Природа магнетизма кратко и понятно
Обновлено: 02.07.2024
МАГНЕТИ́ЗМ (от греч. μαγνῆτις , от Μαγ νῆτις λίϑος , букв. – камень из Магнесии-на-Меандре), 1) совокупность явлений, связанных с особой формой материальных взаимодействий, возникающих между частицами, обладающими магнитным моментом . 2) Раздел физики, изучающий эти взаимодействия и свойства тел (магнетиков), в которых они проявляются. В макроскопич. масштабах М. проявляется как взаимодействие между электрич. токами, между токами и магнитами, между магнитами.
За последние 50 лет все отрасли наук шагнули стремительно вперед. Но прочитав множество журналов о природе магнетизма и гравитации, можно прийти к выводу, что у человека появляется еще больше вопросов, чем было.
Природа магнетизма и гравитации
Всем очевидно и понятно, что предметы, подброшенные вверх, стремительно падают на землю. Что же их притягивает? Можно смело предположить, что они притягиваются какими-то неведомыми силами. Те самые силы получили название - природная гравитация. После каждый интересующийся сталкивается со множеством споров, догадок, предположений и вопросов. Какова природа магнетизма? Чем являются гравитационные волны? В результате какого воздействия они образуются? В чем проявляется их сущность, а также частота? Как они воздействуют на окружающую среду и на каждого человека по отдельности? Как рационально можно использовать это явление во благо цивилизации?
Понятие магнитизма
В начале девятнадцатого века физик Эрстед Ханс Кристиан открыл магнитное поле электрического тока. Это дало возможность предполагать, что природа магнетизма тесно взаимосвязана с электрическим током, который образуется внутри каждого из существующих атомов. Возникает вопрос, какими явлениями можно объяснить природу земного магнетизма?
На сегодняшний день установлено, что магнитные поля в намагниченных объектах зарождаются в большей степени электронами, которые беспрерывно делают обороты вокруг своей оси и около ядра существующего атома.
Давно установлено, что хаотичное перемещение электронов являет собой самый настоящий электрический ток, а его прохождение провоцирует зарождение магнитного поля. Подводя итог этой части, можно смело утверждать, что электроны вследствие своего хаотичного перемещения внутри атомов порождают внутриатомные токи, которые, в свою очередь, способствуют зарождению магнитного поля.
Но чем же обусловлено то, что в разных материях магнитное поле имеет значительные отличия в собственной величине, а также различную силу намагничивания? Это связано с тем, что оси и орбиты перемещения самостоятельных электронов в атомах способны быть в разнообразных положениях относительно друг друга. Это приводит к тому, что в соответствующих положениях располагаются и произведенные перемещающимися электронами магнитные поля.
Таким образом, следует отметить, что среда, в которой зарождается магнитное поле, оказывает воздействие непосредственно на него, преумножая или ослабевая само поле.
Материалы, магнитное поле которых ослабляет результирующее поле, получили название диамагнитные, а материалы, весьма слабо усиливающие магнитное поле, именуются парамагнитными.
Магнитные особенности веществ
Следует отметить, то природа магнетизма зарождается не только благодаря электрическому току, но и постоянными магнитами.
Постоянные магниты могут быть изготовлены из небольшого количества веществ на Земле. Но стоит отметить, что все предметы, которые будут находиться в радиусе магнитного поля, намагнитятся и станут непосредственными источниками магнитного поля. Проведя анализ вышеизложенного, стоит добавить, что вектор магнитной индукции в случае наличия вещества отличается от вектора вакуумной магнитной индукции.
Гипотеза Ампера о природе магнетизма
Причинно-следственная связь, в результате которой была установлена связь обладания тел магнитными особенностями, была открыта выдающимся французским ученым Андре-Мари Ампером. Но в чем состоит гипотеза Ампера о природе магнетизма?
История положила свое начало благодаря сильному впечатлению от увиденного ученым. Он стал свидетелем исследований Эрстеда Лмиера, который смело предположил, что причиной магнетизма Земли являются токи, которые регулярно проходят внутри земного шара. Был сделан основополагающий и самый весомый вклад: магнитные особенности тел можно было объяснить беспрерывной циркуляцией в них токов. После Ампер выдвинул следующее заключение: магнитные особенности любого из существующих тел определены замкнутой цепью электрических токов, протекающих внутри них. Заявление физика было смелым и отважным поступком, поскольку он перечеркнул все предшествующие открытия, объяснив магнитные особенности тел.
