Тем не менее немногие способны объяснить, что заставляет магнит притягивать, и почему его силе подвластно именно железо. 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 магнитится только железо, а алюминий-нет?
| Почему к человеку притягиваются металлические предметы - 24 декабря 2020 - НГС.ру | И так, магнит притягивает к себе железо потому, что может намагнитить его из-за особых свойств. |
| Почему Магнит притягивает железо | Но как магнит притягивает железо? Кусок (немагнитного) железа не имеет магнитного поля, а два куска железа не притягиваются друг к другу, так как же магнит? |
| Неодимовый магнит – суперсильный и суперполезный | Поэтому железо магнититься к магниту почти с такой же силой, как магнит к магниту. |
| Почему к человеку притягиваются металлические предметы - 24 декабря 2020 - НГС.ру | Но как магнит притягивает железо? Кусок (немагнитного) железа не имеет магнитного поля, а два куска железа не притягиваются друг к другу, так как же магнит? |
Являются ли магниты металлом? Правда, объясненная любителям науки
Готовые изделия проходят контроль качества, упаковываются и отправляются заказчику. Привычный для нас магнит — твёрдый. Однако, за последние десятилетия учёным удалось получить новую форму магнитных материалов и найти им уникальное применение. Есть магнитная жидкость, которую можно получить на основе керосина, масла и даже воды. Внутри этой жидкости химическим способом взращиваются кристаллы ферромагнетика, например, железа или никеля. Эта жидкость может существовать десятилетиями.
Главное свойство этой жидкости — способность втягиваться в область сильного магнитного поля. Именно поэтому она используется в технике, приборостроении, и рудодобывающей промышленности. Например, если в эту жидкость поместить золотое кольцо, оно в ней утонет, и никакая сила не заставит всплыть это кольцо. Но, если снизу поднести достаточно сильный магнит, то вы увидите, как это кольцо медленно начнёт всплывать. Потому что на него в магнитном поле действует выталкивающая сила Архимеда.
Этот эффект используется для создания так называемых магнитожидкостных сепараторов, которые в настоящее время используются практически на всех золотодобывающих приисках. Еще одна область применения магнитной жидкости по мнению учёных из института механики МГУ — медицина. Так, они исследуют возможность лечения рака с помощью магнитной воды. Оказывается, если ввести магнитную жидкость внутрь опухоли, приложить высокочастотное магнитное поле — эта жидкость начинает разогреваться. И если нагреть опухоль до 43 градусов, то она погибает,- к таким выводам они пришли.
При этом здоровые клетки остаются целыми и невредимыми. Помимо жидкости, по их мнению, в медицине возможно применение других магнитных материалов. Например, движетель из полимера, со встроенными внутрь кристаллами железа. Под действием магнитного поля он способен самостоятельно передвигаться внутри сосудов и служить переносчиком лекарств. Правда, пока только в теории.
У всех постоянных магнитов есть магнитное поле, а у электромагнитов — электромагнитное. Если есть электрический заряд, то вокруг есть электрическое поле.
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.
Из порошка потом и делается магнит. Чтобы получить порошок нужной фракции слитки пропускают через три мельницы: крупного, среднего и мелкого помола. Вот так выглядит сырье в начале работы А это получается после помола Готовый порошок состоит из микромагнитов, размером не более 5 микрон микрометр каждый.
Под изостатическим прессом масса приобретает нужную форму, а составляющие её частицы ориентацию в магнитном поле. Прессовка идет в магнитном поле. Получается прессзаготовка магнита. Заготовка сразу же помещается в вакуумный пакет, потому что на воздухе порошок сплава мгновенно окисляется, а значит и его магнитные свойства меняются, кроме того, окислы порошка в любую минуту могут воспламениться. В защитной пленке заготовка будет находиться до момента спекания. Температура внутри печи доходит до 1200 градусов. В ней заготовки спекаются в течение 10ти часов. За это время минимагниты в сплаве уплотняться, и приобретут монолитную форму. Только теперь брусочки готовы превратиться в магниты.
Готовые магниты могут дополнительно нарезать, шлифовать и покрывать защитным слоем. Готовые изделия проходят контроль качества, упаковываются и отправляются заказчику. Привычный для нас магнит — твёрдый. Однако, за последние десятилетия учёным удалось получить новую форму магнитных материалов и найти им уникальное применение. Есть магнитная жидкость, которую можно получить на основе керосина, масла и даже воды. Внутри этой жидкости химическим способом взращиваются кристаллы ферромагнетика, например, железа или никеля. Эта жидкость может существовать десятилетиями. Главное свойство этой жидкости — способность втягиваться в область сильного магнитного поля. Именно поэтому она используется в технике, приборостроении, и рудодобывающей промышленности.
Например, если в эту жидкость поместить золотое кольцо, оно в ней утонет, и никакая сила не заставит всплыть это кольцо. Но, если снизу поднести достаточно сильный магнит, то вы увидите, как это кольцо медленно начнёт всплывать.
Чуть-чуть, очень слабо магнитятся по сравнению с ферромагнетиками. Поэтому во внешнем магнитном поле другого магнита парамагнетик временно не становится магнитом. Например, парамагнетик не реагирует на однородное магнитное поле. Парамагнетики втягиваются по направлению градиента неоднородного магнитного поля. Но этот эффект очень слабый.
Почему магнит притягивает металл ?
Притягивается ли алюминиевая фольга в магнит? Сама по себе кристаллическая решетка построена таким образом, что в условиях сильных магнитных или электрических полей железо может намагничиваться и притягиваться к другому магниту. Так что такое магнит, и почему он притягивает? Расстояние между магнитом и притягиваемым объектом влияет на силу притяжения: сила ослабевает с увеличением расстояния. Хотя два исследователя работали и параллельно, почему-то именно Сагава единолично считается изобретателем неодимового магнита. Почему железо притягивается к магниту Почему магнит не притягивает органические вещества? На самом деле, взаимодействие магнита с веществами имеет гораздо.
«Что такое магнит и почему он притягивает железо?» Учёные ответы на детские вопросы...
| Почему магнит притягивает только металл | Притягивается ли алюминиевая фольга в магнит? |
| Основные сведения о постоянных магнитах — описание свойств | Стальная полоса станет мощным магнитом и притянет любой железный предмет от гвоздя до холодильника. |
| Почему магнит притягивает железо? | Таким образом, магниты притягивают железо благодаря своим магнитным свойствам и магнитным веществам, которые содержатся внутри магнита. |
Суть магнита. Почему магниты магнитят. Природа и принцип действия магнитов и электромагнитов.
Корабли не разваливались, но магнит притягивает железо. Марикур указывает, что в каждом куске магнита имеются две области, особенно сильно притягивающие железо. Наука - 24 декабря 2020 - Новости Новосибирска - Магниты притягивают только определенные металлы, главным образом железо, никель и кобальт, называющиеся ферромагнетиками.
как Поле действует на объект? например магнит притягивает железо почему это происходит
Почему к постоянному магниту не притягиваются одни материалы, зато отлично «липнут» другие? Если магнит притянул предмет, то он как бы его привязал и дальше он бездействует и энергию не расходует. притягивать, «любить» железо. Магнит притягивает только железо; · Магнит может притягивать предметы на расстоянии, благодаря магнитному полю.
