مغناطیس چگونه کار می کند؟ مغناطیس - از تالس تا ماکسول

حتی هزار سال قبل از اولین مشاهدات پدیده های الکتریکی، بشریت از قبل شروع به تجمع کرده بود. دانش در مورد مغناطیس. و درست چهارصد سال پیش، زمانی که توسعه فیزیک به عنوان یک علم تازه آغاز شده بود، محققان خواص مغناطیسی مواد را از خواص الکتریکی آنها جدا کردند و تنها پس از آن شروع به مطالعه مستقل آنها کردند. این آغاز یک شروع تجربی و نظری بود که در اواسط قرن 19 پایه و اساس E. نظریه دینامیکی پدیده های الکتریکی و مغناطیسی.

به نظر می رسد که خواص غیرمعمول سنگ آهن مغناطیسی در اوایل عصر برنز در بین النهرین شناخته شده بود. و پس از شروع توسعه متالورژی آهن، مردم متوجه شدند که محصولات آهن را جذب می کند. فیلسوف و ریاضیدان یونان باستان تالس از شهر میلتوس (640-546 قبل از میلاد) نیز در مورد دلایل این جاذبه فکر کرد و این جاذبه را با انیمیشن این کانی توضیح داد.

متفکران یونانی تصور کردند که چگونه بخارات نامرئی مگنتیت و آهن را می پوشانند، چگونه این جفت ها مواد را به یکدیگر جذب می کنند. کلمه "آهن ربا"این می تواند از نام شهر Magnesia-y-Sipila در آسیای صغیر، نه چندان دور از مگنتیت گرفته شده باشد. یکی از افسانه ها می گوید که چوپان مگنیس به نحوی خود را با گوسفندان خود در کنار صخره ای یافت که نوک آهنی عصا و چکمه های او را به خود جلب کرد.

در رساله چینی باستانی "سوابق بهار و پاییز استاد لیو" (240 قبل از میلاد) به خاصیت مگنتیت برای جذب آهن اشاره شده است. صد سال بعد، چینی ها متوجه شدند که مگنتیت نه مس و نه سرامیک را جذب نمی کند. در قرن هفتم و هشتم آنها متوجه شدند که یک سوزن آهنی مغناطیسی، هنگامی که آزادانه آویزان می شود، به سمت ستاره شمالی می چرخد.

بنابراین، در نیمه دوم قرن یازدهم، چین شروع به تولید قطب نماهای دریایی کرد، که ملوانان اروپایی تنها صد سال پس از چینی ها بر آن تسلط یافتند. سپس چینی ها قبلاً توانایی یک سوزن مغناطیسی را برای انحراف در جهت شرق شمال کشف کرده بودند و بنابراین پیش از دریانوردان اروپایی که دقیقاً در قرن پانزدهم به همین نتیجه رسیدند، انحراف مغناطیسی را کشف کردند.

در اروپا، اولین کسی که خواص آهنرباهای طبیعی را توصیف کرد، فیلسوف فرانسوی پیر دو ماریکور بود که در سال 1269 در ارتش چارلز آنژو، پادشاه سیسیلی خدمت کرد. در طی محاصره یکی از شهرهای ایتالیا، او برای یکی از دوستانش در پیکاردی سندی را فرستاد که در تاریخ علم با نام "نامه ای روی آهنربا" ثبت شد و در آنجا درباره آزمایشات خود با سنگ آهن مغناطیسی صحبت کرد.

ماریکور خاطرنشان کرد که در هر قطعه مگنتیت دو ناحیه وجود دارد که آهن را به شدت جذب می کند. او متوجه این شباهت با قطب های کره آسمانی شد، بنابراین نام آنها را برای تعیین مناطق حداکثر نیروی مغناطیسی به عاریت گرفت. از آنجا سنت نامگذاری قطب آهنرباها قطب مغناطیسی جنوب و شمال آغاز شد.

ماریکور نوشت که اگر هر قطعه مگنتیت را به دو قسمت بشکنید، هر قطعه قطب های خاص خود را خواهد داشت.

ماریکور اولین کسی بود که اثر دافعه و جاذبه قطب های مغناطیسی را با برهم کنش قطب های متضاد (جنوب و شمال) یا مشابه پیوند داد. ماریکور به درستی از پیشگامان مکتب علمی تجربی اروپا محسوب می شود، یادداشت های او در مورد مغناطیس در ده ها نسخه تکثیر شد و با ظهور چاپ، آنها در قالب یک بروشور منتشر شدند. آنها تا قرن هفدهم توسط بسیاری از طبیعت گرایان فرهیخته ذکر شده بودند.

طبیعت شناس، دانشمند و دکتر انگلیسی ویلیام گیلبرت نیز به خوبی با کار ماریکورا آشنا بود. در سال 1600، او اثر "درباره آهنربا، اجسام مغناطیسی و آهنربای بزرگ - زمین" را منتشر کرد. در این کار، گیلبرت تمام اطلاعات شناخته شده در آن زمان در مورد خواص مواد مغناطیسی طبیعی و آهن مغناطیسی را ارائه کرد و همچنین آزمایشات خود را با یک توپ مغناطیسی توصیف کرد که در آن مدلی از مغناطیس زمینی را بازتولید کرد.

به طور خاص، او به طور تجربی ثابت کرد که در هر دو قطب "زمین کوچک" سوزن قطب نما عمود بر سطح آن می چرخد، در استوا به موازات قرار می گیرد، و در عرض های جغرافیایی میانی به یک موقعیت متوسط ​​می چرخد. به این ترتیب، گیلبرت موفق شد شیب مغناطیسی را که بیش از 50 سال در اروپا شناخته شده بود، شبیه سازی کند (در سال 1544 توسط گئورگ هارتمن، مکانیک نورنبرگ توصیف شد).

گیلبرت همچنین انحراف ژئومغناطیسی را بازتولید کرد که آن را نه به سطح کاملاً صاف توپ نسبت داد، بلکه در مقیاس سیاره ای این تأثیر را با جاذبه بین قاره ها توضیح داد. او کشف کرد که چگونه آهن با حرارت زیاد خواص مغناطیسی خود را از دست می دهد و هنگامی که سرد می شود، آنها را بازیابی می کند. سرانجام، گیلبرت اولین کسی بود که به وضوح بین جاذبه آهنربا و جاذبه کهربای مالیده شده با پشم، که آن را نیروی الکتریکی نامید، تمایز قائل شد. این یک کار واقعاً مبتکرانه بود که هم معاصران و هم نوادگان از آن استقبال کردند. گیلبرت کشف کرد که درست است که زمین را به عنوان یک آهنربای بزرگ در نظر بگیریم.

تا اوایل قرن نوزدهم، علم مغناطیس پیشرفت بسیار کمی داشت. در سال 1640، Benedetto Castelli، شاگرد گالیله، جاذبه مگنتیت را به ذرات مغناطیسی بسیار کوچک موجود در ترکیب آن نسبت داد.

در سال 1778، سبالد بروگمانز، اهل هلند، متوجه شد که چگونه بیسموت و آنتیموان قطب های یک سوزن مغناطیسی را دفع می کنند، اولین نمونه از یک پدیده فیزیکی که فارادی بعدها آن را نامید. دیامغناطیس.

چارلز آگوستین کولمب در سال 1785، از طریق اندازه گیری های دقیق روی ترازوی پیچشی، ثابت کرد که نیروی برهمکنش بین قطب های مغناطیسی با مجذور فاصله بین قطب ها نسبت معکوس دارد - دقیقاً به اندازه نیروی برهم کنش بارهای الکتریکی.

از سال 1813، فیزیکدان دانمارکی اورستد با پشتکار تلاش کرده است تا به طور تجربی ارتباط بین الکتریسیته و مغناطیس را برقرار کند. محقق از قطب نما به عنوان نشانگر استفاده کرد، اما برای مدت طولانی نتوانست به هدف دست یابد، زیرا انتظار داشت که نیروی مغناطیسی موازی با جریان باشد و سیم برق را در زاویه قائم با سوزن قطب نما قرار داد. فلش به هیچ وجه به وقوع جریان واکنش نشان نداد.

در بهار سال 1820، اورستد در طی یکی از سخنرانی های خود سیمی موازی با پیکان کشید و مشخص نیست چه چیزی او را به این ایده سوق داد. و سپس پیکان تاب خورد. به دلایلی، ارستد آزمایشات خود را برای چند ماه متوقف کرد، پس از آن به آنها بازگشت و متوجه شد که "اثر مغناطیسی یک جریان الکتریکی در امتداد دایره های اطراف این جریان هدایت می شود."

نتیجه متناقض بود، زیرا نیروهای چرخشی قبلاً خود را نه در مکانیک و نه در هیچ جای دیگری در فیزیک نشان نداده بودند. اورستد مقاله ای نوشت که در آن نتایج خود را بیان کرد و دیگر هرگز الکترومغناطیس را مطالعه نکرد.

در پاییز همان سال، آندره ماری آمپر فرانسوی شروع به آزمایش کرد. اول از همه، با تکرار و تأیید نتایج و نتیجه‌گیری‌های اورستد، در اوایل اکتبر جذب هادی‌ها را در صورتی که جریان‌ها در آنها در یک راستا باشند، و دافعه را در صورت مخالف بودن جریان‌ها کشف کرد.

آمپر همچنین برهمکنش بین هادی های غیر موازی با جریان را مطالعه کرد و پس از آن آن را با فرمولی که بعداً نامگذاری شد توصیف کرد. قانون آمپراین دانشمند همچنین نشان داد که سیم های مارپیچ حامل جریان تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی می چرخند، همانطور که در مورد سوزن قطب نما اتفاق می افتد.

در نهایت او فرضیه جریان های مولکولی را مطرح کرد که بر اساس آن جریان های دایره ای میکروسکوپی پیوسته به موازات یکدیگر در داخل مواد مغناطیسی وجود دارد که باعث اثر مغناطیسی مواد می شود.

در همان زمان، Biot و Savard به طور مشترک یک فرمول ریاضی ایجاد کردند که به فرد امکان می دهد شدت یک میدان مغناطیسی جریان مستقیم را محاسبه کند.

و بنابراین، در پایان سال 1821، مایکل فارادی، که قبلاً در لندن کار می کرد، دستگاهی ساخت که در آن یک هادی حامل جریان به دور آهنربا و آهنربای دیگری به دور رسانای دیگری می چرخید.

فارادی پیشنهاد کرد که آهنربا و سیم هر دو در خطوط متحدالمرکز نیرو قرار دارند که عملکرد مکانیکی آنها را تعیین می کند.

با گذشت زمان، فارادی به واقعیت فیزیکی خطوط نیروی مغناطیسی متقاعد شد. در پایان دهه 1830، دانشمند به وضوح می دانست که انرژی آهنرباهای دائمی و رساناهای حامل جریان در فضای اطراف آنها که با خطوط نیروی مغناطیسی پر شده بود، توزیع شده است. در آگوست 1831، محقق توانست مغناطیس را وادار به تولید جریان الکتریکی کند.

این دستگاه شامل یک حلقه آهنی بود که دو سیم پیچ مخالف روی آن قرار داشت. سیم پیچ اول می تواند به یک باتری الکتریکی وصل شود و سیم پیچ دوم به یک هادی که بالای سوزن یک قطب نما مغناطیسی قرار داده شده است وصل می شود. هنگامی که جریان مستقیم از سیم سیم پیچ اول عبور کرد، سوزن موقعیت خود را تغییر نداد، اما در لحظه خاموش و روشن کردن آن شروع به نوسان کرد.

فارادی به این نتیجه رسید که در این لحظات تکانه های الکتریکی در سیم سیم پیچ دوم مرتبط با ناپدید شدن یا ظاهر شدن خطوط مغناطیسی نیرو ایجاد می شود. او کشف کرد که علت نیروی محرکه الکتریکی حاصل، تغییر میدان مغناطیسی است.

در نوامبر 1857، فارادی نامه ای به پروفسور ماکسول در اسکاتلند نوشت و از او خواست که شکلی ریاضی به دانش الکترومغناطیس بدهد. ماکسول این درخواست را انجام داد. مفهوم میدان الکترومغناطیسیدر سال 1864 در خاطرات او جای گرفت.

ماکسول اصطلاح "میدان" را برای تعیین بخشی از فضا که احاطه می کند و حاوی اجسامی است که در حالت مغناطیسی یا الکتریکی هستند معرفی کرد و به ویژه تأکید کرد که این فضا خود می تواند کاملاً خالی و پر از هر نوع ماده و میدان باشد. همچنان جا خواهد داشت

در سال 1873، ماکسول رساله ای در مورد الکتریسیته و مغناطیس منتشر کرد که در آن سیستمی از معادلات را ارائه کرد که پدیده های الکترومغناطیسی را با هم ترکیب می کند. او نام معادلات کلی میدان الکترومغناطیسی را به آنها داد و تا به امروز آنها را معادلات ماکسول می نامند. طبق نظریه ماکسول مغناطیس نوع خاصی از برهمکنش بین جریان های الکتریکی است. این پایه ای است که تمام کارهای تئوری و تجربی مرتبط با مغناطیس بر آن بنا شده است.

