Prirodni i umjetni magneti
Među željeznim rudama koje se kopaju za metaluršku industriju, postoji ruda koja se zove magnetna željezna ruda. Ova ruda ima svojstvo da privlači željezne predmete.
Komad takve željezne rude se zove prirodni magnet, a svojstvo privlačnosti koje pokazuje je magnetizam.
Danas se fenomen magnetizma izuzetno široko koristi u raznim električnim instalacijama. Međutim, sada koriste ne prirodne, već tzv umjetni magneti.
Umjetni magneti se izrađuju od specijalnih vrsta čelika. Komad takvog čelika se magnetizira na poseban način, nakon čega poprima magnetna svojstva, odnosno postaje.
Oblik trajnih magneta može biti vrlo raznolik ovisno o njihovoj namjeni.
Trajni magnet ima privlačne sile samo na svojim polovima. Zvao se kraj magneta okrenut prema sjeveru severni pol magneta, a kraj prema jugu je južnom polu magneta. Svaki trajni magnet ima dva pola: sjeverni i južni. Sjeverni pol magneta je označen slovom C ili N, južni pol slovom Y ili S.
Magnet privlači gvožđe, čelik, liveno gvožđe, nikal i kobalt. Sva ova tela se nazivaju magnetna tela. Sva druga tijela koja nisu privučena magnetom nazivaju se nemagnetna tijela.
Struktura magneta. Magnetizacija
Svako tijelo, uključujući i magnetsko, sastoji se od sitnih čestica - molekula. Za razliku od molekula nemagnetnih tijela, molekuli magnetskog tijela imaju magnetna svojstva, predstavljajući molekularne magnete. Unutar magnetskog tijela, ovi molekularni magneti smješteni su sa svojim osama u različitim smjerovima, zbog čega samo tijelo ne pokazuje nikakva magnetna svojstva. Ali ako su ovi magneti primorani da se rotiraju oko svojih osi tako da su njihovi sjeverni polovi okrenuti u jednu stranu, a južni u drugu, tada će tijelo steći magnetska svojstva, odnosno postaće magnet.
Proces kojim magnetsko tijelo stiče svojstva magneta naziva se magnetizacija. U proizvodnji trajnih magneta magnetizacija se provodi pomoću električne struje. Ali možete magnetizirati tijelo na drugi način, koristeći obični trajni magnet.
Ako se pravolinijski magnet reže duž neutralne linije, tada će se dobiti dva nezavisna magneta, a polaritet krajeva magneta će se očuvati, a na krajevima dobivenim rezanjem pojavit će se suprotni polovi.
Svaki od rezultirajućih magneta također se može podijeliti na dva magneta, i koliko god da nastavimo ovu podjelu, uvijek ćemo dobiti nezavisne magnete sa dva pola. Nemoguće je dobiti šipku sa jednim magnetnim polom. Ovaj primjer potvrđuje stav da se magnetsko tijelo sastoji od mnogo molekularnih magneta.
Magnetna tijela se međusobno razlikuju po stepenu pokretljivosti molekularnih magneta. Postoje tijela koja se brzo magnetiziraju i demagnetiziraju jednako brzo. I, naprotiv, postoje tijela koja se magnetiziraju sporo, ali zadržavaju svoja magnetna svojstva dugo vremena.
Dakle, željezo se brzo magnetizira pod utjecajem stranog magneta, ali isto tako brzo se demagnetizira, odnosno gubi svoja magnetna svojstva kada se magnet ukloni. Čelik, nakon što je jednom magnetiziran, dugo zadržava svoja magnetna svojstva, odnosno postaje trajni magnet.
Svojstvo željeza da se brzo magnetizira i demagnetizira se objašnjava činjenicom da su molekularni magneti željeza izuzetno pokretni, lako se rotiraju pod utjecajem vanjskih magnetskih sila, ali se jednako brzo vraćaju u prethodni neuređeni položaj kada je magnetizirajuće tijelo uklonjeno.
Međutim, u gvožđu mali deo magneta, čak i nakon uklanjanja trajnog magneta, još neko vreme nastavlja da ostane u položaju koji su zauzeli tokom magnetizacije. Posljedično, željezo nakon magnetizacije zadržava vrlo slaba magnetna svojstva. To potvrđuje i činjenica da kada je željezna ploča uklonjena sa pola magneta, nisu sva strugotina pala s njenog kraja - mali dio ih je ostao privučen ploči.
Svojstvo čelika da ostane magnetiziran dugo vremena objašnjava se činjenicom da se molekularni magneti čelika teško okreću u željenom smjeru kada su magnetizirani, ali zadržavaju stabilan položaj dugo vremena čak i nakon uklanjanja magnetizacije. tijelo.
Sposobnost magnetnog tijela da pokaže magnetna svojstva nakon magnetizacije naziva se rezidualni magnetizam.
Fenomen rezidualnog magnetizma uzrokovan je činjenicom da u magnetskom tijelu djeluje takozvana sila usporavanja koja drži molekularne magnete u poziciji koju zauzimaju tijekom magnetizacije.
U željezu je sila usporavanja vrlo slaba, zbog čega se brzo demagnetizira i ima vrlo malo preostalog magnetizma.
Svojstvo željeza da se brzo magnetizira i demagnetizira izuzetno se široko koristi u elektrotehnici. Dovoljno je reći da su jezgra svih uređaja koji se koriste u električnim uređajima napravljena od posebnog željeza, koje ima izuzetno nizak rezidualni magnetizam.
Čelik ima veliku snagu zadržavanja, zbog čega zadržava svojstvo magnetizma. Stoga se izrađuju od specijalnih čeličnih legura.
Na svojstva trajnog magneta negativno utječu udarci, udarci i nagle temperaturne fluktuacije. Ako se, na primjer, trajni magnet zagrije užareno, a zatim ostavi da se ohladi, potpuno će izgubiti svoja magnetna svojstva. Na isti način, ako se permanentni magnet podvrgne udaru, njegova privlačna sila će se značajno smanjiti.
To se objašnjava činjenicom da se snažnim zagrijavanjem ili udarima prevladava učinak sile usporavanja i time se narušava uređeni raspored molekularnih magneta. Zbog toga se sa trajnim magnetima i uređajima koji sadrže trajne magnete treba pažljivo rukovati.
Oko svakog magneta postoji tzv.
Magnetno polje je prostor u kojem djeluju magnetske sile. Magnetno polje trajnog magneta je onaj dio prostora u kojem djeluju polja pravolinijskog magneta i magnetske sile ovog magneta.
Magnetne sile magnetskog polja djeluju u određenim smjerovima. Dogovoreno je da se nazovu pravci djelovanja magnetskih sila magnetne linije sile. Ovaj termin se široko koristi u proučavanju elektrotehnike, ali moramo zapamtiti da magnetne linije sile nisu materijalne: ovo je konvencionalni koncept uveden samo da bi se olakšalo razumijevanje svojstava magnetnog polja.
Oblik magnetnog polja, odnosno položaj linija magnetnog polja u prostoru zavisi od oblika samog magneta.
Linije magnetnog polja imaju niz svojstava: uvijek su zatvorene, nikada se ne ukrštaju, teže da idu najkraćim putem i odguruju se jedna od druge ako su usmjerene u istom smjeru. Općenito je prihvaćeno da linije sile napuštaju sjeverni pol magneta i ulaze u njegov južni pol; unutar magneta imaju smjer od južnog pola prema sjeveru.
Kao što se magnetski polovi odbijaju, za razliku od magnetnih polova privlače.
Nije teško u praksi provjeriti da su oba zaključka tačna. Uzmite kompas i dovedite do njega jedan od polova pravog magneta, na primjer sjeverni. Vidjet ćete da će strelica momentalno okrenuti svoj južni kraj prema sjevernom polu magneta. Ako brzo okrenete magnet za 180°, tada će se magnetna igla odmah okrenuti za 180°, tj. njen sjeverni kraj će biti okrenut prema južnom polu magneta.
Magnetna indukcija. Magnetski fluks
Sila utjecaja (privlačenja) trajnog magneta na magnetsko tijelo opada sa povećanjem udaljenosti između pola magneta i ovog tijela. Magnet pokazuje najveću silu privlačenja direktno na svojim polovima, odnosno tačno tamo gde su magnetne linije sile najgušće locirane. Kako se udaljavate od pola, gustoća linija sile se smanjuje, nalaze se sve rjeđe, a istovremeno sila privlačenja magneta slabi.
Dakle, sila privlačenja magneta u različitim tačkama magnetnog polja nije ista i karakteriše je gustina linija polja. Da bi se okarakterisalo magnetsko polje u njegovim različitim tačkama, veličina tzv indukcija magnetnog polja.
Magnetska indukcija polja numerički je jednaka broju linija polja koje prolaze kroz površinu od 1 cm2 koja se nalazi okomito na njihov smjer.
To znači da što je veća gustina linija polja u datoj tački polja, veća je magnetna indukcija u ovoj tački.
Ukupan broj magnetnih linija sile koje prolaze kroz bilo koje područje naziva se magnetni tok.
Magnetski fluks je označen slovom F i povezan je s magnetskom indukcijom sljedećim odnosom:
F = BS,
gdje je F magnetski fluks, B je indukcija magnetskog polja; S je površina kroz koju prodire dati magnetni tok.
