Obsahuje teoretický materiál k sekcii "Magnetizmus" disciplíny "Fyzika".
Určené na pomoc študentom technických odborov všetkých foriem štúdia pri samostatnej práci, ako aj pri príprave na cvičenia, kolokviá a skúšky.
© Andreev A.D., Chernykh L.M., 2009
Štátna vzdelávacia inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania Štátna univerzita telekomunikácií v Petrohrade. Prednášal prof. M.A. Bonch-Bruyevich, 2009
ÚVOD
V roku 1820 Hans Christian Oersted, profesor na univerzite v Kodani, prednášal o elektrine, galvanizme a magnetizme. V tom čase sa elektrostatika nazývala elektrina, galvanizmus sa nazýval javy spôsobené jednosmerným prúdom prijímaným z batérií, magnetizmus sa spájal so známymi vlastnosťami železných rúd, s strelkou kompasu, s magnetickým poľom Zeme.
Pri hľadaní spojenia medzi galvanizmom a magnetizmom urobil Oersted experiment s prechodom prúdu cez drôt zavesený nad ihlou kompasu. Keď bol prúd zapnutý, ihla sa odchýlila od poludníka. Ak sa zmenil smer prúdu alebo bola šípka umiestnená nad prúdom, odchýlila sa na druhú stranu poludníka.
Oerstedov objav bol silným podnetom pre ďalší výskum a objavovanie. Uplynulo trochu času a Ampere, Faraday a ďalší vykonali úplnú a presnú štúdiu magnetického pôsobenia elektrických prúdov. Faradayov objav fenoménu elektromagnetickej indukcie nastal 12 rokov po Oerstedovom experimente. Na základe týchto experimentálnych objavov bola postavená klasická teória elektromagnetizmu. Maxwell mu dal konečnú podobu a matematickú podobu a Hertz to v roku 1888 bravúrne potvrdil experimentálnym dokázaním existencie elektromagnetických vĺn.
1. MAGNETICKÉ POLE VO VÁKUU
1.1. Interakcia prúdov. Magnetická indukcia
Elektrické prúdy sa navzájom ovplyvňujú. Ako ukazuje skúsenosť, dva priamočiare paralelné vodiče, ktorými pretekajú prúdy, sa priťahujú, ak majú prúdy v nich rovnaký smer, a odpudzujú, ak sú prúdy opačného smeru (obr. 1). V tomto prípade je sila ich interakcie na jednotku dĺžky vodiča priamo úmerná sile prúdu v každom z vodičov a nepriamo úmerná vzdialenosti medzi nimi. Zákon o interakcii prúdov experimentálne stanovil André Marie Ampère v roku 1820.
V kovoch je celkový náboj kladne nabitej iónovej mriežky a záporne nabitých voľných elektrónov nula. Náboje sú vo vodiči rovnomerne rozložené. Okolo vodiča teda nie je žiadne elektrické pole. To je dôvod, prečo vodiče v neprítomnosti prúdu navzájom neinteragujú.
Avšak v prítomnosti prúdu (usporiadaný pohyb voľných nosičov náboja) dochádza medzi vodičmi k interakcii, ktorá sa bežne nazýva magnetická.
V modernej fyzike sa magnetická interakcia prúdov interpretuje ako relativistický efekt, ktorý sa vyskytuje v referenčnom rámci, voči ktorému dochádza k usporiadanému pohybu nábojov. V tejto príručke budeme používať pojem magnetické pole ako vlastnosť priestoru obklopujúceho elektrický prúd. Existencia prúdového magnetického poľa sa prejavuje pri interakcii s inými vodičmi s prúdom (Ampérov zákon), alebo pri interakcii s pohybujúcou sa nabitou časticou (Lorentzova sila, Sek. 2.1), alebo pri umiestnení magnetickej strelky v blízkosti prúdového vodiča. vodič je vychýlený (Oerstedov experiment).
Na charakterizáciu magnetického poľa prúdu zavedieme pojem vektor magnetickej indukcie. Aby sme to dosiahli, rovnako ako pri určovaní charakteristík elektrostatického poľa bol použitý koncept náboja testovacieho bodu, pri zavádzaní vektora magnetickej indukcie použijeme testovací obvod s prúdom. Nechajte to byt zatvorené 
obrys ľubovoľného tvaru a malých rozmerov. Tak malé, že v bodoch jeho umiestnenia možno magnetické pole považovať za rovnaké. Orientácia obrysu v priestore bude charakterizovaná vektorom normály k obrysu, spojeným so smerom prúdu v ňom pravidlom pravej skrutky (gimletu): pri otáčaní rukoväte gimletu v smer prúdu (obr. 2), translačný pohyb hrotu gimletu určuje smer jednotkového vektora normály k rovine obrysu.
X 
Charakteristickým znakom testovacieho obvodu je jeho magnetický moment , kde s je oblasť skúšobného obrysu.
E 
Ak umiestnite testovací obvod s prúdom do vybraného bodu vedľa dopredného prúdu, prúdy budú interagovať. V tomto prípade bude krútiaci moment dvojice síl pôsobiť na skúšobný obvod prúdom M(obr. 3). Veľkosť tohto momentu, ako ukazuje skúsenosť, závisí od vlastností poľa v danom bode (obrys má malú veľkosť) a od vlastností obrysu (jeho magnetického momentu).
