Таким образом, магниты притягивают железо благодаря своим магнитным свойствам и магнитным веществам, которые содержатся внутри магнита.
Подносим магнит к яблоку: ищем железо внутри
Такой сверхпроводник напоминает антиферромагнетик, где магнитные моменты соседних электронов противоположны, отчего лишь малая часть нескомпенсированных моментов создаёт слабое остаточное поле, меняющееся дискретно рис. Всё это ещё раз доказывает сходство сверхпроводимости и ферромагнетизма. Поэтому в существовании высокотемпературных и керамических сверхпроводников отрицавшихся квантовой теорией до их создания не больше странного, чем в сильных керамических магнитах, работающих при комнатных температурах. Хотя есть вещества, становящиеся ферромагнетиками лишь при очень низких температурах, как сверхпроводники. Осталось выяснить, почему в магнитном поле моменты электронов и атомов ориентируются упорядоченно, порождая ферромагнетизм и другие явления. Полагали, что в классической теории такое невозможно: хотя внешнее магнитное поле и создаёт момент сил, стремящийся развернуть атом или электрон по полю, но за счёт вращения они прецессируют, словно волчок, вокруг направления магнитного поля. А в квантовой теории направление магнитного момента частиц квантуется,— моменты частиц направлены к внешнему полю лишь под строго заданными углами и скачком уменьшают этот угол. Но реально и классическая теория ведёт к установлению электронов и атомов вдоль поля, если учесть трение, от которого эти микромагниты сокращают размахи, как стрелки компаса, пока не установятся вдоль поля так же отклоняется под действием момента сил волчок, скажем в гирокомпасе. В итоге трение от столкновений атомов сокращает их колебания в поле, ориентируя их магнитные моменты вдоль внешнего поля, которое за счёт этого усиливается [ 12 ].
Для электронов это трение тоже вызвано столкновениями, но уже при испускании и поглощении потоков реонов, тормозящих качания, прецессию за счёт электродинамической необратимости, открытой Ритцем. Это так называемое радиационное трение, сопровождаемое излучением электромагнитных волн ускоренно движущимися, колеблющимися зарядами. Итак, в магнитном поле электрон или атом должен излучать электромагнитные волны на частоте своих качаний. Такое явление известно в форме магнитного резонанса, при котором электроны и атомы эффективно поглощают и испускают электромагнитное излучение на частоте собственных колебаний или прецессии ларморовской частоте. Излучение на этой частоте при колебаниях ведёт к потере энергии атомом и ослаблению колебаний, к постройке всех атомов, электронов вдоль поля и появлению общего магнитного момента у ферромагнетика при намагничивании. На этом основан принцип действия магнитных холодильников, отбирающих энергию у атомов и электронов, колеблющихся в магнитное поле. Впрочем, и без внешнего поля магнитные моменты электронов устанавливаются параллельно, образуя домены — области спонтанной намагниченности, предсказанные П. Вейссом и экспериментально открытые Н.
Акуловым [ 12 ]. Каждый электрон своим магнитным полем вынуждает соседние электроны повернуться в том же направлении, а те, в свою очередь, вынуждают соседние. Так и возникают в металле участки с упорядоченной ориентацией магнитных моментов, что снова легко смоделировать с помощью однотипных магнитиков, магнитных стрелок, строящихся параллельно за счёт взаимодействия рис. Такие системы, цепочки магнитов ещё в XIX веке исследовали Остроградский и Риман, во многом предвосхитившие идеи Ритца. Внешнее поле лишь координирует, ориентирует домены, смещает их границы, наращивая домены с полем параллельным внешнему. Эта перестройка идёт скачками, так как электроны удерживает сильное внутриатомное поле, и внешнее поле не может их развернуть, а лишь чуть отклоняет. Поэтому после снятия поля электроны вновь строятся вдоль внутриатомного поля, отчего начальный участок кривой намагничивания возле точки O, рис. А в более высоких полях электроны, минимизируя энергию взаимодействия, начинают при тепловых колебаниях атомов и электронов перескакивать в атоме в новые положения, где внутриатомное поле образует меньший угол с внешним полем, что влечёт необратимые сдвиги и гистерезис намагниченности.
Однако при слишком высокой температуре тепловые колебания, провоцируя перескоки электронов, лишь рассогласуют магнитные моменты атомов, как удары по столу с компасами сбивают их слаженную работу рис. В итоге домены и связанная с ними намагниченность исчезают: ферромагнетики выше критической температуры точки Кюри TK становится парамагнетиками. То же происходит с антиферромагнетиками выше точки Нееля. В кристаллах ферромагнетиков и антиферромагнетиков связь направлений магнитных моментов электронов и внутриатомного поля проявляется в анизотропии магнитных свойств, большой вклад в изучение которой внёс профессор МГУ Н. Акулов противник теории относительности и сторонник идей Ритца о реонах и структуре электрона [ 16 ]. Остовы атомов одинаково ориентированы в кристалле, отчего оси электронов могут быть выстроены лишь вдоль избранных осей, совпадающих с направлением внутриатомных магнитных полей. Связь направлений магнетизма и кристаллических осей проявляется и в явлении магнитострикции, когда ферромагнетики намагничиваются без внешнего поля, но лишь за счёт механического давления и пластических деформаций, меняющих направление осей кристаллов, металлических зёрен. Именно так постепенно намагничиваются ножи мясорубок, концы ножниц и отвёрток.
Переход ферромагнетик-парамагнетик вместе с переходом сверхпроводник-проводник, сверхтекучий-нормальный гелий называют фазовым переходом второго рода, отличая от фазовых переходов первого рода плавление, кипение , где идёт выделение или поглощение тепла и скачком меняются свойства плотность, теплопроводность и т. Долгое время казалось, что у фазовых переходов второго рода всё иначе, и они идут без выделения скрытого тепла. На деле же и там выделяется теплота, связанная с уменьшением энергии взаимодействия атомов в ходе их упорядочивания, снижающего энтропию. Если при кристаллизации упорядочиваются положения, координаты атомов, то при переходе металла в ферромагнитное состояние упорядочиваются направления магнитных моментов атомов, что ведёт к снижению энергии их взаимодействия. По закону сохранения этот избыток энергии неизбежно выделяется в форме тепла такое тепловыделение есть и при намагничивании, где упорядочиваются магнитные моменты доменов, тоже снижая энергию взаимодействия. И тепло реально выделяется возле точки Кюри, но тепловыделение растянуто в широком температурном интервале. От выхода энергии, которую надо отводить, металл всё трудней охлаждать при подходе к точке Кюри, где переход идёт интенсивней всего. По сути, то же происходит при кристаллизации: несмотря на отвод тепла температура не меняется, словно теплоёмкость в точке кристаллизации бесконечно велика.
