1. Что такое магнетизм?
2. Что такое магнитное поле?
3. Как мы можем измерить магнетизм?
4. Что такое электромагнит?
5. Для чего нужны магниты?
6. Какие материалы являются магнитными?
7. Как разные материалы реагируют на магнетизм
8. парамагнитный
9. ферромагнитный
10. диамагнитный
11. Что вызывает магнетизм?
12. Объяснение магнетизма с помощью теории предметной области
13. Объясняя магнетизм с атомной теории
14. Краткая история магнетизма

от Крис Вудфорд , Последнее обновление: 26 сентября 2018 г.

Наука - это наше понимание того, как устроен мир, и в целом мир работает хорошо, понимаем мы это или нет. Взять, к примеру, магнетизм . Люди знали о магнитах в течение тысяч лет, и они использовали их практически, как компасы, почти так же долго. Древние греки и римляне знали так же хорошо, как мы знаем, что магний (богатый железом минерал) может привлекать другие куски железа, в то время как древние китайцы изготавливали магнитные компасы, установленные в замысловатых деревянных вставках, для своей практики фэн-шуй (искусство фэн-шуй). тщательно обустроить комнату) за тысячи лет до того, как дизайнеры интерьера вышли на борт. Наука иногда может быть медленной, чтобы наверстать упущенное: мы действительно узнали, как работает магнетизм в прошлом веке, так как мир внутри атомов был впервые обнаружен и исследован.

Фото: типичный подковообразный магнит. Видите след коричневой ржавчины на верхней части «ножки» магнита? Это происходит потому, что магнит сделан из железа, которое разъедает (ржавеет) во влажном воздухе.

Что такое магнетизм?

Фото: магнитное поле между противоположными полюсами двух стержневых магнитов, которые сильно притягивают друг друга. Мы не можем нормально видеть магнитные поля, но если вы окропите железо опилки (крошечные кусочки сбрили железную планку с напильником) на лист бумаги и держите его над магнитами, под которыми вы можете видеть поле. Фото любезно предоставлено Wikimedia Commons (где вы найдете увеличенную версию этого изображения).

Игра с магнитами является одним из первых кусочков науки, которые открывают большинство детей. Это потому, что магниты просты в использовании, безопасны и забавны. Они также довольно удивительны. Помните, когда вы впервые обнаружили, что два магнита могут слипаться и склеиваться, как клей? Помните силу, когда вы держали два магнита рядом и чувствовали, что они либо притягиваются (притягиваются друг к другу), либо отталкиваются (отталкиваются)? Одна из самых удивительных вещей в магнитах - это то, как они могут притягивать другие магниты (или другие магнитные материалы) «на расстоянии», невидимо, через то, что мы называем магнитным полем .

Древним людям магнетизм должен был казаться магией. Через тысячи лет мы понимаем, что происходит внутри магнитных материалов, как их атомное структура вызывает их магнитные свойства, и как электричество и магнетизм - это всего лишь две стороны одной медали: электромагнетизм . Однажды ученые сказали бы, что магнетизм - это странная, невидимая сила притяжения между некоторыми материалами; сегодня мы с большей вероятностью определяем ее как силу, создаваемую электрическими токами (сами по себе вызываемыми движущимися электронами).

Что такое магнитное поле?

Фото: красочный способ визуализации невидимых магнитных полей с помощью компьютерная графика Программа разработана в Лос-Аламосской национальной лаборатории. На этой трехмерной диаграмме высота и цвет пиков показывают напряженность магнитного поля в каждой точке. Фото любезно предоставлено Министерство энергетики США ,

Предположим, вы кладете на стол стержневой магнит (в форме прямоугольника, иногда с северным и южным полюсами, окрашенными в разные цвета) или подковообразный магнит (изогнутый в плотную U-образную форму) и кладете рядом железный гвоздь. Если медленно подтолкнуть магнит к ногтю, наступит момент, когда гвоздь перепрыгнет и прилипнет к магниту. Это то, что мы подразумеваем под магнитами, имеющими невидимое магнитное поле, которое распространяется вокруг них. Другой способ описать это - сказать, что магнит может «действовать на расстоянии»: он может вызывать толкающую или растягивающую силу на другие объекты, к которым он фактически не прикасается).

