Pintu masukElektrik dan kemagnetan. Teori kuantum kemagnetan
Selepas Ampere menjangkakan bahawa tiada "cas magnet" wujud dan bahawa kemagnetan jasad dijelaskan oleh arus pekeliling molekul (§§ 57 dan 61), hampir seratus tahun berlalu apabila, akhirnya, andaian ini telah dibuktikan sepenuhnya dengan meyakinkan melalui eksperimen langsung. Persoalan sifat kemagnetan telah diselesaikan oleh eksperimen dalam bidang yang dipanggil fenomena magneto-mekanikal. Kaedah untuk menjalankan dan mengira eksperimen ini telah dibangunkan berdasarkan idea tentang struktur atom yang dibangunkan oleh Rutherford pada tahun 1911 dan Bohr pada tahun 1913 (namun, beberapa eksperimen yang serupa dalam konsep telah dijalankan sebelum ini, khususnya oleh Maxwell, tetapi tidak berjaya. ).
Apabila Rutherford mengkaji fenomena radioaktiviti, didapati bahawa elektron dalam atom berputar dalam orbit tertutup mengelilingi nukleus atom bercas positif; Bohr menunjukkan dalam analisis teori spektrum bahawa hanya beberapa orbit ini stabil; akhirnya, selepas ini (pada tahun 1925, juga berdasarkan analisis spektrum), putaran elektron di sekeliling paksinya ditemui, seolah-olah analog dengan putaran harian Bumi; gabungan data ini membawa kepada pemahaman yang jelas tentang sifat arus bulatan ampere. Menjadi jelas bahawa unsur-unsur utama kemagnetan dalam bahan ialah: sama ada putaran elektron di sekeliling nukleus, atau putaran elektron di sekeliling paksinya, atau kedua-dua putaran ini secara serentak.
Apabila dipentaskan pada tahun 1914-1915. Eksperimen magnetomekanikal pertama yang berjaya, yang dijelaskan di bawah, pada mulanya mengandaikan bahawa sifat magnet bahan ditentukan sepenuhnya oleh gerakan orbit elektron di sekeliling nukleus. Walau bagaimanapun, keputusan kuantitatif eksperimen yang dinyatakan di atas menunjukkan bahawa sifat bahan feromagnetik dan paramagnet tidak ditentukan oleh pergerakan elektron dalam orbit, tetapi oleh putaran elektron di sekeliling paksinya.
Untuk memahami maksud eksperimen magnetomekanikal dan menilai dengan betul kesimpulan yang mana eksperimen ini membawa, adalah perlu untuk mengira nisbah momen magnet arus bulat yang dicipta oleh pergerakan elektron ke momentum sudut mekanikal elektron.
Magnitud sebarang arus, seperti yang diketahui, ditentukan oleh jumlah elektrik yang melalui keratan rentas per unit masa; Adalah jelas bahawa magnitud arus yang bersamaan dengan putaran orbit elektron adalah sama dengan hasil darab cas elektron dan bilangan putaran per unit masa, di mana adalah kelajuan elektron dan jejari orbit. Produk yang ditunjukkan menyatakan nilai arus yang setara dalam unit elektrostatik. Untuk mendapatkan magnitud arus dalam unit elektromagnet, produk yang ditunjukkan mesti dibahagikan dengan kelajuan cahaya (ms 296); Oleh itu,
Arus bulat menghasilkan medan magnet yang sama seperti kepingan magnet dengan daya kilas yang sama dengan hasil darab arus dan kawasan yang mengalir di sekelilingnya [formula (17)]:
Oleh itu, kita melihat bahawa pergerakan elektron mengelilingi nukleus memberikan kepada atom momen magnet yang sama dengan
Membandingkan momen magnet ini dengan momentum sudut mekanikal elektron:
kita dapati nisbah momen magnetik kepada impuls mekanikal tidak bergantung sama ada pada kelajuan elektron atau jejari orbit.
Malah, teori yang lebih lengkap menunjukkan bahawa persamaan (33) adalah sah bukan sahaja untuk orbit bulat, tetapi juga untuk orbit elips elektron.
Putaran elektron di sekeliling paksinya memberikan momen magnet tertentu kepada elektron itu sendiri. Putaran elektron di sekeliling paksinya dipanggil spin (dari perkataan Inggeris"pusing", bermaksud putaran mengelilingi paksi). Jika kita mengandaikan bahawa elektron mempunyai bentuk sfera dan bahawa cas elektron diedarkan dengan ketumpatan seragam ke atas permukaan sfera, maka pengiraan menunjukkan bahawa nisbah momen magnet putaran elektron kepada momentum mekanikal putaran elektron di sekeliling. paksinya adalah dua kali lebih besar daripada nisbah yang sama untuk gerakan orbit:
Pertimbangan di atas tentang perkadaran momen magnet dan momentum putaran menunjukkan bahawa, dalam keadaan tertentu, fenomena magnet mungkin dikaitkan dengan kesan giroskopik. Maxwell cuba menemui secara eksperimen hubungan ini antara fenomena magnetik dan kesan giroskopik, tetapi hanya untuk Einstein dan de Haas (1915), A.F. Ioffe dan P.L. Kapitsa (1917) dan Barnet (1914 dan 1922.) buat kali pertama untuk menjalankan eksperimen yang berjaya. Einstein dan de Haas menetapkan bahawa rod besi yang digantung dalam solenoid sebagai teras, apabila dimagnetkan oleh arus yang melalui solenoid, memperoleh impuls putaran (Rajah 256). Untuk mendapatkan kesan yang ketara, Einstein dan de Haas mengambil kesempatan daripada fenomena resonans, melakukan pembalikan magnetisasi berkala dengan arus ulang alik dengan frekuensi bertepatan dengan frekuensi getaran kilasan semula jadi rod.
nasi. 256. Skim eksperimen Einstein dan de Haas, a - cermin, O - sumber cahaya.
Kesan Einstein dan de Haas menjelaskan seperti berikut. Apabila dimagnetkan, paksi magnet asas - "puncak elektron" - berorientasikan ke arah medan magnet; jumlah geometri impuls putaran "puncak elektronik" menjadi berbeza daripada sifar, dan sejak permulaan eksperimen, impuls putaran rod besi (dianggap sebagai sistem mekanikal atom) adalah sama dengan sifar, kemudian mengikut undang-undang pemuliharaan momentum putaran
(vol. I, § 38) disebabkan oleh kemagnetan, rod secara keseluruhan mesti memperoleh impuls putaran yang sama magnitud, tetapi bertentangan arah dengan jumlah geometri impuls putaran "puncak elektronik".
Barnet melakukan eksperimen bertentangan Einstein dan de Haas, iaitu, Barnet menyebabkan kemagnetan rod besi, menyebabkan ia berputar dengan cepat; kemagnetan berlaku dalam arah yang bertentangan dengan paksi putaran. Sama seperti, disebabkan oleh putaran harian Bumi, paksi girocompass mengambil kedudukan selari dengan paksi bumi (vol. I, § 38), dengan cara yang sama, dalam eksperimen Barnet, paksi "puncak elektronik" mengambil kedudukan selari dengan paksi putaran rod besi (disebabkan oleh fakta bahawa Jika cas elektron negatif, arah magnetisasi akan bertentangan dengan paksi putaran rod).
Dalam eksperimen A.F. Ioffe dan P.L. Kapitsa (1917), batang besi bermagnet yang digantung pada benang telah mengalami pemanasan pantas di atas titik Curie. Dalam kes ini, susunan "puncak asas" yang diperintahkan, yang paksinya, disebabkan oleh magnetisasi, berorientasikan sepanjang medan selari dengan paksi rod, telah hilang dan digantikan dengan pengagihan huru-hara arah paksi, supaya jumlah momen magnet dan mekanikal "puncak asas" ternyata hampir kepada sifar (Rajah 257). Disebabkan oleh undang-undang pemuliharaan momentum sudut, rod besi memperoleh momentum putaran apabila dinyahmagnetkan.
nasi. 257. Rajah menerangkan idea eksperimen Ioffe-Kapitsa. a - batang besi dimagnetkan; b - rod dinyahmagnetkan dengan memanaskan di atas titik Curie.
Pengukuran momen magnet dan momentum putaran dalam eksperimen Einstein dan de Haas, dalam eksperimen Barnet dan dalam eksperimen Ioffe dan Kapitsa, yang berulang kali diulang oleh ramai saintis, menunjukkan bahawa nisbah kuantiti ini ditentukan oleh formula. (34), dan bukan dengan formula (33). Ini menunjukkan bahawa unsur utama kemagnetan dalam besi (dan dalam badan feromagnetik secara amnya) ialah putaran paksi spin elektron, dan bukan gerakan orbit elektron di sekeliling nukleus positif atom.