Не зря сам Кюри, открыв переход парамагнетик-ферромагнетик, сравнивал парамагнитное состояние с газообразным, а ферромагнитное — с более упорядоченным жидким и кристаллическим. Переход металла в ферромагнитное состояние и образование в нём множества случайно ориентированных доменов аналогичен кристаллизации металла и образованию в нём случайно ориентированных зёрен-кристаллитов, где атомы расположены упорядоченно. Выходит, нет особой разницы между переходами 1-го и 2-го рода: разница лишь в ширине температурного интервала, где осуществляется переход и выделяется скрытая теплота. А фазовые переходы второго рода растянуты в более широком температурном интервале. Домены начинают возникать при температурах чуть выше точки Кюри, но таких областей мало, они невелики и недолговечны. Это напоминает формирование в охлаждаемом жидком металле зародышей кристаллов: малых участков с ближним атомным порядком, которые при подходе к точке плавления становятся всё крупней и многочисленней. Так и при подходе к точке Кюри, численность и размер доменов растёт, ведя к выделению тепла, воспринятому как рост теплоёмкости да и возле точки плавления открыт слабый рост теплоёмкости от микроучастков, где флуктуации уже вызвали фазовый переход. При температуре Кюри домены интенсивно формируются уже во всём объёме металла, бесконечно повышая теплоёмкость.
Наконец, при охлаждении ниже точки Кюри остаются лишь редкие малые участки металла, где тепловое движение атомов местами особенно интенсивное ввиду флуктуаций мешает формированию доменов. Но при понижении температуры они становятся всё меньше по объёму и по числу: их упорядочение требует всё меньшего отвода тепла, понижая теплоёмкость. Так и фазовый переход металла в сверхпроводящее состояние а гелия — в сверхтекучее всегда сопровождается выделением тепла [ 17 ]. Всё это снова доказывает, что природа следует честным классическим правилам, а не туманным квантовым, и лишние сущности, типа переходов второго рода, выдуманных Ландау,— излишни. Классически устроен и атом, где электроны, как показал открывший их Дж. Томсон, спонтанно организуются в упорядоченные кристаллические структуры под влиянием электрического и магнитного поля, формируя электронные слои с правильным размещением электронов [ 11 ]. Не зря Томсон иллюстрировал эффект спонтанной самоорганизации электронов в атоме магнитными поплавками, формирующими в поле центрального магнита правильные структуры. Так же и в электрическом и магнитном поле ядра магнитики-электроны формируют слои из правильно уложенных электронов отсюда стандартные ёмкости электронных слоёв.
Способность электронов формировать плоскую кристаллическую решётку подтверждена и опытами, где электроны парили над жидким гелием [ 13 ]. Физик-спектроскопист Р. Вуд тоже изучал подобные эффекты самоорганизации электронов в атоме на примере магнитных шариков, плавающих в ртути и образующих в поле центрального магнита правильные фигуры. При выводе шариков из равновесия они колебались в магнитном поле каждый со своей стандартной частотой. Этим магнитная модель атома Ритца объясняет стандартные спектры атомов [ 10 ]. Такую самоорганизацию можно наблюдать и в наборе неодимовых магнитных шариков, порой спонтанно слипающихся в кристально чёткие объёмные структуры. Самосборка стандартных упорядоченных систем в поле центрального магнита видна и в магнитной жидкости, и в порошке из железных опилок, которые собираются в периодичные выступы, холмики, образующие сотовую структуру и вытянутые вдоль силовых линий магнита рис. Наблюдают такие системы и в сверхпроводниках, на срезах которых магнитный порошок образует сотовую структуру абрикосовские вихри.
Да и цилиндрические магнитные домены формируют сотовую структуру [ 13 ]. Все эти явления спонтанной организации магнитных частиц в правильные структуры объяснимы классически и легко моделируются на ЭВМ как результат взаимодействия магнитных частиц друг с другом и с внешним полем.
Как только ток прекращает своё движение, то и электромагнитное поле также пропадает. Это суть и условие возникновения магнитного поля. Из школьной физики известно, что любые окружающие нас вещи и предметы состоят из атомов и молекул достаточно мелких элементарных частиц. Эти самые элементарные частицы, в свою очередь, имеют следующее строение. Внутри находится ядро состоящее из протонов и нейтронов ядро имеет плюсовой заряд , а вокруг этого ядра с огромной скоростью вращаются более мелкие частички, это электроны имеющие отрицательный заряд.
Так вот, суть магнита заключается в следующем. Поскольку мы выяснили, что магнитное поле возникает вокруг движущихся электрических зарядов, а электроны есть во всех атомах и молекулах, и они постоянно движутся, следовательно атомы и молекулы имеют вокруг себя магнитные поля они очень малы и по силе и по размерам. В добавок стоит учесть, что различные вещества и предметы имеют различные магнитные свойства. У одних магнитные свойства выраженные очень сильно, а у других на столько слабо, что свидетельствует о полном отсутствии полей. Вот основа природы и сути магнита. Но ведь даже те вещества, которые имеют большую интенсивность проявления магнитных полей это ферромагнетики, самым известным из которых является простое железо не всегда магнитят. Почему же так?
Потому что существует эффект однонаправленности и хаотичности. Поясню что это такое.
Но вместо того, чтобы приблизиться, магнит начал отталкивать яблоко. Причина, как ни странно в составе фрукта — наряду с железом в незначительном количестве в яблоке содержится много влаги, являющейся диамагнитным веществом. Поэтому магнит его отталкивает.
Железа же в яблоках крайне мало и притянуть его даже самым сильным магнитом не удасться.
