Магнетизмът е клон на физиката. Магнетизъм за манекени: основни формули, определение, примери

Сила на електрическото поле

Напрегнатостта на електрическото поле е векторна характеристика на полето, сила, действаща върху единица електрически заряд в покой в ​​дадена отправна система.

Напрежението се определя по формулата:

$E↖(→)=(F↖(→))/(q)$

където $E↖(→)$ е напрегнатостта на полето; $F↖(→)$ е силата, действаща върху заряда $q$, поставен в дадена точка на полето. Посоката на вектора $E↖(→)$ съвпада с посоката на силата, действаща върху положителния заряд, и е противоположна на посоката на силата, действаща върху отрицателния заряд.

Единицата SI за напрежение е волт на метър (V/m).

Напрегнатост на полето на точков заряд.Съгласно закона на Кулон, точковият заряд $q_0$ действа върху друг заряд $q$ със сила, равна на

$F=k(|q_0||q|)/(r^2)$

Модулът на напрегнатостта на полето на точков заряд $q_0$ на разстояние $r$ от него е равен на

$E=(F)/(q)=k(|q_0|)/(r^2)$

Векторът на интензитета във всяка точка на електрическото поле е насочен по правата линия, свързваща тази точка и заряда.

Линии на електрическо поле

Електрическото поле в пространството обикновено се представя чрез силови линии. Концепцията за силовите линии е въведена от М. Фарадей, докато изучава магнетизма. Тази концепция беше развита от J. Maxwell в неговите изследвания върху електромагнетизма.

Силова линия или линия на напрегнатост на електрическото поле е линия, чиято допирателна във всяка точка съвпада с посоката на силата, действаща върху положителен точков заряд, разположен в тази точка на полето.

Линии на напрежение на положително заредена топка;

Линии на опън на две противоположно заредени топки;

Линии на опън на две еднакво заредени топки

Линии на напрежение на две плочи, заредени със заряди с различни знаци, но еднакви по абсолютна стойност.

Линиите на напрежение на последната фигура са почти успоредни в пространството между плочите и тяхната плътност е еднаква. Това предполага, че полето в тази област на пространството е еднородно. Електрическото поле се нарича хомогенно, ако неговата сила е еднаква във всички точки на пространството.

В електростатично поле силовите линии не са затворени; те винаги започват с положителни заряди и завършват с отрицателни заряди. Те не се пресичат никъде; пресичането на линиите на полето би показало несигурността на посоката на силата на полето в точката на пресичане. Плътността на силовите линии е по-голяма в близост до заредени тела, където напрегнатостта на полето е по-голяма.

Поле на заредена топка.Силата на полето на заредена проводяща топка на разстояние от центъра на топката, превишаващо нейния радиус $r≥R$, се определя по същата формула като полетата на точков заряд. Това се доказва от разпределението на линиите на полето, подобно на разпределението на линиите на интензитета на точков заряд.

Зарядът на топката се разпределя равномерно по повърхността й. Вътре в проводящата топка напрегнатостта на полето е нула.

Магнитно поле. Магнитно взаимодействие

Феноменът на взаимодействие между постоянните магнити (установяването на магнитна стрелка по магнитния меридиан на Земята, привличането на различни полюси, отблъскването на еднакви полюси) е известно от древни времена и е систематично изследвано от У. Гилбърт (резултатите са публикуван през 1600 г. в неговия трактат „За магнита, магнитните тела и големия магнит - Земята“).

Естествени (естествени) магнити

Магнитните свойства на някои природни минерали са били известни още в древността. По този начин има писмени доказателства отпреди повече от 2000 години за използването на естествени постоянни магнити като компаси в Китай. Привличането и отблъскването на магнитите и магнетизирането на железни стърготини от тях се споменава в произведенията на древногръцки и римски учени (например в поемата „За природата на нещата“ на Лукреций Кара).

Естествените магнити са части от магнитна желязна руда (магнетит), състояща се от $FeO$ (31%) и $Fe_2O$ (69%). Ако такова парче минерал се доближи до малки железни предмети – пирони, стърготини, тънко острие и др., те ще бъдат привлечени от него.

Изкуствени постоянни магнити

Постоянен магнит- това е продукт, изработен от материал, който е автономен (независим, изолиран) източник на постоянно магнитно поле.

Изкуствените постоянни магнити се правят от специални сплави, които включват желязо, никел, кобалт и др. Тези метали придобиват магнитни свойства (магнетизират се), ако се доближат до постоянни магнити. Следователно, за да се направят постоянни магнити от тях, те се държат специално в силни магнитни полета, след което самите те се превръщат в източници на постоянно магнитно поле и могат да запазят магнитни свойства за дълго време.

Фигурата показва дъга и лентови магнити.

На фиг. дадени са снимки на магнитните полета на тези магнити, получени по метода, който М. Фарадей използва за първи път в своите изследвания: с помощта на железни стружки, разпръснати върху лист хартия, върху който лежи магнитът. Всеки магнит има два полюса - това са местата на най-голяма концентрация на линиите на магнитното поле (наричат ​​се още линии на магнитното поле, или линии на магнитно индукционно поле). Това са местата, които най-много привличат железните стружки. Обикновено се нарича един от полюсите северен(($N$), друго - южен($S$). Ако доближите два магнита един до друг с еднакви полюси, можете да видите, че те се отблъскват, а ако имат противоположни полюси, те се привличат.

На фиг. ясно се вижда, че магнитните линии на магнита са затворени линии. Показани са линиите на магнитното поле на два магнита, обърнати един срещу друг с еднакви и различни полюси. Централната част на тези картини прилича на модели на електрически полета от два заряда (противоположни и подобни). Въпреки това, съществена разлика между електрическите и магнитните полета е, че линиите на електрическото поле започват и завършват при заряди. В природата не съществуват магнитни заряди. Линиите на магнитното поле напускат северния полюс на магнита и навлизат в южния; те продължават в тялото на магнита, т.е., както бе споменато по-горе, те са затворени линии. Полета, чиито полеви линии са затворени, се наричат вихър. Магнитното поле е вихрово поле (това е неговата разлика от електрическото).

Приложение на магнити

Най-древното магнитно устройство е добре познатият компас. В съвременната технология магнитите се използват много широко: в електродвигатели, в радиотехниката, в електроизмервателно оборудване и др.

Земното магнитно поле

Земното кълбо е магнит. Като всеки магнит, той има свое собствено магнитно поле и свои собствени магнитни полюси. Ето защо стрелката на компаса е ориентирана в определена посока. Ясно е къде точно трябва да сочи северният полюс на магнитната стрелка, т.к противоположните полюси се привличат. Следователно северният полюс на магнитната стрелка сочи към южния магнитен полюс на Земята. Този полюс се намира в северната част на земното кълбо, малко встрани от северния географски полюс (на остров Принц на Уелс - около $75°$ северна ширина и $99°$ западна дължина, на разстояние приблизително $2100$ км от северната географска полюс).

При приближаване към северния географски полюс силовите линии на магнитното поле на Земята все повече се накланят към хоризонта под по-голям ъгъл, а в района на южния магнитен полюс стават вертикални.

Северният магнитен полюс на Земята се намира близо до южния географски полюс, а именно на $66,5°$ южна ширина и $140°$ източна дължина. Тук линиите на магнитното поле излизат от Земята.

С други думи, магнитните полюси на Земята не съвпадат с нейните географски полюси. Следователно посоката на магнитната стрелка не съвпада с посоката на географския меридиан, а магнитната стрелка на компаса само приблизително показва посоката на север.

Стрелката на компаса може да бъде повлияна и от някои природни явления, напр. магнитни бури,които са временни промени в магнитното поле на Земята, свързани със слънчевата активност. Слънчевата активност е придружена от излъчване на потоци от заредени частици, по-специално електрони и протони, от повърхността на Слънцето. Тези потоци, движещи се с висока скорост, създават собствено магнитно поле, което взаимодейства с магнитното поле на Земята.

На земното кълбо (с изключение на краткотрайни промени в магнитното поле) има области, в които има постоянно отклонение в посоката на магнитната стрелка от посоката на магнитната линия на Земята. Това са областите магнитна аномалия(от гръцки anomalia - отклонение, ненормалност). Една от най-големите такива зони е Курската магнитна аномалия. Аномалиите са причинени от огромни находища на желязна руда на сравнително малка дълбочина.