Na obr. 4, čo je rez z obr. 3 vodorovnou rovinou je znázornených niekoľko polôh skúšobného obvodu s prúdom v jednosmernom magnetickom poli ja. Bodka v kruhu označuje smer prúdu k pozorovateľovi. Krížik označuje smer prúdu na výkres. Poloha 1 zodpovedá stabilnej rovnováhe obrysu ( M= 0), keď ju napínajú sily. Poloha 2 zodpovedá nestabilnej rovnováhe ( M= 0). V polohe 3 pôsobí na testovací obvod prúdom maximálny krútiaci moment. V závislosti od orientácie obvodu môže mať hodnota krútiaceho momentu akúkoľvek hodnotu od nuly po maximum. Ako ukazuje skúsenosť, v ktoromkoľvek bode, t.j. maximálna hodnota mechanického momentu dvojice síl závisí od veľkosti magnetického momentu testovacieho obvodu a nemôže slúžiť ako charakteristika magnetického poľa v skúmanom bode. Pomer maximálneho mechanického momentu dvojice síl k magnetickému momentu skúšobného obvodu nezávisí od druhého a môže slúžiť ako charakteristika magnetického poľa. Táto vlastnosť sa nazýva magnetická indukcia (indukcia magnetického poľa).
IN 
zaobchádzame s ním ako s vektorovou veličinou. Pre smer vektora magnetickej indukcie vezmeme smer magnetického momentu skúšobného obvodu s prúdom, umiestnený v skúmanom bode poľa, v polohe stabilnej rovnováhy (pozícia 1 na obr. 4). Tento smer sa zhoduje so smerom severného konca magnetickej ihly umiestnenej v tomto bode. Z predchádzajúceho vyplýva, že charakterizuje silový účinok magnetického poľa na prúd, a preto je analógom intenzity poľa v elektrostatike. Vektorové pole možno znázorniť pomocou čiar magnetickej indukcie. V každom bode čiary je vektor nasmerovaný tangenciálne k nemu. Pretože vektor magnetickej indukcie v ktoromkoľvek bode poľa má určitý smer, smer magnetickej indukčnej čiary je v každom bode poľa jedinečný. V dôsledku toho sa čiary magnetickej indukcie, ako aj siločiary elektrického poľa, nepretínajú. Na obr. 5 znázorňuje niekoľko čiar indukcie magnetického poľa jednosmerného prúdu, znázornených v rovine kolmej na prúd. Vyzerajú ako uzavreté kruhy so stredom na aktuálnej osi.
Treba poznamenať, že siločiary magnetického poľa sú vždy uzavreté. Toto je charakteristická črta vírového poľa, v ktorom je tok vektora magnetickej indukcie cez ľubovoľný uzavretý povrch rovný nule (Gaussova veta v magnetizme).
1.2. Biot-Savart-Laplaceov zákon.
Princíp superpozície v magnetizme
Biot a Savart uskutočnili v roku 1820 štúdium magnetických polí prúdov rôznych tvarov. Zistili, že magnetická indukcia je vo všetkých prípadoch úmerná sile prúdu, ktorý vytvára magnetické pole. Laplace analyzoval experimentálne údaje získané Biotom a Savartom a zistil, že magnetické pole prúdu jaľubovoľnej konfigurácie možno vypočítať ako vektorový súčet (superpozíciu) polí vytvorených samostatnými elementárnymi prúdovými sekciami.
D 
dĺžka každého úseku prúdu je taká malá, že ho možno považovať za rovný úsek, pričom vzdialenosť od pozorovacieho bodu je oveľa väčšia. Je vhodné zaviesť pojem prúdového prvku, kde sa smer vektora zhoduje so smerom prúdu ja, a jeho modul je (obr. 6).
Na indukciu magnetického poľa vytvoreného prúdovým prvkom v bode umiestnenom vo vzdialenosti r z neho (obr. 6) Laplace odvodil vzorec, ktorý platí pre vákuum:
. (1.1)
Vzorec Biot-Savart-Laplaceov zákon (1.1) je zapísaný v sústave SI, v ktorej konštanta 
nazývaná magnetická konštanta.
Už bolo poznamenané, že v magnetizme, rovnako ako v elektrine, prebieha princíp superpozície polí, t.j. indukcia magnetického poľa vytvoreného systémom prúdov v danom bode v priestore sa rovná vektorovému súčtu indukcií. magnetických polí vytvorených v tomto bode každým z prúdov samostatne:
H 
a obr. 7 je znázornený príklad konštrukcie vektora magnetickej indukcie v poli dvoch paralelných a opačných prúdov a:
1.3. Aplikácia Biot-Savart-Laplaceovho zákona.
Jednosmerné magnetické pole
Zvážte segment jednosmerného prúdu. Prúdový prvok vytvára magnetické pole, ktorého indukcia v bode A(Obr. 8) podľa Biot-Savart-Laplaceovho zákona nájdeme podľa vzorca:
, (1.3)
Interakcie.
K magnetickej interakcii medzi železom a magnetom alebo medzi magnetmi dochádza nielen vtedy, keď sú v priamom kontakte, ale aj na diaľku. So zväčšujúcou sa vzdialenosťou sa interakčná sila zmenšuje a pri dostatočne veľkej vzdialenosti prestáva byť badateľná. V dôsledku toho sa vlastnosti časti priestoru v blízkosti magnetu líšia od vlastností tej časti priestoru, kde sa magnetické sily neobjavujú. V priestore, kde sa prejavujú magnetické sily, je magnetické pole.
Ak sa magnetická strelka zavedie do magnetického poľa, potom sa ustanoví celkom určitým spôsobom a v rôznych miestach poliach to bude nastavené inak.
V roku 1905 Paul Langevin na základe Larmorovej vety a elektronickej teórie Lorentza vypracoval klasickú interpretáciu teórie dia- a paramagnetizmu.
