Любое вещество в мире имеет определенные магнитные свойства. Измеряются они магнитной проницаемостью. В этой статье мы рассмотрим магнитные свойства вещества.
Гипотеза Ампера
Магнитная проницаемость показывает во сколько раз меньше или больше индукция магнитного поля в данной среде индукции магнитного поля в вакууме.
Намагниченным называется то вещество, которое создает собственное магнитное поле. Намагниченность возникает, если вещество поместить во внешнее магнитное поле.
Французский ученый Ампер установил причину, следствием которой является обладание телами магнитных свойств. В гипотезе Ампера говорится о том, что внутри вещества имеются микроскопические электрические токи (электрон имеет собственный магнитный момент, имеющий квантовую природу, орбитальное движение в атомах электронов). Именно ими и определяются магнитные свойства вещества. Если токи имеют неупорядоченные направления, то магнитные поля, которые они порождают, компенсируют друг друга. Тело оказывается не намагничено. Внешнее магнитное поле упорядочивает эти токи. Вследствие этого в веществе возникает собственное магнитное поле. Это и есть намагниченность вещества.
Именно по реакции веществ на внешнее магнитное поле и по упорядоченности их внутренней структуры, определяют магнитные свойства вещества. В соответствии с этими параметрами их делят на такие группы:
- Парамагнетики
- Диамагнетики
- Ферромагнетики
- Антиферромагнетики
Диамагнетики и парамагнетики
- Вещества, которые имеют отрицательную магнитную восприимчивость, не зависящую от напряженности магнитного поля, называются диамагнетики. Давайте разберемся, какие магнитные свойства вещества, называются отрицательной магнитной восприимчивостью. Это когда к телу подносится магнит, и оно при этом отталкивается, а не притягивается. К диамагнетикам относятся например, инертные газы, водород, фосфор, цинк, золото, азот, кремний, висмут, медь, серебро. То есть это вещества, которые находятся в сверхпроводящем состоянии или имеющие ковалентные связи.
- Парамагнетики. У этих веществ магнитная восприимчивость тоже не зависит от того, какая напряженность поля существует. Она при этом положительная. То есть при сближении парамагнетика с постоянно действующим магнитом, возникает сила притягивания. К ним можно отнести алюминий, платину, кислород, марганец, железо.
Ферромагнетики
Вещества, у которых высокая положительная магнитная восприимчивость, называются ферромагнетиками. У этих веществ, в отличие от диамагнетиков и парамагнетиков, магнитная восприимчивость зависит от температуры и напряженности магнитного поля, причем в значительной мере. К ним относятся кристаллы никеля и кобальта.
Антиферромагнетики и ферримагнетики
- Вещества, у которых во время нагревания совершается фазовый переход данного вещества, сопровождающегося появлением парамагнитных свойств, называются антиферромагнетиками. Если температура становится, ниже какой-то определенной, эти свойства у вещества наблюдаться не будут. Примерами этих веществ будут марганец и хром.
- Ферримагнетики характеризуются присутствием в них некомпенсированного антиферромагнетизма. Их магнитная восприимчивость тоже зависит от температур и напряженности магнитного поля. Но отличия у них все же, есть. К этим веществам можно отнести различные оксиды.
Все вышеперечисленные магнетики можно еще разделить на 2 категории:
- Магнитотвердые материалы. Это материалы с высоким значением коэрцитивной силы. Для их перемагничивания необходимо создать мощное магнитное поле. Эти материалы применяются в изготовлении постоянных магнитов.
- Магнитомягкие материалы, напротив, имеют маленькую коэрцитивную силу. При слабых магнитных полях они способны войти в насыщение. На перемагничивание у них малые потери. Из-за этого эти материалы применяются для изготовления сердечников для электрических машин, которые работают на переменном токе. Это, например, трансформатор тока и напряжения, или генератор, или асинхронный двигатель.
Мы рассмотрели все основные магнитные свойства вещества и разобрались, какие виды магнетиков существуют.
Контрольная работа по теме « Электромагнитные явления» (8 класс.)