پس از آنکه آمپر حدس زد که هیچ «بارهای مغناطیسی» وجود ندارد و مغناطش اجسام با جریان‌های دایره‌ای مولکولی توضیح داده می‌شود (§§ 57 و 61)، تقریباً صد سال گذشت که در نهایت، این فرض به طور کامل با آزمایش‌های مستقیم ثابت شد. مسئله ماهیت مغناطیس با آزمایش هایی در زمینه به اصطلاح پدیده های مغناطیسی مکانیکی حل شد. روش‌های انجام و محاسبه این آزمایش‌ها بر اساس ایده‌هایی در مورد ساختار اتم‌ها ایجاد شد که توسط رادرفورد در سال 1911 و بور در سال 1913 توسعه یافت (البته، برخی آزمایش‌های مشابه از نظر مفهومی قبلاً به‌ویژه توسط ماکسول انجام شد، اما بدون موفقیت. ).

وقتی رادرفورد پدیده‌های رادیواکتیویته را مطالعه کرد، مشخص شد که الکترون‌های اتم‌ها در مدارهای بسته حول هسته‌های اتمی با بار مثبت می‌چرخند. بور در یک تحلیل نظری از طیف ها نشان داد که فقط برخی از این مدارها پایدار هستند. در نهایت، به دنبال این (در سال 1925، همچنین بر اساس تجزیه و تحلیل طیف)، چرخش الکترون ها حول محور آن کشف شد، که گویی شبیه به چرخش روزانه زمین است. ترکیب این داده ها به درک واضحی از ماهیت جریان های دایره ای آمپر منجر شد. آشکار شد که عناصر اصلی مغناطیس در مواد عبارتند از: یا چرخش الکترون ها به دور هسته ها، یا چرخش الکترون ها حول محور خود، یا هر دوی این چرخش ها به طور همزمان.

هنگامی که در 1914-1915 به صحنه رفت. اولین آزمایش‌های مغناطیسی مکانیکی موفق، که در زیر توضیح داده شده‌اند، در ابتدا فرض می‌کردند که خواص مغناطیسی مواد به طور کامل توسط حرکت مداری الکترون‌ها به دور هسته‌ها تعیین می‌شود. با این حال، نتایج کمی آزمایش‌های ذکر شده در بالا نشان داد که خواص مواد فرومغناطیسی و پارامغناطیس نه با حرکت الکترون‌ها در مدارها، بلکه با چرخش الکترون‌ها حول محورشان تعیین می‌شود.

برای درک هدف آزمایش‌های مگنتومکانیکی و ارزیابی صحیح نتایجی که این آزمایش‌ها به آنها منجر شد، لازم است نسبت گشتاور مغناطیسی جریان دایره‌ای ایجاد شده توسط حرکت الکترون به تکانه زاویه‌ای مکانیکی الکترون را محاسبه کنیم.

مقدار هر جریان، همانطور که مشخص است، با مقدار برق عبوری از مقطع در واحد زمان تعیین می شود. بدیهی است که مقدار جریان معادل چرخش مداری الکترون برابر است با حاصل ضرب بار الکترون و تعداد دور در واحد زمان که در آن سرعت الکترون و شعاع مدار است. محصول نشان داده شده مقدار جریان معادل را در واحدهای الکترواستاتیک بیان می کند. برای به دست آوردن مقدار جریان در واحدهای الکترومغناطیسی، محصول نشان داده شده باید بر سرعت نور تقسیم شود (ص 296). بنابراین،

یک جریان دایره ای همان میدان مغناطیسی یک صفحه مغناطیسی را با گشتاوری برابر حاصلضرب جریان و ناحیه ای که در اطراف آن جریان دارد تولید می کند [فرمول (17)]:

بنابراین، می بینیم که حرکت یک الکترون به دور هسته به اتم یک گشتاور مغناطیسی برابر با

مقایسه این گشتاور مغناطیسی با تکانه زاویه ای مکانیکی الکترون:

متوجه شدیم که نسبت گشتاور مغناطیسی به ضربه مکانیکی به سرعت الکترون یا شعاع مدار بستگی ندارد.

در واقع، یک نظریه کامل تر نشان می دهد که معادله (33) نه تنها برای مدارهای دایره ای، بلکه برای مدارهای بیضوی الکترون نیز معتبر است.

چرخش یک الکترون به دور محور خود، گشتاور مغناطیسی خاصی را به خود الکترون می دهد. چرخش الکترون حول محور خود را اسپین می نامند (از کلمه انگلیسی spin به معنای چرخش حول محور). اگر فرض کنیم که الکترون شکل کروی دارد و بار الکترون با چگالی یکنواخت روی سطح کروی توزیع می شود، محاسبات نشان می دهد که نسبت گشتاور مغناطیسی اسپین الکترون به تکانه مکانیکی چرخش الکترون به دور محور آن دو برابر بزرگتر از نسبت مشابه برای حرکت مداری است:

ملاحظات فوق در مورد تناسب گشتاور مغناطیسی و تکانه چرخشی نشان می دهد که، تحت شرایط خاص، پدیده های مغناطیسی ممکن است با اثرات ژیروسکوپی همراه باشند. ماکسول سعی کرد به طور تجربی این ارتباط بین پدیده های مغناطیسی و اثرات ژیروسکوپی را کشف کند، اما فقط برای انیشتین و دی هاس (1915)، A.F. Ioffe و P.L. (1917) و بارنت (1914 و 1922). برای انجام آزمایشات موفق انیشتین و دو هاس ثابت کردند که یک میله آهنی معلق در یک شیر برقی به عنوان هسته، هنگامی که توسط جریانی که از شیر برقی عبور می کند مغناطیسی می شود، یک ضربه چرخشی به دست می آورد (شکل 256). برای به دست آوردن یک اثر قابل توجه، اینشتین و دو هاس از پدیده رزونانس استفاده کردند و معکوس مغناطیسی دوره ای را با جریان متناوب با فرکانس منطبق با فرکانس ارتعاشات پیچشی طبیعی میله انجام دادند.

برنج. 256. طرح آزمایش انیشتین و دو هاس، یک - آینه، O - منبع نور.

اثر انیشتین و دو هاس به شرح زیر توضیح داده شده است. هنگامی که مغناطیسی می شود، محورهای آهنرباهای اولیه - "بالاهای الکترونی" - در جهت میدان مغناطیسی قرار می گیرند. مجموع هندسی تکانه های دورانی «باله های الکترونیکی» با صفر متفاوت می شود و از آنجایی که در ابتدای آزمایش تکانه چرخشی میله آهنی (که به عنوان یک سیستم مکانیکی اتم در نظر گرفته می شود) برابر با صفر بود، پس با توجه به قانون بقای تکانه چرخشی

(جلد I، § 38) به دلیل مغناطیس شدن، میله به عنوان یک کل باید یک ضربه چرخشی برابر با بزرگی، اما در جهت مخالف مجموع هندسی تکانه های چرخشی "باله های الکترونیکی" به دست آورد.

بارنت آزمایش مخالف اینشتین و دو هاس را انجام داد، یعنی بارنت باعث مغناطیس شدن یک میله آهنی شد و باعث چرخش سریع آن شد. مغناطش در جهت مخالف محور چرخش رخ داده است. همانطور که به دلیل چرخش روزانه زمین، محور ژیروسکوپ موقعیتی موازی با محور زمین می گیرد (جلد اول، بند 38)، به همین ترتیب، در آزمایش بارنت، محورهای "باله های الکترونیکی". موقعیتی موازی با محور چرخش میله آهنی بگیرید (با توجه به این که اگر بار الکترون منفی باشد، جهت مغناطش مخالف با محور چرخش میله خواهد بود).

در آزمایشات A.F. Ioffe و P.L Kapitsa (1917)، یک میله آهنی مغناطیسی که بر روی یک نخ معلق بود، در معرض حرارت سریع بالای نقطه کوری قرار گرفت. در این مورد، آرایش منظم "باله های ابتدایی"، که محورهای آن به دلیل مغناطیسی، در امتداد میدان موازی با محور میله جهت گیری شده بود، از بین رفت و با توزیع آشفته جهت محورها جایگزین شد. به طوری که مجموع گشتاورهای مغناطیسی و مکانیکی "باله های ابتدایی" نزدیک به صفر بود (شکل 257). با توجه به قانون بقای تکانه زاویه ای، میله آهنی هنگام مغناطیس زدایی یک تکانه چرخشی به دست آورد.

برنج. 257. نمودار توضیح ایده آزمایش Ioffe-Kapitsa. الف - میله آهنی مغناطیسی شده است. ب - میله با حرارت دادن بالای نقطه کوری مغناطیس زدایی می شود.

اندازه‌گیری گشتاور مغناطیسی و تکانه چرخشی در آزمایش‌های اینشتین و دو هاس، در آزمایش‌های بارنت و در آزمایش‌های آیوف و کاپیتزا، که بارها توسط بسیاری از دانشمندان تکرار شد، نشان داد که نسبت این کمیت‌ها با فرمول تعیین می‌شود. (34) و نه با فرمول (33). این نشان می دهد که عنصر اصلی مغناطیس در آهن (و به طور کلی در اجسام فرومغناطیسی) چرخش محوری الکترون ها است و نه حرکت مداری الکترون ها به دور هسته های مثبت اتم ها.

با این حال، حرکت مداری الکترون‌ها بر خواص مغناطیسی مواد نیز تأثیر می‌گذارد: گشتاور مغناطیسی اتم‌ها، یون‌ها و مولکول‌ها مجموع هندسی اسپین و گشتاورهای مغناطیسی مداری است (اما ساختار اتم‌ها به گونه‌ای است که ممان‌های اسپینی دوباره نقش تعیین‌کننده‌ای دارند. نقش در این مجموع).

وقتی گشتاور مغناطیسی کل یک ذره صفر شود، ماده دیامغناطیس می شود. به طور رسمی، مواد دیامغناطیسی با نفوذپذیری مغناطیسی کمتر از یک مشخص می شوند، بنابراین، حساسیت مغناطیسی منفی به این معنی است که مواد دیا مغناطیسی در جهت مخالف قدرت میدان مغناطیسی مغناطیسی می شوند.

نظریه الکترونیکی دیامغناطیس را با تأثیر میدان مغناطیسی بر حرکت مداری الکترون ها در اطراف هسته توضیح می دهد. این حرکت الکترون، همانطور که قبلا توضیح داده شد، معادل یک جریان است. هنگامی که یک میدان مغناطیسی شروع به عمل بر روی یک اتم می کند و شدت آن از صفر به مقدار معینی افزایش می یابد، "جریان اضافی القا می شود"، که طبق قانون لنز (§ 71) دارای جهتی است که گشتاور مغناطیسی ایجاد شده توسط این "جریان اضافی" همیشه مخالف جریانی است که از صفر به میدان افزایش یافته است. اگر میدان مغناطیسی عمود بر صفحه مداری باشد، به سادگی سرعت الکترون را در مدار خود تغییر می‌دهد و این مقدار سرعت تغییر یافته تا زمانی که اتم در میدان مغناطیسی قرار دارد حفظ می‌شود. اگر میدان عمود بر صفحه مداری نباشد، حرکت تقدیمی محور مداری حول جهت میدان بوجود می‌آید و برقرار می‌شود (مشابه حرکت تقدم محور یک بالا در اطراف عمودی که از تکیه‌گاه بالا می‌گذرد). (جلد اول، بند 38).

محاسبات منجر به فرمول زیر برای حساسیت مغناطیسی مواد دیامغناطیسی می شود:

در اینجا بار و جرم الکترون، تعداد الکترون‌های یک اتم، تعداد اتم‌ها در واحد حجم ماده، شعاع متوسط ​​مدارهای الکترون آمده است.

بنابراین، اثر دیامغناطیس یک ویژگی مشترک همه مواد است. با این حال، این اثر کوچک است، و بنابراین می توان آن را تنها در صورتی مشاهده کرد که هیچ اثر پارامغناطیس قوی در مقابل آن وجود نداشته باشد.

تئوری پارامغناطیس توسط لانگوین در سال 1905 توسعه یافت و بر اساس مفاهیم مدرن توسط فلک، استونر و دیگران (در سال 1927 و در سال های بعد) توسعه یافت. بسته به ساختار اتم، گشتاورهای مغناطیسی ایجاد شده توسط تک تک الکترون های درون اتمی می توانند یکدیگر را خنثی کنند، به طوری که اتم به عنوان یک کل غیر مغناطیسی است (این گونه مواد خواص دیامغناطیسی از خود نشان می دهند) یا در نتیجه گشتاور مغناطیسی اتم غیر صفر است. در این مورد آخر، همانطور که مکانیک کوانتومی نشان می دهد، گشتاور مغناطیسی اتم (به طور دقیق تر، پوسته الکترونی آن) به طور طبیعی از طریق نوعی "اتم مغناطیس" بیان می شود (جلد III، §§ 59، 67-70). به کوانتومی

در مکانیک، این "اتم مغناطیس" گشتاور مغناطیسی ایجاد شده توسط چرخش یک الکترون به دور هسته - مگنتون بور، برابر با

(در اینجا بار الکترون، ثابت پلانک، c سرعت نور، جرم الکترون است).

هر الکترون بدون توجه به حرکتش به دور هسته، اما به دلیل ساختارش یا به قول معمولی به دلیل چرخش حول یک محور دقیقاً دارای گشتاور مغناطیسی یکسانی است. گشتاور مغناطیسی اسپین برابر با مگنتون بور است، در حالی که ممان مکانیکی اسپین [مطابق با فرمول‌های (33) و (34)] برابر با نصف گشتاور مداری الکترون است.