Walau bagaimanapun, pergerakan orbit elektron juga mempengaruhi sifat magnet bahan: momen magnet atom, ion dan molekul ialah jumlah geometri putaran dan momen magnet orbital (namun, struktur atom sedemikian rupa sehingga momen putaran sekali lagi memainkan peranan yang menentukan. peranan dalam jumlah ini).
Apabila jumlah momen magnetik zarah adalah sifar, bahan itu ternyata diamagnet. Secara formal, bahan diamagnet dicirikan oleh kebolehtelapan magnet kurang daripada satu oleh itu, kepekaan magnet negatif bermakna bahan diamagnet dimagnetkan ke arah yang bertentangan dengan kekuatan medan magnet.
Teori elektronik menerangkan diamagnetisme oleh pengaruh medan magnet pada gerakan orbit elektron di sekeliling nukleus. Pergerakan elektron ini, seperti yang telah dijelaskan, adalah bersamaan dengan arus. Apabila medan magnet mula bertindak ke atas atom dan keamatannya meningkat daripada sifar kepada nilai tertentu, "arus tambahan diaruhkan," yang, menurut hukum Lenz (§ 71), mempunyai arah sedemikian sehingga momen magnet yang dicipta oleh "arus tambahan" ini sentiasa diarahkan bertentangan dengan arus yang meningkat dari sifar ke medan. Jika medan magnetisasi berserenjang dengan satah orbit, maka ia hanya mengubah kelajuan elektron dalam orbitnya, dan nilai kelajuan yang berubah ini dikekalkan selagi atom berada dalam medan magnet; jika medan tidak berserenjang dengan satah orbit, maka gerakan precessional paksi orbit mengelilingi arah medan timbul dan ditubuhkan (serupa dengan pendahuluan paksi atas mengelilingi menegak yang melalui titik tumpu atas) (Jilid I, § 38).
Pengiraan membawa kepada formula berikut untuk kerentanan magnet bahan diamagnet:
di sini cas dan jisim elektron, bilangan elektron dalam atom, bilangan atom per unit isipadu bahan, jejari purata orbit elektron.
Oleh itu, kesan diamagnet adalah harta bersama semua bahan; bagaimanapun, kesan ini adalah kecil, dan oleh itu ia hanya boleh diperhatikan jika tiada kesan paramagnet yang kuat bertentangan dengannya.
Teori paramagnetisme telah dibangunkan oleh Langevin pada tahun 1905 dan dibangunkan berdasarkan konsep moden oleh Fleck, Stoner dan lain-lain (pada tahun 1927 dan pada tahun-tahun berikutnya). Bergantung pada struktur atom, momen magnet yang dicipta oleh elektron intra-atom individu boleh sama ada membatalkan satu sama lain, supaya atom secara keseluruhannya menjadi bukan magnet (bahan tersebut menunjukkan sifat diamagnet), atau yang terhasil. momen magnetik atom ternyata bukan sifar. Dalam kes terakhir ini, seperti yang ditunjukkan oleh mekanik kuantum, momen magnetik atom (lebih tepat, kulit elektronnya) secara semula jadi dinyatakan (Jilid III, §§ 59, 67-70) melalui sejenis "atom kemagnetan" Menurut kepada kuantum
Dalam mekanik, "atom kemagnetan" ini ialah momen magnet yang dicipta oleh putaran elektron di sekeliling nukleus - magneton Bohr, sama dengan
(di sini cas elektron, pemalar Planck, c ialah kelajuan cahaya, jisim elektron).
Setiap elektron mempunyai momen magnet yang sama, tanpa mengira pergerakannya di sekeliling nukleus, tetapi disebabkan oleh strukturnya atau, seperti yang biasa mereka katakan, disebabkan oleh putarannya di sekeliling paksi. Momen magnet putaran adalah sama dengan magneton Bohr, manakala momen mekanikal putaran [mengikut formula (33) dan (34)] adalah sama dengan separuh momen orbital elektron.
Sesetengah nukleus atom juga mempunyai momen magnet, tetapi beribu kali lebih kecil daripada momen magnet yang wujud dalam kulit elektron atom § 115). Momen magnet nukleus dinyatakan melalui magneton nuklear, yang nilainya ditentukan oleh formula yang sama dengan nilai magneton Bohr, jika dalam formula ini jisim elektron digantikan dengan jisim proton.
Menurut teori Langevin, apabila bahan paramagnet dimagnetkan, molekul-molekul diorientasikan oleh momen magnetnya ke arah garis medan, tetapi terma molekul.
pergerakan ke satu tahap atau yang lain mengganggu orientasi ini. Gambar molekul magnetisasi bahan paramagnet adalah serupa dengan polarisasi dielektrik (§ 22), jika, tentu saja, kita membayangkan bahawa dipol elektrik keras digantikan oleh magnet asas, dan medan elektrik- medan magnet. Tahap orientasi magnet asas dalam arah medan magnetisasi boleh dinilai dengan nilai unjuran purata momen magnet ke arah medan (dikira setiap molekul). Dengan susunan rawak paksi magnet asas, apabila semua magnet asas berorientasikan ke arah medan,
Langevin menunjukkan bahawa pada suhu dan pada keamatan medan magnet dalaman pada waktu pagi, sama dengan formula dalam § 22), nisbah dinyatakan oleh fungsi berikut:
Untuk nilai kecil, seperti yang telah disebutkan dalam § 22, fungsi Langevin di atas (36) mengambil nilai y, jadi dalam kes ini
Jelas sekali, kemagnetan adalah sama dengan hasil darab nilai dan bilangan molekul per unit isipadu:
Oleh itu, pada ketumpatan malar sesuatu bahan, kemagnetan adalah berkadar songsang dengan suhu mutlak. Fakta ini telah ditubuhkan secara empirik oleh Curie pada tahun 1895.
Bagi kebanyakan bahan paramagnet, ia adalah kecil berbanding dengan kesatuan, oleh itu, dengan menggantikan dalam formula dan menggantikan melalui, kita boleh mengabaikan nilai berbanding dengan perpaduan; maka kita dapat:
di mana menunjukkan kerentanan magnet khusus (iaitu, kerentanan per unit jisim). Formula ini dipanggil undang-undang Curie. Bagi kebanyakan paramagnet, bentuk undang-undang Curie yang lebih kompleks berikut [formula (31)] adalah lebih tepat:
Nilai untuk sesetengah bahan paramagnet adalah positif, bagi yang lain adalah negatif.
Apabila dimagnetkan, bahan paramagnet ditarik ke dalam ruang antara kutub magnet. Oleh itu, semasa kemagnetan, bahan paramagnet boleh menghasilkan kerja, manakala kerja mesti dibelanjakan untuk penyahmagnetan. Dalam hal ini, seperti yang diramalkan secara teori oleh Debye, bahan paramagnet semasa penyahmagnetan adiabatik pantas harus mengalami beberapa penyejukan (terutamanya di kawasan suhu yang sangat rendah, di mana kerentanan magnet paramagnet meningkat dengan ketara dengan penurunan suhu). Eksperimen yang dijalankan sejak tahun 1933 di beberapa makmal mengesahkan kesimpulan teori dan berfungsi sebagai asas untuk pembangunan kaedah magnetik untuk penyejukan badan yang mendalam. Bahan paramagnet disejukkan dengan kaedah konvensional dalam medan magnet kepada suhu helium cecair, selepas itu bahan itu cepat dikeluarkan dari medan magnet, yang menyebabkan penurunan suhu yang lebih besar dalam bahan ini. Kaedah ini menghasilkan suhu yang berbeza daripada sifar mutlak sebanyak perseribu darjah.
Ciri ciri bahan feromagnetik ialah dalam medan yang agak lemah ia dimagnetkan hampir untuk melengkapkan ketepuan. Oleh itu, dalam ferromagnet terdapat beberapa daya yang, mengatasi pengaruh gerakan terma, menggalakkan orientasi tertib momen magnet asas. Andaian tentang kewujudan medan kuasa dalaman yang menggalakkan kemagnetan ferromagnet pertama kali dinyatakan oleh saintis Rusia B. L. Rosing pada tahun 1892 dan disokong oleh P. Weiss pada tahun 1907.
Dalam bahan feromagnetik, magnet asas ialah elektron yang berputar di sekeliling paksinya - berputar. Dalam perkembangan idea Weiss, diandaikan bahawa putaran, yang terletak di nod kekisi kristal dan berinteraksi antara satu sama lain, mewujudkan medan dalaman, yang di kawasan kecil berasingan kristal feromagnetik (kawasan ini dipanggil domain) bertukar. semua putaran dalam satu arah, supaya setiap kawasan tersebut (domain) ternyata secara spontan (secara spontan) dimagnetkan kepada tepu. Walau bagaimanapun, kawasan bersebelahan kristal jika tiada medan magnet luar mempunyai arah yang tidak sama
kemagnetan. Pengiraan menunjukkan bahawa, sebagai contoh, dalam kristal besi, magnetisasi "spontan" boleh berlaku ke arah mana-mana tepi sel kristal padu.
