Kwantowa teoria magnetyzmu. Elektryczność i magnetyzm

Po tym, jak Ampere przypuścił, że nie istnieją „ładunki magnetyczne” i że namagnesowanie ciał wyjaśniają molekularne prądy kołowe (§§ 57 i 61), minęło prawie sto lat, kiedy w końcu założenie to zostało całkowicie przekonująco udowodnione w bezpośrednich eksperymentach. Kwestię natury magnetyzmu rozwiązano eksperymentami z zakresu tak zwanych zjawisk magnetomechanicznych. Metody przeprowadzania i obliczania tych eksperymentów opracowano w oparciu o pomysły dotyczące budowy atomów opracowane przez Rutherforda w 1911 r. i Bohra w 1913 r. (jednak pewne eksperymenty o podobnej koncepcji były przeprowadzane już wcześniej, zwłaszcza przez Maxwella, ale bez powodzenia ).

Kiedy Rutherford badał zjawisko radioaktywności, odkryto, że elektrony w atomach krążą po zamkniętych orbitach wokół dodatnio naładowanych jąder atomowych; Bohr pokazał o godz analiza teoretyczna widma, że ​​tylko niektóre z tych orbit są stabilne; wreszcie w ślad za tym (w 1925 r., także na podstawie analizy widm) odkryto obrót elektronów wokół własnej osi, jakby analogiczny do dziennego obrotu Ziemi; połączenie tych danych doprowadziło do jasnego zrozumienia natury amperowych prądów kołowych. Stało się oczywiste, że głównymi elementami magnetyzmu w substancjach są: albo obrót elektronów wokół jąder, albo obrót elektronów wokół ich osi, albo oba te obroty jednocześnie.

Wystawiony w latach 1914-1915. Pierwsze udane eksperymenty magnetomechaniczne, które wyjaśniono poniżej, początkowo zakładały, że właściwości magnetyczne substancji są całkowicie zdeterminowane przez orbitalny ruch elektronów wokół jąder. Jednakże wyniki ilościowe Wspomniane powyżej doświadczenia wykazały, że o właściwościach substancji ferromagnetycznych i paramagnetycznych decyduje nie ruch elektronów po orbitach, ale obrót elektronów wokół ich osi.

Aby zrozumieć cel eksperymentów magnetomechanicznych i poprawnie ocenić wnioski, do jakich te eksperymenty doprowadziły, konieczne jest obliczenie stosunku momentu magnetycznego prądu kołowego powstałego w wyniku ruchu elektronu do mechanicznego momentu pędu elektronu.

Jak wiadomo, wielkość dowolnego prądu zależy od ilości energii elektrycznej przepływającej przez przekrój poprzeczny w jednostce czasu; Jest oczywiste, że wielkość prądu równoważna orbitalnej rotacji elektronu jest równa iloczynowi ładunku elektronu i liczby obrotów na jednostkę czasu, gdzie jest prędkość elektronu i promień orbity. Wskazany iloczyn wyraża wartość prądu zastępczego w zespoły elektrostatyczne Oh. Aby otrzymać wielkość prądu w jednostkach elektromagnetycznych, wskazany iloczyn należy podzielić przez prędkość światła (s. 296); Zatem,

Prąd kołowy wytwarza w pewnym momencie takie samo pole magnetyczne jak arkusz magnetyczny równy produktowi prądu do otaczającego go obszaru [wzór (17)]:

Widzimy zatem, że ruch elektronu wokół jądra nadaje atomowi moment magnetyczny równy

Porównując ten moment magnetyczny z mechanicznym momentem pędu elektronu:

stwierdzamy, że stosunek momentu magnetycznego do impulsu mechanicznego nie zależy ani od prędkości elektronu, ani od promienia orbity

Rzeczywiście, pełniejsza teoria pokazuje, że równanie (33) obowiązuje nie tylko dla orbit kołowych, ale także dla orbit eliptycznych elektronu.

Obrót elektronu wokół własnej osi nadaje elektronowi pewien moment magnetyczny. Obrót elektronu wokół własnej osi nazywany jest spinem (od angielskiego słowa „spin”, oznaczającego obrót wokół osi). Jeżeli założymy, że elektron ma kształt kulisty, a ładunek elektronu jest rozłożony na powierzchni kuli z równomierną gęstością, to z obliczeń wynika, że ​​stosunek spinowego momentu magnetycznego elektronu do mechanicznego pędu elektronu wokół jego oś jest dwukrotnie większa niż podobny stosunek ruchu orbitalnego:

Powyższe rozważania na temat proporcjonalności momentu magnetycznego i pędu obrotowego wskazują, że w pewnych warunkach zjawiska magnetyczne mogą być powiązane z efektami żyroskopowymi. Maxwell próbował eksperymentalnie odkryć ten związek między zjawiskami magnetycznymi a efektami żyroskopowymi, ale dopiero Einsteinowi i de Haasowi (1915), A.F. Ioffe'owi i P.L. Kapitsie (1917) oraz Barnetowi (1914 i 1922)..) po raz pierwszy było to możliwe przeprowadzić udane eksperymenty. Einstein i de Haas ustalili, że żelazny pręt zawieszony w elektromagnesie jako rdzeń, namagnesowany przez prąd przepływający przez elektromagnes, uzyskuje impuls obrotowy (ryc. 256). Aby uzyskać zauważalny efekt, Einstein i de Haas wykorzystali zjawisko rezonansu, dokonując okresowego odwracania namagnesowania prąd przemienny z częstotliwością zbieżną z częstotliwością drgań skrętnych własnych pręta.

Ryż. 256. Schemat doświadczenia Einsteina i de Haasa, a - lustro, O - źródło światła.

Efekt Einsteina i de Haasa wyjaśniono w następujący sposób. Po namagnesowaniu osie elementarnych magnesów - „wierzchołków elektronów” - są zorientowane w kierunku pola magnetycznego; suma geometryczna impulsów obrotowych „wierzchołów elektronicznych” staje się różna od zera, a ponieważ na początku eksperymentu impuls obrotowy żelaznego pręta (uważany za układ mechaniczny atomy) było równy zeru, to zgodnie z zasadą zachowania pędu obrotowego

(t. I, § 38) w wyniku namagnesowania pręt jako całość musi uzyskać impuls obrotowy równy co do wielkości, ale o kierunku przeciwnym do sumy geometrycznej impulsów obrotowych „wierzchołów elektronicznych”.

Barnet przeprowadził odwrotny eksperyment Einsteina i de Haasa, a mianowicie Barnet spowodował namagnesowanie żelaznego pręta, powodując jego szybki obrót; namagnesowanie następowało w kierunku przeciwnym do osi obrotu. Tak jak w wyniku codziennego obrotu Ziemi oś żyrokompasu przyjmuje położenie równoległe do osi Ziemi (t. I, § 38), tak w doświadczeniu Barneta osie „elektronicznych blatów” przyjąć pozycję równoległą do osi obrotu żelaznego pręta (ze względu na to, że ładunek elektronu jest ujemny, kierunek namagnesowania będzie przeciwny do osi obrotu pręta).

W doświadczeniach A.F. Ioffe'a i P.L. Kapitsy (1917) namagnesowany żelazny pręt zawieszony na nitce poddano szybkiemu nagrzaniu powyżej punktu Curie. W tym przypadku uporządkowany układ „wierzchołków elementarnych”, których osie na skutek namagnesowania zorientowane były wzdłuż pola równoległego do osi pręta, został utracony i zastąpiony chaotycznym rozkładem kierunku osi, tak że całkowite momenty magnetyczne i mechaniczne „elementarnych wierzchołków” okazały się bliskie zeru (ryc. 257). Ze względu na prawo zachowania momentu pędu żelazny pręt po rozmagnesowaniu nabrał pędu obrotowego.

Ryż. 257. Schemat wyjaśniający ideę eksperymentu Ioffe-Kapitsa. a - żelazny pręt jest namagnesowany; b - pręt rozmagnesowuje się poprzez ogrzewanie powyżej punktu Curie.

Pomiary momentu magnetycznego i pędu obrotowego w doświadczeniach Einsteina i de Haasa, w doświadczeniach Barneta oraz w doświadczeniach Ioffe i Kapitza, które były wielokrotnie powtarzane przez wielu naukowców, wykazały, że stosunek tych wielkości jest określony wzorem (34), a nie według wzoru (33). Wskazuje to, że głównym elementem magnetyzmu w żelazie (i ogólnie w ciałach ferromagnetycznych) jest osiowy obrót spinowy elektronów, a nie ruch orbitalny elektronów wokół dodatnich jąder atomów.

Jednak ruch orbitalny elektronów wpływa również na właściwości magnetyczne substancji: moment magnetyczny atomów, jonów i cząsteczek jest sumą geometryczną spinowych i orbitalnych momentów magnetycznych (jednak budowa atomów jest taka, że ​​momenty spinowe ponownie odgrywają decydującą rolę rolę w tej sumie).

Kiedy całkowity moment magnetyczny cząstki wynosi zero, substancja okazuje się diamagnetyczna. Formalnie substancje diamagnetyczne charakteryzują się przenikalnością magnetyczną mniejszą niż jeden, zatem ujemna podatność magnetyczna oznacza, że ​​substancje diamagnetyczne są namagnesowane w kierunku przeciwnym do siły pola magnesującego.

Teoria elektronów wyjaśnia diamagnetyzm poprzez wpływ pola magnetycznego na ruch orbitalny elektronów wokół jąder. Ten ruch elektronu, jak już wyjaśniono, jest równoważny prądowi. Kiedy na atom zaczyna oddziaływać pole magnetyczne i jego natężenie wzrasta od zera do określonej wartości, „indukuje się dodatkowy prąd”, który zgodnie z prawem Lenza (§ 71) ma taki kierunek, że moment magnetyczny wytworzony przez ten „prąd dodatkowy” jest zawsze skierowany przeciwnie do tego, który wzrósł od zera do pola. Jeśli pole magnesujące jest prostopadłe do płaszczyzny orbity, to po prostu zmienia prędkość elektronu na swojej orbicie i ta zmieniona wartość prędkości utrzymuje się tak długo, jak atom znajduje się w polu magnetycznym; jeśli pole nie jest prostopadłe do płaszczyzny orbity, wówczas powstaje i utrwala się ruch precesyjny osi orbity wokół kierunku pola (podobnie jak precesja osi wierzchołka wokół pionu przechodzącego przez punkt podparcia wierzchołka) (Tom I, § 38).

Obliczenia prowadzą do następującego wzoru na podatność magnetyczną substancji diamagnetycznych:

tutaj jest ładunek i masa elektronu, liczba elektronów w atomie, liczba atomów na jednostkę objętości materii, średni promień orbit elektronów.

Zatem efekt diamagnetyczny jest wspólną właściwością wszystkich substancji; jednak efekt ten jest niewielki i dlatego można go zaobserwować tylko wtedy, gdy nie ma naprzeciwko niego silnego efektu paramagnetycznego.

Teoria paramagnetyzmu została opracowana przez Langevina w 1905 roku i na jej podstawie rozwinięta nowoczesne pomysły Fleck, Stoner i inni (w roku 1927 i latach następnych). W zależności od budowy atomu momenty magnetyczne wytworzone przez poszczególne elektrony wewnątrzatomowe mogą się albo znosić, tak że atom jako całość okazuje się niemagnetyczny (takie substancje wykazują właściwości diamagnetyczne), albo też powstający moment magnetyczny atomu okazuje się niezerowy. W tym ostatnim przypadku, jak pokazuje mechanika kwantowa, moment magnetyczny atomu (a dokładniej jego powłoki elektronowej) wyraża się w sposób naturalny (t. III, §§ 59, 67-70) poprzez swego rodzaju „atom magnetyzmu”. do kwantowego

W mechanice ten „atom magnetyzmu” to moment magnetyczny powstający w wyniku obrotu elektronu wokół jądra - magnetonu Bohra, równy

(tutaj jest ładunek elektronu, Stała Plancka, с - prędkość światła, masa elektronu).

Każdy elektron ma dokładnie ten sam moment magnetyczny, niezależnie od jego ruchu wokół jądra, ale ze względu na swoją strukturę lub, jak to się powszechnie mówi, na skutek obrotu wokół osi. Moment magnetyczny spinu jest równy magnetonowi Bohra, natomiast moment mechaniczny spinu [zgodnie ze wzorami (33) i (34)] jest równy połowie moment orbitalny elektron.

Niektóre jądra atomowe również mają momenty magnetyczne, ale tysiące razy mniejsze niż właściwe momenty magnetyczne powłoki elektronowe atomy § 115). Momenty magnetyczne jąder wyraża się poprzez magneton jądrowy, którego wartość określa ten sam wzór, co wartość magnetonu Bohra, jeśli w tym wzorze masę elektronu zastąpimy masą protonu.

Zgodnie z teorią Langevina, gdy substancja paramagnetyczna jest namagnesowana, cząsteczki są orientowane przez swoje momenty magnetyczne w kierunku linie energetyczne pola, ale molekularne termiczne

ruch w takim czy innym stopniu zaburza tę orientację. Molekularny obraz namagnesowania substancji paramagnetycznej jest podobny do polaryzacji dielektryka (§ 22), jeśli oczywiście wyobrazimy sobie, że twarde dipole elektryczne zostaną zastąpione elementarnymi magnesami, a pole elektryczne zastąpione zostanie polem magnetycznym. Stopień orientacji magnesów elementarnych w kierunku pola magnesującego można ocenić na podstawie wartości średniego rzutu momentu magnetycznego na kierunek pola (w przeliczeniu na cząsteczkę). Przy losowym ułożeniu osi magnesów elementarnych, gdy wszystkie magnesy elementarne są zorientowane w kierunku pola,

Langevin wykazał, że w temperaturze i natężeniu wewnętrznego pola magnetycznego o poranku, podobnie jak we wzorze z § 22), stosunek wyraża się następującą funkcją:

Dla małych wartości, jak już wspomniano w § 22, powyższa funkcja Langevina (36) przyjmuje wartość y, więc w tym przypadku

Oczywiście namagnesowanie jest równe iloczynowi wartości i liczby cząsteczek na jednostkę objętości:

Zatem przy stałej gęstości substancji namagnesowanie jest odwrotnie proporcjonalne do temperatury bezwzględnej. Fakt ten został empirycznie potwierdzony przez Curie w 1895 roku.