Prírodné a umelé magnety
Magnetit (magnetická železná ruda) - kameň, ktorý priťahuje železo, opísali už starovekí vedci. Ide o takzvaný prírodný magnet, ktorý sa v prírode vyskytuje pomerne často. Ide o rozšírený minerál so zložením: 31 % FeO a 69 % Fe2O3, obsahujúci 72,4 % železa.Ak sa z takého materiálu vyreže pásik a zavesí sa na niť, potom sa v priestore nainštaluje celkom presne: pozdĺž priamky smerujúcej zo severu na juh. Ak sa pás vyberie z tohto stavu, t. j. odchýli sa od smeru, v ktorom bol, a potom sa opäť nechá sám sebe, potom pás po niekoľkých kmitoch zaujme svoju predchádzajúcu polohu a usadí sa v smere zo severu na juh.
Ak je tento pás ponorený do železných pilín, nebudú k pásu priťahované všade rovnako. Najväčšia sila príťažlivosti bude na koncoch pásu, ktoré boli otočené na sever a juh.
Tieto miesta na páse, kde sa nachádza najväčšia sila príťažlivosti, sa nazývajú magnetické póly. Pól smerujúci na sever sa nazýva severný pól magnetu (alebo kladný) a označuje sa písmenom N (alebo C); južný pól“ sa nazýval južný pól (alebo záporný) a označuje sa písmenom S (alebo Yu). Interakciu pólov magnetu možno študovať nasledovne. Vezmime si dva pásiky magnetitu a jeden z nich zavesíme na niť, ako už bolo spomenuté vyššie. Držiac druhý prúžok v ruke, privedieme ho k prvému s rôznymi pólmi.
Ukazuje sa, že ak sa k severnému pólu jedného pásu priblíži južný pól druhého, potom medzi pólmi vzniknú príťažlivé sily a pásik zavesený na nite sa pritiahne. Ak sa na severný pól zaveseného pruhu privedie druhý pás, aj so severným pólom, bude zavesený pás odpudzovaný.
Vykonaním takýchto experimentov sa možno presvedčiť o platnosti Hilbertovej zákonitosti o interakcii magnetických pólov: ako sa póly odpudzujú, opačné sa priťahujú.
Ak by sme chceli magnet rozdeliť na polovicu, aby sme oddelili severný magnetický pól od južného, potom sa ukáže, že by sme to nedokázali. Rozrezaním magnetu na polovicu získame dva magnety, každý s dvoma pólmi. Ak by sme v tomto procese pokračovali ďalej, potom, ako ukazuje skúsenosť, nikdy sa nám nepodarí získať magnet s jedným pólom. Táto skúsenosť nás presviedča, že póly magnetu neexistujú oddelene, rovnako ako záporné a kladné elektrické náboje existujú oddelene. V dôsledku toho elementárne nosiče magnetizmu, alebo, ako sa im hovorí elementárne magnety, musia mať tiež dva póly.
Vyššie opísané prírodné magnety sa v súčasnosti prakticky nepoužívajú. Oveľa silnejšie a pohodlnejšie sú umelé permanentné magnety. Permanentný umelý magnet si najjednoduchšie vyrobíte z oceľového pásika, ak ho od stredu ku končekom pretriete protipólmi prírodných alebo iných umelých magnetov. Páskové magnety sa nazývajú pásové magnety. Často je vhodnejšie použiť magnet, ktorý tvarom pripomína podkovu. Takýto magnet sa nazýva podkovovitý magnet.
Umelé magnety sa zvyčajne vyrábajú tak, že na ich koncoch sú vytvorené opačné magnetické póly. Nie je to však vôbec potrebné. Je možné vyrobiť taký magnet, ktorého oba konce budú mať rovnaký pól, napríklad severný. Takýto magnet si môžete vyrobiť trením oceľového pásu od stredu ku koncom rovnakými pólmi.
Severný a južný pól sú však pre takýto magnet neoddeliteľné. Ak je totiž ponorený do pilín, budú silne priťahované nielen pozdĺž okrajov magnetu, ale aj do jeho stredu. Je ľahké skontrolovať, či sú severné póly umiestnené pozdĺž okrajov a južný pól je v strede.
Magnetické vlastnosti. Triedy látok
Práve kumulatívne správanie takýchto minimagnetov atómov kryštálovej mriežky určuje magnetické vlastnosti látky. Podľa magnetických vlastností sú látky rozdelené do troch hlavných tried: feromagnetiká, paramagnety A diamagnety. Existujú tiež dve samostatné podtriedy materiálov oddelené od všeobecnej triedy feromagnetík - antiferomagnetiká A ferrimagnety. V oboch prípadoch tieto látky patria do triedy feromagnetík, ale pri nízkych teplotách majú špeciálne vlastnosti: magnetické polia susedných atómov sú zoradené striktne paralelne, ale v opačných smeroch. Antiferomagnety pozostávajú z atómov jedného prvku a v dôsledku toho sa ich magnetické pole rovná nule. Ferrimagnety sú zliatinou dvoch alebo viacerých látok a výsledkom superpozície opačne smerovaných polí je makroskopické magnetické pole vlastné materiálu ako celku.feromagnetiká
Niektoré látky a zliatiny (predovšetkým treba poznamenať železo, nikel a kobalt) pri nižších teplotách Curie body získavajú schopnosť budovať svoju kryštálovú mriežku tak, že magnetické polia atómov sú jednosmerné a navzájom sa zosilňujú, vďaka čomu mimo materiálu vzniká makroskopické magnetické pole. Z takýchto materiálov sa získavajú spomínané permanentné magnety. V skutočnosti magnetické usporiadanie atómov zvyčajne nepresahuje neobmedzený objem feromagnetického materiálu: magnetizácia je obmedzená na objem obsahujúci niekoľko tisíc až niekoľko desiatok tisíc atómov a takýto objem látky sa bežne nazýva domény(z anglického domény – „area“). Keď sa železo ochladí pod Curieho bod, vytvorí sa veľa domén, v každej z nich je magnetické pole orientované vlastným spôsobom. Pevné železo teda v normálnom stave nie je magnetizované, hoci sa v ňom vytvárajú domény, z ktorých každá je hotovým minimagnetom. Vplyvom vonkajších podmienok (napríklad keď roztavené železo tuhne v prítomnosti silného magnetického poľa) sa však domény usporiadane zoradia a ich magnetické polia sa vzájomne zosilnia. Potom dostaneme skutočný magnet - teleso s výrazným vonkajším magnetickým poľom. Takto fungujú permanentné magnety.