Он намагничивает эти небольшие кусочки железа, но неоднородное магнитное поле оказывает неодинаковое воздействие на их полюсы. Кусочки железа, близкие к северному полюсу магнита, будут иметь на краю, обращенном к магниту, южный полюс, и этот полюс будет сильно притягиваться к магниту. Их северный полюс будет находиться дальше от магнита, т. Таким образом, опилки будут сильнее притягиваться к магниту, чем отталкиваться от него[68]. Обобщая эти рассуждения, можно сказать, что магнит притягивает любой ненамагниченный кусок железа, создавая в нем временное намагничивание. Даже маленькая компасная стрелка будет временно намагничивать железный брусок. Будучи более подвижной, чем тяжелый брусок, стрелка будет сама поворачиваться и указывать в его сторону.
Ее вращение говорит нам только о том, что как стрелка, так и железный брусок могут намагничиваться и что по крайней мере один из них уже намагничен. Следовательно, наблюдая притяжение, нельзя сказать, являются ли магнитами оба тела. Однако такое заключение легко сделать, если мы увидим, что они отталкиваются. Магнитные и немагнитные материалы Если попытаться намагнитить образцы из меди, железа, стекла и других материалов, помещая их в соленоид с током, то выяснится, что лишь некоторые из этих образцов обнаруживают магнитные свойства. Такие материалы мы называем магнитными. К ним принадлежат железо, многие железные сплавы, никель. Ряд веществ, как, например, жидкий кислород и некоторые соединения железа, тоже в слабой степени проявляют магнитные свойства, но большинство веществ немагнитно. Основываясь на этом, мы говорим, что немагнитные вещества невозможно намагнитить в противоположность магнитным, и последние, если они намагничены, мы называем магнитами.
Более тонкие опыты опровергают это простое правило. Многие вещества при помещении их в магнитное поле обнаруживают слабые временные магнитные эффекты, и мы можем проследить их магнитные свойства вплоть до атомного уровня. Более того, мы в состоянии показать, что некоторые атомы, сами являются магнитами, и знаем способ который будет описан далее , как измерить их магнитные свойства. Даже те немногие металлы, как, например, железо, которым свойственны значительные магнитные эффекты и которые могут служить материалом для постоянных магнитов, также обязаны своими свойствами атомному магнетизму. Их атомы обладают специфической способностью объединяться, при этом атомные магнитики выстраиваются-особым образом, создавая прочные постоянные группы. Атомная теория предсказывает также и другие магнитные свойства атомов. Весьма забавно, что результатом этих предсказаний является отрицательный магнетизм, совсем не похожий на тот, с которым мы всегда встречаемся, и теория утверждает, что им, хотя и в очень слабой степени, обладают все вещества. На чем основаны эти предсказания?
Достаточно ли они правдоподобны? Наблюдался ли этот отрицательный магнетизм на опыте? Если да, то почему же не для всех веществ? На эти вопросы мы кратко ответим в гл. Магнитное поле электрического тока Опыты говорят нам о том, что всякий электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Магнитное поле, окружающее длинную катушку из проволоки, которую часто называют соленоидом, очень похоже на поле намагниченного стержня. При детальном сравнении оказывается, что конфигурации внешних магнитных полей такого стержня и соленоида, имеющего ту же форму и размеры, попросту одинаковы. Можно показать, что внутри полой катушки магнитные силовые линии идут плотным параллельным пучком, образуя сильное однородное магнитное поле.
Задача 2 Почему лучше намагничивать стальной стержень, помещая его внутри соленоида с током, а не снаружи? Задача 3 На чертеже а фиг. Если уменьшать длину соленоида, сжимая его, как гармошку;, конфигурация поля будет меняться, как показано на чертеже б. Представим себе, что катушка сжата до предела чертеж в , так что превратилась в один виток. Можете ли вы предсказать, как будет выглядеть магнитное поле витка с током, представив себе характер сжатия силовых линий? Изобразите ожидаемую конфигурацию поля. Согласуется ли она с опытом? Задача 4 Внешнее магнитное поле соленоида совпадает с полем намагниченного стержня одинаковых размеров и формы.
Какую же форму имел бы магнит, создающий такое же поле, как и виток с током в? Нарисуйте или опишите этот эквивалентный магнит. Если ее подвесить, она будет поворачиваться до тех пор, пока ее ось не укажет в направлении N-S. Она ведет себя так, как будто имеет на концах «полюсы», которые притягивают или отталкивают полюсы других магнитов. Небольшая катушка с током, помещенная в магнитное поле Земли, магнита или другой катушки, будет поворачиваться наподобие стрелки компаса, пока ее магнитная ось не станет параллельной внешнему полю. Магнитное поле прямого провода с током Есть один особый очень важный случай проводника с током, когда нельзя подобрать эквивалентного магнита одинакового размера и формы. Это случай длинного прямого провода с током. С помощью железных опилок или крошечного компаса можно показать, что магнитные силовые линии такого проводника представляют собой опоясывающие его окружности, расположенные, разумеется, не в одной плоскости, а повсюду вокруг него.
Магнитное поле сильнее вблизи провода и ослабевает вдали от него. Этот первый эффект магнитного действия электрического тока был открыт следующим образом. В конце своей лекции о свойствах электрического тока датский ученый Эрстед поместил токонесущий провод около компасной стрелки и был до глубины души изумлен, увидев, что стрелка повернулась. Когда известие об этом открытии распространилось по Европе, оно породило целую лавину исследований. Ампер и другие ученые, пытаясь объяснить эти опыты, вскоре ввели в физику понятие электромагнитного поля. Явление, обнаруженное Эрстедом, представлялось крайне удивительным. Таким образом, силы действовали на компасную стрелку не в направлении прямой, соединяющей ее полюс с проводником, а в перпендикулярном направлении. Последующие опыты подтвердили это заключение и показали, что сила, действующая со стороны магнита на ток, перпендикулярна как направлению магнитного поля, так и направлению тока — проводник с током, помещенный в магнитное поле, испытывает боковое усилие.