Неодимовый магнит – суперсильный и суперполезный
В Москве таким оборудованием располагает компания «Интерлом», анализ вторсырья происходит в присутствии сдатчика, что полностью исключает вероятность обмана. Перечень магнитящегося цветмета Идентификация цветного металла осложняется тем, что одна и та же группа цветмета может иметь диаметрально противоположные свойства. Это объясняется не химическим составом металла, а его молекулярной структурой, которая также определяет магнитные свойства. Нержавеющая сталь С классификацией углеродистой стали проблем у сдатчиков не возникает, поскольку в составе используются только железо и углерод, благодаря чему металл магнитится очень хорошо. Сложнее дела обстоят с определением нержавейки, которая приобрела антикоррозионные свойства благодаря легированию хромом. Этот элемент создает на поверхности металла оксидную пленку, которая препятствует окислению металла. Благодаря наличию легирующих компонентов, нержавейка относится к цветмету, соответственно, цена такого лома значительно выше. Подтверждением этому выступают данные в прайс-листе, который опубликован на сайте компании «Интерлом». Получить такое вознаграждение не так просто, поскольку, в отличие от традиционного цветмета, некоторые типы нержавейки сохраняют магнетические свойства.
Например, ферритные и мартенситные нержавеющие стали сохраняют магнитные свойства. Аустенитная нержавейка, напротив, никак не проявляет ферромагнитных свойств. Визуально отличить их не представляется возможным, поэтому сдатчику приходится учитывать происхождение лома. Например, если речь идет о деталях, которые работали при повышенной влажности в условиях химически агрессивных сред, то, скорее всего, они сделаны из нержавейки, даже если металл магнитится.
Источник Почему магнит притягивает железо? Когда магнит притягивает к себе металлические предметы, это кажется волшебством, но в действительности «волшебные» свойства магнитов связаны всего лишь с особой организацией их электронной структуры. Поскольку электрон, вращающийся вокруг атома, создает магнитное поле, все атомы являются маленькими магнитами; однако в большинстве веществ неупорядоченные магнитные эффекты атомов уравновешивают друг друга. По иному дело обстоит в магнитах, атомные магнитные поля которых выстраиваются в упорядоченные области, называющиеся доменами. Каждая такая область имеет северный и южный полюс. Чем гуще силовые линии, тем концентрированнее магнетизм.
Северный полюс одного магнита притягивает южный полюс другого, в то время как два одноименных полюса отталкивают друг друга. Магниты притягивают только определенные металлы, главным образом железо, никель и кобальт, называющиеся ферромагнетиками. Хотя ферромагнетики и не являются естественными магнитами, их атомы перестраиваются в присутствии магнита таким образом, что у ферромагнитных тел появляются магнитные полюса. Магнитная цепочка Касание конца магнита к металлическим скрепкам приводит к возникновению у каждой скрепки северного и южного полюса. Эти полюса ориентируются в том же направлении, что и у магнита. Каждая скрепка стала магнитом. Бесчисленные маленькие магнитики Некоторые металлы имеют кристаллическую структуру, образованную атомами, сгруппированными в магнитные домены. Магнитные полюса доменов обычно имеют различное направление красные стрелки и не оказывают суммарного магнитного воздействия. Образование постоянного магнита Обычно магнитные домены железа ориентированы бессистемно розовые стрелки , и естественный магнетизм металла не проявляется. Если к железу приблизить магнит розовый брусок , магнитные домены железа начинают выстраиваться вдоль магнитного поля зеленые линии.
Большинство магнитных доменов железа быстро выстраивается вдоль силовых линий магнитного поля. В результате железо само становится постоянным магнитом. Популярные материалы из данной категории: Как работает генератор переменного тока? Генератор превращает механическую энергию в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Электроны… Что такое полупроводник? Полупроводник — это кристаллический материал, который проводит электричество не столь хорошо, как металлы, но и не столь плохо, как большинство изоляторов. В общем случае электроны полупроводников крепко привязаны к своим ядрам. Однако, если в полупроводник,… Как работает тепловая электростанция ТЭЦ? У этой паровой турбины хорошо видны лопатки рабочих колес. Тепловая электростанция ТЭЦ использует энергию, высвобождающуюся при сжигании органического топлива — угля, нефти и природного газа — для превращения воды в пар высокого давления.
Этот пар, имеющий… Почему в горах вода закипает быстрее? Это означает, что внутри объема жидкости происходит образование пузырьков водяного пара и подъем их к поверхности. Вода закипает, потому что при данной температуре давление насыщения водяного… Источник Вы берете в руки магнит, подносите к нему небольшой кусочек металла, и он тут же к нему притягивается. Получается, что со стороны магнита, на металл действует какая — то сила, которая и заставляет его к нему прилипать. Давайте попробуем вместе разобраться с этим феноменом. Структура любого вещества представлена атомной кристаллической решеткой, в состав которой входят атомы, находящиеся между собой в тесной связи. Сам атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны. В обычном состоянии их заряды уравновешивают друг друга, что делает вещество нейтральным. Электроны, вращаясь вокруг ядра, создают магнитное поле, однако ввиду хаотического расположения его силовых линий, оно полностью уравновешивается. В обычных металлах, магнитные поля, сформированные отдельными электронами, объединяются в домены, с различным направлением магнитных полюсов.
Они компенсируют друг друга, не позволяя металлу стать магнитом. Теперь давайте обратимся к магниту. Его уникальные свойства обусловлены тем, что отдельные магнитные поля, собранные в домены, выстраиваются в строгом порядке, объединяясь в две области, которые принято называть полюсами магнита. Силовые линии магнитного поля направлены уже не хаотично, а в строгом порядке, от Северного полюса к Южному. Сила притяжения магнита прямо пропорциональна густоте силовых магнитных линий. Два магнита будут притягиваться друг к другу, если соединить их разноименные полюса Северный с Южным. Одноименные полюса, наоборот, будут отталкиваться. Магнит может взаимодействовать лишь с некоторыми видами металлов. К их числу, например, можно отнести то же железо. Атомы, входящие в его структуру, способны под воздействием магнитного поля перестраиваться, что приводит к появлению магнитных полюсов.
Так, например, если поднести к магниту кусочек метала, то у него тут же появятся магнитные полюса, Северный и Южный. Самое интересное в том, что их ориентация совпадает с той, которая существует в магните. Почему железо притягивается к магниту Почему магнит не притягивает органические вещества? На самом деле, взаимодействие магнита с веществами имеет гораздо больше вариантов, чем просто «притягивает» или «не притягивает». Железо, никель, некоторые сплавы — это металлы, которые из-за своего специфического строения очень сильно притягиваются магнитом. Подавляющее большинство других металлов, а также прочих веществ тоже взаимодействуют с магнитными полями — притягиваются или отталкиваются магнитами, но только в тысячи и миллионы раз слабее. Поэтому для того, чтобы заметить притяжение таких веществ к магниту, надо использовать чрезвычайно сильное магнитное поле, которое в домашних условиях и не получишь. Справа вы видите знаменитую фотографию живой! Напряженность магнитного поля в этом эксперименте была очень велика — она более чем в 100 000 раз превышала земное магнитное поле. Такие магнитные поля в домашних условиях не получить.