Вариант 1.
Из перечисленных примеров укажите связанные с электромагнитными явлениями:
а) взаимодействие параллельных токов,
б) взаимодействие двух магнитов,
в) падение мяча к Земле,
г) скатывание шарика по наклонному желобу,
д) взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки.
2. Два магнита обращены друг к другу северными полюсами. Как магниты будут взаимодействовать между собой?
а) Притягиваться. б) Отталкиваться. в) Не будут взаимодействовать. г) Среди ответов нет правильного.
3. При пропускании постоянного электрического тока через проводник вокруг него возникает магнитное поле. Оно обнаруживается по расположению стальных опилок на листе бумаги или магнитной стрелки, находящихся вблизи проводника.В каком случае это поле исчезает?
а) Если убрать стальные опилки. б) Если убрать магнитную стрелку. в) Если убрать стальные опилки и магнитную стрелку. г) Если отключить электрический ток в проводнике.
5 . В чем суть гипотезы Ампера? Как согласуется гипотеза Ампера с современными представлениями о строении вещества?
9 . У вас имеются три предмета – « прибора »:
1) постоянный магнит, 2) стальной ненамагниченный стержень, 3) медный стержень.
В трех « черных ящиках » находятся эти же три предмета. Какими приборами и в какой последовательности лучше воспользоваться, чтобы выяснить, что лежит в каждом из трех «черных ящиков» ?
10. Электродвигатель постоянного тока потребляет от источника с напряжением 42 В ток силой 3 А. Какова механическая мощность мотора, если сопротивление его обмотки равно 5 Ом? Каков его К.П.Д.?
Вариант 2.
Что наблюдалось в опыте Эрстеда?
а) Взаимодействие двух параллельных проводников с током.
б) Взаимодействие двух магнитных стрелок.
в) Поворот магнитной стрелки вблизи проводника при пропускании через него тока.
г) Возникновение электрического тока в катушке при помещении в нее магнита.
2. Как взаимодействуют между собой два параллельных проводника, если по ним протекают токи в одном направлении?
а) Притягиваются. б) Отталкиваются. в) Сила взаимодействия равна нулю. г) Правильный ответ не приведен.
3. При пропускании постоянного электрического тока через проводник вокруг него возникает магнитное поле. Оно обнаруживается по расположению стальных опилок на листе бумаги или повороту магнитной стрелки, находящихся вблизи проводника.Каким образом это магнитное поле можно переместить в пространстве?
а) Переносом стальных опилок. б) Переносом магнита. в) Переносом проводника с током. г) Магнитное поле переместить невозможно.
4. Как расположатся магнитные стрелки, помещенные в точки А и В внутри катушки при размыкании ключа К?
а) Одинаково- северным полюсом вправо по рисунку.
б) Одинаково- северным полюсом влево по рисунку.
в) Стрелки северными полюсами обращены друг к другу.
г) Стрелки южными полюсами обращены друг к другу.
5. Почему устройство двигателей переменного тока проще, чем постоянного? Почему на транспорте используют моторы постоянного тока?
6. Определить полюса электромагнита.
7. Изобразить магнитное поле токов и определить направление силовых линий магнитного поля.
8. Определить направление силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле.
9 . У вас имеются три предмета – « прибора »: деревянный брусок, два стальных гвоздя, не притягивающихся друг к другу, и постоянный магнит.
В трех « черных ящиках » находятся соответственно: магнит, два гвоздя и деревянный брусок. Какими приборами и в какой последовательности лучше воспользоваться, чтобы выяснить, что лежит в каждом из ящиков?
10. Электродвигатель постоянного тока потребляет от источника с напряжением 24 В ток силой 2 А. Какова механическая мощность мотора, если сопротивление его обмотки равно 3 Ом? Каков его К.П.Д.?
Магнетизм
Магнитное поле. Действие магнитного поля на рамку с током. Индукция магнитного поля (магнитная индукция). Линии магнитной индукции. Картины линий индукции магнитного поля прямого тока и соленоида. Понятие о магнитном поле Земли.