Paramagnety
Vo väčšine materiálov neexistujú žiadne vnútorné sily, ktoré by vyrovnávali magnetickú orientáciu atómov, domény sa netvoria a magnetické polia jednotlivých atómov sú náhodne smerované. Z tohto dôvodu sú polia jednotlivých atómov magnetov vzájomne zhasnuté a takéto materiály nemajú vonkajšie magnetické pole. Keď je však takýto materiál umiestnený v silnom vonkajšom poli (napríklad medzi pólmi silného magnetu), magnetické polia atómov sú orientované v smere zhodujúcom sa so smerom vonkajšieho magnetického poľa a pozorujeme účinok zosilnenia magnetického poľa v prítomnosti takéhoto materiálu. Materiály s podobnými vlastnosťami sa nazývajú paramagnetické. Akonáhle sa však vonkajšie magnetické pole odstráni, paramagnet sa okamžite demagnetizuje, pretože atómy sa opäť náhodne zoradia. To znamená, že paramagnety sa vyznačujú schopnosťou dočasne magnetizovať.
Diamagnety
V látkach, ktorých atómy nemajú vlastný magnetický moment (teda v tých, kde sú magnetické polia zhasnuté aj v zárodku - na úrovni elektrónov), môže vzniknúť magnetizmus iného charakteru. Podľa druhého Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie so zvýšením toku magnetického poľa prechádzajúceho cez vodivý obvod pôsobí zmena elektrického prúdu v obvode proti zvýšeniu magnetického toku. V dôsledku toho, ak sa látka, ktorá nemá svoje vlastné magnetické vlastnosti, dostane do silného magnetického poľa, elektróny na dráhach atómov, čo sú mikroskopické obvody s prúdom, zmenia povahu svojho pohybu takým spôsobom, aby zabránili zvýšenie magnetického toku, to znamená, že vytvoria svoje vlastné magnetické pole nasmerované v opačnom smere v porovnaní s vonkajším poľom. Takéto materiály sa zvyčajne nazývajú diamagnety.
Magnetizmus v prírode
Mnohé prírodné javy sú presne určené magnetickými silami. Sú zdrojom mnohých javov mikrosveta: správania sa atómov, molekúl, atómových jadier a elementárnych častíc – elektrónov, protónov, neutrónov a pod.. Okrem toho sú magnetické javy charakteristické aj pre obrovské nebeské telesá: Slnko a Zem. sú obrovské magnety. Polovica energie elektromagnetických vĺn (rádiové vlny, infračervené, viditeľné a ultrafialové žiarenie, röntgenové a gama žiarenie) je magnetická. Magnetické pole Zeme sa prejavuje množstvom javov a ukazuje sa najmä ako jedna z príčin polárnych žiaroviek.Nemagnetické látky v zásade neexistujú. Akákoľvek látka je vždy „magnetická“, to znamená, že mení svoje vlastnosti v magnetickom poli. Niekedy sú tieto zmeny pomerne malé a možno ich zistiť iba pomocou špeciálneho vybavenia; niekedy sú dosť významné a zisťujú sa bez väčších ťažkostí pomocou veľmi jednoduché prostriedky. Medzi slabo magnetické látky patrí hliník, meď, voda, ortuť a pod., silne magnetické alebo jednoducho magnetické (pri bežných teplotách) – železo, nikel, kobalt a niektoré zliatiny.
Použitie magnetizmu
Moderná elektrotechnika veľmi široko využíva magnetické vlastnosti hmoty na získavanie elektrickej energie, na jej premenu na rôzne iné formy energie. V drôtových a bezdrôtových komunikačných zariadeniach, v televízii, automatizácii a telemechanike sa používajú materiály s určitými magnetickými vlastnosťami. Magnetické javy zohrávajú podstatnú úlohu aj v živej prírode.Mimoriadna všeobecnosť magnetických javov, ich obrovský praktický význam prirodzene vedú k tomu, že doktrína magnetizmu je jedným z najdôležitejších odvetví modernej fyziky.
Magnetizmus je tiež neoddeliteľnou súčasťou počítačového sveta: až do roku 2010 boli magnetické pamäťové médiá (kompaktné kazety, diskety atď.) vo svete veľmi bežné, ale magnetooptické médiá (DVD-RAM
Za posledných 50 rokov sa všetky vedy rýchlo posunuli vpred. Ale po prečítaní mnohých časopisov o povahe magnetizmu a gravitácie možno dospieť k záveru, že človek má ešte viac otázok ako predtým.
Povaha magnetizmu a gravitácie
Každému je zrejmé a pochopiteľné, že vyhodené predmety rýchlo padajú na zem. Čo ich priťahuje? Pokojne môžeme predpokladať, že ich priťahujú nejaké neznáme sily. Tie isté sily sa nazývajú prirodzená gravitácia. Potom je každý, kto má záujem, konfrontovaný s množstvom polemík, dohadov, domnienok a otázok. Aká je povaha magnetizmu? Čo sú Výsledkom akého vplyvu sú? Aká je ich podstata, ako aj frekvencia? Ako vplývajú na životné prostredie a na každého človeka individuálne? Ako racionálne možno tento jav využiť v prospech civilizácie?
