Природа магнетизма складывается из двух факторов

1. Природа магнетизма элементарных частиц (электрона, протона, нейтрона, позитрона, мезона)

2. Природа магнетизма взаимосвязи между элементарными частицами

Электрон движется за счет имеющегося у него момента импульса - механического момента. Кроме момента импульса электрон обладает магнитным моментом (m s)

m s - магнитный момент электрона

где - постоянная Планка

е - электронный заряд

m - магнитный момент

Магнитный момент электрона оценивает магнетизм атома и называется магнитоном бора.

m s - это вектор, записанная формула означает проекцию вектора магнитного момента электрона на протяженность магнитного поля, окружающего пространства.

Протон обладает механическим моментом - моментом импульса и вращается вокруг собственной оси за счет наличия момента импульса. Это вращение называется прецессией (движение волчка). Каждый протон обладает электрическим зарядом, следовательно, обладает магнитным моментом

m р - проекция магнитного момента протона

e - заряд протона

m - масса протона

Магнитные моменты зависят от размеров и величины m р < в 2000 раз m э

Магнетизм электрона складывается из магнетизма выработанного спиновым эффектом электрона - моментом импульса и магнетизмом орбитального движения. В сумме магнетизм атома обусловлен спиновым и орбитальным магнетизмом электрона положительным ядерным магнетизмом протона.

Позитрон и мезон имеют положительный заряд, положительный магнитный момент тоже создают магнитное поле, но они являются короткоживущие, поэтому не создают постоянного магнетизма.

Основными магнитными характеристиками вещества является магнитная восприимчивость и магнитная намагниченность. Горные породы и вещества воспринимают или проводят магнитное поле по-разному, одни хорошо, другие слабо. Способность горных пород воспринимать магнитное поле называется магнитной восприимчивостью (æ). Значение магнитной восприимчивости зависит от формы образца, размера и состава. Магнитная восприимчивость является коэффициентом пропорциональности между намагниченностью и напряженностью магнитного поля.

Способность горных пород отдавать магнитное поле называется намагниченностью -

Намагниченность зависит от магнитной восприимчивости и напряженности магнитного поля (H).

Эта формула справедлива для диамагнетиков и парамагнетиков.

æ константа для определенного типа пород. В зависимости от величины æ горные породы делят на

ü Диамагнетики æ<0

ü Парамагнентики æ>0

ü Ферромагнетики æ >>0

ü Антиферромагнетики

ü Ферримагнетики

Диамагнетики за счет атомного магнетизма создают отрицательное магнитное поле в силовых линиях напряженности магнитного поля цилиндрики - диамагнетики встают перпендикулярно к силовым линиям. Все вещества в природе диамагнитные.

Парамагнетики - это диамагнетики с лишними электронами, которые создают дополнительную магнитную силу. Цилиндрики - парамагнетики встают параллельно силовым линиям напряженности магнитного поля.

Ферромагнетики , антиферромагнетики и ферримагнетики имеют другую природу магнетизма. Их магнетизм обусловлен доменной структурой.

Домен - магнит, размеры его 1*10 -8 см

Ферромагнетики - совокупность доменов, внутри которых идет спонтанная перестройка атомов.

Ферромагнетик имеет домены, в которых магнитные моменты ориентированы параллельно между собой в одном и том же направлении.

Внутри ферромагнетика происходит компенсация магнитных сил, и остаются только два заряда на верхней кромке. Таким образом, мы имеем горную породу, у которой намагниченными оказываются верхняя и нижняя кромка. Угловые точки самые магнитные.

Антиферромагнетики имеют доменную структуру с преобладанием антипараллельных доменов с полной их компенсацией.

Ферромагнетик - доменная структура с неполной компенсацией. Закон связи намагниченности и магнитной восприимчивости сложен.

æ безразмерная величина.

Намагниченность есть вектор, который зависит от величины и направления напряжения магнитного поля, действующий в прошлой геологической эпохи и в современность. Можно представить через сумму влияний напряженности

общий вектор

остаточная намагниченность, приобретенная в прошлые геологические эпохи.

намагниченность, индуцированная современным магнитным полем

в системе СИ измеряется в Ампер/метр

в системе СГС в единицах СГС

Напряженность магнитного поля, магнитная индукция.

Из условия статики имеем

H - напряженность магнитного поля

B - магнитная индукция

Магнит - это объект, имеющий два магнитных заряда, расположенных друг от друга на некотором расстоянии, знаки противоположны.

Силовые линии напряженности магнитного поля H выходят из положительного магнитного заряда, а заходят в отрицательный. Начинаются на положительной кромке тела и заканчиваются, а отрицательной. Напряженность магнитного поля (H) создает внешние силовые линии. Силовые линии напряженности магнитного поля имеют начало и конец. Внутреннее поле идет от плюса к минусу и определяют внутреннее состояние намагниченности вещества (). Намагниченность выступает в роли размагничивающего

внутреннего эффекта.

Силовые линии магнитной индукции не имеет ни начала, ни конца. Магнитная индукция определяет поток напряженности через объект. Различия между силовыми линиями напряженности и магнитной индукцией видны только вблизи объекта исследования. Чем дальше от источника, тем меньше отличий H от B.

В системе СГС H измеряется в эрстедах

1Э=10 -3 мЭ (данные магнитных съемок до 80-х гг. даны в мЭ)

В системе СИ H измеряется в Ампер/м

рабочей единицей в системе Си является гамма

В системе СИ В измеряется в Тесла (Тл).

Тесла - магнитная индукция, которая создается вокруг проводника с током, если течет ток 1 Ампер.

Связь В и Н:

Абсолютное значение магнитной проницаемости среды.

Магнитная проницаемость вакуума.

Магнитная проницаемость среды.

Способность горных пород пропускать поток силовых линий магнитной индукции.

Элементы земного магнетизма (ЭЗМ)

Магнитное поле - пространство, где ощущается действие магнитных сил.

Магнитное поле характеризуется векторной величиной В или Н. Это вектор определенного направления и определенной величины. Основная характеристика напряженности - это Т - полный вектор напряженности магнитного поля или Т - полный вектор магнитной индукции. Т - касательная к силовым линиям Н или В. Измерить вектор по величине и направлению очень трудное занятие, поэтому сначала были разработаны приборы, измеряющие составляющие вектора Т.

Пусть в точке О имеем полный вектор Т. В точке О создадим систему координат. Ось X направлена на географический север, ось Y - восток, ось Z перпендикулярно вниз. Проектируем Т на OXY . Проекция Т на OXY - горизонтальная составляющая () полного вектора Т если спроектировать параллельно. Проекция Т на Z - вертикальная составляющая. Х - северная составляющая вектора Т на ось Y. Y - восточная составляющая.

Природа магнитных явлений

Все вещества без исключения реагируют при наложении внешнего магнитного поля. Если рассматривать электронную орбиту как контур с током, то при наложении магнитного поля, в соответствии с правилом Ленца, должна индуцироваться э.д.с., которая в свою очередь создаст магнитное поле, направленное против внешнего. Следовательно, внутри материала напряженность магнитного поля будет уменьшаться. Его относительное уменьшение – диамагнитная восприимчивость – величина порядка 10 -8 . Диамагнетизмом обладают все вещества, и его величина почти не зависит от температуры.

Кроме магнитного момента, возникающего благодаря движению электрона по орбите, электрон, обладая собственным спиновым моментом количества движения, имеет спиновой магнитный момент. Поэтому в общем случае атом вещества может иметь собственный результирующий магнитный момент. В отсутствии магнитного поля магнитный момент тела равен нулю вследствие беспорядочного распределения атомных магнитных моментов. Действие магнитного поля будет сводиться к ориентации магнитных моментов атомов в направлении приложенного поля, и внутри материала напряженность магнитного поля будет увеличиваться – парамагнитный эффект.

Парамагнетизм, как и диамагнетизм, сравнительно слабый эффект, и вещества, в которых имеют место только эти эффекты, носят название слабых магнетиков (). При снятии поля оба эффекта устраняются. Температурная зависимость парамагнитного эффекта опи­сывается законом Кюри – Вейса:

где и Θ p – константы, – парамагнитная восприимчивость.

По своей реакции на внешнее магнитное поле от диа- и парамагнетиков резко отличаются вещества, обладающие магнитноупорядоченным состоянием (ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики). Это вещества, в которых независимо от внешнего поля магнитные моменты спинов электронов выстраиваются параллельно друг другу (ферромагнетизм) или антипараллельно (антиферромагнетизм). Магнигоупорядоченное состояние имеет квантово-механическую природу. Вероятностное определение местонахождения "волны – частицы" электрона, даваемое квантовой механикой, позволило понять, что заставляет магнитные моменты выстраиваться параллельно - это так называемая энергия обменного взаимодействия. Можно сказать, чтоэто электростатическая энергия взаимодействия двух электронов, когда первый электрон находится на месте второго, а второй на месте первого. Вероятность такой ситуации в квантовой механике не равна нулю. При определенном расстоянии между взаимодействующими атомами энергия обменного взаимодействия будет минимальна, если магнитные моменты спинов параллельны (ферромагнетизм) или антипараллельны (антиферромагнетизм).