Магнитното поле на Земята надеждно защитава повърхността на Земята от космическа радиация, чийто ефект върху живите организми е разрушителен.

Полетите на междупланетни космически станции и кораби позволиха да се установи, че Луната и планетата Венера нямат магнитно поле, докато планетата Марс има много слабо.

Експерименти на Ерстедай Ампер. Индукция на магнитно поле

През 1820 г. датският учен G. H. Oersted открива, че магнитна игла, поставена близо до проводник, през който тече ток, се върти, стремейки се да бъде перпендикулярна на проводника.

Диаграмата на експеримента на G. H. Oersted е показана на фигурата. Проводникът, включен във веригата на източника на ток, е разположен над магнитната стрелка, успоредна на нейната ос. Когато веригата е затворена, магнитната стрелка се отклонява от първоначалното си положение. Когато веригата се отвори, магнитната стрелка се връща в първоначалното си положение. От това следва, че проводникът с ток и магнитната стрелка взаимодействат помежду си. Въз основа на този експеримент можем да заключим, че има магнитно поле, свързано с протичането на ток в проводник и вихровия характер на това поле. Описаният експеримент и неговите резултати са най-важното научно постижение на Ерстед.

През същата година френският физик Ампер, който се интересува от експериментите на Ерстед, открива взаимодействието на два прави проводника с ток. Оказа се, че ако токовете в проводниците протичат в една посока, т.е. те са успоредни, тогава проводниците се привличат, ако са в противоположни посоки (т.е. те са антипаралелни), тогава те се отблъскват.

Взаимодействията между проводниците с ток, т.е. взаимодействията между движещи се електрически заряди, се наричат ​​магнитни, а силите, с които проводниците с ток действат един върху друг, се наричат ​​магнитни сили.

Според теорията за късо действие, към която се придържа М. Фарадей, токът в един от проводниците не може да повлияе пряко на тока в другия проводник. Подобно на случая със стационарни електрически заряди, около които има електрическо поле, се стигна до заключението, че в пространството около токовете има магнитно поле,който действа с известна сила върху друг проводник с ток, поставен в това поле, или върху постоянен магнит. На свой ред, магнитното поле, създадено от втория проводник с ток, действа върху тока в първия проводник.

Точно както електрическото поле се открива чрез въздействието му върху тестов заряд, въведен в това поле, магнитното поле може да бъде открито чрез ориентиращия ефект на магнитно поле върху рамка с малък ток (в сравнение с разстоянията, на които магнитният полето се променя забележимо) размери.

Проводниците, подаващи ток към рамката, трябва да бъдат преплетени (или поставени близо един до друг), тогава резултантната сила, упражнявана от магнитното поле върху тези проводници, ще бъде нула. Силите, действащи върху такава рамка с ток, ще я завъртят така, че нейната равнина да стане перпендикулярна на индукционните линии на магнитното поле. В примера рамката ще се завърти така, че проводникът с ток да е в равнината на рамката. Когато посоката на тока в проводника се промени, рамката ще се завърти $180°$. В полето между полюсите на постоянен магнит рамката ще се завърти с равнина, перпендикулярна на магнитните силови линии на магнита.

Магнитна индукция

Магнитната индукция ($B↖(→)$) е векторна физична величина, която характеризира магнитното поле.

Посоката на вектора на магнитната индукция $B↖(→)$ се приема за:

1) посоката от южния полюс $S$ към северния полюс $N$ на магнитна стрелка, свободно разположена в магнитно поле, или

2) посоката на положителната нормала към затворена верига с ток върху гъвкаво окачване, свободно монтирано в магнитно поле. Нормалната, насочена към движението на върха на гимлета (с дясна резба), чиято дръжка се завърта по посока на тока в рамката, се счита за положителна.

Ясно е, че посоките 1) и 2) съвпадат, което е установено от експериментите на Ампер.

Що се отнася до величината на магнитната индукция (т.е. нейния модул) $B$, която би могла да характеризира силата на полето, експериментите са установили, че максималната сила $F$, с която полето действа върху проводник с ток (поставен перпендикулярно към магнитното поле на индукционните линии), зависи от тока $I$ в проводника и от неговата дължина $∆l$ (пропорционална на тях). Въпреки това, силата, действаща върху токов елемент (с единична дължина и сила на тока), зависи само от самото поле, т.е. съотношението $(F)/(I∆l)$ за дадено поле е постоянна стойност (подобно на съотношение на сила към заряд за електрическо поле). Тази стойност се определя като магнитна индукция.

Индукцията на магнитното поле в дадена точка е равна на отношението на максималната сила, действаща върху проводник с ток, към дължината на проводника и силата на тока в проводника, поставен в тази точка.

Колкото по-голяма е магнитната индукция в дадена точка на полето, толкова по-голяма е силата, която полето в тази точка ще действа върху магнитна стрелка или движещ се електрически заряд.

Единицата SI за магнитна индукция е тесла(Tl), кръстен на сръбския електроинженер Никола Тесла. Както може да се види от формулата, $1$ T $=l(H)/(A m)$

Ако има няколко различни източника на магнитно поле, чиито вектори на индукция в дадена точка на пространството са равни на $(В_1)↖(→), (В_2)↖(→), (В_3)↖(→),. ..$, тогава според принципът на суперпозицията на полето, индукцията на магнитното поле в тази точка е равна на сумата от създадените вектори на индукция на магнитното поле всеки източник.

$В↖(→)=(В_1)↖(→)+(В_2)↖(→)+(В_3)↖(→)+...$

Линии на магнитна индукция

За да визуализира магнитното поле, М. Фарадей въведе концепцията магнитни силови линии,което той многократно демонстрира в своите опити. Картина на линиите на полето може лесно да се получи с помощта на железни стружки, поръсени върху картон. Фигурата показва: линии на магнитна индукция на постоянен ток, соленоид, кръгов ток, постоянен магнит.

Линии на магнитна индукция, или магнитни силови линии, или просто магнитни линиисе наричат ​​линии, чиито допирателни във всяка точка съвпадат с посоката на вектора на магнитната индукция $B↖(→)$ в тази точка на полето.

Ако вместо железни стружки, малки магнитни игли се поставят около дълъг прав проводник, по който тече ток, тогава можете да видите не само конфигурацията на линиите на полето (концентрични кръгове), но и посоката на линиите на полето (северния полюс на магнитната стрелка показва посоката на вектора на индукция в дадена точка).

Посоката на магнитното поле на предния ток може да се определи от дясно правило за гимлет.

Ако завъртите дръжката на гимлета, така че транслационното движение на върха на гимлета да показва посоката на тока, тогава посоката на въртене на дръжката на гимлета ще покаже посоката на линиите на магнитното поле на тока.

Посоката на магнитното поле на предния ток може също да се определи с помощта на първо правило на дясната ръка.

Ако хванете проводника с дясната си ръка, насочвайки огънатия палец по посока на тока, тогава върховете на останалите пръсти във всяка точка ще показват посоката на индукционния вектор в тази точка.

Вихрово поле

Линиите на магнитната индукция са затворени, което показва, че в природата няма магнитни заряди. Полета, чиито силови линии са затворени, се наричат ​​вихрови полета. Тоест магнитното поле е вихрово поле. Това се различава от електрическото поле, създадено от заряди.

Соленоид

Соленоидът е намотка от тел, по която протича ток.

Соленоидът се характеризира с броя навивки на единица дължина $n$, дължина $l$ и диаметър $d$. Дебелината на проводника в соленоида и стъпката на спиралата (спиралната линия) са малки в сравнение с неговия диаметър $d$ и дължина $l$. Терминът "соленоид" се използва и в по-широк смисъл - това е името, дадено на намотки с произволно напречно сечение (квадратен соленоид, правоъгълен соленоид) и не непременно с цилиндрична форма (тороидален соленоид). Има дълъг соленоид ($l>>d$) и къс ($l

Соленоидът е изобретен през 1820 г. от A. Ampere за засилване на магнитното действие на тока, открит от X. Oersted и използван от D. Arago в експерименти за намагнитване на стоманени пръти. Магнитните свойства на соленоида са експериментално изследвани от Ампер през 1822 г. (по същото време той въвежда термина "соленоид"). Установена е еквивалентността на соленоида с постоянните естествени магнити, което е потвърждение на електродинамичната теория на Ампер, която обяснява магнетизма чрез взаимодействието на пръстеновидни молекулярни токове, скрити в телата.