Магнитные поля могут проникать сквозь все виды материалов, а не только через воздух. У вас, вероятно, есть маленькие записки, прикрепленные к двери вашего холодильник с яркими магнитами - так что вы можете видеть, что магнитные поля прорезают бумагу. Возможно, вы сделали трюк, используя магнит, чтобы поднять длинную цепочку скрепок, при этом каждый клип намагничивает следующий. Этот небольшой эксперимент говорит нам, что магнитное поле может проникать через магнитные материалы, такие как железо ,

Как мы можем измерить магнетизм?

Сила поля вокруг магнита зависит от того, как близко вы находитесь: оно наиболее сильное в непосредственной близости от магнита и быстро падает при удалении. (Вот почему маленький магнит на вашем столе должен быть достаточно близко к вещам, чтобы привлечь их.) Мы измеряем напряженность магнитных полей в единицах, называемых гауссами и теслами (современная единица СИ, названная в честь пионера электричества в США, уроженца Хорватии Никола Тесла). , 1856–1943). Интересно отметить, что сила магнитного поля Земли очень слабая - примерно в 100–1000 раз слабее, чем у обычного стержневого магнита или магнита на холодильник. На Земле гравитация, а не магнетизм - это сила, которая удерживает вас на полу. Мы бы заметили магнетизм Земли гораздо больше, если бы ее гравитация была не очень сильной.

Диаграмма: Сравнение силы некоторых «повседневных» источников магнетизма. Обратите внимание, что вертикальная шкала является логарифмической : каждый шаг вверх по шкале означает, что напряженность магнитного поля увеличилась в десять раз. Главное, на что здесь следует обратить внимание, - насколько слабый земной магнетизм (зеленый блок в крайнем левом углу) по сравнению со всем остальным, с чем мы обычно сталкиваемся (не говоря уже о гигантских магнитах, используемых в больницах и лабораториях). Рекордное лабораторное магнитное поле, показанное справа, созданное в Японии в апреле 2018 года, примерно в 24 миллиона раз сильнее, чем магнитное поле Земли. Мои данные для этой диаграммы получены из следующих источников: Земля (goo.gl/TkxfO3), Солнце (goo.gl/8uigAU), приборы (goo.gl/P3l487), холодильник (goo.gl/OhrDKt), маленький неодим ( goo.gl/avODib), свалка (goo.gl/owWZer), МРТ (goo.gl/jQ8cTD), громкоговоритель (goo.gl/oIwNlS), самая большая МРТ (goo.gl/8zkACY), самая большая лаборатория (bit.ly) / 2zvH7On). Почти все производит магнетизм - даже наши собственные тела, которые делают что-то вроде маленького 0,000000001 тесла.

Что такое электромагнит?

Магнит Гомера Симпсона или Микки Мауса, который удерживает вещи в вашем холодильнике, является постоянным магнитом : он постоянно держит свой магнетизм. Не все магниты работают таким образом. Вы можете сделать временный магнит , передав электричество через проволочную катушку, обернутую вокруг железного гвоздя (устройство, которое вы иногда видите, называют соленоидом ). Включите ток, и гвоздь станет магнитом; выключите его снова, и магнетизм исчезнет. (Это основная идея дверной звонок электрического звонка : вы делаете электромагнит, когда нажимаете кнопку, которая натягивает молоток на колокольчик - динь-дон!) Такие временные магниты называются электромагнитами - магнитами, работающими от электричества, - и они намекают на более глубокую связь между электричеством и магнетизмом, которая мы придем через минуту.

Как и постоянные магниты, временные электромагниты бывают разных размеров и прочности. Вы можете сделать электромагнит достаточно мощным, чтобы брать скрепки с одним 1,5-вольтом. аккумулятор , Используйте намного большее напряжение, чтобы создать больший электрический ток, и вы можете создать электромагнит, достаточно мощный, чтобы поднять автомобиль. Вот так работают электромагниты свалок. Сила электромагнита зависит от двух основных факторов: размера электрического тока, который вы используете, и количества раз, когда вы наматываете провод. Увеличьте один или оба из них, и вы получите более мощный электромагнит.

Для чего нужны магниты?