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Закон Ампера.
Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.
Магнитные свойства вещества. Гипотеза Ампера. Ферромагнетики
Свойства магнитов ориентироваться относительно Земли в определенном положении было известно давно, равно как взаимодействие магнитов - притяжение разноименных полюсов и отталкивание одноименных. Первое объяснение этому дал У. Гильберт в 1600 г., предположив, что Земля является гигантским магнитом, поэтому стрелка компаса ориентируется определенным образом.
Это предположение он обосновал экспериментально, намагнитив большой железный шар и наблюдая его действие на стрелку компаса.
Количественно взаимодействие магнитов исследовал Кулон с помощью своим крутильных весов. Он высказал предположение, что существуют магнитные заряды подобные электрическим, а неспособность разделить магнит на противоположные магнитные заряды он объяснил неспособность магнитных зарядов внутри молекул вещества свободно переходить от одной молекулы к другой.
Разгадка природы магнетизма пришла значительно позже. Начало положил Х. Эрстед в 1920г., поместив магнитную стрелку вблизи проводника с током и установив, что при прохождении тока по проводнику магнитная стрелка отклоняется.
Открытие Эрстеда подтолкнуло Ампера к объяснению природы магнетизма и к открытию ещё одного типа взаимодействия электрических зарядов. Он установил, что расположенные рядом два проводника с током взаимодействуют, причем при одинаковом направлении токов в проводниках они притягиваются, а при противоположном – отталкиваются.
Если ток идет только по одному из проводников, то магнитного взаимодействия между ними нет; также не будет между двумя проводниками с током, если один из проводников свит из двух.
Объясняя природу магнетизма Ампер, пришёл к заключению, что магнитные свойства вещества объясняются замкнутыми электрическими токами внутри вещества, а магнитное взаимодействие – это взаимодействие токов.
Согласно гипотезе Ампера внутри молекул, из которых состоит вещество, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи ориентированы хаотично по отношению друг к другу, то их действие взаимно компенсируются и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает (рис.4.3 а). В намагниченном состоянии элементарные токи ориентированы строго определённым образом так, что их действия складываются и образуют магнитное свойство тела (рис.4.3 б).
Таким образом, не существует магнитных зарядов, подобных электрическим, а магнитные свойства тел объясняются ориентацией циркуляционных элементарных токов.
Магнитное взаимодействие проявляется на расстоянии, а значит должна быть среда, которая осуществляет это взаимодействие. Эта среда называется магнитным полем. Многочисленные наблюдения убедили ученых в том, что вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов, в пространстве существует магнитное поле. Если электрическое поле действует и на движущиеся и на неподвижные заряды, то магнитное поле оказывает действие лишь на движущиеся заряды.
Рассмотрим изолированный атом, не подверженный действию внешнего магнитного поля. Согласно представлениям классической физики, электроны в атомах движутся по некоторым замкнутым орбитам. Такое движение каждого электрона эквивалентно замкнутому контуру тока. Поэтому любой атом или молекулу, с точки зрения их магнитных свойств, можно рассматривать как некоторую совокупность электронных микротоков. В этом состоит, гипотеза Ампера о природе магнетизма.
Магнитный момент р m электрического тока, вызванного движением электрона по орбите, называется орбитальным магнитным моментом электрона. Предположим для простоты, что электрон в атоме движется со скоростью v по круговой орбите радиуса r (рис.).
Согласно определению магнитного момента тока, орбитальный магнитный момент электрона численно равен
где S - площадь орбиты электрона. Вектор р m направлен в ту же сторону, что и магнитное поле в центре кругового тока.
Свойства, которые проявляют вещества в магнитном поле называют магнитными, а сами вещества – магнетиками . Магнитные свойства веществ определяется наличием у их атомов магнитных моментов. У большинства элементов в отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов, входящих в атомы, равны нулю, так как имеют разные направления и полностью компенсируют друг друга. Наложение внешнего магнитного поля приводит к переориентации моментов магнитных атомов и появлению отличного от нуля магнитного момента. При этом отличный от нуля суммарный магнитный момент изменяет магнитное поле.