Medan magnet luar yang lemah menyebabkan semua putaran dalam domain berpusing ke arah pinggir sel padu itu yang menjadikan sudut terkecil dengan arah medan magnet.
nasi. 258. Orientasi putaran dalam domain semasa magnetisasi feromagnet.
Lagi medan yang kuat menyebabkan putaran baru putaran lebih dekat dengan arah medan. Ketepuan magnetik dicapai apabila momen magnet semua kawasan mikrokristalin bermagnet secara spontan berorientasikan ke arah medan. Apabila dimagnetkan, bukan domain yang berputar, tetapi semua putaran di dalamnya; semua bahagian belakang dalam mana-mana mikrokristalin berpusing pada masa yang sama, seperti askar dalam formasi; putaran putaran ini berlaku dahulu dalam beberapa domain, kemudian pada domain lain. Oleh itu, proses kemagnetan bahan feromagnetik adalah secara berperingkat (Rajah 258).
Secara eksperimen, kemagnetan berperingkat pertama kali ditemui oleh Barkhausen (1919). Eksperimen paling mudah yang sesuai untuk menunjukkan fenomena ini adalah seperti berikut: batang besi yang dimasukkan ke dalam gegelung yang disambungkan ke telefon secara beransur-ansur dimagnetkan dengan perlahan-lahan memutar magnet ladam kuda yang digantung di atas gegelung (Gamb. 259); Pada masa yang sama, bunyi gemerisik ciri kedengaran dalam telefon, yang terpecah menjadi degupan yang berasingan jika medan magnet ditukar dengan cukup perlahan (seperseratus satu oersted setiap 1 saat).
nasi. 259. Percubaan Barkhausen.
Ternyata kesan Barkhausen sangat kuat apabila memmagnetkan dawai nikel nipis, yang sebelum ini digulung menjadi keriting dengan menariknya melalui blok, dan kemudian dimasukkan ke dalam kapilari, yang menahannya secara paksa dalam keadaan lurus. Sifat kemagnetan terputus-putus mempengaruhi gambar rajah kemagnetan dalam bentuk langkah-langkah kecil yang berperingkat (Rajah 260).
Bidang magnetisasi spontan - domain - telah ditemui secara eksperimen dan dikaji oleh N. S. Akulov, yang menggunakan untuk tujuan ini kaedah pengesanan kecacatan magnet serbuk yang dibangunkannya. Oleh kerana domain adalah serupa dengan magnet kecil, medan di sempadan antara mereka tidak seragam.
nasi. 260. Sifat terpijak keluk magnetisasi. Kawasan yang ditandakan dengan bulatan ditunjukkan pada skala yang diperbesarkan.
Untuk mendedahkan garis besar domain, sampel bahan feromagnetik yang dinyahmagnetkan diletakkan di bawah mikroskop dan permukaan sampel disalut dengan cecair yang mengandungi habuk besi terbaik yang terampai di dalamnya. Debu besi, berkumpul berhampiran sempadan domain, menandakan konturnya dengan jelas (Rajah 261),
nasi. 261. Domain dalam besi tulen (a), dalam besi silikon (b) dan dalam kobalt (c).
Dalam gambar asal usul sifat feromagnetik yang dijelaskan di atas, satu perkara masih tidak jelas untuk beberapa waktu bahagian penting, iaitu sifat daya yang membentuk medan dalaman yang menyebabkan orientasi tertib putaran di dalam domain. Pada tahun 1927 ahli fizik Soviet Ya. G. Dorfman menjalankan eksperimen yang menunjukkan bahawa daya medan dalaman dalam feromagnet tidak
adalah daya interaksi magnetik, tetapi mempunyai asal yang berbeza. Dengan mengasingkan pancaran sempit daripada aliran elektron yang bergerak pantas ("sinar beta" yang dipancarkan oleh bahan radioaktif), Dorfman memaksa elektron ini melalui filem ferromagnetik nipis nikel; Plat fotografi diletakkan di belakang filem nikel, yang memungkinkan, selepas pembangunan, untuk menentukan di mana elektron bertemu dengannya, supaya dapat mengukur dengan ketepatan yang tinggi sudut di mana elektron terpesong apabila melalui magnet. filem nikel (Gamb. 262). Pengiraan menunjukkan bahawa jika medan dalaman dalam feromagnet adalah daripada sifat interaksi magnet biasa, maka kesan pancaran elektron akan beralih pada plat fotografi dalam pemasangan Dorfman sebanyak hampir 2 cm; sebenarnya anjakan itu ternyata boleh diabaikan.
nasi. 262. Rajah menerangkan idea eksperimen Dorfman.
Kajian teori oleh prof. Frenkel (1928) dan kemudiannya Bloch, Stoner dan Slater menunjukkan bahawa orientasi tertib putaran dalam domain disebabkan oleh sejenis daya khas, kewujudannya didedahkan oleh mekanik kuantum dan yang menampakkan diri dalam interaksi kimia atom (dalam ikatan kovalen; Daya-daya ini, mengikut kaedah mengira dan mentafsirkannya yang diterima dalam mekanik kuantum, dipanggil kuasa pertukaran. Pengiraan telah menunjukkan bahawa tenaga interaksi pertukaran antara atom besi dalam kristal tunggal adalah beratus-ratus kali lebih tinggi daripada tenaga interaksi magnetik. Ini adalah konsisten dengan ukuran yang dibuat oleh Ya G. Dorfman dalam eksperimen yang dinyatakan di atas.
Walau bagaimanapun, secara praktikalnya paling banyak sifat penting Ferromagnet ditentukan bukan oleh interaksi pertukaran, tetapi terutamanya oleh interaksi magnetik. Hakikatnya ialah walaupun kewujudan kawasan magnetisasi (domain) "spontan" dalam ferromagnet disebabkan oleh daya pertukaran (orientasi putaran yang teratur sepadan dengan tenaga minimum interaksi pertukaran, iaitu, adalah yang paling stabil), yang dominan. arah kemagnetan domain ditentukan oleh simetri kekisi kristal dan sepadan dengan tenaga minimum interaksi magnetik. Dan proses kemagnetan teknikal, seperti yang dijelaskan di atas (Rajah 258), terdiri daripada membalikkan semua putaran di dalam domain individu, pertama ke arah paksi kristalografi pengmagnetan mudah, yang menjadikan sudut terkecil dengan arah medan, dan kemudian dalam memusingkan putaran ke arah padang. Perbelanjaan tenaga yang diperlukan untuk melakukan pusingan pusingan secara berperingkat-peringkat secara bergilir-gilir
domain dan putarannya di sepanjang medan, serta beberapa kuantiti yang bergantung pada kos tenaga yang ditentukan (nilai yang menentukan kemagnetan, magnetostriction dan fenomena lain), paling berjaya dikira dengan kaedah yang dibangunkan oleh N. S. Akulov (sejak 1928). dan E E. Kondorsky (sejak 1937).
nasi. 263. Perbandingan lengkung magnetisasi teori dengan data eksperimen (ia ditunjukkan dalam bulatan) untuk kristal tunggal besi.
Daripada Rajah. 263, yang kami kemukakan sebagai salah satu contoh, seseorang dapat melihat bahawa lengkung teori yang diperolehi daripada persamaan N. S. Akulov adalah dalam persetujuan yang baik dengan data eksperimen; rajah di sebelah kanan mewakili kemagnetan hablur tunggal besi ke arah pepenjuru ruang kekisi padu, gambar rajah di sebelah kiri mewakili sama dalam arah pepenjuru muka kubus,
Penemuan besar seterusnya berlaku hampir secara tidak sengaja. Hans Christian Ørsted (1777-1851), profesor fizik di Universiti Copenhagen, sedang bersedia untuk kuliah mengenai elektrik dan kemagnetan; Untuk melakukan ini, dia membawa bateri ke dalam kelas untuk menunjukkan kesan arus elektrik. Dia meletakkan kompas di sebelah bateri untuk menunjukkan daya magnet. Sebelum ini, dia telah menyedari bahawa terdapat beberapa hubungan antara elektrik dan kemagnetan: sebagai contoh, jarum kompas menjadi liar semasa ribut petir.
Terdapat sedikit masa yang tinggal sebelum permulaan kuliah, dan profesor memutuskan untuk menjalankan eksperimen kecil. Oersted meletakkan kompas di sebelah wayar di mana arus elektrik mengalir, dan syak wasangkanya disahkan: di bawah pengaruh arus, jarum kompas mula bergerak. Oleh itu, dua fenomena berasingan, elektrik dan kemagnetan, yang sebelum ini dianggap sepenuhnya berasingan, sebenarnya ternyata bersambung antara satu sama lain. Oersted meneruskan penyelidikannya dan menerbitkan hasilnya pada tahun 1820.