Ova formula vrijedi samo ako se područje S nalazi okomito na smjer magnetskog toka. Inače, veličina magnetskog fluksa ovisit će i o kutu pod kojim se nalazi područje S, pa će formula dobiti složeniji oblik.
Magnetski tok trajnog magneta određen je ukupnim brojem linija sile koje prolaze kroz poprečni presjek magneta. Što je veći magnetni tok stalnog magneta, to je veća privlačna sila ovog magneta.
Magnetski fluks trajnog magneta zavisi od kvaliteta čelika od kojeg je magnet napravljen, od veličine samog magneta i od stepena njegove magnetizacije.
Magnetna permeabilnost
Sposobnost tijela da propušta magnetni tok kroz sebe naziva se magnetna permeabilnost. Lakše je da magnetni tok prođe kroz vazduh nego kroz nemagnetno telo.
Da bismo mogli da uporedimo različite supstance po njihovim vrednostima, uobičajeno je da se pretpostavi da je magnetna permeabilnost vazduha jednaka jedinici.
Supstance čija je magnetna permeabilnost manja od jedinice nazivaju se dijamagnetne. To uključuje bakar, olovo, srebro itd.
Aluminij, platina, kalaj itd. imaju magnetsku permeabilnost nešto veću od jedinice i nazivaju se paramagnetne tvari.
Supstance magnetna permeabilnost koji su znatno veći od jedan (mjereno u hiljadama) nazivaju se feromagnetni. Tu spadaju nikl, kobalt, čelik, gvožđe itd. Od ovih supstanci i njihovih legura izrađuju se sve vrste magnetnih i elektromagnetnih uređaja i delovi raznih električnih mašina.
Od praktičnog interesa za komunikacijsku tehnologiju su specijalne legure željeza i nikla, koje se nazivaju permalloys.
Nakon što je Amper pretpostavio da nema „magnetnih naelektrisanja“ i da se magnetizacija tela objašnjava molekularnim kružnim strujama (§§ 57 i 61), prošlo je skoro sto godina kada je, konačno, ova pretpostavka u potpunosti ubedljivo dokazana direktnim eksperimentima. Pitanje prirode magnetizma razriješeno je eksperimentima u oblasti takozvanih magneto-mehaničkih pojava. Metode za izvođenje i izračunavanje ovih eksperimenata razvijene su na osnovu ideja o strukturi atoma koje su razvili Rutherford 1911. i Bohr 1913. (međutim, neki eksperimenti sličnog koncepta izvedeni su ranije, posebno Maxwell, ali bez uspjeha ).
Kada je Rutherford proučavao fenomen radioaktivnosti, otkriveno je da se elektroni u atomima rotiraju u zatvorenim orbitama oko pozitivno nabijenih atomskih jezgara; Bohr je u teorijskoj analizi spektra pokazao da su samo neke od ovih orbita stabilne; konačno, nakon ovoga (1925. godine, takođe na osnovu analize spektra), otkrivena je rotacija elektrona oko svoje ose, kao da je analogna dnevnoj rotaciji Zemlje; kombinacija ovih podataka dovela je do jasnog razumijevanja prirode amperskih kružnih struja. Postalo je očigledno da su glavni elementi magnetizma u supstancama: ili rotacija elektrona oko jezgara, ili rotacija elektrona oko njihove ose, ili obe ove rotacije istovremeno.
Prilikom postavljanja 1914-1915. Prvi uspješni magnetomehanički eksperimenti, koji su objašnjeni u nastavku, u početku su pretpostavljali da su magnetska svojstva tvari u potpunosti određena orbitalnim kretanjem elektrona oko jezgara. Međutim, kvantitativni rezultati gore navedenih eksperimenata pokazali su da svojstva feromagnetnih i paramagnetnih supstanci nisu određena kretanjem elektrona po orbitama, već rotacijom elektrona oko njihove ose.
Da bismo razumjeli namjeru magnetomehaničkih eksperimenata i ispravno ocijenili zaključke do kojih su ti eksperimenti doveli, potrebno je izračunati omjer magnetskog momenta kružne struje stvorene kretanjem elektrona i mehaničkog ugaonog momenta elektrona.
Veličina bilo koje struje, kao što je poznato, određena je količinom električne energije koja prolazi kroz poprečni presjek u jedinici vremena; Očigledno je da je veličina struje ekvivalentna orbitalnoj rotaciji elektrona jednaka proizvodu naboja elektrona i broja okretaja u jedinici vremena, gdje je brzina elektrona i polumjer orbite. Navedeni proizvod izražava vrijednost ekvivalentne struje u elektrostatičkim jedinicama. Da bi se dobila veličina struje u elektromagnetnim jedinicama, prikazani proizvod se mora podijeliti sa brzinom svjetlosti (str. 296); dakle,
Kružna struja formira isto magnetno polje kao i magnetni sloj sa momentom jednakim umnošku struje i površine koja teče oko nje (formula (17)):
Dakle, vidimo da kretanje elektrona oko jezgra daje atomu magnetni moment jednak
Upoređujući ovaj magnetni moment sa mehaničkim ugaonim momentom elektrona:
nalazimo da omjer magnetskog momenta i mehaničkog impulsa ne ovisi ni o brzini elektrona ni o radijusu orbite
Zaista, potpunija teorija pokazuje da jednačina (33) vrijedi ne samo za kružne orbite, već i za eliptične orbite elektrona.
Rotacija elektrona oko svoje ose daje određeni magnetni moment samom elektronu. Rotacija elektrona oko svoje ose naziva se spin (od engleske reči "spin", što znači rotacija oko ose). Ako pretpostavimo da elektron ima sferni oblik i da je naboj elektrona raspoređen jednoličnom gustinom po sfernoj površini, onda proračuni pokazuju da je odnos spinskog magnetnog momenta elektrona i mehaničkog momenta rotacije elektrona oko njegova os je dvostruko veća od sličnog omjera za orbitalno kretanje:
Gore navedena razmatranja o proporcionalnosti magnetnog momenta i rotacionog momenta ukazuju na to da, pod određenim uslovima, magnetne pojave mogu biti povezane sa žiroskopskim efektima. Maxwell je pokušao eksperimentalno otkriti ovu vezu između magnetskih fenomena i žiroskopskih efekata, ali samo Einsteinu i de Haasu (1915), A.F. Ioffeu i P.L. Kapitsi (1917) i Barnetu (1914 i 1922) je to po prvi put bilo moguće. za izvođenje uspješnih eksperimenata. Ajnštajn i de Has su ustanovili da gvozdena šipka okačena u solenoid kao jezgro, kada je magnetizovana strujom koja prolazi kroz solenoid, dobija rotacioni impuls (Sl. 256). Da bi postigli primjetan učinak, Einstein i de Haas su iskoristili fenomen rezonancije, izvodeći periodično preokretanje magnetizacije naizmjeničnom strujom s frekvencijom koja se poklapa s frekvencijom prirodnih torzijskih vibracija štapa.
Rice. 256. Šema eksperimenta Ajnštajna i de Hasa, a - ogledalo, O - izvor svetlosti.
Einstein i de Haas efekat se objašnjava na sljedeći način. Kada su magnetizirane, osi elementarnih magneta - "vrhovi elektrona" - su orijentirane u smjeru magnetskog polja; geometrijski zbir rotacionih impulsa "elektronskih vrhova" postaje različit od nule, a pošto je na početku eksperimenta rotacioni impuls gvozdene šipke (smatrane kao mehanički sistem atoma) bio jednak nuli, onda je prema zakon održanja rotacionog impulsa
(tom I, § 38) zbog magnetizacije, štap kao celina mora da dobije impuls rotacije jednak po veličini, ali suprotnog smera od geometrijskog zbira rotacionih impulsa „elektronskih vrhova“.
Barnet je izveo suprotan eksperiment Einsteina i de Haasa, naime, Barnet je izazvao magnetizaciju gvozdene šipke, uzrokujući njeno brzo rotiranje; magnetizacija se dogodila u smjeru suprotnom od osi rotacije. Kao što, zbog svakodnevne rotacije Zemlje, os žirokompasa zauzima položaj paralelan sa Zemljinom osom (Tom I, § 38), na isti način, u Barnetovom eksperimentu, ose „elektronskih vrhova” zauzeti položaj paralelan osi rotacije željezne šipke (zbog činjenice da je naelektrisanje elektrona negativno, smjer magnetizacije će biti suprotan osi rotacije štapa).
U eksperimentima A.F. Ioffea i P.L. Kapitsa (1917), magnetizirana željezna šipka obješena na konac je bila podvrgnuta brzom zagrijavanju iznad Curie tačke. U ovom slučaju, izgubljen je uređeni raspored "elementarnih vrhova", čije su osi, zbog magnetizacije, orijentirane duž polja paralelno s osi štapa, i zamijenjen haotičnom raspodjelom smjera osi, tako da se pokazalo da su ukupni magnetni i mehanički momenti “elementarnih vrhova” blizu nule (slika 257). Zbog zakona održanja ugaonog momenta, gvozdena šipka dobija rotacioni moment kada je demagnetizovana.
Rice. 257. Dijagram koji objašnjava ideju eksperimenta Ioffe-Kapitsa. a - gvozdena šipka je magnetizovana; b - štap se demagnetizira zagrijavanjem iznad Curie tačke.