А знаменитой эта фотография стала из-за того, что автору этого исследования в 2000 году присудили Шнобелевскую премию — пародию на Нобелевскую премию, вручаемую за бессмысленные и бесполезные исследования. В данном случае, наверное, вручатели поспешили с выводами. 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? Любое вещество сложено из атомов, связанных друг с другом своими внешними электронными оболочками. Чувствительны к магнитному полю именно электроны внешних оболочек, именно они определяют магнетизм материалов.
Постоянный или жесткий магнит постоянно создает сам свое магнитное поле.
Электромагнит или мягкий магнит может создавать магнитные поля только в наличие магнитного поля и только на короткое время, пока находится в зоне действия того или иного магнитного поля. Электромагниты создают магнитные поля только в том случае, когда через провод катушки проходит электричество. До недавнего времени, все магниты изготовлялись из металлических элементов или сплавов. Состав магнита и определял его мощность. Например: Керамические магниты, подобны тем, что используются в холодильниках и для проведения примитивных экспериментов, содержат помимо керамических композиционных материалов также железную руду. Большинство керамических магнитов, также называемых железными магнитами, не обладают большой силой притягивания.
Они мощнее керамических магнитов, но значительно слабее некоторых редких элементов. Неодимовые магниты состоят из железа, бора и редко встречаемого в природе неодимового элемента. Магниты кобальта-самария включают кобальт и редко встречающиеся в природе элементы самария. За последние несколько лет ученые также обнаружили магнитные полимеры, или так называемые пластичные магниты. Некоторые из них очень гибкие и пластичные. Однако, одни работают только при чрезвычайно низких температурах, а другие могут поднимать только очень легкие материалы, например, металлические опилки.
Но чтобы обладать свойствами магнита, каждому из этих металлов нужна сила. Создание магнитов Где-то в 12-ом веке люди обнаружили, что с помощью железняка можно намагничивать частицы железа — так люди создали компас. Также они заметили, что если постоянно проводить магнитом вдоль железной иглы, то происходит намагничивание иголки. Саму иголку тянет в северо-южном направлении. Позже, известный ученый Уильям Гилберт объяснил, что движение намагниченной иглы в северо-южном направление происходит за счет того, что наша планета Земля очень напоминает огромный магнит с двумя полюсами — северным и южным полюсом. Стрелка компаса не настолько сильная как многие перманентные магниты, используемые в наше время.
Но физический процесс, который намагничивает стрелки компаса и куски неодимового сплава, практически одинаков. Все дело в микроскопических областях, называемых магнитными доменами, которые являются частью структуры ферромагнитных материалов, таких как железо, кобальт и никель. Каждый домен представляет собой крошечный, отдельный магнит с северным и южным полюсом. В ненамагниченных ферромагнитных материалах каждый из северных полюсов указывает в различные направления. Магнитные домены, направленные в противоположных направлениях, уравновешивают друг друга, поэтому сам материал не производит магнитное поле. В магнитах, с другой стороны, практически все или, по крайней мере, большая часть магнитных доменов направлены в одну сторону.
Вместо того, чтобы уравновешивать друг друга, микроскопические магнитные поля объединяются вместе, чтобы создать одно большое магнитное поле. Чем больше доменов указывает в одном направление, тем сильнее магнитное поле. Магнитное поле каждого домена проходит от его северного полюса и до южного полюса. Это объясняет, почему, если разломить магнит напополам, получается два маленьких магнита с северными и южными полюсами. Это также объясняет, почему противоположные полюса притягивают — силовые линии выходят из северного полюса одного магнита и проникают в южный полюс другого, в результате чего металлы притягиваются и получается один больший магнит. По такому же принципу происходит отталкивание — силовые линии двигаются в противоположных направлениях, и в результате такого столкновения магниты начинают отталкиваться друг от друга.
Создание Магнитов — Поместить металл в сильное магнитное поле в северо-южном направлении. Ученые предполагают, что два из этих методов объясняют то, как естественные магниты формируются в природе. Другие же ученые утверждают, что магнитный железняк становится магнитом только в том случае, когда его ударяет молния. Третьи же считают, что железняк в природе превратился в магнит еще в момент формирования Земли и сохранился до наших дней. Наиболее распространенным способом изготовления магнитов на сегодняшний день считается процесс помещения металла в магнитное поле. Магнитное поле вращается вокруг данного объекта и начинает выравнивать все его домены.
Однако в этот момент может возникнуть отставание в одном из этих связанных между собой процессов, что называется гистерезисом. На то, чтобы заставить домены поменять свое направление в одну сторону, может уйти несколько минут. Вот что происходит во время этого процесса: Магнитные области начинают вращаться, выстраиваясь в линию вдоль северо-южной линии магнитного поля. Области, которые уже направлены в северо-южном направлении становятся больше, в то время как окружающие их области становятся меньше. Стены домена, границы между соседними доменами, постепенно расширяются, за счет чего сам домен увеличивается. В очень сильном магнитном поле некоторые стены домена полностью исчезают.
Получается, что мощность магнита зависит от количества силы, используемой для смены направления доменов. Прочность магнитов зависит от того, насколько трудно было выровнять эти домены. Материалы, которые трудно намагнитить, сохраняют свой магнетизм в течение более длинных периодов, в то время как материалы, которые легко поддаются намагничиванию, обычно быстроразмагничиваются. Уменьшить силу магнита или размагнитить его полностью можно, если направить магнитное поле в противоположном направлении. Размагнитить материал можно также, если нагреть его до точки Кюри, то есть температурной границы сегнетоэлектрического состояния, при которой материал начинает терять свой магнетизм. Высокая температура размагничивает материал и возбуждает магнитные частицы, нарушая равновесие магнитных доменов.
Транспортировка магнитов Поэтому при транспортировке очень большие магниты помещают в специальные ящики или просто перевозят ферромагнитные материалы, из которых с помощью специального оборудования изготовляют магниты. По сути дела, таким оборудованием является простой электромагнит. Почему магниты «липнут» друг к другу? Из занятий по физике Вам вероятно известно, что когда электрический ток проходит по проволоке, он создает магнитное поле. В постоянных магнитах магнитное поле также создается за счет движения электрического заряда. Но магнитное поле в магнитах образуется не из-за движения тока по проводам, а за счет движения электронов.
Многие люди считают, что электроны это крошечные частицы, которые вращаются вокруг ядра атома, словно планеты вращаются вокруг солнца. Но как объясняют квантовые физики, движение электронов значительно сложнее этого. Во-первых, электроны заполняют раковинообразные орбитали атома, где они ведут себя и как частицы и как волны. Электроны имеют заряд и массу, а также могут двигаться в разных направлениях. И хотя электроны атома не перемещаются на большие расстояния, такого движения достаточно для того, чтобы создать крошечное магнитное поле. И поскольку спаренные электроны двигаются в противоположных направлениях, их магнитные поля уравновешивают друг друга.
