Что представляет собой природа магнетизма? Известно, что сам магнетизм является одним из основных свойств материи. Благодаря ему, определённые металлы намагничиваются и начинают притягивать к себе другие металлы. Но вот почему это происходит - тут ясного и чёткого ответа нет, как нет ответа на вопрос, что такое электрический ток. Теоретически, конечно, все эти понятия объяснены, созданы математические модели, и человек может управлять как магнитными, так и электрическими силами. Но истинная суть вопроса остаётся за гранью сознания. Люди не знают, почему это происходит, как не знают, почему бьётся человеческое сердце.

У каждого магнита есть 2 полюса - северный и южный . Этот факт наводит на мысль, что в полюсах скапливается магнитная энергия. Причём эта энергия имеет разные знаки - плюс и минус. По логике вещей, если разрезать магнит пополам, то в одной части останется положительная энергия, а в другой - отрицательная.

Однако ничего подобного не происходит. Как только цельный магнит разрезается на 2 части, в каждой из них тут же образуются 2 полюса. Можно разрезать один кусок на 20 частей. Ничего не изменится. Каждый кусочек окажется с 2-мя полюсами.

Однако мы коснулись самой заветной мечты физиков. Они надеются найти в природе или получить экспериментальным путём монополь - одиночный магнитный полюс. Этой заветной мечте уже более 100 лет. На чём же она базируется?

Специалисты проводят аналогию с электроном. Он является носителем электрического заряда. Соответственно, должен существовать и элементарный магнитный заряд. Но пока ничего похожего в окружающем мире не обнаружено.

Природа магнетизма неразрывна с микромиром, который состоит из атомов и молекул. Его изучением занимается квантовая механика, нам же нужно знать, что каждая мельчайшая частица представляет собой микромагнит. Это элементарный диполь, у которого северный и южный полюса направлены в разные стороны. Поэтому их магнитные силы компенсируют друг друга.

Но иногда случиться так, что элементарные частицы формируются в относительном порядке. Все северные полюса при этом направлены в одну сторону, а южные полюса, соответственно, в другую. В этом случае в окружающем тело пространстве возникает магнитное поле .

Представим себе, что перед нами находится магнит. Поднесём к нему обычный железный гвоздь. Он состоит из микрочастиц, которые расположены хаотично. Но под действием магнитного поля они повернутся строго параллельно друг к другу. В результате этого гвоздь сам превратится в магнит. Против южного полюса магнитного поля у него появится свой северный полюс, а против северного - южный полюс. Из физики мы знаем, что разноимённые магнитные полюса притягиваются. Поэтому железный гвоздь и прилипнет к магниту.

Давно известно, что намагничиваются все тела: твёрдые, газообразные, жидкие. Но у большинства этих веществ степень намагничивания очень низкая. Заметить её можно лишь при помощи сверхточных приборов. К примеру, платина, олово, титан притягиваются к магниту, но их сила притяжения в сотни тысяч раз меньше, чему у стали или железа. В обычной жизни все думают, что они вообще не притягиваются.

В чём же тут причина? А в том, что не у всех веществ атомы проявляют магнитные свойства. Сам по себе атом довольно сложная частица материи. Она имеет тяжёлое ядро, вокруг которого вращаются электроны. Все составляющие атома находятся в движении и создают вокруг себя магнитное поле. Иначе можно сказать, что они обладают определённым магнитным моментом .

Магнитные поля складываются и образуют общий магнитный момент атома. Однако у разных атомов он различается. Если взять ферромагнетики , к которым относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, то здесь каждый атом представляет собой микроскопический магнит. А вот у других веществ магнитные моменты атомов практически близки к нулю.

Примечаетльно то, что у ферромагнетиков атомы объединяются в большие группы. Называются они доменами . Каждый такой домен характеризуется одинаковым направлением магнитных моментов. То есть можно сказать, что в ферромагнитных веществах всегда присутствуют намагниченные участки. Каждый такой участок насчитывает в себе миллиарды атомов.