Mjerenja magnetskog momenta i momenta rotacije u eksperimentima Einsteina i de Haasa, u eksperimentima Barneta i u eksperimentima Ioffea i Kapitze, koja su u više navrata ponavljali mnogi naučnici, pokazala su da je omjer ovih veličina određen formulom (34), a ne formulom (33). Ovo ukazuje da je glavni element magnetizma u željezu (i općenito u feromagnetnim tijelima) spin-aksijalna rotacija elektrona, a ne orbitalno kretanje elektrona oko pozitivnih jezgara atoma.
Međutim, orbitalno kretanje elektrona također utječe na magnetska svojstva tvari: magnetni moment atoma, jona i molekula je geometrijski zbir spinskih i orbitalnih magnetnih momenata (međutim, struktura atoma je takva da momenti spina opet igraju odlučujuću ulogu ulogu u ovoj sumi).
Kada je ukupni magnetni moment čestice nula, ispada da je supstanca dijamagnetna. Formalno, dijamagnetne tvari karakterizira magnetska permeabilnost manja od jedan; stoga negativna magnetska osjetljivost znači da su dijamagnetne tvari magnetizirane u smjeru suprotnom jačini magnetizirajućeg polja.
Teorija elektrona objašnjava dijamagnetizam uticajem magnetnog polja na orbitalno kretanje elektrona oko jezgara. Ovo kretanje elektrona, kao što je već objašnjeno, ekvivalentno je struji. Kada magnetno polje počne da djeluje na atom i njegov intenzitet poraste od nule do određene vrijednosti, "inducira se dodatna struja", koja, prema Lenzovom zakonu (§ 71), ima takav smjer da magnetni moment koji stvara ova “dodatna struja” je uvijek usmjerena suprotno od one koja je porasla od nule do polja. Ako je magnetizirajuće polje okomito na orbitalnu ravan, onda ono jednostavno mijenja brzinu elektrona u njegovoj orbiti, a ova promijenjena vrijednost brzine se održava sve dok je atom u magnetskom polju; ako polje nije okomito na orbitalnu ravan, tada nastaje i uspostavlja se precesiono kretanje orbitalne ose oko pravca polja (slično kao precesija ose vrha oko vertikale koja prolazi kroz uporište vrha) (Tom I, § 38).
Proračuni dovode do sljedeće formule za magnetsku osjetljivost dijamagnetnih tvari:
ovdje su naboj i masa elektrona, broj elektrona u atomu, broj atoma po jedinici zapremine materije, prosječni polumjer elektronskih orbita.
Dakle, dijamagnetski efekat je zajedničko svojstvo svih supstanci; međutim, ovaj efekat je mali i stoga se može uočiti samo ako nasuprot njemu nema jakog paramagnetnog efekta.
Teoriju paramagnetizma razvio je Langevin 1905. godine i razvio je na osnovu modernih koncepata Flecka, Stonera i drugih (1927. i narednih godina). Ovisno o strukturi atoma, magnetni momenti koje stvaraju pojedinačni unutaratomski elektroni mogu se međusobno poništiti, tako da se atom kao cjelina ispostavi da je nemagnetni (takve tvari pokazuju dijamagnetska svojstva), ili rezultirajuća pokazuje se da je magnetni moment atoma različit od nule. U ovom poslednjem slučaju, kao što pokazuje kvantna mehanika, magnetni moment atoma (tačnije, njegove elektronske ljuske) je prirodno izražen (Vol. III, §§ 59, 67-70) kroz neku vrstu „atoma magnetizma“ Prema do kvanta
U mehanici, ovaj "atom magnetizma" je magnetni moment koji nastaje rotacijom elektrona oko jezgra - Borov magneton, jednak
(ovdje naboj elektrona, Planckova konstanta, c je brzina svjetlosti, masa elektrona).
Svaki elektron ima potpuno isti magnetni moment, bez obzira na njegovo kretanje oko jezgra, ali zbog svoje strukture ili, kako se konvencionalno kaže, zbog rotacije oko ose. Magnetski moment spina jednak je Borovom magnetonu, dok je mehanički moment spina [u skladu sa formulama (33) i (34)] jednak polovini orbitalnog momenta elektrona.
Neka atomska jezgra takođe imaju magnetne momente, ali hiljade puta manje od magnetnih momenata svojstvenih elektronskim omotačima atoma § 115). Magnetski momenti jezgara izražavaju se kroz nuklearni magneton, čija je vrijednost određena istom formulom kao i vrijednost Bohrovog magnetona, ako se u ovoj formuli masa elektrona zamijeni masom protona.
Prema Langevinovoj teoriji, kada je paramagnetna supstanca magnetizirana, molekuli su orijentirani svojim magnetnim momentima u smjeru linija polja, ali molekularna toplinska
kretanje u jednom ili drugom stepenu poremeti ovu orijentaciju. Molekularna slika magnetizacije paramagnetne tvari slična je polarizaciji dielektrika (§ 22), ako, naravno, zamislimo da se tvrdi električni dipoli zamjenjuju elementarnim magnetima, a električno polje zamjenjuje magnetnim poljem. Stepen orijentacije elementarnih magneta u pravcu magnetizirajućeg polja može se suditi po vrijednosti prosječne projekcije magnetnog momenta na smjer polja (izračunato po molekulu). Sa slučajnim rasporedom osi elementarnih magneta, kada su svi elementarni magneti orijentisani u pravcu polja,
Langevin je pokazao da se pri temperaturi i intenzitetu unutrašnjeg magnetnog polja ujutro, slično formuli za § 22), omjer izražava sljedećom funkcijom:
Za male vrijednosti, kao što je već spomenuto u § 22, gornja Langevinova funkcija (36) poprima vrijednost y, tako da u ovom slučaju
Očigledno, magnetizacija je jednaka proizvodu vrijednosti i broja molekula po jedinici volumena:
Dakle, pri konstantnoj gustoći supstance, magnetizacija je obrnuto proporcionalna apsolutnoj temperaturi. Ovu činjenicu je empirijski utvrdio Curie 1895.
Za većinu paramagnetnih supstanci ona je mala u poređenju sa jedinicom, stoga se zamenom u formuli i zamenom kroz vrednost u poređenju sa jedinicom može zanemariti; onda dobijamo:
gdje označava specifičnu magnetnu osjetljivost (tj. osjetljivost po jedinici mase). Ova formula se zove Curiejev zakon. Za mnoge paramagnete tačniji je sljedeći, složeniji oblik Curieovog zakona [formula (31)]:
Vrijednost za neke paramagnetne tvari je pozitivna, za druge negativna.
Kada se magnetizira, paramagnetna supstanca se uvlači u prostor između polova magneta. Stoga, tokom magnetizacije, paramagnetna supstanca može proizvesti rad, dok se rad mora potrošiti na demagnetizaciju. U tom smislu, kao što je teoretski predvidio Debye, paramagnetne supstance tokom brze adijabatske demagnetizacije trebale bi da dožive izvesno hlađenje (posebno u oblasti veoma niskih temperatura, gde magnetna osetljivost paramagnetnog materijala uveliko raste sa padom temperature). Eksperimenti sprovedeni od 1933. godine u nizu laboratorija potvrdili su zaključke teorije i poslužili kao osnova za razvoj magnetske metode za duboko hlađenje tela. Paramagnetna tvar se konvencionalnim metodama hladi u magnetskom polju do temperature tekućeg helijuma, nakon čega se supstanca brzo uklanja iz magnetskog polja, što uzrokuje još veće smanjenje temperature u ovoj tvari. Ova metoda proizvodi temperature koje se razlikuju od apsolutne nule za hiljaditi dio stepena.
Karakteristična karakteristika feromagnetnih tvari je da su u relativno slabim poljima magnetizirane gotovo do potpunog zasićenja. Dakle, u feromagnetima postoje neke sile koje, savladavajući utjecaj toplinskog kretanja, pospješuju uređenu orijentaciju elementarnih magnetnih momenata. Pretpostavku o postojanju unutrašnjeg polja sila koje podstiču magnetizaciju feromagneta prvi je izneo ruski naučnik B. L. Rosing 1892. godine, a potkrepio P. Weiss 1907. godine.
U feromagnetnim supstancama, elementarni magneti su elektroni koji rotiraju oko svoje ose - spinovi. U razvoju Weissovih ideja, pretpostavlja se da spinovi, koji se nalaze na čvorovima kristalne rešetke i u interakciji jedni s drugima, stvaraju unutrašnje polje, koje se u odvojenim malim područjima feromagnetnog kristala (ova područja se nazivaju domeni) okreće. svi se vrte u jednom pravcu, tako da se svaka takva oblast (domen) spontano (spontano) magnetizira do zasićenja. Međutim, susjedna područja kristala u odsustvu vanjskog magnetskog polja imaju različite smjerove
magnetizacija. Proračuni pokazuju da, na primjer, u kristalima željeza, može doći do "spontane" magnetizacije u smjeru bilo kojeg ruba kubične kristalne ćelije.
Slabo vanjsko magnetsko polje uzrokuje da se svi spinovi u domeni okreću u smjeru onog ruba kubične ćelije koji čini najmanji ugao sa smjerom magnetizirajućeg polja.
Rice. 258. Orijentacija spinova u domenima pri magnetizaciji feromagneta.