برخی از هسته های اتم نیز دارای گشتاورهای مغناطیسی هستند، اما هزاران بار کوچکتر از گشتاورهای مغناطیسی ذاتی در لایه های الکترونی اتم ها § 115). گشتاورهای مغناطیسی هسته ها از طریق مگنتون هسته ای بیان می شود که مقدار آن با همان فرمول مقدار مگنتون بور تعیین می شود، اگر در این فرمول جرم الکترون با جرم پروتون جایگزین شود.

طبق نظریه لانژوین، وقتی یک ماده پارامغناطیس مغناطیسی می شود، مولکول ها با گشتاورهای مغناطیسی خود در جهت خطوط میدان جهت گیری می کنند، اما حرارت مولکولی

حرکت به یک درجه یا دیگری این جهت گیری را بر هم می زند. تصویر مولکولی مغناطش یک ماده پارامغناطیس شبیه به قطبش یک دی الکتریک است (§ 22)، البته اگر تصور کنیم که دوقطبی های الکتریکی سخت با آهنرباهای ابتدایی جایگزین شده و میدان الکتریکی با یک میدان مغناطیسی جایگزین شود. درجه جهت گیری آهنرباهای ابتدایی در جهت میدان مغناطیسی را می توان با مقدار متوسط ​​پیش بینی گشتاور مغناطیسی بر روی جهت میدان (محاسبه در هر مولکول) قضاوت کرد. با آرایش تصادفی محورهای آهنرباهای ابتدایی، زمانی که تمام آهن رباهای اولیه در جهت میدان قرار دارند،

لانژوین نشان داد که در دما و در شدت میدان مغناطیسی داخلی در صبح، مشابه فرمول § 22)، این نسبت با تابع زیر بیان می‌شود:

برای مقادیر کوچک، همانطور که قبلاً در § 22 ذکر شد، تابع Langevin فوق (36) مقدار y را به خود می گیرد، بنابراین در این مورد

بدیهی است که مغناطش برابر است با حاصل ضرب مقدار و تعداد مولکول ها در واحد حجم:

بنابراین، در چگالی ثابت یک ماده، مغناطش با دمای مطلق نسبت معکوس دارد. این واقعیت به طور تجربی توسط کوری در سال 1895 ثابت شد.

برای اکثر مواد پارامغناطیس، در مقایسه با واحد کوچک است، بنابراین، با جایگزینی در فرمول و جایگزینی از طریق، می توان از مقدار در مقایسه با وحدت چشم پوشی کرد. سپس دریافت می کنیم:

جایی که نشان دهنده حساسیت مغناطیسی خاص است (یعنی حساسیت در واحد جرم). این فرمول قانون کوری نامیده می شود. برای بسیاری از پارامغناطیس‌ها، شکل زیر و پیچیده‌تر قانون کوری [فرمول (31)] دقیق‌تر است:

مقدار برخی از مواد پارامغناطیس مثبت و برای برخی دیگر منفی است.

هنگامی که مغناطیسی می شود، یک ماده پارامغناطیس به فضای بین قطب های آهنربا کشیده می شود. بنابراین، در طول مغناطیسی، یک ماده پارامغناطیس می تواند کار ایجاد کند، در حالی که کار باید صرف مغناطیس زدایی شود. در این رابطه، همانطور که به صورت تئوری توسط Debye پیش بینی شد، مواد پارامغناطیس در طول مغناطیس زدایی سریع آدیاباتیک باید مقداری خنک کننده را تجربه کنند (به ویژه در منطقه دماهای بسیار پایین، جایی که حساسیت مغناطیسی یک ماده پارامغناطیس با کاهش دما بسیار افزایش می یابد). آزمایش‌هایی که از سال 1933 در تعدادی از آزمایشگاه‌ها انجام شد، نتایج این نظریه را تأیید کرد و به عنوان مبنایی برای توسعه روش مغناطیسی برای خنک‌سازی عمیق اجسام عمل کرد. ماده پارامغناطیسی با روش‌های معمولی در میدان مغناطیسی تا دمای هلیوم مایع خنک می‌شود و پس از آن ماده به سرعت از میدان مغناطیسی خارج می‌شود که باعث کاهش حتی بیشتر دما در این ماده می‌شود. این روش دمایی تولید می کند که با صفر مطلق هزارم درجه متفاوت است.

یکی از ویژگی های مواد فرومغناطیسی این است که در میدان های نسبتا ضعیف تقریباً تا حد اشباع کامل مغناطیسی می شوند. بنابراین، در فرومغناطیس ها نیروهایی وجود دارند که با غلبه بر تأثیر حرکت حرارتی، جهت گیری منظم گشتاورهای مغناطیسی ابتدایی را ارتقا می دهند. فرضیه وجود میدان داخلی نیروهایی که مغناطش فرومغناطیس ها را تقویت می کند برای اولین بار توسط دانشمند روسی B. L. Rosing در سال 1892 بیان شد و توسط P. Weiss در سال 1907 اثبات شد.

در مواد فرومغناطیسی، آهنرباهای ابتدایی الکترون هایی هستند که حول محور خود می چرخند - اسپین. در توسعه ایده‌های وایس، فرض بر این است که اسپین‌ها با قرار گرفتن در گره‌های شبکه کریستالی و برهمکنش با یکدیگر، میدانی درونی ایجاد می‌کنند که در نواحی کوچک جداگانه بلور فرومغناطیسی (این نواحی که دامنه نامیده می‌شوند) می‌چرخد. تمام چرخش ها در یک جهت، به طوری که هر ناحیه (دامنه) به طور خود به خود (خود به خود) مغناطیسی شده تا اشباع شود. با این حال، مناطق مجاور کریستال در غیاب میدان مغناطیسی خارجی، جهت های متفاوتی دارند

مغناطیس شدن محاسبات نشان می دهد که، برای مثال، در بلورهای آهن، مغناطش "خود به خودی" می تواند در جهت هر لبه سلول بلوری مکعبی رخ دهد.

یک میدان مغناطیسی خارجی ضعیف باعث می‌شود که تمام اسپین‌های حوزه در جهت آن لبه سلول مکعبی بچرخند که کوچک‌ترین زاویه را با جهت میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند.

برنج. 258. جهت گیری اسپین ها در حوزه ها در حین مغناطیس شدن فرومغناطیس.

یک میدان قوی تر باعث می شود که چرخش ها دوباره به جهت میدان نزدیک تر بچرخند. اشباع مغناطیسی زمانی حاصل می شود که گشتاورهای مغناطیسی تمام نواحی ریز کریستالی مغناطیسی شده خود به خود در جهت میدان باشند. هنگامی که مغناطیسی می شود، این حوزه ها نیستند که می چرخند، بلکه تمام چرخش های موجود در آنها می چرخند. تمام پشت ها در هر چرخش ریز کریستالی در همان زمان، مانند سربازان در تشکیل. این چرخش اسپین ها ابتدا در برخی حوزه ها و سپس در برخی دیگر رخ می دهد. بنابراین، فرآیند مغناطیسی یک ماده فرومغناطیسی به صورت پلکانی است (شکل 258).

به طور تجربی، مغناطش گام به گام برای اولین بار توسط Barkhausen (1919) کشف شد. ساده ترین آزمایش مناسب برای نشان دادن این پدیده به شرح زیر است: یک میله آهنی وارد شده در یک سیم پیچ متصل به تلفن به تدریج با چرخاندن آهسته آهنربای نعل اسبی معلق بالای سیم پیچ مغناطیسی می شود (شکل 259). در همان زمان، صدای خش خش مشخصی در تلفن شنیده می شود که اگر میدان مغناطیسی به اندازه کافی به آرامی تغییر کند (به میزان صدم در هر 1 ثانیه) به ضربان های جداگانه تبدیل می شود.

برنج. 259. آزمایش بارکهاوزن.

مشخص شد که اثر Barkhausen هنگام مغناطیس کردن یک سیم نیکل نازک، که قبلاً با کشیدن آن از طریق یک بلوک به شکل فر در آمده بود، و سپس وارد یک مویرگ شده بود که به زور آن را در حالت صاف نگه می دارد، بسیار قوی است. ماهیت متناوب مغناطش بر نمودار مغناطیسی به شکل پله های کوچک تأثیر می گذارد (شکل 260).

نواحی مغناطیسی خود به خودی - دامنه ها - به طور تجربی توسط N. S. Akulov کشف و مورد مطالعه قرار گرفت، که برای این کار از روش تشخیص عیب مغناطیسی پودری که خود توسعه داد استفاده کرد. از آنجایی که دامنه ها شبیه آهنرباهای کوچک هستند، میدان در مرز بین آنها یکنواخت نیست.

برنج. 260. ماهیت پلکانی منحنی های مغناطیسی. مناطق مشخص شده با دایره در مقیاس بزرگ نشان داده شده است.

برای نشان دادن خطوط کلی حوزه ها، نمونه ای از یک ماده فرومغناطیسی مغناطیسی زدایی شده در زیر میکروسکوپ قرار می گیرد و سطح نمونه با مایعی که بهترین غبار آهن در آن معلق است پوشانده می شود. گرد و غبار آهن که در نزدیکی مرزهای دامنه ها جمع می شود، به وضوح خطوط آنها را مشخص می کند (شکل 261).

برنج. 261. دامنه ها در آهن خالص (الف)، در آهن سیلیسیم (ب) و در کبالت (ج).

در تصویر منشأ خواص فرومغناطیسی که در بالا توضیح داده شد، یک بخش مهم برای مدتی نامشخص ماند، یعنی ماهیت نیروهایی که میدان داخلی را تشکیل می‌دهند که باعث جهت‌گیری منظم اسپین‌ها در داخل حوزه‌ها می‌شود. در سال 1927، فیزیکدان شوروی، Ya G. Dorfman آزمایشی را انجام داد که نشان داد نیروهای میدان داخلی در فرومغناطیس ها وجود ندارد

نیروهای برهمکنش مغناطیسی هستند، اما منشأ متفاوتی دارند. دورفمن با جدا کردن یک پرتو باریک از جریان الکترون‌های سریع الحرک («پرتوهای بتا» که از مواد رادیواکتیو ساطع می‌شود)، این الکترون‌ها را مجبور کرد از یک لایه فرومغناطیسی نازک نیکل عبور کنند. یک صفحه عکاسی در پشت فیلم نیکل قرار داده شده بود که پس از توسعه، تعیین محل برخورد الکترون ها با آن را ممکن می کرد، به طوری که می توان با دقت زیادی زاویه انحراف الکترون ها را هنگام عبور از مغناطیسی اندازه گیری کرد. فیلم نیکل (شکل 262). محاسبات نشان می دهد که اگر میدان داخلی فرومغناطیس از نوع فعل و انفعالات مغناطیسی معمولی باشد، رد پرتو الکترونی تقریباً 2 سانتی متر روی صفحه عکاسی در تاسیسات دورفمن جابه جا می شود. در واقع جابجایی ناچیز بود.

برنج. 262. نمودار توضیح دهنده ایده آزمایش دورفمن.

تحقیق نظری توسط پروفسور فرنکل (1928) و بعدها بلوخ، استونر و اسلیتر نشان دادند که جهت گیری منظم اسپین ها در حوزه ها توسط نوع خاصی از نیروها ایجاد می شود که وجود آنها توسط مکانیک کوانتومی آشکار شد و خود را در برهمکنش شیمیایی اتم ها نشان داد. یک پیوند کووالانسی، جلد I، § 130). این نیروها با توجه به روش محاسبه و تفسیر آنها که در مکانیک کوانتومی پذیرفته شده است، نیروهای مبادله ای نامیده می شوند. محاسبات نشان داده اند که انرژی برهمکنش تبادلی بین اتم های آهن در یک بلور صدها برابر بیشتر از انرژی برهمکنش مغناطیسی است. این با اندازه گیری هایی است که توسط Ya G. Dorfman در آزمایش های ذکر شده در بالا انجام شد.

با این وجود، عملا مهمترین خواص فرومغناطیس ها نه چندان توسط برهمکنش تبادلی، بلکه عمدتاً توسط برهمکنش مغناطیسی تعیین می شود. واقعیت این است که اگرچه وجود مناطق مغناطیسی "خود به خودی" (دامنه ها) در فرومغناطیس ها توسط نیروهای مبادله ایجاد می شود (جهت مرتب اسپین ها مطابق با حداقل انرژی تعامل تبادل است، یعنی پایدارترین انرژی است)، اما غالب است. جهت مغناطش دامنه ها توسط تقارن شبکه کریستالی تعیین می شود و با حداقل انرژی برهمکنش مغناطیسی مطابقت دارد. و فرآیند مغناطش فنی، همانطور که در بالا توضیح داده شد (شکل 258)، شامل چرخاندن تمام چرخش ها در داخل حوزه های جداگانه است، ابتدا در جهت محور کریستالوگرافی مغناطیسی آسان، که کوچکترین زاویه را با جهت میدان ایجاد می کند. و سپس در چرخاندن چرخش ها در جهت میدان. هزینه انرژی مورد نیاز برای انجام چنین واژگونی گام به گام چرخش ها به نوبه خود در همه

دامنه ها و چرخش آنها در امتداد میدان، و همچنین تعدادی از مقادیری که به هزینه های انرژی مشخص شده بستگی دارد (مقادیر تعیین کننده مغناطیس، مغناطیسی و سایر پدیده ها)، با موفقیت با روش های توسعه یافته توسط N. S. Akulov (از سال 1928) محاسبه می شود. و E. Kondorsky (از سال 1937).