При изучении магнитного поля в веществе (магнетике) различают два типа токов - макротоки и микротоки. Под макротоками понимают электрические токи проводимости, а также конвекционные токи, связанные с движением заряженных макроскопических тел. Микротоками или молекулярными токами называют токи, обусловленные движением электронов в атомах, ионах и молекулах.
В веществе на магнитное поле макротоков (его часто называют внешним) накладывается дополнительное магнитное поле микротоков (его соответственно называют внутренним). Вектор магнитной индукции В характеризует результирующее магнитное поле в веществе, т. е. он равен геометрической сумме магнитных индукций внешнего (Во) и внутреннего (В внутр) полей:
Т.е. вектор В должен зависеть от магнитных свойств магнетика. Магнитное поле микротоков возникает в результате намагничивания магнетика при его помещении во внешнее магнитное поле. Поэтому первичным источником магнитного поля в веществе являются макротоки.
Так как в вакууме поле создают только макротоки, а в веществе - макротоки и микротоки, то для поля в веществе закон полного тока имеет вид
(13.1.1)
где I макро и I микро - алгебраические суммы соответственно макро- и микротоков, охватываемых замкнутым.контуром L, т. е. результирующие макро- и микротоки сквозь поверхность, образованную контуром L.
Величину Н, зависящую от магнитных свойств среды называют напряженностью магнитного поля.
Единицей измерения напряженности магнитного поля является А/м. Если направления векторов намагниченности и напряженности магнитного поля совпадают, то вещества называются изотропными магнетиками. Если направление вектора намагниченности зависит от направления поля относительно кристаллографических осей, то вещества являются анизотропными магнетиками. Графически напряженность магнитного поля изображают с помощью линий, касательная к которым в каждой точке совпадает с направлением напряженности в этой точке. Густота этих линий пропорциональна величине вектора напряженности. В отличие от вектора магнитной индукции, линии вектора Н начинаются и заканчиваются на границе раздела между двумя веществами с разными магнитными свойствами.
Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов или молекул которых при отсутствии внешнего магнитного поля равны нулю, т.е. в атомах или молекулах диамагнитных веществ векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов равна нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, большинство органических соединений, многие металлы (висмут, цинк, золото, медь, серебро, ртуть и др.), смолы, вода, стекло, мрамор.
При внесении диамагнитного вещества в магнитное поле в каждом его атоме наводится магнитный момент ΔР m , направленный противоположно вектору В индукции магнитного поля.
Для характеристики намагничивания вещества вводится физическая величина, называемая интенсивностью намагничивания.
Вектором намагниченности или интенсивностью намагничивания J называется отношение магнитного момента малого объема ΔV вещества к этому объему
где Р mi - магнитный момент i -й молекулы, n - общее число молекул в объеме ΔV. Объем ΔV должен быть столь малым, чтобы в его пределах магнитное поле можно было считать однородным. В Международной системе единиц (СИ) вектор намагниченности измеряется в амперах на метр (А/м).
Если в однородное магнитное поле напряженностью Н 0 в среде с проницаемостью μ 1 внести некоторое тело, то напряженность магнитного поля внутри этого тела Н будет равна сумме напряженностей внешнего (первоначального) поля Н 0 и поля Н м, создаваемого молекулярными токами тела:
Н= Н 0 + Н м,
где Н м называют полем размагничивания . Это поле зависит от координат рассматриваемой точки тела, его формы и ориентации относительно внешнего поля.
Магнитная индукция B в магнетике определяется суммой поля, созданного внешними источниками, и поля магнитных моментов самого магнетика:
Откуда напряженность магнитного поля
Магнитная проницаемость в отличие от диэлектрической проницаемости может быть как большее, так и меньше единицы. У диамагнетиков μ<1, а у парамагнетиков μ>1.
Если векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов атома (или молекулы) не равна нулю, то атом в целом обладает некоторым магнитным моментом Р m . Такие атомы (молекулы) называются парамагнитными, а состоящие из них вещества - парамагнетиками . К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, алюминий, платина, и другие вещества.