Эти новые силы полностью отличались от уже известных обычных сил, таких, как, например, силы тяготения направленные по прямой от одной массы к другой или силы, возникающие при столкновении упругих шаров или молекул которые отбрасывают их в противоположные стороны , а также силы притяжения или отталкивания , действующие по прямой между электрическими зарядами и между магнитными полюсами. До открытия Эрстеда были известны только такие силы, которые действуют вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие тела. Незадолго до Великой Французской Революции школа мыслителей, включая Вольтера и других, создала механистическую философию полностью предсказуемой Вселенной, основываясь на концепции таких простых сил. Когда обнаружилось, что новые электромагнитные силы зависят от скорости движения электрических зарядов тока , они стали казаться еще более странными. Это были силы, которые увеличивались с ростом скорости и действовали перпендикулярно ей! Однако именно такие силы заставляют работать электрический двигатель. Мы можем проиллюстрировать происхождение этих сил с помощью карты магнитного поля. Круговое магнитное поле, окружающее прямолинейный проводник с током, само по себе несколько необычно, но и только.
Однако в комбинации с однородным магнитным полем оно создает отклоняющие силы, без которых невозможна работа электродвигателей, измерительных приборов, телевизионных трубок и некоторых гигантских ускорителей заряженных частиц. Чтобы продемонстрировать, откуда возникают эти силы, изобразим магнитные силовые линии с помощью векторов. Магнитное поле действует как катапульта Мы сможем предсказать направление действия результирующей силы, складывая векторы сил, отвечающих двум различным полям. Конфигурация однородного магнитного поля — это ряд равномерно идущих параллельных силовых линий, как показано на фиг. Мы рисуем эти окружности сгущающимися вблизи проводника, чтобы показать, что поле около него сильнее. Векторное сложение этих двух полей дает примерно ту же картину, что мы получили в гл. Поэтому мы поступим точно так же, как и раньше. Изобразим оба поля вместе, как на фиг.
Метод сложения векторов и доказательство выталкивающего действия магнитного поля на проводник с током. В некоторой произвольной точке А нарисуем стрелки-векторы, отмечающие напряженности обоих полей, одну в направлении однородного магнитного поля, а другую по касательной к окружности. Сложим эти векторы и обозначим результирующее направление короткой стрелкой, выходящей из А. В другой точке В однородное поле не меняется, а поле, создаваемое током, ослабевает. Сложим опять их векторы и снова обозначим результирующее направление короткой стрелкой, исходящей из В чертеж г. Нанесем множество таких стрелок по всей диаграмме. Они покажут нам направление результирующего поля, которое мы хотели найти. Начертим силовые линии этого поля, проходящие через стрелки чертеж д.
Здравый смысл подсказывает нам следующие очевидные выводы: а Вблизи проводника преобладает магнитное поле, создаваемое током, и силовые линии суммарного поля практически совпадают с окружностями, в центре которых находится проводник. В этой точке оба поля полностью компенсируют друг друга. Чтобы правильно начертить конфигурацию результирующего магнитного поля, нужно запастись терпением. К счастью, карту поля можно получить, пользуясь косвенными геометрическими методами основанными на математическом соотношении, которое обычно записывается , и тому, кто их знает, будет легко вычертить ее на нашей диаграмме. Соответствующая картина показана на фиг. Если, следуя Фарадею, мы будем видеть в магнитных силовых линиях графическое изображение реальных сил, которые действуют на магниты и проводники с током, то придем к заключению, что результирующее магнитное поле, изображенное на последнем рисунке, будет тянуть проводник вниз. Таким образом, здесь мы имеем дело с поперечной силой, перпендикулярной как проводнику, так и направлению однородного магнитного поля. Разглядывая эти картинки, мы можем сказать, что результирующее поле действует наподобие катапульты или рогатки фиг.
Опыт, демонстрирующий конфигурацию магнитных силовых линий при взаимодействии токов. Поперечная катапультирующая сила[71] Действует ли на самом деле эта сила непосредственно на проводник с током, проходящий поперек магнитного поля? Проверьте это на опыте, используя гибкий провод, электрическую батарею и подковообразный магнит. Включайте электрический ток при различных положениях проводника в сильном однородном поле между полюсами магнита. Если ток достаточно велик, то, как мы и ожидали, возникает поперечная сила, смещающая провод в сторону см. Но для электрического тока не обязательно нужен проводник; он может быть и просто пучком заряженных частиц, например электронов. Такой электронный луч также отклоняется магнитным полем, — этот эффект, широко используемый в практических целях, мы рассмотрим в гл. Чтобы эффект был сильнее, магнитное поле должно быть перпендикулярно электрическому току или пучку электронов, так как продольная компонента поля не оказывает на них никакого влияния.
Испытайте действие намагниченного стержня на электроннолучевую трубку. Результат этого опыта очень напоминает тот, о котором мы говорили в гл. Попытки получить отдельный магнитный полюс. Начала теории магнетизма Вернемся к стальным магнитам и проведем еще один опыт. До сих пор в каждом магните мы всегда находили два полюса. Спросим себя, можно ли отделить северный магнитный полюс от южного наподобие того, как мы поступали с электрическими зарядами[72]. Попытаемся разрезать магнит пополам. Для этого намагнитим кусок стальной проволоки или пружину от часов.
Убедимся с помощью железных опилок, что на концах магнита образовались полюсы, а небольшой компас поможет нам определить, где северный полюс, а где южный. Затем с помощью ненамагниченных ножниц разрежем магнит посередине и исследуем полюсы каждой половинки. Как бы в насмешку над нашими попытками, в местах разреза возникают новые полюсы. Мы получили просто-напросто два новых магнита. Это необычное свойство магнитов тут же ставит перед нами два новых вопроса: 1 Сколь малые магнитики можно получить, разрезая магнит на все более мелкие части? Попытки разобраться в этих вопросах привели к созданию теории магнетизма, одинаково хорошо объясняющей все магнитные явления — от обычных свойств магнитов до важнейших деталей магнитной структуры атомов. Полностью неверно также и то, что мы в состоянии раскрыть природу вещей путем одного только наблюдения. Если бы это было так, то развитие науки оказалось бы гораздо более легким, и занятие ею было бы по силам каждому.