В атомах ферромагнитных элементов, наоборот, электроны не спарены и двигаются в одном направление. Например, у железа есть целых четыре несоединенных электрона, которые движутся в одну сторону. Поскольку у них нет сопротивляющихся полей, у этих электронов есть орбитальный магнитный момент. Магнитный момент — это вектор, который имеет свою величина и направленность. В таких металлах как железо орбитальный магнитный момент заставляет соседние атомы выстраиваться вдоль северо-южных силовых линий. Железо, как и другие ферромагнитные материалы, имеют кристаллическую структуру.
Когда они остывают после процесса литья, группы атомов с параллельной орбиты вращения выстраиваются в линию внутри кристаллической структуры. Так образуются магнитные домены. Вы, возможно, заметили, что материалы, из которых получаются хорошие магниты, также способны притягивать сами магниты. Это происходит потому, что магниты притягивают материалы с непарными электронами, которые вращаются в одном направлении. Иными словами, качество, которое превращает металл в магнит также притягивает металл к магнитам.
Примечание: если вы хорошо знакомы с физикой процесса, смело пропускайте этот раздел: дальше будет поверхностное объяснение на уровне школьной программы. Как мы знаем, ток в проводнике — это направленное движение электронов под действием некоторого электрического поля. При этом движение электронов порождает собственное магнитное поле, что следует из закона Ампера , и более глобально — из уравнений Максвелла.
Так работают привычные нам электромагниты: приложили напряжение, и по виткам провода побежал ток, который создаёт магнитное поле больше витков — больше магнитная индукция. Просто напоминаем — направление напряженности магнитного поля определяется по правилу правой руки Если теперь в образовавшееся поле поместить предмет из ферромагнитного материала то есть подверженному намагниченности , то он будет притягиваться к электромагниту. Тут всё понятно. Но что делает материал ферромагнитным? Давайте посмотрим на более микроскопическом уровне. Как мы знаем, атом имеет так называемую планетарное строение по Резерфорду: в центре находится ядро, вокруг которого по орбитам вращаются электроны. По своей сути, вращение электрона — это и есть электрический ток, но очень маленький. В результате электрон движением по орбите создаёт собственное магнитное поле — это называется магнитным дипольным моментом.
Он напрямую связан с более общей характеристикой — орбитальным моментом импульса электрона не путать со спином — чисто квантовой величиной , как у любого вращающегося тела. Небольшое отступление: магнитный момент имеет интересное свойство. Как и многое в квантовом мире, он кратен некоторому фундаментальному числу, которое называется магнетоном Бора и выводится через массу электрона, скорость света и постоянную Планка. Для того чтобы магнитный момент проявился и какое-то вещество начало притягиваться, в его атоме должны быть нескомпенсированные электроны. Внешнее магнитное поле как бы развернёт их в одном направлении, что приведёт для всех таких же атомов к появлению общей нескомпенсированной силы — это, и будет нашей намагниченностью. Внешнее и внутреннее магнитные поля будут взаимодействовать, из-за чего возникнет притяжение материала к магниту. В веществах же, не имеющих подобного строения, магнитный момент не проявится вообще дипольный момент равен 0 или будет в сотни тысяч раз слабее, чем у ферромагнетиков — речь идёт о так называемых парамагнетиках. Посмотрите наглядное и простое объяснение: Ещё раз — возможность намагничивания ферромагнитные свойства зависят от атомной структуры, веществ и распределения электронов по орбитам.
Например, возьмём всем пришедшее на ум железо Fe : его порядковый номер 26 в таблице Менделеева равен количеству электронов на орбитах. Если не вдаваться в подробности для пытливых — смотри тут , то электроны по его орбиталям s, p, d и f распределяются по энергетическим уровням так, что образуется 4 неспаренных электрона на d-орбитали. Они и наделяют наше вещество способностью намагничиваться. На самом деле, ферромагнитных веществ не так уж много. Итак, с возникновением магнитного притяжения немного разобрались. Но проблема в том, что сами по себе условные железные гвозди после взаимодействия с внешним магнитным полем практически не сохраняют своих магнитных свойств или быстро их теряют. Вообще, у ферромагнетиков есть локальные области с высокой плотностью диполей, ориентированных в одном направлении — так называемые магнитные домены. Но у простого железного гвоздя кристаллическая структура неравномерная, и суммарный эффект намагничивания слишком слабый.
Нужно создать чёткую кристаллическую структуру, чтобы магнитные домены были равномерно распределены и сохраняли ориентацию в одну сторону, по оси как бы имели выраженные полюса S и N — хотя это достаточно условная штука. Примечание: подробнее про зависимость магнитных свойств от атомного строения неодимового магнита можно почитать в этой статье. Только в этом случае получится произвести постоянный магнит, подходящий для бытового и промышленного применения. Например, он должен: сохранять высокую остаточную намагниченность Br — другими словами, создавать как можно более мощное магнитное поле; иметь высокую коэрцитивную силу Hc — то есть противостоять попыткам размагничивания внешним электромагнитным полем; сохранять свои свойства при разных внешних воздействиях — например, иметь как можно более высокую температуру точку Кюри , при которой происходит разрушение структуры, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Есть ещё много параметров, но для понимания эти три — основные. Основная диаграмма с характеристиками постоянного магнит — петля гистерезиса. Представляет связь между индукцией B и напряженностью H магнитного поля. Для упрощения: чем форма петли шире и выше, тем лучше Чтобы этого добиться, нужно производить некоторые дополнительные манипуляции с ферромагнитными веществами: создавать из них сплавы, превращать в порошок и спекать, намагничивать очень сильным полем, при высокой температуре и так далее.
Проще говоря, подобрать состав и технологию так, чтобы получить идеальную структуру магнитных доменов. Виды постоянных магнитов Перед тем как перейти к истории появления детища Джона Кроата и Масато Сагавы, посмотрим, какие ещё виды постоянных магнитов использовались и используются до сих пор — хотя и значительно уступили свои позиции неодимовым магнитам. Магнетит Самым первым магнитным материалом, с которым столкнулись люди, стал магнетит.
Какие металлы магнитятся?
| Семиков С.А. "Упрямая загадка магнетизма" (статья из "Инженера") | Расплавленное железо против магнита: увлекательный эксперимент. Как ведет себя расплавленное железо и обладает ли оно магнитными свойствами? |
| Суть магнита. Почему магниты магнитят. Природа и принцип действия магнитов и электромагнитов. | Тем не менее немногие способны объяснить, что заставляет магнит притягивать, и почему его силе подвластно именно железо. |
Почему магнит притягивает железо? Магнит.