Berita tentang penemuan Oersted tersebar dengan cepat. Beberapa tahun kemudian, artikelnya dibacakan pada mesyuarat Akademi Sains Perancis. Ampère juga hadir pada mesyuarat ini, dan dia segera mula mengusahakan penjelasan tentang fenomena yang ditemui oleh Oersted. Teori itu siap dalam masa seminggu dan menjadi asas untuk menggabungkan elektrik dan kemagnetan ke dalam teori elektromagnetisme.
André Marie Ampère (17751836) dilahirkan berhampiran Lyon. Bapanya, seorang saudagar kaya yang berkhidmat sebagai hakim keamanan di Lyon, telah dihukum bunuh semasa Revolusi Perancis. Kini rumah Ampere telah dijadikan muzium dan dibuka kepada orang ramai. Semasa kecil, Ampere tidak pergi ke sekolah, tetapi memperoleh pengetahuannya dengan membaca buku. Berikut adalah episod yang bercakap tentang ingatan yang sangat baik dan kebolehan pembelajarannya. Semasa masih kecil, dia pergi ke Perpustakaan Lyon dan meminta buku oleh ahli matematik terkenal Euler dan Bernoulli. Pustakawan menjelaskan kepada budak lelaki itu bahawa ini adalah buku matematik yang rumit yang sukar untuk dia fahami, dan selain itu, ia ditulis dalam bahasa Latin. Berita tentang bahasa Latin mengelirukan Ampere, tetapi dia memutuskan kejahilan itu bahasa latin tak patut kacau dia. Beberapa minggu kemudian dia kembali ke perpustakaan, sudah mengetahui bahasa Latin, dan mula membaca buku-buku ini.
Ampere berkahwin pada usia 24 tahun dan menyara keluarganya dengan bekerja guru sekolah. Pada tahun 1808 beliau telah dilantik sebagai inspektor sekolah dan kekal dalam jawatan ini sepanjang hayatnya. Di samping itu, beliau bekerja sebagai profesor di Paris. Menjelang tahun 1820, apabila Ampère mula berminat dengan elektromagnetisme, dia sudah terkenal dengan karyanya dalam matematik dan kimia. Saintis serba boleh ini bermula sebagai profesor matematik, kemudian menjadi profesor falsafah, dan kemudian profesor astronomi! Bermula pada tahun 1824, Ampère sudah pun menjadi profesor fizik di Kolej de France.
Ampère tidak berpuas hati dengan hanya menerangkan keputusan Oersted dan memulakan penyelidikannya sendiri.
Sebagai contoh, dia menunjukkan bahawa dengan menggulung wayar elektrik ke dalam gegelung, adalah mungkin untuk mencipta magnet buatan—elektromagnet yang bertindak sama seperti magnet semula jadi. Ampère dengan berani, tetapi agak betul, mencadangkan bahawa magnet semula jadi mengandungi dalam diri mereka gegelung kecil arus berterusan, yang bertindak bersama untuk mencipta kemagnetan semula jadi.
Ampere segera menyedari kepentingan fenomena elektromagnetisme dalam penghantaran maklumat. Dengan menghidupkan dan mematikan arus, anda boleh menggerakkan jarum kompas yang terletak agak jauh. Mesej boleh dihantar sepantas arus elektrik bergerak. Tidak lama kemudian pengeluaran peranti telegraf yang beroperasi pada prinsip ini bermula. Salah satu talian telegraf pertama diletakkan pada tahun 1834 di Göttingen antara makmal Wilhelm Weber dan balai cerap astronomi Carl Friedrich Gauss. Pada tahun yang sama, talian telegraf komersial pertama yang menghubungkan Washington dan Baltimore (AS) telah ditubuhkan oleh Samuel Morse, pencipta kod Morse.
Seorang lagi saintis yang segera menghargai kepentingan besar penemuan Oersted ialah orang Inggeris Michael Faraday. Dia adalah anak seorang tukang besi dan mendapat pendidikan yang minima. Pada usia 13 tahun dia menjadi perantis penjilid buku. Mengikat buku, dia membacanya. Salah seorang pelanggannya memberinya langganan percuma untuk menghadiri kuliah umum Humphry Davy (17781829). Faraday membuat nota kuliah yang kemas, mengikatnya dengan cantik, dan menghantarnya kepada Davy dengan nota yang bertanya sama ada Davy ada kerja untuknya. Bayangkan Faraday terkejut apabila Davy menjemputnya ke tempatnya. Ringkasan itu ditulis dengan sangat teliti dan memberi kesan yang baik kepada Davy. Pada tahun 1820, dia menawarkan budak lelaki itu jawatan sebagai pembantunya di Institusi Diraja di London. Maka bermulalah salah satu kerjaya yang paling terkenal dalam sains. Dikatakan bahawa penemuan terbesar Davy ialah Faraday.
Faraday belajar dengan Davy sendiri. Apabila Davy pergi dalam lawatan selama lapan belas bulan ke benua itu, dia membawa bersamanya Faraday, yang di sana bertemu, antara lain, Ampère dan Volta. Apabila Davy bekerja di Paris dengan Louis GayLuse a com, belajar yang baru unsur kimia- iodin, Faraday membantu mereka. Walau bagaimanapun, walaupun di rumah tugas rasminya termasuk menjalankan eksperimen kimia.
Selain daripada minat sementara dalam elektromagnetisme yang disebabkan oleh penemuan Oersted, Faraday adalah seorang ahli kimia profesional sehingga 1830. Pada tahun 1833 beliau menjadi profesor kimia di Institusi Diraja. Tetapi pada masa ini minat saintifiknya sudah berubah. Faraday yakin bahawa jika arus elektrik boleh menghasilkan daya magnet, maka magnet mesti mampu mencipta arus elektrik. Pendapat ini dikongsi oleh ramai, antaranya ialah Ampere, yang bagaimanapun, tidak dapat mengesahkan idea yang menarik ini.
Sepanjang beberapa tahun, Faraday menjalankan pelbagai eksperimen mengenai elektromagnetisme. Pada tahun 1831 dia meletakkan satu gegelung di dalam gegelung lain. Apabila arus dialirkan melalui salah satu gegelung, ia menjadi elektromagnet. Faraday ingin mengetahui sama ada magnet boleh menyebabkan arus elektrik muncul dalam gegelung kedua. Sesungguhnya, arus timbul, tetapi hanya seketika - hanya apabila elektromagnet dihidupkan atau dimatikan. Ini membawa Faraday kepada penemuan penting: menukar magnet—contohnya, menukar kekuatan magnet atau memutarkannya—menjana arus elektrik dalam gegelung berdekatan. Kuncinya di sini ialah menukar magnet.
Ini membolehkan Faraday membina penjana elektrik - dinamo mudah, yang pada masa akan datang menjadi asas kejuruteraan elektrik. Suatu hari dia menunjukkan penemuannya kepada William Gladstone, yang merupakan Setiausaha Perbendaharaan pada masa itu, dan dia bertanya: "Nah, bagaimana ini boleh digunakan?" Faraday menjawab: "Agak mungkin, tuan, suatu hari nanti anda akan dapat mengenakan cukai."
Interaksi.
Interaksi magnetik antara besi dan magnet atau antara magnet berlaku bukan sahaja apabila ia bersentuhan langsung, tetapi juga pada jarak jauh. Apabila jarak bertambah, daya interaksi berkurangan, dan pada jarak yang cukup besar ia tidak lagi dapat dilihat. Akibatnya, sifat bahagian ruang berhampiran magnet berbeza daripada sifat bahagian ruang di mana daya magnet tidak nyata. Di ruang di mana daya magnet muncul, terdapat medan magnet.
Jika jarum magnet dimasukkan ke dalam medan magnet, maka ia akan dipasang dengan cara yang sangat pasti, dan dalam pelbagai tempat medan ia akan ditetapkan secara berbeza.
Pada tahun 1905, Paul Langevin, berdasarkan teorem Larmor dan teori elektronik Lorentz, membangunkan tafsiran klasik tentang teori dia- dan paramagnetisme.
Magnet semulajadi dan tiruan
Magnetite (bijih besi magnetik) - batu yang menarik besi, diterangkan oleh saintis kuno. Ia adalah magnet semula jadi yang dipanggil, didapati agak kerap di alam semula jadi. Ia adalah mineral yang meluas dengan komposisi 31% FeO dan 69% Fe2O3, mengandungi 72.4% besi.Jika anda memotong jalur dari bahan tersebut dan menggantungnya pada benang, maka ia akan dipasang di ruang angkasa dengan cara yang sangat khusus: di sepanjang garis lurus dari utara ke selatan. Jika anda mengambil jalur keluar dari keadaan ini, iaitu, menyimpang dari arah di mana ia berada, dan kemudian sekali lagi biarkan ia sendiri, maka jalur, setelah membuat beberapa ayunan, akan mengambil kedudukan sebelumnya, ditubuhkan dalam arah dari utara ke selatan.