Dla większości substancji paramagnetycznych jest ona mała w porównaniu z jednością, dlatego podstawiając we wzorze i zastępując wartość w porównaniu z jednością można pominąć; wtedy otrzymujemy:

gdzie oznacza właściwą podatność magnetyczną (tj. podatność na jednostkę masy). Wzór ten nazywa się prawem Curie. Dla wielu paramagnetyków dokładniejsza jest następująca, bardziej złożona postać prawa Curie [wzór (31)]:

Wartość dla niektórych substancji paramagnetycznych jest dodatnia, dla innych ujemna.

Podczas namagnesowania substancja paramagnetyczna jest wciągana w przestrzeń pomiędzy biegunami magnesu. Dlatego podczas magnesowania substancja paramagnetyczna może wytworzyć pracę, podczas gdy praca musi zostać wydana na rozmagnesowanie. Pod tym względem, jak teoretycznie przewidywał Debye, substancje paramagnetyczne podczas szybkiego rozmagnesowania adiabatycznego powinny ulec pewnemu ochłodzeniu (szczególnie w obszarze bardzo niskich temperatur, gdzie podatność magnetyczna materiału paramagnetycznego znacznie wzrasta wraz ze spadkiem temperatury). Doświadczenia prowadzone od 1933 roku w szeregu laboratoriów potwierdziły wnioski teorii i posłużyły jako podstawa do opracowania magnetycznej metody głębokiego chłodzenia ciał. Substancję paramagnetyczną schładza się konwencjonalnymi metodami w polu magnetycznym do temperatury ciekłego helu, po czym substancję szybko usuwa się z pola magnetycznego, co powoduje jeszcze większy spadek temperatury tej substancji. Metoda ta pozwala uzyskać temperatury różniące się od zera absolutnego o tysięczne stopnia.

Charakterystyczną cechą substancji ferromagnetycznych jest to, że w stosunkowo słabych polach ulegają namagnesowaniu niemal do całkowitego nasycenia. Dlatego w ferromagnetykach istnieją pewne siły, które pokonują wpływ ruch termiczny, przyczyniają się do uporządkowanej orientacji elementarnych momentów magnetycznych. Założenie o istnieniu wewnętrznego pola sił sprzyjających namagnesowaniu ferromagnetyków zostało po raz pierwszy wyrażone przez rosyjskiego naukowca B. L. Rosinga w 1892 r., a potwierdzone przez P. Weissa w 1907 r.

W substancjach ferromagnetycznych magnesami elementarnymi są elektrony obracające się wokół własnej osi – spiny. W rozwoju koncepcji Weissa zakłada się, że spiny zlokalizowane są w węzłach sieci krystalicznej i oddziałując ze sobą, tworzą wewnętrzne pole, które w odrębnych małych obszarach kryształu ferromagnetycznego (obszary te nazywane są domenami) obraca wszystkie spiny w jednym kierunku, tak że każdy taki obszar (domena) okazuje się spontanicznie (spontanicznie ) namagnesowane do nasycenia. Jednakże sąsiednie obszary kryształu przy braku zewnętrznego pola magnetycznego mają różne kierunki

namagnesowanie. Obliczenia pokazują, że np. w kryształach żelaza „spontaniczne” namagnesowanie może nastąpić w kierunku dowolnej krawędzi sześciennej komórki kryształowej.

Słabe zewnętrzne pole magnetyczne powoduje, że wszystkie spiny w domenie obracają się w kierunku tej krawędzi komórki sześciennej, która tworzy najmniejszy kąt z kierunkiem pola magnesującego.

Ryż. 258. Orientacja spinów w domenach podczas namagnesowania ferromagnetyka.

Więcej silne pole powoduje nowy obrót spinów bliżej kierunku pola. Nasycenie magnetyczne osiąga się, gdy momenty magnetyczne wszystkich spontanicznie namagnesowanych obszarów mikrokrystalicznych są zorientowane w kierunku pola. Kiedy są namagnesowane, to nie domeny się obracają, ale wszystkie zawarte w nich spiny; wszystkie plecy w dowolnym mikrokrysztale obracają się w tym samym czasie, jak żołnierze w formacji; ta rotacja spinów następuje najpierw w niektórych dziedzinach, potem w innych. Zatem proces namagnesowania substancji ferromagnetycznej jest etapowy (ryc. 258).

Po raz pierwszy namagnesowanie krokowe odkrył Barkhausen (1919). Najprostsze doświadczenie Metoda odpowiednia do zademonstrowania tego zjawiska jest następująca: żelazny pręt umieszczony w cewce podłączonej do telefonu jest stopniowo magnesowany poprzez powolne obracanie magnesu w kształcie podkowy zawieszonego nad cewką (ryc. 259); Jednocześnie w telefonie słychać charakterystyczny szeleszczący dźwięk, który rozpada się na osobne dudnienia, jeśli pole magnesujące zmienia się wystarczająco powoli (o setne części ersteda na sekundę).

Ryż. 259. Eksperyment Barkhausena.

Okazało się, że efekt Barkhausena jest wyjątkowo silny podczas namagnesowania cienkiego drutu niklowego, który wcześniej został zwinięty w kłębek poprzez przeciągnięcie go przez blok, a następnie wprowadzony do kapilary, która na siłę utrzymuje go w stanie wyprostowanym. Przerywany charakter namagnesowania wpływa na diagram namagnesowania w postaci małych schodkowych kroków (ryc. 260).

Obszary magnesowania spontanicznego – domeny – odkrył i zbadał eksperymentalnie N. S. Akulov, wykorzystując w tym celu opracowaną przez siebie metodę detekcji wad magnetycznych proszków. Ponieważ domeny przypominają małe magnesy, pole na granicy między nimi nie jest jednolite.

Ryż. 260. Stopniowy charakter krzywych namagnesowania. Obszary oznaczone kółkami pokazane są w powiększonej skali.

Aby odsłonić zarysy domen, próbkę rozmagnesowanej substancji ferromagnetycznej umieszcza się pod mikroskopem, a powierzchnię próbki pokrywa się cieczą zawierającą najdrobniejszy zawieszony w niej pył żelaza. Pył żelazny gromadzący się w pobliżu granic domen wyraźnie zaznacza ich kontury (ryc. 261),

Ryż. 261. Domeny w czystym żelazie (a), żelazie krzemowym (b) i kobalcie (c).

W wyjaśnionym powyżej obrazie pochodzenia właściwości ferromagnetycznych jedna istotna część pozostawała przez pewien czas niejasna, a mianowicie natura sił tworzących pole wewnętrzne, które powoduje uporządkowaną orientację spinów wewnątrz domen. W 1927 roku radziecki fizyk Ya G. Dorfman przeprowadził eksperyment, który wykazał, że wewnętrzne siły pola w ferromagnetykach nie są

są siłami oddziaływania magnetycznego, ale mają inne pochodzenie. Po podkreśleniu wąski kok ze strumienia szybko poruszających się elektronów („promieni beta” emitowanych przez substancje radioaktywne) Dorfman zmusił te elektrony do przejścia przez cienką ferromagnetyczną warstwę niklu; Za folią niklową umieszczono kliszę fotograficzną, która po wywołaniu umożliwiła określenie miejsca spotkania z nią elektronów, dzięki czemu można było z dużą dokładnością zmierzyć kąt, pod jakim elektrony zostały odchylone podczas przejścia przez namagnesowaną warstwę folia niklowa (ryc. 262). Z obliczeń wynika, że ​​gdyby pole wewnętrzne w ferromagnesie miało charakter zwykłych oddziaływań magnetycznych, to ślad wiązki elektronów przesunąłby się na kliszy fotograficznej w instalacji Dorfmana o prawie 2 cm; w rzeczywistości przemieszczenie okazało się znikome.

Ryż. 262. Schemat wyjaśniający ideę eksperymentu Dorfmana.

Badania teoretyczne prof. Frenkel (1928), a później Bloch, Stoner i Slater pokazali, że uporządkowana orientacja spinów w domenach jest spowodowana specjalny rodzaj siły, których istnienie odkryła mechanika kwantowa i które ujawniają się podczas chemicznego oddziaływania atomów (w wiązanie kowalencyjne; Tom I, § 130). Siły te, zgodnie z przyjętą praktyką mechanika kwantowa Sposób ich obliczania i interpretacji nazywany jest siłami wymiany. Obliczenia wykazały, że energia oddziaływania wymiennego pomiędzy atomami żelaza w monokrysztale jest setki razy większa od energii oddziaływania magnetycznego. Jest to zgodne z pomiarami dokonanymi przez Ya.G. Dorfmana we wspomnianych powyżej doświadczeniach.

Jednak praktycznie jak najbardziej ważne właściwości Ferromagnetyki są determinowane nie tyle oddziaływaniem wymianowym, ile głównie oddziaływaniem magnetycznym. Faktem jest, że choć istnienie obszarów „spontanicznego” namagnesowania (domen) w ferromagnetykach jest spowodowane siłami wymiany (uporządkowana orientacja spinów odpowiada minimalnej energii oddziaływania wymiany, czyli jest najbardziej stabilna), to dominująca kierunki namagnesowania domen są określone przez symetrię sieci krystalicznej i odpowiadają minimalnej energii oddziaływania magnetycznego. Natomiast proces magnesowania technicznego, jak wyjaśniono powyżej (ryc. 258), polega na odwracaniu wszystkich spinów wewnątrz poszczególnych domen, najpierw w kierunku krystalograficznej osi łatwego namagnesowania, która tworzy najmniejszy kąt z kierunkiem pola, a następnie w obracaniu spinów w kierunku pola. Wydatek energii potrzebny do przeprowadzenia w sumie takiego stopniowego przewracania spinów

domeny i ich rotacja wzdłuż pola, a także szereg wielkości zależnych od określonych kosztów energii (wartości określające namagnesowanie, magnetostrykcję i inne zjawiska) najskuteczniej oblicza się metodami opracowanymi przez N. S. Akulova (od 1928 r.) i E.E. Kondorsky (od 1937).

Ryż. 263. Porównanie teoretycznych krzywych namagnesowania z danymi eksperymentalnymi (pokazano je w kółkach) dla monokryształu żelaza.

Z ryc. 263, który prezentujemy jako jeden z przykładów, widać, że krzywe teoretyczne otrzymane z równań N. S. Akulowa dobrze zgadzają się z danymi eksperymentalnymi; diagram po prawej stronie przedstawia namagnesowanie monokryształu żelaza w kierunku przestrzennej przekątnej siatki sześciennej, diagram po lewej stronie przedstawia to samo w kierunku przekątnej ściany sześcianu,

Jedną z głównych przeszkód w rozwoju pełniejszej i spójnej teorii zjawisk elektrycznych było przesadne znaczenie przywiązywane do podobieństw między elektrycznością statyczną a prądem elektrycznym. Podejście to dało podstawę do błędnego przekonania, że ​​w obu typach zjawisk uczestniczy tylko jeden byt – ładunek elektryczny. Ten sam rodzaj błędu, tyle że w sposób bardziej kompletny i kategoryczny, objawił się w obecnym poglądzie na magnetyzm. Utrzymując, że zjawiska elektrostatyczne i elektryczne to po prostu dwa aspekty tej samej rzeczy, współczesna opinia naukowa uznaje, że istnieje między nimi wystarczająca różnica, aby uzasadnić odrębną kategorię elektrostatyki w teoretycznych aspektach zjawisk statycznych. Nawet jeśli we wszystkich tekstach dotyczących współczesnej fizyki wspomina się o magnetostatyce (odpowiedniej gałęzi magnetyzmu), zwykle jest ona odrzucana jako „stare podejście”, które obecnie wyszło z mody. Pojęcia ściśle statyczne, takie jak bieguny magnetyczne, są najczęściej przedstawiane z przeprosinami.

Cechą charakterystyczną działalności naukowej na przestrzeni dziejów była fragmentacja poszczególnych dziedzin fizycznych na coraz większą liczbę działów. W sytuacji z magnetostatyką mamy proces odwrotny, przypadek, w którym główna gałąź fizyki umarła w wyniku kanibalizmu. Magnetostatyka została pochłonięta przez pokrewne, ale zupełnie odmienne zjawisko - elektromagnetyzm. Istnieje wiele podobieństw między tymi dwoma rodzajami zjawisk magnetycznych, podobnie jak istnieje wiele podobieństw między dwoma rodzajami elektryczności. Zasadniczo wielkości, w jakich wyrażana jest magnetostatyka, są określane głównie przez zależności elektromagnetyczne. Jednak w żaden sposób nie uzasadnia to obecnego przekonania, że ​​w proces zaangażowany jest tylko jeden podmiot. Podrzędny status, jaki tradycyjna fizyka często przypisuje zjawiskom magnetycznym, ilustruje następujący komentarz C.W. Forda:

„Według fizyków teoretyków magnetyzm w naszym świecie jest po prostu produktem ubocznym elektryczności; istnieje jedynie w wyniku ruchu naładowanych elektrycznie cząstek.”