Jače polje uzrokuje da se spinovi ponovo rotiraju bliže smjeru polja. Magnetno zasićenje se postiže kada su magnetni momenti svih spontano magnetiziranih mikrokristalnih područja orijentirani u smjeru polja. Kada su magnetizirani, ne rotiraju se domeni, već svi spinovi u njima; sva leđa u bilo kojem mikrokristalnom se okreću u isto vrijeme, kao vojnici u formaciji; ova rotacija spinova se javlja prvo u nekim domenima, zatim u drugim. Dakle, proces magnetizacije feromagnetne supstance je stepenasti (Sl. 258).
Eksperimentalno, stepenastu magnetizaciju je prvi otkrio Barkhausen (1919). Najjednostavniji eksperiment pogodan za demonstriranje ovog fenomena je sljedeći: željezna šipka umetnuta u zavojnicu povezanu s telefonom postepeno se magnetizira polaganim okretanjem potkovičastog magneta obješenog iznad zavojnice (Sl. 259); Istovremeno, u telefonu se čuje karakterističan zvuk šuštanja, koji se raspada u odvojene otkucaje ako se magnetizirajuće polje menja dovoljno sporo (za stotinke ersteda u sekundi).
Rice. 259. Barkhausenov eksperiment.
Pokazalo se da je Barkhausenov efekat izuzetno jak pri magnetiziranju tanke žice od nikla, koja je prethodno uvijena u uvojak provlačenjem kroz blok, a zatim umetnuta u kapilaru koja je na silu drži u ispravljenom stanju. Intermitentna priroda magnetizacije utiče na dijagram magnetizacije u obliku sitnih stepenastih koraka (Sl. 260).
Područja spontane magnetizacije - domene - eksperimentalno je otkrio i proučavao N. S. Akulov, koji je za to koristio metodu detekcije magnetnih grešaka u prahu koju je razvio. Pošto su domeni slični malim magnetima, polje na granici između njih nije jednolično.
Rice. 260. Stepenasta priroda krivulja magnetizacije. Područja označena kružićima prikazana su u uvećanoj skali.
Da bi se otkrili obrisi domena, uzorak demagnetizirane feromagnetne tvari stavlja se pod mikroskop i površina uzorka se premazuje tekućinom koja sadrži najfiniji željezni prah. Gvozdena prašina, koja se skuplja blizu granica domena, jasno obeležava njihove konture (Sl. 261),
Rice. 261. Domeni u čistom gvožđu (a), u silicijumskom gvožđu (b) i u kobaltu (c).
U gore objašnjenoj slici nastanka feromagnetnih svojstava, jedan važan dio je ostao nejasan neko vrijeme, a to je priroda sila koje formiraju unutrašnje polje koje uzrokuje uređenu orijentaciju spinova unutar domena. Godine 1927. sovjetski fizičar Ya. G. Dorfman izveo je eksperiment koji je pokazao da sile unutrašnjeg polja u feromagnetima nisu
su sile magnetske interakcije, ali imaju drugačije porijeklo. Izolujući uski snop od struje elektrona koji se brzo kreću („beta zraka“ koje emituju radioaktivne supstance), Dorfman je prisilio ove elektrone da prođu kroz tanak feromagnetski film nikla; Iza filma od nikla postavljena je fotografska ploča koja je omogućila, nakon razvoja, da se utvrdi gdje se elektroni susreću s njim, tako da je bilo moguće s velikom preciznošću izmjeriti ugao pod kojim su se elektroni skretali pri prolasku kroz magnetizirani film. film od nikla (sl. 262). Proračuni pokazuju da kada bi unutrašnje polje u feromagnetu bilo prirode običnih magnetskih interakcija, onda bi se trag elektronskog snopa na fotografskoj ploči u Dorfmanovoj instalaciji pomaknuo za skoro 2 cm; u stvarnosti se pokazalo da je pomak zanemarljiv.
Rice. 262. Dijagram koji objašnjava ideju Dorfmanovog eksperimenta.
Teorijsko istraživanje prof. Frenkel (1928) i kasnije Bloch, Stoner i Slater su pokazali da je uređena orijentacija spinova u domenima uzrokovana posebnom vrstom sila čije je postojanje otkrila kvantna mehanika i koje se manifestuju u hemijskoj interakciji atoma (u kovalentna veza; tom I, § 130). Ove sile, prema metodi njihovog izračunavanja i tumačenja prihvaćenom u kvantnoj mehanici, nazivaju se sile razmjene. Proračuni su pokazali da je energija razmjene između atoma željeza u jednom kristalu stotine puta veća od energije magnetske interakcije. Ovo je u skladu sa mjerenjima koja je izvršio Ya. G. Dorfman u gore navedenim eksperimentima.
Ipak, praktično najvažnija svojstva feromagneta nisu određena toliko interakcijom razmene, već uglavnom magnetnom interakcijom. Činjenica je da iako je postojanje područja “spontane” magnetizacije (domena) u feromagnetima uzrokovano razmjenskim silama (uređena orijentacija spinova odgovara minimalnoj energiji razmjenske interakcije, tj. najstabilnija je), dominantna je pravci magnetizacije domena određeni su simetrijom kristalne rešetke i odgovaraju minimalnoj energiji magnetne interakcije. A proces tehničke magnetizacije, kao što je gore objašnjeno (slika 258), sastoji se u okretanju svih spinova unutar pojedinačnih domena, prvo u pravcu kristalografske ose lake magnetizacije, koja čini najmanji ugao sa smerom polja, a zatim u okretanju okretaja u pravcu polja. Energetski utrošak potreban za izvođenje ovakvog postupnog preokretanja okretaja u svim redovima
domene i njihova rotacija duž polja, kao i niz veličina koje zavise od navedenih troškova energije (vrijednosti koje određuju magnetizaciju, magnetostrikciju i druge pojave), najuspješnije se izračunavaju metodama koje je razvio N. S. Akulov (od 1928.) i E. Kondorsky (od 1937).
Rice. 263. Poređenje teoretskih krivulja magnetizacije sa eksperimentalnim podacima (prikazani su kružićima) za monokristal željeza.
Od sl. 263, koji predstavljamo kao jedan od primjera, može se vidjeti da se teorijske krive dobivene iz jednačina N. S. Akulova dobro slažu s eksperimentalnim podacima; dijagram desno predstavlja magnetizaciju željeznog monokristala u smjeru prostorne dijagonale kubične rešetke, dijagram lijevo predstavlja isto u smjeru dijagonale površine kocke,
Sadrži teorijski materijal o dijelu "Magnetizam" discipline "Fizika".
Osmišljen da pomogne studentima tehničkih specijalnosti svih oblika studija u samostalnom radu, kao iu pripremi za vježbe, kolokvijume i ispite.
© Andreev A.D., Chernykh L.M., 2009
Državna obrazovna ustanova visokog stručnog obrazovanja „Sankt Peterburg Državni univerzitet za telekomunikacije im. prof. M.A. Bonch-Bruevich", 2009
UVOD
Godine 1820. Hans Christian Oersted, profesor na Univerzitetu u Kopenhagenu, držao je predavanja o elektricitetu, galvanizmu i magnetizmu. U to vrijeme elektricitet se zvao elektrostatika, galvanizam je bio naziv za pojave uzrokovane jednosmjernom strujom primljenom iz baterija, magnetizam se povezivao sa poznatim svojstvima željeznih ruda, sa iglom kompasa, sa magnetnim poljem Zemlje.
U potrazi za vezom između galvanizma i magnetizma, Oersted je eksperimentirao s propuštanjem struje kroz žicu obješenu iznad igle kompasa. Kada je struja uključena, strelica je odstupila od meridijanskog pravca. Ako se smjer struje promijeni ili se strelica postavi iznad struje, ona je odstupila u drugom smjeru od meridijana.
Oerstedovo otkriće bilo je snažan poticaj za daljnja istraživanja i otkrića. Prošlo je malo vremena i Ampere, Faraday i drugi su izvršili potpunu i tačnu studiju magnetskog djelovanja električnih struja. Faradejevo otkriće fenomena elektromagnetne indukcije dogodilo se 12 godina nakon Oerstedovog eksperimenta. Na osnovu ovih eksperimentalnih otkrića izgrađena je klasična teorija elektromagnetizma. Maxwell mu je dao konačan oblik i matematički oblik, a Hertz ga je sjajno potvrdio 1888. godine, eksperimentalno dokazavši postojanje elektromagnetnih valova.
1. MAGNETSKO POLJE U VAKUUMU
1.1. Interakcija struja. Magnetna indukcija
Električne struje međusobno djeluju. Kao što pokazuje iskustvo, dva ravna paralelna vodiča kroz koja teku struje privlače se ako struje u njima imaju isti smjer, a odbijaju se ako su struje suprotnog smjera (slika 1). Štaviše, sila njihove interakcije po jedinici dužine vodiča direktno je proporcionalna jačini struje u svakom od vodiča i obrnuto proporcionalna udaljenosti između njih. Zakon interakcije struja eksperimentalno je ustanovio Andre Marie Ampere 1820. godine.
U metalima, ukupni naboj pozitivno nabijene jonske rešetke i negativno nabijenih slobodnih elektrona je nula. Naelektrisanja su ravnomerno raspoređena u provodniku. Dakle, oko provodnika nema električnog polja. Zbog toga provodnici ne stupaju u interakciju jedni s drugima u odsustvu struje.