Jika anda membenamkan jalur ini dalam pemfailan besi, mereka tidak akan tertarik pada jalur sama rata di mana-mana. Daya tarikan terbesar adalah di hujung jalur, yang menghadap ke utara dan selatan.
Tempat-tempat pada jalur ini, di mana daya tarikan terbesar ditemui, dipanggil kutub magnet. Kutub yang menghadap utara dipanggil kutub utara magnet (atau positif) dan ditetapkan oleh huruf N (atau C); kutub yang diarahkan ke selatan" dipanggil kutub selatan (atau negatif) dan ditetapkan dengan huruf S (atau Yu). Interaksi kutub magnet boleh dikaji seperti berikut. Mari ambil dua jalur magnetit dan gantung salah satu daripadanya pada benang, seperti yang telah disebutkan di atas. Memegang jalur kedua di tangan anda, kami akan membawanya ke yang pertama dengan tiang yang berbeza.
Ternyata jika anda membawa kutub selatan jalur lain lebih dekat ke kutub utara satu jalur, maka daya tarikan akan timbul di antara kutub, dan jalur yang digantung pada benang akan tertarik. Jika jalur kedua juga dibawa ke kutub utara jalur terampai dengan kutub utaranya, maka jalur terampai itu akan ditolak.
Dengan menjalankan eksperimen sedemikian, seseorang boleh diyakinkan tentang kesahihan undang-undang yang ditetapkan oleh Hilbert tentang interaksi kutub magnet: seperti kutub menolak, tidak seperti kutub menarik.
Jika kita ingin membahagikan magnet kepada separuh untuk memisahkan kutub magnet utara dari selatan, ternyata kita tidak akan dapat melakukan ini. Dengan memotong dua magnet, kita mendapat dua magnet, masing-masing dengan dua kutub. Jika kita meneruskan proses ini lebih jauh, maka, seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman, kita tidak akan pernah dapat memperoleh magnet dengan satu tiang. Pengalaman ini meyakinkan kita bahawa kutub magnet tidak wujud secara berasingan, sama seperti cas elektrik negatif dan positif wujud secara berasingan. Akibatnya, pembawa asas kemagnetan, atau, seperti yang dipanggil, magnet asas, juga mesti mempunyai dua kutub.
Magnet semulajadi yang diterangkan di atas boleh dikatakan tidak digunakan pada masa ini. Magnet kekal tiruan ternyata lebih kuat dan lebih mudah. Cara paling mudah untuk membuat magnet buatan kekal adalah dari jalur keluli, jika anda menggosoknya dari tengah ke hujung dengan kutub bertentangan magnet semula jadi atau buatan lain. Magnet berbentuk seperti jalur dipanggil magnet jalur. Selalunya lebih mudah untuk menggunakan magnet berbentuk seperti ladam. Magnet jenis ini dipanggil magnet ladam kuda.
Magnet buatan biasanya dibuat sedemikian rupa sehingga kutub magnet bertentangan dicipta di hujungnya. Walau bagaimanapun, ini sama sekali tidak perlu. Adalah mungkin untuk membuat magnet di mana kedua-dua hujungnya akan mempunyai kutub yang sama, sebagai contoh, yang utara. Anda boleh membuat magnet sedemikian dengan menggosok jalur keluli dengan tiang yang sama dari tengah ke hujung.
Walau bagaimanapun, kutub utara dan selatan magnet sedemikian tidak dapat dipisahkan. Sesungguhnya, jika anda membenamkannya dalam habuk papan, mereka akan sangat tertarik bukan sahaja ke tepi magnet, tetapi juga ke tengahnya. Adalah mudah untuk memeriksa bahawa kutub utara terletak di tepi, dan kutub selatan berada di tengah.
Sifat magnetik. Kelas bahan
Ia adalah kelakuan gabungan magnet mini atom sedemikian dalam kekisi kristal yang menentukan sifat magnet sesuatu bahan. Berdasarkan sifat magnetnya, bahan dibahagikan kepada tiga kelas utama: ferromagnet, paramagnet Dan bahan diamagnet. Terdapat juga dua subkelas bahan berasingan yang diasingkan daripada kelas umum feromagnet - antiferromagnet Dan ferrimagnet. Dalam kedua-dua kes, bahan-bahan ini tergolong dalam kelas ferromagnet, tetapi mempunyai sifat istimewa pada suhu rendah: medan magnet atom-atom jiran sejajar dengan ketat, tetapi dalam arah yang bertentangan. Antiferromagnet terdiri daripada atom satu unsur dan, akibatnya, medan magnetnya menjadi sifar. Ferrimagnets ialah aloi dua atau lebih bahan, dan hasil daripada superposisi medan berlawanan arah adalah medan magnet makroskopik yang wujud dalam bahan secara keseluruhan.Ferromagnet
Sesetengah bahan dan aloi (terutamanya besi, nikel dan kobalt) pada suhu di bawah Mata Curie memperoleh keupayaan untuk membina sendiri kekisi kristal sedemikian rupa sehingga medan magnet atom bertukar menjadi satu arah dan menguatkan satu sama lain, yang menyebabkan medan magnet makroskopik timbul di luar bahan. Magnet kekal yang disebutkan di atas diperoleh daripada bahan tersebut. Sebenarnya, penjajaran magnetik atom biasanya tidak meluas kepada isipadu bahan feromagnetik yang tidak terhad: kemagnetan terhad kepada isipadu yang mengandungi daripada beberapa ribu hingga beberapa puluh ribu atom, dan isipadu bahan sedemikian biasanya dipanggil. domain(dari domain bahasa Inggeris - “kawasan”). Apabila besi menyejuk di bawah titik Curie, banyak domain terbentuk, di mana setiap satunya medan magnet berorientasikan dengan caranya sendiri. Oleh itu, dalam keadaan biasa, besi pepejal tidak bermagnet, walaupun domain terbentuk di dalamnya, setiap satunya adalah magnet mini siap pakai. Namun, di bawah pengaruh keadaan luaran(contohnya, apabila besi lebur menjadi pejal dengan kehadiran medan magnet yang kuat), domain disusun dengan teratur dan medan magnetnya saling dikuatkan. Kemudian kita mendapat magnet sebenar - badan dengan medan magnet luaran yang jelas. Beginilah cara magnet kekal direka bentuk.
Paramagnet
Dalam kebanyakan bahan kuasa dalaman Tiada penjajaran orientasi magnetik atom, tiada domain terbentuk, dan medan magnet atom individu diarahkan secara rawak. Disebabkan ini, medan atom magnet individu saling dibatalkan, dan bahan tersebut tidak mempunyai medan magnet luaran. Walau bagaimanapun, apabila bahan sedemikian diletakkan dalam medan luar yang kuat (contohnya, di antara kutub magnet yang kuat), medan magnet atom berorientasikan arah yang bertepatan dengan arah medan magnet luar, dan kita perhatikan. kesan pengukuhan medan magnet dengan kehadiran bahan tersebut. Bahan yang mempunyai sifat yang serupa dipanggil paramagnet. Walau bagaimanapun, sebaik sahaja medan magnet luar dialihkan, paramagnet serta-merta demagnetize, kerana atom sekali lagi berbaris huru-hara. Iaitu, bahan paramagnet dicirikan oleh keupayaan untuk membuat magnet buat sementara waktu.
Diamagnet
Dalam bahan yang atomnya tidak mempunyai momen magnetnya sendiri (iaitu, di mana medan magnet dipadamkan dalam tunas - pada tahap elektron), kemagnetan sifat yang berbeza boleh timbul. Mengikut undang-undang kedua aruhan elektromagnet Faraday, apabila fluks medan magnet yang melalui gelung pembawa arus meningkat, perubahan arus elektrik dalam gelung mengatasi peningkatan fluks magnet. Akibatnya, jika bahan yang tidak mempunyai sifat magnetnya sendiri dimasukkan ke dalam medan magnet yang kuat, elektron dalam orbit atom, yang merupakan litar mikroskopik dengan arus, akan mengubah sifat pergerakannya sedemikian rupa untuk menghalang peningkatan dalam fluks magnet, iaitu, mereka akan mencipta medan magnet mereka sendiri, diarahkan ke arah yang bertentangan berbanding dengan medan luaran. Bahan sedemikian biasanya dipanggil diamagnetik.