Однако в действительности в научном исследовании порой приходится применять очень трудоемкие и искусные методы, чтобы исключить то, что кажется основным для обычного наблюдателя… Теории — это отправные точки или вершины, с которых можно увидеть вещи в их взаимосвязи. Они, как указал Ченси Райт, глаза и уши ученого, необходимые ему, чтобы предвидеть и открывать явления, до поры до времени скрытые». В этой связи следует отметить два обстоятельства. Во-первых, в науке, как и в любом другом виде человеческой деятельности, мы не можем обойтись без твердой точки зрения. То, что представляется противоречащим нашей теории, при тщательной проверке может, наоборот, оказаться ее подтверждением или следствием…» «Второе, и самое важное, обстоятельство заключается в том, что научная гипотеза обычно отвергается только в том случае, когда становится очевидным, что другая гипотеза лучше согласуется как со всеми предыдущими наблюдениями, так и с новыми фактами. Таким образом, путь к настоящему познанию состоит не в том, чтобы избегать теорий и предвидения, а в том, чтобы систематически умножать их число. Это позволит нам иметь несколько различных точек зрения и предохранит нас от излишней уверенности в правоте какой-либо одной из них. Вот почему логические или математические методы в физике, химии, общей биологии и других теоретических науках столь плодотворно помогают нам открывать еще неизвестные факты».
Как построить теорию? Какую же теорию магнетизма хотели бы мы построить? Прежде всего нам нужна теория, способная объяснить результаты наших опытов и помочь лучше понять природу магнетизма, служа нам как бы справочником понятий и идей. В предыдущих разделах мы рассказали об общих свойствах магнитов, которые были получены в результате опытов и большинство которых известно уже несколько веков[74]. Мы едва ли могли бы создать полезную для себя теорию, не основываясь на фактах, почерпнутых из опыта. Конечно, можно было бы начать и с таких утверждений: «Магниты таковы, какие они есть. Что бы ни содержалось внутри магнитов, это как раз то, что необходимо, чтобы обеспечить им нужные свойства. Стали присущ «магнитотропизм», т.
Это и есть моя теория магнитов». Подобная теория была бы безусловно «правильной», но совершенно бесполезной, и разумный исследователь не стал бы терять на нее время[75]. Итак, мы начнем с простой теории, объясняющей, почему у магнитов есть полюсы. Магнитный полюс — это не экспериментальный факт, это представление, искусственная идея, которой мы пользуемся, когда интерпретируем свои опыты. В ходе этих опытов мы приходим к выводу, что на самом деле полюсов не существует. Однако это не может само по себе разрушить нашу простую теорию. Мы будем придерживаться ее до тех пор, пока она не перестанет нам служить. Представление о полюсах обогащает наш словарь, но оно не в состоянии подсказать нам новые опыты или позволить лучше понять суть дела.
Так что, не отказываясь от термина «магнитный полюс», давайте все же поищем лучшую теорию. Сейчас мы уже вооружены некоторым опытом и можем отважиться на смелые предположения. Попытаемся же построить некоторую общую схему или картину и сделаем из нее в свою очередь новые заключения, которые подвергнем затем проверке опытом. Поэтому мы вправе спросить себя: связаны ли свойства магнитов со специфическим поведением составляющих их атомов или молекул?
Немного теории
- Почему магнит притягивает железо? Магнит.
- Новосибирский школьник «притягивает» к себе ложки и мелочь — его мама сняла это на видео
- Почему магнит притягивает железо? Разбираемся в причинах магнитного притяжения
- Какие металлы притягивает поисковый магнит?
- Почему магнит притягивает? Описание, фото и видео
- Принцип взаимодействия постоянных магнитов
Почему магнит притягивает железо?
Постоянный магнит как будто притягивается к листу и скользит заметно медленнее чем, например, по деревянной поверхности. 2) Почему магнит притягивает только предметы из железа, никеля и кобальта? Неодимовый магнит (точнее неодим-железо-бор) является сильнейшим постоянным магнитом в мире. Пока железо и магнит притянуты друг к другу, их магнитные поля остаются в параллельном направлении. Сила притяжения не такая, как в случае с углеродистой сталью, чтобы почувствовать притяжение потребуется неодимовый магнит.
Почему магниты имеют свойство притягиваться и отталкиваться? (03.06.2021 г.)
Последний раз редактировалось avr123. Re: Откуда берется почти бесконечная энергия в магнте? Как и с гравитацией всё так же с законами сохранения - просто потенциальная энергия меньше после притяжения магнитом железки и всё. Как и при падении железяки на пол. Откуда берется энергия на совершение этой работы? А при падении того же шарика миллион раз? Откуда берется энергия? А если убрать предыдущие - считай вернули энергию avr123. Причины и механизм возниконовения гравитации не известен. Она просто описана количественно и известна как факт.
Дак и я не сомневаюсь что магнит притягивает железки и могу померить параметры этого притяжения. Я то спрашиваю откуда энергия на совершение работы эти притяжением. Чтобы гравитация совершила работу предмет нужно поднять - то есть затратить энергие вначале и потом при падении гравитация выдаст туже затраченую на подъем энергию. С пружиной тоже ясно - сжимаем - затрачиваем, расжимается - отдает энергию. А с магнитом?