Pojem magnetizmus
Začiatkom devätnásteho storočia objavil fyzik Hans Christian Oersted magnetické pole elektrického prúdu. To umožnilo predpokladať, že povaha magnetizmu úzko súvisí s elektrickým prúdom, ktorý sa vytvára vo vnútri každého z existujúcich atómov. Vynára sa otázka, aké javy môžu vysvetliť povahu zemského magnetizmu?
Doteraz sa zistilo, že magnetické polia v magnetizovaných objektoch sú vo väčšej miere generované elektrónmi, ktoré sa neustále otáčajú okolo svojej osi a okolo jadra existujúceho atómu.
Už dlho sa zistilo, že chaotický pohyb elektrónov je skutočným elektrickým prúdom a jeho prechod vyvoláva vznik magnetického poľa. Ak zhrnieme túto časť, môžeme s istotou povedať, že elektróny v dôsledku ich chaotického pohybu vo vnútri atómov generujú vnútroatómové prúdy, ktoré zase prispievajú k vytváraniu magnetického poľa.
Aký je však dôvod toho, že v rôznych veciach má magnetické pole významné rozdiely vo svojej vlastnej hodnote, ako aj odlišnú magnetizačnú silu? Je to spôsobené tým, že osi a dráhy pohybu nezávislých elektrónov v atómoch môžu byť voči sebe v rôznych polohách. To vedie k tomu, že magnetické polia vytvárané pohybujúcimi sa elektrónmi sú tiež umiestnené v zodpovedajúcich polohách.
Treba si teda uvedomiť, že médium, v ktorom magnetické pole vzniká, ho priamo ovplyvňuje, pričom samotné pole zvyšuje alebo oslabuje.
Pole, ktoré zoslabuje výsledné pole, sa nazýva diamagnetické a materiály, ktoré veľmi slabo zosilňujú magnetické pole, sa nazývajú paramagnetické.
Magnetické vlastnosti látok
Treba poznamenať, že povaha magnetizmu sa rodí nielen vďaka elektrickému prúdu, ale aj vďaka permanentným magnetom.
Permanentné magnety môžu byť vyrobené z malého množstva látok na Zemi. Je však potrebné poznamenať, že všetky predmety, ktoré budú v okruhu magnetického poľa, sa zmagnetizujú a stanú sa priamymi. Po analýze vyššie uvedeného je potrebné dodať, že vektor magnetickej indukcie v prípade prítomnosti látky sa líši z vektora vákuovej magnetickej indukcie.
Amperova hypotéza o podstate magnetizmu
Príčinnú súvislosť, v dôsledku ktorej sa zistila súvislosť medzi vlastníctvom tiel magnetickými črtami, objavil vynikajúci francúzsky vedec Andre-Marie Ampère. Aká je však Amperova hypotéza o povahe magnetizmu?
Príbeh sa začal vďaka silnému dojmu z toho, čo vedec videl. Bol svedkom výskumu Oersteda Lmiera, ktorý smelo naznačil, že príčinou zemského magnetizmu sú prúdy, ktoré pravidelne prechádzajú v rámci zemegule. Urobil sa zásadný a najvýznamnejší príspevok: magnetické vlastnosti telies sa dali vysvetliť nepretržitou cirkuláciou prúdov v nich. Potom, čo Ampere predložil nasledujúci záver: magnetické vlastnosti ktoréhokoľvek z existujúcich telies sú určené uzavretým okruhom elektrických prúdov, ktoré v nich tečú. Fyzikovo vyhlásenie bolo odvážnym a odvážnym činom, pretože vysvetľovaním magnetických vlastností telies prečiarkol všetky predchádzajúce objavy.
Pohyb elektrónov a elektrický prúd
Amperova hypotéza tvrdí, že vo vnútri každého atómu a molekuly je elementárny a cirkulujúci náboj elektrického prúdu. Stojí za zmienku, že dnes už vieme, že tie isté prúdy vznikajú v dôsledku chaotického a nepretržitého pohybu elektrónov v atómoch. Ak sú dohodnuté roviny navzájom náhodne spôsobené tepelným pohybom molekúl, potom sú ich procesy vzájomne kompenzované a nemajú absolútne žiadne magnetické vlastnosti. A v magnetizovanom objekte sú najjednoduchšie prúdy zamerané na zabezpečenie toho, aby boli ich akcie koordinované.
Amperova hypotéza je schopná vysvetliť, prečo sa magnetické ihly a rámy s elektrickým prúdom v magnetickom poli správajú navzájom identicky. Šípku treba považovať za komplex malých obvodov s prúdom, ktoré sú nasmerované identicky.
Špeciálna skupina, v ktorej je magnetické pole výrazne zosilnené, sa nazýva feromagnetické. Tieto materiály zahŕňajú železo, nikel, kobalt a gadolínium (a ich zliatiny).
Ale ako vysvetliť podstatu magnetizmu konštantné polia sú tvorené feromagnetmi nielen v dôsledku pohybu elektrónov, ale aj v dôsledku vlastného chaotického pohybu.
Moment hybnosti (správny krútiaci moment) získal názov - rotácia. Počas celej doby existencie sa elektróny otáčajú okolo svojej osi a s nábojom vytvárajú magnetické pole spolu s poľom vytvoreným v dôsledku ich orbitálneho pohybu okolo jadier.