برنج. 263. مقایسه منحنی های مغناطیسی نظری با داده های تجربی (که به صورت دایره ای نشان داده شده اند) برای یک بلور آهنی.

از شکل 263 که به عنوان یکی از نمونه ها ارائه می کنیم، می توان دید که منحنی های نظری به دست آمده از معادلات N. S. Akulov با داده های تجربی مطابقت خوبی دارند. نمودار سمت راست نشان دهنده مغناطش یک بلور آهنی در جهت قطر فضایی شبکه مکعبی است، نمودار سمت چپ همان را در جهت مورب صفحه مکعب نشان می دهد.

اجسام باردار می توانند علاوه بر میدان الکتریکی، نوع دیگری از میدان ایجاد کنند. اگر بارها حرکت کنند، آنگاه نوع خاصی از ماده در فضای اطراف آنها ایجاد می شود که به آن می گویند میدان مغناطیسی. در نتیجه، جریان الکتریکی، که حرکت منظم بارها است، یک میدان مغناطیسی نیز ایجاد می کند. مانند میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی در فضا محدود نیست، بسیار سریع منتشر می شود، اما همچنان با سرعت محدودی منتشر می شود. تنها با تأثیر آن بر اجسام باردار متحرک (و در نتیجه، جریان ها) قابل تشخیص است.

برای توصیف میدان مغناطیسی، لازم است یک مشخصه نیروی میدان، مشابه بردار شدت معرفی شود. Eمیدان الکتریکی چنین مشخصه ای بردار است بالقای مغناطیسی در سیستم واحدهای SI، واحد القای مغناطیسی 1 تسلا (T) است. اگر در میدان مغناطیسی با القاء باشد بطول هادی را قرار دهید لبا جریان من، سپس نیرویی فراخوانده شد نیروی آمپر، که با فرمول محاسبه می شود:

کجا: در- القای میدان مغناطیسی من- قدرت جریان در هادی، ل- طول آن نیروی آمپر عمود بر بردار القای مغناطیسی و جهت جریان عبوری از هادی هدایت می شود.

برای تعیین جهت از نیروی آمپر معمولا استفاده می شود قانون "دست چپ".: اگر دست چپ خود را طوری قرار دهید که خطوط القایی وارد کف دست شوند و انگشتان کشیده شده در امتداد جریان هدایت شوند، آنگاه شست ربوده شده جهت نیروی آمپر را نشان می دهد که بر روی هادی وارد می شود (شکل را ببینید).

اگر زاویه α بین جهات بردار القای مغناطیسی و جریان در هادی با 90 درجه متفاوت است، پس برای تعیین جهت نیروی آمپر باید جزء میدان مغناطیسی را که عمود بر جهت جریان است گرفته شود. . باید مشکلات این مبحث را به همان روشی که در دینامیک یا استاتیک حل کرد، یعنی. با توصیف نیروها در امتداد محورهای مختصات یا جمع نیروها بر اساس قوانین جمع بردار.

لحظه نیروهای وارد بر قاب با جریان

بگذارید قاب با جریان در میدان مغناطیسی باشد و صفحه قاب عمود بر میدان باشد. نیروهای آمپر فریم را فشرده می کنند و حاصل آن ها برابر با صفر خواهد بود. اگر جهت جریان را تغییر دهید، نیروهای آمپر جهت خود را تغییر می دهند و قاب فشرده نمی شود، بلکه کشیده می شود. اگر خطوط القای مغناطیسی در صفحه قاب قرار گیرند، یک گشتاور دورانی از نیروهای آمپر رخ می دهد. گشتاور دورانی نیروهای آمپربرابر است با:

کجا: اس- مساحت قاب، α - زاویه بین نرمال به قاب و بردار القای مغناطیسی (نرمال بردار عمود بر صفحه قاب است) ن- تعداد دور، ب- القای میدان مغناطیسی من- قدرت جریان در قاب.

نیروی لورنتس

نیروی آمپری که بر قطعه ای از هادی به طول Δ وارد می شود لبا قدرت فعلی من، در یک میدان مغناطیسی قرار دارد برا می توان بر حسب نیروهای وارد بر حامل های بار منفرد بیان کرد. این نیروها نامیده می شوند نیروهای لورنتس. نیروی لورنتس که بر ذره ای با بار وارد می شود qدر یک میدان مغناطیسی ب، با سرعت حرکت می کند v، با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

گوشه α در این عبارت برابر است با زاویه بین سرعت و بردار القای مغناطیسی. جهت نیروی لورنتس که بر آن عمل می کند مثبتیک ذره باردار و همچنین جهت نیروی آمپر را می توان با استفاده از قانون سمت چپ یا قاعده گیملت (مانند نیروی آمپر) پیدا کرد. بردار القای مغناطیسی باید به صورت ذهنی در کف دست چپ شما وارد شود، چهار انگشت بسته باید با توجه به سرعت حرکت ذره باردار هدایت شوند و شست خم شده جهت نیروی لورنتس را نشان می دهد. اگر ذره دارد منفیبار، سپس جهت نیروی لورنتس که توسط قانون دست چپ یافت می شود، باید با جهت مخالف جایگزین شود.

نیروی لورنتس عمود بر بردارهای القای سرعت و میدان مغناطیسی است. وقتی یک ذره باردار در میدان مغناطیسی حرکت می کند نیروی لورنتس هیچ کاری نمی کند. بنابراین، بزرگی بردار سرعت با حرکت ذره تغییر نمی کند. اگر یک ذره باردار تحت تأثیر نیروی لورنتس در یک میدان مغناطیسی یکنواخت حرکت کند و سرعت آن در صفحه ای عمود بر بردار القای میدان مغناطیسی باشد، آنگاه ذره در دایره ای حرکت می کند که شعاع آن را می توان با استفاده از آن محاسبه کرد. فرمول زیر:

نیروی لورنتس در این مورد نقش یک نیروی مرکزگرا را بازی می کند. دوره چرخش یک ذره در یک میدان مغناطیسی یکنواخت برابر است با:

آخرین عبارت نشان می دهد که برای ذرات باردار یک جرم معین متردوره چرخش (و بنابراین هم فرکانس و هم سرعت زاویه ای) به سرعت (و بنابراین به انرژی جنبشی) و شعاع مسیر بستگی ندارد. آر.

نظریه میدان مغناطیسی

اگر دو سیم موازی در یک جهت جریان داشته باشند، یکدیگر را جذب می کنند. اگر در جهت مخالف، پس آنها را دفع می کنند. قوانین این پدیده به طور تجربی توسط آمپر ایجاد شد. برهمکنش جریان ها توسط میدان های مغناطیسی آنها ایجاد می شود: میدان مغناطیسی یک جریان به عنوان نیروی آمپر بر جریان دیگر عمل می کند و بالعکس. آزمایش ها نشان داده اند که مدول نیروی وارد بر قطعه ای به طول Δ لهر یک از هادی ها به طور مستقیم با قدرت جریان متناسب است من 1 و من 2 در هادی ها، طول برش Δ لو با فاصله نسبت معکوس دارد آربین آنها:

کجا: μ 0 یک مقدار ثابت است که نامیده می شود ثابت مغناطیسی. وارد کردن ثابت مغناطیسی به SI نوشتن تعدادی از فرمول ها را ساده می کند. مقدار عددی آن:

μ 0 = 4π ·10 –7 H/A 2 ≈ 1.26·10 –6 H/A 2 .

با مقایسه عبارتی که برای نیروی برهمکنش دو هادی با جریان و بیان نیروی آمپر داده شد، به دست آوردن عبارتی برای آن دشوار نیست. القای میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط هر یک از هادی های مستقیم حامل جریاندر فاصله آراز او:

کجا: μ - نفوذپذیری مغناطیسی ماده (در این مورد در زیر بیشتر می شود). اگر جریان در یک چرخش دایره ای جریان یابد، پس القای میدان مغناطیسی مرکز چرخشبا فرمول تعیین می شود:

خطوط برقمیدان مغناطیسی به خطی در امتداد مماس که فلش های مغناطیسی روی آن قرار دارند گفته می شود. سوزن مغناطیسیقطب های آن یک آهنربای بلند و نازک نامیده می شود. یک سوزن مغناطیسی که روی یک نخ معلق است همیشه در یک جهت می چرخد. علاوه بر این، یک انتهای آن به سمت شمال و دیگری به سمت جنوب هدایت می شود. از این رو نام قطب ها: شمال ( ن) و جنوبی ( اس). آهنرباها همیشه دو قطب دارند: شمال (با رنگ آبی یا حرف نشان داده شده است ن) و جنوبی (به رنگ قرمز یا حروف اس). آهنرباها مانند بارها برهم کنش دارند: مانند قطب ها دفع می کنند و برخلاف قطب ها جذب می شوند. بدست آوردن آهنربا با یک قطب غیرممکن است. حتی اگر آهنربا شکسته شود، هر قسمت دارای دو قطب متفاوت خواهد بود.

بردار القای مغناطیسی

بردار القای مغناطیسی- یک کمیت فیزیکی برداری که مشخصه میدان مغناطیسی است، از نظر عددی برابر با نیروی وارد بر عنصر جریان 1 A و طول 1 متر است، اگر جهت خط میدان عمود بر هادی باشد. تعیین شده است در، واحد اندازه گیری - 1 تسلا. 1 T یک مقدار بسیار بزرگ است، بنابراین، در میدان های مغناطیسی واقعی، القای مغناطیسی با mT اندازه گیری می شود.

بردار القای مغناطیسی به صورت مماس به خطوط نیرو هدایت می شود، یعنی. منطبق با جهت قطب شمال یک سوزن مغناطیسی است که در یک میدان مغناطیسی معین قرار گرفته است. جهت بردار القای مغناطیسی با جهت نیروی وارد بر هادی منطبق نیست، بنابراین خطوط میدان مغناطیسی، به طور دقیق، خطوط نیرو نیستند.

خط میدان مغناطیسی آهنرباهای دائمیدر رابطه با خود آهنرباها همانطور که در شکل نشان داده شده است:

در صورت میدان مغناطیسی جریان الکتریکیبرای تعیین جهت خطوط میدان، از قانون استفاده کنید "دست راست": اگر هادی را در دست راست خود بگیرید به طوری که شست در امتداد جریان هدایت شود، آنگاه چهار انگشتی که هادی را می‌بندند، جهت خطوط نیرو را در اطراف هادی نشان می‌دهند:

در مورد جریان مستقیم، خطوط القایی مغناطیسی دایره هایی هستند که صفحات آن عمود بر جریان هستند. بردارهای القای مغناطیسی به صورت مماس بر دایره هدایت می شوند.

شیر برقی- هادی بر روی سطح استوانه ای که جریان الکتریکی از آن عبور می کند منمشابه میدان یک آهنربای دائمی مستقیم. داخل طول شیر برقی لو تعداد دور نیک میدان مغناطیسی یکنواخت با القاء ایجاد می شود (جهت آن نیز با قانون دست راست تعیین می شود):

خطوط میدان مغناطیسی شبیه خطوط بسته هستند- این ویژگی مشترک همه خطوط مغناطیسی است. به چنین میدانی میدان گردابی می گویند. در مورد آهنرباهای دائمی، خطوط به سطح ختم نمی شوند، بلکه به داخل آهنربا نفوذ می کنند و در داخل بسته می شوند. این تفاوت بین میدان های الکتریکی و مغناطیسی با این واقعیت توضیح داده می شود که بر خلاف الکتریکی، بارهای مغناطیسی وجود ندارند.

خواص مغناطیسی ماده

همه مواد دارای خواص مغناطیسی هستند. خواص مغناطیسی یک ماده مشخص می شود نفوذپذیری مغناطیسی نسبی μ ، که موارد زیر برای آن صادق است:

این فرمول مطابقت بردار القای میدان مغناطیسی را در خلاء و در یک محیط معین بیان می کند. بر خلاف برهمکنش الکتریکی، در حین برهمکنش مغناطیسی در یک محیط، می توان افزایش و تضعیف برهمکنش را در مقایسه با خلاء، که دارای نفوذپذیری مغناطیسی است، مشاهده کرد. μ = 1. U مواد دیامغناطیسینفوذپذیری مغناطیسی μ کمی کمتر از یک مثال: آب، نیتروژن، نقره، مس، طلا. این مواد تا حدودی میدان مغناطیسی را ضعیف می کنند. پارامغناطیس- اکسیژن، پلاتین، منیزیم - تا حدودی افزایش میدان، داشتن μ کمی بیشتر از یک U فرومغناطیس ها- آهن، نیکل، کبالت - μ >> 1. مثلاً برای آهن μ ≈ 25000.

شار مغناطیسی القای الکترومغناطیسی

پدیده القای الکترومغناطیسیتوسط فیزیکدان برجسته انگلیسی M. Faraday در سال 1831 کشف شد. این شامل وقوع یک جریان الکتریکی در یک مدار رسانای بسته زمانی است که شار مغناطیسی وارد شده به مدار در طول زمان تغییر می کند. شار مغناطیسی Φ در سراسر میدان اسکانتور مقدار نامیده می شود:

کجا: ب- ماژول بردار القای مغناطیسی، α - زاویه بین بردار القای مغناطیسی بو نرمال (عمود) بر صفحه کانتور، اس- ناحیه کانتور، ن- تعداد دور در مدار. واحد SI شار مغناطیسی وبر (Wb) نامیده می شود.