To stwierdzenie oznacza, że ​​przyjęte założenia zostały ustalone rozsądne i trwałe. Jednak w rzeczywistości założenie, że magnetyzm istnieje tylko w wyniku ruchu naładowanych cząstek, opiera się na zupełnie nieistotnych założeniach. Prawdziwą sytuację dokładniej opisuje następujący cytat z podręcznika fizyki:

„Dopiero w ciągu ostatnich trzydziestu lat stworzono modele łączące dwa źródła magnetyzmu (magnesy i magnetostatyki). Nawet dzisiaj modele te są dalekie od doskonałości, ale przynajmniej przekonały ludzi, że istnieje tylko jedno źródło pól magnetycznych: wszystkie pola magnetyczne powstają w wyniku poruszania się ładunków elektrycznych”.

Zasadniczo fragment ten pokazuje, że w praktyce pomysł nie jest tak dobrze rozwinięty, ale mimo to większość głosuje za nim. Zwracał na to uwagę wybitny amerykański astronom J. N. Buckell „często stwarzamy poważne problemy naukowe poprzez wrzask, a nie obserwację”. Bezkrytyczna akceptacja "daleko od perfekcji" modele magnetyzmu są godnym przykładem takiej nienaukowej praktyki.

Dziwną cechą obecnej sytuacji jest to, że dochodząc do wniosku, że magnetyzm jest po prostu produktem ubocznym elektryczności, jednym z działań fizyków jest poszukiwanie magnetycznego analogu ruchomego ładunku elektrycznego - elektronu. Jeszcze raz zacytuję C.W. Forda:

„Cząstka elektryczna wytwarza pole elektryczne. Kiedy się porusza, jako efekt wtórny wytwarza pole magnetyczne. Dla celów symetrii muszą istnieć cząstki magnetyczne wytwarzające pola magnetyczne, których ruch wytwarza pola elektryczne w taki sam sposób, w jaki poruszające się cząstki elektryczne wytwarzają pola magnetyczne.

Autor to przyznaje „I do dziś monopol magnetyczny dezorientuje wszystkich badaczy. Eksperymentatorom nie udało się wykryć żadnego śladu cząstki.” Ten fałszywy ognik jest nadal ścigany z zapałem, który wywołuje takie szydercze komentarze, jak:

„Zaskakujące jest, że brak dowodów eksperymentalnych na istnienie monopoli magnetycznych nie zmniejsza zapału poszukiwaczy”.

Ford ma na myśli: „Ewidentny brak istnienia cząstek jednobiegunowych prowadzi współczesnych fizyków do paradoksu; nie mogą się poddać, dopóki nie znajdą wyjaśnienia”.. Ale daje też (niezamierzenie) odpowiedź na paradoks, którym kończy dyskusję na temat sytuacji monopolu:

„Fizycy są zaniepokojeni wyzwaniem, jakie stanowi symetria i wszystkie znane prawa – cząstka magnetyczna nie została jeszcze stworzona ani odkryta”.

Ilekroć zaobserwowane fakty „kwestionują znane prawa” i obecne zrozumienie tego, jak relacje symetrii odnoszą się do danej sytuacji, można śmiało powiedzieć, że obecne rozumienie symetrii i przynajmniej niektórych „znanych praw” jest nieprawidłowe. W w tym przypadku Każde krytyczne podejście szybko wykaże nie tylko, że wiele założeń, na podstawie których wnioskuje się o istnieniu monopoli magnetycznych, wywodzi się z czystych założeń bez wsparcia faktycznego, ale także, że istnieje pewna sprzeczność między tymi dwoma kluczowymi założeniami.

Jak wyjaśnił Ford, monopol magnetyczny, którego tak chętnie szukają fizycy, to cząstka, która „tworzy pola magnetyczne; to znaczy ładunek magnetyczny.” Gdyby taka cząstka istniała, wywierałaby oczywiście wpływ magnetyczny ze względu na swój ładunek. Ale to bezpośrednio zaprzecza założeniu, że magnetyzm jest „produktem ubocznym elektryczności”. Fizycy nie mogą siedzieć na dwóch krzesłach jednocześnie. Jeśli magnetyzm jest produktem ubocznym elektryczności (to znaczy ładunków elektrycznych), to nie może nim być ładunek magnetyczny(źródło efektów magnetycznych), podobnie jak ładunek elektryczny - źródło efektów elektrycznych. Z drugiej strony, gdyby istniała cząstka posiadająca ładunek magnetyczny (monopol magnetyczny), to wówczas podstawowa teoria Magnetyzm, który przypisuje wszystkie efekty magnetyczne elektryczności, jest błędny.

Z zapisów teoretycznego rozwoju wszechświata ruchu wynika, że ​​brakującą informacją jest zrozumienie fizycznej natury magnetyzmu. Tak długo jak magnetyzm będzie uważany za produkt uboczny elektryczności, a elektryczność będzie uważana za tę cechę natury, której nie da się wytłumaczyć, nic nie skieruje teorii we właściwym kierunku. Gdy jednak zdamy sobie sprawę, że zjawiska magnetostatyczne powstają na skutek ładunków magnetycznych i że ładunek ten jest rodzajem ruchu (wibracją obrotową), sytuacja staje się niemal automatycznie jasna. Oczywiście, że istnieją ładunki magnetyczne. Tak jak istnieją ładunki elektryczne, będące jednowymiarowymi wibracjami obrotowymi, działającymi przeciwnie do jednowymiarowych obrotów, tak istnieją również ładunki magnetyczne, które są dwuwymiarowymi wibracjami obrotowymi, działającymi przeciwnie do dwuwymiarowych obrotów. Zjawiska powstające pod wpływem tego rodzaju ładunków nazywane są magnetostatyką. Elektromagnetyzm to kolejne dwuwymiarowe zjawisko polegające na ruchu ciągłym, a nie charakter wibracyjny.

Dwuwymiarowość jest kluczem do zrozumienia zależności magnetycznych. Brak świadomości podstawowych właściwości magnetyzmu jest jedną z głównych przyczyn nieporozumień występujących w wielu obszarach teorii magnetyzmu. Obydwa wymiary ładunku magnetycznego i elektromagnetyzmu są oczywiście wymiarami skalarnymi. Ruchu składników w drugim wymiarze nie można bezpośrednio przedstawić w tradycyjnym przestrzennym układzie odniesienia, mają one jednak zauważalny wpływ pośredni, zwłaszcza na wielkości efektywne. Istotnym wkładem w zamieszanie jest brak świadomości wibracyjnej natury ruchów elektrostatycznych i magnetostatycznych, co ostro odróżnia je od ciągłych ruchów związanych z prądem elektrycznym i elektromagnetyzmem. Magnetostatyka jest podobna do elektromagnetyzmu w tym sensie, że czynnikiem decydującym jest seria pomiarów. Jest podobny do elektrostatyki, ponieważ czynnikiem decydującym jest wibracyjny charakter ruchu.

Nasze odkrycia pokazują, że brak monopoli magnetycznych nie jest „wyzwaniem dla symetrii”. Symetria istnieje, ale jej zrozumienie wymaga lepszego zrozumienia natury elektryczności i magnetyzmu. W związkach elektrycznych i magnetycznych istnieje symetria i w pewnym sensie jest to rodzaj symetrii, jaką wyobrażali sobie Ford i jego współpracownicy. Jeden rodzaj pola magnetycznego Naprawdę powstaje w taki sam sposób jak pole elektryczne, jak sugeruje Ford, wyjaśniając uzasadnienie tej hipotezy monopol magnetyczny. Ale pole elektryczne nie jest tworzone przez „ cząstka elektryczna”; Ten pewien typ ruch – wibracja obrotowa. Pole magnetyczne powstaje w wyniku podobnych wibracji obrotowych. Pole magnetyczne wytwarza prąd elektryczny, czyli ruch translacyjny cząstki (nienaładowanego elektronu) w przewodniku. Ruch pola magnetycznego do przodu w podobny sposób wytwarza prąd elektryczny w przewodniku. Ponownie, symetria istnieje, ale nie jest to rodzaj symetrii, który można by przywołać w przypadku monopolu magnetycznego.

Równanie siły magnetycznej, wyrażenie siły pomiędzy dwoma ładunkami magnetycznymi, jest identyczne z równaniem Coulomba, z wyjątkiem współczynnika t/s wprowadzonego do ładunku magnetycznego przez drugi skalarny wymiar ruchu. Tradycyjna forma równania F = MM’/d². Podobnie jak w innych równaniach sił pierwotnych, wyrazy M' i d² nie mają wymiarów. Opierając się na ogólnych zasadach stosowanych do równań sił zdefiniowanych we wszechświecie ruchu, brakujący składnik w równaniu magnetycznym jest analogiczny do 1/s w równaniu Coulomba i wynosi 1/t. Wtedy wymiary czasoprzestrzenne równania magnetycznego wynoszą F = t²/s² x 1/t = t/s².

Podobnie jak ruch stanowiący ładunek elektryczny i z tych samych powodów, ruch stanowiący ładunek magnetyczny ma kierunek skalarny na zewnątrz. Ponieważ jednak w sektorze materialnym rotacja magnetyczna jest z konieczności dodatnia (przesunięcie w czasie), wszystkie stabilne ładunki magnetyczne w tym sektorze mają przemieszczenie w przestrzeni (ujemne) i nie ma niezależnego zjawiska magnetycznego odpowiadającego ujemnemu* ładunkowi elektrycznemu. W tym przypadku nie ma ustalonego zwyczaju, który uniemożliwiałby stosowanie notacji zgodnej z terminologią rotacyjną. Dlatego będziemy nazywać ładunek magnetyczny ładunkami ujemnymi, zamiast używać określenia dodatniego*, jak w przypadku ładunku elektrycznego.

Chociaż w środowisku materialnym nie występują żadne dodatnie ładunki magnetyczne, chyba że pod wpływem sił zewnętrznych w sytuacji, którą omówimy później, dwuwymiarowa natura ładunku magnetycznego wprowadza wpływy orientacyjne, które nie występują w zjawiskach elektrycznych. Wszystkie ładunki jednowymiarowe (elektryczne) są podobne; nie mają cech wyróżniających, według których można by je podzielić na różne typy klas. Ale ładunek dwuwymiarowy (magnetyczny) składa się z drgań obrotowych w wymiarze ramy i innego wymiaru skalarnego niezależnego od pierwszego, a zatem prostopadłego do niego w reprezentacji geometrycznej. Rotacja, z którą związana jest druga wibracja rotacyjna, dzieli atom na dwie połowy, które można zdefiniować oddzielnie. Po jednej stronie linii podziału obserwowany obrót jest zgodny z ruchem wskazówek zegara. Kierunek skalarny ładunku magnetycznego po tej stronie jest skierowany na zewnątrz w stosunku do obrotu w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Podobny ładunek po przeciwnej stronie jest ruchem na zewnątrz w wyniku obrotu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Jednostka ładunku magnetycznego dotyczy tylko jednego z dwóch układów wirujących. W rezultacie atom zyskuje dwa ładunki, zajmujące pozycje opisane w poprzednim akapicie i skierowane w przeciwne strony. Dlatego każdy atom substancji magnetycznej lub namagnesowanej ma dwa bieguny lub centra wpływu magnetycznego. Na Ziemi istnieją analogi biegunów magnetycznych, nazywane są odpowiednio biegunem północnym i biegunem południowym.

Bieguny reprezentują skalarne punkty odniesienia. Efektywnym kierunkiem drgań obrotowych stanowiących ładunek znajdujący się na biegunie północnym jest ruch na zewnątrz od północnego punktu odniesienia; aktualny kierunekładunek skupiony na biegunie południowym jest ruchem na zewnątrz od południowego punktu odniesienia. Dlatego oddziaływanie dwóch naładowanych magnetycznie atomów przebiega według tego samego wzoru, co oddziaływanie ładunków elektrycznych. Jak pokazano na rysunku 22, dwa bieguny północne (linia a) przesuwają się na zewnątrz od północnych punktów odniesienia, a zatem na zewnątrz od siebie. Dwa bieguny południowe (linia c) również oddalają się od siebie. Jednak, jak pokazano na linii b, biegun północny, który przesuwa się na zewnątrz od północnego punktu odniesienia, przesuwa się w kierunku bieguna południowego, który przesuwa się na zewnątrz od południowego punktu odniesienia. Zatem podobne bieguny odpychają się, a odmienne bieguny przyciągają.

Na tej podstawie, gdy dwa naładowane magnetycznie atomy zbliżają się do siebie, biegun północny jednego atomu jest przyciągany do bieguna południowego drugiego atomu. Powstała struktura jest kombinacją liniową biegun północny, neutralne połączenie obu biegunów i bieguna południowego. Dodanie trzeciego magnetycznie naładowanego atomu zamienia biegun południowy w kombinację neutralną, ale pozostawia nowy biegun południowy na nowym końcu struktury. Mogą wystąpić dalsze dodatki tego rodzaju, ograniczone jedynie temperaturą i innymi siłami niszczącymi. Podobną strzałkę atomów z biegunami północnym i południowym na przeciwnych końcach można utworzyć, wprowadzając atomy namagnesowanej materii pomiędzy magnetycznie naładowane atomy kombinacji dwuatomowej. Podział takiej struktury w dowolnym punkcie przerywa kombinację neutralną i pozostawia bieguny północny i południowy na końcach każdego segmentu. W rezultacie, niezależnie od tego, na ile części podzielony jest namagnesowany materiał, każdy fragment materiału zawsze ma bieguny północny i południowy.

Ze względu na kierunkowy charakter sił magnetycznych, są one ekranowane w taki sam sposób, jak siły elektryczne. Z drugiej strony siły grawitacji nie można w żaden sposób osłonić ani zmodyfikować. Wielu obserwatorów uznało to za wskazówkę, że siła grawitacji musi mieć zupełnie inny charakter. Wrażenie to potęguje trudność w znalezieniu odpowiedniego miejsca dla grawitacji w głównym nurcie teorii fizycznej. Głównym celem teoretyków pracujących nad problemem budowy „ogólnej teorii” lub „jednolitej teorii” fizyki jest znalezienie miejsca dla grawitacji w ich strukturze teoretycznej.