Продолжать многократные эксперименты с магнитом стал физик из Франции Доминик Франсуа Араго, взяв за основу трубку из стекла, перемотанную металлической нитью, посередине этого предмета он установил железный стержень. С помощью электричества, находившееся внутри железо начинало резко намагничиваться, из-за этого стали прилипать различные ключи, но стоило отключить разряд, и ключи сразу падали на пол. Исходя из происходящего физик из Франции Андре Ампер, разработал точное описание всего происходящего в этом эксперименте. Касание конца магнита к металлическим скрепкам приводит к возникновению у каждой скрепки северного и южного полюса. Магнитный эффект Сегодня очевидно, что дело не в чудесах, а в более чем уникальной характеристике внутреннего устройства электронных схем, которые образуют магниты. Электрон, который постоянно вращается вокруг атома, образует то самое магнитное поле. Микроатомы обладают магнитным эффектом и состоят в полном равновесии, но магниты своим притяжением влияют на некоторые виды металлов, таких как: железо, никель, кобальт. Эти металлы еще называют ферромагнетиками. В непосредственной близости с магнитом атомы сразу начинают перестраиваться и образовывать магнитные полюса. Атомные магнитные поля существуют в упорядоченной системе, их называют еще доменами. В этой характерной системе находятся два полюса противоположные друг другу — северный и южный. Применение Северный полюс магнита притягивает к себе южный, но два одинаковых полюса сразу же отталкивают друг друга. Современная жизнь без магнитных элементов невозможна, ведь они находятся практически во всех технических приборах, это и компьютеры, и телевизоры, и микрофоны, и многое другое. В медицине широко применяется магнит в обследованиях внутренних органов, при магнитных терапиях. Следите за новостями! В материале использованы фото и выдержки из: 3 разных типа магнитов и их применение Магниты — это материалы, которые генерируют поле, которое притягивает или отталкивает некоторые другие материалы например, железо и никель с определенного расстояния. Это невидимое поле, известное как магнитное поле, отвечает за ключевые свойства магнита. Древние люди использовали магниты по крайней мере с 500 г. Однако искусственные магниты были созданы еще в 1980-х годах. Очевидно, что не все магниты состоят из одних и тех же веществ, и поэтому их можно разделить на разные классы в зависимости от их состава и источника магнетизма. Ниже приведен подробный список трех основных типов магнитов с указанием их свойств, прочности, а также промышленного и непромышленного применения. Постоянные магниты После намагничивания постоянные магниты могут сохранять магнетизм в течение продолжительного времени. Они сделаны из материалов, которые могут намагничиваться и создают собственное постоянное магнитное поле. Обычно постоянные магниты изготавливаются из четырех различных типов материалов: I Ферритовые магниты Ферритовые магниты также называемые керамическими магнитами являются электроизоляционными. Они темно-серого цвета и выглядят как карандашный грифель. Ферриты обычно представляют собой ферромагнитные керамические соединения, получаемые путем смешивания больших количеств оксида железа с металлическими элементами, такими как марганец, барий, цинк и никель. Некоторые ферриты имеют кристаллическую структуру, например ферриты стронция и бария. Они довольно популярны благодаря своей природе: они не подвержены коррозии и, следовательно, используются для продления жизненного цикла многих продуктов. Ферритовые магниты могут использоваться в чрезвычайно жарких условиях до 300 градусов Цельсия , и стоимость изготовления таких магнитов также низкая, особенно если они производятся в больших объемах. Они могут быть далее подразделены на «твердые», «полужесткие» или «мягкие» ферриты, в зависимости от их магнитных свойств. Поскольку твердые ферриты трудно размагничивать, они обладают высокой коэрцитивной силой. Они используются для изготовления магнитов, например небольших электродвигателей и громкоговорителей. Мягкие ферриты, с другой стороны, имеют низкую коэрцитивную силу и используются для изготовления электронных индукторов, трансформаторов и различных микроволновых компонентов. Они часто включают титан и медь. В отличие от керамических магнитов, они являются электропроводящими и имеют высокие температуры плавления. Чтобы классифицировать их основываясь на их магнитных свойствах и химическом составе , Ассоциация производителей магнитных материалов присвоила им номера, такие как Alnico 3 или Alnico 7. Алникос был самым сильным типом постоянных магнитов до развития редкоземельных магнитов в 1970-х годах. Известно, что они создают высокую напряженность магнитного поля на своих полюсах — до 0,15 Тесла, что в 3000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли. Сплавы Alnico могут сохранять свои магнитные свойства при высоких рабочих температурах, вплоть до 800 градусов Цельсия. Фактически, они являются единственными магнитами, которые имеют магнетизм при нагревании раскаленным докрасна. Эти магниты широко используются в бытовых и промышленных применениях: несколько примеров — это магнетронные трубки, датчики, микрофоны, электродвигатели, громкоговорители, электронные трубки, радары. III Редкоземельные магниты Как следует из названия, редкоземельные магниты изготавливаются из сплавов редкоземельных элементов. Это самый сильный тип постоянных магнитов, разработанный в 1970-х годах. Их магнитное поле может легко превышать 1 Тесла. Два типа редкоземельных магнитов — самарий-кобальтовые и неодимовые магниты. Оба уязвимы для коррозии и очень хрупкие. Таким образом, они покрыты определенным слоем слоями , чтобы защитить их от сколов или поломок. Самарий-кобальтовые магниты состоят из празеодима, церия, гадолиния, железа, меди и циркония. Они могут сохранять свои магнитные свойства при высоких температурах и обладают высокой устойчивостью к окислению. Из-за их меньшей напряженности магнитного поля и высокой стоимости производства они используются реже, чем другие редкоземельные магниты. В настоящее время они используются в настольном ядерно-магнитно-резонансном спектрометре, высококачественных электродвигателях, турбомашиностроении и во многих областях, где производительность должна соответствовать изменению температуры. Неодимовые магниты, с другой стороны, являются наиболее доступным и сильным типом редкоземельных магнитов. Они представляют собой тетрагональную кристаллическую структуру, изготовленную из сплавов неодима, бора и железа. Благодаря своим меньшим размерам и небольшому весу они заменили ферритовые и алникомагниты в многочисленных применениях в современных технологиях. Например, неодимовые магниты в настоящее время используются в головном приводе для компьютерных жестких дисков, электродвигателей для аккумуляторных инструментов, механических переключателей электронных сигарет и динамиков мобильных телефонов. IV одномолекулярные магниты К концу 20-го века ученые узнали, что некоторые молекулы [которые состоят из ионов парамагнитного металла] могут проявлять магнитные свойства при очень низких температурах. Теоретически они способны хранить информацию на уровне магнитных доменов и обеспечивать гораздо более плотный носитель, чем традиционные магниты. Одномолекулярные магниты состоят из кластеров марганца, никеля, железа, ванадия и кобальта. Было обнаружено, что некоторые цепные системы, такие как одноцепные магниты, сохраняют магнетизм в течение длительного периода времени при более высоких температурах. Исследователи в настоящее время изучают монослои таких магнитов. Одним из ранних соединений, которое было исследовано в качестве одно-молекулярного магнита, является додекануклеарная марганцевая клетка.