Исходя из происходящего физик из Франции Андре Ампер, разработал точное описание всего происходящего в этом эксперименте. Первые шаги к объединенной теории Ситуация изменилась лишь в конце 1990-х — начале 2000-х годов с появлением и развитием так называемой динамической теории среднего поля. Эта теория приближенно сводит сложную проблему движения электронов в кристалле к рассмотрению изменения их состояния со временем на одном выбранном атоме. Теория позволила описать переходы металл — изолятор в ряде веществ, что, естественно, привело к вопросу о ее способности объяснить магнетизм переходных металлов. Читайте также: Самостоятельная утилизация строительного мусора — куда выбросить В частности, железо и никель были исследованы в рамках этой теории Михаилом Кацнельсоном, Александром Лихтенштейном совместно с американским физиком Габриэлем Котляром в 2001 году. Ими впервые из полностью микроскопического то есть исходящего из первопринципных уравнений расчета в рамках зонной картины было получено линейное поведение обратной восприимчивости с температурой закон Кюри — Вейсса , которое обычно интерпретируется как указание на присутствие локальных моментов.
Также ими была найдена слабая зависимость локальной восприимчивости от времени на оси мнимого времени, которое проще изучать с теоретической точки зрения , свидетельствующая о наличии локальных моментов. В какой-то момент казалось, что проблема железа и других переходных металлов почти решена. Энергетические зоны В атоме уровни энергии электрона дискретны. В кристаллическом твердом теле же образуются целые диапазоны разрешенных энергий разрешенные зоны и запрещенных энергий запрещенные зоны. Несколько упрощая, можно сказать, что разрешенные зоны формируются из атомных уровней при объединении атомов в кристалл, а оставшееся место занято запрещенными зонами.
Как магниты притягиваются друг к другу Каждый магнит, который попадается нам в жизни, обладает рядом характерных черт. Главной особенностью является способность притягиваться к предметам из металла или стали. Второе качество заключается в наличии полюсов. Проверка полюсов достигается за сет приближения одного магнита к другому. Притягиваются противоположные полюса юг и север.
Как только мы включили питание, катушка стала притягивать скрепки. Мы поднесли к магниту компас и увидели, что стрелка компаса указывает на магнит. К одному полюсу магнита она притягивается одним концом, а к другому — противоположным. При отключении батареек магнитные свойства катушки исчезают. Правда, после нашего эксперимента железный сердечник немного намагнитился и превратился в слабый магнит.
Этот магнит не постоянный, а временный. Он работает только то время, пока по обмотке ток течет. Поэтому его назвали электромагнитом. Электромагнит сильнее и легче постоянного магнита. А главное, магнитным полем электромагнита можно управлять.
Поэтому электромагниты очень широко применяются в технике. Вывод: когда электричество бежит по проволоке, вокруг нее образуется магнитное поле. Когда проволока свернута спиралью, достигается наибольший эффект. Чем больше колечек, тем магнитное поле сильнее. Электрический ток, проходя по спирали, намагничивает стальной стержень, и стержень притягивает скрепки.
Таким прибором в быту можно собрать рассыпавшуюся металлическую стружку или найти в ворсе ковра мелкую деталь, например, от наручных часов. Эксперимент 2. Делаем моторчик! Нам понадобились: неодимовый магнит, батарейка размера АА, кусок толстой медной проволоки длиной 20 см. Из проволоки мы изготовили фигуру-рамку.
Поставили батарейку на магнит. Уравновесили рамку и отпустили. Рамка крутится! Мы перевернули магнит, рамка стала вращаться в другую сторону. Почему рамка и спираль вращаются?
Происходит выталкивание проводника с током медной проволоки из магнитного поля. На этом основан принцип работы электродвигателя. Подобные моторчики можно установить на мелкие игрушечные машинки. Эксперимент 3. Делаем «Указку-доставатель»!
Мы решили собрать магнитную указку — доставатель. Простое и многофункциональное изделие, которое можно сделать своими руками. В быту магнит находит не меньшее количество полезных применений. Для этого нам понадобились: неодимовый магнит, антенна от старого радиоприемника, клей. Если необходимо найти мелкий металлический предмет на полу: будь то иголка, винтик или шуруп, детальки от часов, винтики от очков да и мало ли чего еще падает на пол , достаточно взять наш магнитный Доставатель в руки, провести по поверхности пола, где, предположительно могла упасть деталька — и вот она уже на магните!
Кстати, он поможет и в случае, если металлический предмет упал в водоем, или туда, куда мы не хотим лезть руками. Деталька будет успешно извлечена Приложение 6. Отдельная придумка для автолюбителей. Почти каждый автовладелец сталкивался со следующей проблемой: утром заклинивает замок дверцы из-за промерзания в нем конденсата, и вы не можете провернуть замок ключом. Для того, чтобы эта неприятность не застала вас утром врасплох, с вечера закройте отверстие замка небольшим магнитиком.
Почему магнит притягивает железо? Атомы в магнитах упорядочены таким образом, что их способность взаимодействовать с атомами других тел значительно выше, чем у других веществ пластмассы или дерева. В атомах магнита частицы обладают магнитным моментом, который и порождает силу, притягивающую вещества с высокой магнитной восприимчивостью, каковыми являются металлы.
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. 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.
Подносим магнит к яблоку: ищем железо внутри
Также Гильберт обнаружил, что сильно нагретое железо теряет магнитные свойства, но при охлаждении они восстанавливаются. И наконец, он первым провел четкую границу между притяжением магнетита и притяжением натертого янтаря, которое он назвал электрической силой от латинского названия янтаря electrum. Он развел «по углам» электричество и магнетизм. Несмотря на то что это был чрезвычайно новаторский труд, по достоинству оцененный и современниками, и потомками, после Гильберта наука о магнетизме вплоть до начала XIX века продвинулась очень мало. Когда будущий автор «Голого короля» и «Дюймовочки» четырнадцатилетним подростком добрался до Копенгагена, он обрел друга и покровителя в лице своего двойного тезки, ординарного профессора физики и химии Копенгагенского университета Ганса Христиана Эрстеда рис. И оба прославили свою страну на весь мир. Ганс Христиан Эрстед 1777—1851 Многие ученые того периода находились под влиянием философских концепций Шеллинга, которые заключались в том, что все силы в природе возникают из одних и тех же источников. Поэтому Эрстед начиная с 1813 года вполне сознательно пытался установить связь между электричеством и магнетизмом. Это удалось сделать весной 1820 года, во время очередной лекции по электричеству.
Опыт Эрстеда, проведенный в 1820 г. Эрстед на лекции демонстрировал нагрев проволоки электричеством от вольтова столба, для чего составил электрическую цепь. На демонстрационном столе случайно находился морской компас, поверх стеклянной крышки которого проходил один из проводов. Вдруг кто-то из студентов присутствующих на лекции случайно заметил, что, когда Эрстед замкнул цепь, магнитная стрелка компаса отклонилась в сторону. Начались исследования обнаруженного феномена. Для начала Эрстед повторил условия своего лекционного опыта. Опыты Эрстеда 1.