فارادی به طور تجربی ثابت کرد که وقتی شار مغناطیسی در یک مدار رسانا تغییر می کند، emf القایی ε ind، برابر با نرخ تغییر شار مغناطیسی از طریق یک سطح محدود شده توسط یک کانتور، با علامت منفی گرفته شده است:

تغییر در شار مغناطیسی عبوری از یک حلقه بسته می تواند به دو دلیل ممکن رخ دهد.

1. شار مغناطیسی به دلیل حرکت مدار یا قطعات آن در یک میدان مغناطیسی ثابت زمان تغییر می کند. این مورد زمانی است که هادی ها و همراه با آنها حامل های بار آزاد در یک میدان مغناطیسی حرکت می کنند. وقوع emf القایی با عمل نیروی لورنتس بر بارهای آزاد در هادی های متحرک توضیح داده می شود. نیروی لورنتس در این مورد نقش یک نیروی خارجی را بازی می کند.
2. دلیل دوم تغییر در شار مغناطیسی وارد شده به مدار، تغییر زمان میدان مغناطیسی در زمانی است که مدار ثابت است.

هنگام حل مسائل، مهم است که فوراً تعیین کنید که چرا شار مغناطیسی تغییر می کند. سه گزینه ممکن است:

1. میدان مغناطیسی تغییر می کند.
2. ناحیه کانتور تغییر می کند.
3. جهت قاب نسبت به میدان تغییر می کند.

در این مورد، هنگام حل مسائل، EMF معمولاً مدول محاسبه می شود. اجازه دهید به یک مورد خاص نیز توجه کنیم که در آن پدیده القای الکترومغناطیسی رخ می دهد. بنابراین، حداکثر مقدار emf القایی در مداری متشکل از نچرخش، منطقه اس، چرخش با سرعت زاویه ای ω در میدان مغناطیسی با القاء در:

حرکت یک هادی در میدان مغناطیسی

هنگام حرکت یک هادی با طول لدر یک میدان مغناطیسی ببا سرعت vیک اختلاف پتانسیل در انتهای آن ایجاد می شود که ناشی از عمل نیروی لورنتس بر روی الکترون های آزاد در هادی است. این تفاوت پتانسیل (به بیان دقیق، emf) با استفاده از فرمول پیدا می شود:

کجا: α - زاویه ای که بین جهت سرعت و بردار القای مغناطیسی اندازه گیری می شود. هیچ EMF در قسمت های ثابت مدار رخ نمی دهد.

اگر میله بلند باشد Lدر میدان مغناطیسی می چرخد دراطراف یکی از انتهای آن با سرعت زاویه ای ω ، سپس یک اختلاف پتانسیل (EMF) در انتهای آن ایجاد می شود که می تواند با استفاده از فرمول محاسبه شود:

اندوکتانس خود القایی. انرژی میدان مغناطیسی

خود القایییک مورد خاص مهم از القای الکترومغناطیسی است، زمانی که یک شار مغناطیسی در حال تغییر، که باعث ایجاد یک emf القایی می شود، توسط یک جریان در خود مدار ایجاد می شود. اگر جریان در مدار مورد بررسی به دلایلی تغییر کند، میدان مغناطیسی این جریان نیز تغییر می کند، و در نتیجه، شار مغناطیسی خود که در مدار نفوذ می کند. یک emf خود القایی در مدار بوجود می آید که طبق قانون لنز از تغییر جریان در مدار جلوگیری می کند. شار مغناطیسی خود Φ ، نفوذ در مدار یا سیم پیچ با جریان، متناسب با قدرت جریان است من:

عامل تناسب Lدر این فرمول ضریب خود القایی یا نامیده می شود اندوکتانسکویل ها واحد اندوکتانس SI هنری (H) نامیده می شود.

به یاد داشته باشید:اندوکتانس مدار نه به شار مغناطیسی و نه به شدت جریان در آن بستگی ندارد، بلکه فقط با شکل و اندازه مدار و همچنین خواص محیط تعیین می شود. بنابراین، هنگامی که جریان در مدار تغییر می کند، اندوکتانس بدون تغییر باقی می ماند. اندوکتانس سیم پیچ را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد:

کجا: n- غلظت چرخش در واحد طول سیم پیچ:

emf خود القا شده، که در یک سیم پیچ با مقدار اندوکتانس ثابت ایجاد می شود، طبق فرمول فارادی برابر است با:

بنابراین EMF خود القایی با اندوکتانس سیم پیچ و نرخ تغییر جریان در آن نسبت مستقیم دارد.

میدان مغناطیسی دارای انرژی است.همانطور که در یک خازن باردار ذخیره ای از انرژی الکتریکی وجود دارد، در سیم پیچ نیز ذخیره ای از انرژی مغناطیسی وجود دارد که از پیچ های آن جریان عبور می کند. انرژی دبلیو m میدان مغناطیسی یک سیم پیچ با اندوکتانس L، ایجاد شده توسط جریان منرا می توان با استفاده از یکی از فرمول ها محاسبه کرد (با در نظر گرفتن فرمول از یکدیگر پیروی می کنند Φ = LI):

با همبستگی فرمول انرژی میدان مغناطیسی سیم پیچ با ابعاد هندسی آن، می توانیم فرمول را بدست آوریم. چگالی انرژی میدان مغناطیسی حجمی(یا انرژی در واحد حجم):

قانون لنز

اینرسی- پدیده ای که هم در مکانیک (هنگام شتاب دادن به خودرو، خم شدن به عقب، خنثی کردن افزایش سرعت، و هنگام ترمزگیری، خم شدن به جلو، خنثی کردن کاهش سرعت) و در فیزیک مولکولی (زمانی که مایعی گرم می شود، رخ می دهد، سرعت تبخیر افزایش می یابد، سریع ترین مولکول ها مایع را ترک می کنند، سرعت گرمایش را کاهش می دهند) و غیره. در الکترومغناطیس، اینرسی در مخالفت با تغییرات در شار مغناطیسی عبوری از مدار ظاهر می شود. اگر شار مغناطیسی افزایش یابد، جریان القایی ایجاد شده در مدار به گونه ای هدایت می شود که از افزایش شار مغناطیسی جلوگیری شود و اگر شار مغناطیسی کاهش یابد، جریان القایی ایجاد شده در مدار به گونه ای هدایت می شود که از شار مغناطیسی جلوگیری شود. از کاهش

در این سایت. برای انجام این کار، به هیچ چیز نیاز ندارید، یعنی: هر روز سه تا چهار ساعت را به آماده شدن برای سی تی در فیزیک و ریاضیات، مطالعه تئوری و حل مسائل اختصاص دهید. واقعیت این است که CT امتحانی است که در آن فقط دانستن فیزیک یا ریاضیات کافی نیست، همچنین باید بتوانید به سرعت و بدون شکست تعداد زیادی از مسائل را در موضوعات مختلف و با پیچیدگی های متفاوت حل کنید. دومی را فقط با حل هزاران مشکل می توان آموخت.

اجرای موفقیت آمیز، سخت کوش و مسئولانه این سه نکته به شما این امکان را می دهد که در CT نتیجه عالی، حداکثر توانایی خود را نشان دهید.

اشتباهی پیدا کردی؟

اگر فکر می کنید خطایی در مطالب آموزشی پیدا کرده اید، لطفاً از طریق ایمیل در مورد آن بنویسید. همچنین می توانید یک خطا را در شبکه اجتماعی () گزارش کنید. در نامه موضوع (فیزیک یا ریاضی)، نام یا شماره مبحث یا تست، شماره مسئله و یا جایی در متن (صفحه) که به نظر شما خطایی وجود دارد را مشخص کنید. همچنین توضیح دهید که خطای مشکوک چیست. نامه شما بی توجه نمی ماند، یا خطا تصحیح می شود، یا به شما توضیح داده می شود که چرا اشتباه نیست.

آهنربای ابتدایی الکترون است.به بیان دقیق تر، این خود الکترون نیست، بلکه چرخش آن است - چرخش همان چرخی که ما الکترون را به شکل آن تصور می کنیم. اگر در الکتریسیته به عنوان یک حامل انرژی مانند اتم ها و مولکول های هوا در پنوماتیک عمل کند، در مغناطیس نقش آن متفاوت است: عنصری است که موقعیت و چرخش نسبی را تنظیم می کند.برای درک آنچه گفته شد، اجازه دهید یک مقایسه مجازی دیگر به خودمان اجازه دهیم: اگر در الکتریسیته یک الکترون مانند یک سرباز در جنگ باشد، در مغناطیس مانند یک سرباز در صفوف است.

یک الکترون تمام ویژگی های آهنربا را دارد: قطب های فعال و سمت فعال. به لطف آنها، آن را به طور مناسب در رابطه با سایر الکترون ها تراز می کند. قطب های آهنربا (در این مورد، انتهای الکترون) نام های جغرافیایی دریافت کردند: شمال و جنوب. این اتفاق به طور تصادفی رخ نداده است، مردم با مشاهده رفتار سوزن های مغناطیسی، جهت گیری خود را به قطب شمال و جنوب زمین نشان دادند. با درک اینکه زمین خود یک آهنربا است و از فضا به قطب شمال آن نگاه می کنیم، چرخش خلاف جهت عقربه های ساعت (خورشید از شرق طلوع می کند و در غرب غروب می کند) را مشاهده می کنیم. از این رو قطب شمال آهنربا. وقتی به قطب جنوب نگاه می کنیم، جهت چرخش زمین را به طور طبیعی در جهت عقربه های ساعت خواهیم یافت. بر اساس قیاس، انتهای متناظر آهنربا را قطب جنوب می نامند. خوشبختانه، این جهت های چرخش، مطابق با نام قطب ها، در پدیده های الکترومغناطیسی همان چیزی است که باید باشد، و ما این را در زیر نشان خواهیم داد.

در این میان، در مقابل چشمان ما یک الکترون است. و طوری قرار دارد که محور چرخش آن عمودی است و جهت گردش اگر از بالا به آن نگاه کنید خلاف جهت عقربه های ساعت است. بنابراین، قطب شمال آن در بالا و قطب جنوب در پایین خواهد بود - آرایش جغرافیایی آشنا. نزدیک ترین سمت الکترون به ما به سمت راست جابه جا می شود. بیایید موافقت کنیم که مکان یک الکترون و هر آهنربا در فضا را دقیقاً به همین شکل تصور کنیم.

اگر چندین الکترون در این نزدیکی باشند و اگر هیچ چیزی تداخل نداشته باشد، آنها از قبل ما را دوست دارندآنها گفتند که به صورت هم محور قرار خواهند گرفتیک جهت چرخش، تشکیل یک بند ناف که حول محور خود می چرخد. این نیز یک آهنربا است، فقط در آن قطب های مغناطیسی ظاهر می شوند، البته فقط روی خارجی ترین الکترون ها، و این تظاهرات بدون تغییر باقی می مانند: مهم نیست چقدر طولانی است.هیچ سیمی وجود نداشت، قطب های آن همیشه بدون تغییر بر محیط تأثیر می گذارد. اکنون می توان گفت که از الکتروفیزیک شناخته شده است یک خط میدان مغناطیسی الکترون هایی است که به صورت هم محور قرار گرفته و در یک جهت می چرخند. مترادف خط میدان مغناطیسی طناب مغناطیسی و طناب الکترونی است.

بدنه یک اتم که یک پوسته چرخان چنبره است، طبق تعریف نیز یک طناب مغناطیسی است، فقط این طناب بسته است و بنابراین قطب ندارد. با این حال، اتم پاره شده تبدیل به یک طناب مغناطیسی معمولی می شود. معمولی - در تظاهرات مغناطیسی، اما غیر معمول در قدرت این تظاهرات: بدن اتم متراکم تر و بادوام تر است.

چرخش یک طرفه تارها در یک پرتو مغناطیسی غیرطبیعی است و فقط تحت تأثیر خارجی خاصی قابل حفظ است. اتم ها و باد اتری می توانند چنین تأثیری داشته باشند.

اتم های برخی از مواد شیمیایی مانند آهن، نیکل و کبالت به گونه ای قرار گرفته اند که الکترون های متصل به آنها در تارهای مغناطیسی قرار گرفته اند. اگر در لحظه انجماد این مواد، اتم های آن ها طوری چیده شوند که تمام طناب های مغناطیسی آنها یک پرتو مغناطیسی تشکیل دهند، آنگاه جسم جامد حاصل به یک آهنربا تبدیل می شود. در آینده، اتم‌های چنین آهن‌ربای طبیعی، پرتوهای مغناطیسی حاصل را نگه می‌دارند و با تمایل تارهای مغناطیسی مجزا برای تغییر جهت چرخش خود به سمت مخالف مقابله می‌کنند. عمل پرتو مغناطیسی به فضاهای مجاور آهنربا، یعنی فراتر از مرزهای آن نیز گسترش می‌یابد: الکترون‌های آزاد واقع در آنجا به طور طبیعی در خطوطی قرار می‌گیرند، گویی که تارهای مغناطیسی یک جسم جامد را ایجاد می‌کنند. درست است، طناب‌ها دیگر نمی‌توانند در فضای آزاد نزدیک به هم قرار گیرند - پوسته‌های برخوردی با هم تداخل خواهند داشت - و پرتو مغناطیسی بیرون‌آمده از بدنه جامد به بیرون باد می‌کند.