Линиите на магнитното поле на соленоида са показани на фигурата. Посоката на тези линии се определя с помощта на второ правило на дясната ръка.

Ако закопчаете соленоида с дланта на дясната си ръка, насочвайки четири пръста по протежение на тока в завоите, тогава удълженият палец ще покаже посоката на магнитните линии вътре в соленоида.

Сравнявайки магнитното поле на соленоид с полето на постоянен магнит, можете да видите, че те са много сходни. Подобно на магнита, соленоидът има два полюса - северен ($N$) и южен ($S$). Северният полюс е този, от който излизат магнитните линии; южният полюс е този, в който влизат. Северният полюс на соленоида винаги се намира от страната, към която сочи палецът на дланта, когато е позициониран в съответствие с второто правило на дясната ръка.

Като магнит се използва соленоид под формата на намотка с голям брой навивки.

Изследванията на магнитното поле на соленоид показват, че магнитният ефект на соленоид се увеличава с увеличаване на тока и броя на завъртанията в соленоида. В допълнение, магнитното действие на соленоид или намотка с ток се засилва чрез въвеждане на железен прът в него, който се нарича сърцевина

Електромагнити

Соленоид с желязна сърцевина вътре се нарича електромагнит.

Електромагнитите могат да съдържат не една, а няколко намотки (намотки) и да имат ядра с различна форма.

Такъв електромагнит е конструиран за първи път от английския изобретател У. Стърджън през 1825 г. С маса от $0,2$ kg електромагнитът на У. Стърджън поддържа товар с тегло $36$ N. През същата година Дж. Джаул увеличава повдигащата сила на електромагнит до $200$ N, а шест години по-късно американският учен Дж. Хенри построи електромагнит с тегло $300$ kg, способен да държи товар с тегло $1$ t!

Съвременните електромагнити могат да повдигат товари с тегло няколко десетки тона. Използват се във фабрики при преместване на тежки продукти от желязо и стомана. Електромагнитите се използват и в селското стопанство за почистване на зърната на редица растения от плевели и в други индустрии.

Амперна мощност

Върху прав участък от проводник $∆l$, по който протича ток $I$, действа сила $F$ в магнитно поле с индукция $B$.

За да изчислите тази сила, използвайте израза:

$F=B|I|∆lsinα$

където $α$ е ъгълът между вектора $B↖(→)$ и посоката на сегмента на проводника с ток (токов елемент); Посоката на токовия елемент се приема за посоката, в която токът протича през проводника. Силата $F$ се нарича Сила на Амперв чест на френския физик А. М. Ампер, който пръв открива ефекта на магнитното поле върху проводник с ток. (Всъщност Ампер установява закон за силата на взаимодействие между два елемента на тоководещи проводници. Той беше привърженик на теорията за действието на далечни разстояния и не използва понятието поле.

Въпреки това, според традицията и в памет на заслугите на учения, изразът за силата, действаща върху проводник с ток от магнитно поле, също се нарича закон на Ампер.)

Посоката на силата на Ампер се определя с помощта на правилото на лявата ръка.

Ако поставите дланта на лявата си ръка така, че линиите на магнитното поле да влизат перпендикулярно в нея, а четирите протегнати пръста показват посоката на тока в проводника, тогава протегнатият палец ще показва посоката на силата, действаща върху тока- носещ проводник. По този начин силата на Ампер винаги е перпендикулярна както на вектора на индукция на магнитното поле, така и на посоката на тока в проводника, т.е. перпендикулярна на равнината, в която лежат тези два вектора.

Последствието от силата на Ампер е въртенето на рамката с ток в постоянно магнитно поле. Това намира практическо приложение в много устройства, напр. електроизмервателни уреди- галванометри, амперметри, където подвижна рамка с ток се върти в полето на постоянен магнит и чрез ъгъла на отклонение на показалеца, неподвижно свързан към рамката, може да се прецени количеството ток, протичащ във веригата.

Благодарение на въртящия се ефект на магнитното поле върху рамката, носеща ток, също стана възможно създаването и използването електродвигатели- машини, в които електрическата енергия се преобразува в механична.

Сила на Лоренц

Силата на Лоренц е сила, действаща върху движещ се точков електрически заряд във външно магнитно поле.

Холандският физик Х. А. Лоренц в края на 19 век. установи, че силата, упражнявана от магнитно поле върху движеща се заредена частица, винаги е перпендикулярна на посоката на движение на частицата и силовите линии на магнитното поле, в което се движи тази частица.

Посоката на силата на Лоренц може да се определи с помощта на правилото на лявата ръка.

Ако поставите дланта на лявата си ръка така, че четирите протегнати пръста да показват посоката на движение на заряда и векторът на полето на магнитната индукция влиза в дланта, тогава протегнатият палец ще показва посоката на силата на Лоренц, действаща върху положителния заряд.

Ако зарядът на частицата е отрицателен, тогава силата на Лоренц ще бъде насочена в обратна посока.

Модулът на силата на Лоренц се определя лесно от закона на Ампер и е:

където $q$ е зарядът на частицата, $υ$ е скоростта на нейното движение, $α$ е ъгълът между векторите на скоростта и индукцията на магнитното поле.

Ако в допълнение към магнитното поле има и електрическо поле, което действа върху заряда със сила $(F_(el))↖(→)=qE↖(→)$, тогава общата сила, действаща върху заряда е равно на:

$F↖(→)=(F_(el))↖(→)+(F_l)↖(→)$

Често тази обща сила се нарича сила на Лоренц, а силата, изразена с формулата $F=|q|υBsinα$, се нарича магнитна част от силата на Лоренц.

Тъй като силата на Лоренц е перпендикулярна на посоката на движение на частицата, тя не може да промени скоростта си (не върши работа), а може само да промени посоката на движението си, т.е. да изкриви траекторията.

Тази кривина на траекторията на електроните в телевизионна тръба е лесна за наблюдение, ако поставите постоянен магнит на екрана й: изображението ще бъде изкривено.

Движение на заредена частица в еднородно магнитно поле.Нека заредена частица лети със скорост $υ$ в еднообразно магнитно поле, перпендикулярно на линиите на напрежение. Силата, упражнявана от магнитното поле върху частицата, ще я накара да се върти равномерно в кръг с радиус r, което е лесно да се намери с помощта на втория закон на Нютон, израза за центростремително ускорение и формулата $F=|q|υBsinα$:

$(mυ^2)/(r)=|q|υB$

От тук получаваме

$r=(mυ)/(|q|B)$

където $m$ е масата на частицата.

Приложение на силата на Лоренц.Действието на магнитно поле върху движещи се заряди се използва например в масспектрографи, които позволяват да се разделят заредените частици по техните специфични заряди, т.е. по съотношението на заряда на частицата към нейната маса, и от получените резултати да се определят точно масите на частиците.

Вакуумната камера на устройството е поставена в поле (векторът на индукция $B↖(→)$ е перпендикулярен на фигурата). Ускорени от електрическото поле заредени частици (електрони или йони), описали дъга, попадат върху фотографската плака, където оставят следа, която позволява да се измери радиуса на траекторията $r$ с голяма точност. Този радиус определя специфичния заряд на йона. Познавайки заряда на йон, е лесно да се изчисли неговата маса.

Магнитни свойства на веществата

За да обясни съществуването на магнитното поле на постоянните магнити, Ампер предполага, че съществуват микроскопични кръгови токове в вещество с магнитни свойства (те се наричат молекулярно). Тази идея впоследствие, след откриването на електрона и структурата на атома, беше блестящо потвърдена: тези токове се създават от движението на електрони около ядрото и, като са ориентирани по същия начин, като цяло създават поле около и вътре магнитът.

На фиг. равнините, в които се намират елементарни електрически токове, са произволно ориентирани поради хаотичното топлинно движение на атомите и веществото не проявява магнитни свойства. В магнетизирано състояние (например под въздействието на външно магнитно поле) тези равнини са еднакво ориентирани и действията им се сумират.

Магнитна пропускливост.Реакцията на средата на въздействието на външно магнитно поле с индукция $B_0$ (поле във вакуум) се определя от магнитната чувствителност $μ$:

където $B$ е индукцията на магнитното поле в веществото. Магнитната проницаемост е подобна на диелектричната константа $ε$.