Выньте и снова погрузите один конец стержня из мягкого железа в опилки, а к другому его концу поднесите полюс магнита. Дальнейшие опыты показывают, что это явление объясняется временным намагничиванием мягкого железа, причем направление намагничивания обеспечивает притяжение стержня магнитом. Задача 1 Какие экспериментальные факты еще до того, как вы испробовали действие магнита на подвешенный железный стержень, убеждали вас в том, что мягкое железо легко меняет свою намагниченность? Опыт 4. Применение компаса. Закрепите магнит на оси так, чтобы он легко поворачивался в горизонтальной плоскости. Именно так и действует стрелка компаса! Некоторые из предыдущих экспериментов можно теперь повторить, поднося к магниту компас фиг. Это даст нам возможность использовать компасную стрелку для маркировки полюсов любого магнита индексами N и S. Острие стрелки компаса, которое приблизительно указывает на север, мы зовем северным полюсом N-полюсом и все аналогичные полюсы других магнитов тоже называются северными. Опыт 5. Временное намагничивание мягкого железа. Найдите с помощью компаса северный и южный полюсы длинного магнита и подержите один из его концов около конца бруска из мягкого железа. Проверьте, что на каждом конце бруска образуются полюсы. Поверните магнит другой стороной и снова исследуйте железный брусок. Какие полюсы возникли у бруска в том и другом случае? Магнитные поля Мы говорим, что магнит всюду вокруг себя создает магнитное поле, аналогично тому, как электрические заряды создают электрические поля. Линии, вдоль которых двигался бы маленький пробный северный полюс, мы называем магнитными силовыми линиями. Если же возможность получить свободный полюс кажется вам сомнительной, то под ними можно подразумевать линии, вдоль которых ориентируется крошечная компасная стрелка. Оба этих определения эквивалентны: магнитное поле, которое притягивает северный полюс стрелки в направлении вдоль силовой линии, отталкивает ее южный полюс в обратном направлении, заставляя стрелку повернуться вдоль линии. Напряженность магнитного поля мы могли бы по аналогии с напряженностью электрического поля определить как результирующую силу, действующую на единичный пробный полюс со стороны всех расположенных поблизости магнитов. Однако вводить такое определение нет необходимости. Картину расположения магнитных силовых линий можно воспроизвести, исходя из закона обратных квадратов точно таким же путем, как и для электрических полей. Поэтому большинство рассуждений, касавшихся характера распределения электрического поля, применимо и здесь. Нужно только не забывать о том, что у нас нет таких идеальных проводников магнетизма, какими являются металлы для электричества. И хотя конфигурации силовых линий обоих полей бывают сходными, магнитное поле по своей природе совершенно отлично от электрического. Это два различных силовых поля, и одно из них относится к тем физическим объектам, которые мы называем магнитами, а другое создается обычными электрическими зарядами. Опыт 6. Магнитные поля. Чтобы лучше познакомиться с природой магнитного поля и расположением магнитных силовых линий, проведите опыты с компасной стрелкой. Как бы ни была помещена стрелка, она устанавливается в направлении магнитного поля. Положите магнит и рядом с ним небольшой компас на лист бумаги. Перемещайте компас в направлении, указываемом его стрелкой. При этом ваш компас будет двигаться вдоль магнитной силовой линии. Отмечайте путь компаса на бумаге. Для этого поставьте карандашом точку прямо против острия компасной стрелки. Передвиньте компас дальше, так, чтобы точка осталась позади. Поставьте следующую точку и т. После этого начните снова и наметьте вторую линию, идущую из другой начальной точки, и продолжайте так до тех пор, пока вы не получите полную картину распределения линий. Вычерчивание карты магнитного поля с помощью компаса. Приблизьте небольшой компас к северному полюсу магнита и поставьте точку у северного полюса компасной стрелки. Перемещайте компас в направлении, указываемом стрелкой до тех пор, пока точка не окажется сзади ее южного полюса. Снова поставьте точку впереди северного полюса стрелки и т. Возможно, что некоторые линии вам будет удобно начинать от края листа. Вместо компаса можно воспользоваться железными опилками, которые ведут себя как небольшие компасные стрелки, соединяясь в цепочки, идущие вдоль силовых линий. Опилкам труднее поворачиваться, поэтому помогите им выстроиться, легонько постучав по листу бумаги. Сделайте натурные зарисовки силовых линий для различных расположений магнитов. Железные опилки указывают расположение силовых линий. Помните, что несколько расходящихся в разные стороны линий дают лучшее представление об общей конфигурации поля, чем их густое скопление фиг. На фиг. Сделайте аналогичные карты для различных расположений магнитов, показанных на фиг. Размер каждой карты должен быть с ладонь руки или больше. Советуем вам при составлении карты пользоваться пунктирными линиями. Помните, что небольшое число основных линий лучше передает общую картину, чем густое скопление. Примеры конфигураций магнитного поля. Примеры расположения магнитов для составления карт магнитного поля. Интерпретация карт магнитного поля Составляя карты различных магнитных полей, мы видим, что они могут кое-что рассказать нам о силах, которые действуют на магниты, создающие эти поля. Силовые линии кажутся похожими на упругие натянутые трубки, которые пытаются сокращаться в продольном направлении, одновременно расталкивая друг друга и выгибаясь в сторону, как если бы они были заполнены жидкостью. Конфигурация линий между северным и южным полюсами напоминает протянутые навстречу щупальца, что говорит о притяжении; между двумя северными полюсами линии сплюснуты и наталкиваются друг на друга, как буфера, что свидетельствует о силах отталкивания. В более сложных случаях можно заметить, что силовые линии как бы растягивают и изгибают магнит. По мере приближения к полюсу силовые линии сходятся все более тесно. Мы уже знаем, что у полюсов магнитное поле становится сильнее закон обратных квадратов. Так что сгущение силовых линий идет рука об руку с ростом напряженности поля. Если детально исследовать самые различные конфигурации силовых линий, то обнаружится, что чем больше сгущаются линии, тем сильнее становится поле. Таким образом, картина силовых линий может дать нам представление о напряженности поля. В более серьезных курсах магнетизма эта идея преломляется в некоторый способ численного определения напряженности магнитного поля по густоте силовых линий. Полезно выработать привычку представлять себе магнитные силовые линии как агенты, посредством которых магниты притягивают и отталкивают друг друга, так как это представление приложимо и к магнитным силам, с которыми электрические токи взаимодействуют с другими токами и магнитами. Таким образом, карты магнитных полей дают нам в руки способ наглядного изображения действия электрических моторов, амперметров и т. Электрическое поле имеет совсем другую природу, однако конфигурация силовых линий