Постоянный магнит
Постоянным магнитом называется тело, обладающее собственным постоянным магнитным полем. Классический школьный магнит — параллелепипед, каждая из половин которого выкрашена в свой цвет (синий и красный). Такое цветовое решение не случайно: для любого магнита характерно наличие двух полюсов (концов): южный (S, красный) и северный (N, синий).
Визуализируем (рис. 1):
В школе проводят эксперимент с магнитной стрелкой. Сама магнитная стрелка представляет собой малый магнит установленный на подставке с тонкой иголкой, которая позволяет стрелке свободно вращаться. Тогда, если установить несколько магнитных стрелок вокруг основного магнита, они будут ориентированы по-разному (рис. 2).
Рис. 2. Магнитная стрелка в поле постоянного магнита
Ориентация стрелок зависит от их положения относительно магнита и магнитного поля этого источника. Мы можем ввести гипотетические гладкие линии, которые проходят через магнитные стрелки вдоль острия стрелок (рис. 3).
Рис. 3. Визуализация магнитного поля
Данные гипотетические линии назовём линиями магнитной индукции. Линии магнитной индукции замкнуты внутри магнита. Договоримся, что они начинаются на северном полюсе магнита (N) и заканчиваются на южном (S) (рис. 4).
Рис. 4. Поле постоянного магнита
Линии магнитной индукции на рисунке обладают некоторой информативностью: чем больше плотность линий в единице площади, тем сильнее магнитное поле (рис. 5).
Рис. 5. Поле постоянного магнита (плотность)
Выберем одинаковые по площади прямоугольники (зелёный и розовый) в различных точках магнитного поля. Заметно, что количество линий и их «густота» в зелёном прямоугольнике выше, чем в розовом. Это значит, что магнитное поле в зелёном прямоугольнике сильнее, чем в розовом.
Для математического описания величины поля используется вектор магнитной индукции.
5.1. Магнитная индукция
Магнитная стрелка в каждой точке поверхности Земли (при отсутствии помех) принимает строго определенное направление: одним концом она приблизительно указывает в направлении геофизического севера, а другим — на юг. Конец магнитной стрелки, который указывает на север, условно называется северным (N), а противоположный — южным (S) (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Поведение магнитной стрелки в магнитном поле Земли
Если в некоторой области пространства на магнитную стрелку действуют силы, стремящиеся установить ее в определенном направлении, то мы говорим, что там имеется магнитное поле. Поведение стрелки компаса в магнитном поле (Земли или любого другого источника) позволяет ввести линии магнитной индукции (силовые линии магнитного поля) по аналогии с силовыми линиями электрического поля. В каком-то смысле это даже легче: стрелка сама указывает направление силовой линии в точке, где она находится. Основной cиловой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В. направленный по касательной к силовой линии, проходящей через данную точку. В различных точках поля индукция по величине и направлению имеет различные значения.
На рис. 5.2 демонстрируется ориентация магнитной стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной и вертикальной осей, вдоль вектора индукции магнитного поля Земли, наклоненного под некоторым углом к горизонту.
Рис. 5.2. Ориентация магнитной стрелки в магнитном поле Земли
На рис. 5.3 показано, что катушка с током в магнитном поле земли ведет себя аналогично магнитной стрелке. Ось длинной катушки с током, подвешенной на тонкой нити в горизонтальном положении, ориентируется вдоль горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции магнитного поля Земли, то есть в направлении север-юг, как и обычная магнитная стрелка.
Рис. 5.3. Ориентация длинной катушки с током в магнитном поле Земли
Линии магнитной индукции, в отличие от линий электростатического поля, всегда замкнуты. Если говорить о магнитном поле постоянных магнитов, то принято считать, что линии выходят из северного полюса магнита, входят в южный и замыкаются внутри магнита (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Силовые линии постоянного магнита
На основании опыта установлено, что разноименные полюса притягиваются, одноименные отталкиваются. В этом смысле взаимодействие магнитов похоже на взаимодействие заряженных тел. Поведение стрелки компаса означает, что существует земной магнетизм, подобно тому, как существует гравитационное поле Земли, обусловленное ее массой. Поскольку обращаемый к северу конец стрелки назвали северным полюсом, а притягиваются разноименные полюса, то вблизи северного географического полюса Земли находится южный магнитный. Иными словами, магнитное поле Земли имеет направление с юга на север (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Магнитное поле Земли: северный магнитный полюс N находится вблизи южного географического
Показаны радиационные пояса Земли — внутренний (протонный) и внешний (электронный), —
где благодаря магнитному полю задерживаются заряженные частицы космических лучей
Электростатическое поле Е порождается электрическими зарядами и воздействует на них, что символически изобразим как
Два полюса магнита наводят на мысль о симметричном соотношении
Оказалось, однако, что симметрия между магнитными и электрическими явлениями не столь прямолинейна. Если отдельные тела можно зарядить либо только положительно, либо только отрицательно, поскольку существуют элементарные заряженные частицы — носители электрических зарядов разных видов, — то отделить один из магнитных полюсов от противоположного невозможно. Если разрезать на две части магнит, то каждая часть будет снова вести себя как самостоятельный магнит, имеющий на своих концах противоположные полюсы (рис. 5.6).