Obecnie rozwój teorii wszechświata ruchu pokazuje, że grawitacja, elektryczność statyczna i magnetostatyka są zjawiskami tego samego rodzaju. Różnią się one od siebie jedynie liczbą aktywnych wymiarów skalarnych. Ze względu na symetrię przestrzeni i czasu w tym wszechświecie, każdy rodzaj siły (ruchu) ma przeciwnie skierowanego partnera. Grawitacja nie jest wyjątkiem, ma miejsce zarówno w czasie, jak i w przestrzeni. W konsekwencji podlega temu samemu rozróżnieniu na pozytywne i negatywne, jakie znajdujemy w tym rozróżnieniu siły elektryczne. Ale w materialnym sektorze wszechświata ostateczny wpływ grawitacyjny zawsze występuje w przestrzeni, to znaczy nie ma efektywnej grawitacji ujemnej. W sektorze kosmicznym zawsze następuje to w czasie. Ponieważ grawitacja jest trójwymiarowa, nie może być żadnego przestrzennego zróżnicowania, jakie obserwujemy w magnetyzmie.

W wyniku braku zrozumienia prawdziwego związku zjawisk elektromagnetycznych i grawitacyjnych, tradycyjne nauki fizyczne nie są w stanie sformułować teorii istotnej dla obu obszarów. Jej podejście do problemu polega na założeniu, że elektryczność ma fundamentalne znaczenie i na tej podstawie zbudowaniu struktury teorii fizycznej. Aby obserwacje i pomiary były zgodne z teorią opartą na elektryczności, wymagane są dalsze założenia. Tym samym grawitacji nadano status niewytłumaczalnej anomalii. Stało się tak ze względu na sposób, w jaki konstruowano teorie, a nie z powodu jakiejkolwiek cechy grawitacji. Gdyby podejście uległo zmianie, teoria fizyczna opierałaby się na założeniu, że grawitacja ma fundamentalne znaczenie, a „niewyuczonymi” punktami byłyby elektryczność i magnetyzm. Jednolitą teorię, którą badacze próbują zbudować, można stworzyć jedynie poprzez rozwój taki jak ten zaprezentowany w tym artykule. Opiera się na solidnym fundamencie zrozumienia, w którym każdemu z trzech podstawowych zjawisk przypisane jest właściwe miejsce.

Oprócz skutków różnic w liczbie wymiarów skalarnych, właściwości drgań rotacyjnych stanowiących ładunek magnetyczny są takie same, jak właściwości drgań rotacyjnych stanowiących ładunek elektryczny. Stąd można indukować ładunki magnetyczne w odpowiednich materiałach. Materiały, w których indukowane są ładunki magnetyczne, zachowują się jak magnesy trwałe. Zasadniczo niektóre materiały stają się magnesami trwałymi, gdy indukują się w nich ładunki magnetyczne. Jednak tylko stosunkowo niewielka liczba elementów może zostać namagnesowana w znaczącym stopniu; to znaczy mieć właściwość znaną jako ferromagnetyzm.

Tradycyjne teorie magnetyzmu nie mają wyjaśnienia ograniczeń namagnesowania pierwiastków. Oczywiście z teorii tych wynikałoby, że musi to być ogólna właściwość materii. Wychodząc z wcześniej wspomnianych założeń, elektrony, które tradycyjna teoria uważa za składniki atomów, są miniaturowymi elektromagnesami i wytwarzają pola magnetyczne. W większości przypadków zakłada się, że pola magnetyczne atomów są zorientowane losowo i nie ma końcowej wypadkowej magnetycznej. „Jednak w atomach jest kilka pierwiastków, których pola utworzone przez różne elektrony nie znoszą się całkowicie. Takie atomy mają wynikowe pole magnetyczne. W niektórych materiałach pola magnetyczne atomów pokrywają się ze sobą.”. Zakłada się, że takie materiały mają właściwości magnetyczne. Nie jest jednak określone, dlaczego te kilka elementów miałoby nabyć właściwość, której nie posiada większość elementów.

Aby wyjaśnić ruch w kategoriach wszechświata, będziemy musieli rozważyć naturę ruchu atomów. Jeśli do trójwymiarowej kombinacji ruchów tworzących atom doda się dwuwymiarową, dodatnią wibrację wirującą, zmieni się to wielkość ruchów. Rezultatem nie jest ten sam atom z ładunkiem magnetycznym, ale atom innego typu. Jako odrębna jednostka ładunek magnetyczny może istnieć tylko w atomie złożonym w taki sposób, że istnieje część struktury atomowej zdolna do wibrowania dwuwymiarowego i niezależnie od głównego korpusu atomu. Jeśli zależy nam na rotacji magnetycznej, warunek jest spełniony, gdy rotacja jest asymetryczna; to znaczy w jednym z dwóch pomiary magnetyczne jest n jednostek przemieszczenia, a w drugiej n + 1.

Na tej podstawie wyklucza się elementy symetryczne posiadające obroty magnetyczne 1-1, 2-2, 3-3 i 4-4. Chociaż ładunek magnetyczny nie ma trzeciego wymiaru, rotacja elektryczna, z którą jest powiązany w trójwymiarowym ruchu atomu, powinna być niezależna od rotacji związanej z resztą atomu. Dlatego też polaryzacja rotacji elektrycznej musi przekraczać 7, aby jedna pełna jednostka (7 jednostek przemieszczenia plus poziom jednostki pierwotnej) mogła pozostać w głównym korpusie rotacji magnetycznej, natomiast nadmiar przypisano rotacji magnetycznej. Co więcej, przemieszczenie elektryczne musi być dodatnie, ponieważ układ odniesienia nie może pomieścić dwóch różnych przemieszczeń ujemnych (ruchu w czasie) w tym samym struktura atomowa. W rezultacie polaryzacja elektroujemna jest całkowicie wyeliminowana. Efekt wszystkich wykluczeń ogranicza ładunki magnetyczne do niewielkiej liczby pierwiastków.

Pierwszym elementem zdolnym do przyjęcia ładunku magnetycznego w stanie normalnym jest żelazo. Ta pozycja nr 1 jest szczególnie korzystna dla namagnesowania, dlatego żelazo jest nadal najbardziej magnetycznym z pierwiastków. Kolejne dwa elementy kobalt I nikiel, są również magnetyczne, ponieważ ich polaryzacja elektryczna jest zwykle dodatnia. W specjalnych warunkach przemieszczenia chromu (6) i magnezu (7) zwiększają się odpowiednio do 8 i 9 poprzez reorientację względem nowego punktu zerowego, co zostało wyjaśnione w tomie 1 książki przez D. Larsona. Wtedy elementy te są również zdolne do przyjmowania ładunków magnetycznych.

Zgodnie z wcześniejszym wyjaśnieniem właściwości atomowych wymaganych do przyjęcia ładunku magnetycznego, jedynymi innymi elementami magnetycznymi są członkowie Grupy II Oddziału 4A. Teoretyczne oczekiwania pokrywają się z obserwacjami, ale istnieją jeszcze niewyjaśnione różnice między zachowaniem magnetycznym tych pierwiastków a zachowaniem magnetycznym grupy 3A. W grupie 4A siła magnetyczna jest mniejsza. Tylko jeden z pierwiastków w tej grupie, gadolin, ma właściwości magnetyczne w temperaturze pokojowej i nie zajmuje w tej grupie tej samej pozycji co żelazo, najbardziej magnetyczny pierwiastek z grupy 3A. Jednak samar, który jest w pozycji żelaza, nie gra ważna rola w wielu stopach magnetycznych. Gadolin znajduje się o dwie pozycje wyżej w szeregu atomowym, co może wskazywać, że ulega modyfikacji podobnej, choć w przeciwnym kierunku, do niższych pierwiastków z grupy 3A.

Jeżeli na podstawie zachowania niektórych stopów przypiszemy wanadowi pewne właściwości magnetyczne, to wszystkie pierwiastki II grupy z grup 3A i 4A w odpowiednich warunkach wykazują pewien stopień namagnesowania. Większa liczba elementy magnetyczne w grupie 4A jest odzwierciedleniem większej wielkości 32 elementów grupy, co plasuje te elementy w dziale II. Ze względu na właściwości magnetyczne pierwiastków ziem rzadkich z grupy 4A istnieje wiele wciąż niewyjaśnionych cech w pozycjach pierwiastków w szeregu atomowym. Być może mają one związek z innymi, niewyjaśnionymi jeszcze odchyleniami w zachowaniu tych pierwiastków, które zauważono w dyskusjach na temat innych właściwości fizycznych. Właściwości magnetyczne pierwiastków i stopów rozszczepienia II są przenoszone na niektóre związki. Ale takie proste związki, jak binarne chlorki, tlenki i tak dalej, nie są magnetyczne; to znaczy, że nie są w stanie przyjmować ładunków magnetycznych typu ferromagnetycznego.

ELEKTROMAGNETYZM

Terminy „elektryczny” i „magnetyczny” zostały wprowadzone w pracach D. Larsona przy założeniu, że były one używane jako synonimy odpowiednio „skalarnego jednowymiarowego” i „skalarnego dwuwymiarowego” i nie ograniczały się do stosunkowo wąskie znaczenie, jakie mają codzienna praktyka. Tutaj są one używane w tym samym znaczeniu, choć poszerzony zakres definicji nie jest już tak oczywisty, gdyż obecnie mamy do czynienia głównie ze zjawiskami, które zwykle nazywane są „elektrycznymi” lub „magnetycznymi”. Zdefiniowaliśmy jednowymiarowy ruch nienaładowanych elektronów jako prąd elektryczny, jednowymiarowe wibracje obrotowe jako ładunek elektryczny i dwuwymiarowe wibracje obrotowe jako ładunek magnetyczny. Dokładniej, ładunek magnetyczny jest dwuwymiarowym, rotacyjnie rozłożonym ruchem skalarnym o charakterze wibracyjnym.

Jesteśmy teraz gotowi do zbadania ruchów, które nie są ładunkami, ale mają pewne podstawowe cechy ładunku magnetycznego, to znaczy są dwuwymiarowymi ukierunkowanymi rozproszonymi ruchami skalarnymi.

Przyjrzyjmy się krótkiemu kawałkowi przewodnika, przez który będziemy przepuszczać prąd elektryczny. Materia tworząca przewodnik podlega grawitacji, trójwymiarowemu, rozłożonemu do wewnątrz ruchowi skalarnemu. Jak widzieliśmy, prąd jest ruchem przestrzeni (elektronów) w materii przewodnika, równoważnym skalarnemu ruchowi materii w przestrzeni na zewnątrz. Zatem jednowymiarowy ruch prądu przeciwdziała części skalarnego ruchu grawitacji do wewnątrz, działającego w wymiarze skalarnym przestrzennego układu odniesienia.

W tym przykładzie załóżmy, że dwa przeciwne ruchy w segmencie przewodnika są jednakowej wielkości. Wynikowy wymiar skalarny wynosi wówczas zero. To, co pozostało z początkowego trójwymiarowego ruchu grawitacyjnego, to ruch skalarny z rozkładem rotacyjnym w dwóch innych wymiarach skalarnych. Ponieważ pozostały ruch jest skalarny i dwuwymiarowy, to magnetyczny i jest znany jako elektromagnetyzm. Zwykle ruch grawitacyjny w pomiarze prądu jest tylko częściowo neutralizowany przez przepływ prądu, ale nie zmienia to charakteru wyniku, a jedynie zmniejsza wielkość wpływu magnetycznego.

Z powyższego wyjaśnienia jasno wynika, że ​​elektromagnetyzm jest pozostałością ruchu grawitacyjnego, która pozostaje po tym, jak całość lub część ruchu w jednym z trzech wymiarów grawitacyjnych zostanie zneutralizowana przez przeciwny ruch prądu elektrycznego. Stąd, dwuwymiarowy ruch skalarny prostopadły do ​​przepływu prądu. Ponieważ ruch grawitacyjny w dwóch wymiarach nie ma wpływu na ruch prądu elektrycznego na zewnątrz, ma on kierunek skalarny do wewnątrz.

We wszystkich przypadkach efekt magnetyczny jest znacznie większy niż efekt grawitacyjny, który jest usuwany, gdy rozważa się go w kontekście naszego układu odniesienia związanego grawitacyjnie. Nie oznacza to, że prąd coś tworzy. Dzieje się tak: Niektóre ruchy przekształcają się w inne rodzaje ruchów, które są bardziej skoncentrowane w układzie odniesienia. Aby sprostać wymaganiom nowej sytuacji, energia jest sprowadzana z zewnątrz. Jak wskazano, różnica, którą obserwujemy między wielkościami ruchów z różne liczby pomiary prądu są sztucznym wynikiem naszego położenia w układzie związanym grawitacyjnie, miejscu, które znacznie zwiększa rozmiar . Z punktu widzenia naturalnego układu odniesienia, układu, do którego faktycznie dostosowuje się wszechświat, jednostki podstawowe są niezależne od pomiaru; to znaczy 1 i sup3 = 1 i sup2 = 1. Ale dzięki naszemu asymetrycznemu położeniu we wszechświecie, jednostka naturalna prędkość, s/t, trwa b O większa wartość, 3x10 10 cm/sek. Staje się współczynnikiem pomiaru, który wchodzi w każdą relację między wielkościami różnych pomiarów..