Въз основа на техните магнитни свойства веществата се разделят на Диамагнетици, парамагнетици и феромагнетици. За диамагнитните материали коефициентът $μ$, който характеризира магнитните свойства на средата, е по-малък от $1$ (например за бисмут $μ = 0,999824$); за парамагнетици $μ > 1$ (за платина $μ = 1,00036$); за феромагнетици $μ >> 1$ (желязо, никел, кобалт).

Диамагнитите се отблъскват от магнит, парамагнитните материали се привличат. По тези характеристики те могат да бъдат разграничени един от друг. За повечето вещества магнитната проницаемост практически не се различава от единица, само за феромагнетиците тя значително я надвишава, достигайки няколко десетки хиляди единици.

Феромагнетици.Феромагнитите проявяват най-силни магнитни свойства. Магнитните полета, създадени от феромагнетици, са много по-силни от външното магнетизиращо поле. Вярно е, че магнитните полета на феромагнетиците не се създават в резултат на въртенето на електроните около ядрата - орбитален магнитен момент, а поради собственото въртене на електрона - собствения му магнитен момент, т.нар завъртане.

Температурата на Кюри ($T_c$) е температурата, над която феромагнитните материали губят своите магнитни свойства. За всеки феромагнетик е различно. Например за желязо $Т_с = 753°$С, за никел $Т_с = 365°$С, за кобалт $Т_с = 1000°$ С. Има феромагнитни сплави с $Т_с

Първите подробни изследвания на магнитните свойства на феромагнетиците са извършени от изключителния руски физик А. Г. Столетов (1839-1896).

Феромагнитите се използват много широко: като постоянни магнити (в електрически измервателни уреди, високоговорители, телефони и др.), стоманени сърцевини в трансформатори, генератори, електрически двигатели (за подобряване на магнитното поле и пестене на електроенергия). Магнитни ленти от феромагнитни материали записват звук и изображения за магнетофони и видеорекордери. Информацията се записва върху тънки магнитни филми за устройства за съхранение в електронни компютри.

Правилото на Ленц

Правилото на Ленц (закон на Ленц) е установено от Е. Х. Ленц през 1834 г. То усъвършенства закона за електромагнитната индукция, открит през 1831 г. от М. Фарадей. Правилото на Ленц определя посоката на индуцирания ток в затворен контур, докато се движи във външно магнитно поле.

Посоката на индукционния ток винаги е такава, че силите, които изпитва от магнитното поле, противодействат на движението на веригата, а магнитният поток $Ф_1$, създаден от този ток, има тенденция да компенсира промените във външния магнитен поток $Ф_e$.

Законът на Ленц е израз на закона за запазване на енергията за електромагнитни явления. Наистина, когато затворен контур се движи в магнитно поле поради външни сили, е необходимо да се извърши някаква работа срещу силите, възникващи в резултат на взаимодействието на индуцирания ток с магнитното поле и насочени в посока, обратна на движението .

Правилото на Ленц е илюстрирано на фигурата. Ако постоянен магнит се премести в намотка, затворена за галванометър, индуцираният ток в намотката ще има посока, която ще създаде магнитно поле с вектор $B"$, насочен противоположно на вектора на индукция на полето на магнита $B$, т.е. ще изтласка магнита от намотката или ще попречи на неговото движение. Когато магнитът се извади от намотката, напротив, полето, създадено от индукционния ток, ще привлече намотката, т.е. отново ще попречи на нейното движение.

За да приложите правилото на Ленц за определяне на посоката на индуцирания ток $I_e$ във веригата, трябва да следвате тези препоръки.

1. Задайте посоката на линиите на магнитна индукция $B↖(→)$ на външното магнитно поле.
2. Разберете дали потокът на магнитната индукция на това поле през повърхността, ограничена от контура ($∆Ф > 0$), се увеличава или намалява ($∆Ф
3. Задайте посоката на линиите на магнитната индукция $В"↖(→)$ на магнитното поле на индуцирания ток $I_i$. Тези линии трябва да бъдат насочени, съгласно правилото на Ленц, противоположно на линиите $В↖(→)$ , ако $∆Ф > 0$, и имат същата посока като тях, ако $∆Ф
4. Като знаете посоката на линиите на магнитната индукция $B"↖(→)$, определете посоката на индукционния ток $I_i$, като използвате gimlet rule.

Формули на електричеството и магнетизма. Изучаването на основите на електродинамиката традиционно започва с електрическо поле във вакуум. За да изчислите силата на взаимодействие между два точкови заряда и да изчислите силата на електрическото поле, създадено от точков заряд, трябва да можете да приложите закона на Кулон. За изчисляване на напрегнатостта на полето, създадено от разширени заряди (заредена нишка, равнина и т.н.), се използва теоремата на Гаус. За система от електрически заряди е необходимо да се приложи принципът

При изучаване на темата „Постоянен ток" е необходимо да се разгледат законите на Ом и Джаул-Ленц във всички форми. При изучаване на „Магнетизъм" е необходимо да се има предвид, че магнитното поле се генерира от движещи се заряди и действа върху движещи се заряди. Тук трябва да обърнете внимание на закона на Biot-Savart-Laplace. Особено внимание трябва да се обърне на силата на Лоренц и да се разгледа движението на заредена частица в магнитно поле.

Електрическите и магнитните явления са свързани от специална форма на съществуване на материята - електромагнитното поле. Основата на теорията за електромагнитното поле е теорията на Максуел.

Таблица на основните формули на електричеството и магнетизма

Физически закони, формули, променливи	Формули за електричество и магнетизъм
Закон на Кулон: Където q 1 и q 2 - стойности на точковите заряди,ԑ 1 - електрическа константа; ε - диелектрична константа на изотропна среда (за вакуум ε = 1), r е разстоянието между зарядите.
Сила на електрическото поле: където Ḟ - сила, действаща върху заряда q 0 , разположен в дадена точка на полето.
Сила на полето на разстояние r от източника на поле: 1) точков заряд 2) безкрайно дълга заредена нишка с линейна плътност на заряда τ: 3) равномерно заредена безкрайна равнина с повърхностна плътност на заряда σ: 4) между две противоположно заредени равнини
Потенциал на електрическото поле: където W е потенциалната енергия на заряда q 0 .
Потенциал на полето на точков заряд на разстояние r от заряда:
Според принципа на суперпозицията на полето напрежението:
потенциал: където Ē i и ϕ i- напрежение и потенциал в дадена точка на полето, създадено от i-тия заряд.
Работата, извършена от силите на електрическото поле за преместване на заряд q от точка с потенциалϕ 1 до точка с потенциалϕ 2:
Връзката между напрежение и потенциал 1) за неравномерно поле: 2) за еднородно поле:
Електрически капацитет на отделен проводник:
Капацитет на кондензатора:
Електрически капацитет на плосък кондензатор: където S е площта на плочата (една) на кондензатора, d е разстоянието между плочите.
Енергия на зареден кондензатор:
Текуща сила:
Плътност на тока: където S е площта на напречното сечение на проводника.
Съпротивление на проводника: l е дължината на проводника; S е площта на напречното сечение.
Закон на Ом 1) за хомогенен участък от веригата: 2) в диференциална форма: 3) за част от веригата, съдържаща ЕМП: Където ε е ЕДС на източника на ток, R и r - външно и вътрешно съпротивление на веригата; 4) за затворена верига:
Закон на Джаул-Ленц 1) за хомогенна секция на DC верига: където Q е количеството топлина, отделена в проводника с ток, t - време на преминаване на тока; 2) за участък от верига с ток, вариращ във времето:
Текуща мощност:
Връзка между магнитната индукция и силата на магнитното поле: където B е векторът на магнитната индукция, μ √ магнитна проницаемост на изотропна среда (за вакуум μ = 1), µ 0 - магнитна константа, H - силата на магнитното поле.
Магнитна индукция(индукция на магнитно поле): 1) в центъра на кръговия ток където R е радиусът на кръговия ток, 2) полета на безкрайно дълъг прав ток където r е най-късото разстояние до оста на проводника; 3) полето, създадено от парче проводник, по който протича ток където ɑ 1 и ɑ 2 - ъгли между сегмента на проводника и линията, свързваща краищата на сегмента и точката на полето; 4) полета на безкрайно дълъг соленоид където n е броят на навивките на единица дължина на соленоида.

През последните 50 години всички клонове на науката напреднаха бързо. Но след като прочете много списания за природата на магнетизма и гравитацията, човек може да стигне до заключението, че човек има още повече въпроси от преди.