Перемещение электронов и электрический ток
Гипотеза Ампера гласит, что внутри каждого атома и молекулы существует элементарный и циркулирующий заряд электрического тока. Стоит отметить, что на сегодняшний день нам уже известно, что те самые токи образуются в результате хаотичного и беспрерывного перемещения электронов в атомах. Если оговариваемые плоскости находятся беспорядочно относительно друг к друга вследствие теплового перемещения молекул, то их процессы взаимокомпенсируются и совершенно никакими магнитными особенностями не владеют. А в намагниченном предмете простейшие токи направлены на то, чтобы их действия слаживались.
Гипотеза Ампера в силах объяснить, почему магнитные стрелки и рамки с электрическим током в магнитном поле ведут себя идентично друг другу. Стрелку, в свою очередь, следует рассмотреть как комплекс небольших контуров с током, которые направлены идентично.
Особую группу парамагнитных материалов, в которых значительно усиливается магнитное поле, называют ферромагнитной. К этим материал относится железо, никель, кобальт и гадолиний (и их сплавы).
Но как объяснить природу магнетизма постоянных магнитов? Магнитные поля образуются ферромагнетиками не исключительно в результате перемещения электронов, но и в результате их собственного хаотичного движения.
Момент импульса (собственного вращательного момента) приобрел название - спин. Электроны в течение всего времени существования вращаются вокруг своей оси и, имея заряд, зарождают магнитное поле вместе с полем, образующимся вследствие их орбитального перемещения около ядер.
Температура Мария Кюри
Температура, выше которой вещество-ферромагнетик теряет намагниченность, получила свое определенное название - температура Кюри. Ведь именно французский ученый с данным именем сделал это открытие. Он пришел к выводу: если существенно нагреть намагниченный предмет, то он лишится возможности притягивать к себе предметы из железа.
Ферромагнетики и их использование
Невзирая на то, что ферромагнитных тел в мире существует не так много, их магнитные особенности имеют большое практическое применение и значение. Сердечник в катушке, изготовленный из железа или стали, многократно усиливает магнитное поле, при этом не превышает расхода силы тока в катушке. Это явление значительно помогает экономить электроэнергию. Сердечники изготавливаются исключительно из ферромагнетиков, и не имеет значения, для каких целей послужит эта деталь.
Магнитный способ записи информации
С помощью ферромагнетиков изготавливают первоклассные магнитные ленты и миниатюрные магнитные пленки. Магнитные ленты имеют широкое применение в сферах звуко-и видеозаписи.
Магнитная лента является пластичной основой, состоящей из полирхлорвинила или прочих составляющих. Поверх нее наносится слой, представляющий собой магнитный лак, которые состоит из множества очень маленьких игольчатых частичек железа или прочего ферромагнетика.
Процесс звукозаписи осуществляется на ленту благодаря электромагнитам, магнитное поле которых подвергается изменениям в такт вследствие колебаний звука. В результате движения ленты около магнитной головки, каждый участок пленки подвергается намагничиванию.
Природа гравитации и его понятия
Стоит прежде всего отметить, что гравитация и ее силы заключены в пределах закона всемирного тяготения, который гласит о том, что: две материальные точки притягивают друг друга с силой прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Современная наука немного иначе стала рассматривать понятия гравитационной силы и объясняет его как действие гравитационного поля самой Земли, происхождение которой до сих пор, к сожалению ученых, не установлено.
Подводя итоги всего вышеизложенного, хочется отметить, что все в нашем мире тесно взаимосвязано, и существенного отличия между гравитацией и магнетизмом нет. Ведь гравитация обладает тем самым магнетизмом, просто не в большой мере. На Земле нельзя отрывать объект от природы - нарушается магнетизм и гравитация, что в будущем может значительно усложнить жизнь цивилизации. Следует пожинать плоды научных открытий великих ученых и стремиться к новым свершениям, но использовать всю данность следует рационально, не причиняя вреда природе и человечеству.