عامل دیگری که پرتو مغناطیسی را نگه می دارد سرعت متفاوت باد اتری است. این پدیده در الکترومغناطیس از اهمیت بالایی برخوردار است و به همین دلیل آن را با جزئیات بیشتری بررسی خواهیم کرد. بیایید یک طناب مغناطیسی خاص را در سراسر جریان اتری تصور کنیم. اگر سرعت اتر در مقطع جریان یکسان باشد، چنین باد فقط می تواند طناب را خم یا منحرف کند، اما نمی تواند بر جهت چرخش آن تأثیر بگذارد. اگر سرعت اتر در مقطع جریان متفاوت باشد موضوع دیگری است: در یک طرف بند ناف بیشتر است و از طرف دیگر - کمتر. چنین تفاوتی در سرعت دمیدناتر یا چرخش طناب مغناطیسی را تقویت می کند یا مانع آن می شود. با کمک، بند ناف احساس امنیت می کند، اما با مقاومت، دیر یا زود مجبور می شود جهت چرخش خود را تغییر دهد.

دقیقاً همین اثر توسط باد اثیری با سرعت های مختلف بر پرتو مغناطیسی اعمال می شود. اگر جریان اتری که آن را سوراخ می کند از یک طرف سرعت بالایی داشته باشد و با حرکت به طرف دیگر از سرعت آن کاسته شود، در این صورت تمام طناب های مغناطیسی پرتو علیرغم عدم تمایل به انجام آن، مجبور می شوند در یک جهت بچرخند. علاوه بر این، باد اتری با سرعت های مختلف نه تنها تارهای مغناطیسی را جهت می دهد، بلکه به شکل گیری آنها نیز کمک می کند: الکترون هایی که با چنین سرعت هایی در میدان عمل جریان اتری قرار می گیرند با یک جهت همسو خواهند شد.چرخش، یعنی آنها به طناب ترکیب می شوند.

قدرت میدان الکتریکی

شدت میدان الکتریکی یک مشخصه برداری میدان است، نیرویی که بر یک واحد بار الکتریکی در حالت سکون در یک چارچوب مرجع معین اثر می‌کند.

تنش با فرمول تعیین می شود:

$E↖(→)=(F↖(→))/(q)$

که در آن $E↖(→)$ قدرت میدان است. $F↖(→)$ نیرویی است که بر شارژ $q$ که در یک نقطه معین از میدان وارد می شود، وارد می شود. جهت بردار $E↖(→)$ با جهت نیروی وارد بر بار مثبت منطبق است و خلاف جهت نیروی وارد بر بار منفی است.

واحد ولتاژ SI ولت بر متر (V/m) است.

قدرت میدان بار نقطه ای.طبق قانون کولمب، یک بار نقطه ای $q_0$ روی بار دیگر $q$ با نیرویی برابر با

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

مدول قدرت میدان یک بار نقطه ای $q_0$ در فاصله $r$ از آن برابر است با

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

بردار شدت در هر نقطه از میدان الکتریکی در امتداد خط مستقیمی است که این نقطه و بار را به هم متصل می کند.

خطوط میدان الکتریکی

میدان الکتریکی در فضا معمولا با خطوط نیرو نشان داده می شود. مفهوم خطوط نیرو توسط M. Faraday هنگام مطالعه مغناطیس معرفی شد. این مفهوم سپس توسط J. Maxwell در تحقیقات خود در مورد الکترومغناطیس توسعه یافت.

خط نیرو یا خط شدت میدان الکتریکی، خطی است که مماس آن در هر نقطه با جهت نیروی وارد بر یک بار نقطه مثبت واقع در آن نقطه از میدان منطبق است.

خطوط کششی یک توپ با بار مثبت؛

خطوط کششی دو توپ با بار مخالف.

خطوط کششی دو توپ با شارژ مشابه

خطوط کششی دو صفحه با بارهایی با علائم متفاوت، اما از نظر قدر مطلق مساوی هستند.

خطوط کششی در شکل آخر در فضای بین صفحات تقریباً موازی هستند و چگالی آنها یکسان است. این نشان می دهد که میدان در این منطقه از فضا یکنواخت است. میدان الکتریکی در صورتی همگن نامیده می شود که قدرت آن در تمام نقاط فضا یکسان باشد.

در یک میدان الکترواستاتیک، خطوط نیرو بسته نیستند، آنها همیشه با بارهای مثبت شروع می شوند و به بارهای منفی ختم می شوند. آنها در هیچ نقطه ای تلاقی نمی کنند. چگالی خطوط میدان در نزدیکی اجسام باردار بیشتر است، جایی که قدرت میدان بیشتر است.

زمین یک توپ شارژ شدهقدرت میدان یک توپ رسانای باردار در فاصله ای از مرکز توپ بیش از شعاع آن $r≥R$ با همان فرمولی تعیین می شود که میدان های یک بار نقطه ای تعیین می شود. این با توزیع خطوط میدان، مشابه توزیع خطوط شدت بار نقطه ای، مشهود است.

بار توپ به طور مساوی روی سطح آن توزیع می شود. در داخل توپ رسانا، قدرت میدان صفر است.

میدان مغناطیسی. برهم کنش آهنربایی

پدیده برهمکنش بین آهنرباهای دائمی (استقرار سوزن مغناطیسی در امتداد نصف النهار مغناطیسی زمین، جاذبه قطب های غیرمشابه، دفع قطب های مشابه) از زمان های قدیم شناخته شده بوده و به طور سیستماتیک توسط W. Gilbert مورد مطالعه قرار گرفته است (نتایج در سال 1600 در رساله خود "درباره آهنربا، اجسام مغناطیسی و آهنربای بزرگ - زمین" منتشر شد.

آهنرباهای طبیعی (طبیعی).

خواص مغناطیسی برخی از مواد معدنی طبیعی در دوران باستان شناخته شده بود. بنابراین، شواهد مکتوب بیش از 2000 سال پیش در مورد استفاده از آهنرباهای دائمی طبیعی به عنوان قطب نما در چین وجود دارد. جاذبه و دافعه آهنرباها و مغناطیس شدن براده های آهن توسط آنها در آثار دانشمندان یونان و روم باستان ذکر شده است (مثلاً در شعر "درباره طبیعت اشیاء" لوکرتیوس کارا).

آهنرباهای طبیعی قطعاتی از سنگ آهن مغناطیسی (مگنتیت) هستند که از FeO$ (31%) و $Fe_2O$ (69%) تشکیل شده است. اگر چنین قطعه ای از مواد معدنی را به اجسام کوچک آهنی - میخ، خاک اره، تیغه نازک و غیره نزدیک کنید، جذب آن می شود.

آهنرباهای دائمی مصنوعی

آهنربای دائمی- این محصول ساخته شده از ماده ای است که منبع مستقل (مستقل، جدا شده) میدان مغناطیسی ثابت است.

آهنرباهای دائمی مصنوعی از آلیاژهای ویژه ای ساخته می شوند که شامل آهن، نیکل، کبالت و غیره می شود. این فلزات اگر به آهنرباهای دائمی نزدیک شوند، خاصیت مغناطیسی پیدا می کنند (مغناطیس می شوند). بنابراین، برای ساختن آهنرباهای دائمی از آنها، آنها را به طور ویژه در میدان های مغناطیسی قوی نگهداری می کنند، پس از آن خود آنها منبع یک میدان مغناطیسی ثابت می شوند و می توانند خواص مغناطیسی را برای مدت طولانی حفظ کنند.

شکل یک قوس و آهنربای نواری را نشان می دهد.

در شکل تصاویری از میدان های مغناطیسی این آهنرباها ارائه شده است که با روشی که M. Faraday برای اولین بار در تحقیقات خود استفاده کرد به دست آمده است: با کمک براده های آهنی پراکنده روی یک صفحه کاغذ که آهنربا روی آن قرار دارد. هر آهنربا دو قطب دارد - اینها مکانهایی هستند که بیشترین غلظت خطوط میدان مغناطیسی را دارند (به آنها نیز گفته می شود خطوط میدان مغناطیسی، یا خطوط میدان القایی مغناطیسی). اینها مکان هایی هستند که براده های آهن بیشتر جذب آنها می شود. یکی از قطب ها معمولا نامیده می شود شمالی(($N$)، دیگر - جنوبی($S$). اگر دو آهن‌ربا را با قطب‌های مشابه به هم نزدیک کنید، می‌بینید که دفع می‌کنند و اگر قطب مخالف هم داشته باشند جذب می‌شوند.

در شکل به وضوح دیده می شود که خطوط مغناطیسی آهنربا هستند خطوط بسته. خطوط میدان مغناطیسی دو آهنربا در مقابل یکدیگر با قطب های مشابه و غیر مشابه نشان داده شده است. بخش مرکزی این نقاشی ها شبیه الگوهای میدان های الکتریکی دو بار (مقابل و مشابه) است. با این حال، تفاوت قابل توجهی بین میدان های الکتریکی و مغناطیسی این است که خطوط میدان الکتریکی با بارها شروع و به پایان می رسند. بارهای مغناطیسی در طبیعت وجود ندارند. خطوط میدان مغناطیسی از قطب شمال آهنربا خارج شده و وارد سمت جنوب می شوند، یعنی همانطور که در بالا ذکر شد، آنها خطوط بسته هستند. فیلدهایی که خطوط میدان آنها بسته است نامیده می شوند گرداب. میدان مغناطیسی یک میدان گردابی است (این تفاوت آن با میدان الکتریکی است).

کاربرد آهنربا

قدیمی ترین وسیله مغناطیسی، قطب نما شناخته شده است. در فناوری مدرن، آهنرباها به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند: در موتورهای الکتریکی، در مهندسی رادیو، در تجهیزات اندازه گیری الکتریکی و غیره.

میدان مغناطیسی زمین

کره زمین یک آهنربا است. مانند هر آهنربایی، میدان مغناطیسی و قطب های مغناطیسی خاص خود را دارد. به همین دلیل است که سوزن قطب نما در جهت خاصی قرار گرفته است. مشخص است که قطب شمال سوزن مغناطیسی دقیقاً باید به کجا باشد، زیرا قطب های مخالف جذب می شوند. بنابراین، قطب شمال سوزن مغناطیسی به قطب مغناطیسی جنوب زمین اشاره می کند. این قطب در شمال کره زمین، تا حدودی دور از قطب جغرافیایی شمال (در جزیره پرنس ولز - حدود 75 درجه دلار عرض جغرافیایی شمالی و 99 درجه دلار دلار طول جغرافیایی غربی، در فاصله تقریباً 2100 دلاری کیلومتر از شمال جغرافیایی قرار دارد. قطب).

هنگام نزدیک شدن به قطب جغرافیایی شمال، خطوط نیروی میدان مغناطیسی زمین به طور فزاینده ای به سمت افق در زاویه بیشتری متمایل می شوند و در ناحیه قطب مغناطیسی جنوب عمودی می شوند.

قطب مغناطیسی شمال زمین در نزدیکی قطب جغرافیایی جنوب قرار دارد، یعنی در عرض جغرافیایی 66.5 دلار و 140 درجه طول شرقی. در اینجا خطوط میدان مغناطیسی از زمین خارج می شوند.

به عبارت دیگر، قطب های مغناطیسی زمین با قطب های جغرافیایی آن منطبق نیستند. بنابراین جهت سوزن مغناطیسی با جهت نصف النهار جغرافیایی منطبق نیست و سوزن مغناطیسی قطب نما فقط تقریباً جهت شمال را نشان می دهد.

سوزن قطب نما همچنین می تواند تحت تأثیر برخی از پدیده های طبیعی قرار گیرد، به عنوان مثال، طوفان های مغناطیسی،که تغییرات موقتی در میدان مغناطیسی زمین مرتبط با فعالیت خورشیدی هستند. فعالیت خورشیدی با انتشار جریان‌هایی از ذرات باردار، به ویژه الکترون‌ها و پروتون‌ها، از سطح خورشید همراه است. این جریان ها که با سرعت زیاد حرکت می کنند، میدان مغناطیسی خود را ایجاد می کنند که با میدان مغناطیسی زمین در تعامل است.

در کره زمین (به جز تغییرات کوتاه مدت در میدان مغناطیسی) مناطقی وجود دارد که در آنها یک انحراف ثابت در جهت سوزن مغناطیسی از جهت خط مغناطیسی زمین وجود دارد. این مناطق هستند ناهنجاری مغناطیسی(از یونانی ناهنجاری - انحراف، نابهنجاری). یکی از بزرگترین چنین مناطقی ناهنجاری مغناطیسی کورسک است. این ناهنجاری ها ناشی از ذخایر عظیم سنگ آهن در عمق نسبتا کم است.

میدان مغناطیسی زمین به طور قابل اعتمادی از سطح زمین در برابر تشعشعات کیهانی محافظت می کند که تأثیر آن بر موجودات زنده مخرب است.

پرواز ایستگاه‌های فضایی بین سیاره‌ای و کشتی‌ها این امکان را به وجود آورده است که ماه و سیاره ناهید میدان مغناطیسی ندارند، در حالی که سیاره مریخ میدان مغناطیسی بسیار ضعیفی دارد.