этого поля также может сказать о его напряженности. Можно представить себе, что радиоволны бегут вдоль комбинации силовых линий электрического и магнитного полей наподобие колебаний туго натянутых веревок. Этот пример дает ощущение того, что силовые линии электрического и магнитного полей вполне реальны. Конечно, не следует забывать, что в действительности существуют не силовые линии, а сами поля. Магнитное поле Земли Если воспользоваться компасом, чтобы построить карту окружающего нас магнитного поля, то мы получим ряд параллельных линий, идущих приблизительно с севера на юг. Подвешенный на нити намагниченный стержень, представляющий собой гигантскую компасную стрелку, повернется в том же направлении. Эти линии говорят о существовании магнитного поля, которое, разумеется, останется и после того, как мы уберем все наши магниты. Обследовав всю поверхность Земли, мы увидим, что линии сходятся на севере Канады, а также в некоторой области в Австралии. Почти повсюду эти линии идут не горизонтально, а наклонены к земной поверхности[67]. Их направление указывает на то, что Земля похожа на огромный магнит с магнитной осью, слегка повернутой относительно географической оси вращения фиг. Именно это слабое земное магнитное поле используется для навигации с помощью компаса, несмотря на то, что стальные корабли обладают собственным магнитным полем, которое частично имеет переменный характер, что сильно затрудняет навигационное дело. Эквивалентный магнит для внешнего магнитного поля Земли. Северный полюс стрелки компаса указывает на север Канады. Следовательно, там должен находиться южный магнитный полюс Земли. Этот полюс, однако, называют Северным магнитным полюсом. Если это будет вас затруднять, то избегайте таких сокращений, как «северный полюс», и называйте все полюсы их полными именами, т. Это избавит от путаницы. Когда же вы полностью уясните себе этот вопрос, вам, возможно, снова захочется вернуться ради экономии времени к сокращенным наименованиям. Магнитное поле Земли на значительных пространствах однородно, т. Поэтому с его помощью можно провести очень важный опыт — проверить равноправность северного и южного полюсов магнита. Положим магнит на пробку и пустим его плавать в воду. Земное магнитное поле повернет магнит в направлении N-S. Будет ли оно также перемещать его в каком-либо определенном направлении, например на север? Если северный и южный полюсы плавающего магнита обладают равной силой хотя создаваемые ими поля противоположны по направлению , можно ожидать, что магнитное поле Земли будет притягивать их одинаково. Под действием такого притяжения магнит повернется вокруг своей оси, но не будет двигаться по поверхности воды ни на север, ни в каком-либо другом направлении. Если же полюсы плавающего магнита неодинаковы, то можно ожидать, что магнитное поле Земли будет действовать на них с различной силой и заставит магнит перемещаться в некотором направлении. Проведите этот важный опыт сами. Хотя земное магнитное поле довольно слабое, оно способно заметно искривить путь электронного пучка. В следующих разделах мы увидим, как магнитное поле может выталкивать проводник с электрическим током, действуя подобно катапульте. Потоки заряженных частиц космического излучения, приходящие из мирового пространства, также заворачиваются земным магнитным полем. Это позволяет использовать Землю во многих современных экспериментах с космическими лучами как гигантский анализирующий магнит. Как намагничивают магниты В современной практике намагничивание магнитов производится с помощью электрического тока. Для этого ток пропускается не через намагничиваемый металлический брусок, а через намотанную вокруг него проволочную катушку. Магнитное поле внутри длинной цилиндрической катушки соленоида однородно, а напряженность его легко менять, регулируя ток. Поэтому такая катушка чрезвычайно удобна для опытов по намагничиванию. Если мы поместим стальной брусок внутрь соленоида и подадим в катушку ток, то увидим, что при включенном токе брусок намагничивается. После выключения тока брусок по-прежнему остается магнитом, хотя и несколько более слабым. Для намагничивания бруска достаточно пропускать ток через катушку в течение всего лишь доли секунды. Существует несколько материалов, пригодных для получения таких «постоянных магнитов». Для этой цели подходит большинство сортов закаленной стали. Еще лучше специальные стали, содержащие вольфрам или кобальт. Некоторые новые сплавы, в состав которых входит алюминий, например «алнико», позволяют создавать еще более сильные магниты, однако требуют больших полей для намагничивания. Все эти материалы также можно намагнитить, помещая их на короткое время в магнитное поле. Обращение магнитного поля путем перемены направления тока в катушке меняет и направление намагничивания. Как размагничивают магниты Намагниченный стальной брусок можно полностью размагнитить, помещая его внутрь катушки, через которую пропущен переменный ток, и затем медленно вынимая оттуда. Другой способ — постепенно уменьшать силу переменного тока до нуля с помощью реостата. Временное намагничивание мягкого железа Пытаясь намагнитить кусок мягкого железа, т. Если ток выключить, брусок почти полностью потеряет магнитные свойства. Мягкое железо оказывается прекрасным материалом для временного намагничивания, поэтому оно используется для изготовления сердечников электромагнитов в электромоторах и других электромагнитных устройствах. Мы можем временно намагнитить брусок из мягкого железа, поднося к нему магнит. Если N-полюс магнита находится около конца А бруска АВ, то стрелка компаса покажет, что брусок приобрел магнитные свойства, причем его южный полюс оказывается в А, т. Если же мы унесем магнит, эти полюсы сразу исчезнут. Теперь вы можете понять, почему ненамагниченные железные опилки притягиваются к магниту. 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.
Например, алюминиевые банки являются металлическими, но не содержат железа, поэтому не обладают магнитными свойствами. Сталь — это металл, изготовленный из железа, поэтому стальные предметы, такие как инструменты и столовое серебро, обычно обладают магнитными свойствами. Магнитные полюса Два конца магнита известны как северный полюс N и южный полюс S. Отталкиваются одни и те же полюса - притягиваются противоположные полюса. Если вы попытаетесь соединить два магнита с одинаковыми полюсами, направленными друг к другу, магниты будут отталкиваться друг от друга. Что такое магнитная сила? Магнитная сила — это сила, создаваемая электронами и возникающая между электрически заряженными частицами. Применяемая магнитами к магнитным объектам, эта сила создает и контролирует магнетизм и электричество. На самом деле мы не можем видеть действующие силы, они невидимы для человеческого глаза, однако мы можем наблюдать их влияние на различные объекты при проведении эксперимента. Область, где на магнитный материал действует магнитная сила, называется магнитным полем. С магнитными полями взаимодействуют три типа металлов: ферромагнитные, парамагнитные и диамагнитные металлы.