Природата на магнетизма и гравитацията

За всички е очевидно и ясно, че изхвърлените предмети бързо падат на земята. Какво ги привлича? Спокойно можем да предположим, че те са привлечени от някакви неизвестни сили. Същите тези сили се наричат ​​естествена гравитация. След това всеки заинтересован е изправен пред много спорове, предположения, предположения и въпроси. Каква е природата на магнетизма? Какви са те В резултат на какво влияние се образуват? Каква е тяхната същност и честота? Как влияят върху околната среда и всеки човек поотделно? Как този феномен може да бъде рационално използван в полза на цивилизацията?

Концепция за магнетизъм

В началото на деветнадесети век физикът Ерстед Ханс Кристиан открива магнитното поле на електрическия ток. Това даде възможност да се предположи, че природата на магнетизма е тясно свързана с електрическия ток, който се образува във всеки от съществуващите атоми. Възниква въпросът: какви явления могат да обяснят природата на земния магнетизъм?

Днес е установено, че магнитните полета в магнетизираните обекти се генерират в по-голяма степен от електрони, които непрекъснато се въртят около своята ос и около ядрото на съществуващ атом.

Отдавна е установено, че хаотичното движение на електрони е истински електрически ток и неговото преминаване провокира генерирането на магнитно поле. За да обобщим тази част, можем спокойно да кажем, че електроните, поради своето хаотично движение в атомите, генерират вътрешноатомни токове, които от своя страна допринасят за генерирането на магнитно поле.

Но каква е причината за това, че в различните материи магнитното поле има значителни разлики в собствената си величина, както и различни сили на намагнитване? Това се дължи на факта, че осите и орбитите на движение на независими електрони в атомите могат да бъдат в различни позиции една спрямо друга. Това води до факта, че магнитните полета, произведени от движещи се електрони, са разположени в подходящи позиции.

По този начин трябва да се отбележи, че средата, в която се генерира магнитното поле, има пряко въздействие върху него, увеличавайки или отслабвайки самото поле.

Полето, което отслабва полученото поле, се нарича диамагнитно, а материалите, които много слабо усилват магнитното поле, се наричат ​​парамагнитни.

Магнитни свойства на веществата

Трябва да се отбележи, че природата на магнетизма се генерира не само от електрически ток, но и от постоянни магнити.

Постоянните магнити могат да бъдат направени от малък брой вещества на Земята. Но си струва да се отбележи, че всички обекти, които ще бъдат в радиуса на магнитното поле, ще бъдат намагнетизирани и ще станат незабавни.След като анализираме горното, си струва да добавим, че векторът на магнитната индукция в присъствието на вещество се различава от вакуумния магнитен индукционен вектор.

Хипотезата на Ампер за природата на магнетизма

Причинно-следствената връзка, в резултат на която е установена връзката между притежаването на магнитни свойства от телата, е открита от изключителния френски учен Андре-Мари Ампер. Но каква е хипотезата на Ампер за природата на магнетизма?

Историята започна благодарение на силното впечатление от видяното от учения. Той беше свидетел на изследванията на Ørsted Lmyer, който смело предположи, че причината за земния магнетизъм са течения, които редовно преминават вътре в земното кълбо. Направен е основен и най-значим принос: магнитните свойства на телата могат да бъдат обяснени с непрекъснатата циркулация на токове в тях. След това Ампер излага следното заключение: магнитните характеристики на всяко съществуващо тяло се определят от затворена верига от електрически токове, протичащи вътре в тях. Изявлението на физика беше смел и смел акт, тъй като той зачеркна всички предишни открития, обяснявайки магнитните свойства на телата.

Движение на електрони и електрически ток

Хипотезата на Ампер гласи, че във всеки атом и молекула съществува елементарен и циркулиращ заряд на електрически ток. Заслужава да се отбележи, че днес вече знаем, че тези токове се образуват в резултат на хаотичното и непрекъснато движение на електрони в атомите. Ако посочените равнини са разположени произволно една спрямо друга поради термичното движение на молекулите, тогава техните процеси са взаимно компенсирани и нямат абсолютно никакви магнитни свойства. И в магнетизиран обект най-простите токове са насочени към гарантиране, че техните действия са координирани.

Хипотезата на Ампер е в състояние да обясни защо магнитните стрелки и рамки с електрически ток в магнитно поле се държат идентично една спрямо друга. Стрелката от своя страна трябва да се разглежда като комплекс от малки вериги с ток, които са насочени еднакво.

Специална група, в която магнитното поле е значително засилено, се нарича феромагнитна. Тези материали включват желязо, никел, кобалт и гадолиний (и техните сплави).

Но как можем да обясним природата на магнетизма?Постоянните полета се образуват от феромагнетици не само в резултат на движението на електрони, но и в резултат на тяхното собствено хаотично движение.

Моментът на импулса (неговият собствен момент на въртене) придоби името - спин. Електроните се въртят около оста си през цялото си съществуване и, имайки заряд, генерират магнитно поле заедно с полето, образувано в резултат на орбиталното им движение около ядрата.

Температура на Мария Кюри

Температурата, над която феромагнитното вещество губи магнетизацията си, получи специфичното си име - температура на Кюри. Все пак френски учен с това име е направил това откритие. Той стигна до извода: ако нагреете значително магнетизиран предмет, той ще загуби способността си да привлича предмети, изработени от желязо.

Феромагнетици и тяхното използване

Въпреки факта, че в света няма много феромагнитни тела, техните магнитни свойства са от голямо практическо приложение и значение. Сърцевината в бобината, изработена от желязо или стомана, умножава магнитното поле, без да превишава консумацията на ток в бобината. Това явление значително помага за пестене на енергия. Ядрата са направени изключително от феромагнитни материали и няма значение за каква цел ще се използва тази част.

Магнитен метод за запис на информация

Феромагнитните материали се използват за производството на първокласни магнитни ленти и миниатюрни магнитни филми. Магнитните ленти се използват широко в областта на звукозаписа и видеозаписа.

Магнитната лента е пластмасова основа, състояща се от поливинилхлорид или други компоненти. Върху него се нанася слой, представляващ магнитен лак, който се състои от множество много малки игловидни частици от желязо или друг феромагнитен материал.

Процесът на звукозапис се извършва на лента, поради което полето претърпява промени във времето поради звукови вибрации. В резултат на движението на лентата в близост до магнитната глава, всеки участък от филма е обект на намагнитване.

Природата на гравитацията и нейните концепции

Струва си да се отбележи преди всичко, че гравитацията и нейните сили се съдържат в закона за всемирното притегляне, който гласи, че: две материални точки се привличат една друга със сила, право пропорционална на произведението на техните маси и обратно пропорционална на квадрата на разстояние между тях.

Съвременната наука започна да разглежда понятието гравитационна сила малко по-различно и го обяснява като действието на гравитационното поле на самата Земя, чийто произход, за съжаление, все още не е установен от учените.

Обобщавайки всичко по-горе, бих искал да отбележа, че всичко в нашия свят е тясно свързано и няма съществена разлика между гравитацията и магнетизма. В крайна сметка гравитацията има същия магнетизъм, но не в голяма степен. На Земята не можете да отделите обект от природата - магнетизмът и гравитацията са нарушени, което в бъдеще може значително да усложни живота на цивилизацията. Човек трябва да бере плодовете на научните открития на велики учени и да се стреми към нови постижения, но всички данни трябва да се използват рационално, без да причиняват вреда на природата и човечеството.

Съдържа теоретичен материал по раздела "Магнетизъм" на дисциплината "Физика".

Предназначен за подпомагане на студенти от технически специалности от всички форми на обучение при самостоятелна работа, както и при подготовка за упражнения, колоквиуми и изпити.

© Андреев A.D., Chernykh L.M., 2009

 Държавна образователна институция за висше професионално образование „Санкт-Петербургски държавен университет по телекомуникации на името на. проф. М. А. Бонч-Бруевич", 2009 г

ВЪВЕДЕНИЕ

През 1820 г. Ханс Кристиан Ерстед, професор в университета в Копенхаген, изнася лекции по електричество, галванизъм и магнетизъм. По това време електричеството се наричаше електростатика, галванизъм беше името, дадено на явления, причинени от постоянен ток, получен от батерии, магнетизмът беше свързан с известните свойства на железните руди, със стрелката на компаса, с магнитното поле на Земята.