Kemagnetan dalam alam semula jadi
Banyak fenomena semula jadi ditentukan dengan tepat oleh daya magnet. Mereka adalah sumber banyak fenomena dunia mikro: tingkah laku atom, molekul, nukleus atom dan zarah asas - elektron, proton, neutron, dll. Selain itu, fenomena magnetik juga merupakan ciri benda angkasa: Matahari dan Bumi adalah magnet yang besar. Separuh tenaga gelombang elektromagnet (gelombang radio, inframerah, sinaran kelihatan dan ultraungu, sinar-x dan sinar gamma) adalah magnet. Medan magnet bumi menunjukkan dirinya dalam beberapa fenomena dan ternyata, khususnya, menjadi salah satu sebab berlakunya aurora.Pada dasarnya, bahan bukan magnet tidak wujud. Mana-mana bahan sentiasa "magnetik", iaitu, ia mengubah sifatnya dalam medan magnet. Kadangkala perubahan ini sangat kecil dan hanya boleh dikesan menggunakan peralatan khas; kadangkala ia agak ketara dan dikesan tanpa banyak kesukaran dengan bantuan sangat remedi mudah. Bahan magnet yang lemah termasuk aluminium, kuprum, air, merkuri, dsb. yang sangat magnetik atau hanya magnet (pada suhu biasa) termasuk besi, nikel, kobalt, dan beberapa aloi.
Penggunaan kemagnetan
Kejuruteraan elektrik moden sangat meluas menggunakan sifat magnet bahan untuk menjana tenaga elektrik dan menukarkannya kepada pelbagai jenis tenaga lain. Dalam peranti komunikasi wayar dan wayarles, dalam televisyen, automasi dan telemekanik, bahan dengan sifat magnet tertentu digunakan. Fenomena magnet juga memainkan peranan penting dalam alam semula jadi.Kesamaan luar biasa fenomena magnetik dan kepentingan praktikalnya yang besar secara semula jadi membawa kepada fakta bahawa kajian kemagnetan adalah salah satu cabang fizik moden yang paling penting.
Kemagnetan juga merupakan bahagian penting dalam dunia komputer: sehingga tahun 2010-an, media storan magnetik (kaset padat, cakera liut, dll.) adalah sangat biasa di dunia, tetapi media storan magneto-optik (DVD-RAM) masih "dipetik. ”
Badan yang dicas mampu mencipta satu lagi jenis medan sebagai tambahan kepada medan elektrik. Jika caj bergerak, maka jenis jirim khas dicipta di ruang di sekelilingnya, dipanggil medan magnet. Akibatnya, arus elektrik, yang merupakan pergerakan tertib cas, juga mewujudkan medan magnet. Seperti medan elektrik, medan magnet tidak terhad di angkasa, merambat dengan sangat cepat, tetapi masih dengan kelajuan terhingga. Ia hanya boleh dikesan melalui kesannya pada menggerakkan badan bercas (dan, sebagai akibatnya, arus).
Untuk menerangkan medan magnet, anda mesti memasukkan ciri kuasa medan yang serupa dengan vektor keamatan E medan elektrik. Ciri sedemikian ialah vektor B aruhan magnet. Dalam sistem unit SI, unit aruhan magnet ialah 1 Tesla (T). Jika dalam medan magnet dengan aruhan B letakkan panjang konduktor l dengan arus saya, kemudian satu kuasa dipanggil Daya ampere, yang dikira dengan formula:
di mana: DALAM- aruhan medan magnet, saya– kekuatan arus dalam konduktor, l- panjangnya. Daya Ampere diarahkan berserenjang dengan vektor aruhan magnet dan arah arus yang mengalir melalui konduktor.
Untuk menentukan arah daya Ampere biasanya digunakan Peraturan "tangan kiri".: jika diletakkan tangan kiri supaya garis aruhan memasuki telapak tangan, dan jari terulur diarahkan sepanjang arus, kemudian ditarik balik ibu jari akan menunjukkan arah daya Ampere yang bertindak pada konduktor (lihat rajah).
Jika sudut α antara arah vektor aruhan magnet dan arus dalam konduktor adalah berbeza daripada 90°, maka untuk menentukan arah daya Ampere adalah perlu untuk mengambil komponen medan magnet, yang berserenjang dengan arah arus . Ia adalah perlu untuk menyelesaikan masalah topik ini dengan cara yang sama seperti dalam dinamik atau statik, i.e. dengan menerangkan daya di sepanjang paksi koordinat atau menambah daya mengikut peraturan penambahan vektor.
Momen daya yang bertindak pada bingkai dengan arus
Biarkan bingkai dengan arus berada dalam medan magnet, dan satah bingkai itu berserenjang dengan medan. Daya Ampere akan memampatkan bingkai, dan paduannya akan sama dengan sifar. Jika anda menukar arah arus, maka daya Ampere akan mengubah arahnya, dan bingkai tidak akan memampatkan, tetapi meregangkan. Jika garis aruhan magnet terletak pada satah bingkai, maka momen putaran daya Ampere berlaku. Momen putaran daya Ampere sama dengan:
di mana: S- kawasan bingkai, α - sudut antara normal kepada bingkai dan vektor aruhan magnetik (normal ialah vektor berserenjang dengan satah bingkai), N– bilangan pusingan, B- aruhan medan magnet, saya– kekuatan semasa dalam bingkai.
Kuasa Lorentz
Daya ampere yang bertindak pada segmen konduktor panjang Δ l dengan kekuatan semasa saya, terletak dalam medan magnet B boleh dinyatakan dalam bentuk daya yang bertindak ke atas pembawa caj individu. Kuasa-kuasa ini dipanggil pasukan Lorentz. Daya Lorentz bertindak ke atas zarah dengan cas q dalam medan magnet B, bergerak dengan laju v, dikira menggunakan formula berikut:
Sudut α dalam ungkapan ini sama dengan sudut antara kelajuan dan vektor aruhan magnetik. Arah daya Lorentz bertindak secara positif zarah bercas, serta arah daya Ampere, boleh didapati menggunakan peraturan kiri atau peraturan gimlet (seperti daya Ampere). Vektor aruhan magnet perlu dimasukkan secara mental ke tapak tangan kiri anda, empat jari tertutup harus diarahkan mengikut kelajuan pergerakan zarah bercas, dan ibu jari yang dibengkokkan akan menunjukkan arah daya Lorentz. Jika zarah itu mempunyai negatif cas, maka arah daya Lorentz, yang ditemui oleh peraturan sebelah kiri, perlu diganti dengan yang bertentangan.
Daya Lorentz diarahkan berserenjang dengan halaju dan vektor aruhan medan magnet. Apabila zarah bercas bergerak dalam medan magnet Pasukan Lorentz tidak berfungsi. Oleh itu, magnitud vektor halaju tidak berubah apabila zarah bergerak. Jika zarah bercas bergerak dalam medan magnet seragam di bawah pengaruh daya Lorentz, dan kelajuannya terletak pada satah berserenjang dengan vektor aruhan medan magnet, maka zarah itu akan bergerak dalam bulatan, jejarinya boleh dikira menggunakan formula berikut:
Daya Lorentz dalam kes ini memainkan peranan sebagai daya sentripetal. Tempoh revolusi zarah dalam medan magnet seragam adalah sama dengan:
Ungkapan terakhir menunjukkan bahawa untuk zarah bercas bagi jisim tertentu m tempoh revolusi (dan oleh itu kedua-dua kekerapan dan halaju sudut) tidak bergantung pada kelajuan (dan oleh itu pada tenaga kinetik) dan jejari trajektori R.
Teori medan magnet
Jika dua wayar selari membawa arus ke arah yang sama, mereka menarik antara satu sama lain; jika dalam arah yang bertentangan, maka mereka menolak. Corak fenomena ini telah ditubuhkan secara eksperimen oleh Ampere. Interaksi arus disebabkan oleh medan magnetnya: medan magnet satu arus bertindak sebagai daya Ampere pada arus lain dan sebaliknya. Eksperimen telah menunjukkan bahawa modulus daya bertindak pada segmen panjang Δ l setiap pengalir adalah berkadar terus dengan kekuatan semasa saya 1 dan saya 2 dalam konduktor, panjang potong Δ l dan berkadar songsang dengan jarak R antara mereka:
di mana: μ 0 ialah nilai malar yang dipanggil pemalar magnet. Pengenalan pemalar magnet ke dalam SI memudahkan penulisan beberapa formula. Nilai berangkanya ialah:
μ 0 = 4π ·10 –7 H/A 2 ≈ 1.26·10 –6 H/A 2 .