Однако ещё в 1908 г. Вальтер Ритц допустил, что электрон вращается в атоме под действием не электрической, а магнитной силы. Это объясняет стабильность атомов, их спектры, фотоэффект, элементарный магнитный момент и другие свойства атомов [ 9 , 10 ]. Магнитное поле такого остова имеет бочкообразную структуру как в циклотроне , и захваченный атомом электрон устойчиво летит по орбите в средней плоскости остова. Это поле велико, но снаружи не заметно, будучи собрано внутри атома и исчезая вне его от компенсации магнитных моментов остова моментами замыкающих граней "крышек атомной бочки", нейтрализующих бочкообразное поле, рис. Зато действие поля на электроны атома вполне заметно. Этим магнитная модель атома объясняет фотоэффект, где роль магнетизма отмечал ещё Дж. Томсон [ 11 ]. Структура поля остова объясняет и стандартный магнитный момент атомов, вызванный орбитальным вращением электронов и якобы невозможный в классической теории, где величины не квантуются [ 12 , 13 ]. Часто его называют магнетоном Бора, поскольку Н. Но стандартный магнитный момент следует и из классической модели атома. А если атом удерживает в магнитной ловушке несколько электронов, то его магнитный момент вырастет в целое число раз. Да и предсказан был элементарный магнитный момент магнетон задолго до Бора физиками-классиками — В. Ритцем и П. Вейссом [ 9 ]. Этим моментом Ритц объяснил спектры атомов, а Вейсс — ферромагнетизм. Будучи другом и коллегой Ритца, Вейсс даже написал душевное предисловие к посмертной книге Ритца. Электрон вертится от реакции отдачи при выбросе реонов как фейерверочное колесо, выбрасывающее искры и от ударов сходящегося потока реонов, раскручивающих электрон так же, как поток ветра вертит мельничное колесо [ 1 ]. Подобный механизм раскрутки электрона ещё 50 лет назад предложил В. Демиденко, отметивший, что носящиеся в пространстве со скоростью света частицы-переносчики воздействий ударяют в электрон и крутят его, аналогично струе воздуха в опыте Отточека, поддерживающей вращение даже симметричного маховика [ 14 ]. В обоих случаях скорость вращения стабилизируется на стандартном уровне. Вот откуда стандартный магнитный момент электронов: причина в равенстве их размеров и скоростей реонов, задающих стандарт скорости вращения. Не случайно именно Ритц первым предсказал стандартный магнитный момент, ось электрона и осевое вращение элементарных зарядов для объяснения магнетизма и гравитации [ 1 , 9 ]. Но и это открытие хотят ныне приписать квантовым физикам Дж. Уленбеку и С. Хотя Уленбек, приняв вслед за Ритцем магнитный момент и вращение спин электрона для описания атомных спектров, исходно был физиком-классиком и учеником Эренфеста, знакомого с Ритцем и его идеями. А Гаудсмит, как квантовый теоретик, не имел отношения к открытию спина и лишь подписал работу Уленбека. И вообще кванторелятивисты теперь отвергают вращение электрона, считая спин абстрактным свойством. Ведь вращение электрона означает наличие у него структуры, противореча принципу неопределённости и теории относительности так как окружная скорость V крутящегося электрона вышла бы сверхсветовой. Отметим, что реоны мог бы испускать и не сам электрон, а вытолкнутые им частицы-бластоны B, распадающиеся на расстоянии r0 на реоны рис. Эти частицы предсказал ещё Никола Тесла в честь которого названа единица магнитной индукции B , утверждавший, что "выталкиваемые электроном комья материи… расщепляются на фрагменты столь маленькие, что они полностью теряют некоторые физические свойства",— эти фрагменты реоны и производят своими ударами электромагнитные действия. Орбитальное и осевое вращение электронов объясняет все три типа магнетизма веществ диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм , смотря по их реакции на внешнее магнитное поле B0 и по проницаемости для него. Удивительно, но такое деление веществ на три типа по проницаемости для магнитного поля потока реонов из магнита впервые произвёл всё тот же Лукреций, который, выделив железо, отметил: "Ток из магнита не в состояньи совсем на другие воздействовать вещи. Частью их тяжесть стоять заставляет,— как золото,— частью пористы телом они, и поэтому ток устремляться может свободно сквозь них, никуда не толкая при этом; к этому роду вещей мы дерево можем причислить, среднее место меж тем и другим занимает железо". Самые упрямые и странные — диамагнитные вещества, действующие наперекор внешнему полю. Однако электроны, летя по орбитам в магнитном поле атома, постепенно теряют энергию, отдаляются от ядра и в итоге его покидают. То есть намагниченность, казалось бы, возникнет лишь вначале, а затем плавно сойдёт на нет, раз генерирующие его электроны выбывают из игры. Выходит, если без поля B0 моменты орбитальных электронов компенсировали друг друга, то во внешнем поле преобладают моменты, направленные против поля и снижающие его. И снижение сохраняется, ибо взамен электронов, покинувших атомы, приходят новые, попадающие в те же условия. Что касается эффекта индукции, то он как раз раскручивает одни электроны, тормозя другие, причём с лихвой. Быстрый прирост поля может намагнитить вещество сильнее хотя ненадолго , чем такой же, но медленный прирост, чего не могла объяснить квантовая физика. Отчасти эффект можно объяснить и влиянием на осевое вращение электронов: эффект индукции мог бы раскрутить одни электроны чуть быстрее, а электроны с обратным вращением — чуть замедлить. Эти сбои частоты вращения и магнитного момента быстро устранит стабилизация частоты вращения электронов в потоке реонов рис. В итоге останутся лишь слабые отклонения моментов электронов от стандарта, объясняющие диамагнетизм свободных электронов, частично вызванный и закруткой электронов вокруг линий поля B0, которую ошибочно трактуют по квантовой теории Ландау. Проще понять поведение парамагнитных веществ. В них внешнее поле ориентирует магнитики атомов, словно стрелки компасов на столе, создающие при параллельной ориентации добавочное поле намагниченность M , направленное вдоль внешнего поля B0 рис. Однако тепловое движение атомов, их столкновения то и дело сбивают этот порядок, как при тряске стола с компасами, отчего их стрелки беспорядочно мельтешат, хотя в среднем больше стрелок, повёрнутых вдоль поля. Наконец, ферромагнетизм связан с постройкой вдоль поля осевых магнитных моментов атомных электронов рис. По мере увеличения внешнего поля B0 растёт его ориентирующее действие и собственное поле M ферромагнетика. Когда оси всех электронов установятся параллельно, намагниченность M перестанет расти — наступит насыщение рис. Эта кривая намагничивания ферромагнетика была открыта А. При снятии внешнего поля намагниченность не исчезает, а лишь снижается гистерезис , ибо намагниченный образец, создав сильное поле, уже сам поддерживает свою намагниченность. Так и создают "волшебные" камни-магниты, образованные элементарными магнитиками-электронами. В классике это казалось немыслимым: раз образующие ток электроны могут двигаться с любой скоростью и по любым орбитам, то и поток принимает любые значения. А в квантовой механике орбитальный момент импульса электронов меняется дискретно, отчего дискретно меняется и поток. И всё же опыт легко объясним классически, ведь магнитное поле сверхпроводника реально создаётся не током проводимости, так как рассечение сверхпроводящего кольца не меняет магнитного поля [ 15 ]. Скорее, по гипотезе, выдвинутой ещё в 1915 г. Томсоном и возрождённой В. Федюкиным [ 15 ], сверхпроводник генерирует поле так же, как магнит,— крутящимися электронами. Магнитное поле магнита создано параллельными магнитными моментами электронов. А раз их величина стандартна, то и общее магнитное поле, и поток этого поля меняется дискретно. Точнее, дискретно меняется число n электронов, у которых моменты не скомпенсированы встречными. 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.
Почему магнит притягивает железо?
Это объясняет, почему некоторые магниты притягивают предметы с большей силой, чем другие. Магнит притягивает только железо; · Магнит может притягивать предметы на расстоянии, благодаря магнитному полю. Дак и я не сомневаюсь что магнит притягивает железки и могу померить параметры этого притяжения. Сама по себе кристаллическая решетка построена таким образом, что в условиях сильных магнитных или электрических полей железо может намагничиваться и притягиваться к другому магниту. Так что такое магнит, и почему он притягивает? Корабли не разваливались, но магнит притягивает железо. Почему магнит притягивает железо. Магнитом является тело, которое обладает собственным магнитным полем.