آزمایشات اورستدای آمپر. القای میدان مغناطیسی

در سال 1820، دانشمند دانمارکی G. H. Oersted کشف کرد که یک سوزن مغناطیسی در نزدیکی رسانایی قرار می گیرد که جریان از طریق آن می چرخد ​​و تمایل به عمود بر هادی دارد.

نمودار آزمایش G. H. Oersted در شکل نشان داده شده است. هادی موجود در مدار منبع جریان در بالای سوزن مغناطیسی موازی با محور آن قرار دارد. هنگامی که مدار بسته می شود، سوزن مغناطیسی از موقعیت اصلی خود منحرف می شود. هنگامی که مدار باز می شود، سوزن مغناطیسی به موقعیت اولیه خود باز می گردد. نتیجه این است که هادی حامل جریان و سوزن مغناطیسی با یکدیگر تعامل دارند. بر اساس این آزمایش، می‌توان نتیجه گرفت که یک میدان مغناطیسی مرتبط با جریان جریان در یک رسانا و ماهیت گردابی این میدان وجود دارد. آزمایش توصیف شده و نتایج آن مهمترین دستاورد علمی اورستد بود.

در همان سال، آمپر، فیزیکدان فرانسوی، که به آزمایش های اورستد علاقه مند بود، برهم کنش دو هادی مستقیم با جریان را کشف کرد. معلوم شد که اگر جریان ها در هادی ها در یک جهت جریان داشته باشند، یعنی موازی باشند، هادی ها جذب می شوند، اگر در جهت مخالف (یعنی ضد موازی) باشند، پس رانده می شوند.

فعل و انفعالات بین هادی های حامل جریان، یعنی برهمکنش بین بارهای الکتریکی متحرک، مغناطیسی نامیده می شود و نیروهایی که هادی های حامل جریان بر یکدیگر اثر می کنند، نیروهای مغناطیسی نامیده می شوند.

بر اساس تئوری عمل کوتاه برد، که M. Faraday به آن پایبند بود، جریان در یکی از هادی ها نمی تواند مستقیما بر جریان در هادی دیگر تأثیر بگذارد. مشابه مورد با بارهای الکتریکی ساکن که در اطراف آنها میدان الکتریکی وجود دارد، به این نتیجه رسیدیم که در فضای اطراف جریان ها، میدان مغناطیسی وجود دارد،که با مقداری نیرو روی هادی حامل جریان دیگری که در این میدان قرار دارد یا روی یک آهنربای دائمی عمل می کند. به نوبه خود، میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط هادی حامل جریان دوم بر روی جریان در هادی اول اثر می گذارد.

همانطور که یک میدان الکتریکی از طریق تأثیر آن بر بار آزمایشی وارد شده به این میدان تشخیص داده می شود، یک میدان مغناطیسی را می توان با اثر جهت گیری یک میدان مغناطیسی روی یک قاب با جریان کوچک (در مقایسه با فواصل مغناطیسی) تشخیص داد. ابعاد میدان به طرز محسوسی تغییر می کند.

سیم های تامین کننده جریان به قاب باید در هم تنیده شوند (یا نزدیک به یکدیگر قرار گیرند)، سپس نیروی حاصل از میدان مغناطیسی بر این سیم ها صفر خواهد شد. نیروهای وارد بر چنین قاب حامل جریان، آن را به گونه ای می چرخانند که صفحه آن بر خطوط القای میدان مغناطیسی عمود شود. در مثال، قاب طوری می چرخد ​​که هادی حامل جریان در صفحه قاب قرار گیرد. هنگامی که جهت جریان در هادی تغییر می کند، قاب 180 درجه دلار می چرخد. در میدان بین قطب های آهنربای دائمی، قاب با صفحه ای عمود بر خطوط مغناطیسی نیروی آهنربا می چرخد.

القای مغناطیسی

القای مغناطیسی ($B↖(→)$) یک کمیت فیزیکی برداری است که میدان مغناطیسی را مشخص می کند.

جهت بردار القای مغناطیسی $B↖(→)$ به صورت زیر در نظر گرفته می شود:

1) جهت از قطب جنوب $S$ به قطب شمال $N$ یک سوزن مغناطیسی که آزادانه در یک میدان مغناطیسی قرار دارد، یا

2) جهت نرمال مثبت به یک مدار بسته با جریان روی یک تعلیق انعطاف پذیر، آزادانه در یک میدان مغناطیسی نصب شده است. نرمال جهت حرکت نوک گیملت (با نخ سمت راست) که دسته آن در جهت جریان در قاب چرخانده می شود، مثبت در نظر گرفته می شود.

واضح است که جهات 1) و 2) با آزمایش های آمپر مطابقت دارند.

در مورد بزرگی القای مغناطیسی (یعنی مدول آن) $B$، که می‌تواند شدت میدان را مشخص کند، آزمایش‌ها نشان داده‌اند که حداکثر نیرویی که میدان بر روی یک رسانای حامل جریان (عمود قرار می‌گیرد) F$ است. به میدان مغناطیسی خطوط القایی)، به جریان $I$ در هادی و طول آن $∆l$ (متناسب با آنها) بستگی دارد. با این حال، نیروی وارد بر یک عنصر جریان (با طول واحد و قدرت جریان) فقط به خود میدان بستگی دارد، یعنی نسبت $(F)/(I∆l)$ برای یک میدان معین یک مقدار ثابت است (مشابه با نسبت نیرو به بار برای میدان الکتریکی). این مقدار به صورت تعیین می شود القای مغناطیسی.

القای میدان مغناطیسی در یک نقطه معین برابر است با نسبت حداکثر نیروی وارد بر هادی حامل جریان به طول هادی و قدرت جریان در هادی که در این نقطه قرار گرفته است.

هرچه القای مغناطیسی در یک نقطه معین از میدان بیشتر باشد، نیروی میدان در آن نقطه بر یک سوزن مغناطیسی یا یک بار الکتریکی متحرک بیشتر خواهد بود.

واحد SI القای مغناطیسی است تسلا(Tl)، به نام مهندس برق صرب، نیکولا تسلا. همانطور که از فرمول مشاهده می شود، $1$ T $=l(H)/(A m)$

اگر چندین منبع مختلف میدان مغناطیسی وجود داشته باشد که بردارهای القایی آنها در یک نقطه معین از فضا برابر است با $(В_1)↖(→)، (В_2)↖(→)، (В_3)↖(→)،. ..$، سپس، با توجه به اصل برهم نهی میدان، القای میدان مغناطیسی در این نقطه برابر است با مجموع بردارهای القای میدان مغناطیسی ایجاد شده هر منبع.

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

خطوط القای مغناطیسی

برای تجسم میدان مغناطیسی، M. Faraday این مفهوم را معرفی کرد خطوط مغناطیسی نیرو،که او بارها در آزمایشات خود نشان داد. با استفاده از براده های آهنی که روی مقوا پاشیده شده اند، می توان تصویری از خطوط مزرعه به دست آورد. شکل نشان می دهد: خطوط القای مغناطیسی جریان مستقیم، شیر برقی، جریان دایره ای، آهنربای مستقیم.

خطوط القای مغناطیسی، یا خطوط مغناطیسی نیرو، یا فقط خطوط مغناطیسیخطوطی نامیده می شوند که مماس آنها در هر نقطه با جهت بردار القای مغناطیسی $B↖(→)$ در این نقطه از میدان منطبق است.

اگر به جای براده های آهن، سوزن های مغناطیسی کوچکی در اطراف یک هادی مستقیم و طولانی که دارای جریان هستند قرار داده شوند، می توانید نه تنها پیکربندی خطوط میدان (دایره های متحدالمرکز)، بلکه جهت خطوط میدان (قطب شمال) را مشاهده کنید. سوزن مغناطیسی جهت بردار القایی را در یک نقطه مشخص نشان می دهد.

جهت میدان مغناطیسی جریان رو به جلو را می توان با استفاده از قانون جیملت راست

اگر دسته گیره را طوری بچرخانید که حرکت انتقالی نوک گیملت جهت جریان را نشان دهد، جهت چرخش دسته گیره جهت خطوط میدان مغناطیسی جریان را نشان می دهد.

جهت میدان مغناطیسی جریان رو به جلو را نیز می توان با استفاده از آن تعیین کرد اولین قانون دست راست

اگر هادی را با دست راست خود بگیرید و شست خم شده را در جهت جریان بگیرید، نوک انگشتان باقی مانده در هر نقطه جهت بردار القایی را در آن نقطه نشان می دهد.

میدان گرداب

خطوط القای مغناطیسی بسته هستند که نشان می دهد هیچ بار مغناطیسی در طبیعت وجود ندارد. به میدان هایی که خطوط میدان آنها بسته است، میدان گردابی گفته می شود. یعنی میدان مغناطیسی یک میدان گردابی است. این با میدان الکتریکی ایجاد شده توسط بارها متفاوت است.

شیر برقی

سلونوئید سیم پیچی از سیم است که جریان را حمل می کند.

شیر برقی با تعداد دور در واحد طول $n$، طول $l$ و قطر $d$ مشخص می شود. ضخامت سیم در شیر برقی و گام مارپیچ (خط مارپیچ) در مقایسه با قطر $d$ و طول $l$ آن کوچک است. اصطلاح "سلونوئید" نیز به معنای گسترده تر استفاده می شود - این نامی است که به سیم پیچ هایی با سطح مقطع دلخواه (شیر برقی مربعی ، شیر برقی مستطیلی) و نه لزوماً شکل استوانه ای (شیر برقی حلقوی) داده می شود. شیر برقی بلند ($l>>d$) و کوتاه ($l) وجود دارد

شیر برقی در سال 1820 توسط A. Ampere اختراع شد تا عمل مغناطیسی جریان را افزایش دهد که توسط X. Oersted کشف شد و توسط D. Arago در آزمایشات روی مغناطش میله های فولادی استفاده شد. خواص مغناطیسی یک شیر برقی توسط آمپر در سال 1822 مورد مطالعه تجربی قرار گرفت (در همان زمان او اصطلاح "سلونوئید" را معرفی کرد). معادل بودن شیر برقی با آهنرباهای طبیعی دائمی ثابت شد، که تأییدی بود بر نظریه الکترودینامیک آمپر، که مغناطیس را با برهمکنش جریان های مولکولی حلقه ای پنهان در اجسام توضیح می داد.

خطوط میدان مغناطیسی شیر برقی در شکل نشان داده شده است. جهت این خطوط با استفاده از آن تعیین می شود قانون دوم دست راست

اگر شیر برقی را با کف دست راست خود ببندید و چهار انگشت خود را در امتداد جریان در پیچ ها هدایت کنید، آنگاه شست کشیده شده جهت خطوط مغناطیسی داخل شیر برقی را نشان می دهد.

با مقایسه میدان مغناطیسی یک شیر برقی با میدان یک آهنربای دائمی، می توانید متوجه شوید که آنها بسیار شبیه هستند. مانند آهنربا، یک سلونوئید دارای دو قطب است - شمال ($N$) و جنوب ($S$). قطب شمال قطبی است که خطوط مغناطیسی از آن بیرون می آیند. قطب جنوب همان است که وارد می شوند. قطب شمال شیر برقی همیشه در سمتی قرار دارد که انگشت شست کف دست در هنگام قرار گرفتن مطابق با قانون دوم دست راست به آن اشاره می کند.

یک شیر برقی به شکل یک سیم پیچ با تعداد چرخش زیاد به عنوان آهنربا استفاده می شود.

مطالعات میدان مغناطیسی یک شیر برقی نشان می دهد که اثر مغناطیسی شیر برقی با افزایش جریان و تعداد چرخش های شیر برقی افزایش می یابد. علاوه بر این، عمل مغناطیسی یک سیم پیچ برقی یا حامل جریان با وارد کردن یک میله آهنی به داخل آن افزایش می یابد که به آن می گویند. هسته

الکترومغناطیس

شیر برقی با هسته آهنی در داخل نامیده می شود آهنربای الکتریکی

الکترومغناطیس ها می توانند نه یک، بلکه چندین سیم پیچ (سیم پیچ) داشته باشند و هسته هایی با اشکال مختلف داشته باشند.

چنین آهنربای الکتریکی اولین بار توسط مخترع انگلیسی W. Sturgeon در سال 1825 ساخته شد. الکترومغناطیس به 200 دلار از نیوتن، و شش سال بعد، دانشمند آمریکایی، جی هنری، آهنربای الکتریکی به وزن 300 دلار کیلوگرم ساخت که قادر به تحمل باری به وزن 1 دلار تن بود!

آهنرباهای الکتریکی مدرن می توانند بارهایی با وزن چند ده تن را بلند کنند. هنگام جابجایی محصولات سنگین آهن و فولاد در کارخانه ها از آنها استفاده می شود. الکترومغناطیس همچنین در کشاورزی برای پاکسازی دانه های تعدادی از گیاهان از علف های هرز و در صنایع دیگر استفاده می شود.

قدرت آمپر

یک بخش مستقیم از هادی $∆l$، که از طریق آن جریان $I$ جریان دارد، توسط نیروی $F$ در میدان مغناطیسی با القاء $B$ وارد می شود.