В парамагнетиках вектор намагниченности направлен вдоль приложенного поля. При этом магнитные моменты атомов и молекул отличны от нуля, но направлены хаотично. При наложении внешнего магнитного поля происходит перераспределение их направлений. Число магнитных моментов, приближающихся по направлению к магнитному полю, оказывается преобладающим. Это приводит к тому, что появляется отличная от нуля намагниченность, направленная вдоль вектора индукции поля.
В отличие от диамагнетиков у парамагнетиков магнитная восприимчивость сильно зависит от температуры.
Для многих парамагнитных веществ изменение магнитной восприимчивости с температурой подчиняется закону, установленному Кюри:
где T – термодинамическая температура, C – постоянная Кюри, зависящая от рода вещества.
Классическая теория парамагнетизма была развита П. Ланжевеном в 1905 г. Он рассмотрел статистическую задачу о поведении молекулярных токов (и соответствующих им магнитных моментов Р m) в однородном магнитном поле. Ориентирующее действие магнитного поля на атом зависит от магнитного момента атома и магнитной индукции В поля.
Гипотеза Ампера. Магнетизм Земли вызван токами внутри. Магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми токами внутри него. М.П. в веществе создают электроны за счёт орбитального движения(диа-, пара-)и из-за собственного «вращения» (ферро-).
Слайд 13 из презентации «Магнитные свойства вещества» . Размер архива с презентацией 1489 КБ.Физика 11 класс
краткое содержание других презентаций«Сила Ампера» - Направление в пространстве, которое определяется по правилу левой руки. В магнитном поле возникает пара сил, момент которых приводит катушку во вращение. Применение силы Ампера. Действие магнитного поля на проводники с током. Применяя правило левой руки, определи направление силы, с которой магнитное поле будет действовать на проводник с током. В электродинамическом громкоговорителе (динамике) используется действие магнитного поля постоянного магнита на переменный ток в подвижной катушке.
«Спектральные методы анализа» - Спектральный анализ. Наблюдаемые спектры. Спектры звёзд. Спектроскоп. Фотография звёздного неба. Дисперсия света. Изучение спектров. Спектрограмма. Фотосферы звезд. Спектры различных звезд. Эффект Доплера. Законы теплового излучения. Разложение электромагнитного излучения. Исаак Ньютон.
«Условия дифракции света» - Период (постоянная) дифракционной решётки. Что такое дифракция. Рассмотрим дифракционную решётку. Основы теории дифракции. Дифракционная решётка. Дифракция присуща любому волновому процессу. Интерференция. Дифракция от тонкой проволоки. Амплитуда колебаний среды. Чёткий спектр. Дифракция волн. Явление. Дифракция. Амплитуда колебаний. Радужная окраска плёнки. Объяснение прямолинейного распространения света.
«Дисперсия» - Дисперсия света. Обобщение материала. Опыты Ньютона. Выводы из опытов Ньютона. Цвета непрозрачных тел. Тест. Содержание. Объяснение явления дисперсии. Цвета прозрачных тел. Зависимость абсолютного показателя преломления от частоты колебаний.
«Использование ядерной энергии» - Ядерная энергия в космосе. История. Атомная электростанция. Ядерный реактор. Бомба. Метод взрывного обжима. Необходимость использования ядерной энергии. Классификация ядерных реакторов. Где ещё используется ядерная энергия. Плюсы и минусы реакторов на быстрых нейтронах. Достоинства и недостатки атомных станций. История создания ядерного реактора. Где используются ядерные реакторы. Применение ядерной энергии.
«Электрический резонанс» - Три конденсатора переменной ёмкости. Демонстрация настройки самодельного радиоприемника на волну. В электрической цепи резонанс наступает при равенстве. Условие резонанса. Электрическая схема. В цепь переменного тока с частотой 400 Гц включена катушка. Контур. Резонанс в электрической цепи. Кусочек говядины помещают между обкладками плоского конденсатора. Составьте электрическую схему.