Teplota Marie Curie
Teplota, nad ktorou feromagnetická látka stráca magnetizáciu, dostala svoj špecifický názov – Curieova teplota. Koniec koncov, bol to francúzsky vedec s týmto menom, ktorý urobil tento objav. Dospel k záveru: ak sa zmagnetizovaný predmet výrazne zahreje, stratí schopnosť priťahovať železné predmety k sebe.
Feromagnety a ich použitie
Napriek tomu, že na svete nie je toľko feromagnetických telies, ich magnetické vlastnosti sú veľké praktické využitie a zmysel. Jadro v cievke, vyrobené zo železa alebo ocele, mnohonásobne zosilňuje magnetické pole, pričom neprekračuje spotrebu prúdu v cievke. Tento jav výrazne pomáha šetriť energiu. Jadrá sú vyrobené výhradne z feromagnetík a je jedno, na aký účel bude táto časť slúžiť.
Magnetická metóda zaznamenávania informácií
Pomocou feromagnetík sa vyrábajú prvotriedne magnetické pásky a miniatúrne magnetické fólie. Magnetické pásky sú široko používané v oblasti záznamu zvuku a videa.
Magnetická páska je plastový základ pozostávajúci z PVC alebo iných komponentov. Na ňu je nanesená vrstva, čo je magnetický lak, ktorý pozostáva z mnohých veľmi malých ihličkovitých častíc železa alebo iného feromagnetika.
Proces nahrávania zvuku sa vykonáva na pásku, ktorej pole podlieha zmenám v čase v dôsledku zvukových vibrácií. V dôsledku pohybu pásky okolo magnetickej hlavy je každá časť fólie vystavená magnetizácii.
Povaha gravitácie a jej pojmy
V prvom rade stojí za zmienku, že gravitácia a jej sily sú obsiahnuté v zákone univerzálnej gravitácie, ktorý hovorí, že: dva hmotné body sa navzájom priťahujú silou priamo úmernou súčinu ich hmotností a nepriamo úmernou druhej mocnine vzdialenosť medzi nimi.
Moderná veda začala uvažovať o pojmoch gravitačná sila trochu inak a vysvetľuje ju ako pôsobenie gravitačného poľa samotnej Zeme, ktorého pôvod, žiaľ, vedci zatiaľ nezistili.
Ak zhrnieme všetky vyššie uvedené skutočnosti, rád by som poznamenal, že všetko v našom svete je úzko prepojené a medzi gravitáciou a magnetizmom nie je žiadny významný rozdiel. Gravitácia má predsa rovnaký magnetizmus, len nie vo veľkej miere. Na Zemi nie je možné oddeliť objekt od prírody - je narušený magnetizmus a gravitácia, čo môže v budúcnosti výrazne skomplikovať život civilizácie. Človek by mal zbierať plody vedeckých objavov veľkých vedcov a usilovať sa o nové úspechy, ale všetku danosť by mal využívať racionálne, bez ubližovania prírode a ľudstvu.
Vzorce elektriny a magnetizmu. Štúdium základov elektrodynamiky tradične začína elektrickým poľom vo vákuu. Na výpočet sily interakcie medzi dvoma presnými nábojmi a na výpočet sily elektrického poľa vytvoreného bodovým nábojom je potrebné vedieť aplikovať Coulombov zákon. Na výpočet intenzity polí vytvorených rozšírenými nábojmi (nabitý závit, rovina atď.) sa používa Gaussova veta. Pre systém elektrických nábojov je potrebné aplikovať princíp
Pri štúdiu témy „Smerný prúd“ je potrebné vo všetkých formách zvážiť zákony Ohma a Joule-Lenza Pri štúdiu „Magnetizmus“ je potrebné mať na pamäti, že magnetické pole je generované pohybom nábojov a pôsobí na pohybujúce sa náboje. . Tu by sme mali venovať pozornosť zákonu Biot-Savart-Laplace. Osobitná pozornosť by sa mala venovať Lorentzovej sile a zvážiť pohyb nabitej častice v magnetickom poli.
Elektrické a magnetické javy spája zvláštna forma existencie hmoty – elektromagnetické pole. Základom teórie elektromagnetického poľa je Maxwellova teória.
Tabuľka základných vzorcov pre elektrinu a magnetizmus
|
Fyzikálne zákony, vzorce, premenné |
Vzorce pre elektrinu a magnetizmus |
||||||||
|
Coulombov zákon: |
|
||||||||
|
Intenzita elektrického poľa: kde Ḟ je sila pôsobiaca na náboj q0 nachádza v tomto bode poľa. |
|||||||||
|
Sila poľa vo vzdialenosti r od zdroja poľa: 1) bodový poplatok 2) nekonečne dlhé nabité vlákno s lineárnou hustotou náboja τ: 3) rovnomerne nabitá nekonečná rovina s povrchovou hustotou náboja σ: 4) medzi dvoma opačne nabitými rovinami |
|
||||||||
|
Potenciál elektrického poľa: kde W je potenciálna energia náboja q 0 . |
|||||||||
|
Potenciál poľa bodového náboja vo vzdialenosti r od náboja: |
|
||||||||
|
Podľa princípu superpozície polí je intenzita: |
|
||||||||
|
Potenciál: kde Ēi a ϕ i- napätie a potenciál v danom bode poľa, vytvoril i poplatok. |
|||||||||
|
Práca síl elektrického poľa na presun náboja q z bodu s potenciálomφ 1 do bodu potenciáluϕ 2: |
|
||||||||
|
Vzťah medzi napätím a potenciálom 1) pre nehomogénne pole: 2) pre homogénne pole: |
|
||||||||
|
Elektrická kapacita osamelého vodiča: |
|||||||||
|
Kapacita kondenzátora: |
|||||||||
|
Elektrická kapacita plochého kondenzátora: kde S je plocha dosky (jedna) kondenzátora, d je vzdialenosť medzi doskami. |
|||||||||
|
Energia nabitého kondenzátora: |
|||||||||
|
Aktuálna sila: |
|||||||||
|
súčasná hustota: kde S je plocha prierezu vodiča. |
|||||||||
|
Odpor vodiča: l je dĺžka vodiča; S je plocha prierezu. |
|||||||||
|
Ohmov zákon 1) pre homogénnu časť reťaze: 2) v diferenciálnej forme: 3) pre časť obvodu obsahujúcu EMF: Kde ε je EMF zdroja prúdu, R a r - vonkajší a vnútorný odpor obvodu; 4) pre uzavretý okruh: |
|
||||||||
|
Joule-Lenzov zákon 1) pre homogénnu časť obvodu jednosmerného prúdu: 2) pre časť obvodu s prúdom, ktorý sa časom mení: |
|
||||||||
|
Aktuálny výkon: |
|||||||||
|
Vzťah medzi magnetickou indukciou a silou magnetického poľa: kde B je vektor magnetickej indukcie, |
|
||||||||
|
Magnetická indukcia(indukcia magnetického poľa): 2) polia nekonečne dlhého dopredného prúdu 3) pole vytvorené kúskom vodiča s prúdom |
|
,
Elektronická učebnica fyziky
KSTU-KHTI. Katedra fyziky. Starostina I.A., Kondratieva O.I., Burdová E.V.