Membandingkan ungkapan yang baru diberikan untuk daya interaksi dua konduktor dengan arus dan ungkapan untuk daya Ampere, tidak sukar untuk mendapatkan ungkapan untuk aruhan medan magnet yang dicipta oleh setiap pengalir lurus yang membawa arus pada jarak yang jauh R daripada dia:
di mana: μ – kebolehtelapan magnet bahan (lebih lanjut mengenai perkara ini di bawah). Jika arus mengalir dalam pusingan bulat, maka pusat aruhan medan magnet giliran ditentukan oleh formula:
Talian kuasa Medan magnet dipanggil garisan sepanjang tangen yang mana anak panah magnet terletak. Jarum magnet dipanggil magnet panjang dan nipis, kutubnya adalah seperti mata. Jarum magnet yang digantung pada benang sentiasa berputar ke satu arah. Lebih-lebih lagi, satu hujungnya diarahkan ke utara, yang lain - ke selatan. Oleh itu nama kutub: utara ( N) dan selatan ( S). Magnet sentiasa mempunyai dua kutub: utara (ditunjukkan dengan warna biru atau huruf N) dan selatan (berwarna merah atau huruf S). Magnet berinteraksi dengan cara yang sama seperti cas: seperti kutub menolak, dan tidak seperti kutub menarik. Adalah mustahil untuk mendapatkan magnet dengan satu tiang. Walaupun magnet itu rosak, setiap bahagian akan mempunyai dua kutub yang berbeza.
Vektor aruhan magnet
Vektor aruhan magnet- vektor kuantiti fizikal, yang merupakan ciri medan magnet, secara berangka sama dengan daya yang bertindak pada unsur semasa 1 A dan panjang 1 m, jika arah garis medan berserenjang dengan konduktor. Ditetapkan DALAM, unit ukuran - 1 Tesla. 1 T adalah nilai yang sangat besar, oleh itu, dalam medan magnet sebenar, aruhan magnet diukur dalam mT.
Vektor aruhan magnet diarahkan secara tangen kepada garis daya, i.e. bertepatan dengan arah kutub utara jarum magnet yang diletakkan dalam medan magnet tertentu. Arah vektor aruhan magnet tidak bertepatan dengan arah daya yang bertindak pada konduktor, oleh itu garis medan magnet, secara tegasnya, bukanlah garis daya.
Garis medan magnet magnet kekal diarahkan berhubung dengan magnet itu sendiri seperti yang ditunjukkan dalam rajah:
Dalam kes medan magnet arus elektrik untuk menentukan arah garis medan, gunakan peraturan "Tangan kanan": jika anda mengambil konduktor masuk tangan kanan supaya ibu jari diarahkan sepanjang arus, kemudian empat jari menggenggam konduktor menunjukkan arah garis daya di sekeliling konduktor:
Dalam kes arus terus, garis aruhan magnet ialah bulatan yang satahnya berserenjang dengan arus. Vektor aruhan magnet diarahkan secara tangen ke bulatan.
Solenoid- konduktor luka pada permukaan silinder di mana arus elektrik mengalir saya serupa dengan medan magnet kekal langsung. Di dalam panjang solenoid l dan bilangan lilitan N medan magnet seragam dengan aruhan dicipta (arahnya juga ditentukan oleh peraturan sebelah kanan):
Garis medan magnet kelihatan seperti garis tertutup- Ini harta am semua garis magnet. Medan sedemikian dipanggil medan pusaran. Dalam kes magnet kekal, garisan tidak berakhir di permukaan, tetapi menembusi ke dalam magnet dan ditutup secara dalaman. Perbezaan antara medan elektrik dan magnet ini dijelaskan oleh fakta bahawa, tidak seperti elektrik, cas magnet tidak wujud.
Sifat magnet jirim
Semua bahan mempunyai sifat magnetik. Sifat magnet sesuatu bahan dicirikan kebolehtelapan magnet relatif μ , yang berikut adalah benar:
Formula ini menyatakan korespondensi vektor aruhan medan magnet dalam vakum dan dalam persekitaran tertentu. Tidak seperti interaksi elektrik, semasa interaksi magnet dalam medium seseorang boleh melihat peningkatan dan kelemahan interaksi berbanding dengan vakum, yang mempunyai kebolehtelapan magnet. μ = 1. U bahan diamagnet kebolehtelapan magnet μ sedikit kurang daripada satu. Contoh: air, nitrogen, perak, kuprum, emas. Bahan-bahan ini agak melemahkan medan magnet. Paramagnet- oksigen, platinum, magnesium - agak meningkatkan bidang, mempunyai μ lebih sedikit daripada satu. U ferromagnet- besi, nikel, kobalt - μ >> 1. Contohnya, untuk besi μ ≈ 25000.
Fluks magnet. Aruhan elektromagnet
Fenomena aruhan elektromagnet telah ditemui oleh ahli fizik Inggeris yang cemerlang M. Faraday pada tahun 1831. Ia terdiri daripada berlakunya arus elektrik dalam litar pengalir tertutup apabila fluks magnet yang menembusi litar berubah dari semasa ke semasa. Fluks magnet Φ merentasi dataran S kontur dipanggil nilai:
di mana: B– modul vektor aruhan magnetik, α – sudut antara vektor aruhan magnet B dan normal (berserenjang) dengan satah kontur, S- kawasan kontur, N– bilangan lilitan dalam litar. Unit SI bagi fluks magnet dipanggil Weber (Wb).
Faraday secara eksperimen menetapkan bahawa apabila fluks magnet berubah dalam litar pengalir, emf teraruh ε ind, sama dengan kelajuan perubahan dalam fluks magnet melalui permukaan yang dibatasi oleh kontur yang diambil dengan tanda tolak:
Perubahan dalam fluks magnet yang melalui gelung tertutup boleh berlaku atas dua sebab yang mungkin.
- Fluks magnet berubah disebabkan oleh pergerakan litar atau bahagiannya dalam medan magnet pemalar masa. Ini adalah kes apabila konduktor, dan dengan mereka pembawa caj percuma, bergerak dalam medan magnet. Kejadian emf teraruh dijelaskan oleh tindakan daya Lorentz pada caj percuma dalam konduktor bergerak. Daya Lorentz memainkan peranan sebagai kuasa luar dalam kes ini.
- Sebab kedua bagi perubahan fluks magnet yang menembusi litar ialah perubahan masa medan magnet apabila litar pegun.
Apabila menyelesaikan masalah, penting untuk segera menentukan mengapa fluks magnet berubah. Tiga pilihan adalah mungkin:
- Medan magnet berubah.
- Kawasan kontur berubah.
- Orientasi bingkai berbanding dengan medan berubah.
Dalam kes ini, apabila menyelesaikan masalah, EMF biasanya dikira modulo. Marilah kita juga memberi perhatian kepada satu kes tertentu di mana fenomena aruhan elektromagnet berlaku. Jadi, nilai maksimum emf teraruh dalam litar yang terdiri daripada N selekoh, kawasan S, berputar dengan halaju sudut ω dalam medan magnet dengan aruhan DALAM:
Pergerakan konduktor dalam medan magnet
Apabila menggerakkan konduktor dengan panjang l dalam medan magnet B dengan laju v beza keupayaan timbul pada hujungnya, disebabkan oleh tindakan daya Lorentz ke atas elektron bebas dalam konduktor. Perbezaan potensi ini (secara tegasnya, emf) didapati menggunakan formula:
di mana: α - sudut yang diukur antara arah kelajuan dan vektor aruhan magnet. Tiada EMF berlaku di bahagian pegun litar.
Jika batangnya panjang L berputar dalam medan magnet DALAM mengelilingi salah satu hujungnya dengan halaju sudut ω , maka beza keupayaan (EMF) akan timbul pada hujungnya, yang boleh dikira menggunakan formula:
Kearuhan. Induksi kendiri. Tenaga medan magnet
Induksi kendiri adalah kes khas penting aruhan elektromagnet, apabila fluks magnet yang berubah-ubah, menyebabkan emf teraruh, dicipta oleh arus dalam litar itu sendiri. Jika arus dalam litar yang sedang dipertimbangkan berubah atas sebab tertentu, maka medan magnet arus ini juga berubah, dan, akibatnya, fluks magnet sendiri menembusi litar. Emf induktif kendiri timbul dalam litar, yang, menurut peraturan Lenz, menghalang perubahan dalam arus dalam litar. Fluks magnet sendiri Φ , menusuk litar atau gegelung dengan arus, adalah berkadar dengan kekuatan semasa saya:
Faktor perkadaran L dalam formula ini dipanggil pekali aruhan kendiri atau induktansi gegelung. Unit SI bagi induktansi dipanggil Henry (H).
Ingat: induktansi litar tidak bergantung sama ada pada fluks magnet atau kekuatan semasa di dalamnya, tetapi hanya ditentukan oleh bentuk dan saiz litar, serta sifat persekitaran. Oleh itu, apabila arus dalam litar berubah, induktansi kekal tidak berubah. Kearuhan gegelung boleh dikira menggunakan formula:
di mana: n- kepekatan lilitan per unit panjang gegelung:
Emf yang disebabkan sendiri, yang timbul dalam gegelung dengan nilai kearuhan malar, mengikut formula Faraday adalah sama dengan:
Jadi EMF aruhan sendiri adalah berkadar terus dengan induktansi gegelung dan kadar perubahan arus di dalamnya.