Может быть, вы думаете, что магниты интересны; Может быть, вы думаете, что они скучные! Вы можете спросить, какая польза от них, кроме детских волшебных уловок и свалок?

Вы можете быть удивлены тем, сколько вещей вокруг вас работает магнетизмом или электромагнетизмом. Каждый электрический прибор с электрический двигатель в нем (все от вашего электрическая зубная щетка к вашей газонокосилке) использует магниты, чтобы превратить электричество в движение. Моторы используют электричество для создания временного магнетизма в проволочных катушках. Таким образом, создаваемое магнитное поле давит на неподвижное поле постоянного магнита, вращая внутреннюю часть двигателя с высокой скоростью. Вы можете использовать это вращательное движение, чтобы управлять всеми видами машин.

Есть магниты в вашем холодильник держа дверь закрытой. Магниты для чтения и записи данных (цифровая информация) на вашем компьютере жесткий диск и на кассетах в старомодных личных стереосистемах. Больше магнитов в вашем Hi-Fi музыкальные колонки или же наушники помочь превратить сохраненную музыку обратно в звуки ты можешь слышать. Если вы заболели серьезным внутренним заболеванием, у вас может быть тип сканирования тела, называемый ЯМР (ядерно-магнитный резонанс), который рисует мир под вашей кожей, используя структуры магнитных полей. Магниты используются для рециркулировать ваш металлический мусор ( сталь пищевые банки сильно магнитные, но алюминий банок для напитков нет, поэтому магнит - это простой способ отделить два разных металлы ).

Фото: ЯМР-сканирование, подобное этому, создает детальное изображение тела пациента (или, в данном случае, его головы) на компьютер Экран с использованием магнитной активности атомов в тканях их тела. Вы можете видеть, как пациент входит в сканер сверху, а изображение его головы на экране ниже. Фото любезно предоставлено Клиническим центром Уоррена Гранта Магнусона (CC) и Национальный институт здравоохранения США (NIH) ,

Какие материалы являются магнитными?

Железо - король магнитных материалов - металл, о котором мы все думаем, когда думаем о магнитах. Большинство других распространенных металлов (таких как медь , золото , Серебряный , а также алюминий на первый взгляд немагнитные и большинство неметаллов (включая бумага , дерево , пластик , бетон , стакан и текстиль, такой как хлопок и шерсть) тоже немагнитные. Но железо не единственный магнитный металл. никель , кобальт и элементы, которые принадлежат к части Периодической таблицы (химики упорядоченного расположения используют для описания всех известных химических элементов), известные как редкоземельные металлы (особенно самарий и неодим), также являются хорошими магнитами. Некоторые из лучших магнитов сплавы (смеси) этих элементов друг с другом и с другими элементами. Ферриты (соединения, сделанные из железа, кислорода и других элементов) также делают превосходные магниты. Lodestone (который также называют магнетитом) является примером феррита, который обычно находится внутри Земли (он имеет химическую формулу FeO · Fe 2O 3).

Такие материалы, как железо, превращаются в хорошие временные магниты, когда вы кладете магнит рядом с ними, но, как правило, теряете часть или весь свой магнетизм, когда вы снова убираете магнит. Мы говорим, что эти материалы магнитно мягкие. В отличие от сплавов железа и редкоземельных металлов сохраняют большую часть своего магнетизма, даже когда вы удаляете их из магнитного поля, поэтому они делают хорошие постоянные магниты. Мы называем эти материалы магнитно твердыми .

Правда ли, что все материалы являются магнитными или немагнитными? Раньше так думали, но ученые теперь знают, что материалы, которые мы считаем немагнитными, также подвержены магнетизму, хотя и крайне слабо. Степень, до которой материал может намагничиваться, называется его восприимчивостью .

Как разные материалы реагируют на магнетизм

У ученых есть несколько разных слов, чтобы описать, как ведут себя материалы, когда вы помещаете их рядом с магнитом (это еще один способ сказать, когда вы помещаете их в магнитное поле). Вообще говоря, мы можем разделить все материалы на два вида, называемые парамагнитными и диамагнитными, в то время как некоторые из парамагнитных материалов также являются ферромагнитными. Важно понять, что на самом деле означают эти запутанные слова ...