Na przykład termin c² (3x10 10 do kwadratu) w równaniu Einsteina dotyczącym zależności pomiędzy masą i energią odzwierciedla współczynnik powiązany z dwoma wymiarami skalarnymi oddzielającymi masę (t³/s³) od energii (t/s). Podobnie różnica jednego wymiaru między dwuwymiarowym wpływem magnetycznym a trójwymiarowym wpływ grawitacyjny powoduje, że wpływ magnetyczny 3x10 jest 10 razy większy (jeśli jest wyrażony w układzie cgs). Wpływ magnetyczny jest mniejszy niż jednowymiarowy wpływ elektryczny o ten sam współczynnik. Wynika z tego, że magnetyczna jednostka ładunku lub jednostka elektromagnetyczna, zdefiniowana przez magnetyczny odpowiednik prawa Coulomba, jest 3x10 10 razy większa niż jednostka elektryczna lub jednostka elektrostatyczna. Jednostka elektryczna złożona z 4,80287x10 -10 jednostek elektrostatycznych odpowiada 1,60206x10 -20 jednostek elektromagnetycznych.

Względne skalarne kierunki sił pomiędzy elementami prądu są przeciwne do kierunków sił wytwarzanych przez ładunki elektryczne i magnetyczne, jak pokazano na rysunku 23, który należy porównać z rysunkiem 22. Ruchy elektromagnetyczne skierowane są do wewnątrz, w kierunku punktów zerowych, z których ruchy ładunków skierowane są na zewnątrz. Dwa przewodniki, przez które płynie prąd w tym samym kierunku, AB lub A'B, podobnie jak ładunki, zbliżają się do siebie, jak pokazano linią (a) na schemacie, i nie odpychają się nawzajem, jak to robią podobne ładunki. Dwa przewodniki, w których płynie prąd w kierunku BA lub B'A, jak pokazano w linii (c), również zbliżają się do siebie. Jednak przewodniki przewodzące prąd w przeciwnych kierunkach, AB' i BA', podobnie jak przeciwne ładunki, odpychają się nawzajem, jak pokazano w linii (b).

Takie różnice w występowaniu i kierunku skalarnym między dwoma typami magnetyzmu objawiają się na inne sposoby. W naszej eksploracji tych tematów wygodniej będzie rozważyć stosunki władzy z innego punktu widzenia. Jak dotąd nasza dyskusja na temat ruchów skalarnych z rozkładem rotacyjnym – grawitacyjnym, elektrycznym i magnetycznym – dotyczyła sił wywieranych przez poszczególne obiekty, zasadniczo punktowych źródeł omawianych wpływów. W elektromagnetyzmie mamy do czynienia ze źródłami rozszerzonymi. W rzeczywistości są to rozszerzone zbiory dyskretnych źródeł, ponieważ wszystkie zjawiska fizyczne istnieją w postaci dyskretnych jednostek. W rezultacie możliwa byłaby praca z wpływami elektromagnetycznymi w taki sam sposób, jak z wpływami wynikającymi z łatwiejszych do określenia źródła punktowe, ale takie podejście do źródeł rozszerzonych jest złożone i trudne. Znaczące uproszczenie uzyskuje się poprzez wprowadzenie koncepcji pola.

Podejście to można zastosować również do prostszych zjawisk grawitacyjnych i elektrycznych. Oczywiście jest to obecnie modny sposób radzenia sobie ze wszystkimi (widocznymi) interakcjami, choć w przypadku źródeł dyskretnych lepiej sprawdza się podejście alternatywne. Badając podstawową naturę pól, możemy rozważyć sytuację grawitacji, która pod wieloma względami jest najprostszym zjawiskiem. Jak wiemy, masa A ma ruch AB w kierunku masy B, znajdującej się w pobliżu. Ruchu tego ze swej natury nie można odróżnić od ruchu BA atomu B. W zakresie, w jakim rzeczywisty ruch masy A jest hamowany przez bezwładność, ruch obiektu A pojawia się w układzie odniesienia jako ruch obiektu B, co stanowi dodatek do rzeczywistego ruchu tego obiektu.

Wielkość ruchu grawitacyjnego masy A przypisywanego masie B definiuje się jako iloczyn mas A i B podzielony przez odległość między dwiema masami, ponieważ jest to ruch masy B, jeśli za ruch uznamy ruch skalarny AB obu obiektów. Wynika z tego, że każdemu położeniu przestrzennemu w sąsiedztwie obiektu A można przypisać wielkość i kierunek, wskazujące, w jaki sposób masa o wielkości 1 będzie się przemieszczać pod wpływem siła grawitacji obiekt A, jeśli zajmował tę lokalizację. Kombinacja lokalizacji i odpowiadających im wektorów sił tworzy pole grawitacyjne obiektu A. Podobnie rozkład ruchu ładunków elektrycznych lub magnetycznych determinuje pole elektryczne lub magnetyczne w przestrzeni otaczającej ładunek.

Wyrażenie matematyczne wyjaśniające pole masy lub ładunku jest identyczne z tym, które pojawia się w obecnie przyjętej teorii fizycznej, ale jest ramy koncepcyjne zupełnie inny. Tradycyjny punkt widzenia jest taki. Pole to „coś fizycznie rzeczywistego w przestrzeni” wokół ekscytującego obiektu, a siła jest fizycznie przenoszona z jednego obiektu na drugi przez to „coś”. Jednak po Analiza krytyczna sytuacji P. W. Bridgman doszedł do wniosku, że nie ma dowodów uzasadniających założenie, że to „coś” faktycznie istnieje. Znaleźliśmy to pole nie jest „czymś fizycznym”. Jest to po prostu matematyczna konsekwencja niemożności tradycyjny system odniesienie do przedstawienia prawdziwej natury ruchu skalarnego. Jednak uświadomienie sobie jej prawdziwego statusu jako techniki matematycznej nie pozbawia jej użyteczności. Podejście polowe pozostaje najprostszym i najwygodniejszym sposobem matematycznego radzenia sobie z magnetyzmem.

Pole ładunku magnetycznego definiuje się w kategoriach siły działającej na magnes testowy. Pole bieguna magnetycznego, takiego jak jeden koniec długiego magnesu sztabkowego, jest promieniowe. Jak widać z opisu pochodzenia magnetyzmu w poprzednich akapitach, pole drutu przewodzącego prąd elektryczny będzie również promieniowe (w dwóch wymiarach), jeśli zostanie określone w kategoriach siły działającej na element prądu w przewodnik równoległy. Zwyczajowo definiuje się pole magnetyczne w kategoriach elektrostatyki: to znaczy siły działającej na magnes lub elektromagnes w postaci cewki, solenoidu, który wytwarza pole promieniowe w taki sam sposób jak magnes sztabkowy poprzez układ geometryczny . Jeśli pole drutu przewodzącego prąd jest zdefiniowane w ten sposób, otacza ono drut, a nie rozciąga się promieniowo. Wówczas siła działająca na magnes testowy jest prostopadła do pola i kierunku przepływu prądu.

Jest to bezpośrednie wyzwanie dla teorii fizycznej, oczywiste naruszenie powszechnie stosowanej teorii zasady fizyczne. Fizyka nigdy nie stanęła przed takim wyzwaniem. Fizycy nie są w stanie postawić nawet wiarygodnej hipotezy. Po prostu zauważają anomalię, „dziwną” cechę efektu magnetycznego. „Siła magnetyczna ma dziwnie ukierunkowany charakter,– mówi Ryszard Feynman. - W każdym przykładzie siła jest zawsze prostopadła do wektora prędkości.. Jednakże prostopadła zależność pomiędzy kierunkiem ruchu prądu a kierunkiem siły nie wydawałaby się dziwna, gdyby magnesy oddziaływały z magnesami, a prądy z prądami. W tym przypadku magnetyczny wpływ prądu na prąd nadal będzie przebiegał „pod kątem prostym do wektora prędkości”, ale raczej w kierunku pola, a nie prostopadle do niego, ponieważ pole będzie definiowane w kategoriach działania prądu na prąd. W przypadku oddziaływania prądu z magnesem powstająca siła jest prostopadła do pola magnetycznego, czyli do wektora natężenia pola. Magnes testowy w polu elektromagnetycznym nie porusza się w kierunku pola, jak można by się spodziewać, ale w kierunku prostopadłym.

„Zauważ, jak dziwny jest kierunek siły. Nie pokrywa się ani z polem, ani z kierunkiem prądu. Zamiast tego siła jest prostopadła zarówno do prądu, jak i linii pola.

Użycie słowa „dziwny” w to oświadczenie jest ukrytym przyznaniem, że przyczyna kierunku prostopadłego nie jest rozumiana w kontekście współczesnej teorii fizycznej. Po raz kolejny rozwój wszechświata ruchu dostarcza brakujących informacji. Kluczem do zrozumienia sytuacji jest rozpoznanie różnicy pomiędzy skalarnym kierunkiem ruchu (siły) ładunku magnetycznego na zewnątrz a ruchem elektromagnetycznym do wewnątrz.

Oczywistym jest, że ruch prądu elektrycznego odbywa się w jednym z wymiarów skalarnych, odmiennym od wymiaru reprezentowanego w przestrzennym układzie odniesienia, gdyż kierunek przepływu prądu zwykle nie jest tożsamy ​​z kierunkiem ruchu przewodnika. Zatem pozostałość magnetyczna składa się z ruchu w innym nieobserwowalnym wymiarze i w wymiarze układu odniesienia. Jeżeli wpływ magnetyczny jednego prądu oddziałuje z wpływem magnetycznym innego prądu, pomiar ruchu prądu A, równoległy do ​​pomiaru układu odniesienia, pokrywa się z odpowiednim pomiarem prądu B. Wynikiem jest pojedyncza siła, a siła wzajemnego przyciągania lub odpychania, zmniejszająca lub zwiększająca odległość między A i B. Jeśli jednak zachodzi interakcja między prądem A i magnesem B, pomiary równoległe do układu odniesienia nie mogą się pokrywać, ponieważ ruch (i odpowiadająca mu siła) prądu A mieści się w skalarny do wewnątrz, a ruch magnesu B jest skalarny na zewnątrz.

Można się zastanawiać, dlaczego ruchów do wewnątrz i na zewnątrz nie można połączyć na zasadzie pozytywnej lub negatywnej, uzyskując końcowy wynik równy różnicy. Powodem jest to, że ruch przewodnika A do wewnątrz w kierunku magnesu B jest jednocześnie ruchem B w kierunku A, ponieważ ruch skalarny jest procesem odwrotnym. Ruch magnesu na zewnątrz jest podobny do ruchu B z A i ruchu A z B. Wynika z tego, że dwa oddzielne ruchy obu obiektów, jeden do wewnątrz, a drugi na zewnątrz, nie są kombinacją ruchu do wewnątrz jednego obiektu i ruch na zewnątrz drugiego obiektu. Wynika, że te dwa ruchy muszą zachodzić w różnych wymiarach skalarnych. Zatem siła działająca na element prądowy w polu magnetycznym (siłowy aspekt ruchu w wymiarze układu odniesienia) jest prostopadła do tego pola.

Zależności te pokazano na rysunku 24. Po lewej stronie znajduje się jeden koniec magnesu sztabkowego. Magnes wytwarza pole magnetostatyczne (MS), które istnieje w dwóch wymiarach skalarnych. Jeden wymiar każdego ruchu skalarnego musi być zorientowany tak, aby pokrywał się z wymiarem układu odniesienia. Zaobserwowany pomiar ruchu MC nazwiemy - A, korzystając Wielka litera aby zademonstrować obserwowany stan i przedstawić pole MS grubą linią. Nieobserwowalny wymiar ruchu jest oznaczony literą b i przedstawiony cienką linią.

Wprowadzamy teraz prąd elektryczny do trzeciego wymiaru skalarnego. Jak stwierdzono powyżej, jego orientacja pokrywa się z wymiarem układu odniesienia i jest oznaczona literą C. Prąd wytwarza pole elektromagnetyczne (EM) o wymiarach a i b, prostopadle do C. Ponieważ ruch MC ma kierunek skalarny na zewnątrz, podczas gdy ruch EM ma kierunek do wewnątrz, skalarne pomiary ruchów pokrywające się z pomiarem układu odniesienia nie mogą być takie same. Dlatego wymiary ruchu EM to B i a; to znaczy obserwowalny wynik interakcji między dwoma gatunkami ruch magnetyczny znajduje się w wymiarze B, prostopadle do pola MC i prądu C.

15:07 13/03/2018

👁 313

Przyzwyczailiśmy się, że procesy magnetyczne zachodzą głównie w małych, ale ważnych częściach wszelkiego rodzaju urządzeń technicznych i kojarzą się z subtelnymi zjawiskami mechaniki kwantowej, a w udających popularne artykuły na ich temat pojawia się tajemnicze i mało znane słowo „spin” powtarza się co jakiś czas. Ale magnetyzm zdarza się także w kosmosie i tam wygląda zupełnie inaczej.

Astronomowie odkryli, że wiele ciał niebieskich, na przykład nasze, to gigantyczne magnesy, a wymiary pola magnetycznego są porównywalne z wymiarami samego ciała niebieskiego. Materia, z której składa się Słońce – plazma słoneczna – jest bardzo gorąca, a gaz międzygwiazdowy w Drodze Mlecznej jest bardzo rzadki. Dlatego pole magnetyczne w nich jest związane nie z uporządkowaniem spinów, jak w ferromagnetykach, ale z pewnymi procesami należącymi do regionu fizyka klasyczna, którego, mamy nadzieję, nadal uczy się w szkole średniej.

Kosmiczne pola magnetyczne są znacznie silniejsze niż pola, do których jesteśmy przyzwyczajeni. Nie należy bezpośrednio porównywać natężenia pola magnetycznego w odtwarzaczu DVD, telefonie komórkowym lub zegarku z polem Słońca lub galaktyki. Bardzo dobry dla organizmu różne rozmiary trzeba dobrać skale do nich proporcjonalne. Nieostrożny uczeń opuścił zajęcia i pod pretekstem twierdzi, że nie mógł dotrzeć do szkoły, ponieważ pole magnetyczne w pobliżu szkoły było zbyt silne. Nietrudno przewidzieć reakcję rodziców... Jednak dla wyjaśnienia ruchów ośrodków kosmicznych wyjaśnienie to jest całkiem naturalne - to właśnie pole magnetyczne nie pozwala obłokowi plazmy wyrzuconej przez Słońce przedostać się na powierzchnię Ziemia.