Međutim, u prisutnosti struje (uređeno kretanje slobodnih nosača naboja), dolazi do interakcije između vodiča, koja se obično naziva magnetskom.
U modernoj fizici, magnetska interakcija struja se tumači kao relativistički efekat koji se javlja u referentnom okviru u odnosu na koji se odvija uređeno kretanje naelektrisanja. U ovom tutorijalu koristit ćemo koncept magnetskog polja kao svojstvo prostora koji okružuje električnu struju. Postojanje magnetskog polja struje manifestuje se kada je u interakciji sa drugim provodnicima sa strujom (Amperov zakon), ili kada je u interakciji sa pokretnom naelektrisanom česticom (Lorentzova sila, pododeljak 2.1), ili kada skrene magnetnu iglu postavljenu blizu provodnika sa struja (Oerstedov eksperiment).
Za karakterizaciju magnetnog polja struje uvodimo koncept vektora magnetske indukcije. Za ovo, slično kao što je koncept punjenja ispitne tačke korišten pri određivanju karakteristika elektrostatičkog polja, pri uvođenju vektora magnetske indukcije koristit ćemo ispitni krug sa strujom. Neka bude ravno zatvoreno 
obris proizvoljnog oblika i male veličine. Toliko malo da se na mjestima gdje se nalazi magnetsko polje može smatrati istim. Orijentaciju konture u prostoru karakterizirat će vektor normale na konturu, povezan sa smjerom struje u njoj po pravilu desnog zavrtnja (gimleta): kada se ručka gimleta rotira u smjeru struja (Sl. 2), translacijsko kretanje vrha gimleta određuje smjer vektora jedinične normale prema ravni konture.
X 
karakteristika ispitnog kola je njegov magnetni moment, gdje s– područje ispitnog kruga.
E 
Ako postavite ispitni krug sa strujom na odabranu tačku pored istosmjerne struje, struje će međusobno djelovati. U ovom slučaju, na ispitni krug sa strujom će utjecati obrtni moment para sila M(Sl. 3). Veličina ovog momenta, kao što pokazuje iskustvo, zavisi od svojstava polja u datoj tački (krug je male veličine) i od svojstava kola (njegov magnetni moment).
Na sl. 4, što je poprečni presjek sl. 3 horizontalna ravan, prikazuje nekoliko položaja ispitnog kruga sa strujom u jednosmjernom magnetskom polju I. Tačka u krugu označava smjer struje prema posmatraču. Križ označava smjer struje iza uzorka. Pozicija 1 odgovara stabilnoj ravnoteži kola ( M= 0) kada ga sile rastežu. Pozicija 2 odgovara nestabilnoj ravnoteži ( M= 0). U položaju 3, ispitni krug sa strujom podliježe maksimalnom momentu. Ovisno o orijentaciji kruga, veličina momenta može poprimiti bilo koju vrijednost od nule do maksimuma. Kao što iskustvo pokazuje, u bilo kojoj tački, tj. maksimalna vrijednost mehaničkog momenta para sila ovisi o veličini magnetskog momenta ispitnog kruga i ne može poslužiti kao karakteristika magnetskog polja u tački koja se proučava. Omjer maksimalnog mehaničkog momenta para sila i magnetskog momenta ispitnog kruga ne ovisi o posljednjem i može poslužiti kao karakteristika magnetskog polja. Ova karakteristika se naziva magnetna indukcija (indukcija magnetnog polja)
IN 
tretiramo ga kao vektorsku veličinu. Za smjer vektora magnetske indukcije uzet ćemo smjer magnetskog momenta ispitnog kola sa strujom, smještenog u tački polja koja se proučava, u položaj stabilne ravnoteže (položaj 1 na sl. 4). Ovaj smjer se poklapa sa smjerom sjevernog kraja magnetne igle postavljene u ovoj tački. Iz navedenog proizilazi da karakterizira djelovanje sile magnetskog polja na struju i stoga je analog jakosti polja u elektrostatici. Vektorsko polje se može predstaviti pomoću linija magnetne indukcije. U svakoj tački na pravoj, vektor je usmjeren tangentno na nju. Budući da vektor magnetske indukcije u bilo kojoj tački polja ima određeni smjer, onda je smjer linije magnetske indukcije jedinstven u svakoj tački polja. Zbog toga se linije magnetne indukcije, kao i linije električnog polja, ne seku. Na sl. Slika 5 prikazuje nekoliko linija indukcije magnetskog polja jednosmerne struje, prikazanih u ravni okomitoj na struju. Imaju oblik zatvorenih krugova sa centrima na trenutnoj osi.
Treba napomenuti da su linije magnetnog polja uvijek zatvorene. Ovo je karakteristična karakteristika vrtložnog polja u kojem je fluks vektora magnetske indukcije kroz proizvoljnu zatvorenu površinu jednak nuli (Gaussov teorem u magnetizmu).
1.2. Biot-Savart-Laplaceov zakon.
Princip superpozicije u magnetizmu
Biot i Savard su 1820. godine proveli istraživanje magnetnih polja struja različitih oblika. Otkrili su da je magnetna indukcija u svim slučajevima proporcionalna jačini struje koja stvara magnetno polje. Laplace je analizirao eksperimentalne podatke koje su dobili Biot i Savart i otkrio da je magnetno polje struje I bilo koje konfiguracije može se izračunati kao vektorski zbir (superpozicija) polja kreiranih pojedinačnim elementarnim sekcijama struje.
D 
Dužina svake dionice struje je toliko mala da se može smatrati ravnim segmentom, a udaljenost od kojeg je do točke promatranja mnogo veća. Pogodno je uvesti pojam elementa struje gdje se smjer vektora poklapa sa smjerom struje I, a njegov modul je jednak (sl. 6).
Inducirati magnetsko polje koje stvara strujni element u tački koja se nalazi na udaljenosti r od njega (slika 6), Laplace je izveo formulu koja važi za vakuum:
. (1.1)
Formula Biot–Savart–Laplaceovog zakona (1.1) zapisana je u SI sistemu, u kojem je konstanta 
nazvana magnetna konstanta.
Već je napomenuto da se u magnetizmu, kao i u elektricitetu, odvija princip superpozicije polja, tj. indukcija magnetnog polja stvorenog sistemom struja u datoj tački prostora jednaka je vektorskom zbiru indukcija magnetna polja koja u ovom trenutku stvara svaka od struja posebno:
N 
i sl. Na slici 7 prikazan je primjer konstruiranja vektora magnetske indukcije u polju dvije paralelne i suprotne struje i:
1.3. Primjena Biot-Savart-Laplaceovog zakona.
Magnetno polje istosmjerne struje
Razmotrimo segment jednosmjerne struje. Strujni element stvara magnetsko polje čija indukcija u tački A(slika 8) prema Biot-Savart-Laplaceovom zakonu nalazi se po formuli:
, (1.3)
Magnetizam se proučava od davnina, a u posljednja dva stoljeća postao je osnova moderne civilizacije.
Alexey Levin
Čovječanstvo je prikupljalo znanje o magnetnim pojavama najmanje tri i po hiljade godina (prva zapažanja električnih sila dogodila su se hiljadu godina kasnije). Prije četiri stotine godina, u zoru fizike, magnetska svojstva tvari su odvojena od električnih, nakon čega su se dugo vremena obje proučavale nezavisno. Tako je stvorena eksperimentalna i teorijska baza koja je sredinom 19. stoljeća postala osnova jedinstvene teorije elektromagnetnih pojava.Najvjerovatnije su neobične osobine prirodnog minerala magnetita (magnetna željezna ruda, Fe3O4) bile poznate u Mesopotamija u bronzano doba. A nakon pojave metalurgije željeza, bilo je nemoguće ne primijetiti da magnetit privlači željezne proizvode. Otac grčke filozofije, Tales iz Mileta (otprilike 640−546 pne), već je razmišljao o razlozima takve privlačnosti, koji je to objasnio posebnom animacijom ovog minerala (Tales je takođe znao da ćilibar utrljan o vunu privlači suvo lišće i sitne krhotine, i stoga ga je obdario duhovnom snagom). Kasnije su grčki mislioci govorili o nevidljivim parama koje obavijaju magnetit i gvožđe i privlače ih jedno drugom. Nije iznenađujuće da sama riječ "magnet" također ima grčke korijene. Najvjerovatnije seže do imena Magnesia-y-Sipila, grada u Maloj Aziji, u blizini kojeg je ležao magnetit. Grčki pjesnik Nikander spomenuo je pastira Magnisa, koji se našao pored stijene koja je gvozdeni vrh njegovog štapa vukla prema sebi, ali je to, po svoj prilici, samo prelijepa legenda.
Drevna Kina je takođe bila zainteresovana za prirodne magnete. Sposobnost magnetita da privuče gvožđe spominje se u raspravi "Prolećni i jesenji zapisi majstora Liua", koja datira iz 240. godine pre nove ere. Stoljeće kasnije, Kinezi su primijetili da magnetit nema utjecaja ni na bakar ni na keramiku. U VII-VIII vijeku. /bm9icg===>ekah su otkrili da se slobodno viseća magnetizovana gvozdena igla okreće prema Severnjači. Kao rezultat toga, u drugoj polovini 11. stoljeća u Kini su se pojavili pravi morski kompasi; evropski mornari su ih ovladali stotinu godina kasnije. Otprilike u isto vrijeme, Kinezi su otkrili da magnetizirana igla pokazuje istočno od sjevernog smjera i tako otkrili magnetnu deklinaciju, daleko ispred evropskih moreplovaca po ovom pitanju, koji su do ovog zaključka došli tek u 15. stoljeću.