Итак, упорядоченное выстраивание магнитных моментов спинов электронов есть результат взаимодействия электронов. Встает вопрос, а какое направление выберут магнитные моменты спинов в кристаллической решетке? В этом случае необходимо учесть пространственное расположение орбиты электрона в кристаллической решетке. В силу вступает взаимодействие между магнитными моментами орбит и магнитными моментами спинов. Это взаимодействие, обозначаемое как энергия магнитной кристаллографической анизотропии, и определяет направление, в котором выстроятся магнитные моменты спинов, Возникает магнитная кристаллическая анизотропия (различие в направлениях) спонтанного намагничивания в кристаллической решетке. Для железа, например, направлением, в котором выстраиваются магнитные моменты, является ребро куба элементарной ячейки.

Предлагаемая тема является робкой попыткой приблизиться к пониманию в некоторой части замысла Творца по созданию основ построения и функционирования Мироздания. Направление, в котором можно попытаться понять его замысел, обозначил Знахарь в комментарии 1184 к теме “Что такое гравитация”: “ Вот я на нынешнем этапе первооснову понимаю так: первооснова или первоматерия это то, из чего состоит эфир-вакуум, то, что создаёт поля, из чего состоят элементарные частицы. А в будущем, будут первоосновой частицы, из которых состоят частицы эфира. Но всегда и везде первоосновой будут частицы”.
В предлагаемой теме не рассматриваются частицы первоосновы, из которых состоят частицы эфира, начинаем из чего состоит эфир.

Исходные допущения составляют слабое звено любой гипотезы. Отсутствие сегодня возможности экспериментальной проверки исходных допущений не обязательно означает, что они некорректны, кроме того могут быть неверно истолкованы данные эксперимента. Неверно истолкованные Резерфордом результаты опытов по рассеиванию альфа-частиц, проведенные им в 1911г, на столетие затруднили понимание механизма связи между атомами. В одном из комментариев che писал: “…ведь теория апробируется исключительно реализацией генерируемых ею прогнозов…” Предсказание свойств элементов на основе расчётов, выполненных по предложенной схеме строения электрона, послужит апробацией предложенной в теме гипотезы. Во всех рисунках в теме не соблюдается масштаб, приоритет – наглядности.

Исходные допущения.
Любое взаимодействие может передаваться только контактно.
В природе существует только контактное взаимодействие и непрерывное движение частиц первоосновы (…“это то, из чего состоит эфир-вакуум, то, что создаёт поля, из чего состоят элементарные частицы”), независимо это единичные частицы или они входят в состав образования. Эти частицы и передают взаимодействие и участвуют в нём.
Мироздание построено на гармоничных отношениях последовательностей контактных взаимодействий частиц первоосновы.

Простые эксперименты.
Опыт 1. Возьмём постоянный магнит и отметим силу притяжения магнитного поля в некоторой точке (пробным телом). Пропустим через магнит постоянный электрический ток. Магнитное поле, создаваемое электрическим током, должно быть направлено противоположно магнитному полю постоянного магнита. Будем увеличивать ток, последовательно измеряя сопротивление постоянного магнита. До некоторого определённого значения тока сопротивление в магните практически не будет меняться. Сила притяжения изменяться также не будет. При определённом значении тока получим скачкообразное уменьшение сопротивления постоянного магнита, сила притяжения при этом скачкообразно уменьшится. После этого при прекращении пропускания электрического тока магнитные свойства постоянного магнита не восстанавливаются.

Опыт 2. Поместим два постоянных магнита в ёмкость, из которой выкачан воздух (создан вакуум). Взаимодействие магнитов в ёмкости ничем не будет отличаться от их взаимодействия в обычных условиях атмосферы.

Опыт 3. Охладим ёмкость и соответственно постоянные магниты до температуры жидкого азота. Свойства магнитов пропадают и не восстанавливаются при их возвращении в обычную среду атмосферы.

Частицы первоосновы.
Магнитное поле постоянного магнита может существовать только при условии постоянного движения зарядов по поверхности магнита. Атомы взаимодействуют электронами.
Любое взаимодействие может передаваться только контактно.
Чтобы обеспечить передачу заряда от одного атома к другому атому электроны должны иметь в своём составе частицы, которые этот заряд передадут. Эти частицы также должны обеспечивать связь между атомами, движение зарядов по поверхности постоянного магнита и ток в проводниках. Из этого следует, что
электрон должен состоять из частиц, которые контактно передают взаимодействие между атомами. Эти частицы и передают взаимодействие и участвуют в нём .
Из таких же частиц состоит эфир. Хаотичное движение этих частиц определяет температуру эфира порядка 30К. Из таких же частиц состоят нейтрино, фотоны, кварки в протонах и нейтронах. Назовём их действительно элементарными частицами. Термин “истинно элементарные” будем использовать в отдельной теме при рассмотрении “… в будущем, будут первоосновой частицы, из которых состоят частицы эфира”.

По моим представлениям для соблюдения гармонии в строении и функционировании нашего мироздания действительно элементарные частицы должны иметь следующие характеристики. Условный размер (диаметр) порядка 10-55м, плотность субстанции порядка 5^10+6г/см+3. Внутри субстанции действительно элементарной частицы находится область (зона) в неравновесном состоянии – “напряжении”. Эквивалент этого состояния будем называть положительным зарядом. Величина заряда у всех частиц одинаковая q=10-20Кл. Отличаются друг от друга действительно элементарные частицы размерами области “напряжения” в своих субстанциях. Количество действительно элементарных частиц в единице объёма эфира постоянно, порядка 10+13 штук в кубическом сантиметре, средняя скорость порядка 5^10+5м/сек.

Строение электрона.
Поскольку на сегодняшний день электрон проверен на дискретность только до размера 10-19м, утверждать, что он неделим некорректно. Современное представление об электроне, как о частице-волне не участвующей в контактных взаимодействиях, неверно. Приведенные выше опыты косвенно указывают на дискретное строение электрона.
Представим электрон как динамическую систему из действительно элементарных частиц
(далее RE). Предположим, что две пары одинаковых RE, назовём их базовыми, контактно взаимодействуют – колеблются в парах вокруг одной общей точки.

Рис. 1 Взаимодействие базовых частиц электрона

Колебания пар RE сдвинуты относительно друг друга на половину периода, линии колебаний пар перпендикулярны друг другу. Период колебаний одной базовой RE порядка 5^10-25сек., амплитуда колебаний порядка 10-15м.

Предположим, что каждая базовая RE контактно взаимодействует попеременно с тремя другими одинаковыми RE, назовём их контактными. Период колебаний одной контактной RE порядка 3^10-24сек., средняя амплитуда колебаний в нормальных условиях порядка 5^10-12м.

Рис. 2 Взаимодействие базовых и контактных частиц – строение электрона.

Электрон состоит из шестнадцати действительно элементарных частиц колеблющихся в двух концентрических “слоях”: в первом – четыре (базовые), во втором – двенадцать (контактные) RE. Структурная запись . В строении электрона обеспечивается динамическая симметрия – каждая RE(баз) контактно взаимодействует попеременно с тремя RE(кон). Колебания RE(кон) в электронах атома синхронизированы. Размер электрона (его условная сферическая граница) практически определяется амплитудой колебаний RE(кон). Важно отметить, что RE(кон), достигая максимального удаления от геометрического центра электрона к его условной сферической границе, не останавливаются даже на мгновение, а совершают движение по эллиптической полуокружности и затем движутся в обратном направлении.
В природе существует только контактное взаимодействие и непрерывное движение действительно элементарных частиц, независимо это единичная частица или она входит в состав образования.
Заряд электрона равен сумме зарядов RE его составляющих q(e) = 10-20Кл. ^ 16шт. = 1,6^10-19Кл.

В атоме центр электрона (точка, вокруг которой колеблются RE(баз) электрона) расположен от центра протона на расстоянии порядка 1,4 радиуса протона. Область контактных взаимодействий RE(баз) с RE(кон) в свободном электроне и в электроне в составе атома водорода представляет собой шар, в составе атома гелия - полушарие, с возрастанием номера элемента она уменьшается. Сегмент области контактных взаимодействий RE(баз) с RE(кон) в электронах атомов определяется номером элемента. Приведенная конструкция дискретного строения электрона минимально возможная, которая обеспечивает всё многообразие связей элементов и их свойств.