Когда на ферромагнетик не действует внешнее магнитное поле, он никак не проявляет магнитных свойств. В такой ситуации магнитные моменты доменов нейтрализуют друг друга за счёт теплового движения атомов. Но стоит появиться внешним магнитным силам, и вещество становится магнитом. Причём его свойства сохраняются и после снятия внешнего магнитного поля. Это означает, что часть доменов не возвращается к хаотическому состоянию, а остаётся строго ориентированной.

Разговор у нас шёл о парамагнитных телах. Но кроме них существуют вещества, которые не притягиваются, а отталкиваются от магнита. К ним, например, относятся золото, серебро и висмут. Называют их диамагнетиками. В чём же заключается причина этого парадокса?

Дело в том, что при намагничивании железа в нём возникают разноимённые с магнитом полюсы. А у золота или висмута идёт другой процесс. У северного полюса магнита возникает северный полюс, а у южного, соответственно, южный полюс. Вот поэтому диамагнетики и отталкиваются.

Такова в самой общей и упрощённой форме природа магнетизма. Но это чудодейственное явление пока ещё не выяснено с достаточной полнотой. Несомненно, наука в этой области откроет ещё много удивительных вещей, которые прольют свет на загадочные процессы и явления. И тогда, наверное, каждый из нас сможет понять и объяснить, что же всё-таки представляет собой магнетизм, который является одной из главных загадок окружающего нас мира.

В формате PDF (143 кбайт).

С некоторой осторожностью можно считать, что с проблемой гравитации мы разобрались . Получили внутренне непротиворечивые и отвечающие опыту представления о природе гравитации и инерции. В области электричества физика достаточно хорошо осведомлена. Известны носители электрического тока, широко применяемые в науке и технике. Но что такое магнетизм и какова его природа, известно ровно столько же, если не меньше, чем о гравитации во времена Ньютона и прошедшего века. Фарадей ввел линии напряженности магнитного поля. Они хорошо демонстрируются железными опилками на постоянном магните. Но говорить, что эти линии существуют на самом деле, несколько легкомысленно. Максвелл, пользуясь моделью вакуума как некоего диэлектрика, дал физике бессмертные формулы электромагнетизма. В физике стараются не акцентировать внимание на вакууме Максвелла. Как мы видим – совершенно напрасно. Соберем здесь сведения из физики и полученные нами соотношения.

Качественно явление воздействия магнитной напряженности на ферромагнетик объясняется в физике так. В силу особенностей внешних электронных оболочек атомов ферромагнетиков, каждый атом уже является индивидуальным магнитиком. Группа таких атомов образует магнитный домен, который также есть магнит, но уже в макро масштабах. Достаточно принудительно внешним магнитным полем сделать ориентацию доменов в преимущественно одном направлении, как весь образец ферромагнетика становится постоянным магнитом. При этом не все домены ориентируются в одном направлении. Если бы это удалось сделать, то постоянные магниты приобрели невиданную магнитную индукцию и обладали бы фантастическими способностями при взаимодействиях со всеми веществами как парамагнетиками, так и диамагнетиками.

Диамагнетики, простейшим примером которого является атом водорода, имеют статистически «беспорядочную» ориентацию плоскостей вращения электронов вокруг ядер вещества. Слово «беспорядочную» взято в кавычки по причине того, что на самом деле ориентация движения электронов определяется структурой вакуума, относительно которой атомы меняют непрерывно свое положение по причине теплового движения атомов, а также по причине непрерывного взаимодействия зарядов атома (электроны и положительные ядра) с вакуумом. Последнее взаимодействие известно в науке как флуктуации вакуума. И только достаточно сильными магнитными напряженностью в 100...1000 раз сильнее существующих постоянных магнитов удается придать организованную ориентацию вращения электронов диамагнетиков, которая и определяет взаимодействие вещества диамагнетика с внешним магнитным полем. По правилу Ленца полученная организованная магнитная индукция вещества (предмета) направлена против действующего внешнего поля. Получаем силу отталкивания между полюсами магнита и наведенными полюсами магнитиков в диамагнитном предмете. Возникает явление левитации. Таково объяснение этого явления в физике. Недостает только объяснения самого магнитного поля как потока магнитной индукции в вакууме. Природа магнитного континуума вакуума подводит физическую основу для правильного понимания явлений электромагнетизма вообще и приведенного примера левитации.