Ziemskie pole magnetyczne jest jedynym przykładem kosmicznego magnetyzmu, który można zaobserwować gołym okiem (ryc. 1). Zorze polarne to wizualizacja pola magnetycznego Ziemi przez naładowane cząstki, podobna do wizualizacji wiązki laserowej przez pył w powietrzu. Igła kompasu wskazuje północ, bo sama jest małym ferromagnesem, a o jej właściwościach decydują właśnie te spiny. Ale dlaczego sama Ziemia jest magnesem i dlaczego tak jest biegun magnetyczny w przybliżeniu pokrywa się z geograficznym?

Na Ziemi występują złoża rud żelaza, których namagnesowanie wnosi coś do pola geomagnetycznego i powoduje anomalie magnetyczne, na przykład anomalię magnetyczną Kurska. Ale wprowadzają niewielkie zniekształcenia w ogólnym (jak mówią, głównym) polu geomagnetycznym. Pole to powstaje gdzieś głęboko w Ziemi, a temperatura jest tam na tyle wysoka, że ​​ferromagnetyki nie wchodzą w grę.

Jakie procesy prowadzą do powstawania pól magnetycznych ciał niebieskich i galaktyk? Wybór jest niewielki: jesteśmy w dziedzinie fizyki klasycznej i zna ona tylko jeden proces, który w zasadzie może prowadzić do wzrostu pola magnetycznego. Jest to zjawisko indukcji elektromagnetycznej. W szkole mówią (a czasem pokazują), że kiedy przewodzący układ porusza się w polu magnetycznym, zaczyna w nim płynąć prąd. Ten indukowany lub indukowany prąd wytwarza również pole magnetyczne. Czy mogłoby się zdarzyć, że to indukowane pole zsumuje się z pierwotnym, tak że całkowite pole magnetyczne wzrośnie? Prawie sto lat temu, w 1919 roku, fizyk Joseph Larmore zdał sobie sprawę, że to właśnie prąd indukowany w głębi Słońca jest jedyną szansą na wyjaśnienie pola magnetycznego naszej gwiazdy bez uciekania się do fantastycznych hipotez o jakichś nowych interakcjach (takie hipotezy były nie o to chodziło, ale o wszystko, czego nie mogły znieść porównania z rzeczywistością).

Krótka notatka Larmore'a (zajmująca zaledwie jedną stronę) okazała się pierwszym krokiem w badaniu procesu samowzbudzania pola magnetycznego w poruszających się ośrodkach przewodzących. Początek XX wieku to czas rozwoju elektryczności, język odpowiedział popularnością nowych słów, w tym słowa „dynamo”. Urządzenie zamieniające pracę mechaniczną na elektryczną nazwano „dynamem”, a nową dziedzinę fizyki nazwano „teorią dynama”. To jest dokładnie to, co zwykło się mówić przez wiele lat i to samo mówi się dzisiaj – teoria dynama.

Fizyka jest nauką eksperymentalną: długo można dyskutować o modelach procesów fizycznych, którymi operują teoretycy, jednak fizycy wkrótce zaczęli twierdzić, że fajnie byłoby wszystkie te domysły potwierdzić eksperymentalnie. Mianowicie: należy sprawdzić, czy pole indukowane daje się połączyć z polem pierwotnym. Na to potwierdzenie musieliśmy czekać prawie sto lat.

Jaki jest problem?

Trudności w weryfikacja eksperymentalna Idea dynama jest taka. Jeśli naciśniesz włącznik i przerwiesz obwód przewodzący, przez który przepływa prąd, światło zgaśnie, a jednocześnie zniknie pole magnetyczne generowane przez prąd. Energia pola magnetycznego zamieni się w ciepło w wyniku strat omowych (i częściowo w wyniku promieniowania). Aby dynamo zadziałało, efekt indukcyjny musi pokonać straty omowe. Oceniać względna wielkość efekty indukcyjne i straty omowe, wprowadzają tzw. bezwymiarowość liczba magnetyczna Reynoldsa Rm = vL/νm. Licznik tego ułamka zawiera wielkości związane z efektami indukcyjnymi – prędkość ruchu ramy i jej rozmiar, a mianownikiem jest współczynnik dyfuzji magnetycznej, który jest proporcjonalny do opór elektrycznyśrodowisko. Aby indukcja pokonała straty omowe, magnetyczna liczba Reynoldsa musi być dość wysoka – z obliczeń wynika, że ​​trzeba osiągnąć wartość około 17.

Poszukiwanie możliwego schematu eksperymentu z dynamem to przede wszystkim walka o wysoką magnetyczną liczbę Reynoldsa. Możliwości fizyki laboratoryjnej nie są tu zbyt duże – nie ma zbyt wielu poruszających się ośrodków dobrze przewodzących. Jeśli chcemy symulować efekty planetarne i kosmiczne, nie mówimy o przewodnikach stałych. W kosmosie ciała stałe są rzadkie, a te, które istnieją – na przykład stałe powłoki Ziemi – oczywiście nie powodują interesujących efektów indukcji. Gazy przewodzące to plazma. Zbudowana jest z niego zdecydowana większość ciał niebieskich. Możliwe, że w przyszłości będziemy mieli także laboratoryjne eksperymenty na dynamo z plazmą, ale obecnie możliwości te są wciąż przedmiotem dyskusji.

Wybór wśród płynów również jest niewielki. Elektrolity mają słabą przewodność, pozostawiając ciekłe metale. Rtęć jest droga, niebezpieczna, bardzo ciężka i jest słabym przewodnikiem. Do podkręcania duża liczba doprowadzenie rtęci do wymaganych prędkości wymaga ogromnej energii. W eksperymentach laboratoryjnych mających na celu badanie przepływu ciekłych metali powszechnie stosuje się gal - stanowi połowę masy rtęci i topi się w temperaturze 29°C (a jej stopy nawet w 17°C), ale gal jest również drogi i nie przewodzi prądu elektrycznego. aktualne, tak jak byśmy chcieli. Duża gęstość i słaba przewodność - wady innych stopów niskotemperaturowych (na przykład dobrze znanego stopu Wooda). Następny kandydat, sód, jest materiałem wybuchowym i musiałby zostać podgrzany do setek stopni. Ale jest tani, przewodzi prąd lepiej niż gal i jest bardzo lekki. Istnieje również eutektyczny stop sodu z galem, który topi się w temperaturze 12°C, jest jednak bardzo agresywny, podobnie jak lit.

Zdecydowaliśmy się więc na możliwą substancję do eksperymentów z dynamem: jest to sód, rozsądny kompromis wymagane właściwości fizyczne i zagrożenia. Wybór był jasny już na samym początku podróży, pół wieku temu.

Jeśli chodzi o prędkość ruchu, możliwości fizyki laboratoryjnej są wyraźnie gorsze od możliwości środowiska kosmicznego. Jednak główną zaletą przestrzeni jest jej ogromny rozmiar. Mierząca 10 metrów instalacja laboratoryjna, w której medium porusza się z prędkością 10 m/s, to spektakl cyklopowy, a jak na przestrzeń kosmiczną są to liczby bardzo skromne.

W rezultacie dla Słońca magnetyczna liczba Reynoldsa sięga milionów, a dla nowoczesnego laboratorium setka to najwyższe marzenie, wynik wielu lat ciężkiej pracy. Niemniej jednak to już więcej niż ceniona 17, więc są szanse.

Jednak nie wszystko jest takie proste z samym mechanizmem dynama. Na Słońcu, a nawet na Ziemi, nie ma metalowych ram z prądem - ich praca musi być odtwarzana przez przepływy środowiskowe. Zorganizowanie wymaganego ruchu przepływu płynu jest znacznie trudniejsze niż poruszanie drutem w wymagany sposób. Jednak znacznie gorsze jest to, że proste przepływy oczywiście nie mogą działać jak dynamo. Mówią o tym też w szkole: zgodnie z regułą Lenza pole magnetyczne powstające w układzie przewodzącym w wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycznej jest skierowane przeciwnie do pierwotnego pola magnetycznego i nie wzmacnia go, ale osłabia. Dlatego ruch jednej ramy nie może prowadzić do samowzbudzenia znajdującego się w niej pola magnetycznego.

Smart Lenz ominie

A jednak fizycy znaleźli lukę w regule Lenza. Rozważmy dwie klatki poruszające się w polu magnetycznym. Efekt indukcyjny w pierwszej ramce osłabia pole magnetyczne w tej samej ramce, ale może je wzmocnić w drugiej ramce, jeśli zostanie odpowiednio ustawione. Nie jest to sprzeczne z regułą Lenza. Teraz można zapewnić, że efekt indukcji w drugiej ramce wzmacnia pole magnetyczne w pierwszej, ale oczywiście osłabia je w drugiej. Można mieć nadzieję, że wspólne działanie obu ram doprowadzi do tego, że w każdej z nich indukcja stanie się większa niż straty, a pole magnetyczne zacznie rosnąć jak lawina.

Oczywiście w zasadzie można mieć nadzieję na wszystko, czego nie zabraniają bezpośrednio prawa natury, jednak dystans od nadziei do pewności jest zauważalny. Udało się go pokonać w latach 60. ubiegłego wieku i zrobił to Yu. B. Ponomarenko. Opracował specyficzny przepływ płynu przewodzącego, który był wystarczająco złożony, aby wytworzyć pole magnetyczne, ale jednocześnie na tyle prosty, że można było dokładnie rozwiązać równanie indukcji opisujące zachowanie pola magnetycznego.

Los pionierów nauki jest często trudny. Dzieło Ponomarenko jest jednym z najbardziej znane prace poświęcony dynamowi. Nie można tego w ogóle powiedzieć o samym Ponomarence - jego biografia całkowicie zniknęła z pamięci społeczności naukowej. Szczerze mówiąc, lepiej pamiętaliśmy naszych bohaterów.

Przepływ, wynaleziony przez Ponomarenkę, to nieskończony wirujący strumień przewodzącego płynu otoczony ośrodkiem przewodzącym (ryc. 2). Taki przepływ jest wygodny do odtworzenia w laboratorium i ma najniższą znaną krytyczną magnetyczną liczbę Reynoldsa, dlatego pomysł Ponomarenki stał się jednym z głównych w eksperymentach z dynamem.

Obecnie potwierdzono eksperymentalnie, że przepływ skonstruowany w przybliżeniu w ten sposób faktycznie generuje pole magnetyczne. Jednak faktycznie nie generuje go zbyt dobrze, a pole rośnie powoli. W tym samym czasie obserwacje astronomiczne pokazują, że na przykład na Słońcu pola magnetyczne zmieniają się szybko. W każdym cyklu aktywności Słońca, czyli co 11 lat, słoneczny dipol magnetyczny zmienia znak na przeciwny – dla gwiazd są to bardzo szybkie zmiany. Czegoś takiego Dynamo Ponomarenko nie może zapewnić. Powodem jest to, że podczas działania dynama Ponomarenko dyfuzja magnetyczna powoduje nie tylko straty omowe, ale także zapewnia działanie jednego z obwodów, w którym indukowane jest pole magnetyczne. Oto kolejny subtelny efekt w naszej nauce: wielkość wektorowa, czyli pole magnetyczne, rozprasza się inaczej niż wielkość skalarna, czyli temperatura.

Aby pole magnetyczne zmieniało się szybko, tak jak ma to miejsce w cyklu słonecznym, potrzebny jest bardziej złożony mechanizm niż dynamo Ponomarenko. Mechanizm taki zaproponował w 1955 roku Eugene Parker. Wyobraźmy sobie pole dipola magnetycznego skierowane wzdłuż osi obrotu Słońca. Ponieważ plazma słoneczna jest stosunkowo dobrym przewodnikiem, linie magnetyczne poruszają się wraz z plazmą słoneczną. Ale Słońce nie obraca się jak ciało stałe - jego różne warstwy obracają się w różny sposób prędkość kątowa nazywa się to rotacją różnicową. W rezultacie niektóre cząstki materii słonecznej wyprzedzają inne, linie magnetyczne rozciągają się w kierunku azymutalnym, a z pola dipolowego uzyskuje się pole magnetyczne, które jest owinięte wokół pewnego torusa wewnątrz Słońca - nazywa się toroidalnym. Jest to efekt indukcji w obwodzie pierwotnym. Jest to dość proste i nie ma co do tego żadnych wątpliwości.

Aby dynamo zadziałało, należy w jakiś sposób przekształcić toroidalne pole magnetyczne w pole dipola magnetycznego (nazywa się to poloidem). Nie da się tego zrobić za pomocą prostych prądów. Parker domyślił się, że aby tak się stało, prądy muszą być lustrzanie asymetryczne. Na półkuli północnej prądy powinny zawierać więcej wirów obracających się w prawo (wzdłuż ogólnego ruchu wiru), a w półkula południowa- w lewo. Okazuje się, że dokładnie tak jest w przypadku wirującego ciała, w którym występują przepływy konwekcyjne i zmienna gęstość. Wtedy na jednej półkuli wiry faktycznie obracają się głównie w prawo, a na drugiej - w lewo. A jeśli ośrodek ten jest przewodzący, wówczas pojawia się pole magnetyczne skierowane wzdłuż prądu elektrycznego (a nie jak zwykle prostopadłe do niego), a to z kolei prowadzi do pożądanej transformacji pola toroidalnego w pole poloidalne (ryc. 3).