В търсене на връзка между галванизма и магнетизма, Ерстед експериментира с преминаване на ток през жица, окачена над стрелка на компас. При пускане на тока стрелката се отклонява от меридионалната посока. Ако посоката на течението се промени или стрелката се постави над течението, то се отклони в другата посока от меридиана.

Откритието на Ерстед беше мощен стимул за по-нататъшни изследвания и открития. Мина малко време и Ампер, Фарадей и други извършиха пълно и точно изследване на магнитното действие на електрическия ток. Откриването на феномена на електромагнитната индукция от Фарадей се случи 12 години след експеримента на Ерстед. Въз основа на тези експериментални открития е изградена класическата теория на електромагнетизма. Максуел му придава окончателна форма и математическа форма, а Херц брилянтно го потвърждава през 1888 г., като експериментално доказва съществуването на електромагнитни вълни.

1. МАГНИТНО ПОЛЕ ВЪВ ВАКУУМ

1.1. Взаимодействие на токовете. Магнитна индукция

Електрическите токове взаимодействат помежду си. Както показва опитът, два прави паралелни проводника, през които протичат токове, се привличат, ако токовете в тях имат еднаква посока, и се отблъскват, ако токовете са противоположни по посока (фиг. 1). Освен това силата на тяхното взаимодействие на единица дължина на проводника е право пропорционална на силата на тока във всеки от проводниците и обратно пропорционална на разстоянието между тях. Законът за взаимодействие на токовете е установен експериментално от Андре Мари Ампер през 1820 г.

В металите общият заряд на положително заредената йонна решетка и отрицателно заредените свободни електрони е нула. Зарядите се разпределят равномерно в проводника. Следователно около проводника няма електрическо поле. Ето защо проводниците не взаимодействат помежду си при липса на ток.

Но при наличие на ток (подредено движение на свободни носители на заряд) между проводниците възниква взаимодействие, което обикновено се нарича магнитно.

В съвременната физика магнитното взаимодействие на токовете се тълкува като релативистичен ефект, който възниква в референтна система, спрямо която се извършва подреденото движение на зарядите. В този урок ще използваме концепцията за магнитно поле като свойство на пространството около електрически ток. Съществуването на магнитно поле на ток се проявява при взаимодействие с други проводници с ток (закон на Ампер), или при взаимодействие с движеща се заредена частица (сила на Лоренц, подраздел 2.1), или при отклонение на магнитна стрелка, поставена близо до проводник с ток (опит на Ерстед).

За да характеризираме магнитното поле на тока, въвеждаме концепцията за вектора на магнитната индукция. За това, подобно на начина, по който беше използвана концепцията за тестов точков заряд при определяне на характеристиките на електростатичното поле, при въвеждането на вектора на магнитната индукция ще използваме тестова верига с ток. Нека е плоско затворено контур с произволна форма и малък размер. Толкова малък, че в точките, където се намира, магнитното поле може да се счита за същото. Ориентацията на контура в пространството ще се характеризира с нормалния вектор към контура, свързан с посоката на тока в него по правилото на десния винт (гимлет): когато дръжката на гимлета се завърти в посока на токът (фиг. 2), транслационното движение на върха на гимлета определя посоката на единичния нормален вектор към равнината на контура.

х характеристика на изпитвателната верига е нейният магнитен момент, където с– площ на изпитвателната верига.

д Ако поставите тестова верига с ток в избрана точка до постоянния ток, токовете ще взаимодействат. В този случай тестовата верига с ток ще бъде засегната от въртящия момент на двойка сили М(фиг. 3). Големината на този момент, както показва опитът, зависи от свойствата на полето в дадена точка (веригата е малка по размер) и от свойствата на веригата (нейния магнитен момент).

На фиг. 4, което е напречно сечение на фиг. 3 хоризонтална равнина, показва няколко позиции на изпитвателната верига с ток в постояннотоково магнитно поле аз. Точката в кръга показва посоката на течението към наблюдателя. Кръстът показва посоката на течението зад модела. Позиция 1 съответства на стабилно равновесие на веригата ( М= 0), когато силите го разтягат. Позиция 2 съответства на нестабилно равновесие ( М= 0). В позиция 3 тестовата верига с ток е обект на максимален въртящ момент. В зависимост от ориентацията на веригата, големината на въртящия момент може да приеме произволна стойност от нула до максимум. Както показва опитът, във всяка точка, т.е. максималната стойност на механичния момент на двойка сили зависи от големината на магнитния момент на тестовата верига и не може да служи като характеристика на магнитното поле в изследваната точка. Съотношението на максималния механичен момент на двойка сили към магнитния момент на изпитвателната верига не зависи от последния и може да служи като характеристика на магнитното поле. Тази характеристика се нарича магнитна индукция (индукция на магнитно поле)

IN ние го третираме като векторно количество. За посока на вектора на магнитната индукция ще приемем посоката на магнитния момент на тестовата верига с ток, поставена в изследваната точка на полето, в положение на устойчиво равновесие (позиция 1 на фиг. 4). Тази посока съвпада с посоката на северния край на поставената в тази точка магнитна стрелка. От горното следва, че той характеризира силовото действие на магнитното поле върху тока и следователно е аналог на силата на полето в електростатиката. Векторното поле може да бъде представено с помощта на линии на магнитна индукция. Във всяка точка от правата векторът е насочен допирателно към нея. Тъй като векторът на магнитната индукция във всяка точка на полето има определена посока, тогава посоката на линията на магнитна индукция е уникална във всяка точка на полето. Следователно линиите на магнитната индукция, както и линиите на електрическото поле, не се пресичат. На фиг. Фигура 5 показва няколко индукционни линии на магнитно поле на постоянен ток, изобразени в равнина, перпендикулярна на тока. Те имат формата на затворени кръгове с центрове върху текущата ос.

Трябва да се отбележи, че линиите на магнитното поле винаги са затворени. Това е отличителна черта на вихровото поле, при което потокът на вектора на магнитната индукция през произволна затворена повърхност е нула (теорема на Гаус в магнетизма).

1.2. Закон на Био-Савар-Лаплас.
Принципът на суперпозицията в магнетизма

Biot и Savard провеждат изследване през 1820 г. на магнитните полета на токове с различни форми. Те откриха, че магнитната индукция във всички случаи е пропорционална на силата на тока, създаващ магнитното поле. Лаплас анализира експерименталните данни, получени от Био и Савар, и установи, че магнитното поле на тока азна всяка конфигурация може да се изчисли като векторна сума (суперпозиция) на полетата, създадени от отделни елементарни секции на тока.

д Дължината на всеки участък от течението е толкова малка, че може да се счита за прав сегмент, разстоянието от което до точката на наблюдение е много по-голямо. Удобно е да се въведе понятието токов елемент, където посоката на вектора съвпада с посоката на тока аз, а модулът му е равен на (фиг. 6).

Да индуцира магнитно поле, създадено от токов елемент в точка, разположена на разстояние rот него (фиг. 6) Лаплас извежда формула, валидна за вакуума:

. (1.1)

Формулата на закона на Био – Савар – Лаплас (1.1) е записана в системата SI, в която константата наречена магнитна константа.

Вече беше отбелязано, че в магнетизма, както и в електричеството, се прилага принципът на суперпозиция на полето, т.е. индукцията на магнитно поле, създадено от система от токове в дадена точка в пространството, е равна на векторната сума на индукциите на магнитни полета, създадени в тази точка от всеки от токовете поотделно:

н и фиг. Фигура 7 показва пример за конструиране на вектор на магнитна индукция в полето на два паралелни и противоположни тока и:

1.3. Приложение на закона на Био-Савар-Лаплас.
Постоянно магнитно поле

Нека разгледаме сегмент от постоянен ток. Токовият елемент създава магнитно поле, чиято индукция в точка А(фиг. 8) съгласно закона на Био-Савар-Лаплас се намира по формулата:

, (1.3)

Магнетизмът се изучава от древни времена и през последните два века се превърна в основата на съвременната цивилизация.