Бури и т. д. Как они возникают? Чем характеризуются?

Магнетизм

Магнитные явления и свойства в совокупности называют магнетизмом. Об их существовании было известно очень давно. Предполагается, что уже четыре тысячи лет назад китайцы использовали эти знания для создания компаса и навигации в морских походах. Проводить опыты и серьезно изучать физическое магнитное явление начали только в XIX веке. Одним из первых исследователей в этой области считается Ханс Эрстед.

Магнитные явления могут происходить как в Космосе, так и на Земле, и проявляются только в пределах магнитных полей. Такие поля возникают от электрических зарядов. Когда заряды неподвижны, вокруг них образуется электрическое поле. Когда они движутся - магнитное поле.

То есть явление магнитного поля возникает с появлением электрического тока или переменного электрического поля. Это область пространства, внутри которой действует сила, влияющая на магниты и магнитные проводники. Она имеет свое направление и уменьшается по мере отдаления от своего источника - проводника.

Магниты

Тело, вокруг которого образуется называется магнитом. Самым маленьким из них является электрон. Притяжение магнитов - самое известное физическое магнитное явление: если приложить два магнита друг к другу, то они либо притянуться, либо оттолкнуться. Все дело в их положении относительно друг друга. Каждый магнит имеет два полюса: северный и южный.

Одноименные полюса отталкиваются, а разноименные, наоборот, притягиваются. Если разрезать его надвое, то северный и южный полюса не разделятся. В результате, мы получим два магнита, на каждом из которых также будет по два полюса.

Существует ряд материалов, которые обладают К ним относятся железо, кобальт, никель, сталь и т.д. Среди них есть и жидкости, сплавы, химические соединения. Если магнетики подержать возле магнита, то они и сами им станут.

Такие вещества, как чистое железо, легко приобретают подобное свойство, но и быстро с ним прощаются. Другие (например, сталь) намагничиваются дольше, но удерживают эффект длительное время.

Намагничивание

Выше мы установили, что магнитное поле возникает при движении заряженных частиц. Но о каком движении может идти речь, например, в куске железа, висящем на холодильнике? Все вещества состоят из атомов, в которых и находятся движущиеся частицы.

Каждый атом обладает своим магнитным полем. Но, в одних материалах эти поля направлены хаотично в различные стороны. Из-за этого, вокруг них не создается одного большого поля. Такие вещества не способны намагничиваться.

В других материалах (железе, кобальте, никеле, стали) атомы способны выстраиваться так, что все они будут направлены одинаково. В результате, вокруг них формируется общее магнитное поле и тело намагнитится.

Получается, намагничивание тела - это упорядочивание полей его атомов. Чтобы нарушить этот порядок достаточно сильно ударить по нему, например, молотком. Поля атомов начнут хаотичное движение и утратят магнитные свойства. Тоже произойдет, если материал нагреть.

Магнитная индукция

Магнитные явления связаны с движущимися зарядами. Так, вокруг проводника с электрическим током непременно возникает магнитное поле. Но может ли быть наоборот? Этим вопросом однажды задался английский физик Майкл Фарадей и открыл явление магнитной индукции.

Он заключил, что постоянное поле не может вызвать электрический ток, а переменное - может. Ток возникает в замкнутом контуре магнитного поля и называется индукционным. Электродвижущая сила при этом будет изменяться пропорционально изменению скорости поля, которое пронизывает контур.

Открытие Фарадея было настоящим прорывом и принесло немалую пользу производителям электротехники. Благодаря ему, стало возможным получать ток из механической энергии. Закон, выведенный ученым, применялся и применяется в устройстве электродвигателей, различных генераторов, трансформаторов и т.д.

Магнитное поле Земли

У Юпитера, Нептуна, Сатурна и Урана есть магнитное поле. Наша планета - не исключение. В обычной жизни мы практически не замечаем его. Оно не осязаемо, не имеет вкуса или запаха. Зато именно с ним связаны магнитные явления в природе. Такие, как полярное сияние, магнитные бури или магниторецепция у животных.