Принцип работы магнитов и важность магнетизма в жизни человека
Из курса школьной физики, возможно, многие вспомнят простейшее определение данного природного явления:
Магнетизм – это взаимодействие движущихся электрических зарядов, происходящее посредством магнитного поля.
Мощное и всеобъемлющее физическое явление, которое является одним из компонентов электромагнетизма, одной из фундаментальных сил природы, открытое в 19 веке и широко применяющееся современными инженерами, физиками и обществом в целом.
Движение электрически заряженных частиц излучает электрические заряды, которые создают магнитное поле. Эти частицы сами становятся крошечными магнитами, каждая со своим Северным и Южным полюсами. Технически вся материя подчинена магнитным силам, которые пронизывают всю Вселенную.
Часто магнитные поля, создаваемые этими частицами, являются случайными, то есть их Северный и Южный полюса уравновешивают друг друга. Некоторые объекты – от кусков железной руды до магнитика на вашем холодильнике – обладают магнитными полями, упорядоченными в одном направлении. Магнитные поля этих объектов становятся тем сильнее, чем будет выше скорость этих электрически заряженных частиц.
При всей своей изученности магнетизм остается в определенном роде таинственным природным явлением. В первую очередь вопросы у ученых возникают по поводу природы явления. Неясными остаются пути зарождения и вариативность различных форм магнетизма.
Разнообразная магнитная среда – от ферро- до электромагнетизма
Интересным для науки представляется и тот факт, что явление может быть не только неоднородным, но и разнообразным. К примеру, существует такое явление, как ферромагнетизм – самая доступная для осознания человечества форма магнетизма, развитие намагниченности которого зависит не только от магнитного поля, но и температуры.
Характерной особенностью ферромагнетиков является гистерезис. Явление гистерезиса заключается в том, что магнитная индукция зависит не только от мгновенного значения, но и от того, какой была напряженность поля раньше. Ранее железные стрелки компаса намагничивались магнетитом (магнитным железняком) или намагниченными минералами магнетита, извлеченными из земли. Это единственная магнитная сила, которую люди могут увидеть, почувствовать.
Возможно, ферромагнетизм и является наиболее наглядной формой магнетизма, но точно не самой важной, по крайней мере, в наши дни. На первое место выходит электромагнетизм.
Электричество и магнетизм тесно переплетены, их поля подпитывают и взаимодействуют друг с другом. Электромагнетизм создает такие краеугольные элементы Вселенной, как свет и энергия, без него атомы и молекулы, из которых мы состоим, разлетелись бы.
В 1865 году физик Джеймс Клерк Максвелл установил связь между двумя этими силами, подготовив почву для формулирования Эйнштейном своей знаменитой теории, получившей название Специальная теория относительности.
Итак, как видно, никого не было бы живого в этом мире, не будь столь фундаментальной силы вокруг и внутри нас. Даже планет и звезд не было бы. Но человечество должно сказать электромагнетизму спасибо второй раз, поскольку именно это явление подарило возможность бурного технического прогресса на протяжении всего XX века.
На сегодняшний день существуют обширные области применения электромагнетизма в повседневной жизни. На электромагнитных волнах работают разнообразные приборы – от микроволновых печей и телевизоров до радиоприемников и рентгеновских аппаратов.
Мы также все знаем об этом с детства: когда объект подвергается воздействию электрического тока, он генерирует временное магнитное поле посредством катушки с током. При увеличении силы тока магнитное поле катушки усиливается. Однако, когда ток отключается, поле исчезает. Это и называется электромагнетизмом.
Гигантский магнит под ногами
Земля, как мы уже сказали в начале нашего повествования, – это, по сути, гигантский магнит с соответствующими геомагнитными Северным и Южным полюсами, причиной чего является внешняя часть железного ядра в Земле.
Каплевидное магнитное поле, создаваемое Землей, которое преломляется солнечными ветрами и называется магнитосферой, обеспечивает работу наших компасов, создает яркие полярные сияния и даже защищает нас от вредного космического излучения. Все это очень важный элемент, защищающий нашу атмосферу.
Намагниченные частицы в лавовых породах, движущиеся вдоль поверхности Земли, регистрируют направление магнитного поля нашей планеты. Именно поэтому ученые могут сказать, что магнитные полюса Земли менялись с течением времени.