Mali magneti
U feromagnetu, intrinzični magnetni momenti atoma su poredani paralelno (energija ove orijentacije je minimalna). Kao rezultat, formiraju se magnetizovane oblasti, domeni - mikroskopski (10−4-10−6 m) permanentni magneti razdvojeni zidovima domena. U nedostatku vanjskog magnetskog polja, magnetni momenti domena su nasumično orijentirani u feromagnetu; u vanjskom polju granice počinju da se pomiču, tako da domeni s momentima paralelnim polju pomiču sve ostale - feromagnet se magnetizira .
Rođenje nauke o magnetizmu
Prvi opis svojstava prirodnih magneta u Evropi dao je Francuz Pierre de Maricourt. Godine 1269. služio je u vojsci kralja Karla Anžujskog od Sicilije, koja je opsjedala talijanski grad Lucera. Odatle je prijatelju u Pikardiju poslao dokument, koji je ušao u istoriju nauke kao „Pismo o magnetu“ (Epistola de Magnete), gde je govorio o svojim eksperimentima sa magnetnom gvozdenom rudom. Maricourt je primijetio da u svakom komadu magnetita postoje dvije oblasti koje su bile posebno jake u privlačenju željeza. Vidio je paralelu između ovih zona i polova nebeske sfere i posudio njihova imena za područja maksimalne magnetske sile – zbog čega sada govorimo o sjevernom i južnom magnetnom polu. Ako razbijete komad magnetita na dva dijela, piše Maricourt, svaki fragment će imati svoje polove. Maricourt ne samo da je potvrdio da se i privlačenje i odbijanje javljaju između komada magnetita (to je već bilo poznato), već je po prvi put povezao ovaj efekat sa interakcijom između suprotnih (sjevernog i južnog) ili sličnih polova.
Mnogi istoričari nauke smatraju Maricourt neospornim pionirom evropske eksperimentalne nauke. U svakom slučaju, njegove bilješke o magnetizmu kružile su na desetine lista, a nakon pojave štampe objavljene su kao posebna brošura. S poštovanjem su ih citirali mnogi prirodoslovci sve do 17. stoljeća. Ovo djelo je dobro poznavao engleski prirodnjak i liječnik (liječnik kraljice Elizabete i njenog nasljednika Jamesa I) William Gilbert, koji je 1600. godine objavio (očekivano, na latinskom) divno djelo „O magnetu, magnetnim tijelima i velikom magnetu - Zemlja" U ovoj knjizi Gilbert ne samo da je dao gotovo sve poznate informacije o svojstvima prirodnih magneta i magnetiziranog željeza, već je opisao i svoje eksperimente s magnetitnom kuglom, uz pomoć kojih je reproducirao glavne karakteristike zemaljskog magnetizma. Na primjer, otkrio je da je na oba magnetna pola takve "male Zemlje" (terrella na latinskom), igla kompasa postavljena okomito na njenu površinu, na ekvatoru - paralelno, a na srednjim geografskim širinama - u srednjem položaju. Tako je Hilbert modelirao magnetnu inklinaciju, za čije je postojanje u Evropi poznato više od pola veka (1544. godine ovu pojavu je prvi opisao nirnberški mehaničar Georg Hartman).
Revolucija u navigaciji. Kompas je napravio pravu revoluciju u pomorskoj navigaciji, čineći globalno putovanje ne izoliranim slučajevima, već poznatom, redovnom rutinom.
Gilbert je također reproducirao geomagnetsku deklinaciju na svom modelu, koju je pripisao ne savršeno glatkoj površini lopte (i stoga je, na planetarnoj skali, ovaj efekat objasnio privlačenjem kontinenata). Otkrio je da jako zagrijano gvožđe gubi svoja magnetna svojstva, ali kada se ohladi ona se obnavljaju. Konačno, Gilbert je bio prvi koji je napravio jasnu razliku između privlačenja magneta i privlačenja protrljanog ćilibara, koju je nazvao električna sila (od latinskog naziva za ćilibar, electrum). Općenito, to je bio izuzetno inovativan rad, koji su cijenili i savremenici i potomci. Gilbertova izjava da Zemlju treba smatrati „velikim magnetom“ postala je drugi fundamentalni naučni zaključak o fizičkim svojstvima naše planete (prvi je bio otkriće njenog sfernog oblika, napravljeno u antici).
Prekid dva veka
Nakon Gilberta, nauka o magnetizmu je veoma malo napredovala sve do početka 19. veka. Ono što je urađeno za ovo vrijeme bukvalno se može izbrojati na prste. Godine 1640. Galileov učenik Benedetto Castelli objasnio je privlačenje magnetita prisustvom mnogih sićušnih magnetnih čestica u njegovom sastavu - prva i vrlo nesavršena pretpostavka da prirodu magnetizma treba tražiti na atomskom nivou. Holanđanin Sebald Brugmans je 1778. primijetio da se bizmut i antimon odbijaju od polova magnetne igle - ovo je bio prvi primjer fizičkog fenomena koji je Faraday nazvao dijamagnetizmom 67 godina kasnije. Godine 1785. Charles-Augustin Coulomb je, koristeći precizna mjerenja na torzijskoj vagi, pokazao da je sila interakcije između magnetnih polova obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih - baš kao i sila interakcije između električnih naboja (1750. Englez John Michell došao je do sličnog zaključka, ali je Coulomb zaključak mnogo pouzdaniji).
Ali proučavanje elektriciteta tih godina pomicalo se velikim koracima. Nije teško objasniti. Prirodni magneti su ostali jedini primarni izvori magnetske sile - nauka nije poznavala druge. Njihova snaga je stabilna, ne može se mijenjati (osim možda uništena toplinom), a još manje proizvesti po volji. Jasno je da je ova okolnost uvelike ograničavala mogućnosti eksperimentatora.
Struja je bila u mnogo povoljnijoj poziciji – jer se mogla primati i skladištiti. Prvi generator statičkog naboja sagradio je 1663. burgomajstor Magdeburga Otto von Guericke (čuvene magdeburške hemisfere su također njegova zamisao). Stoljeće kasnije, takvi su generatori postali toliko rašireni da su čak demonstrirani na prijemima u visokom društvu. Godine 1744. Nijemac Ewald Georg von Kleist i nešto kasnije Holanđanin Pieter van Musschenbroek izumili su Leyden teglu - prvi električni kondenzator; U isto vrijeme pojavili su se i prvi elektrometri. Kao rezultat toga, do kraja 18. veka nauka je znala mnogo više o elektricitetu nego na svom početku. Ali isto se ne može reći za magnetizam.
A onda se sve promijenilo. Godine 1800, Alessandro Volta izumio je prvi hemijski izvor električne struje, voltaičnu bateriju, također poznatu kao voltaična ćelija. Nakon toga, otkriće veze između elektriciteta i magnetizma bilo je pitanje vremena. To se moglo dogoditi već sljedeće godine, kada je francuski hemičar Nicolas Gauthereau primijetio da se dvije paralelne žice koje vode struju privlače jedna drugoj. Međutim, ni on, ni veliki Laplace, ni divni eksperimentalni fizičar Jean-Baptiste Biot, koji je kasnije promatrao ovaj fenomen, nisu tome pridavali nikakav značaj. Stoga je prioritet s pravom dobio naučnik, koji je dugo pretpostavljao postojanje takve veze i posvetio mnogo godina traženju nje.
Od Kopenhagena do Pariza
Svi su čitali bajke i priče Hansa Kristijana Andersena, ali malo ljudi zna da je budući autor “Golog kralja” i “Palčića” stigao u Kopenhagen kao četrnaestogodišnji tinejdžer, pronašao prijatelja i pokrovitelja u osoba njegovog dvostrukog imenjaka, običnog profesora fizike i hemije na Univerzitetu u Kopenhagenu Hansa Kristijana Ersteda. I jedni i drugi su proslavili svoju zemlju širom svijeta.
Raznolikost magnetnih polja Amper je proučavao interakciju između paralelnih vodiča koji vode struju. Njegove ideje razvio je Faraday, koji je predložio koncept magnetskih linija sile.
Od 1813. Oersted je sasvim svjesno pokušavao uspostaviti vezu između elektriciteta i magnetizma (bio je pristalica velikog filozofa Imanuela Kanta, koji je vjerovao da sve prirodne sile imaju unutrašnje jedinstvo). Oersted je koristio kompase kao indikatore, ali dugo vremena bezuspješno. Oersted je očekivao da će magnetna sila struje biti paralelna sama sa sobom, a da bi postigao maksimalni obrtni moment postavio je električnu žicu okomito na iglu kompasa. Naravno, strelica nije reagovala kada je struja uključena. I tek u proleće 1820. godine, tokom predavanja, Oersted je razvukao žicu paralelno sa strelicom (bilo da vidi šta će od toga ispasti, ili je izneo novu hipotezu - istoričari fizike se još uvek raspravljaju o tome). I tu je igla zamahnula - ne previše (Oersted je imao bateriju male snage), ali ipak primjetno.