Medan magnet mempunyai tenaga. Sama seperti terdapat rizab tenaga elektrik dalam kapasitor bercas, terdapat rizab tenaga magnet dalam gegelung melalui lilitan yang mana arus mengalir. Tenaga W m medan magnet gegelung dengan kearuhan L, dicipta oleh semasa saya, boleh dikira menggunakan salah satu formula (mereka mengikuti antara satu sama lain, dengan mengambil kira formula Φ = LI):
Dengan mengaitkan formula tenaga medan magnet gegelung dengan dimensi geometrinya, kita boleh mendapatkan formula untuk ketumpatan tenaga medan magnet isipadu(atau tenaga per unit isipadu):
Peraturan Lenz
Inersia- fenomena yang berlaku dalam kedua-dua mekanik (apabila memecut kereta, kita bersandar ke belakang, mengimbangi peningkatan kelajuan, dan apabila brek, kita bersandar ke hadapan, mengimbangi penurunan kelajuan), dan dalam fizik molekul (apabila cecair dipanaskan, kadar penyejatan meningkat, molekul terpantas meninggalkan cecair, mengurangkan pemanasan kelajuan) dan sebagainya. Dalam elektromagnetisme, inersia menunjukkan dirinya bertentangan dengan perubahan dalam fluks magnet yang melalui litar. Jika fluks magnet meningkat, maka arus teraruh yang timbul dalam litar diarahkan untuk mengelakkan fluks magnet daripada meningkat, dan jika fluks magnet berkurangan, maka arus teraruh yang timbul dalam litar diarahkan supaya menghalang fluks magnet. daripada berkurangan.
Di laman web ini. Untuk melakukan ini, anda tidak memerlukan apa-apa, iaitu: menumpukan tiga hingga empat jam setiap hari untuk menyediakan CT dalam fizik dan matematik, mengkaji teori dan menyelesaikan masalah. Hakikatnya CT adalah peperiksaan yang tidak cukup hanya dengan mengetahui fizik atau matematik, anda juga perlu dapat menyelesaikan dengan cepat dan tanpa kegagalan. bilangan yang besar tugasan pada topik yang berbeza dan kerumitan yang berbeza-beza. Yang terakhir hanya boleh dipelajari dengan menyelesaikan beribu-ribu masalah.
Pelaksanaan ketiga-tiga perkara ini yang berjaya, tekun dan bertanggungjawab akan membolehkan anda muncul di CT keputusan cemerlang, maksimum yang anda mampu.
Terjumpa kesilapan?
Jika anda rasa anda telah menemui ralat dalam bahan latihan, sila tulis mengenainya melalui e-mel. Anda juga boleh melaporkan pepijat kepada rangkaian sosial(). Dalam surat itu, nyatakan subjek (fizik atau matematik), nama atau nombor topik atau ujian, nombor masalah, atau tempat dalam teks (halaman) di mana, pada pendapat anda, terdapat ralat. Terangkan juga apakah ralat yang disyaki itu. Surat anda tidak akan disedari, ralat sama ada akan dibetulkan, atau anda akan dijelaskan mengapa ia bukan ralat.
Buku saintis Amerika, terjemahan edisi pertama yang diterbitkan pada tahun 1972, sebenarnya ditulis baru dan mencerminkan segala-galanya pencapaian utama fizik kemagnetan sejak 12 tahun yang lalu. Pendekatan bersatu digunakan, berdasarkan pertimbangan kecenderungan umum.
Direka untuk saintis, serta pelajar siswazah dan sarjana yang bekerja pada masalah kemagnetan dan fizik keadaan pepejal.
SUSPEKTIVITI MAGNET.
Mana-mana sistem boleh dicirikan oleh tindak balasnya terhadap pengaruh luar. Sebagai contoh, "kotak hitam" yang terkenal dalam elektronik dicirikan oleh voltan pada output apabila arus dinyatakan pada inputnya. Kuantiti yang dipanggil impedans pemindahan mengandungi semua maklumat yang diperlukan untuk memahami operasi kotak hitam. Jika kita tahu apa sebenarnya yang terkandung dalam kotak hitam (contohnya, jika kita mengetahui gambarajah litar terperinci untuk menyambung perintang, diod, dll.), maka secara teorinya kita boleh menentukan impedans pemindahan.
Dengan cara yang sama, jika kita menganggap kristal sebagai sistem cas dan arus, maka ia boleh dicirikan oleh fungsi tindak balas. Kami akan berminat di sini terutamanya dalam tindak balas sistem sedemikian kepada medan magnet. Dalam kes ini, "output" adalah magnetisasi, dan fungsi tindak balas adalah kerentanan magnetik. Hampir mustahil untuk mengira dengan tepat kerentanan magnet kerana sistem mengandungi kira-kira 1023 zarah. Oleh itu, mereka biasanya meneruskan dari analisis pengukuran kerentanan magnet, dari tingkah laku yang mana proses terpenting yang berlaku dalam sistem ditubuhkan, dan kemudian sistem dianalisis dengan mengambil kira proses tersebut. Untuk melaksanakan program sedemikian, kita mesti tahu apakah proses yang mungkin dalam sistem dan bagaimana ia mempengaruhi kerentanan.
ISI KANDUNGAN
Daripada editor terjemahan
Mukadimah edisi kedua
BAB 1. SUSPEKTIVITI MAGNET
1.1. Momen magnet
1.2. Kemagnetan
1.3. Kecenderungan umum
1.3.1. Kramers - hubungan Kronig
1.3.2. Teorem turun naik-pelesapan
1.3.3. Nisbah Onsager
1.4. Pengkuantitian sekunder
BAB 2. MAGNETIC HAMILTONIAN
2.1. Persamaan Dirac
2.2. Sumber lapangan
2.2.1. Medan luar yang seragam
2.2.2. Medan quadrupole elektrik
2.2.3. Medan dipol magnetik (ultra-nipis).
2.2.4. Elektron lain daripada ion yang sama
2.2.5. Medan elektrik kristal
2.2.6. Interaksi dipol-dipol
2.2.7. Pertukaran langsung
2.2.8. Pertukaran super
2.3. Putar Hamiltonian
2.3.1. Ion logam peralihan
2.3.2. Ion nadir bumi
2.3.3. Semikonduktor
BAB 3. KESAKITAN STATIK TERHADAP SISTEM TIDAK BERINTERAKSI
3.1. Detik Setempat
3.1.1. Diamagnetisme
3.1.2. Paramagnetisme ion logam peralihan
3.1.3. Paramagnetisme ion nadir bumi
3.2. logam
3.2.1. Diamagnetisme Landau
3.2.2. Kesan De Haas-Van Alphen
3.2.3. Kesan kuantum Dewan
3.2.4. Paramagnetisme Pauli
3.3. Pengukuran Kecenderungan
BAB 4. KESAKITAN STATIK TERHADAP SISTEM INTERAKSI
4.1. Detik Setempat
4.1.1. Suhu tinggi
4.1.2. Suhu rendah
4.1.3. Suhu berhampiran Tc
4.1.4. Topologi susunan jarak jauh
4.2. logam
4.2.1. Teori cecair Fermi
4.2.2. Model Stoner
4.2.3. Model Hubbard
BAB 5. KESAKITAN DINAMIK TERHADAP SISTEM INTERAKSI YANG LEMAH
5.1. Detik Setempat
5.1.1. Persamaan Bloch
5.1.2. Bentuk garisan resonan
5.1.3. Pengukuran T1
5.1.4. pengiraan T1
5.2. logam
5.2.1. Paramagnon
5.2.2. Teori cecair Fermi
5.3. Kesan Faraday
BAB 6. KESAKITAN DINAMIK TERHADAP SISTEM BERINTERAKSI KUAT
6.1. Simetri rosak
6.2. Dielektrik
6.2.1. Teori gelombang putaran
6.2.2. Mod magnetostatik
6.2.3. Soliton
6.2.4. Kesan magnon terma
6.2.5. Pengujaan parametrik
6.2.6. Proses optik
6.2.7. Suhu tinggi
6.3. logam
BAB 7. KEKOSONGAN MAGNET
7.1. Turun naik tempatan
7.2. Detik tempatan dalam logam
7.2.1. Teori tork Anderson
7.3. Kesan kondo
7.4. Pertukaran rawak
7.4.1. RKKI-interaksi
7.4.2. Cermin mata berputar
7.4.3. Miktomagnetisme
BAB 8. PENYERAPAN NEUTRON
8.1. keratan rentas penyebaran neutron
8.2. Penyebaran nuklear
8.2.1. Bragg berselerak
8.2.2. Hambur menggunakan fonon
8.3. Penyerakan magnet
8.3.1. Bragg berselerak
8.3.2. Penyebaran meresap
kesusasteraan
Indeks subjek.
Muat turun percuma e-buku dalam format yang mudah, tonton dan baca:
Muat turun buku The Quantum Theory of Magnetism, White R., 1985 - fileskachat.com, muat turun pantas dan percuma.