парамагнитный

Сделайте образец магнитного материала и повесьте его на нити, чтобы он свисал в магнитном поле, и он намагнитится и выстроится в линию так, что его магнетизм будет параллелен полю. Как люди знали на протяжении тысячелетий, именно так ведет себя стрелка компаса в магнитном поле Земли. Материалы, которые ведут себя таким образом, называются парамагнитными. Такие металлы, как алюминий и большинство неметаллов (которые, как вы думаете, совсем не магнитны), на самом деле парамагнитны, но настолько слабы, что мы их не замечаем. Парамагнетизм зависит от температуры: чем горячее материал, тем меньше на него могут воздействовать близлежащие магниты.

Фото: мы думаем о алюминий (используется в таких банках для напитков) как немагнитный. Это помогает нам отделять для переработки наши алюминиевые банки (которые не прилипают к магнитам) от наших стальных (которые делают). На самом деле, оба материала являются магнитными. Разница в том, что алюминий очень слабо парамагнитен, а сталь сильно ферромагнитна. Фото любезно предоставлено ВВС США.

ферромагнитный

Некоторые парамагнитные материалы, в частности железо и редкоземельные металлы, сильно намагничиваются в поле и обычно остаются намагниченными даже при удалении поля. Мы говорим, что такие материалы являются ферромагнитными, что на самом деле означает, что они «магнитные, как железо». Однако ферромагнитный материал все равно потеряет свой магнетизм, если вы нагреете его выше определенной точки, известной как температура Кюри. Железо имеет температуру Кюри 770 ° C (1300 ° F), в то время как для никеля температура Кюри составляет ~ 355 ° C (~ 670 ° F). Если вы нагреваете железный магнит до 800 ° C (~ 1500 ° F), он перестает быть магнитом. Вы также можете уничтожить или ослабить ферромагнетизм, если несколько раз ударили магнитом.

диамагнитный

Мы можем думать о парамагнитных и ферромагнитных материалах как о «любителях» магнетизма: в некотором смысле они «любят» магнетизм и положительно реагируют на него, позволяя намагничиваться. Не все материалы отвечают с таким энтузиазмом. Если вы повесите какие-то материалы в магнитных полях, они будут достаточно напряженными внутри и сопротивляться: они превращаются во временные магниты, чтобы противостоять намагниченности и слабо отталкивают магнитные поля вне себя. Мы называем эти материалы диамагнитными. вода и многие органические (на основе углерода) вещества, такие как бензол, ведут себя таким образом. Привяжите диамагнитный материал к нити и повесьте его в магнитном поле, и он повернется так, что он образует угол 180 ° к полю.

Что вызывает магнетизм?

В начале 20-го века, прежде чем ученые правильно поняли структуру атомы и как они работают, они пришли к простой для понимания идее, названной теорией предметной области, для объяснения магнетизма. Несколько лет спустя, когда они лучше поняли атомы, они обнаружили, что теория предметной области все еще работает, но сама может быть объяснена на более глубоком уровне теорией атомов. Все различные аспекты магнетизма, которые мы наблюдаем, могут быть объяснены, в конечном счете, разговорами о доменах, электронах в атомах или обоих. Давайте посмотрим на две теории по очереди.

Объяснение магнетизма с помощью теории предметной области

Представьте себе фабрику, где делают маленькие магниты и отправляют их в школы на уроки естествознания. Представьте себе парня по имени Дейв, который должен водить свой грузовик, перевозя множество картонных коробок, каждая с магнитом внутри, в другую школу. У Дейва нет времени беспокоиться о том, как сложены ящики, поэтому он складывает их в свой грузовик как угодно. Магнит внутри одной коробки может указывать на север, а рядом с ней - на юг, восток или запад. В целом, все магниты перемешаны, поэтому, несмотря на то, что магнитные поля просачиваются из каждой коробки, они все нейтрализуют друг друга.

На той же фабрике работает другой водитель грузовика по имени Билл, который не может быть более отличным. Ему нравится все аккуратно, поэтому он загружает свой грузовик по-другому, аккуратно складывая все ящики, чтобы они выстраивались точно так же. Вы видите, что произойдет? Магнитное поле от одного ящика будет совмещено с полем от всех других ящиков ... эффективно превращая грузовик в один гигантский магнит. Кабина будет как гигантский северный полюс, а задняя часть грузовика - огромным южным полюсом!