Istina, veliko otkriće se još nije dogodilo. Iz nekog razloga, Oersted je prekinuo eksperimente na tri mjeseca i vratio im se tek u julu. I tada je shvatio da je “magnetni efekat električne struje usmjeren duž krugova koji okružuju ovu struju”. Ovo je bio paradoksalan zaključak, budući da se rotirajuće sile ranije nisu pojavljivale ni u mehanici ni u bilo kojoj drugoj grani fizike. Ørsted je izložio svoje nalaze u radu i poslao ga u nekoliko naučnih časopisa 21. jula. Tada više nije proučavao elektromagnetizam, a štafeta je prešla na druge naučnike. Parižani su to prvi prihvatili. O Oerstedovom otkriću 4. septembra je na sastanku Akademije nauka govorio poznati fizičar i matematičar Dominic Arago. Njegov kolega Andre-Marie Ampere odlučio je proučavati magnetsko djelovanje struja i bukvalno sljedećeg dana započeo eksperimente. Prije svega, ponovio je i potvrdio Oerstedove eksperimente, a početkom listopada otkrio je da se paralelni provodnici privlače ako kroz njih teku struje u istom smjeru, a odbijaju ako u suprotnim smjerovima. Ampere je proučavao interakciju između neparalelnih provodnika i predstavio je formulom (Amperov zakon). Također je pokazao da se namotani provodnici koji vode struju rotiraju u magnetskom polju, poput igle kompasa (i slučajno izumio solenoid - magnetni kalem). Konačno, iznio je hrabru hipotezu: neprigušene mikroskopske paralelne kružne struje teku unutar magnetiziranih materijala, koji su uzrok njihovog magnetskog djelovanja. Istovremeno, Biot i Felix Savart su zajednički identifikovali matematičku vezu koja omogućava da se odredi intenzitet magnetnog polja stvorenog jednosmernom strujom (Biot-Savartov zakon).
Kako bi naglasio novinu proučavanih efekata, Ampere je predložio termin "elektrodinamički fenomeni" i stalno ga koristio u svojim publikacijama. Ali to još nije bila elektrodinamika u modernom smislu. Oersted, Ampere i njihove kolege radili su s jednosmjernim strujama koje su stvarale statičke magnetske sile. Fizičari tek treba da otkriju i objasne istinski dinamične, nestacionarne elektromagnetne procese. Ovaj problem je riješen 1830-1870-ih godina. U tome je umiješalo desetak istraživača iz Evrope (uključujući Rusiju - sjetite se Lenzove vladavine) i SAD-a. Međutim, glavna zasluga nesumnjivo pripada dvojici titana britanske nauke - Faradayu i Maxwellu.
Londonski tandem
Za Michaela Faradaya, 1821. je bila zaista sudbonosna godina. Dobio je željenu poziciju superintendenta Kraljevske institucije u Londonu i, bukvalno slučajno, započeo istraživački program koji mu je donio jedinstveno mjesto u istoriji svjetske nauke.
Magnetna i ne toliko. Različite tvari se različito ponašaju u vanjskom magnetskom polju, to je zbog različitog ponašanja vlastitih magnetnih momenata atoma. Najpoznatiji su feromagneti; postoje paramagneti, antiferomagneti i ferimagneti, kao i dijamagneti čiji atomi nemaju svoje magnetne momente (u vanjskom polju su slabo magnetizirani „nasuprot polju“).
Desilo se ovako. Urednik Annals of Philosophy, Richard Phillips, pozvao je Faradaya da napiše kritički osvrt na nova djela o magnetskom djelovanju struje. Faraday ne samo da je poslušao ovaj savjet i objavio “Historical Sketch of Electromagnetism”, već je započeo svoje istraživanje koje je trajalo mnogo godina. Prvo je, kao i Ampere, ponovio Oerstedov eksperiment, a zatim je krenuo dalje. Do kraja 1821. napravio je uređaj u kojem se provodnik sa strujom okreće oko trakastog magneta, a drugi magnet oko drugog provodnika. Faraday je sugerirao da su i magnet i žica pod naponom okruženi koncentričnim linijama sile, linijama sile, koje određuju njihovo mehaničko djelovanje. Ovo je već bio embrion koncepta magnetnog polja, iako sam Faraday nije koristio takav izraz.
Isprva je smatrao da je linija polja pogodna metoda za opisivanje opažanja, ali se vremenom uvjerio u njihovu fizičku stvarnost (posebno jer je pronašao način da ih promatra pomoću željeznih strugotina rasutih između magneta). Do kraja 1830-ih, jasno je shvatio da je energija, čiji su izvor bili trajni magneti i živi provodnici, raspoređena u prostoru ispunjenom linijama sile. U stvari, Faraday je već razmišljao u teorijskom smislu, u čemu je bio znatno ispred svojih savremenika.
Ali njegovo glavno otkriće bilo je drugačije. U avgustu 1831. Faraday je uspio natjerati magnetizam da generiše električnu struju. Njegov uređaj se sastojao od gvozdenog prstena sa dva suprotna namotaja. Jedna od spirala se mogla spojiti na električnu bateriju, druga je bila spojena na provodnik koji se nalazio iznad magnetnog kompasa. Strelica nije promijenila položaj ako je jednosmjerna struja tekla kroz prvi kalem, ali se zanjihala kada je bila uključena i isključena. Faraday je shvatio da su u to vrijeme u drugom namotaju nastali električni impulsi, uzrokovani pojavom ili nestankom magnetnih linija sile. Drugim riječima, otkrio je da je elektromotorna sila uzrokovana promjenama u magnetskom polju. Ovaj efekat je otkrio i američki fizičar Joseph Henry, ali je svoje rezultate objavio kasnije od Faradaya i nije donio tako ozbiljne teorijske zaključke.
Elektromagneti i solenoidi su u osnovi mnogih tehnologija, bez kojih je nemoguće zamisliti modernu civilizaciju: od električnih generatora za proizvodnju električne energije, elektromotora, transformatora do radio komunikacija i, općenito, gotovo sve moderne elektronike.
Pred kraj svog života, Faraday je došao do zaključka da je nova saznanja o elektromagnetizmu potrebna matematička formulacija. Odlučio je da će ovaj zadatak biti na Jamesu Clerku Maxwellu, mladom profesoru na koledžu Marischal u škotskom gradu Aberdeenu, o čemu mu je pisao u novembru 1857. I Maxwell je zaista ujedinio svo tadašnje znanje o elektromagnetizmu u jednu matematičku teoriju. Ovaj posao je uglavnom ostvaren u prvoj polovini 1860-ih, kada je postao profesor prirodne filozofije na Kraljevskom koledžu u Londonu. Koncept elektromagnetnog polja prvi put se pojavio 1864. godine u memoarima predstavljenim Kraljevskom društvu u Londonu. Maxwell je uveo ovaj termin da označi „onaj dio prostora koji sadrži i okružuje tijela u električnom ili magnetskom stanju“, i posebno je naglasio da taj prostor može biti ili prazan ili ispunjen bilo kojom vrstom materije.
Glavni rezultat Maxwellovog rada bio je sistem jednačina koje povezuju elektromagnetne pojave. U svom Traktatu o elektricitetu i magnetizmu, objavljenom 1873. godine, nazvao ih je općim jednačinama elektromagnetnog polja, a danas se nazivaju Maxwellovim jednadžbama. Kasnije su generalizirani više puta (na primjer, za opisivanje elektromagnetnih pojava u različitim medijima), a također su prepisani koristeći sve sofisticiraniji matematički formalizam. Maxwell je također pokazao da ove jednačine dopuštaju rješenja koja uključuju neprigušene poprečne valove, od kojih je vidljiva svjetlost poseban slučaj.
Maxwellova teorija je uvela magnetizam kao posebnu vrstu interakcije između električnih struja. Kvantna fizika 20. veka dodala je samo dve nove tačke ovoj slici. Sada znamo da se elektromagnetne interakcije prenose fotonima i da elektroni i mnoge druge elementarne čestice imaju svoje magnetne momente. Sav eksperimentalni i teorijski rad u oblasti magnetizma izgrađen je na ovom temelju.
Čak i hiljadu godina prije prvih opažanja električnih fenomena, čovječanstvo je već počelo da se akumulira znanje o magnetizmu. A prije samo četiri stotine godina, kada je tek počeo razvoj fizike kao nauke, istraživači su odvojili magnetska svojstva tvari od njihovih električnih, a tek nakon toga počeli su ih samostalno proučavati. To je bio početak eksperimentalnog i teorijskog početka, koji je sredinom 19. stoljeća postao temelj e. dinamička teorija električnih i magnetskih fenomena.
Čini se da su neobične osobine magnetne željezne rude bile poznate još u bronzanom dobu u Mezopotamiji. A nakon što je počeo razvoj metalurgije željeza, ljudi su primijetili da privlači željezne proizvode. O razlozima ove privlačnosti razmišljao je i starogrčki filozof i matematičar Tales iz grada Mileta (640−546 pne), koji je tu privlačnost objasnio animacijom minerala.
Grčki mislioci su zamišljali kako nevidljive pare obavijaju magnetit i željezo, kako ti parovi međusobno privlače tvari. Riječ "magnet" mogao je doći od imena grada Magnesia-y-Sipila u Maloj Aziji, nedaleko od kojeg je ležao magnetit. Jedna od legendi kaže da se pastir Magnis nekako sa svojom ovcom našao pored stijene, koja je privukla željezni vrh njegovog štapa i čizme.