Na pohyb v texte elektronickej učebnice môžete použiť:
1 - stlačenie klávesu PgDn, PgUp,, prechádzať stránkami a riadkami;
2- stlačenie ľavého tlačidla myši na vybranomtext prejsť na požadovanú časť;
3- kliknite ľavým tlačidlom myši na vybranú ikonu@ prejsť na titul.
MAGNETIZMUS
MAGNETIZMUS
1. ZÁKLADY MAGNETOSTATIKY. MAGNETICKÉ POLE VO VÁKUU
1.1. Magnetické pole a jeho charakteristiky.@
1.2. Amperov zákon.@
1.3. Biot-Savart-Laplaceov zákon a jeho aplikácia na výpočet magnetického poľa. @
1.4. Interakcia dvoch paralelných vodičov s prúdom. @
1.5. Pôsobenie magnetického poľa na pohybujúcu sa nabitú časticu. @
1.6. Celkový prúdový zákon pre magnetické pole vo vákuu (veta o cirkulácii vektora B). @
1.7. Tok vektora magnetickej indukcie. Gaussova veta pre magnetické pole. @
1. 8. Rám s prúdom v rovnomernom magnetickom poli. @
2. MAGNETICKÉ POLE V LÁTKE. @
2.1. Magnetické momenty atómov. @
2.2. Atóm v magnetickom poli. @
2.3. Magnetizácia hmoty. @
2.4. Druhy magnetov. @
2.5. Diamagnetizmus. Diamagnety. @
2.6. Paramagnetizmus. Paramagnety. @
2.7. Feromagnetizmus. Feromagnety. @
2.8. Štruktúra domény feromagnetík. @
2.9. Antiferomagnety a ferity. @
3. FENOMÉN ELEKTROMAGNETICKEJ INDUKCIE. @
3.1. Základný zákon elektromagnetickej indukcie. @
3.2. Fenomén samoindukcie. @
3.3. Fenomén vzájomnej indukcie. @
3.4. Energia magnetického poľa. @
4. MAXWELLOVE ROVNICE. @
4.1. Maxwellova teória pre elektromagnetické pole. @
4.2. Maxwellova prvá rovnica. @
4.3. predpätý prúd. @
4.4. Maxwellova druhá rovnica. @
4.5. Maxwellov systém rovníc v integrálnom tvare. @
4.6. Elektromagnetické pole. elektromagnetické vlny. @
MAGNETIZMUS
Magnetizmus- odbor fyziky, ktorý študuje interakciu medzi elektrickými prúdmi, medzi prúdmi a magnetmi (telesami s magnetickým momentom) a medzi magnetmi.
Magnetizmus bol dlho považovaný za vedu úplne nezávislú od elektriny. Množstvo najvýznamnejších objavov 19. a 20. storočia od A. Ampereho, M. Faradaya a iných však dokázalo súvislosť medzi elektrickými a magnetickými javmi, čo umožnilo považovať doktrínu magnetizmu za integrálnu súčasť tzv. doktrína elektriny.
1. ZÁKLADY MAGNETOSTATIKY. MAGNETICKÉ POLE VO VÁKUU
1.1. Magnetické pole a jeho vlastnosti. @
Prvýkrát sa magnetickými javmi dôsledne zaoberal anglický lekár a fyzik William Gilbert vo svojej práci – „O magnete, magnetických telesách a veľkom magnete – Zemi“. Potom sa zdalo, že elektrina a magnetizmus nemajú nič spoločné. Až začiatkom 19. storočia dánsky vedec G.H.Oersted predložil myšlienku, že magnetizmus by mohol byť jednou zo skrytých foriem elektriny, čo bolo v roku 1820 potvrdené experimentom. Táto skúsenosť viedla k lavíne nových objavov, ktoré mali veľký význam.
Početné experimenty na začiatku 19. storočia ukázali, že každý vodič s prúdom a permanentným magnetom je schopný pôsobiť silou cez priestor na iné vodiče s prúdom alebo magnetmi. Je to spôsobené tým, že okolo vodičov s prúdom a magnetmi vzniká pole, ktoré bolo tzv magnetické.