Физик-спектроскопист Р. Вуд тоже изучал подобные эффекты самоорганизации электронов в атоме на примере магнитных шариков, плавающих в ртути и образующих в поле центрального магнита правильные фигуры. При выводе шариков из равновесия они колебались в магнитном поле каждый со своей стандартной частотой. Этим магнитная модель атома Ритца объясняет стандартные спектры атомов [ 10 ]. Такую самоорганизацию можно наблюдать и в наборе неодимовых магнитных шариков, порой спонтанно слипающихся в кристально чёткие объёмные структуры. Самосборка стандартных упорядоченных систем в поле центрального магнита видна и в магнитной жидкости, и в порошке из железных опилок, которые собираются в периодичные выступы, холмики, образующие сотовую структуру и вытянутые вдоль силовых линий магнита рис. Наблюдают такие системы и в сверхпроводниках, на срезах которых магнитный порошок образует сотовую структуру абрикосовские вихри. Да и цилиндрические магнитные домены формируют сотовую структуру [ 13 ]. Все эти явления спонтанной организации магнитных частиц в правильные структуры объяснимы классически и легко моделируются на ЭВМ как результат взаимодействия магнитных частиц друг с другом и с внешним полем. Но и их хотят свести к квантовым. Яркий пример — "квантовые вихри" в виде упорядоченных скоплений из атомов щелочных металлов например, рубидия , подвешенных в магнитном поле при сверхнизких температурах и образующих периодичные сгущения рис. На деле квантовая теория тут ни при чём: видна простая самоорганизация магнитных частиц атомов со стандартным магнитным моментом во внешнем магнитном поле, давно открытая Майером и легко воспроизводимая в магнитной жидкости и в порошке из магнитных опилок. А "квантовые маги" объясняют эти периодичные сгущения атомов бозе-эйнштейновской конденсацией с интерференцией атомных волн Де Бройля. Интерференцию будто бы подтверждает то, что от набегания одного облака атомов на другое в месте их пересечения видны полосы, типа интерференционных. Реально же виден обычный муаров узор, возникающий при наложении двух сеток. Так и два облака атомов рубидия, формирующих в магнитном поле периодичные сетки тёмных узлов, образуют при наложении муаров узор, без следов интерференции. Выходит, квантовые краснобаи выдают желаемое за действительное, видя в обычных явлениях природы сверхъестественные. Взаимодействие магнитных частиц формирует не только правильные плоские структуры, но и чёткие пространственные комплексы, как показывает пример магнита, вытягивающий из магнитной жидкости пирамидальные игольчатые структуры, или симметрично обрастающий с двух сторон бородами магнитных опилок, а также пример объёмных фигур из магнитных шариков. Сходно формируется бипирамидальный каркас атома, образованный из магнитных частиц электронов и позитронов, рис. Рассуждая формально, по теореме Ирншоу обычно считают, что конструкции из зарядов и магнитов нестабильны. Но при этом, как отмечал Томсон [ 11 ], не учитывают отклонений от закона Кулона на малых масштабах и осевое вращение электронов, придающее устойчивость магнитным системам [ 18 ]. Именно так атом и его пирамидальный атомный каркас приобретает стабильность без помощи квантовых законов. Ну а сами атомы, как недавно открыто, в процессе самосборки спонтанно организуются в пирамидальные наночастицы. Приобретение такими микрокристаллами пирамидальной и часто многоступенчатой формы в виде пагод как у кристаллов висмута или золота , может быть связано не только с периодичным размещением атомов в кристалле, но отчасти и с формой самих атомов, обладающих многоуровневой пирамидальной структурой. Подобные кристаллы, сотовые и бипирамидальные структуры формируют и оптические солитоны — уединённые волны, взаимодействующие как магнитные частицы и вихри. Так что и без квантовых гипотез спонтанная организация электронов объясняет структуру электронных слоёв и спектров атомов по магнитной модели Ритца. Бипирамидальный каркас атома выделяет и элементы-ферромагнетики рис. Именно среди них и их соединений открыты яркие ферромагнетики и антиферромагнетики. Даже графит C и твёрдый кислород O в некоторых состояниях оказались ферро- и антиферромагнитными, вопреки квантовой теории, но в согласии с прогнозом классической модели атома [ 10 ]. А соединение азота N с железом Fe оказалось самым сильным ферромагнетиком, превысив предел магнетизма из квантовой теории. В то же время переходные элементы нечётных периодов таблицы Менделеева например, платиновые металлы , у которых ожидался ферромагнетизм [ 12 ], лишены его. Почему же ферромагнетизм присущ лишь немногим элементам? Всё дело в строении атомов: яркими магнитными свойствами обладают атомы с асимметричным строением, в которых магнитные моменты электронов не скомпенсированы. В пирамидальной модели атома такой асимметрией обладают как раз атомы чётных периодов таблицы, а в атомах нечётных периодов заполняются слои, зеркально симметричные предыдущим, и магнитные моменты электронов этих слоёв нейтрализуют друг друга, ориентируясь встречно. Такая встречная ориентация электронов, расположенных друг против друга, обусловлена не мистическими обменными силами, а ориентацией магнитных осей электронов вдоль магнитных силовых линий соседних электронов, отчего их магнитные моменты компенсируются. Это видно на примере двух стрелок компаса: если компасы расположить рядом, то их стрелки установятся навстречу друг другу, создав в сумме лишь слабое магнитное поле как в антиферромагнетике, рис. Но одна стрелка или две стрелки, разнесённые далеко, ориентируются вдоль внешнего поля и создают заметное магнитное поле. Так и в атомах ферромагнетиков разнесённые электроны во внешнем поле или в поле соседних атомов ориентируются сонаправленно, усиливая внешнее поле тем заметней, чем их больше. Оттого у элементов начала чётных периодов, где электроны начинают заполнять новый слой, магнитные свойства ещё слабы. Но, после заполнения электронами примерно половины периметра слоя, их общее магнитное поле уже достаточно для появления доменов, спонтанной намагниченности. Последующее заполнение периметра и рост числа электронов усиливает магнитные свойства: ферромагнетизм веществ нарастает. Но дальнейшее заполнение периметра делает слой всё более симметричным, и магнитные моменты уже отчасти компенсируются. Особенно это заметно при замыкании периметра и дальнейшем заполнении слоя электронами по сужающейся спирали, когда рядом с одними электронами становятся другие, нейтрализующие их магнитные моменты. Оттого яркими магнитными свойствами обладают лишь элементы