По сути, Земля является огромным, но не очень сильным магнитом, который имеет два полюса, не совпадающие с географическими. Магнитные линии выходят из Южного полюса планеты и входят в Северный. Это означает, что на самом деле Южный полюс Земли является северным полюсом магнита (поэтому на Западе синим цветом обозначается южный полюс - S, а красным обозначают северный полюс - N).

Магнитное поле распространяется на сотни километров от поверхности планеты. Оно служит невидимым куполом, который отражает мощное галактическое и солнечное излучение. Во время столкновения частиц радиации с оболочкой Земли и образуются многие магнитные явления. Давайте рассмотрим самые известные из них.

Магнитные бури

На нашу планету сильное влияние оказывает Солнце. Оно не только дает нам тепло и свет, но и провоцирует такие неприятные магнитные явления, как бури. Их появление связано с повышением солнечной активностью и процессами, которые происходят внутри этой звезды.

Земля постоянно испытывает влияние потока ионизированных частиц с Солнца. Они движутся со скоростью 300-1200 км/с и характеризуются как солнечный ветер. Но время от времени на звезде происходят внезапные выбросы огромного количества этих частиц. Они действуют на земную оболочку как толчки и заставляют магнитное поле колебаться.

Длятся такие бури обычно до трех суток. В это время некоторые жители нашей планеты испытывают недомогание. Колебания оболочки отражаются на нас головными болями, повышением давления и слабостью. За всю жизнь человек переживает в среднем 2000 бурь.

Северное сияние

Есть и более приятные магнитные явления в природе - северное сияние или же аврора. Оно проявляется в виде свечения неба с быстро меняющимися цветами, и происходит преимущественно в высоких широтах (67—70°). При сильной активности Солнца сияние наблюдается и ниже.

Примерно в 64 километрах над полюсами заряженные солнечные частицы встречаются с дальними границами магнитного поля. Здесь некоторые из них направляются к магнитным полюсам Земли, где взаимодействуют с газами атмосферы, отчего и появляется сияние.

Спектр свечения зависит от состава воздуха и его разреженности. Красное свечение происходит на высоте от 150 до 400 километров. Синие и зеленые оттенки связаны с большим содержанием кислорода и азота. Они происходят на высоте 100 километров.

Магниторецепция

Основная наука, изучающая магнитные явления, - физика. Однако некоторые из них может затрагивать и биология. Например, магниточувствительность живых организмов - способность распознавать магнитное поле Земли.

Этим уникальным даром обладают многие животные, в особенности мигрирующие виды. Способности к магниторецепции обнаружена у летучих мышей, голубей, черепах, кошек, оленей, у некоторых бактерий и т. д. Она помогает животным ориентироваться в пространстве и находить свое жилье, удаляясь от него на десятки километров.

Если человек для ориентации использует компас, то животные пользуются вполне природными инструментами. Точно определить, как и почему работает магниторецепция, ученые пока не могут. Но известно, что голуби способны находить свой дом даже, если их увезти от него на сотни километров, закрыв при этом птицу в абсолютно темном ящике. Черепахи находят место своего рождения даже спустя годы.

Благодаря своим «суперспособностям» животные предчувствуют извержение вулканов, землетрясения, бури и другие катаклизмы. Они тонко чувствуют колебания в магнитном поле, что повышает способность к самосохранению.

Слайд 2

Этапы работы

Поставить цели и задачи Практическая часть. Исследования и наблюдения. Вывод.

Слайд 3

Цель:исследовать экспериментальным путем свойства магнитных явлений. Задачи: - Изучить литературу. - Провести опыты и наблюдения.

Слайд 4

Магнетизм

Магнетизм - форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля. Магнитное взаимодействие играет важную роль в процессах, протекающих во Вселенной. Вот двапримера, подтверждающие сказанное. Известно, чтомагнитное поле звезды порождает звездный ветер,аналогичный солнечному, который, уменьшая массу и момент инерции звезды, изменяет ход ее развития. Известно также, что магнитосфера Земли защищает нас от гибельного воздействия космических лучей. Если бы ее не было, эволюция живых существ на нашей планете, видимо, пошла бы иным путем, а может быть, жизнь на Земле не возникла бы вовсе.