Ryż. 3. Poloidalne i toroidalne pole magnetyczne. Główny rysunek pokazuje, jak wyglądają linie magnetyczne magnesu umieszczonego wewnątrz kuli - poloidalne pole magnetyczne. Białe pole pokazuje, jak toroidalne pole magnetyczne jest wizualizowane na podstawie obserwacji plam słonecznych

Na ryc. Rysunek 3 przedstawia linie magnetyczne magnesu znajdującego się wewnątrz kuli – poloidalnego pola magnetycznego, czyli tego, które jest przyciągane podręczniki szkolne. Biały prostokąt pokazuje, jak toroidalne pole magnetyczne jest wizualizowane na podstawie obserwacji plam słonecznych. Pole to nie jest bezpośrednio obserwowalne, ponieważ jest skoncentrowane pod powierzchnią Słońca. Jednak na powierzchni Słońca w postaci grup plam słonecznych unoszą się pojedyncze rurki magnetyczne, oddzielone od pola toroidalnego. Pokazano, jak podczas cyklu słonecznego (11 lat) zmieniają się szerokości geograficzne miejsc, w których unoszą się grupy plam słonecznych (wzdłuż osi poziomej czas, wzdłuż osi pionowej szerokość geograficzna). Można zauważyć, że plamy tworzą skupiska zlokalizowane w różne półkule. Ciemne i jasne pokazują gromady z grupami plamek o przeciwnej polaryzacji, a poszczególne punkty reprezentują te nieliczne plamki, dla których zastosowana metoda separacji klastrów dała niewiarygodne wyniki. Można zauważyć, że toroidalne pole magnetyczne dryfuje podczas cyklu aktywności Słońca od średnich szerokości geograficznych do równika słonecznego; jest antysymetryczne w stosunku do równika i zmienia znak w każdym cyklu. Jest to zasada polaryzacji Hale’a.

Parker argumentował swoje przemyślenia, posługując się analogią do cyklonów na Ziemi. Argument ten nie wyglądał zbyt przekonująco, choć teraz wiemy, że poprawnie odgadł niezbędne równania i charakter ich rozwiązania. Dziesięć lat później, w niezwykłych pracach Maxa Steenbecka, Fritza Krause i Karla Heinza Rädlera, udało się podać podstawę do tych rozważań w postaci przemyślanych równań, wynikających z równań Maxwella, a nie z analogii.

Efekt alfa dochodzi do dynama

Max Steenbeck był ogólnie barwną osobą. W młodości czołowy inżynier w firmie Siemens wynalazł wiele ciekawych rzeczy, na przykład torpedę, która eksploduje nie przy pierwszym kontakcie z kadłubem statku, jak wszystkie zwykłe torpedy, ale gdy przeniknie do wnętrza kadłuba. W tym przypadku zniszczenia wzrastają wielokrotnie. Wynalazek wywarł takie wrażenie na przeciwnikach Niemiec podczas II wojny światowej, że po jej zakończeniu musiał spędzić dziesięć lat w specjalnym zamkniętym instytucie („szaraszka”) w Suchumi. Nawiasem mówiąc, jak wielu innych niemieckich fizyków i inżynierów. Następnie został zwolniony do NRD i został prezesem Akademii Nauk tego kraju. Zrobili to dobrze: omawiana praca jest najbardziej uderzającym osiągnięciem fizyki NRD. Młodsi współautorzy Steenbecka pamiętają, że on: nałogowy palacz- powiedział im, paląc cygaro: „Żyjecie jak świnie, oni też nie palą!”

Utwór pisany był ciężkim językiem, oczywiście symbolami niemieckimi wielkości fizyczne napisany czcionką gotycką i opublikowany w mało znanym czasopiśmie. Szybko jednak została przeniesiona do język angielski i zyskało popularność wśród specjalistów. Podczas tłumaczenia wszystkie symbole zostały kolejno oznaczone literami alfabetu greckiego, a proces przemiany toroidalnego pola magnetycznego w poloidalne nazwano „efektem alfa”. Mówią, że historia ma swoją logikę, ale czasami jest ona trochę dziwna.

Rolę efektu alfa potwierdzają obliczenia matematyczne, jednak fizyków trudno przekonać samymi obliczeniami. Jasny fizyczny obraz tego, jak można wytworzyć pole magnetyczne bez udziału dyfuzji magnetycznej, dał Ya.B. Zeldowicz. Ponieważ był jednym z twórców atomu i bomba wodorowa za granicę był wysyłany bardzo rzadko, a każdy wyjazd za granicę był dla niego wielkim wydarzeniem. Dlatego na sympozjum w Krakowie już w latach 70. był w stanie lekkiej euforii i odpowiadając na pytanie, jak może działać dynamo - przecież do tego trzeba dostać dwa w miejsce, gdzie było jedno linia magnetyczna, a te linie są przyklejone do cieczy - wykonałem następującą sztuczkę. Poprosił jednego ze słuchaczy, siedzącego w pierwszym rzędzie, aby dał mu pasek do spodni i pokazał na tym pasku, jak prąd najpierw rozciąga pętlę magnetyczną (odbywa się to poprzez obrót różnicowy), a następnie składa ją w ósemkę i składa go na pół (tutaj efekt alfa jest już potrzebny - w końcu trzeba wykonać operację lustrzanie asymetryczną). Historia milczy na temat tego, co stało się z paskiem do spodni i jego właścicielem, ale ilustracja ta została zaakceptowana przez wszystkich specjalistów, a jej autor nie uznał za konieczne opisywania jej w żadnym specjalnym dziele. Najwyraźniej uznał, że ta uwaga wystarczy.

Zabawne, że wszystkie te odcinki były całkowicie niezależne – niemieccy fizycy nie czytali Parkera i tak dalej. Nauka może rozwijać się w zupełnie nielogiczny sposób, ludzie wymyślają rozwiązania równań, które nie zostały jeszcze napisane, robią wszystko, aby ich pomysły nie stały się powszechnie znane, ale z tego wszystkiego z czasem wyrasta spójna nauka.

Efekt alfa ma jeszcze jedną ważną cechę. W otaczającym nas świecie prawie nie ma zjawisk związanych ze środowiskami lustrzanie asymetrycznymi, być może jedynie prawo Beera w geografii (około którego brzegu rzeka zmywa się w danej półkuli), tak co organiczne molekuły w materii żywej mają tylko jedną orientację, co przypomina nam o roli asymetrii lustrzanej. W Ostatnio Fizycy zaczęli wykonywać lustrzanie asymetryczne wypełnienia falowodów i próbują wydobyć z tego ciekawe efekty. Zupełnie inaczej sytuacja wygląda w mikrokosmosie – pomiędzy cząstkami elementarnymi zachodzą reakcje, które po odbiciu w lustrze przebiegają inaczej. Okazuje się, że w fizyce ośrodków kosmicznych, podobnie jak w mikrofizyce, pewną rolę odgrywa także asymetria luster. We współczesnej fizyce lubią mówić, że kosmologia łączy się z mikrofizyką. Przy badaniu dynama, jak widzimy, takie zamknięcie również następuje, ale w jakiś nieoczekiwany sposób.

Najwyraźniej to, co zostało powiedziane, wystarczy, aby czytelnik poczuł: badanie dynama jest pełne zupełnie niestandardowych pomysłów, które wydają się nieco dziwaczne osobie, która nie ma bliskiego kontaktu z tą dziedziną fizyki. Jednocześnie łatwo jest kontynuować listę niestandardowych pomysłów z teorii dynama, ale ograniczająca objętość artykułu powstrzymuje nas od tego.

Eksperyment

Oczywiście nie ma nadziei, że ludzie w pełni uwierzą w niestandardowe pomysły, jeśli nie zostaną poparte chociaż niektórymi eksperymentami. Było to już jasne w latach 60., kiedy Max Steenbeck, zapewne korzystając ze swojego oficjalnego stanowiska, zgodził się z sowieckimi fizykami na zorganizowanie pierwszego eksperymentu na dynamo. Magnetohydrodynamika, do której powinien należeć ten eksperyment, była jedną z mocnych dziedzin Fizyka radziecka. Ta dziedzina nauki cieszyła się uwagą rządu, który znalazł czas na podjęcie specjalnej decyzji, że łotewska SRR, czyli Instytut Fizyki Łotewskiej SRR w Salaspils koło Rygi, miała stać się ośrodkiem badań w tej dziedzinie magnetohydrodynamiki.

Od tego czasu minęło wiele lat i teraz Ryga jest odległym obcym krajem. Łotewscy fizycy zaprzyjaźnili się z fizykami niemieckimi i na kilka dni przed końcem ostatniego tysiąclecia po raz pierwszy uzyskali samowzbudzenie pola magnetycznego w przepływie ciekłego sodu. To był naprawdę cyklopowy eksperyment. Potężne pompy przepompowały tony sodu przez system rur i kontenerów zajmujących trzypiętrowy budynek. Dużo czasu poświęcono na rozwiązywanie różnorodnych problemów problemy techniczne przynajmniej w celu usunięcia zatorów w przepływie sodu. Niemniej jednak sukces został osiągnięty i praca została znaleziona globalne uznanie. Kilka dni później samowzbudzenie pola magnetycznego uzyskano w kolejnym eksperymencie z dynamem, tym razem czysto niemieckim, który przeprowadzono w Karlsruhe. Dzieło to zyskało także światową sławę.

Rosyjscy fizycy musieli zaczynać od zera. Fizycy z Instytutu Mechaniki Ciągłej w Permie mieli już pewne podstawy i pod koniec lat 90. postanowili rozpocząć tam prace eksperymentalne nad hydrodynamiką magnetyczną ciekłych metali przy wysokich liczbach magnetycznych Reynoldsa, skupiając się na badaniu procesu dynamo.

Planując eksperyment z dynamem w Permie, było jasne, że w dającej się przewidzieć przyszłości nie będzie możliwe konkurowanie z zagranicznymi fizykami pod względem wielkości instalacji, czyli tego właśnie L, które zawiera się w magnetycznej liczbie Reynoldsa - po prostu nie starczyło pieniędzy. Na szczęście udało nam się znaleźć świeże podejście do problemu. Poprzednie instalacje stworzyły przepływ, który w zasadzie mógł być utrzymywany w nieskończoność przez długi czas. Pompy przyspieszają ciekły sód, a to wymaga dużo energii - lepkość sodu jest niewielka, więc nie jest łatwo go rozpędzić za pomocą turbin.

Idea instalacji Perm jest inna: jej działanie jest pulsacyjne, a szybki przepływ następuje tylko przez krótki czas. Pojemnik toroidalny jest pobierany i przez długi czas rozpędzany przez silnik o stosunkowo małej mocy, a następnie szybko zwalniany przez mocne hamulce. Jednocześnie ciecz wewnątrz pojemnika nadal się porusza – lepkość jest niska – a rozdzielacze umieszczone w kanale tworzą pożądany profil przepływu. Oczywiście taki przepływ szybko traci prędkość, ale w tym czasie można wiele zmierzyć (ryc. 4).

Laboratorium rozpoczęło prace, gdy nigdzie na świecie nie osiągnięto jeszcze samowzbudzenia pola magnetycznego, jednak po sukcesach w Rydze i Karlsruhe stało się jasne, że należy szukać nowych wytycznych. Inne grupy pracujące nad eksperymentami na dynamo, w szczególności nasi francuscy koledzy z Lyonu, musiały zrobić to samo.

Ryż. 4. Stosunkowo niewielka instalacja eksperymentu Perm ma imponujące wymiary. Na zdjęciu jeden z uczestników eksperymentu, profesor S. Yu Chripchenko, montuje instalację

Rozwiązując ten strategiczny problem, ważne było, aby zobaczyć, że eksperymenty z dynamem były w pewnym stopniu powiązane z różnymi pracami z zakresu inżynierii elektrycznej i elektronicznej. We wszystkich tych przypadkach mówimy o zbudowaniu złożonego urządzenia, które zapewni pożądane zachowanie pola elektromagnetycznego. W tym przypadku pojawiają się dwa rodzaje problemów. Niektóre zadania - jak wykonać znane materiały czego chcesz i jak będzie się zachowywać, a inne - jakie są właściwości różnych materiałów i dlaczego takie są. W fizyce są to dwie różne klasy problemów. Nikomu nie przyszło do głowy, aby jednocześnie zaprojektować telewizor i dowiedzieć się, dlaczego miedź jest dobrym przewodnikiem i jaka jest jego przewodność elektryczna. W astrofizyce z wielu powodów te dwa obszary działalności praktycznie nie są od siebie oddzielone, dlatego w wielu pracach teoretycznych nad dynamami jednocześnie obliczano, powiedzmy, efekt alfa i sprawdzano, jakie konfiguracje pola magnetycznego powstają w plazma słoneczna z tym efektem alfa. Trudności, jakie pojawiają się w tym przypadku, można łatwo sobie wyobrazić, wyobrażając sobie zespół twórców nowego telewizora, jeśli jednocześnie przeprowadzają różne eksperymenty z zakresu materiałoznawstwa z materiałami, z których wykonane są elementy obwodów - lampy, tranzystory, rezystory, itp.

Zespołom zajmującym się eksperymentami z dynamem udało się osiągnąć rozsądny podział pracy w tym obszarze. Fizycy z Lyonu nauczyli się odtwarzać w swojej instalacji różne tryby pracy dynama, które symulują zachowanie pola magnetycznego na Słońcu i na Ziemi. W tych ciała niebieskie Tymczasowe zachowanie pól magnetycznych jest bardzo odmienne i udało im się odtworzyć oba typy zachowań w Lyonie. W Permie poszli inną drogą - zaczęli mierzyć różne współczynniki przenoszenia pola magnetycznego w przepływie turbulentnym. Po raz pierwszy na świecie udało się zmierzyć sam efekt alfa, czyli główną wielkość, z którą wiąże się powstawanie pola magnetycznego. Wynik ten jest również powszechnie akceptowany wśród specjalistów. Specjaliści różne kraje, pracując w dziedzinie eksperymentu z dynamem, współpracują ze sobą. Fizycy z Permu jadą do Lyonu, fizycy francuscy odwiedzają Perm, wraz ze swoimi kolegami z Permu przeprowadzają pomiary w instalacjach Permu, publikują współpraca. Nasz region jest wciąż na początku swojego rozwoju. Osiągnięto dopiero pierwsze kamienie milowe, osiągnięto pierwsze wyniki, doświadczono pierwszych rozczarowań. Wiemy już jednak, skąd pochodzi to, co porusza igłę kompasu.