полупериметра чётных слоёв-периодов с их выраженной асимметрией рис. То же верно для ядер и элементарных частиц: у нейтральных идеально симметричных частиц магнитные моменты нулевые, а заряженные или асимметричные частицы обладают магнитным моментом. Так, нейтрон и протон, имея чуть асимметричную форму, обретают магнитный момент от несбалансированных моментов образующих их электронов и позитронов. Правда, соседние электроны и позитроны стремятся развернуться противоположно друг другу, как в антиферромагнетике, отчего их магнитное поле невелико — много меньше момента электрона. А идеально симметричные пи-мезон и эта-мезон, где моменты частиц точно скомпенсированы, вообще лишены магнитного момента. Так и ферромагнетизм, и антиферромагнетизм явно зависят от симметрии атома и кристаллической решётки. Эту важную роль симметрии вскрыл уже Пьер Кюри, выдающийся исследователь магнетизма и кристаллов. Не исключено, что формирование магнитным полем объёмных структур из магнитных шариков, порошков и жидкостей позволит сконструировать машины и роботы рис. Части такой машины могут даже отделяться, дистанционно удерживаясь магнитным полем. Такой электромагнитный подвес [ 18 ] уже применяют в технике в транспорте на магнитной подушке, в подшипниках конструкции Г. Николаева и т. Более совершенный магнитный подвес поможет сконструировать теория Ритца, предсказывающая подъёмную силу у раскрученных дисков рис. Эффект был реально открыт Шарлем и Серлом ещё в 1950-х гг. Козыревым и другими физиками, повторявшими опыт в разных вариациях. Но поскольку квантовая физика не могла объяснить эффект, его отрицали и замалчивали. А теория Ритца легко объясняет эффект. Ведь поток реонов, отбрасываемый диском, создаёт подъёмную силу и уносит импульс, оказывая давление, подобно давлению тока воздуха от вертолёта, прижимающего траву к земле. То есть раскрученный диск окажет дистанционное отталкивающее воздействие на предметы, помещённые под или над ним. Такой эффект давно открыт Е. Подклетновым [ 18 , 20 ], но отрицается кванторелятивистами включая Гинзбурга , не сумевшими его объяснить. Эффект позволит построить летающий транспорт и генераторы силового поля, которые послужат для броневой защиты военной или космической техники, и для мягкого удержания тел космонавтов при полётах с гигантским ускорением. Лишь мягкое удержание космонавта на весу, придающее одинаковое ускорение всем его органам, позволит избежать повреждений при перегрузках. Не зря многие считают, что именно раскрученные диски — основа инопланетных космических кораблей и тарелок-НЛО. Идея применения для полётов магнетизма и раскрученных дисков восходит к Сирано Де Бержераку предложившему, наряду с ракетным двигателем,— магнитный , а также к Дж.
После воздействия такого поля на металл он еще долгое время сохраняет значительную намагниченность и имеет свое магнитное поле. Искусственные магниты можно сделать любой формы и размеров. Примечание 1 Интересный факт: наша планета Земля представляет собой огромный магнит. Раскаленная масса, состоящая из смеси заряженных частиц, вращается вместе с Землей.
Часто задаваемые вопросы по неодимовым магнитам (FAQ)
Лучше всего к магнитам притягиваются. Стальная полоса станет мощным магнитом и притянет любой железный предмет от гвоздя до холодильника. Это объясняет, почему некоторые магниты притягивают предметы с большей силой, чем другие.
Какой цветной металл магнитится
| Почему магнит притягивает железо? - Актуальные вопросы 2024 | Микроатомы обладают магнитным эффектом и состоят в полном равновесии, но магниты своим притяжением влияют на некоторые виды металлов, таких как: железо, никель, кобальт. |
| Почему Магнит Притягивает Железо | А правда, почему кусок железа или ферромагнетика притягивается к магниту? |
Неодимовый магнит – суперсильный и суперполезный
Это объясняет, почему железо притягивается к магниту с большой силой. Почему магнит притягивает железо? Постоянный магнит — вещество, имеющее остаточную намагниченность. Атомы в магнитах упорядочены таким образом, что их способность взаимодействовать с атомами других тел значительно выше, чем у. Как и другие постоянные магниты, неодимовый магнит притягивает только ферромагнетики. Магнит притягивает только железо; · Магнит может притягивать предметы на расстоянии, благодаря магнитному полю. Поскольку мы регулярно подвергаемся воздействию магнитов, которые, как мы знаем, притягивают железо, возникает вопрос: можно ли извлечь железо из крови с помощью мощного магнита?
Магнит и магнитное поле: почему притягивается только металл? .
Например, длинный железный гвоздь начинает притягивать к себе другие железные предметы, которых не может притянуть магнит, который намагнитил гвоздь. Почему магнит не притягивает органические вещества? «У железа и похожих на него металлов есть особенная черта — связь между соседними атомами такова, что они чувствуют магнитное поле скоординированно». Почему магнит притягивает лишь определенные вещества?
Магнит. 4. Почему к постоянному магниту притягиваются и другой магнит, и кусок железа?
| Почему магнит притягивает только металл | Неодимовые магниты содержат железо, а это значит, что они подвержены коррозии. Даже элементарная влага из воздуха способна привести со временем к появлению ржавчины, ослаблению мощности, разрушению. |
| Какой полюс магнита притягивает железо? | Наука - 24 декабря 2020 - Новости Новосибирска - |
| Являются ли магниты металлом? Правда, объясненная любителям науки | Наука - 24 декабря 2020 - Новости Новосибирска - |
| Почему магнит притягивает железо? - Актуальные вопросы 2024 | Почему к постоянному магниту не притягиваются одни материалы, зато отлично «липнут» другие? |
| Почему у магнита два полюса? – Tokzamer | Но раз к магниту притягиваются все вещества, то исходный вопрос можно переформулировать так: «Почему же тогда именно железо так сильно притягивается магнитом, что проявления этого легко заметить в повседневной жизни?». |
Новосибирский школьник «притягивает» к себе ложки и мелочь — его мама сняла это на видео
Микроатомы обладают магнитным эффектом и состоят в полном равновесии, но магниты своим притяжением влияют на некоторые виды металлов, таких как: железо, никель, кобальт. Причина, по которой магнит притягивает железо, связана с его ферромагнетизмом, который также называют сильным магнетизмом. Почему магнит не притягивает органические вещества? «У железа и похожих на него металлов есть особенная черта — связь между соседними атомами такова, что они чувствуют магнитное поле скоординированно». притягивать, «любить» железо.