Drevna kineska rasprava “Proljetni i jesenski zapisi majstora Liua” (240. pne) spominje svojstvo magnetita da privlači željezo. Stotinu godina kasnije, Kinezi su primijetili da magnetit ne privlači ni bakar ni keramiku. U 7. i 8. veku su primetili da se magnetizovana gvozdena igla, kada je slobodno okačena, okreće ka Severnjaci.
Dakle, do druge polovine 11. stoljeća, Kina je počela proizvoditi pomorske kompase, koje su evropski mornari savladali samo stotinu godina nakon Kineza. Tada su Kinezi već otkrili sposobnost magnetizirane igle da skrene u pravcu istočno od sjevera i tako otkrili magnetnu deklinaciju, ispred evropskih moreplovaca, koji su do potpuno istog zaključka došli tek u 15. stoljeću.
U Evropi je prvi opisao svojstva prirodnih magneta francuski filozof Pierre de Maricourt, koji je 1269. godine služio u vojsci sicilijanskog kralja Karla Anžujskog. Tokom opsade jednog od italijanskih gradova, poslao je prijatelju u Pikardiju dokument koji je ušao u istoriju nauke pod nazivom „Pismo o magnetu“, gde je govorio o svojim eksperimentima sa magnetnom rudom gvožđa.
Maricourt je primijetio da u svakom komadu magnetita postoje dvije oblasti koje posebno snažno privlače željezo. Uočio je tu sličnost sa polovima nebeske sfere, pa je posudio njihova imena da označi područja maksimalne magnetske sile. Odatle je nastala tradicija da se polovi magneta nazivaju južnim i sjevernim magnetnim polom.
Maricourt je napisao da ako razbijete bilo koji komad magnetita na dva dijela, onda će svaki fragment imati svoje polove.
Maricourt je prvi povezao efekat odbijanja i privlačenja magnetnih polova sa interakcijom suprotnih (južnog i severnog) ili sličnih polova. Maricourt se s pravom smatra pionirom europske eksperimentalne znanstvene škole; njegove bilješke o magnetizmu reproducirane su u desetinama primjeraka, a s pojavom tiska objavljene su u obliku brošure. Navodili su ih mnogi učeni prirodnjaci sve do 17. stoljeća.
Engleski prirodnjak, naučnik i doktor Vilijam Gilbert takođe je bio dobro upoznat sa radom Marikure. Godine 1600. objavio je djelo “O magnetu, magnetnim tijelima i velikom magnetu – Zemlji”. U ovom radu Gilbert je pružio sve tada poznate informacije o svojstvima prirodnih magnetnih materijala i magnetiziranog željeza, a opisao je i vlastite eksperimente s magnetskom loptom, u kojima je reproducirao model zemaljskog magnetizma.
Konkretno, eksperimentalno je ustanovio da se na oba pola “male Zemlje” igla kompasa okreće okomito na njenu površinu, na ekvatoru je postavljena paralelno, a na srednjim geografskim širinama okreće se u srednji položaj. Na ovaj način Gilbert je uspio simulirati magnetnu inklinaciju, koja je bila poznata u Evropi više od 50 godina (1544. opisao ju je Georg Hartmann, mehaničar iz Nirnberga).
Gilbert je također reproducirao geomagnetnu deklinaciju, koju je pripisao ne savršeno glatkoj površini lopte, već je na planetarnoj skali ovaj efekat objasnio privlačenjem između kontinenata. Otkrio je kako visoko zagrijano gvožđe gubi svoja magnetna svojstva, a kada se ohladi, ono ih obnavlja. Konačno, Gilbert je bio prvi koji je jasno napravio razliku između privlačenja magneta i privlačenja ćilibara protrljanog vunom, što je nazvao električnom silom. Bio je to zaista inovativan rad, koji su cijenili i savremenici i potomci. Gilbert je otkrio da bi bilo ispravno misliti o Zemlji kao o “velikom magnetu”.
Sve do samog početka 19. veka nauka o magnetizmu je veoma malo napredovala. Godine 1640. Benedetto Castelli, Galileov učenik, pripisuje privlačenje magnetita mnogim vrlo malim magnetnim česticama sadržanim u njegovom sastavu.
Godine 1778. Sebald Brugmans, rodom iz Holandije, primijetio je kako bizmut i antimon odbijaju polove magnetne igle, prvi primjer fizičkog fenomena koji će Faraday kasnije nazvati dijamagnetizam.
Charles-Augustin Coulomb je 1785. godine, preciznim mjerenjima na torzijskoj vagi, dokazao da je sila interakcije između magnetnih polova obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između polova – jednako precizno kao i sila interakcije električnih naboja.
Od 1813. danski fizičar Ersted marljivo pokušava da eksperimentalno ustanovi vezu između elektriciteta i magnetizma. Istraživač je koristio kompase kao indikatore, ali dugo nije mogao postići cilj, jer je očekivao da je magnetna sila paralelna sa strujom, te je električnu žicu postavio pod pravim uglom u odnosu na iglu kompasa. Strelica ni na koji način nije reagovala na pojavu struje.
U proleće 1820. godine, tokom jednog od svojih predavanja, Oersted je povukao žicu paralelnu sa strelicom i nije jasno šta ga je navelo na ovu ideju. A onda je strijela zamahnula. Oersted je iz nekog razloga prekinuo svoje eksperimente na nekoliko mjeseci, nakon čega im se vratio i shvatio da je “magnetni učinak električne struje usmjeren duž krugova koji okružuju ovu struju”.
Zaključak je bio paradoksalan, jer se ranije rotirajuće sile nisu manifestirale ni u mehanici ni bilo gdje drugdje u fizici. Oersted je napisao članak u kojem je iznio svoje zaključke i nikada više nije proučavao elektromagnetizam.
U jesen iste godine, Francuz Andre-Marie Ampere je započeo eksperimente. Prije svega, ponovivši i potvrdivši rezultate i zaključke Oersteda, početkom listopada otkrio je privlačenje provodnika ako su struje u njima u istom smjeru i odbijanje ako su struje suprotne.
Ampere je takođe proučavao interakciju između neparalelnih provodnika sa strujom, po čemu ju je opisao formulom kasnije nazvanom Amperov zakon. Naučnik je takođe pokazao da se namotane žice koje vode struju rotiraju pod uticajem magnetnog polja, kao što se dešava sa iglom kompasa.
Konačno, iznio je hipotezu o molekularnim strujama, prema kojoj postoje kontinuirane mikroskopske kružne struje paralelne jedna s drugom unutar magnetiziranih materijala, koje uzrokuju magnetski učinak materijala.
Istovremeno, Biot i Savard su zajedno razvili matematičku formulu koja omogućava izračunavanje intenziteta magnetskog polja jednosmerne struje.
I tako je do kraja 1821. Michael Faraday, koji je već radio u Londonu, napravio uređaj u kojem se jedan provodnik sa strujom okreće oko magneta, a drugi magnet oko drugog provodnika.
Faraday je sugerirao da su i magnet i žica obavijeni koncentričnim linijama sile, koje određuju njihovo mehaničko djelovanje.
Vremenom se Faraday uvjerio u fizičku realnost linija magnetske sile. Krajem 1830-ih, naučnik je već bio jasno svjestan da je energija i trajnih magneta i provodnika sa strujom raspoređena u prostoru koji ih okružuje, a koji je bio ispunjen linijama magnetske sile. U avgustu 1831. istraživač uspio natjerati magnetizam da stvori električnu struju.
Uređaj se sastojao od gvozdenog prstena sa dva suprotna namotaja na njemu. Prvi namotaj se mogao spojiti na električnu bateriju, a drugi je bio spojen na provodnik postavljen iznad igle magnetskog kompasa. Kada je jednosmjerna struja tekla kroz žicu prve zavojnice, igla nije promijenila svoj položaj, već se počela ljuljati u trenucima isključivanja i uključivanja.
Faraday je došao do zaključka da su u tim trenucima u žici drugog namota nastali električni impulsi povezani s nestankom ili pojavom magnetskih linija sile. On je to otkrio Uzrok rezultirajuće elektromotorne sile je promjena magnetskog polja.
U novembru 1857. Faraday je napisao pismo profesoru Maksvelu u Škotskoj tražeći od njega da da matematički oblik znanja o elektromagnetizmu. Maxwell je udovoljio zahtjevu. Koncept elektromagnetnog polja našao mesto 1864. u njegovim memoarima.
Maxwell je uveo pojam “polje” da označi dio prostora koji okružuje i sadrži tijela koja su u magnetskom ili električnom stanju, a posebno je naglasio da sam taj prostor može biti prazan i ispunjen apsolutno bilo kojom vrstom materije, a polje i dalje će imati mjesta.
Maksvel je 1873. godine objavio Raspravu o elektricitetu i magnetizmu, gde je predstavio sistem jednačina koje kombinuje elektromagnetne fenomene. On im je dao naziv opšte jednačine elektromagnetnog polja, a do danas se zovu Maksvelove jednačine. Prema Maxwellovoj teoriji magnetizam je posebna vrsta interakcije između električnih struja. To je temelj na kojem se gradi sav teorijski i eksperimentalni rad u vezi s magnetizmom.