Алексей Левин

Човечеството е събирало знания за магнитните явления от най-малко три и половина хиляди години (първите наблюдения на електрическите сили са извършени хиляда години по-късно). Преди четиристотин години, в зората на физиката, магнитните свойства на веществата са били отделени от електрическите, след което дълго време и двете са били изучавани независимо. Така беше създадена експериментална и теоретична база, която до средата на 19 век стана основата на единна теория за електромагнитните явления.Най-вероятно необичайните свойства на естествения минерал магнетит (магнитна желязна руда, Fe3O4) са били известни в Месопотамия през бронзовата епоха. И след появата на желязната металургия беше невъзможно да не забележим, че магнетитът привлича железни продукти. Бащата на гръцката философия, Талес от Милет (приблизително 640−546 г. пр. н. е.), вече мисли за причините за такова привличане, който го обяснява със специалната анимация на този минерал (Талес също знаеше, че кехлибарът, натрит върху вълна, привлича сухи листа и малки трески и затова го дарява с духовна сила). По-късно гръцките мислители говорят за невидими пари, които обгръщат магнетит и желязо и ги привличат един към друг. Не е изненадващо, че самата дума "магнит" също има гръцки корени. Най-вероятно това се връща към името на Магнезия-и-Сипила, град в Мала Азия, близо до който се намира магнетитът. Гръцкият поет Никандър споменава овчаря Магнис, който се озовал до скала, която дърпала към себе си железния връх на тоягата му, но това най-вероятно е само красива легенда.

Древен Китай също се е интересувал от естествените магнити. Способността на магнетита да привлича желязо се споменава в трактата „Пролетни и есенни записи на майстор Лиу“, датиращ от 240 г. пр.н.е. Век по-късно китайците забелязват, че магнетитът не влияе нито върху медта, нито върху керамиката. През VII-VIII век. /bm9icg===>ekah разбраха, че свободно окачена намагнетизирана желязна игла се обръща към Полярната звезда. В резултат на това през втората половина на 11 век в Китай се появиха истински морски компаси, които европейските моряци усвоиха сто години по-късно. Приблизително по същото време китайците открили, че магнетизираната игла сочи на изток от северната посока и по този начин открили магнитната деклинация, далеч пред европейските мореплаватели по този въпрос, които стигнали до това заключение едва през 15 век.

Малки магнитчета

Във феромагнетика присъщите магнитни моменти на атомите са подредени успоредно (енергията на тази ориентация е минимална). В резултат на това се образуват магнетизирани области, домейни - микроскопични (10−4-10−6 m) постоянни магнити, разделени от доменни стени. При липса на външно магнитно поле, магнитните моменти на домейните са произволно ориентирани във феромагнетика; във външното поле границите започват да се изместват, така че домейни с моменти, успоредни на полето, изместват всички останали - феромагнетикът е намагнетизиран .

Раждането на науката за магнетизма

Първото описание на свойствата на естествените магнити в Европа е направено от французина Пиер дьо Марикур. През 1269 г. той служи в армията на крал Карл Анжуйски от Сицилия, която обсажда италианския град Лучера. Оттам той изпраща документ на свой приятел в Пикардия, останал в историята на науката като „Писмо за магнита“ (Epistola de Magnete), където говори за експериментите си с магнитна желязна руда. Maricourt забеляза, че във всяко парче магнетит има две области, които са особено силни в привличането на желязо. Той видя паралел между тези зони и полюсите на небесната сфера и заимства имената им за зоните на максимална магнитна сила - поради което сега говорим за северния и южния магнитни полюси. Ако счупите парче магнетит на две, пише Maricourt, всеки фрагмент ще има свои собствени полюси. Maricourt не само потвърди, че както привличането, така и отблъскването възникват между парчета магнетит (това вече беше известно), но за първи път свързва този ефект с взаимодействието между противоположните (север и юг) или подобни полюси.

Много историци на науката смятат Maricourt за безспорен пионер на европейската експериментална наука. Във всеки случай бележките му за магнетизма се разпространяват в десетки списъци, а след появата на печата са публикувани като отделна брошура. Те са цитирани с уважение от много натуралисти до 17 век. Тази работа е била добре известна на английския натуралист и лекар (лекар на кралица Елизабет и нейния наследник Джеймс I) Уилям Гилбърт, който през 1600 г. публикува (както се очакваше, на латински) чудесен труд „За магнита, магнитните тела и големия магнит - Земята " В тази книга Гилбърт не само предоставя почти цялата известна информация за свойствата на естествените магнити и магнетизираното желязо, но също така описва собствените си експерименти с магнетитна топка, с помощта на която възпроизвежда основните характеристики на земния магнетизъм. Например той откри, че и на двата магнитни полюса на такава „малка Земя“ (на латински terrella) стрелката на компаса е разположена перпендикулярно на нейната повърхност, на екватора - успоредно, а на средните ширини - в междинно положение. Така Хилберт моделира магнитното наклоняване, чието съществуване е било известно в Европа повече от половин век (през 1544 г. това явление е описано за първи път от Нюрнбергския механик Георг Хартман).

Революция в навигацията. Компасът направи истинска революция в морската навигация, правейки глобалното пътуване не изолирани случаи, а позната, редовна рутина.

Гилбърт също възпроизвежда геомагнитната деклинация на своя модел, която той приписва на несъвършено гладката повърхност на топката (и следователно в планетарен мащаб обяснява този ефект с привличането на континентите). Той откри, че силно нагрятото желязо губи своите магнитни свойства, но когато се охлади, те се възстановяват. И накрая, Гилбърт беше първият, който направи ясно разграничение между привличането на магнит и привличането на търкан кехлибар, което той нарече електрическа сила (от латинското наименование на кехлибар, electrum). Като цяло това беше изключително новаторска работа, оценена както от съвременници, така и от потомци. Изявлението на Гилбърт, че Земята трябва да се счита за „голям магнит“, стана второто фундаментално научно заключение за физическите свойства на нашата планета (първото беше откритието на нейната сферична форма, направено в древността).

Два века прекъсват

След Гилбърт науката за магнетизма постигна много малък напредък до началото на 19 век. Свършеното през това време може буквално да се брои на пръсти. През 1640 г. ученикът на Галилей Бенедето Кастели обяснява привличането на магнетита с наличието на много миниатюрни магнитни частици в състава му - първото и много несъвършено предположение, че природата на магнетизма трябва да се търси на атомно ниво. Холандецът Себалд Бругманс забелязва през 1778 г., че бисмутът и антимонът се отблъскват от полюсите на магнитна стрелка - това е първият пример за физическо явление, което Фарадей нарича диамагнетизъм 67 години по-късно. През 1785 г. Шарл-Огюстен Кулон, използвайки прецизни измервания на торсионна везна, показа, че силата на взаимодействие между магнитните полюси е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях - точно както силата на взаимодействие между електрическите заряди (през 1750 г. англичанинът Джон Мишел стига до подобно заключение, но заключението на Кулон е много по-надеждно).

Но изучаването на електричеството през онези години се движеше със скокове и граници. Не е трудно да се обясни. Естествените магнити остават единствените основни източници на магнитна сила - науката не познава други. Тяхната мощност е стабилна, не може да бъде променяна (освен може би унищожена от топлина), още по-малко генерирана по желание. Ясно е, че това обстоятелство силно ограничаваше възможностите на експериментаторите.

Електричеството беше в много по-изгодна позиция - защото можеше да се приема и съхранява. Първият генератор на статичен заряд е построен през 1663 г. от бургомистъра на Магдебург Ото фон Герике (известните магдебургски полукълба също са негово дете). Един век по-късно подобни генератори станаха толкова широко разпространени, че дори бяха демонстрирани на приеми във висшето общество. През 1744 г. германецът Евалд Георг фон Клайст и малко по-късно холандецът Питер ван Мушенбрук изобретяват Лайденския буркан - първия електрически кондензатор; По същото време се появяват и първите електромери. В резултат на това до края на 18 век науката знае много повече за електричеството, отколкото в началото. Но същото не може да се каже за магнетизма.

И тогава всичко се промени. През 1800 г. Алесандро Волта изобретява първия химически източник на електрически ток, волтовата батерия, известна още като волтова клетка. След това откриването на връзката между електричеството и магнетизма беше въпрос на време. Можеше да се случи още през следващата година, когато френският химик Никола Готеро забеляза, че два успоредни проводника, по които тече ток, се привличат един към друг. Но нито той, нито великият Лаплас, нито прекрасният експериментален физик Жан-Батист Био, който по-късно наблюдава това явление, не му придават никакво значение. Следователно приоритетът с право беше даден на учения, който отдавна предполагаше съществуването на такава връзка и посвети много години на нейното търсене.