То, что происходит внутри этих двух грузовиков, происходит в крошечных масштабах внутри магнитных материалов. Согласно теории доменов, что-то вроде железного стержня содержит множество крошечных карманов, называемых доменами. Каждый домен немного похож на коробку с магнитом внутри. Видите, куда мы направляемся? Железный слиток похож на грузовик. Как правило, все его бортовые «ящики» расположены случайным образом, и общий магнетизм отсутствует: железо не намагничено. Но расположите все ящики по порядку, расположите их лицом к лицу одинаково, и вы получите общее магнитное поле: эй до того, стержень намагничен. Когда вы подносите магнит к не намагниченному железному стержню и систематически и неоднократно перемещаете его вверх и вниз, то вы делаете перестановку всех магнитных «коробок» (доменов) внутри так, чтобы они указывали одинаково.

Теория предметной области объясняет, что происходит внутри материалов, когда они намагничены. В немагнитном материале (слева) домены расположены случайным образом, поэтому полное магнитное поле отсутствует. Когда вы намагничиваете материал (справа), многократно надавливая на него стержневым магнитом в одном и том же направлении, домены перестраиваются так, что их магнитные поля выравниваются, создавая объединенное магнитное поле в одном направлении.

Эта теория объясняет, как может возникнуть магнетизм, но может ли она объяснить некоторые другие вещи, которые мы знаем о магнитах? Если вы нарежете магнит пополам, мы знаем, что вы получите два магнита, каждый с северным и южным полюсом. Это имеет смысл в соответствии с теорией предметной области. Если разрезать магнит пополам, вы получите меньший магнит, который все еще заполнен доменами, и они могут быть расположены с севера на юг, как в оригинальном магните. Как насчет того, как магнетизм исчезает, когда вы ударяете магнит или нагреваете его? Это тоже можно объяснить. Представьте себе фургон, полный упорядоченных коробок снова. Управляйте этим беспорядочно, на действительно высокой скорости, и это немного походит на встряхивание или удар. Все коробки перемешиваются, поэтому они сталкиваются по-разному, и общий магнетизм исчезнет. Нагревание магнита возбуждает его внутри и почти одинаково перемешивает коробки.

Объясняя магнетизм с атомной теории

Теория предметной области достаточно проста для понимания, но это не полное объяснение. Мы знаем, что железные прутья не полны коробок, заполненных маленькими магнитами, и, если подумать, попытка объяснить магнит, говоря, что он полон меньших магнитов, на самом деле вовсе не является объяснением, поскольку сразу вызывает вопрос : из чего сделаны меньшие магниты? К счастью, есть еще одна теория, к которой мы можем обратиться.

Еще в 19 веке ученые обнаружили, что они могут использовать электричество для производства магнетизма, а магнетизм - для производства электроэнергии. Джеймс Клерк Максвелл сказал, что эти два явления были действительно разными аспектами одной и той же вещи - электромагнетизма - как две стороны одного и того же листа бумаги. Электромагнетизм был блестящей идеей, но это было скорее описание, чем объяснение: оно показывало, как все было, а не объясняло, почему это так. Так продолжалось до 20-го века, когда позже ученые начали понимать мир внутри атомы , что объяснение электромагнетизма наконец появилось.

Мы знаем, что все состоит из атомов, и что атомы состоят из центрального куска вещества, называемого ядром. Мелкие частицы, называемые электронами, движутся вокруг ядра на орбите, немного похоже спутники в небе над нами, но они также вращаются вокруг своей оси одновременно (как вращающиеся вершины). Мы знаем, что электроны несут электрические токи (потоки электричество ) когда они движутся через такие материалы, как металлы. В некотором смысле электроны - это крошечные частицы электричества. Теперь, еще в 19 веке, ученые знали, что движущееся электричество создает магнетизм. В 20 веке стало ясно, что магнетизм был вызван электронами, движущимися внутри атомов и создающими магнитные поля вокруг них. Домены на самом деле представляют собой группы атомов, в которых вращающиеся электроны создают общее магнитное поле, направленное так или иначе.