Образование магнитного поля постоянного магнита.
В каждом электроне в составе атома ферромагнетика девять RE(кон) создают связь между атомами путём взаимного обмена RE(кон) между электронами соседних атомов. Три RE(кон) каждого электрона на поверхности ферромагнетика не участвуют во взаимодействиях с RE(кон) электронов соседних атомов.

При намагничивании, под воздействием внешнего магнитного поля на поверхности ферромагнетика в электронах происходит отклонение от нормальной геометрии колебаний трёх RE(кон), не участвующих в обеспечении связи между атомами. Увеличивается радиус эллиптической полуокружности до контакта с RE(кон) в электронах соседних атомов – RE(кон) начинают передавать друг другу импульс в направлении внешнего магнитного поля. Возникает постоянное движение зарядов по поверхности магнита в одном направлении – круговой ток. Нарушение симметрии и гармонии колебаний не происходит, так как положение точки контакта RE(кон) с RE(баз) в электроне не изменяется. Сопротивление движению RE(кон) по эллиптической полуокружности вследствие их малости практически отсутствует, потери энергии не происходит, поэтому после снятия внешнего магнитного поля движение зарядов по поверхности ферромагнетика (круговой ток) сохраняется.

Скорость передачи импульса между RE(кон) в электронах соседних атомов постоянного магнита сравнима со скоростью света. Средняя скорость движения RE эфира на несколько порядков меньше. При их столкновении RE эфира приобретает импульс в направлении кругового тока по поверхности магнита – происходит возмущение эфира.

Рис. 3 Возникновение поля постоянного магнита

В начальный момент столкновения, непосредственно у поверхности магнита, скорость RE эфира большая – возмущение эфира максимальное. По мере удаления от поверхности магнита скорость RE эфира уменьшается вследствие столкновений с другими RE эфира и на некотором расстоянии от магнита становится равной средней скорости хаотического движения RE эфира – возмущение эфира исчезает.

Область возмущённого эфира, возникающая вследствие передачи импульса от RE(кон) в электронах соседних атомов на поверхности постоянного магнита к RE эфира, представляет собой магнитное поле постоянного магнита.

Рассмотрим приведенные в теме эксперименты.
Три RE(кон) каждого электрона на поверхности ферромагнетика (проводника), не участвующих в создании связи между атомами, участвуют также в передаче электрического тока.

В этом случае в процессе движения RE(кон) между соседними электронами происходит их столкновение с RE эфира, т.е. возникает возмущение эфира – магнитное поле. Таким образом, и в постоянном магните и при передаче тока от внешнего источника все три RE(кон) каждого электрона на поверхности ферромагнетика (проводника), не участвующих в создании связи между атомами, участвуют в образовании магнитного поля.

Скачкообразное уменьшение сопротивления постоянного магнита и падение силы притяжения при некотором значении постоянного тока (опыт 1) объясняется тем, что RE(кон) на поверхности магнита перестают передавать импульс друг другу при колебаниях и начинают передавать импульс в момент замещении RE(кон) в электронах соседних атомов (передача тока от внешнего источника).

Если к постоянному магниту поднести другой постоянный магнит так, чтобы направления их круговых токов были противоположны, RE эфира, получившие импульс от RE(кон) в электронах соседних атомов, будут двигаться навстречу друг другу – магниты будут отталкиваться. При совпадении направлений поверхностных круговых токов RE эфира будут “вытесняться” из пространства между магнитами, а RE эфира с противоположных сторон будут “приталкивать” магниты друг к другу. Подобный механизм “приталкивания” двух лодок наблюдаем при движении между ними воды.

При охлаждении магнитов (опыт 3) уменьшается до 10-13м. амплитуда колебаний RE(кон) на поверхности магнитов. В результате, в электронах соседних атомов на поверхности магнитов, отклонения RE(кон) становится недостаточно для их контактного взаимодействия, передача импульса прекращается, магнитное поле исчезает.

Движение зарядов по поверхности образования (возникновение магнитного поля) возможно, если образование имеет в какой-то мере упорядоченную атомную структуру. В этом случае RE(кон) в электронах соседних атомов на поверхности образования могут, контактно взаимодействуя друг с другом, передавать импульс RE эфира в направлении магнитного поля. По такому принципу происходит некоторое намагничивание малого ферромагнетика постоянным магнитом и их взаимодействие. Поскольку в круговом токе на поверхности постоянного магнита в нормальных условиях сопротивление движению зарядов практически отсутствует, потери энергии, например при намагничивании малого ферромагнетика практически не происходит. Постоянный магнит в нормальных условиях может неограниченно долго выполнять работу по перемещению ферромагнетиков. Работа производится за счёт энергии RE эфира – из пространства между постоянным магнитом и ферромагнетиком RE эфира “вытесняются”, а RE эфира с противоположных сторон “приталкивают” их друг к другу.

При не упорядоченной атомной структуре образования (диэлектрики) передача импульса между RE(кон) в электронах соседних атомов и затем от RE(кон) к RE эфира (возмущение эфира) не может происходить – магнитное поле не возникает.
Возникновение так называемых “вихрей Абрикосова” объясняется наличием в объёме сверхпроводников второго рода в электронах соседних атомов RE(кон) не участвующих в образовании связей между атомами, т. е. могущих обеспечить движение зарядов между ними – местный круговой ток. Таким образом, только дискретное строение электрона позволяет естественным образом объяснить природу магнетизма.

На основе контактного взаимодействия RE (кон) в электронах соседних атомов представляется возможным в будущем выполнить расчёты энергии связи атомов и энергии движения зарядов по поверхности ферромагнетика. Применение этих расчётов для предсказания свойств элементов, в том числе в соединениях, послужит апробацией предложенной гипотезы.
Борис Кириленко.

Приложение

Связь атомов.
Связь атомов это связь между электронами соседних атомов. В элементах и их соединениях атомы расположены таким образом, что при колебании в районе максимального удаления RE(кон) от центров своих электронов RE(кон) в составе электронов одного атома входят в область колебаний RE(кон) в составе электронов соседнего атома. Образуется область перекрытия колебаний RE(кон) в составе электронов соседних атомов.

Механизм связи атомов в элементах представляет собой обмен RE(кон) между электронами соседних атомов.
На рисунке для наглядности показано только по одному электрону у каждого атома; RE, какими обмениваются электроны, выделены цветом. Конусом отмечен сегмент области контактных взаимодействий RE(баз) с RE(кон) в электронах атомов.

Связь атомов в элементе.

Обмен RE(кон) происходит по линии контактных взаимодействий RE(кон) с RE(баз) в электронах. На RE(кон), которая вошла в область перекрытия колебаний RE(кон) в соседних электронах, начинает действовать сила, притягивающая RE(кон) к центру электрона соседнего атома. Происходит взаимный обмен RE(кон) в электронах соседних атомов – атомы соединяются. Взаимодействия RE(кон) в составе электронов соседних атомов элемента синхронизированы. Величина и расположение зоны обмена RE(кон) относительно соседних протонов определяют свойства элементов и их соединений.

Электропроводность
Передаче тока от внешнего источника в проводнике происходит путём замещения RE(кон) в электронах соседних атомов на поверхности проводника в направлении внешнего поля.
Замещение RE(кон) в составе электронов происходит перпендикулярно линии контактных взаимодействий RE(кон) с RE(баз) в электронах атомов. На рисунке для наглядности показано только по одному электрону у каждого атома; RE(кон), какие замещаются в электронах, выделены цветом.

Передача тока в проводнике.

При замыкании цепи RE(кон) из источника тока замещают RE(кон) в электроне на поверхности проводника в ближайшей точке контакта. Став не связанным, получив импульс, RE(кон) проводника замещает RE(кон) в составе соседнего электрона проводника и т.д. В конечной точке RE переходит в источник тока. Теоретически передача импульса (тока) путём замещения RE в соседних электронах должна происходить под углом 900 к линии контактных взаимодействий RE в составе электрона. В реальных проводниках центры атомов в узлах кристаллической решётки совершают колебания. Вместе с центрами атомов колеблются центры электронов. Вследствие этого передача импульса происходит с отклонением от угла 900, т.е. происходит потеря энергии. Соответствующее этому углу отклонения, не переданное количество энергии (потери) частично идёт на нагрев, частично отводится излучением.
Конец темы.

14. Индукция магнитного поля. Принцип суперпозиции магнитных полей. Сила Ампера. Сила Лоренца. Электроизмерительные приборы. Магнитные свойства вещества.

Магнитные явления

И электрические, и магнитные явления – это взаимодействие тел на расстоянии. Эти взаимодействия проявляются в возникновении механических сил и моментов сил, действующих между телами.