Слайд 5

Слайд 6

Магнитное поле Земли

Основная причина наличия магнитного поля Земли в том, что ядро Земли состоит из раскаленного железа (хорошего проводника электрических токов, возникающих внутри Земли). Графически магнитное поле Земли похоже на магнитное поле постоянного магнита. Магнитное поле Земли образует магнитосферу, простирающуюся на 70-80 тыс. км в направление Солнца. Она экранирует поверхность Земли, защищает от вредного влияния заряженных частиц, высоких энергий и космических лучей, определяет характер погоды. Магнитное поле Солнца в 100 больше, чем земное.

Слайд 7

Изменение магнитного поля

Причиной постоянных изменений является наличие залежей полезных ископаемых. На Земле имеются такие территории, где ее собственное магнитное поле сильно искажается залеганием железных руд. Например, Курская магнитная аномалия, расположенная в Курской области. Причина кратковременных изменений магнитного поля Земли действие "солнечного ветра", т.е. действие потока заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем. Магнитное поле этого потока взаимодействует магнитным полем Земли, возникают "магнитные бури".

Слайд 8

Человек и магнитные бури

Сердечно – сосудистая и кровеносная система повышается артериальное давление, ухудшается коронарное кровообращение. Магнитные бури вызывают в организме человека, страдающего заболеваниями Сердечно сосудистой системы, обострения (инфаркт миокарда, инсульт, гипертонический криз и т. д.). Органы дыхания Под действием магнитных бурь изменяются биоритмы. Состояние одних больных ухудшается до магнитных бурь, а других - после. Приспосабливаемость таких больных к условиям магнитных бурь очень мала.

Слайд 9

Практическая часть

Цель: собрать данные о количестве вызовов скорой помощи за 2008 год и сделать вывод. Выяснить корреляционную зависимость детской заболеваемости и магнитными бурями.

Природа магнетизма

1. Курс физической химии (под. ред. Герасимова Я.И.) М.: Химия, 1969. Т.1.

2. Курс физической химии (под ред. Краснова К.С.) кн.1. М., Высш. шк., 1995.

3. Краткий справочник физико-химических величин под ред. А.А. Равделя и А.М.Пономаревой. Л., Химия, 1983.

4. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Л., Химия.

ГЛАВА 1

ФИЗИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МАГНИТНЫХ

ИЗМЕРЕНИЙ

Природа магнетизма

Явление магнетизма было открыто еще в древности как поле постоянных магнитов. Долгое время магнетизм, как особая форма материи, объяснялся моделью Кулона, представляющей совокупность зарядов двух знаков. И до сих пор это открытие находит применение в научных теоретических исследованиях и разработке выводов. После открытия Эрстедом магнитного поля токов и последующих исследований ряда других физиков была установлена полная эквивалентность свойств магнитных полей токов и магнитов. По теореме Ампера, магнитное поле замкнутого постоянного тока можно рассматривать как поле диполя, состоящего из магнитных зарядов положительного и отрицательного знаков. Ампером была высказана мысль о появлении при наличии магнитов электрических молекулярных токов, которые создают магнитное поле. Но это не свободные макроскопические токи, а микроскопические связанные токи, циркулирующие в пределах отдельных молекул вещества. Предположение Ампера в дальнейшем получило подтверждение.

Всякое вещество в природе является магнетиком, оно способно под действием магнитного поля намагничиваться и приобретать собственный магнитный момент. Магнетиками называются вещества, которые при внесении их во внешнее поле изменяются так, что сами становятся источниками дополнительного магнитного поля. Намагниченное вещество создает магнитное поле В 1 , которое накладывается на первичное поле В о. Оба поля в сумме дают результирующее поле

В = В о + В 1. (1.1)

Намагничивание тел Ампер объясняет циркулированием в молекулах вещества круговых токов (молекулярных токов). Токи обладают магнитными моментами, которые создают в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего поля молекулярные токи ориентированы беспорядочно, вследствие чего обусловленное ими результирующее поле равно нулю. Суммарный магнитный момент тела в этом случае равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего магнетик намагничивается и его суммарный момент становится отличным от нуля. Магнитные поля отдельных молекулярных токов уже не компенсируют друг друга, и возникает поле В 1 . Это явление открыто экспериментально Фарадеем в 1845 г.