Работа: Магнетизм вызван электронами, вращающимися и вращающимися внутри атомов. Обратите внимание, что эта картина не в масштабе: большая часть атома является пустым пространством, и электроны на самом деле намного дальше от ядра, чем я нарисовал здесь.

Как и теория предметной области, атомная теория может объяснить многое из того, что мы знаем о магнитах, включая парамагнетизм (способ, которым магнитные материалы выстраиваются в соответствие с магнитными полями). Большинство электронов в атоме существуют в парах, которые вращаются в противоположных направлениях, поэтому магнитный эффект одного электрона в паре сводит на нет эффект его партнера. Но если у атома есть несколько неспаренных электронов (у атомов железа их четыре), они создают чистые магнитные поля, которые выстраиваются в линию друг с другом и превращают весь атом в мини-магнит. Когда вы помещаете парамагнитный материал, такой как железо, в магнитное поле, электроны изменяют свое движение, чтобы создать магнитное поле, которое выравнивается с полем снаружи.

Как насчет диамагнетизма? В диамагнитных материалах нет неспаренных электронов, поэтому этого не происходит. Атомы имеют слабый общий магнитный потенциал или вообще не имеют его и меньше подвержены влиянию внешних магнитных полей. Однако электроны, вращающиеся внутри них, являются электрически заряженными частицами, и, когда они движутся в магнитном поле, они ведут себя как любые другие электрически заряженные частицы в магнитном поле и испытывают силу. Это немного меняет их орбиты, производя некоторый чистый магнетизм, который противостоит тому, что его вызывает (согласно классической теории электромагнитной теории Закон Ленца , который связан с закон сохранения энергии ). В результате слабое магнитное поле, которое они производят, противодействует вызывающему его магнитному полю - именно это мы и видим, когда диамагнитные материалы пытаются «бороться» с магнитным полем, в котором они находятся.

Краткая история магнетизма

• Древний мир: магнетизм известен древним грекам, римлянам и китайцам. В фэн-шуй китайцы используют геомантические компасы (с деревянными надписями, расположенными в виде колец вокруг центральной магнитной иглы). Магниты получили свое название от Манисы в Турции, месте, которое когда-то называлось Магнезия, где в земле был найден магнитный магнит.
• 13 век: магнитные компасы впервые используются для навигации в западных странах. Француз Петрус Перигрин (также называемый Петром Марикура) делает первые правильные исследования магнетизма.
• 17-й век: английский врач и ученый Уильям Гилберт (1544–1603) публикует свои монументальные научные исследования магнетизма «О магнитах» и предлагает, чтобы Земля была гигантским магнитом.
• XVIII век: англичанин Джон Мишель (1724–93) и француз Чарльз Августин де Кулон (1736–1806) изучают силы, которые могут оказывать магниты. Кулон также проводит важные исследования электричества, но не может связать электричество и магнетизм как части одного и того же явления.
• XIX век: датчанин Ганс Христиан Эрстед (1777–1851), французы Андре-Мари Ампер (1775–1836) и Доминик Араго (1786–1853) и англичанин Майкл Фарадей (1791–1867) исследуют тесную связь между электричеством и магнетизмом. Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) публикует относительно полное объяснение электричества и магнетизма (теория электромагнетизма) и предполагает, что электромагнитная энергия движется волнами (прокладывая путь для изобретения радио ). Пьер Кюри (1859–1906) демонстрирует, что материалы теряют свой магнетизм выше определенной температуры (теперь известной как температура Кюри). Вильгельм Вебер (1804–1891) разрабатывает практические методы обнаружения и измерения напряженности магнитного поля.
• 20-й век: Пол Ланжевен (1872–1946) развивает работу Кюри с теорией, объясняющей, как жара влияет на магнетизм. Французский физик Пьер Вайс (1865–1940) предлагает наличие частиц, называемых электронами, которые вызывают магнитные свойства материалов, и излагает теорию магнитных доменов. Два американских ученых, Сэмюэль Абрахам Гоудсмит (1902–78) и Джордж Юджин Уленбек (1900–88), показывают, как магнитные свойства материалов обусловлены вращательным движением электронов внутри них.

Похожие

Комментарии