Отличие электрического и магнитного взаимодействия проявляется, например, в том, что для разделения электрических зарядов можно натирать разные предметы друг от друга, а для получения магнитов тереть предметы друг о друга бесполезно. Обернув мокрой тканью заряженный предмет, можно уничтожить его электрический заряд. Та же процедура по отношению к магниту не приведет к исчезновению магнитных свойств. Намагничивание магнитных материалов в присутствии других магнитов не приводит к разделению электрических зарядов. Эти два вида взаимодействия предметов на расстоянии не сводятся один к другому.

Экспериментальное исследование магнитов и различных материалов показывает, что некоторые предметы постоянно обладают магнитными свойствами, то есть являются «постоянными магнитами», а другие тела обретают магнитные свойства только в присутствии постоянных магнитов. Существуют также материалы, которые не имеют явно выраженных магнитных свойств, то есть они не притягиваются к сильным постоянным магнитам и не отталкиваются от них. Собственные и индуцированные магнитные свойства предметов приводят к аналогичным эффектам. Например, постоянные полосовые магниты, образцы которых есть обычно в каждом кабинете физики в любой школе, при подвешивании их в горизонтальном положении ориентируются так, что своими концами показывают на север и на юг. Одно это свойство магнитов немало послужило человеку. Компас был придуман очень давно, однако количественное изучение магнитных свойств предметов и математический анализ этих свойств были проведены только в 18-19 веках.

Представим себе, что у нас есть «длинные» магниты, которые имеют сильно разнесенные друг от друга полюса. Если два полюса двух разных магнитов поместить близко друг к другу, а вторые полюса этих же магнитов будут при этом находиться далеко друг от друга, то силовое взаимодействие между близкими полюсами описывается такими же формулами, как и в законе Кулона для электростатического поля. Каждому полюсу магнита можно приписать магнитный заряд, который будет характеризовать его «северность» или «южность». Можно придумать процедуру, включающую измерения сил или моментов сил, которая позволяла бы сравнивать магнитные «заряды» любых магнитов с эталоном. Это мысленное построение позволяет решать практические задачи при условии, что мы пока не задаемся вопросом: а как устроен длинный полосовой магнит, то есть что там внутри магнита в области пространства, соединяющей два магнитных полюса.

Можно ввести единицу магнитного заряда. Самая простая процедура для определения такой единицы – считаем, что сила взаимодействия двух «точечных» магнитных полюсов единичного магнитного заряда, находящихся друг от друга на расстоянии 1 метр, равна 1 Ньютону. Поскольку попытки разделения магнитных полюсов всегда были неудачными, то есть в месте разреза полосового магнита всегда возникали два противоположных магнитных полюса, величины которых в точности равнялись величинам концевых полюсов, был сделан вывод о том, что магнитные полюса всегда существуют только парами. Следовательно, любой длинный полосовой магнит можно представлять в виде составленных в цепочку более коротких магнитов. Аналогично любой магнит конечных размеров может быть представлен в виде большого количества коротких магнитиков, распределенных по пространству.

Для описания силового взаимодействия электрических и магнитных зарядов используется одна и та же идея о существовании в пространстве некоторого силового векторного поля. В «электрическом» случае соответствующий вектор называется вектором напряженности электрического поля Е . Для «магнитного» случая соответствующий вектор называется вектором индукции магнитного поля В . (1)

Поля в обоих случаях можно описывать распределением в пространстве «силовых векторов». Для северного магнитного полюса направление силы, действующей на него со стороны магнитного поля, совпадает с направлением вектора В , а для южного полюса сила направлена противоположно этому вектору. Если величину «магнитного заряда» с учетом его знака («северности» или «южности») обозначит символом N, то сила, действующая на магнитный заряд со стороны магнитного поля равна F =NB .

Аналогично тому, как мы поступили при описании взаимодействия электрических зарядов через поле, мы поступаем и при описании взаимодействия магнитных зарядов. Магнитное поле, созданное точечным магнитным зарядом в окружающем пространстве, описывается в точности такой же формулой, как и в случае электрического поля.

B = К м NR /R 3 .

Константа К м – это коэффициент пропорциональности, который зависит от выбора системы единиц. Для взаимодействия магнитных зарядов тоже справедлив закон Кулона, а также справедлив и принцип суперпозиции.

Напомним, что закон Кулона (или закон Всемирного тяготения) и теорема Гаусса близнецы братья. Поскольку магнитные полюса по отдельности не существуют, а любой магнит может быть представлен в виде комбинации пар полюсов противоположной полярности и с равными величинами, то в случае магнитного поля поток вектора индукции магнитного поля через любую замкнутую поверхность всегда равен нулю.

Мы с вами обсуждаем магнитные явления и пользуемся представлением о магнитных зарядах, как будто они реально существуют. На самом деле это просто один из способов описания магнитного поля в пространстве (описания магнитного взаимодействия). Когда мы выясним свойства магнитного поля подробнее, мы перестанем пользоваться этим способом. Он нам нужен, как строителям леса для возведения здания. После окончания строительства леса разбирают и они больше не видны и не нужны.

Самое интересное, что магнитное поле (статическое) не оказывает никакого действия на покоящийся электрический заряд (или диполь), а электрическое поле (статическое) не оказывает никакого действия на покоящиеся магнитные заряды (или диполи). Ситуация такая, как будто поля существуют независимо друг от друга. Однако покой, как мы знаем, понятие относительное. При выборе другой системы отсчета «покоящееся» тело может стать «движущимся». Выяснилось, что электрическое и магнитное поле – это нечто единое, и каждое из полей представляет собой как бы разные стороны одной медали.

Это сейчас мы с легкостью говорим о родстве электрического и магнитного полей, а вплоть до начала 19 века электрические и магнитные явления не считались связанными. Об этой связи догадывались, искали экспериментальные подтверждения. Например, французский физик Араго собирал сведения о кораблях, сбивавшихся с курса после того, как в корабль ударяла молния. «Молния – испорченный компас» – связь есть, но как повторить эксперимент? Воспроизвести молнию тогда еще не умели, поэтому систематическое исследование провести было невозможно.

Точкой отсчета для начала понимания связи этих явлений послужило открытие, которое довелось сделать в 1820 году датчанину Гансу Христиану Эрстеду. Было установлено влияние электрического тока, протекающего по длинной прямой проволоке, на ориентацию расположенной рядом с проводом подвижной магнитной стрелки. Стрелка стремилась расположиться перпендикулярно проволоке. Обратное явление: влияние магнитного поля на электрический ток было открыто экспериментально Ампером.

Маленький плоский виток с током испытывает в магнитном поле как силовое, так и ориентирующее воздействие. Если магнитное поле однородно, то суммарная сила, действующая на виток с током равна нулю, при этом виток ориентируется (принимает равновесное расположение), при котором его плоскость перпендикулярна направлению вектора индукции магнитного поля. Для установления единицы величины индукции магнитного поля можно использовать и это механическое явление.

За несколько последующих за 1820 годом лет были выяснены основные особенности взаимодействия проводников с током между собой и с постоянными магнитами. Часть из них теперь называется законами. Эти законы связаны с именами физиков Ампера, Био, Савара, Лапласа. Самые общие выводы из установленных законов взаимодействия оказались такими:

1. Заряженные частицы создают в пространстве вокруг себя электрическое поле.
2. Электрическое поле одинаково действует на заряженные частицы, движущиеся или покоящиеся.
3. Движущиеся заряженные частицы создают в пространстве вокруг себя магнитное поле.
4. Магнитное поле оказывает силовое действие на заряженные частицы, находящиеся в движении, и не действует на покоящиеся заряженные частицы.
5. Электрическое и магнитное поля, созданные заряженной частицей, при изменении ее положения и состояния движения не меняются во всем пространстве мгновенно, а имеет место задержка.

Выяснилось, таким образом, что взаимодействие заряженных частиц друг с другом зависит не только от их взаимного пространственного расположения, но и от их взаимного (относительного) движения. Законы, описывающие это взаимодействие, оказались достаточно простыми с точки зрения математики.

Мы с вами, изучая механику, пользовались законами Ньютона, из которых следует, что материальная точка, движущаяся с ускорением в какой-либо одной инерциальной системе отсчета, имеет такое же ускорение во всех других ИСО независимо от выбора. Теперь выяснилось, что магнитное поле действует только на движущиеся заряженные частицы. Представим себе, что в некоторой ИСО заряженная частица движется в магнитном поле, а электрического поля нет. Пересядем в другую инерциальную систему отсчета, в которой в данный момент времени рассматриваемая частица имеет нулевую скорость. Силовое воздействие со стороны магнитного поля пропало, а частица должна таки двигаться с ускорением!!! Что-то неладно в Датском королевстве! Чтобы покоящаяся в данный момент заряженная частица имела ускорение, она должна находиться в электрическом поле!