Магнитные свойства молекулы приобретают за счет магнитных свойств составляющих их атомов. Известно, что атом состоит из положительного ядра, окруженного отрицательными электронами. Движущийся электрон по орбите вокруг ядра с постоянной скоростью эквивалентен замкнутому контуру орбитального тока J:

J = e ¦,

где e – абсолютная величина заряда электрона, ¦ – частота его обращения по орбите. Орбитальный магнитный момент Р m электрона равен

Р m = J S n,

где S – площадь орбиты, n – единичный вектор нормали к плоскости орбиты.

Геометрическую сумму орбитальных магнитных моментов всех электронов атома называют орбитальным магнитным моментом μ атома. Кроме того, известно, что электрон еще обладает собственным моментом импульса, который ничего общего не имеет с его движением по орбите. Он ведет себя так, как будто постоянно вращается вокруг собственной оси. Это свойство называется спином электрона. Модуль спина электрона зависит от постоянной Планка h:

С этим внутренним моментом количества движения связан магнитный момент неизменной величины. Направление этого магнитного момента совпадает с направлением, ожидаемым для электрона, если его представить в виде отрицательно заряженного шара, вращающегося вокруг оси. Величина спинового магнитного момента всегда одинакова, внешнее поле может повлиять только на его направление.

Если спиновые моменты электрона могут свободно ориентироваться в веществе, то можно ожидать, что они легко расположатся в направлении приложенного поля В , т.е. сами выберут ориентацию энергии. Можно считать, что магнитные свойства вещества зависят от приложенного индуцированного поля.

В состав ядер атомов различных элементов входят еще и протоны. Их количество в ядре соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И.Менделеева. Протон обладает положительным электрическим зарядом, численно равным заряду электрона. Масса протона в 1836.5 раза превышает массу электрона. В классической модели протон представляется как масса, несущая положительный заряд и вращающаяся вокруг собственной оси. Протон представляется в виде элементарной вращающейся массы, обладающей моментом импульса за счет вращения вокруг собственной оси. Вращение протона, несущего электрический заряд, создает кольцевой ток, который, в свою очередь, обуславливает магнитный момент, называемый собственным магнитным моментом, или спиновым магнитным моментом протона.

Движение элементарных частиц атома вещества в магнитном поле создает суммарный магнитный эффект, который является количественной характеристикой намагниченного состояния вещества. Эта векторная величина называется намагниченностью, она равна отношению магнитного момента макроскопически малого объема вещества υ к величине этого объема:

J = , (1.2)

где – магнитный момент атома, содержащийся в объеме υ . Другими словами, намагниченность есть объемная плотность магнитного момента магнетика.

Вещество, в котором содержится равномерно распределенное во всем объеме большое количество одинаково направленных атомных магнитных диполей, называется равномерно намагниченным. Вектор намагниченности J является произведением числа ориентированных диполей в единице объема и магнитного момента μ каждого диполя.

Рис. 1.1. Магнитное поле вокруг намагниченного цилиндра

Рассмотрим опытные исследования. Магнитное поле около намагниченного стержня, например стрелки компаса, очень похоже на электрическое поле электрически поляризованного стержня, который имеет избыток положительных зарядов на одном конце и избыток отрицательных зарядов – на другом. Получаем, что и магнитное поле имеет свои источники, которые связаны с ним таким же образом, как электрический заряд связан с электрическим полем. Один магнитный заряд можно назвать северным полюсом, а другой – южным.

На рис. 1.1 демонстрируется магнитное поле вокруг намагниченного цилиндра, видимое благодаря ориентации мелких кусочков никелевой проволоки, погруженных в глицерин. Исследования выполнены в физической лаборатории Пальмера Принстонского университета (Э. Парселл) /21/. Опыт показывает, что не удалось получить избытка изолированных магнитных зарядов одного знака, а наоборот, подтверждает, что заряды существуют в паре и между ними есть связь. Исследователи утверждают, что обычное вещество «сделано» из электрических зарядов, а не из магнитных.

Можно сделать вывод, что источником магнитного поля являются электрические токи. Это подтверждает мысль Ампера о том, что магнетизм можно объяснить существованием множества крошечных колец электрического тока, распределенных по всему веществу.