برای محاسبه این نیرو از عبارت:

$F=B|I|∆lsinα$

که در آن $α$ زاویه بین بردار $B↖(→)$ و جهت قطعه رسانا با جریان (عنصر فعلی) است. جهت عنصر جریان به عنوان جهتی در نظر گرفته می شود که در آن جریان از طریق هادی عبور می کند. نیروی $F$ نامیده می شود نیروی آمپربه افتخار فیزیکدان فرانسوی A. M. Ampere که اولین کسی بود که تأثیر میدان مغناطیسی را بر رسانای حامل جریان کشف کرد. (در واقع آمپر قانونی برای نیروی برهمکنش بین دو عنصر رساناهای حامل جریان وضع کرد. او طرفدار نظریه عمل دوربرد بود و از مفهوم میدان استفاده نکرد.

با این حال، طبق سنت و به یاد شایستگی های دانشمند، بیان نیروی وارد بر هادی حامل جریان از میدان مغناطیسی را قانون آمپر نیز می نامند.)

جهت نیروی آمپر با استفاده از قانون سمت چپ تعیین می شود.

اگر کف دست چپ خود را طوری قرار دهید که خطوط میدان مغناطیسی به طور عمود بر آن وارد شوند و چهار انگشت کشیده شده جهت جریان در هادی را نشان دهند، آنگاه شست کشیده شده جهت نیروی وارد بر جریان را نشان می دهد. هادی حمل بنابراین، نیروی آمپر همیشه بر بردار القای میدان مغناطیسی و جهت جریان در هادی عمود است، یعنی عمود بر صفحه ای که این دو بردار در آن قرار دارند.

نتیجه نیروی آمپر چرخش قاب حامل جریان در یک میدان مغناطیسی ثابت است. این کاربرد عملی در بسیاری از دستگاه ها پیدا می کند، به عنوان مثال. ابزار اندازه گیری الکتریکی- گالوانومترها، آمپرمترها، که در آن یک قاب متحرک با جریان در میدان آهنربای دائمی می چرخد ​​و با زاویه انحراف یک اشاره گر که به طور ثابت به قاب متصل است، می توان میزان جریان جریان در مدار را قضاوت کرد.

به لطف اثر چرخشی میدان مغناطیسی بر روی قاب حامل جریان، امکان ایجاد و استفاده نیز فراهم شد. موتورهای الکتریکی- ماشین هایی که در آنها انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل می شود.

نیروی لورنتس

نیروی لورنتس نیرویی است که بر یک نقطه متحرک بار الکتریکی در میدان مغناطیسی خارجی وارد می شود.

فیزیکدان هلندی H. A. Lorenz در پایان قرن نوزدهم. ثابت کرد که نیروی اعمال شده توسط یک میدان مغناطیسی بر یک ذره باردار متحرک همیشه عمود بر جهت حرکت ذره و خطوط نیروی میدان مغناطیسی است که این ذره در آن حرکت می کند.

جهت نیروی لورنتس را می توان با استفاده از قانون سمت چپ تعیین کرد.

اگر کف دست چپ خود را طوری قرار دهید که چهار انگشت کشیده شده جهت حرکت بار را نشان دهند و بردار میدان القای مغناطیسی وارد کف دست شود، آنگاه شست کشیده شده جهت نیروی لورنتس را نشان می دهد که بر روی آن وارد می شود. بار مثبت

اگر بار ذره منفی باشد، نیروی لورنتس در جهت مخالف هدایت می شود.

مدول نیروی لورنتس به راحتی از قانون آمپر تعیین می شود و عبارت است از:

که $q$ بار ذره است، $υ$ سرعت حرکت آن، $α$ زاویه بین بردارهای القای سرعت و میدان مغناطیسی است.

اگر علاوه بر میدان مغناطیسی، یک میدان الکتریکی نیز وجود داشته باشد که با نیروی $(F_(el))↖(→)=qE↖(→)$ روی بار وارد شود، کل نیروی وارد بر بار برابر است با:

$F↖(→)=(F_(el))↖(→)+(F_l)↖(→)$

اغلب این نیروی کل نیروی لورنتس نامیده می شود و نیرویی که با فرمول $F=|q|υBsinα$ بیان می شود نامیده می شود. بخش مغناطیسی نیروی لورنتس

از آنجایی که نیروی لورنتز بر جهت حرکت ذره عمود است، نمی‌تواند سرعت خود را تغییر دهد (کار نمی‌کند)، بلکه فقط می‌تواند جهت حرکت خود را تغییر دهد، یعنی مسیر را خم کند.

این انحنای مسیر الکترون ها در یک لوله تصویر تلویزیونی به راحتی قابل مشاهده است اگر آهنربای دائمی را به صفحه نمایش آن بیاورید: تصویر مخدوش می شود.

حرکت یک ذره باردار در میدان مغناطیسی یکنواخت.اجازه دهید یک ذره باردار با سرعت $υ$ به یک میدان مغناطیسی یکنواخت عمود بر خطوط کشش پرواز کند. نیروی اعمال شده توسط میدان مغناطیسی بر ذره باعث می شود که به طور یکنواخت در دایره ای به شعاع r بچرخد، که با استفاده از قانون دوم نیوتن، عبارت شتاب مرکزگرا و فرمول $F=|q|υBsinα$، به راحتی می توان آن را پیدا کرد:

$(mυ^2)/(r)=|q|υB$

از اینجا می گیریم

$r=(mυ)/(|q|B)$

که در آن $m$ جرم ذره است.

کاربرد نیروی لورنتساز عمل میدان مغناطیسی بر روی بارهای متحرک استفاده می شود، به عنوان مثال، در طیف نگارهای جرمی، که امکان جداسازی ذرات باردار را با بارهای خاص آنها، یعنی با نسبت بار یک ذره به جرم آن، و از نتایج به دست آمده برای تعیین دقیق جرم ذرات امکان پذیر می کند.

محفظه خلاء دستگاه در یک میدان قرار می گیرد (بردار القایی $B↖(→)$ عمود بر شکل است). ذرات باردار (الکترون ها یا یون ها) که توسط میدان الکتریکی شتاب می گیرند، با توصیف یک قوس، روی صفحه عکاسی می افتند، جایی که ردی از خود به جای می گذارند که اجازه می دهد شعاع مسیر $r$ را با دقت زیادی اندازه گیری کرد. این شعاع بار ویژه یون را تعیین می کند. با دانستن بار یک یون، محاسبه جرم آن آسان است.

خواص مغناطیسی مواد

به منظور توضیح وجود میدان مغناطیسی آهنرباهای دائمی، آمپر پیشنهاد کرد که جریان‌های دایره‌ای میکروسکوپی در ماده‌ای با خواص مغناطیسی وجود دارد. مولکولی). این ایده متعاقباً پس از کشف الکترون و ساختار اتم، به‌طور درخشان تأیید شد: این جریان‌ها با حرکت الکترون‌ها به دور هسته ایجاد می‌شوند و با جهت‌گیری به همین شکل، در مجموع میدانی را در اطراف و داخل ایجاد می‌کنند. آهنربا

در شکل صفحاتی که جریان های الکتریکی ابتدایی در آنها قرار دارند به دلیل حرکت حرارتی آشفته اتم ها به طور تصادفی جهت گیری می کنند و ماده خاصیت مغناطیسی از خود نشان نمی دهد. در حالت مغناطیسی (مثلاً تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی خارجی)، این صفحه‌ها به طور یکسان جهت‌گیری می‌کنند و اعمال آنها جمع می‌شود.

نفوذپذیری مغناطیسیواکنش محیط به تأثیر میدان مغناطیسی خارجی با القای $B_0$ (میدان در خلاء) با حساسیت مغناطیسی $μ$ تعیین می شود:

که در آن $B$ القای میدان مغناطیسی در ماده است. نفوذپذیری مغناطیسی مشابه ثابت دی الکتریک $ε$ است.

بر اساس خواص مغناطیسی، مواد به دو دسته تقسیم می شوند دیامغناطیس، پارامغناطیس و فرومغناطیس. برای مواد دیامغناطیس، ضریب $μ$، که ویژگی های مغناطیسی محیط را مشخص می کند، کمتر از $1 است (به عنوان مثال، برای بیسموت $μ = 0.999824 $). برای پارامغناطیس $μ > 1$ (برای پلاتین $μ = 1.00036$)؛ برای فرومغناطیس $μ >> 1$ (آهن، نیکل، کبالت).

دیامغناطیس ها توسط آهنربا دفع می شوند، مواد پارامغناطیس جذب می شوند. با این علائم می توان آنها را از یکدیگر تشخیص داد. برای بیشتر مواد، نفوذپذیری مغناطیسی عملاً با وحدت تفاوتی ندارد، فقط برای فرومغناطیس ها بسیار از آن فراتر رفته و به چند ده هزار واحد می رسد.

فرومغناطیس هافرومغناطیس ها قوی ترین خواص مغناطیسی را از خود نشان می دهند. میدان های مغناطیسی ایجاد شده توسط فرومغناطیس ها بسیار قوی تر از میدان مغناطیسی خارجی هستند. درست است که میدان های مغناطیسی فرومغناطیس ها در نتیجه چرخش الکترون ها به دور هسته ها ایجاد نمی شوند - گشتاور مغناطیسی مداریو به دلیل چرخش خود الکترون - گشتاور مغناطیسی خود نامیده می شود چرخش

دمای کوری ($T_c$) دمایی است که در بالای آن مواد فرومغناطیسی خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند. برای هر فرومغناطیس متفاوت است. برای مثال، برای آهن $Т_с = 753°$С، برای نیکل $Т_с = 365°$С، برای کبالت $Т_с = 1000°$ С، آلیاژهای فرومغناطیسی با $Т_с وجود دارد

اولین مطالعات دقیق در مورد خواص مغناطیسی فرومغناطیس ها توسط فیزیکدان برجسته روسی A. G. Stoletov (1839-1896) انجام شد.

فرومغناطیس ها به طور گسترده ای استفاده می شوند: به عنوان آهنرباهای دائمی (در ابزارهای اندازه گیری الکتریکی، بلندگوها، تلفن ها و غیره)، هسته های فولادی در ترانسفورماتورها، ژنراتورها، موتورهای الکتریکی (برای تقویت میدان مغناطیسی و صرفه جویی در مصرف برق). نوارهای مغناطیسی ساخته شده از مواد فرومغناطیسی صدا و تصاویر را برای ضبط صوت و ضبط ویدئو ضبط می کنند. اطلاعات روی فیلم های مغناطیسی نازک برای دستگاه های ذخیره سازی در رایانه های الکترونیکی ثبت می شود.

قانون لنز

قانون لنز (قانون لنز) توسط E. H. Lenz در سال 1834 ایجاد شد. این قانون القای الکترومغناطیسی را که در سال 1831 توسط M. Faraday کشف شد، اصلاح می کند. قانون لنز جهت جریان القایی را در یک حلقه بسته هنگام حرکت در میدان مغناطیسی خارجی تعیین می کند.

جهت جریان القایی همیشه به گونه ای است که نیروهایی که از میدان مغناطیسی متحمل می شود، حرکت مدار را خنثی می کند و شار مغناطیسی $Ф_1$ ایجاد شده توسط این جریان تمایل دارد تا تغییرات در شار مغناطیسی خارجی $Ф_e$ را جبران کند.

قانون لنز بیانی از قانون بقای انرژی برای پدیده های الکترومغناطیسی است. در واقع، هنگامی که یک حلقه بسته در یک میدان مغناطیسی به دلیل نیروهای خارجی حرکت می کند، لازم است که در برابر نیروهایی که در نتیجه برهم کنش جریان القایی با میدان مغناطیسی ایجاد می شود و در جهت مخالف حرکت هدایت می شود، کار انجام شود. .

قانون لنز در شکل نشان داده شده است. اگر یک آهنربای دائمی به یک سیم پیچ بسته به یک گالوانومتر منتقل شود، جریان القایی در سیم پیچ جهتی خواهد داشت که یک میدان مغناطیسی با بردار $B"$ در جهت مخالف بردار القایی میدان آهنربا $B$ ایجاد می کند. یعنی آهنربا را از سیم پیچ بیرون می کشد یا از حرکت آن جلوگیری می کند، برعکس، میدان ایجاد شده توسط جریان القایی سیم پیچ را جذب می کند، یعنی دوباره از حرکت آن جلوگیری می کند.

برای اعمال قانون لنز برای تعیین جهت جریان القایی $I_e$ در مدار، باید این توصیه ها را دنبال کنید.

1. جهت خطوط القای مغناطیسی $B↖(→)$ میدان مغناطیسی خارجی را تنظیم کنید.
2. بررسی کنید که آیا شار القای مغناطیسی این میدان از طریق سطح محدود شده توسط کانتور ($∆Φ > 0$) افزایش یا کاهش می‌یابد ($∆Φ)
3. جهت خطوط القاء مغناطیسی $В"↖(→)$ میدان مغناطیسی جریان القایی $I_i$ را تنظیم کنید.این خطوط باید طبق قانون لنز، مخالف خطوط $В↖(→)$ جهت داده شوند. ، اگر $∆Φ > 0$ باشد و اگر $∆Φ جهت آنها یکسان باشد
4. با دانستن جهت خطوط القای مغناطیسی $B"↖(→)$، جهت جریان القایی $I_i$ را با استفاده از آن تعیین کنید. قانون گیملت