В последние годы смещение магнитных полюсов набирает скорость. Исследования показали, что они смещаются со скоростью 56 километров ежегодно. Чем чреват дрейф магнитных полюсов? Он может как нарушить работу навигационных систем, так и вызывать головные боли у метеозависимых людей.
Изучение магнетизма человечеством простирается на тысячи лет в прошлое. Греки первыми задокументировали первые опыты с невидимой силой, но магнетизм был знаком еще древним племенам и аборигенам мезоамерики.
Понимание магнетизма сыграло решающую роль в формировании мира, в котором мы живем сегодня. Без этого явления мы бы пропали. Буквально пропали бы.
Разбираем тему магнетизма в физике, его природные источники и основные формулы.
Что такое магнетизм в физике
Это взаимодействие движущихся электрических зарядов, которое происходит на расстояния благодаря магнитному полю. Как и электричество, это одно из проявлений электромагнитного воздействия.
Природа земного магнетизма
Сегодня принято считать, что геомагнетизм вызван определенным перечнем причин. Дело в том, что источник главного магнитного поля и его вариаций расположен в ядре планеты. В магнитноактивной оболочке Земли (в ее тонком верхнем слое) находится совокупность источников, которые рождают аномальное поле. Источники околоземного пространства находятся во внешнем поле, которое также называют переменным электромагнитным полем Земли. Оба этих поля обыкновенно объединяют общим термином: постоянное геомагнитное поле.
Оно находится под воздействием потока солнечной плазмы (или солнечного ветра). В результате этого взаимодействия возникает магнитопауза (внешняя граница околоземного магнитного поля), которая ограничивает земную магнитосферу. Ее форма всегда меняется в зависимости от солнечного ветра. Часть энергии ветра попадает внутрь магнитосферы и передается токовым системам околоземного пространства. Такие изменения магнитного поля Земли во времени и называют геомагнитными вариациями. Их различают по длительности и локализации, и каждая из них имеет свою морфологию.
Основные уравнения и законы теории магнетизма
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Это основной закон классической электродинамики, который затрагивает принцип работы трансформаторов, дросселей и многих других видов электродвигателей и генераторов.
Это понятие сформулировано следующим образом:
Для любого контура индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур, взятой со знаком минус.
Формула выглядит следующим образом:
\(\varepsilon\;=\;\Delta Ф/\Delta t,\)
где \(\varepsilon\;\) - ЭДС индукции в контуре,
\(\Delta Ф/\Delta t\) - скорость изменения потока.
Закон Ампера
Это закон о взаимодействии электрических токов.
Параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются.
С помощью этого закона также определяется сила, с которой поле действует на малый отрезок проводника с током.
Модуль силы Ампера находится по формуле:
где \(I\) — сила тока, \(B\) — магнитная индукция, \(dl\) — элемент длины проводника, \(\alpha\) — угол между вектором индукции и направлением, вдоль которого течет ток.
Закон Био-Савара-Лапласа
Он существует для определения вектора индукции магнитного поля, порождаемого постоянным электрическим током. С помощью него можно также вычислить поле движущегося точечного заряда.
Можно сказать, что это главный закон магнитостатики, из которого получаются все остальные результаты и выводы.
В международной системе единиц СИ формулу Био-Савара-Лапласа для вакуума можно записать так:
где \(\mu0\) — магнитная постоянная.
Сила Лоренца
Сила, с которой электромагнитное поле действует на точечную заряженную частицу. В международной системе единиц она выражается так:
где \(q\) — заряд со стороны магнитного поля, \(v\) — скорость заряда, \(Е\) — электрическое поле, \(B\) — магнитное поле, а \(v * B\) — векторное произведение двух величин.
Теорема о циркуляции магнитного поля
Это одна из фундаментальных теорем в электродинамике, которая гласит:
Циркуляция магнитного поля постоянных токов по всякому замкнутому контуру пропорциональна сумме сил токов, пронизывающих контур циркуляции.
Также эта теорема в некоторых источниках называется теоремой Ампера или законом Ампера о циркуляции.
Ее формула выглядит так:
На носу контрольная, а все равно ничего не понятно? Пиши специалистам ФениксХелп, они помогут разобраться с темой любой сложности!
Читайте также: