Jump to content

Магнетизм

(Перенаправлено от немагнитного )
Форма барной магнитом с магнитного поля раскрывается ориентацией железных заявок, посыпанных на столе вокруг него.

Магнетизм - это класс физических атрибутов, которые встречаются через магнитное поле , которое позволяет объектам привлекать или отражать друг друга. Поскольку как электрические токи , так и магнитные моменты элементарных частиц вызывают магнитное поле, магнетизм является одним из двух аспектов электромагнетизма .

Наиболее знакомые эффекты оказываются в ферромагнитных материалах, которые сильно привлекают магнитные поля и могут быть намагнированными , чтобы стать постоянными магнитами , производя сами магнитные поля. Размагнирование магнита также возможно. Только несколько веществ являются ферромагнитными; Наиболее распространенными являются железо , кобальт , никель и их сплавы.

Все вещества демонстрируют какой -то тип магнетизма. Магнитные материалы классифицируются в соответствии с их массовой восприимчивостью. [ 1 ] Ферромагнетизм отвечает за большую часть последствий магнетизма, встречающегося в повседневной жизни, но на самом деле есть несколько типов магнетизма. Парамагнитные вещества, такие как алюминий и кислород , слабо притягиваются к приложенному магнитному полю; Диамагнитные вещества, такие как медь и углерод , слабо отталкиваются; В то время как антиферромагнитные материалы, такие как хром , имеют более сложную связь с магнитным полем. [ нечеткий ] Сила магнита на парамагнитные, диамагнитные и антиферромагнитные материалы обычно слишком слабы, чтобы их можно было ощущать и может быть обнаружена только лабораторными инструментами, поэтому в повседневной жизни эти вещества часто описываются как немагнитные.

Прочность магнитного поля всегда уменьшается с расстоянием от магнитного источника, [ 2 ] Хотя точная математическая связь между силой и расстоянием варьируется. Многие факторы могут влиять на магнитное поле объекта, включая магнитный момент материала, физическую форму объекта, как величину, так и направление любого электрического тока, присутствующего в объекте, и температуру объекта.

Lodestone , натуральный магнит , притягивает железные ногти. Древние люди обнаружили свойство магнетизма из «Лодстона».
Иллюстрация из Гилберта 1600 дегмете, показывающая один из самых ранних методов изготовления магнита. Кузнец держит кусок красного железа в направлении на север-юг и забивает его, когда он охлаждается. Магнитное поле Земли выравнивает домены, оставляя железо слабым магнитом.
Рисование лечения с использованием магнитных кистей. Чарльз Жак 1843, Франция.

Магнетизм был впервые обнаружен в древнем мире, когда люди заметили, что садовые , естественно намагниченные кусочки минерального магнетита , могут привлечь железо. [ 3 ] Слово магнит происходит от греческого термина Магнит Магнитис Литос , [ 4 ] «Магнезийский камень, Лодест». [ 5 ] В древней Греции Аристотель что можно назвать научным обсуждением магнетизма философу Фалеса Милета приписал первое из того , , который жил от 625 до н.э. до 545 г. до н.э. [ 6 ] Древний индийский медицинский текст Сушрута Самхита описывает с использованием магнетита для удаления стрел, встроенных в тело человека. [ 7 ]

В древнем Китае самая ранняя литературная ссылка на магнетизм заключается в книге до нашей эры 4-го века, названной в честь его автора Гигузи . [ 8 ] Анналы 2-го века BC Annals, Lüshi Chunqiu , также примечания: « Запад делает железный подход; некоторые (сила) притягивают его». [ 9 ] Самое раннее упоминание о притяжении иглы находится в работе 1-го века Lunheng ( сбалансированные запросы ): «Лодан привлекает иглу». [ 10 ] 11-го века Китайский ученый Шен Куо был первым человеком, который писал-в эссе в бассейне мечты -магнитного игольчатого компаса и что он улучшил точность навигации, используя астрономическую концепцию истинного севера . К 12 веку китайцы, как было известно, использовали компасы Lodestone для навигации. Они излечили направленную ложку от Lodestone таким образом, что ручка ложки всегда указывала на юг.

Александр Нэкэм , к 1187 году, был первым в Европе, который описал компасы и его использование для навигации. В 1269 году Питер Перегринус де Марикур написал « Эпистола де Магнете» , первый трактат, описывающий свойства магнитов. В 1282 году свойства магнитов и сухих компасов обсуждали аль-Ашраф Умар II , физик йеменского , астроном и географ . [ 11 ]

Леонардо Гарзони Единственная существующая работа , Due Trattati Sopra La Natura, E Le Caliatà della Calamita ( два трактата о природе и качествах магнита ), является первым известным примером современного обращения с магнитными явлениями. Написанный в 1580 году и никогда не опубликованный, трактат имел широкую диффузию. В частности, Гарзони называют экспертом по магнетизму Никколо Кабео, чья философия магнетика (1629) является лишь повторной корректировкой работы Гарзони. Трактат Гарзони был известен также Джованни Баттиста -Делла Порта .

В 1600 году Уильям Гилберт опубликовал свой De Magnete, Magneticque Corporibus и De Magno Magnete Tellure ( на магнитах и ​​магнитных телах, а также на Великом Магните Земле ). В этой работе он описывает многие из своих экспериментов с его модельной Землей под названием « Террелла» . Из своих экспериментов он пришел к выводу, что земля сама по себе была магнитной и что это была причиной, по которой компасы указывали на север, тогда как ранее некоторые считали, что это была полюсная звезда Polaris или большой магнитный остров на Северном полюсе, которые привлекли компасы.

Понимание взаимосвязи между электричеством и магнетизмом началось в 1819 году с работы Ганса Кристиана Эрстеда , профессора в Университете Копенгагена, который обнаружил, что случайное подергивание иглы компаса возле провода может создать магнитный поле. Этот знаменательный эксперимент известен как эксперимент Эрстеда. Жан-Баптист Био и Феликс Саварт , оба из которых в 1820 году придумали Закон о биоте-саварт, дающий уравнение для магнитного поля из проволоки с током. Примерно в то же время Андре-Мари Ампер проводил многочисленные систематические эксперименты и обнаружил, что магнитная сила между двумя петлями тока постоянного тока любой формы равна сумме отдельных сил, что каждый ток-элемент одной цепи оказывает на элементе тока друг друга. другой схемы.

В 1831 году Майкл Фарадей обнаружил, что изменяющийся во времени магнитный поток вызывает напряжение через проволочную петлю. В 1835 году заявил Карл Фридрих Гаусс , основанный на законе о силе Ампера в его первоначальном виде, что все формы магнетизма возникают в результате элементарных точечных зарядов, движущихся относительно друг друга. [ 12 ] Вильгельм Эдуард Вебер продвигал теорию Гаусса в Weber Electrodynamics .

Примерно с 1861 года Джеймс Клерк Максвелл синтезировал и расширил многие из этих пониманий уравнений Максвелла , объединения электричества, магнетизма и оптики в поле электромагнетизма . Однако интерпретация Магнетизма Гаусса не полностью совместима с электродинамикой Максвелла. В 1905 году Альберт Эйнштейн использовал уравнения Максвелла в мотивации своей теории особой относительности , [ 13 ] Требование, чтобы законы считались во всех инерционных справочных рамах . Подход Гаусса к интерпретации магнитной силы как простой эффект относительных скоростей, таким образом, в некоторой степени вернулся в электродинамику.

Электромагнетизм продолжал развиваться в 21 -м веке, включавшиеся в более фундаментальные теории теории датчика , квантовой электродинамики , теории электрополова и, наконец, стандартной модели .

Источники

[ редактировать ]

Магнетизм, в своем корне, возникает из трех источников:

  1. Электрический ток
  2. Спиновые магнитные моменты элементарных частиц
  3. Изменение электрических полей

Магнитные свойства материалов в основном связаны с магнитными моментами их атомов вращающихся электронов . Магнитные моменты ядер атомов обычно тысячи раз меньше магнитных моментов электронов, поэтому они незначительны в контексте намагничения материалов. Ядерные магнитные моменты, тем не менее, очень важны в других контекстах, особенно в ядерном магнитном резонансе (ЯМР) и магнитно -резонансной томографии (МРТ).

Обычно огромное количество электронов в материале расположены так, что их магнитные моменты (как орбитальные, так и внутренние) отменяются. В некоторой степени это связано с электронами, объединяющимися в пары с противоположными внутренними магнитными моментами в результате принципа исключения Паули (см. Конфигурацию электронов ) и объединение в заполненные подборщики с нулевым чистым орбитальным движением. В обоих случаях электроны преимущественно принимают расположения, в которых магнитный момент каждого электрона отменяется противоположным моментом другого электрона. Более того, даже когда конфигурация электрона такова , что существуют непарные электроны и/или не заполненные подборки, часто бывает тот случай, когда различные электроны в твердого вещества будут вносить магнитные моменты, которые указывают в разных случайных направлениях, так что материал будет не быть магнитным.

Иногда - либо спонтанно, либо из -за приложенного внешнего магнитного поля - в среднем будут выстроены в среднем электронные магнитные моменты. Подходящий материал может затем производить сильное чистое магнитное поле.

Магнитное поведение материала зависит от его структуры, особенно его конфигурации электронов , по причинам, упомянутым выше, а также от температуры. При высоких температурах случайное тепловое движение затрудняет поддержание выравнивания электронов.

Иерархия типов магнетизма. [ 14 ]

Диамагнетизм

[ редактировать ]

Диамагнетизм появляется во всех материалах и является тенденцией материала противостоять приложенному магнитному полю и, следовательно, быть отталкиваемым магнитным полем. Однако в материале с парамагнитными свойствами (то есть с тенденцией усиления внешнего магнитного поля) доминирует парамагнитное поведение. [ 15 ] Таким образом, несмотря на его универсальное появление, диамагнитное поведение наблюдается только в чисто диамагнитном материале. В диамагнитном материале нет непарных электронов, поэтому внутренние электронные магнитные моменты не могут оказывать какого -либо массового эффекта. В этих случаях намагниченность возникает из орбитальных движений электронов, которые можно классически понимать следующим образом:

Когда материал помещается в магнитное поле, будут испытывать электроны, окружающие ядро, в дополнение к их кулоновскому притяжению к ядру, силе Лоренца из магнитного поля. В зависимости от того, в каком направлении электрон вращается вразом, эта сила может увеличить центростремленную силу на электронах, тянет их в ядро, или она может уменьшить силу, отталкивая их от ядра. Этот эффект систематически увеличивает орбитальные магнитные моменты, которые были выровнены напротив поля и уменьшают те, которые выровняются параллельно поля (в соответствии с законом Ленца ). Это приводит к небольшому массовому магнитному моменту с противоположным направлением к приложенному поле.

Это описание подразумевается только как эвристика ; Теорема Бора -Ван Леувен показывает, что диамагнетизм невозможно в соответствии с классической физикой, и что правильное понимание требует квантово-механического описания.

Все материалы подвергаются этому орбитальному ответу. Однако в парамагнитных и ферромагнитных веществах диамагнитный эффект перегружен гораздо более сильными эффектами, вызванными непарными электронами.

Парамагнетизм

[ редактировать ]

В парамагнитном материале есть непарные электроны ; т.е. атомные или молекулярные орбитали с ровно одним электроном в них. В то время как парные электроны требуются от принципа исключения Паули , чтобы они были указаны на их внутренние («спин») магнитные моменты, указывающие в противоположных направлениях, в результате чего их магнитные поля отменили, непарные электроны могут выровнять свой магнитный момент в любом направлении. Когда применяется внешнее магнитное поле, эти магнитные моменты будут склонны выровнять себя в том же направлении, что и приложенное поле, усиливая его.

Ферромагнетизм

[ редактировать ]

Ферромагнет, как парамагнитное вещество, имеет непарные электроны. Однако, в дополнение к внутренней тенденции магнитного момента электронов, параллельной приложенному полю, в этих материалах также существует тенденция к тому, чтобы эти магнитные моменты ориентировались друг на друга, чтобы поддерживать состояние пониженной энергии. Таким образом, даже при отсутствии приложенного поля магнитные моменты электронов в материале спонтанно выстраиваются параллельно друг другу.

Каждое ферромагнитное вещество имеет свою индивидуальную температуру, называемую температурой Кюри или точкой Кюри, над которой он теряет свои ферромагнитные свойства. Это связано с тем, что тепловая тенденция к расстройству перегружает энергию из-за ферромагнитного порядка.

Ферромагнетизм встречается только в нескольких веществах; Обычными являются железо , никель , кобальт , их сплавы и некоторые сплавы редкоземельных металлов.

Магнитные домены

[ редактировать ]
Магнитные домены границы (белые линии) в ферромагнитном материале (черный прямоугольник)
Влияние магнита на домены

Магнитные моменты атомов в ферромагнитном материале заставляют их вести себя что -то вроде крошечных постоянных магнитов. Они держатся вместе и объединяются в небольшие области более или менее равномерного выравнивания, называемых магнитными доменами или доменами Weiss . Магнитные домены можно наблюдать с помощью магнитного силового микроскопа, чтобы выявить границы магнитных доменов, которые напоминают белые линии в эскизе. Есть много научных экспериментов, которые могут физически показывать магнитные поля.

Когда домен содержит слишком много молекул, он становится нестабильным и разделяется на два домена, выровненных в противоположных направлениях, так что они сдерживаются более стабильно.

При воздействии магнитного поля границы домена перемещаются, так что домены, выровненные с магнитным полем, растут и доминируют в структуре (пунктирная желтая область), как показано слева. Когда поле намагничивания удаляется, домены могут не вернуться в негнитированное состояние. Это приводит к тому, что ферромагнитный материал намагничен, образующий постоянный магнит.

Когда намагниченность достаточно сильно, чтобы преобладающая область переполняет все остальные, чтобы привести только к одному отдельному домену, материал магнитно насыщен . Когда нагревается нагрязненный ферромагнитный материал до температуры точки Кюри , молекулы взволнованы до такой степени, что магнитные домены теряют организацию, и магнитные свойства, которые они вызывают. Когда материал охлаждается, эта структура выравнивания домена спонтанно возвращается, примерно аналогичным тому, как жидкость может замерзнуть в кристаллическое твердое вещество.

Антиферромагнетизм

[ редактировать ]
Антиферромагнитное упорядочение

В антиферромагнете , в отличие от ферромагнета, существует тенденция к внутренним магнитным моментам соседних валентных электронов, которые указывают в противоположных направлениях. Когда все атомы расположены в веществе, так что каждый сосед является антипараллельным, вещество является антиферромагнитным . Антиферромагнеты имеют нулевый чистый магнитный момент, потому что смежный противоположный момент отменяется, что означает, что они не производится. Антиферромагнеты менее распространены по сравнению с другими типами поведения и в основном наблюдаются при низких температурах. При различных температурах антиферромагнеты демонстрируют диамагнитные и ферромагнитные свойства.

В некоторых материалах соседние электроны предпочитают указывать в противоположных направлениях, но нет геометрического расположения, в которой каждая пара соседей противоречивой. Это называется антиферромагнетом или спин -льдом и является примером геометрического разочарования .

Феррамагнетизм

[ редактировать ]
Феррамагнитное упорядочение

Как и ферромагнетизм, ферримагниты сохраняют свою намагниченность в отсутствие поля. Однако, как и антиферромагниты, соседние пары электронных спинов имеют тенденцию указывать в противоположных направлениях. Эти два свойства не являются противоречивыми, потому что в оптимальном геометрическом расположении существует больше магнитного момента от субарина электронов, которые указывают в одном направлении, чем от сублатистики, который указывает в противоположном направлении.

Большинство ферритов являются ферримагнитными. Первое обнаруженное магнитное вещество, магнетит , является ферритом и первоначально считалось ферромагнетом; Луи Нтейл опроверг это, однако, после обнаружения ферримагнетизма.

Суперпарамагнетизм

[ редактировать ]
Магнитные порядки: сравнение между ферро, антиферро и ферримагнетизмом

Когда ферромагнет или ферримагнет достаточно мал, он действует как один магнитный вращение, которое подвержено движению Браун . Его ответ на магнитное поле качественно аналогична реакции парамагнета, но намного больше.

Нагаока магнетизм

[ редактировать ]

Японский физик Йосуке Нагаока задумал тип магнетизма в квадратной двухмерной решетке, где каждый узел решетки имел один электрон. Если один электрон был удален в определенных условиях, энергия решетки будет минимальной только тогда, когда все вращения электронов были параллельными.

Изменение этого было достигнуто экспериментально путем расположения атомов в треугольной муара решетке молибдена и дисульфидных дисульфидных монослоев вольфрама. Применение слабого магнитного поля и напряжение приводило к ферромагнитному поведению, когда присутствовало на 100-150% больше электронов, чем узлы решетки. Дополнительные электроны делокализованы и сочетаются со решетчатыми электронами для образования дублонов. Делокализация была предотвращена, если у решетчатых электронов не было выровненных спинов. Таким образом, дублоны создали локализованные ферромагнитные регионы. Это явление произошло в 140 милликельвинах. [ 16 ]

Другие виды магнетизма

[ редактировать ]

Электромагнит

[ редактировать ]
Электромагнит привлекает бумажные зажимы при применении тока, создавая магнитное поле. Электромагнит теряет их, когда ток и магнитное поле удаляются.

Электромагнит , - это тип магнита в котором магнитное поле производится электрическим током . [ 17 ] Магнитное поле исчезает, когда ток выключен. Электромагниты обычно состоят из большого количества близко расположенных поворотов провода, которые создают магнитное поле. Повороты проволоки часто намотаны вокруг магнитного ядра, изготовленного из ферромагнитного или ферримагнитного материала, такого как железо ; Магнитное ядро ​​концентрирует магнитный поток и делает более мощный магнит.

Основным преимуществом электромагнита по сравнению с постоянным магнитом является то, что магнитное поле можно быстро изменить, контролируя количество электрического тока в обмотке. Однако, в отличие от постоянного магнита, который не нуждается в мощности, электромагнит требует непрерывного снабжения тока для поддержания магнитного поля.

Электромагниты широко используются в качестве компонентов других электрических устройств, таких как двигатели , генераторы , реле , соленоиды, громкоговорители , жесткие диски , машины МРТ , научные инструменты и оборудование для магнитного разделения . Электромагниты также используются в промышленности для подбора и перемещения тяжелых железных объектов, таких как металлолом и сталь. [ 18 ] Электромагнетизм был обнаружен в 1820 году. [ 19 ]

Магнетизм, электричество и особая относительность

[ редактировать ]

Как следствие теории особой относительности Эйнштейна, электричество и магнетизм в основном взаимосвязаны. Как магнетизм, отсутствующий электричеством, так и электричество без магнетизма, несовместимы с особой относительностью из-за таких эффектов, как сокращение длины , дилатация времени и тот факт, что магнитная сила зависит от скорости. Однако, когда принимаются во внимание как электричество, так и магнетизм, результирующая теория ( электромагнетизм ) полностью согласуется со специальной относительностью. [ 13 ] [ 20 ] В частности, явление, которое кажется чисто электрическим или чисто магнитным для одного наблюдателя, может быть смесью как к другому, или, в более общем смысле, относительный вклад электроэнергии и магнетизма зависит от структуры отсчета. Таким образом, особая относительность «смешивает» электричество и магнетизм в единое, неразделимое явление, называемое электромагнетизмом , аналогичным тому, как общая относительность «смешивает» пространство и время в пространство .

Все наблюдения по электромагнетизму применяются к тому, что можно считать в первую очередь магнетизм, например, возмущения в магнитном поле обязательно сопровождаются ненулевым электрическим полем и распространяются со скоростью света . [ 21 ]

Магнитные поля в материале

[ редактировать ]

В вакууме,

где μ 0 - вакуумная проницаемость .

В материале,

Количество μ 0 м называется магнитной поляризацией .

Если поле H мало, отклик намагниченности M в диамагнете или ParamagNet приблизительно является линейной:

Константа пропорциональности называется магнитной восприимчивостью. Если так,

В жестком магните, таком как ферромагнет, M не пропорционален полю и обычно является ненулевым, даже если H равен нулю (см. Остаток ).

Магнитная сила

[ редактировать ]
Магнитные линии силы стержня, показанного железными заявками на бумаге
Обнаружение магнитного поля с компасом и с помощью железных заявок

Феномен магнетизма «опосредован» магнитным полем. Электрический ток или магнитный диполь создает магнитное поле, и это поле, в свою очередь, придает магнитные силы на другие частицы, которые находятся на полях.

Уравнения Максвелла, которые упрощаются до закона Био -Саварта в случае устойчивых токов, описывают происхождение и поведение областей, которые управляют этими силами. Следовательно, магнетизм наблюдается всякий раз, когда электрически заряженные частицы находятся в движении , например, от движения электронов в электрическом токе или в некоторых случаях из орбитального движения электронов вокруг ядра атома. Они также возникают из «внутренних» магнитных диполей, возникающих в результате квантово-механического вращения .

Те же ситуации, которые создают магнитные поля - зарядки, движущиеся в токе или в атом, и внутренние магнитные диполи - также являются ситуациями, в которых магнитное поле оказывает эффект, создавая силу. Ниже приведена формула для заряда движения; Для сил на внутреннем диполе см. Магнитный диполь.

Когда заряженная частица перемещается через магнитное поле B , она чувствует, что Lorentz, сила F данная поперечным продуктом : [ 22 ]

где

электрический заряд частицы, и
v - скорости вектор частицы

Поскольку это поперечный продукт, сила перпендикулярна как движению частицы, так и магнитному полю. Отсюда следует, что магнитная сила не работает над частицами; Это может изменить направление движения частицы, но не может привести к ускорению или замедлению. Величина силы

где угол между V и B. это

Одним из инструментов для определения направления вектора скорости движущегося заряда, магнитного поля и усиленной силы является маркировкой указательного пальца "V" [ сомнительно - обсудить ] , средний палец "B", и большой палец "f" правой рукой. При создании пистоподобной конфигурации, с пересечением среднего пальца под указательным пальцем, пальцы представляют вектор скорости, вектор магнитного поля и вектор силы, соответственно. Смотрите также правое правило .

Магнитные диполи

[ редактировать ]

Очень распространенным источником магнитного поля, обнаруженного в природе, является диполь , с « южным полюсом » и « северным полюсом », термины, датируемые использование магнитов в качестве компасов, взаимодействующих с магнитным полем Земли , чтобы указать на север и юг на Глобус . Поскольку притягиваются противоположные концы магнитов, северный полюс магнита притягивается к южному полюсу другого магнита. Земли Северный магнитный полюс (в настоящее время в Арктическом океане, к северу от Канады) является физически южным полюсом, поскольку он привлекает северный полюс компаса. Магнитное поле содержит энергию , а физические системы движутся в направлении конфигураций с более низкой энергией. Когда диамагнитный материал помещается в магнитное поле, магнитный диполь имеет тенденцию выходить в противоречивую полярность к этому полю, тем самым снижая чистую прочность поля. Когда ферромагнитный материал помещается в магнитное поле, магнитные диполи выравниваются в приложенное поле, тем самым расширяя доменные стенки магнитных доменов.

Магнитные монополи

[ редактировать ]

Поскольку бар -магнит получает свой ферромагнетизм от электронов, распределенных по всей стержне, когда стержень вырезан пополам, каждая из полученных кусочков представляет собой меньший магнит. Несмотря на то, что магнит имеет северный полюс и южный полюс, эти два полюса не могут быть отделены друг от друга. Монополь - если такая вещь существует - будет новым и принципиально другим видом магнитного объекта. Он будет действовать как изолированный северный полюс, не прикрепленный к южному полюсу, или наоборот. Монополи будут нести «магнитный заряд», аналогичный электрическому заряду. Несмотря на систематические поиски с 1931 года, по состоянию на 2010 год , они никогда не наблюдали, и вполне могли бы не существовать. [ 23 ]

Тем не менее, некоторые теоретические физические модели предсказывают существование этих магнитных монополей . Пол Дирак заметил в 1931 году, что, поскольку электричество и магнетизм демонстрируют определенную симметрию , так же, как квантовая теория предсказывает, что индивидуальные положительные или отрицательные электрические заряды могут наблюдаться без противоположного заряда, изолированные южные или северные магнитные полюсы должны быть наблюдаемыми. Используя квантовую теорию, Дирак показал, что если существуют магнитные монополи, то можно объяснить квантование электрического заряда, то есть то, почему наблюдаемые элементарные частицы несут зарядки, которые являются кратных заряда электрона.

Некоторые великие единые теории предсказывают существование монополей, которые, в отличие от элементарных частиц, являются солитонами (локализованные энергетические пакеты). Первоначальные результаты использования этих моделей для оценки количества монополей, созданных в Большом взрыве, противоречили космологическим наблюдениям - монополи были бы настолько обильными и массивными, что они бы давно остановили бы расширение вселенной. Тем не менее, идея инфляции (для которой эта проблема послужила частичной мотивацией) была успешной в решении этой проблемы, создавая модели, в которых существовали монополи, но были достаточно редкими, чтобы соответствовать современным наблюдениям. [ 24 ]

Символ [ 25 ] Название количества Название блока Символ Базовые единицы
И энергия джоуль J = ct kg⋅m 2 ⋅s −2
Q. электрический заряд кулон В A⋅s
я Электрический ток ампер A = c/s = w/v А
Дж Плотность электрического тока ампер на квадратный метр Являюсь 2 A⋅m −2
У , D V ? D ϕ ; E , h разность потенциалов ; Напряжение ; электродвижущая сила вольт V = J/C. kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1
R ; Z ; Х электрическое сопротивление ; импеданс ; реактивное сопротивление ом Ω = V/a kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −2
ведущий удельное сопротивление Ом счетчик Ω⋅m kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −2
П электроэнергия ватт W = vired kg⋅m 2 ⋅s −3
В емкость Отпечаток пальца F = C/V. кг −1 ⋅m −2 ⋅A 2 ⋅s 4
Φ e электрический поток Volt Meter V⋅m kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −1
И Электрическое поле был за метр V/m = N/C kg⋅m⋅A −1 ⋅s −3
Дюймовый Поле электрического смещения кулонов См 2 A⋅s⋅m −2
эн проницаемость Фарад за метр F/M. кг −1 ⋅m −3 ⋅A 2 ⋅s 4
x E. электрическая восприимчивость ( безразмерный ) 1 1
п Электрический дипольный момент кулоновский счетчик C⋅m A⋅s⋅m
G ; Y ; Беременный проводимость ; прием ; восприятие Сименс S = о −1 кг −1 ⋅m −2 ⋅s 3 ⋅A 2
K , c , σ проводимость Siemens на метр S/M. кг −1 ⋅m −3 ⋅s 3 ⋅A 2
Беременный магнитная плотность потока, магнитная индукция Тесла T = WB/M. 2 = N⋅A −1 ⋅m −1 kg⋅s −2 ⋅A −1
Φ , φ m , φ b магнитный поток Вебер Wb = vœs kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −1
ЧАС магнитное поле Ампер за метр Являюсь A⋅m −1
Фон магнитомотная сила ампер A = wb/h А
Ведущий магнитное нежелание Обратный Генри ЧАС −1 = A/WB кг −1 ⋅m −2 ⋅s 2 ⋅A 2
П магнитная проницаем Генри H = wb/a kg⋅m 2 ⋅s -2 ⋅A -2
L , м индуктивность Генри H = wb/a = vœt/a kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −2
м проницаемость Генри за метр H/M. kg⋅m ⋅s −2 ⋅A −2
х магнитная восприимчивость ( безразмерный ) 1 1
м Магнитный дипольный момент Ампер квадратных метров A⋅m 2 = J⋅T −1 A⋅m 2
а Массовая намагниченность Ampere квадратный метр на килограмм A⋅m 2 /кг A⋅m 2 ⋅kg −1

Живые существа

[ редактировать ]
Живая лягушка левитирует внутри 32 мм диаметром вертикального отверстия в очень сильном магнитном поле - около 16 теслас

Некоторые организмы могут обнаружить магнитные поля, явление, известное как магнитоцепция . Некоторые материалы в живых существах являются ферромагнитными, хотя неясно, служат ли магнитные свойства особую функцию или просто побочный продукт содержания железа. Например, хитоны , тип морской молск, производят магнетит, чтобы затвердеть зубы, а даже люди производят магнетит в телесных тканях. [ 26 ]

Магнитобиология изучает влияние магнитных полей на живые организмы; Поля, естественно, произведенные организмом, известны как биомагнетизм . Многие биологические организмы в основном изготовлены из воды, и поскольку вода является диамагнитной , чрезвычайно сильные магнитные поля могут отразить эти живые существа.

Интерпретация магнетизма с помощью относительных скоростей

[ редактировать ]

В годы после 1820 года Андре-Мари Ампер провели многочисленные эксперименты, в которых он измерил силы между прямыми токами. В частности, он также изучал магнитные силы между непараллельными проводами. [ 27 ] Окончательным результатом его работы стал сильный закон, который теперь назван в его честь. В 1835 году Карл Фридрих Гаусс понял [ 12 ] Этот закон Ампер в его первоначальной форме может быть объяснен обобщением закона Кулона .

Закон о силе Гаусса утверждает, что электромагнитная сила пережил точечный заряд, с траекторией , в окрестностях другого заряда, с траекторией , в вакууме равен центральной силе

,

где расстояние между зарядами и относительная скорость. Вильгельм Эдуард Вебер подтвердил гипотезу Гаусса в многочисленных экспериментах. [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] С помощью Weber Electrodynamics можно объяснить статические и квазистатические эффекты в нерелятивистском режиме классической электродинамики без магнитного поля и силы Лоренца .

С 1870 года Maxwell Electrodynamics была разработана , которая постулирует, что существуют электрические и магнитные поля. В электродинамике Максвелла фактическая электромагнитная сила может быть рассчитана с использованием силы Лоренца, которая, как и сила Вебера, зависит от скорости. Тем не менее, электродинамика Максвелла не полностью совместима с работой Ampère, Gauss и Weber в квазистатическом режиме. В частности, первоначальный законодательство Ampère о силе и Закон о Био-Саварте эквивалентны только в том случае, если закрыт петля-проводник. [ 31 ] Поэтому электродинамика Максвелла представляет собой разрыв с интерпретацией магнетизма Гаусом и Вебером, поскольку в электродинамике Максвелла больше невозможно вывести магнитную силу из центральной силы.

Квантово-механическое происхождение магнетизма

[ редактировать ]

В то время как эвристические объяснения, основанные на классической физике, могут быть сформулированы, диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм можно полностью объяснить только с использованием квантовой теории. [ 32 ] [ 33 ] Успешная модель была разработана уже в 1927 году Уолтером Хейтлером и Фрицем Лондоном , которые вывели, квантово-механически, как молекулы водорода образуются из атомов водорода, т.е. из атомных водородных орбиталей и Центр в ядрах А и В , см. Ниже. То, что это приводит к магнетизму, совсем не очевидно, но будет объяснено следующим образом.

Согласно теории Хейтлера-Лондона, так называемый молекуляр с двумя телами -орбитали создаются, а именно полученная орбиталь:

Здесь последний продукт означает, что первый электрон, r 1 , находится в атомной водородно-орбитальной, центрированной во втором ядре, тогда как второй электрон проходит вокруг первого ядра. Это «обменное» явление является выражением квантово-механического свойства, которое нельзя различить частиц с идентичными свойствами. Это специфично не только для образования химических связей , но и для магнетизма. То есть в этой связи возникает термин обмена взаимодействия , термин, который необходим для происхождения магнетизма и который является сильнее, примерно по факторам 100 и даже на 1000, чем энергии, возникающие в результате электродинамического диполь-дипольного взаимодействия.

Что касается функции спина , который отвечает за магнетизм, мы имеем уже упомянутый принцип Паули, а именно, что симметричная орбиталь (т.е. с знаком +, как указано выше), должна быть умножена на антисимметричную спиновую функцию (т.е. с знаком) и наоборот . Таким образом:

,

Т.е. не только и Должен быть заменен α и β соответственно (первая сущность означает «вращение», второе «вращение»), но также и знак + - знак, и, наконец, r I с помощью дискретных значений s i (= ± 1 2 ); Таким образом, у нас есть и Полем « Синглетное состояние », то есть-знак, означает: спины являются антипараллельными , т.е. для твердого вещества мы имеем антиферромагнетизм , и для двухтомических молекул у одного имеет диамагнетизм . Тенденция формировать (гомеополярную) химическую связь (это означает: образование симметричной молекулярной орбиты, т.е. с знаком +) приводит к принципу Паули автоматически в антисимметричном состоянии спина (т. Е. С знаком). Напротив, кулоновское отталкивание электронов, то есть тенденция, которую они стараются избегать друг друга благодаря этому отталкиванию, приведет к антисимметричной орбитальной функции (т.е. с - знаком) этих двух частиц и дополняется симметричной спиновой функции (т.е. с знаком +, одна из так называемых « тройных функций »). Таким образом, теперь спины будут параллельными ( ферромагнетизм в твердом парамагнетизме в двухтомических газах).

Последняя примененная тенденция доминирует в металлах железа , кобальта и никеля , а также в некоторых редкоземельных землях, которые являются ферромагнитными . Большинство других металлов, где доминирует первая употребление тенденции, являются немагнитными (например , натрий , алюминий и магний ) или антиферромагнитный (например, марганец ). Диатомные газы также почти исключительно диамагнитны и не парамагнитны. Однако молекула кислорода, из-за участия π -орбиталей, является исключением, важным для наук о жизни.

Соображения Хейтлера-Лондона могут быть обобщены на модель магнетизма Гейзенберга (Heisenberg 1928).

Таким образом, объяснение явлений по существу основано на всех тонкостях квантовой механики, тогда как электродинамика охватывает в основном феноменология.

Смотрите также

[ редактировать ]
  1. ^ Джайлс, Дэвид (2 сентября 2015 г.). Введение в магнетизм и магнитные материалы (третье изд.). Бока -Ратон. ISBN  978-1-4822-3887-7 Полем OCLC   909323904 . {{cite book}}: CS1 Maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка )
  2. ^ Du, япинг; Ченг, ТК; Фараг, как (август 1996 г.). «Принципы мощного магнитного поля защиты с плоскими листами в источнике длинных проводников» . IEEE транзакции на электромагнитную совместимость . 38 (3): 450–459. doi : 10.1109/15.536075 . ISSN   1558-187X .
  3. ^ Вы триггетируете еду, съемки, Iennial; Дэмиен Гиньокс; Мишель Бленкер (2005). Магнетизм: основы . Пружины. стр. 3-6. ISBN  978-0-387-22967-6 .
  4. ^ Платон , Мейер и Зеллер, 1839, с. 989.
  5. ^ Расположение магнезии обсуждается; Это может быть регион в материковой части Греции или Магнезии и Сипилум . См., Например, "Магнит" . Языковая шляпа блог . 28 мая 2005 г. Получено 22 марта 2013 года .
  6. ^ Фаулер, Майкл (1997). «Исторические началы теорий электричества и магнетизма» . Получено 2008-04-02 .
  7. ^ Кумар Гоял, Раджендра (2017). Наноматериалы и нанокомпозиты: синтез, свойства, методы характеристики и приложения . CRC Press. п. 171. ISBN  9781498761673 .
  8. ^ Секция «Фанкирование 2» ( реакция 2 ) Гигузи Это все равно , : « что взять иглу из магнита и взять сожженную кость с языка ».
  9. ^ Ли, Шу-Хуа (1954). «Происхождение Буссона II. Любирование и компас». ИГИЛ (по -французски). 45 (2): 175–196. Doi : 10.1086/348315 . JSTOR   227361 . S2CID   143585290 . Отрывок в Liu-Che-tch'ouen-ts'ieou [...]: «Магнитный камень приносит железо или его привлекает».
    Из раздела « Цзинтонг » ( опытный » (Ji Qiu Ji ) «Альманак прошлого осеннего месяца ): « Ci Shi вызывает железо или возглавляет его
  10. ^ разделе « Последнее слово на Драконах » Лунхэна Янтарь В : « занимается стратегиями Magnet Lead , а нагрузочный камень привлекает потребности» (Dunmou Lock, ).
  11. ^ Шмидл, Петра Г. (1996–1997). «Два ранних арабских источника на магнитном компасе». Журнал арабских и исламских исследований . 1 : 81–132.
  12. ^ Jump up to: а беременный Гаусс, Карл Фридрих (1867). Карл Фридрих Гаусс работает. Пятая группа . Королевское общество наук в Геттинген. п. 617.
  13. ^ Jump up to: а беременный А. Эйнштейн: «На электродинамике движущихся тел» , 30 июня 1905 года.
  14. ^ HP Meyers (1997). Вводная физика твердого состояния (2 изд.). CRC Press. п. 362; Рисунок 11.1. ISBN  9781420075021 .
  15. ^ Кэтрин Уэстбрук; Кэролин Каут; Кэролин Каут-Рот (1998). МРТ (магнитно -резонансная визуализация) на практике (2 изд.). Wiley-Blackwell. п. 217. ISBN  978-0-632-04205-0 .
  16. ^ Грешко, Майкл (20 января 2024 г.). «Ученые только что обнаружили новый тип магнетизма» . Проводной . ISSN   1059-1028 . Получено 2024-02-08 .
  17. ^ Purcell 2012 , p. 320 584
  18. ^ Мерзуки, Рочди; Самантарай, Арун Кумар; Pathak, Pushparaj Mani (2012). Интеллектуальные мехатронные системы: моделирование, контроль и диагностика . Springer Science & Business Media. С. 403–405. ISBN  978-1447146285 .
  19. ^ Осетр, В. (1825). «Улучшенный электромагнитный аппарат». Транс. Королевское общество искусств, производства и коммерция . 43 : 37–52. цитируется в Миллер, TJE (2001). Электронное управление машинами переключения . Новый. п. 7. ISBN  978-0-7506-5073-1 .
  20. ^ Griffiths 1998 , глава 12
  21. ^ Boozer, Allen H. (2006-04-01). «Возвращение к силе магнитного поля» . Физика плазмы . 13 (4): 044501. BIBCODE : 2006PHPL ... 13D4501B . doi : 10.1063/1,2192511 . ISSN   1070-664X .
  22. ^ Джексон, Джон Дэвид (1999). Классическая электродинамика (3 -е изд.). Нью -Йорк: Уайли . ISBN  978-0-471-30932-1 .
  23. ^ Милтон упоминает о некоторых неубедительных событиях (стр. 60) и все еще приходит к выводу, что «никаких доказательств во всех магнитных монополях не выжило» (с.3). Милтон, Кимбалл А. (июнь 2006 г.). «Теоретический и экспериментальный статус магнитных монополи». Отчеты о прогрессе в физике . 69 (6): 1637–1711. arxiv : hep-ex/0602040 . Bibcode : 2006rpph ... 69.1637M . doi : 10.1088/0034-4885/69/6/r02 . S2CID   119061150 . Полем
  24. ^ Гут, Алан (1997). Инфляционная вселенная: поиск новой теории космического происхождения . Персей. ISBN  978-0-201-32840-0 Полем OCLC   38941224 . Полем
  25. ^ Международный союз чистой и прикладной химии (1993). Количество, единицы и символы в физической химии , 2 -е издание, Оксфорд: Blackwell Science. ISBN   0-632-03583-8 . С. 14–15. Электронная версия.
  26. ^ Киршвинк, Джозеф Л.; Kobayashi-Kirshvink, Atsuko; Диас-Рири, Хуан С.; Киршвинк, Стивен Дж. (1992). «Магнетит в тканях человека: механизм биологических эффектов слабых магнитных полей эльфов» (PDF) . Биоэлектромагнитная добавка . 1 : 101–113. doi : 10.1002/bem.2250130710 . PMID   1285705 . Получено 29 марта 2016 года .
  27. ^ Assis, AKT; JPMC Chaib (2015). Электродинамика Ампера: анализ значения и эволюция силы Ампера между текущими элементами, а также полным переводом его шедевра: теория электродинамических явлений, уникально выведенная из опыта . C. Roy Keys Inc. ISBN  978-1-987980-03-5 .
  28. ^ Вильгельм Вебер (2021). Андре Кох Торрес Ассис (ред.). Основные работы Вильгельма Вебера в области электродинамики переведены на английский язык. Том I: Абсолютная система единиц Гаусса и Вебера . Apeiron Montreal.
  29. ^ Вильгельм Вебер (2021). Андре Кох Торрес Ассис (ред.). Основные работы Вильгельма Вебера в области электродинамики переведены на английский язык. Том II: Фундаментальная сила Вебера и объединение законов Кулона, Ампер и Фарадея . Apeiron Montreal.
  30. ^ Вильгельм Вебер (2021). Андре Кох Торрес Ассис (ред.). Основные работы Вильгельма Вебера в области электродинамики переведены на английский язык. Том III: измерение постоянного C, диамагнетизма Вебера, телеграфного уравнения и распространения электрических волн при скорости света . Apeiron Montreal.
  31. ^ Максвелл, Джеймс Клерк (1881). Трактат по электричеству и магнетизму. Том 2 . Тол. 2 (2 изд.). Кларендон Пресс, Оксдорд. п. 162.
  32. ^ «Лекции Фейнмана по физике, том II, гл. 34: Магнетизм материи» . www.feynmanlectures.caltech.edu .
  33. ^ «Лекции Фейнмана по физике, том II, гл. 36: ферромагнетизм» . www.feynmanlectures.caltech.edu .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]

Библиография

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: c2a63f85b0ccbe33547f9cf1ef2f509a__1724264700
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/c2/9a/c2a63f85b0ccbe33547f9cf1ef2f509a.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Magnetism - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)