Na štúdium magnetického poľa sa používa malá magnetická ihla, zavesená na nite alebo vyvážená na hrote (obr. 1.1). V každom bode magnetického poľa bude šípka umiestnená ľubovoľne n
Obr.1.1. Smer magnetického poľa
Zvážte sériu experimentov, ktoré umožnili stanoviť základné vlastnosti magnetického poľa:
Na základe týchto experimentov sa dospelo k záveru, že magnetické pole vytvárajú iba pohybujúce sa náboje alebo pohybujúce sa nabité telesá, ako aj permanentné magnety. Toto magnetické pole sa líši od elektrického poľa, ktoré je vytvárané pohyblivými aj stacionárnymi nábojmi a pôsobí na jeden aj druhý.
Hlavnou charakteristikou magnetického poľa je vektor magnetickej indukcie 
. Smer magnetickej indukcie v danom bode poľa sa berie ako smer, pozdĺž ktorého sa v danom bode nachádza os magnetickej strelky od S do N (obr. 1.1). Graficky sú magnetické polia znázornené magnetickými indukčnými siločiarami, to znamená krivkami, ktorých dotyčnice sa v každom bode zhodujú so smerom vektora B.
Tieto siločiary možno vidieť pomocou železných pilín: ak napríklad rozptýlite piliny okolo dlhého rovného vodiča a prejdete ním prúd, piliny sa budú správať ako malé magnety, umiestnené pozdĺž siločiar magnetického poľa (obr. 1.2) .
Ako určiť smer vektora 
okolo vodiča s prúdom? Dá sa to urobiť pomocou pravidla pravej ruky, ktoré je znázornené na obr. 1.2. Palec pravej ruky je orientovaný v smere prúdu, potom zostávajúce prsty v ohnutej polohe označujú smer magnetických siločiar. V prípade znázornenom na obrázku 1.2 sú čiary 
sú sústredné kruhy. Čiary vektora magnetickej indukcie sú vždy ZATVORENÉ a zakryte vodič s prúdom. V tom sa líšia od čiar intenzity elektrického poľa, ktoré začínajú na kladných a končia na záporných nábojoch, t.j. OTVORENÉ. Čiary magnetickej indukcie permanentného magnetu vychádzajú z jedného pólu, nazývaného sever (N) a vstupujú do druhého - južného (S) (obr. 1.3a). Najprv sa zdá, že tu existuje úplná analógia s čiarami intenzity elektrického poľa E a póly magnetov zohrávajú úlohu magnetických nábojov. Ak však magnet odrežete, obraz zostane zachovaný, získajú sa menšie magnety s vlastným severným a južným pólom, t.j. nie je možné oddeliť póly, pretože voľné magnetické náboje, na rozdiel od elektrických nábojov, v prírode neexistujú. Zistilo sa, že vo vnútri magnetov je magnetické pole a čiary magnetickej indukcie tohto poľa sú pokračovaním čiar magnetickej indukcie mimo magnetu, t.j. zatvorte ich. Magnetické pole solenoidu je podobne ako permanentný magnet cievka tenkého izolovaného drôtu s dĺžkou oveľa väčšou ako je priemer, ktorým preteká prúd (obr. 1.3b). Koniec solenoidu, z ktorého je vidieť prúd v cievke proti smeru hodinových ručičiek, sa zhoduje so severným pólom magnetu a druhý s južným. Magnetická indukcia 
v sústave SI sa meria v N / (A ∙ m), táto hodnota dostala špeciálny názov - tesla.
S 
Podľa predpokladu francúzskeho fyzika A. Ampéra obsahuje zmagnetizované železo (najmä strelky kompasu) kontinuálne sa pohybujúce náboje, t.j. elektrické prúdy v atómovom meradle. Takéto mikroskopické prúdy v dôsledku pohybu elektrónov v atómoch a molekulách existujú v akomkoľvek tele. Tieto mikroprúdy vytvárajú vlastné magnetické pole a môžu sa samy otáčať vo vonkajších poliach vytvorených vodičmi s prúdom. Napríklad, ak je vodič s prúdom umiestnený v blízkosti telesa, potom pôsobením jeho magnetického poľa sú mikroprúdy vo všetkých atómoch orientované určitým spôsobom, vytvárajúce dodatočné magnetické pole. Ampere vtedy nevedel povedať nič o povahe a charaktere týchto mikroprúdov, keďže doktrína o štruktúre hmoty bola ešte v samom počiatočná fáza. Amperova hypotéza sa brilantne potvrdila až o 100 rokov neskôr, po objavení elektrónu a objasnení štruktúry atómov a molekúl.
Magnetické polia, ktoré existujú v prírode, majú rôzny rozsah a účinky. Magnetické pole Zeme, ktoré tvorí zemskú magnetosféru, sa rozprestiera na vzdialenosť 70 - 80 tisíc km v smere k Slnku a na mnoho miliónov kilometrov v opačnom smere. V blízkozemskom priestore vytvára magnetické pole magnetickú pascu pre vysokoenergetické nabité častice. Vznik magnetického poľa Zeme je spojený s pohybmi vodivej kvapalnej látky v zemskom jadre. Z ostatných planét v slnečnej sústave majú citeľné magnetické polia iba Jupiter a Saturn. Magnetické pole Slnka hrá kľúčovú úlohu vo všetkých procesoch, ktoré sa vyskytujú na Slnku - erupcie, objavenie sa škvŕn a výčnelkov, zrod slnečného kozmického žiarenia.
Magnetické pole má široké využitie v rôznych priemyselných odvetviach, najmä pri čistení múky v pekárňach od kovových nečistôt. Špeciálne sitá na múku sú vybavené magnetmi, ktoré priťahujú malé kúsky železa a jeho zlúčenín, ktoré môžu byť v múke obsiahnuté.