Вот так – оказывается, что электрическое и магнитное поля не являются абсолютными, а зависят от выбора системы отсчета. Абсолютным является наличие взаимодействия, а вот как оно будет описываться, «электрическим» или «магнитным» способом, зависит от выбора системы отсчета. Следовательно, мы должны понимать, что электрическое и магнитное поля не являются независимыми друг от друга. На самом деле правильно будет рассматривать единое электромагнитное поле. Отметим, что правильное описание полей дано в теории Джеймса Клерка Максвелла. Уравнения в этой теории написаны так, что их вид не меняется при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Это первая «релятивистская» теория в физике.

Электрические токи и магнитное поле

Вернемся в начало 19 века. Во время демонстраций на лекциях в университете Г.Х. Эрстед сам или с помощью студентов обратил внимание на то, что случайно оказавшаяся рядом с проводом магнитная стрелка изменила своё положение, когда по проводу пропустили ток. Более тщательное изучение явления показало, что в зависимости от величины и направления тока в длинной прямой проволоке магнитные стрелки ориентировались так, как показано на рисунке:

Линии индукции замкнуты, и в случае длинного прямого проводника с током эти замкнутые линии имеют форму окружностей, расположенных в плоскостях перпендикулярных проводнику с током. Центры этих окружностей находятся на оси проводника с током. Направление вектора магнитной индукции в заданной точке пространства (касательного к линии магнитной индукции) определяется правилом «правого винта» (буравчика, шурупа, штопора). Направление, в котором смещается штопор, изображенный на рисунке, при вращении вокруг его оси, соответствует направлению тока в длинной прямой поволоке, а направления, в которых движутся крайние точки его ручки, соответствуют направлению вектора магнитной индукции в тех местах, где эти концы ручки находятся.

Для схематического рисунка с концентрическими окружностями заряженные частицы в проволоке, расположенной перпендикулярно к плоскости рисунка, движутся вдоль этой проволоки и если бы двигались положительно заряженные частицы, то они уходили бы «от нас за эту плоскость». Если в проволоке движутся отрицательно заряженные электроны, то они тоже движутся вдоль проволоки, но «к нам из под плоскости рисунка».

Мешающим фактором являлось магнитное поле Земли. Чем большим был ток в проволоке, тем точнее ориентировались стрелки в направлении касательной к окружности с центром в месте нахождения проволоки. Вывод достаточно очевиден – вокруг проводника с током появилось магнитное поле. Магнитные стрелки выстраиваются вдоль вектора индукции магнитного поля.

По третьему закону Ньютона магнитная стрелка (магнит или его магнитное поле) в свою очередь тоже действует на проводник с током. Оказалось, что на прямой участок проводника длиной L, по которому течет ток I, со стороны однородного магнитного поля с индукцией В действует сила, пропорциональная L, I и В, причем направление силы зависит от взаимной ориентации векторов L и В . Вектор L совпадает по направлению с направлением скорости положительных заряженных частиц, которые создают электрический ток в этом отрезке провода. Эта сила получила название по имени одного из активных исследователей магнитных явлений – А.М. Ампера.

F =K I [L ×B ].

Здесь К – это коэффициент пропорциональности. Квадратными скобками обозначено векторное произведение двух векторов. Если проводник не прямой и магнитное поле не является однородным, то в этом случае для нахождения силы, действующей на проводник с током, нужно разбить его (мысленно) на множество небольших отрезков. Для каждого маленького отрезка можно считать, что он находится в однородном поле. Общая сила найдется суммированием сил Ампера по всем этим отрезкам.

Взаимодействие проводников с током

Ток в проволоке создает в окружающем пространстве магнитное поле, а это магнитное поле в свою очередь оказывает силовое действие на другую проволоку с током. (2) В системе единиц СИ единица силы тока 1 Ампер определяется из силового взаимодействия параллельных проводников с током. Два тонких длинных параллельных проводника, находящихся друг от друга на расстоянии 1 метр, по которым протекают одинаковые неизменяющиеся токи одного направления с силой в 1 Ампер, притягиваются друг к другу с силой 2×10 -7 Ньютона на каждый метр длины проводника.

В системе СИ в формуле для силы Ампера коэффициент пропорциональности К выбирается равным единице:

F = I [L ×B ].

Сила Лоренца

Если в формулу для силы Ампера подставить выражение для величины тока, составленное из слагаемых, создаваемых каждой движущейся заряженной частицей, то можно сделать вывод, что в магнитном поле на каждую движущуюся заряженную частицу действует сила:

F = q [v ×В ].

При наличии в пространстве и электрического, и магнитного поля заряженная частица испытывает действие силы:

F = q [v ×В ] + qЕ .

Силу, действующую на заряженную частицу, в электромагнитном поле называют силой Лоренца. Это выражение для силы справедливо всегда, а не только для стационарных полей.

Если вычислить работу силы Лоренца, которую она совершает при элементарном перемещении частицы, то выражение для силы нужно скалярно умножить на произведение v Δt. Первое слагаемое в формуле для силы Лоренца – это вектор перпендикулярный скорости частицы, поэтому умножение его на v Δt дает нуль.

Таким образом, магнитная составляющая силы Лоренца при перемещении заряженной частицы не совершает работу, поскольку соответствующие элементарные перемещения и магнитная составляющая силы всегда перпендикулярны друг другу.

Какое магнитное поле порождается током?

Эксперименты Био и Савара и теоретическая работа Лапласа (все – французские физики) привели к получению формулы для нахождения вклада каждого небольшого участка проводника с током в «общее дело» - в создание вектора индукции магнитного поля в данной точке пространства..

При выводе (точнее сказать: подборе) общей формулы было сделано предположение, о том, что суммарное поле складывается из отдельных частей, причем выполняется принцип суперпозиции, то есть поля, созданные разными участками проводников с током, складываются как векторы. Каждый участок проводника с током, а фактически каждая движущаяся заряженная частица, создает в окружающем пространстве магнитное поле. Результирующее поле в данной точке возникает как результат сложения векторов магнитной индукции, созданных каждым участком проводника с током.

Элементарная составляющая вектора магнитной индукции ΔВ , созданная малым участком проводника Δl с током I в точке пространства, отличающейся положением от этого участка проводника на вектор R , находится в соответствии с формулой:

ΔВ = (μ 0 /4π) I [Δl ×R ]/R 3 .

Здесь [Δl ×R ] – это векторное произведение двух векторов. Размерный коэффициент (μ 0 /4π) вводится именно в таком виде в системе СИ из соображений удобства, которые, повторимся, в школьной физике никак не проявляются.

Поле, созданное проводником произвольной формы, как обычно, находится суммированием элементарных векторов магнитной индукции, созданных небольшими участками этого проводника. Все экспериментальные результаты с постоянными токами подтверждают предсказания, полученные с помощью написанной выше формулы, которая носит имя: Био – Савара –Лапласа.

Вспомним определение тока, которое мы вводили в прошлом семестре. Ток – это поток вектора плотности тока через выбранную поверхность. В формулу для нахождения плотности тока входила сумма по всем движущимся заряженным частицам:

J = Σq i v i /V, I=(J S )

В формулу Био – Савара –Лапласа, следовательно, входит произведение (Δl S ), а это объем проводника, в котором движутся заряженные частицы.

Можно сделать вывод, что магнитное поле, созданное участком с током, возникает в результате совместного действия всех заряженных частиц этого участка. Вклад каждой частицы, имеющей заряд q и движущейся со скоростью v равен:

В = (μ 0 /4π) q [v ×R ]/R 3 = μ 0 ε 0 [v ×Е ],

Где Е = q R /(4πε 0 R 3).

Здесь R – это радиус вектор, начало которого расположено в точке, где находится частица, а конец вектора находится в той точке пространства, где ищется магнитное поле. Вторая часть формулы показывает, как связаны друг с другом электрическое и магнитное поля, созданные заряженной частицей в одной и той же точке пространства.

Е - электрическое поле, созданное той же частицей в той же точке пространства. μ 0 =

4π×10 -7 Гн/м - магнитная постоянная.

«Нецентральность» сил электромагнитного взаимодействия

Если рассмотреть взаимодействие двух точечных движущихся заряженных одинаковых частиц, то обращает на себя внимание тот факт, что силы, описывающие это взаимодействие, не направлены вдоль прямой, соединяющей частицы. Действительно, электрическая часть сил взаимодействия направлена вдоль этой прямой, а магнитная часть – нет.

Пусть все другие частицы находятся очень далеко от этой пары частиц. Выберем для описания взаимодействия систему отсчета, связанную с центром масс этих частиц.