Рис. 5.6. При попытке разделить магнит на два разноименных магнитных заряда (монополя)
оказывается, что каждая из частей по-прежнему обладает двумя полюсами
Что произойдет, если при делении дойти до того, что разбить магнит на отдельные атомы? Можно ли тогда отделить северный полюс от южного? Нет, даже отдельные атомы ведут себя как микроскопические, но тем не менее «полноценные» магниты с северным и южным полюсами. Оказывается, что даже отдельные элементарные частицы (например, электроны) представляют собой микромагниты. В настоящее время отсутствуют какие-либо экспериментальные доказательства того, что в природе могут существовать отдельные магнитные заряды (монополи), подобные электрическим. Оказалось, что магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами и, в свою очередь, оказывает воздействие на них, так что наша схема принимает вид
В быту мы обычно имеем дело с малыми электрическими зарядами. В то же время заряд, протекающий через поперечное сечение проводника даже при небольшом токе, велик из-за огромной концентрации электронов в металле. Поэтому неудивительно, что первые экспериментальные наблюдения связи электрических и магнитных явлений были реализованы по схеме
Если понимать под стрелками в (5.2) экспериментальное подтверждение указанной связи, то первую из них (порождение магнитного поля током) провел датский ученый Г.X. Эрстед.
В 1820 г. Эрстедом было экспериментально установлено, что проводники, по которым текут токи, также взаимодействуют с магнитной стрелкой. Схема опыта Эрстеда показана на рис. 5.7. Около неподвижного провода, расположенного вдоль меридиана, располагается магнитная стрелка, которая при выключенном токе располагается параллельно проводу. При включении тока магнитная стрелка поворачивается, стремясь установиться перпендикулярно проводу.
Рис. 5.7. Опыт Эрстеда:
1 — схема опыта; 2 — положение стрелки при выключенном токе; 3 — положение стрелки при включенном токе
Положение магнитной стрелки, помещенной около проводника с током, изменяется с изменением направления тока, но стрелка совершенно не реагирует на неподвижные электрические заряды. Отсюда можно сделать вывод, что способностью создавать магнитное поле обладают лишь движущиеся электрические заряды (электрический ток), а вокруг неподвижных зарядов существует только электростатическое поле. Магнитное поле, возникающее в пространстве около проводников с током, как и электрическое поле, обусловленное неподвижными зарядами, является одним из видов материи. Как мы вскоре увидим, оно обладает определенными физическими свойствами и характеризуется энергией.
Представление о магнитном поле
Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.
Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.
За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.
В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.
Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.
Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.
Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.
Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.
Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.
Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.
Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.
Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:
Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).
Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.
А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.
Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.
Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.
Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:
При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.
Модель магнитного поля движущегося заряда
Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.
Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.
Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.
Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.
А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.
Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.
Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».
Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.
И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.
У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).
Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:
Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.
Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.
Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia
UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.
МАГНИТНЫЕ СТРЕЛКИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Для наглядности магнитное поле чаще всего изображают в виде линий индукции магнитного поля. В любой точке пространства вектор индукции магнитного поля направлен по касательной к этой линии. Линии магнитной индукции можно визуализировать при помощи мелких ферромагнитных объектов, которые могут свободно или почти свободно двигаться во внешнем магнитном поле. В простейшем случае подойдут металлические опилки, если их высыпать на лист бумаги или картона, одновременно поднеся с другой стороны к листу магнит, то опилки выстроятся вдоль линий магнитной индукции.
В небольшом сосуде железные опилки могут до некоторой степени визуализировать линии магнитной индукции в пространстве.
Еще одним способом визуализации магнитного поля могут быть магнитные стрелки компасов. Сейчас в продаже имеется широчайший выбор дешевых магнитных компасов, которые могут послужить материалом для подобного проекта. Компасы надо разобрать и извлечь из них магнитные стрелки и острия, на которых эти стрелки удерживаются.
В качестве корпуса хорошо подходит коробка от CD диска. По углам коробки просверливаются крепежные отверстия.
На основание при помощи клея «Момент» крепятся компасные картушки.
На которые в свою очередь устанавливаются магнитные стрелки.
Расстояние между крышкой коробки и магнитными стрелками должно быть таким, что бы с одной стороны ничего не мешало вращению стрелок, а с другой в любом положении стрелки не должны слетать с отведенных им мест. Для регулирования зазора под крышку подкладывают втулки нужной высоты, отрезанные например, от корпуса старой авторучки. Окончательную подгонку по высоте можно выполнить с помощью тонких текстолитовых шайб. Крепления крышки желательно изготовить из немагнитного материала. Идеальным вариантом были бы латунные или пластиковые винты и гайки, но приемлемо использовать толстые нитки.
Прибор в готовом виде.
В данном варианте на панели установлено 9 магнитных стрелок, можно уменьшить их число до 7, в несколько иной конфигурации.
Подобные демонстрационные приборы есть в продаже, но, как чаще всего бывает с лабораторным оборудованием для школ, их стоимость делает самостоятельное изготовление оправданным.
Такой прибор наглядно демонстрирует расположение линий магнитного поля вокруг постоянного магнита. Обзор подготовил Denev.