нагреть, подвергать сильным механическим ударам, то в итоге мы может размагнитить наше ферромагнитное вещество. Оно утратит свои магнитные свойства.
Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами, поэтому само понятие возникло в электродинамике одновременно с понятием "электрическое поле". Оно было введено сначала М. Фарадеем, а чуть позже — Дж. Максвеллом, чтобы объяснить, почему электрические заряды имеют такую относительно небольшую дальность взаимодействия.
В эфире
Отцы электродинамики считали, что поле создается путем деформации эфира — невидимой умозрительной среды, заполняющей все сущее (Эйнштейн во время работы над теорией относительности упразднил понятие эфира). Хотя современным людям это и может показаться странным, но до 20 века физики действительно не сомневались в некой субстанции, пронизывающей все сущее. То, как магнитные поля создаются и какова их природа, физики не могли объяснить.
Когда в обиход вошла специальная теория относительности (СТО), а эфир "официально убрали", пространство стало "пустым", однако поля даже в вакууме продолжали взаимодействовать, а ведь это невозможно между нематериальными объектами (по крайней мере согласно СТО), поэтому физики сочли нужным присвоить некоторые атрибуты электрическим и магнитным полям. Создаются такие понятия, как масса, импульс и энергия полей.
Свойства магнитного поля
Первое его свойство объясняет природу происхождения: магнитное поле может возникнуть только под воздействием движущихся зарядов (электронов) электрического тока. Силовая характеристика магнитного поля называется магнитной индукцией, она присутствует в любой точке поля.
Воздействие поля распространяется только на движущиеся заряды, магниты и проводники. Оно может быть двух типов: переменного и постоянного. Измерить магнитное поле можно только с помощью специальных приборов, оно не фиксируется человеческими органами чувств (хотя биологи считают, что некоторые животные могут воспринимать изменения в нем). Суть еще одного свойства магнитного поля состоит в том, что оно имеет электродинамическую природу не только потому, что может влиять только на движущиеся заряды, но и потому, что само порождается движением зарядов.
Как увидеть
Хотя органы чувств человека и не могут зафиксировать присутствие магнитного поля, его направление можно определить с помощью намагниченной стрелки. Однако "увидеть" магнитное поле можно с помощью листа бумаги и простых железных опилок. На постоянный магнит необходимо положить лист бумаги, а опилки посыпать сверху, после чего железная стружка выстроится по замкнутым и непрерывным силовым линиям.
Направленность силовых линий определяется с помощью правила правой руки, которое также носит название "правило буравчика". Если взять проводник в руку таким образом, чтобы большой палец был по направлению тока (ток движется от минуса к плюсу), то остальные пальцы укажут направление силовых линий.
Геомагнетизм
Магнитные поля создаются движущимися зарядами, но тогда какова природа геомагнетизма? Наша планета обладает магнитным полем, которое защищает ее от вредного солнечного излучения, причем диаметр поля в несколько раз превосходит диаметр Земли. По форме оно неоднородно, на "солнечной стороне" сжимается под воздействием солнечного ветра, а с ночной стороны растягивается в виде длинного широкого хвоста.
Считается, что на нашей планете магнитные поля создаются движением токов в ядре, которое состоит из жидкого металла. Это называется "гидромагнитное динамо". Когда вещество достигает температуры в несколько тысяч градусов по Кельвину, его проводимость становится достаточно высокой, чтобы движения, даже в среде со слабым намагничиванием, начали создавать электрические токи, которые, в свою очередь, и создают магнитные поля.
В локальных областях магнитные поля создаются намагниченными горными породами из верхних слоев планеты, образующих земную кору.
Движение полюсов
С 1885 года началась регистрация движения магнитных полюсов. За последний век южный полюс (полюс в Южном полушарии) переместился на 900 километров, а северный (арктический) магнитный полюс с 1973 года за 11 лет переместился на 120 км, а за следующие десять лет — еще на 150. Согласно последним данным, скорость смещения арктического полюса увеличилась с 10 километров в год до 60.
Хотя ученые знают, как создается магнитное поле Земли, повлиять на движение полюсов не могут и предполагают, что довольно скоро произойдет очередная инверсия. Это естественный процесс, такое на планете не впервые, однако чем подобный процесс обернется для людей — неизвестно.