Сумма внутренних электрических сил, очевидно, равна нулю, так как они направлены в противоположные стороны, расположены вдоль одной прямой и равны друг другу по величине.

Сумма магнитных сил тоже равна нулю:

Qμ 0 ε 0 [v 2 [v 1 ×Е 1 ]] + qμ 0 ε 0 [v 1 [v 2 ×Е 2 ]] = 0

v 2 = – v 1 ; Е 1 = – Е 2 .

А вот сумма моментов внутренних сил может не быть равной нулю:

Qμ 0 ε 0 [R 12 [v 2 [v 1 ×Е 1 ]]] = qμ 0 ε 0 [v 1 ×Е 1 ](R 12 v 2 ).

Может показаться, что найден пример, опровергающий третий закон Ньютона. Однако следует отметить, что сам третий закон сформулирован в модельном виде при условии, что есть только два участника взаимодействия, причем в нем никак не рассматривается природа передачи взаимодействия на расстоянии. В данном случае участников события три: две частицы и электромагнитное поле в пространстве вокруг них. Если система изолирована, то для неё в целом выполняется закон сохранения импульса и момента импульса, поскольку не только частицы, но и само электромагнитное поле обладает этими характеристиками движения. Из этого следует, что рассматривать взаимодействие движущихся заряженных частиц нужно обязательно с учетом изменения в пространстве электромагнитного поля. Мы будем обсуждать (в одном из следующих разделов) возникновение и распространение в пространстве электромагнитных волн при ускоренном движении заряженных частиц.

Если выбрать какую-нибудь другую систему отсчета, в которой модули скоростей этих частиц v 1 и v 2 , то отношение модулей магнитной составляющей силы взаимодействия между частицами и электрической составляющей меньше либо равно, чем величина:

Это означает, что при скоростях движения частиц много меньших скорости света основную роль играет электрическая составляющая взаимодействия.

В тех ситуациях, когда в проволоках электрические заряды компенсируют друг друга, электрическая часть взаимодействия систем, состоящих из большого числа заряженных частиц, становится значительно меньше магнитной части. Это обстоятельство и позволяет изучать магнитное взаимодействие «отдельно» от электрического.

Измерительные приборы и динамики

После открытий Эрстеда и Ампера в распоряжение физиков поступили приборы для регистрации тока: гальванометры. В этих приборах используется взаимодействие тока и магнитного поля. В некоторых из современных приборов используются постоянные магниты, а в некоторых магнитное поле создается током. Они сейчас называются по-разному – амперметр, вольтметр, омметр, ваттметр и т.д. но в основе все приборы этого типа едины. В них магнитное поле действует на катушку с током.

В измерительных приборах катушка с током расположена так, что на нее со стороны магнитного поля действует механический момент сил. Спиральная пружина, прикрепленная к катушке, создает механический момент сил, действующий на катушку. Положение равновесия достигается при повороте рамки с током на угол, соответствующий протекающему току. На катушке закреплена стрелка, угол поворота стрелки и служит мерой тока.

В приборах магнитоэлектрической системы магнитное поле постоянно. Его создает постоянный магнит. В приборах электромагнитной системы магнитное поле создается током, протекающим по неподвижной катушке. Механический момент сил пропорционален произведению тока подвижной катушки и индукции магнитного поля, которая в свою очередь пропорциональна току в неподвижной катушке. Если, например, токи в обеих катушках прибора электромагнитной системы пропорциональны друг другу, то момент сил пропорционален квадрату величины тока.

Кстати, на основе взаимодействия тока и магнитного поля созданы всеми Вами любимые динамические громкоговорители. В них катушка, по которой пропускается ток, расположена так, что со стороны магнитного поля на нее действует сила вдоль оси динамика. Величина силы пропорциональна току в катушке. Смена направления тока в катушке приводит к перемене направления действия силы.

Гипотеза Ампера

Для объяснения внутреннего устройства постоянных магнитов (сделанных из ферромагнитных материалов) Ампер выдвинул предположение – гипотезу – о том, что материал магнита состоит из большого количества маленьких контуров с током. Каждая молекула вещества образует маленькую рамку с током. Внутри материала магнита во всем объеме молекулярные токи компенсируют друг друга, а на поверхности предмета как будто течет «поверхностный» ток. Если внутри магнитного тела имеется полость, то по поверхности этой полости тоже течет некомпенсированный «поверхностный» ток.

Этот поверхностный ток создает в пространстве, окружающем магнит, точно такое же магнитное поле, как и токи всех молекул магнита при их совместном действии.

Гипотеза Ампера ждала своего экспериментального подтверждения несколько десятилетий и, в конце конов, полностью оправдала себя. По современным представлениям некоторые атомы и молекулы имеют свои собственные магнитные моменты, связанные с движением внутри них заряженных частиц, из которых составлены эти атомы и молекулы. Как оказалось, и сами заряженные частицы, из которых построены атомы и молекулы, имеют магнитные дипольные моменты, связанные с механическим внутренним движением этих частиц. (3)

Гипотеза Ампера позволяет отказаться от модели магнитных зарядов, поскольку вполне адекватно объясняет происхождение магнитного взаимодействия.

Задачи:

1. Два длинных полосовых магнита лежат рядом друг с другом «полюс к полюсу». Северный рядом с северным, а южный рядом с южным. На линии, являющейся продолжением магнитов в точке А, находящейся на расстоянии L от ближних к ней полюсов создано магнитное поле с индукцией В. Вы получили задание увеличить индукцию поля в точке А в 1,414 раза, и изменить направление поля в этой точке на 45°. Разрешается переместить один из магнитов. Как Вы выполните задание?
2. Во время экспедиции к северному магнитному полюсу Земли участники экспедиции расставили на плоской горизонтальной поверхности льда вокруг полюса N = 1000 очень легких штативов каждый высотой L = 1 м и с основанием диаметром D = 10 см и протянули по их верхним точкам металлическую проволоку площадью поперечного сечения S = 1 мм 2 . Получился плоский многоугольник с формой близкой к кольцу радиуса R = 100 м. Какой минимальный по величине постоянный ток нужно пропустить по проволоке, чтобы все штативы упали внутрь образованного их основаниями многоугольника? Величина индукции магнитного поля В вблизи полюса на поверхности Земли равна 10 -4 Тл. Плотность ρ материала проволоки 10 4 кг/м 3 .
3. По двум тонким параллельным проводам текут одинаковые токи противоположных направлений. Провода находятся на расстоянии L друг от друга. В точке А, находящейся на расстоянии L и от одного и от другого провода токами создано магнитное поле с индукцией В. В дном из проводов направление тока изменилось на противоположное, а величина тока осталась прежней. Как изменилась (по величине и по направлению) индукция магнитного поля в этой точке А?
4. На гладком горизонтальном столе лежит круглый проволочный виток из жесткой проволоки. Радиус витка R. Масса витка М. В пространстве имеется однородное горизонтальное магнитное поле с индукцией В. Какой минимальный по величине постоянный ток нужно пропустить по витку, чтобы он перестал лежать неподвижно горизонтально? Опишите его движение после пропускания такого тока.
5. В однородном магнитном поле с индукцией В движется частица, имеющая массу М и заряд Q. Скорость частицы составляет угол & (альфа) с вектором индукции магнитного поля. Опишите характер движения частицы. Какова форма ее траектории?
6. Заряженная частица попала в область пространства, где есть однородные и взаимно перпендикулярные электрическое поле Е и магнитное поле В. Частица движется с постоянной скоростью. Какова её минимально возможная величина?
7. Два протона, движущиеся в однородном магнитном поле В = 0,1 Тл, постоянно находятся на одинаковом расстоянии L = 1 м друг от друга. При каких минимальных скоростях движения протонов это возможно?
8. В области пространства между плоскостями Х = А и Х = С имеется однородное магнитное поле В, направленное вдоль оси Y. Частица с массой М и зарядом Q влетает в эту область пространства, имея скорость V, направленную вдоль оси Z. Какой угол будет составлять скорость частицы с плоскостью Х =const после того, как она выберется из области с магнитным полем? Оси X,Y,Z взаимно перпендикулярны.
9. Из «слабомагнитного» (не ферромагнитного) материала изготовлен длинный (L) однородный стержень. Его подвесили за середину на тонкой длинной нити в лаборатории, расположенной вблизи экватора. В поле тяжести и в магнитном поле Земли стержень расположился горизонтально. Стержень вывели из положения равновесия, повернув его на угол 30 ° вокруг вертикальной оси, совпадающей с нитью. Стержень оставили неподвижным и отпустили. Через 10 секунд стержень прошел положение равновесия. Через какое минимальное время он снова пройдет положение равновесия? Затем стержень разрезали на два равных по длине L/2 стержня. С одним из них проделали такой же эксперимент. С каким периодом укороченный стержень совершает малые колебания вблизи положения равновесия?
10. На оси маленького цилиндрического магнита находится маленький «слабомагнитный» шарик. Расстояние L от шарика до магнита гораздо больше размеров магнита и шарика. Тела притягиваются друг к другу с силой F. С какой силой они будут притягиваться, если расстояние между ними уменьшится в 2 раза? Шарик остается на оси магнита.