От Копенхаген до Париж

Всеки е чел приказките и разказите на Ханс Кристиан Андерсен, но малцина знаят, че когато бъдещият автор на „Голият крал” и „Палечка” стига до Копенхаген като четиринадесетгодишен тийнейджър, той намира приятел и покровител в лицето на неговия двоен съименник, обикновен професор по физика и химия в университета в Копенхаген Ханс Кристиан Ерстед. И двамата прославиха страната си по целия свят.

Разнообразието от магнитни полета Ампер изследва взаимодействието между паралелни проводници, по които протича ток. Неговите идеи са развити от Фарадей, който предлага концепцията за магнитни силови линии.

От 1813 г. Оерстед съвсем съзнателно се опитва да установи връзка между електричеството и магнетизма (той е привърженик на великия философ Имануел Кант, който вярва, че всички природни сили имат вътрешно единство). Ерстед използва компаси като индикатори, но дълго време без резултат. Ерстед очакваше магнитната сила на тока да бъде успоредна на себе си и за да получи максимален въртящ момент, той постави електрическия проводник перпендикулярно на стрелката на компаса. Естествено, стрелката не реагира при пускане на тока. И едва през пролетта на 1820 г., по време на лекция, Ерстед опъва жицата успоредно на стрелата (или за да види какво ще излезе от това, или той излезе с нова хипотеза - историците на физиката все още спорят за това). И точно тук иглата се залюля - не много (Oersted имаше батерия с ниска мощност), но все пак осезаемо.

Вярно е, че голямото откритие все още не се е случило. По някаква причина Оерстед прекъсна експериментите за три месеца и се върна към тях едва през юли. И тогава той осъзна, че „магнитният ефект на електрически ток е насочен по протежение на кръговете, обхващащи този ток“. Това беше парадоксално заключение, тъй като въртящите се сили не са се появявали преди това нито в механиката, нито в който и да е друг раздел на физиката. Ørsted очерта своите открития в доклад и го представи на няколко научни списания на 21 юли. Тогава той вече не изучава електромагнетизма и щафетата премина на други учени. Първи я приеха парижаните. На 4 септември известният физик и математик Доминик Араго говори за откритието на Ерстед на заседание на Академията на науките. Неговият колега Андре-Мари Ампер решава да изследва магнитния ефект на токовете и буквално на следващия ден започва експерименти. Най-напред той повтори и потвърди експериментите на Ерстед и в началото на октомври откри, че паралелните проводници се привличат, ако през тях протичат токове в една и съща посока, и се отблъскват, ако са в противоположни посоки. Ампер изследва взаимодействието между непаралелни проводници и го представя с формула (закон на Ампер). Той също така показа, че навитите проводници, по които протича ток, се въртят в магнитно поле, като стрелка на компас (и между другото изобрети соленоид - магнитна намотка). Накрая той изложи смела хипотеза: незатихнали микроскопични паралелни кръгови токове протичат вътре в магнетизираните материали, които са причината за тяхното магнитно действие. В същото време Био и Феликс Савар съвместно идентифицираха математическа връзка, която позволява да се определи интензитетът на магнитното поле, създадено от постоянен ток (закон на Био-Савар).

За да подчертае новостта на изследваните ефекти, Ампер предлага термина „електродинамични явления“ и постоянно го използва в публикациите си. Но това все още не беше електродинамика в съвременния смисъл. Ерстед, Ампер и техните колеги са работили с постоянен ток, който създава статични магнитни сили. Физиците все още не са открили и обяснили наистина динамични, нестационарни електромагнитни процеси. Този проблем е решен през 1830-1870 г. Около дузина изследователи от Европа (включително Русия - спомнете си правилото на Ленц) и САЩ имаха пръст в това. Основната заслуга обаче несъмнено принадлежи на двама титани на британската наука - Фарадей и Максуел.

Лондонски тандем

За Майкъл Фарадей 1821 г. е наистина съдбовна година. Той получава желаната позиция на суперинтендант на Кралския институт в Лондон и почти случайно започва изследователска програма, която му печели уникално място в историята на световната наука.

Магнитни и не толкова. Различните вещества се държат различно във външно магнитно поле, което се дължи на различното поведение на собствените магнитни моменти на атомите. Най-известните са феромагнетици; има парамагнетици, антиферомагнетици и феримагнетици, както и диамагнетици, чиито атоми нямат собствени магнитни моменти (във външно поле те са слабо намагнетизирани „срещу полето“).

Случи се така. Редакторът на Annals of Philosophy Ричард Филипс покани Фарадей да напише критичен преглед на нови трудове за магнитното действие на тока. Фарадей не само последва този съвет и публикува „Историческа скица на електромагнетизма“, но започна собствено изследване, което продължи много години. Първо, подобно на Ампер, той повтори експеримента на Ерстед и след това продължи напред. До края на 1821 г. той прави устройство, при което проводник с ток се върти около магнитна лента, а друг магнит се върти около втори проводник. Фарадей предположи, че както магнитът, така и живият проводник са заобиколени от концентрични силови линии, силови линии, които определят механичното им действие. Това вече беше зародишът на концепцията за магнитно поле, въпреки че самият Фарадей не използваше такъв термин.

Първоначално той смята линиите на полето за удобен метод за описване на наблюдения, но с течение на времето се убеждава в тяхната физическа реалност (особено след като открива начин да ги наблюдава с помощта на железни стружки, разпръснати между магнитите). До края на 30-те години на 18 век той ясно осъзнава, че енергията, чийто източник са постоянни магнити и живи проводници, се разпределя в пространството, изпълнено със силови линии. Всъщност Фарадей вече мисли в полеви теоретични термини, в които значително изпреварва своите съвременници.

Но основното му откритие беше друго. През август 1831 г. Фарадей успява да накара магнетизма да генерира електрически ток. Устройството му се състоеше от железен пръстен с две противоположни намотки. Една от спиралите може да бъде свързана към електрическа батерия, другата е свързана към проводник, разположен над магнитния компас. Стрелката не променя позицията си, ако през първата намотка тече постоянен ток, но се люлее, когато се включва и изключва. Фарадей разбра, че по това време във втората намотка възникват електрически импулси, причинени от появата или изчезването на магнитни силови линии. С други думи, той откри, че електродвижещата сила се причинява от промени в магнитното поле. Този ефект е открит и от американския физик Джоузеф Хенри, но той публикува резултатите си по-късно от Фарадей и не прави толкова сериозни теоретични заключения.

Електромагнитите и соленоидите са в основата на много технологии, без които е невъзможно да си представим съвременната цивилизация: от електрически генератори, електрически двигатели, трансформатори до радиокомуникации и като цяло почти цялата съвременна електроника.

Към края на живота си Фарадей стига до заключението, че новите знания за електромагнетизма се нуждаят от математическа формулировка. Той решава, че тази задача ще бъде на Джеймс Клерк Максуел, млад професор в Marischal College в шотландския град Абърдийн, за което той му пише през ноември 1857 г. И Максуел наистина обедини всички тогавашни знания за електромагнетизма в една единствена математическа теория. Тази работа до голяма степен е завършена през първата половина на 1860-те, когато той става професор по естествена философия в Кралския колеж в Лондон. Концепцията за електромагнитно поле се появява за първи път през 1864 г. в мемоари, представени на Кралското общество в Лондон. Максуел въвежда този термин, за да обозначи „тази част от пространството, която съдържа и заобикаля тела в електрическо или магнитно състояние“ и специално подчертава, че това пространство може да бъде празно или изпълнено с всякакъв вид материя.

Основният резултат от работата на Максуел е система от уравнения, свързващи електромагнитни явления. В своя Трактат за електричеството и магнетизма, публикуван през 1873 г., той ги нарича общи уравнения на електромагнитното поле, а днес те се наричат ​​уравнения на Максуел. По-късно те бяха обобщени повече от веднъж (например, за да опишат електромагнитни явления в различни медии), а също и пренаписани с помощта на все по-усъвършенстван математически формализъм. Максуел също показа, че тези уравнения допускат решения, включващи незатихващи напречни вълни, от които видимата светлина е специален случай.

Теорията на Максуел въвежда магнетизма като специален вид взаимодействие между електрическите токове. Квантовата физика на 20-ти век добави само две нови точки към тази картина. Сега знаем, че електромагнитните взаимодействия се пренасят от фотони и че електроните и много други елементарни частици имат свои собствени магнитни моменти. Цялата експериментална и теоретична работа в областта на магнетизма е изградена върху тази основа.