1 Исторические названия не отражают адекватно смысла введенных величин, характеризующих электрическую и магнитную составляющие «электромагнитного поля», поэтому мы не будем разбираться с этимологией этих слов.

2 Вспомните: примерно такую же формулировку мы использовали при обсуждении взаимодействия электрических зарядов.

3 В данном случае имеется ввиду такое свойство элементарных частиц, как собственный механический момент количества движения – спин.

Магнетизм изучается с давних времен, а за последние два столетия стал основой современной цивилизации.

Человечество собирает знания о магнитных явлениях не меньше трех с половиной тысяч лет (первые наблюдения электрических сил имели место тысячелетием позже). Четыреста лет назад, на заре становления физики, магнитные свойства веществ были отделены от электрических, после чего долгое время те и другие изучались самостоятельно. Так была создана экспериментальная и теоретическая база, ставшая к середине XIX века основой единой теории электромагнитных явлений Вероятнее всего, необычные свойства природного минерала магнетита (магнитного железняка, Fe3O4) были известны в Месопотамии еще в бронзовом веке. А после возникновения железной металлургии нельзя было не заметить, что магнетит притягивает железные изделия. О причинах такого притяжения думал уже отец греческой философии Фалес из Милета (примерно 640−546 годы до н.э.), который объяснял его особой одушевленностью этого минерала (Фалес также знал, что натертый о шерсть янтарь притягивает сухие листья и мелкие щепочки, а потому наделял и его духовной силой). Позднее греческие мыслители рассуждали о невидимых парах, окутывающих магнетит и железо и влекущих их друг к другу. Неудивительно, что само слово «магнит» тоже имеет греческие корни. Скорее всего, оно восходит к названию Магнесии-у-Сипила, города в Малой Азии, вблизи которого залегал магнетит. Греческий поэт Никандр упоминал о пастухе Магнисе, оказавшемся рядом со скалой, которая тянула к себе железный наконечник его посоха, но это, по всей вероятности, просто красивая легенда.

Природными магнитами интересовались и в Древнем Китае. Способность магнетита притягивать железо упоминается в трактате «Весенние и осенние записи мастера Лю», датируемом 240 годом до н.э. Столетие спустя китайцы заметили, что магнетит не действует ни на медь, ни на керамику. В VII—VIII вв. /bm9icg===>еках они выяснили, что свободно подвешенная намагниченная железная игла поворачивается к Полярной звезде. В результате во второй половине XI века в Китае появились настоящие морские компасы, европейские мореплаватели освоили их сотней лет позже. Примерно тогда же китайцы обнаружили, что намагниченная игла смотрит восточнее направления на север и открыли тем самым магнитное склонение, намного опередив в этом вопросе европейских мореплавателей, которые пришли к этому выводу только в XV столетии.

Маленькие магнитики

В ферромагнетике собственные магнитные моменты атомов выстраиваются параллельно (энергия такой ориентации минимальна). В результате образуются намагниченные области, домены — микроскопические (10−4-10−6 м) постоянные магнитики, разделённые доменными стенками. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы в ферромагнетике хаотически, во внешнем поле границы начинают смещаться, так что домены с моментами параллельно полю вытесняют все остальные — ферромагнетик намагничивается.

Зарождение науки об магнетизме

Первое в Европе описание свойств природных магнитов сделал француз Пьер де Марикур. В 1269 году он служил в армии короля Сицилии Карла Анжуйского, осадившей итальянский город Лусеру. Оттуда он и отправил приятелю в Пикардию документ, который вошел в историю науки как «Письмо о магните» (Epistola de Magnete), где рассказал о своих опытах с магнитным железняком. Марикур заметил, что в каждом куске магнетита имеются две области, особенно сильно притягивающие железо. Он усмотрел параллель между этими зонами и полюсами небесной сферы и позаимствовал их названия для областей максимума магнитной силы — поэтому мы теперь и говорим о северном и южном магнитных полюсах. Если разбить кусок магнетита надвое, пишет Марикур, в каждом осколке появляются собственные полюса. Марикур не только подтвердил, что между кусками магнетита возникает как притяжение, так и отталкивание (это уже было известно), но впервые связал этот эффект с взаимодействием между разноименными (северным и южным) либо одноименными полюсами.

Многие историки науки считают Марикура бесспорным пионером европейской экспериментальной науки. Во всяком случае, его заметки о магнетизме ходили в десятках списков, а после появления книгопечатания издавались отдельной брошюрой. Их с уважением цитировали многие натуралисты вплоть до XVII столетия. Этот труд был хорошо известен и английскому естествоиспытателю и врачу (лейб-медику королевы Елизаветы и ее преемника Якова I) Уильяму Гильберту, который в 1600 году опубликовал (как положено, на латыни) замечательный труд «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле». В этой книге Гильберт не только привел практически все известные сведения о свойствах природных магнитов и намагниченного железа, но и описал собственные опыты с шаром из магнетита, с помощью которых он воспроизвел основные черты земного магнетизма. Например, он обнаружил, что на обоих магнитных полюсах такой «маленькой Земли» (по латыни terrella) компасная стрелка устанавливается перпендикулярно ее поверхности, на экваторе — параллельно, а на средних широтах — в промежуточном положении. Так Гильберт смоделировал магнитное наклонение, о существовании которого в Европе знали более полувека (в 1544 году это явление впервые описал нюрнбергский механик Георг Хартман).

Революция в навигации. Компас произвёл настоящую революцию в морской навигации, сделав глобальные путешествия не единичными случаями, а привычной регулярной рутиной.

Гильберт воспроизвел на своей модели и геомагнитное склонение, которое приписал не идеально гладкой поверхности шара (и потому в планетарном масштабе объяснял этот эффект притяжением континентов). Он обнаружил, что сильно нагретое железо теряет магнитные свойства, но при охлаждении они восстанавливаются. И наконец, Гильберт первым провел четкое различие между притяжением магнита и притяжением натертого янтаря, которое он назвал электрической силой (от латинского названия янтаря electrum). В общем, это был чрезвычайно новаторский труд, по достоинству оцененный и современниками, и потомками. Утверждение Гильберта, что Землю следует считать «большим магнитом», стало вторым по счету фундаментальным научным выводом о физических свойствах нашей планеты (первый — открытие ее шарообразности, сделанное еще в Античности).

Два века перерыва

После Гильберта наука о магнетизме вплоть до начала XIX века продвинулась очень мало. Сделанное за это время можно буквально перечесть по пальцам. В 1640 году ученик Галилея Бенедетто Кастелли объяснил притяжение магнетита наличием в его составе множества мельчайших магнитных частиц — первая и очень несовершенная догадка, что природу магнетизма следует искать на атомном уровне. Голландец Себальд Бругманс в 1778 году заметил, что висмут и сурьма отталкиваются от полюсов магнитной стрелки — это был первый пример физического явления, которое 67 годами позже Фарадей назвал диамагнетизмом. В 1785 году Шарль-Огюстен Кулон посредством прецизионных измерений на крутильных весах показал, что сила взаимодействия магнитных полюсов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — точно так же, как и сила взаимодействия между электрическими зарядами (в 1750 году к аналогичному выводу пришел англичанин Джон Мичелл, но кулоновское заключение много надежней).

А вот изучение электричества в те годы двигалось семимильными шагами. Объяснить это нетрудно. Единственными первичными источниками магнитной силы оставались природные магниты — других наука не знала. Их сила стабильна, ее нельзя ни изменить (разве что уничтожить нагревом), ни тем более генерировать по собственному желанию. Понятно, что это обстоятельство сильно ограничивало возможности экспериментаторов.

Электричество было в гораздо более выгодном положении — ведь его можно было получать и накапливать. Первый генератор статических зарядов построил в 1663 году бургомистр Магдебурга Отто фон Герике (знаменитые магдебургские полушария — тоже его детище). Век спустя такие генераторы стали столь широко распространены, что их демонстрировали даже на великосветских приемах. В 1744 году немец Эвальд Георг фон Клейст и немногим позже голландец Питер ван Мушенбрук изобрели лейденскую банку — первый электрический конденсатор; тогда же появились и первые электрометры. В результате к концу XVIII века наука знала об электричестве куда больше, чем в его начале. А вот о магнетизме этого сказать было нельзя.

А потом все изменилось. В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый химический источник электрического тока — гальваническую батарею, также известную как вольтов столб. После этого открытие связи между электричеством и магнетизмом стало вопросом времени. Оно могло состояться уже на следующий год, когда французский химик Николя Готеро заметил, что два параллельных провода с током притягиваются друг к другу. Однако ни он, ни великий Лаплас, ни замечательный физик-экспериментатор Жан-Батист Био, которые позже наблюдали это явление, не придали ему никакого значения. Поэтому приоритет справедливо достался ученому, давно предположившему существование такой связи и много лет посвятившему ее поискам.

От Копенгагена до Парижа

Все читали сказки и истории Ганса Христиана Андерсена, но мало кто знает, что 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. И оба прославили свою страну на весь мир.

Многообразие магнитных полей Ампер изучил взаимодействие между параллельными проводниками с током. Его идеи развил Фарадей, который предложил концепцию магнитных силовых линий.

Эрстед с 1813 года вполне сознательно пытался установить связь между электричеством и магнетизмом (он был приверженцем великого философа Иммануила Канта, полагавшего, что все природные силы обладают внутренним единством). В качестве индикаторов Эрстед использовал компасы, но долгое время безрезультатно. Эрстед ожидал, что магнитная сила тока параллельна ему самому, и для получения максимального крутящего момента располагал электрический провод перпендикулярно стрелке компаса. Естественно, что стрелка не реагировала на включение тока. И только весной 1820 года во время лекции Эрстед протянул провод параллельно стрелке (либо чтобы посмотреть, что из этого получится, либо у него появилась новая гипотеза — об этом историки физики спорят до сих пор). И вот тут-то стрелка и качнулась — не слишком сильно (у Эрстеда была маломощная батарея), но все-таки заметно.

Правда, великое открытие тогда еще не состоялось. Эрстед почему-то прервал эксперименты на три месяца и вернулся к ним лишь в июле. И вот тут-то он понял, что «магнитное воздействие электрического тока направлено по окружностям, охватывающим этот ток». Это был парадоксальный вывод, ведь ранее вращающиеся силы не появлялись ни в механике, ни в какой-либо другой ветви физики. Эрстед изложил свои выводы в статье и 21 июля отправил ее в несколько научных журналов. Потом он больше электромагнетизмом не занимался, и эстафета перешла к другим ученым. Первыми ее приняли парижане. 4 сентября известный физик и математик Доминик Араго рассказал об открытии Эрстеда на заседании Академии наук. Его коллега Андре-Мари Ампер решил заняться магнитным действием токов и буквально на следующий день приступил к экспериментам. Первым делом он повторил и подтвердил опыты Эрстеда, а в начале октября обнаружил, что параллельные проводники притягиваются, если токи текут через них в одном и том же направлении, и отталкиваются — если в противоположных. Ампер изучил взаимодействие и между непараллельными проводниками и представил его формулой (закон Ампера). Он показал также, что свернутые в спираль проводники с током поворачиваются в магнитном поле, подобно стрелке компаса (и между делом изобрел соленоид — магнитную катушку). Наконец, он выдвинул смелую гипотезу: внутри намагниченных материалов текут незатухающие микроскопические параллельные круговые токи, которые и служат причиной их магнитного действия. Тогда же Био и Феликс Савар совместными усилиями выявили математическую зависимость, позволяющую определять интенсивность магнитного поля, создаваемого постоянным током (закон Био-Савара).

Чтобы подчеркнуть новизну изученных эффектов, Ампер предложил термин «электродинамические явления» и постоянно пользовался им в своих публикациях. Но это еще не было электродинамикой в современном смысле. Эрстед, Ампер и их коллеги работали с постоянными токами, создававшими статичные магнитные силы. Физикам только предстояло обнаружить и объяснить действительно динамичные нестационарные электромагнитные процессы. Эта задача была решена в 1830—1870-х. К ней приложили руку около дюжины исследователей из Европы (в том числе и России- вспомним правило Ленца) и США. Однако главная заслуга бесспорно принадлежит двум титанам британской науки — Фарадею и Максвеллу.

Лондонский тандем

Для Майкла Фарадея 1821 год стал воистину судьбоносным. Он получил заветную должность суперинтенданта лондонского Королевского института и фактически случайно начал исследовательскую программу, благодаря которой занял уникальное место в истории мировой науки.

Магнитные и не очень. Различные вещества во внешнем магнитном поле ведут себя по‑разному, это обусловлено различным поведением собственных магнитных моментов атомов. Наиболее известны ферромагнетики, существуют парамагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики, а также диамагнетики, у атомов которых нет собственных магнитных моментов (во внешнем поле они слабо намагничиваются «против поля»).

Произошло это так. Редактор журнала «Анналы философии» Ричард Филипс предложил Фарадею написать критический обзор новых работ, посвященных магнитному действию тока. Фарадей не только последовал этому совету и опубликовал «Исторический эскиз электромагнетизма», но приступил к собственным исследованиям, которые растянулись на долгие годы. Сначала он, как и Ампер, повторил эксперимент Эрстеда, после чего двинулся дальше. К концу 1821 года он изготовил устройство, где токонесущий проводник вращался вокруг полосового магнита, а другой магнит поворачивался вокруг второго проводника. Фарадей предположил, что и магнит, и провод под током окружены концентрическими силовыми линиями, lines of force, которыми и обусловлено их механическое воздействие. Это уже был зародыш концепции магнитного поля, хотя сам Фарадей таким термином не пользовался.

Поначалу он почитал силовые линии удобным методом описания наблюдений, но со временем уверился в их физической реальности (тем более что нашел способ наблюдать их с помощью рассыпанных между магнитами железных опилок). К концу 1830-х он четко осознал, что энергия, источником которой служат постоянные магниты и проводники под током, распределена в пространстве, заполненном силовыми линиями. Фактически Фарадей уже мыслил в теоретико-полевых терминах, в чем значительно опередил своих современников.

Но главное его открытие состояло в другом. В августе 1831 года Фарадей смог заставить магнетизм генерировать электрический ток. Его прибор состоял из железного кольца с двумя противоположными обмотками. Одну из спиралей можно было замкнуть на электрическую батарею, другая соединялась с проводником, расположенным над магнитным компасом. Стрелка не меняла положения, если по первой катушке шел постоянный ток, но качалась во время его включения и выключения. Фарадей понял, что в это время во второй обмотке возникали электрические импульсы, обусловленные возникновением или исчезновением магнитных силовых линий. Иначе говоря, он открыл, что причиной электродвижущей силы служат изменения магнитного поля. Этот эффект обнаружил также американский физик Джозеф Генри, но он опубликовал свои результаты позднее, чем Фарадей, и не сделал столь серьезных теоретических выводов.

Электромагниты и соленоиды лежат в основе множества технологий, без которых невозможно представить современную цивилизацию: от вырабатывающих электроэнергию электрогенераторов, электродвигателей, трансформаторов до радиосвязи и вообще практически всей современной электроники.

К концу жизни Фарадей пришел к заключению, что новые знания об электромагнетизме нуждаются в математическом оформлении. Он решил, что эта задача придется по плечу Джеймсу Клерку Максвеллу, молодому профессору Маришал-колледжа в шотландском городе Абердине, о чем ему и написал в ноябре 1857 года. И Максвелл действительно объединил все тогдашние знания об электромагнетизме в единую математизированную теорию. Эта работа была в основном выполнена в первой половине 1860-х годов, когда он стал профессором натуральной философии лондонского Кингз-колледжа. Понятие электромагнитного поля впервые появилось в 1864 году в мемуаре, представленном Лондонскому Королевскому обществу. Максвелл ввел этот термин для обозначения «той части пространства, которая содержит и окружает тела, пребывающие в электрическом или магнитном состоянии», причем специально подчеркнул, что это пространство может быть как пустым, так и заполненным любым видом материи.

Главным итогом трудов Максвелла стала система уравнений, связывающих между собой электромагнитные явления. В опубликованном в 1873 году «Трактате об электричестве и магнетизме» он назвал их общими уравнениями электромагнитного поля, а сегодня они зовутся уравнениями Максвелла. Позднее их не раз обобщали (например, для описания электромагнитных явлений в различных средах), а также переписывали с использованием все более совершенного математического формализма. Максвелл показал также, что эти уравнения допускают решения, включающие незатухающие поперечные волны, частным случаем которых является видимый свет.

Теория Максвелла представила магнетизм как особого рода взаимодействие между электрическими токами. Квантовая физика XX века добавила к этой картине всего два новых момента. Теперь мы знаем, что электромагнитные взаимодействия переносятся фотонами и что электроны и многие другие элементарные частицы обладают собственными магнитными моментами. На этом фундаменте построены все экспериментальные и теоретические работы в области магнетизма.