Społeczność naukowa z niecierpliwością oczekuje na wyniki planowanego eksperymentu, które opublikowano niedawno w czasopiśmie Physical Review Letters.

„Oczekujemy także szczegółowego poznania ogólnej dynamiki przepływu metali w stanie ciekłym pod wpływem pól magnetycznych” – mówią naukowcy.

Badanie opublikowane niedawno w Physical Review Letters opisuje szanse powodzenia eksperymentu.
Podobnie jak dynamo, które przekształca ruch w energię elektryczną, poruszające się płyny mogą generować pola magnetyczne. Tak zwana magnetyczna liczba Reynoldsa przede wszystkim określa, czy pole magnetyczne faktycznie jest generowane.

Podczas eksperymentu do osiągnięcia tego dążą naukowcy z zespołu Franka Stefani w Instytucie HZDR Krytyczna wartość, niezbędne do wystąpienia efektu dynama. W tym celu stalowy cylinder o średnicy 2 metrów, zawierający osiem ton ciekłego sodu, będzie obracał się wokół jednej osi do 10 razy na sekundę i raz na sekundę wokół drugiej osi, która jest nachylona względem pierwszej.

„Nasz eksperyment w nowym ośrodku DRESDYN ma na celu wykazanie, że precesja, jako czynnik napędzający strumień naturalny, wystarczy do wygenerowania pola magnetycznego”, mówi André Gieske, główny autor badania.

Centrum Ziemi składa się z litego jądra otoczonego warstwą stopionego żelaza. „Roztopiony metal indukuje prąd elektryczny, który z kolei generuje pole magnetyczne” – wyjaśnia Gieseke. Jednakże rola, jaką precesja odgrywa w tworzeniu ziemskiego pola magnetycznego, nadal pozostaje niejasna.

Oś Ziemi jest odchylona od płaszczyzny orbity o 23,5 stopnia i zmienia położenie w ciągu około 26 000 lat. Ten ruch precesyjny jest uważany za jedno z możliwych źródeł energii. Miliony lat temu istniało również potężne pole magnetyczne, o czym świadczą próbki skał z misji Apollo. Według ekspertów główną przyczyną może być precesja.

Oczekuje się, że eksperymenty z ciekłym sodem w HZDR rozpoczną się w 2020 roku. W przeciwieństwie do poprzednich eksperymenty laboratoryjne w 1999 r. stalowy bęben nie będzie miał śmigła, jak miało to miejsce w pierwszym eksperymencie w Rydze na Łotwie w 1999 r., w którym uczestniczyli naukowcy z HZDR. To i inne eksperymenty przeprowadzone w Karlsruhe w Niemczech i Cadarache we Francji dostarczyły przełomowych badań pozwalających lepiej zrozumieć geodynamikę.

„W zasadzie możemy zdefiniować trzy różne parametry za eksperymenty na DRESDYNIE: obrót, precesja i kąt między dwiema osiami” – mówi Gieseke. On i jego współpracownicy spodziewają się uzyskać odpowiedzi na podstawowe pytanie, czy precesja faktycznie wytwarza pole magnetyczne w płynie przewodzącym.

Kilka wieków temu narodziła się koncepcja magnetyzmu zjawisko fizyczne. Zdefiniowano ją jako formę oddziaływania pomiędzy ładunkami elektrycznymi będącymi w ciągłym ruchu. Ta interakcja odbywa się pod wpływem innej niewidzialnej siły - pola magnetycznego. Można było to obliczyć za pomocą wzorów i stworzyć model matematyczny.

Notatka 1

Na przełomie XIX i XX wieku, kiedy zdefiniowano podstawowe pojęcia klasycznej fizyki kwantowej, skupiające się na procesach fizycznych zachodzących w mikrokosmosie cząstki atomowe narodziła się kwantowa teoria magnetyzmu. Dziś ustalono, że w procesie tym biorą udział cząstki kwantowe – bozony i fotony.

Podatność magnetyczna

Naukowcy ustalili, że dla każdego ciała zamkniętego w czarnej skrzynce, w którym na wyjściu występuje napięcie, a na wejściu nie jest dostarczany prąd, można obliczyć jego impedancję przejściową. Istnieje jednak również koncepcja podatności magnetycznej. Charakteryzuje się funkcją odpowiedzi. Odpowiedź ta jest przykładana do pola magnetycznego. Naukowcy uważają, że dokładne obliczenie podatności magnetycznej jest bardzo trudne. System obliczeniowy będzie zawierał bardzo duże liczby, które będą trudne w obsłudze. W tym przypadku stosuje się metodę zestawiania analizy podatności magnetycznej. Tworzy się go na podstawie pomiarów i wymaga wielu prac przygotowawczych.

Sądząc po jej zachowaniu, najbardziej ważne procesy które występują w badanym systemie. Następnie jest ono badane i przeprowadzana analiza uwzględniająca wszystkie tego typu procesy. Aby wdrożyć program obliczeniowy, należy znać procesy możliwe w takim układzie i ich wpływ na podatność.

Aby określić wartość podatności, konieczna jest znajomość wskaźników namagnesowania. Powstaje w wyniku przyłożonego pola magnetycznego. Przy obliczeniach ogólnych uwzględnia się zależność pola magnetycznego od współrzędnych przestrzennych i czasowych. Gdy pole jest zależne od czasu, cały system znajduje się w równowadze termicznej. Aby obliczyć funkcję rozkładu, należy wziąć pod uwagę równania ruchu.

Równania Maxwella zawierają definicję momentu magnetycznego. Namagnesowanie uzyskuje się poprzez uśrednienie momentów magnetycznych jonów. Aby przeprowadzić uśrednianie, konieczna jest znajomość rozkładu prądów jonowych. W przypadek ogólny W obliczeniach taka koncepcja jest nieznana matematykom, dlatego w całej teorii magnetyzmu istnieje obiektywna złożoność.

Naukowcy stosują dwie metody rozwiązania tego problemu:

• metoda momentu zlokalizowanego;
• metoda momentów zdelokalizowanych.

Po osiągnięciu wyniku namagnesowania należy znaleźć średnią wartość operatora aktualnego momentu magnetycznego.

Uogólniona podatność

Uwaga 2

Rozważając koncepcję podatności, zwykle bierze się pod uwagę środowisko, w którym reakcja występuje w równych częściach na wpływ. W ośrodku niejednorodnym odpowiedź zależy od większej liczby wysokie stopnie uderzenie.

Następnie stosuje się metodę kwantyzacji wtórnej. Magnetyzm w substancjach metalicznych występuje jako zjawisko wieloczęstotliwościowe. Funkcja falowa wielu cząstek spełnia równanie Schrödingera. Współczynniki w funkcji rozwiniętej zależą od liczby kwantowe. Używając liczb wypełniających, statystyki są brane pod uwagę nie na podstawie współczynników rozszerzalności, ale na podstawie funkcji bazowych.

Hamiltonian magnetyczny

Rozważane właściwości magnetyzmu zawdzięczają swoje pochodzenie elektronom. Zostało to potwierdzone eksperymentalnie. Ustalono, że elektron ma swój własny moment magnetyczny. Do opisu ruchu elektronu stosuje się relatywistyczne metody badań, równanie Diraca i źródła pola.

Badając jednorodny hamiltonian z jednym elektronem ustalono, że oddziaływanie zachodzi z elektronem i jego otoczeniem. Najprostszą metodą jest posiadanie potencjałów o jednolitym charakterze pole zewnętrzne. Jak dodatkowe źródła użyte badanie:

• pole elektryczne kwadrupolowe;
• równoważność operatorów;
• dipolowe pole magnetyczne;
• inne elektrony tego samego jonu;
• kryształowe pole elektryczne.

W przeciwieństwie do hamiltonianu magnetycznego, który jest bezpośredni i ogólny, jeśli znasz jego funkcje. Jednakże takie dane nie są dostępne, dlatego nie można przeprowadzić dokładnych obliczeń.

Podatność statyczna układów nieoddziałujących

Hamiltonian pojawia się jako suma poszczególnych terminów. W przypadku innych systemów istnieją elementy nie oddziałujące ze sobą. Ponieważ zjawisko magnetyzmu jest silnie powiązane z pojęciami przewodników i dielektryków, wielu matematyków korzysta z nich przy opracowywaniu kwantowej teorii magnetyzmu. Dielektryki charakteryzują się rozkładem ładunku, który jest dobrze zlokalizowany w konkretnym ogniwie. Systemy te są opisywane przez zlokalizowane efektywne spiny. Jednak z uwagi na to, że w wielu naturalne elementy Jeżeli moment magnetyczny i jego rozkład pozostają niejasne, wówczas dalsze obliczenia przeprowadza się również specjalnymi metodami.

Fizyk Landau prowadzi eksperymenty na metalach nieferromagnetycznych. Po raz pierwszy zbadano reakcję statyczną przy użyciu pola stosowanego. Jego kolega również rozważał paramagnetyzm spinowy. Sam Landau podejmował próby rozpoznania diamagnetyzmu orbitalnego.

Do pomiaru samej podatności istnieje wiele specjalnych metod. Wszystkie opierają się na tym, co zjada próbka o określonej wrażliwości. Jeżeli próbkę umieścimy na końcu wahadła zawieszonego pod kątem prostym do powierzchni, wygenerowany zostanie moment skręcający. Możliwe jest zrównoważenie momentu obrotowego próbki momentem przeciwnym. Osiąga się to poprzez przepuszczanie prądu elektrycznego przez element układu. Przechodzi przez elektromagnes. W innych przypadkach pomiar sprowadza się do pomiaru prądu, który jest równy zerowemu przesunięciu. W przypadku materiałów o silnym polu magnetycznym stosuje się magnetometr z wibrującą próbką.

Elektroniczny podręcznik do fizyki

KSTU-KKhTI. Wydział Fizyki. Starostina I.A., Kondratyeva O.I., Burdova E.V.

Aby poruszać się po tekście podręcznik elektroniczny może być użyte:

Naciśnięcie 1 klawisza PgDn, PgUp, ,  do poruszania się pomiędzy stronami i liniami;

2- kliknięcie lewym przyciskiem myszy na wybranymtekst aby przejść do wymaganej sekcji;

3- kliknij lewym przyciskiem myszy podświetloną ikonę@ aby przejść do spisu treści.

MAGNETYZM

MAGNETYZM

1. PODSTAWY MAGNETOSTATYKI. POLE MAGNETYCZNE W PRÓŻNI

1.1. Pole magnetyczne i jego charakterystyka.@

1.2. Prawo Ampera.@

1.3. Prawo Biota-Savarta-Laplace'a i jego zastosowanie do obliczania pola magnetycznego. @

1.4. Oddziaływanie dwóch równoległych przewodników z prądem. @

1,5. Wpływ pola magnetycznego na poruszającą się naładowaną cząstkę. @

1.6. Prawo całkowitego prądu dla pola magnetycznego w próżni (twierdzenie o obiegu wektora B). @

1.7. Strumień wektora indukcji magnetycznej. Twierdzenie Gaussa dla pola magnetycznego. @

1. 8. Rama z prądem w jednolitym polu magnetycznym. @

2. POLE MAGNETYCZNE W MATERII. @

2.1. Momenty magnetyczne atomów. @

2.2. Atom w polu magnetycznym. @

2.3. Magnetyzacja substancji. @

2.4. Rodzaje magnesów. @

2.5. Diamagnetyzm. Diamagnetyki. @

2.6. Paramagnetyzm. Materiały paramagnetyczne. @

2.7. Ferromagnetyzm. Ferromagnetyki. @

2.8. Struktura domenowa ferromagnetyków. @

2.9. Antyferromagnetyki i ferryty. @

3. ZJAWIsko INDUKCJI ELEKTROMAGNETYCZNEJ. @

3.1. Podstawowe prawo indukcji elektromagnetycznej. @

3.2. Zjawisko samoindukcji. @

3.3. Zjawisko wzajemnej indukcji. @

3.4. Energia pola magnetycznego. @

4. RÓWNANIA MAXWELLA. @

4.1. Teoria Maxwella dla pola elektromagnetycznego. @

4.2. Pierwsze równanie Maxwella. @

4.3. Prąd polaryzacji. @

4.4. Drugie równanie Maxwella. @

4,5. Układ równań Maxwella w postaci całkowej. @

4.6. Pole elektromagnetyczne. Fale elektromagnetyczne. @

MAGNETYZM

Magnetyzm- dział fizyki zajmujący się badaniem interakcji pomiędzy prądami elektrycznymi, pomiędzy prądami i magnesami (ciałami posiadającymi moment magnetyczny) oraz pomiędzy magnesami.

Przez długi czas magnetyzm był uważany za naukę całkowicie niezależną od elektryczności. Jednak szereg najważniejszych odkryć XIX-XX w. A. Ampere'a, M. Faradaya i innych udowodniło związek zjawisk elektrycznych i magnetycznych, co pozwoliło uznać doktrynę magnetyzmu za integralną część nauki doktryna elektryczności.

1. PODSTAWY MAGNETOSTATYKI. POLE MAGNETYCZNE W PRÓŻNI

1.1. Pole magnetyczne i jego charakterystyka. @

Po raz pierwszy zjawiska magnetyczne zostały konsekwentnie zbadane przez angielskiego lekarza i fizyka Williama Gilberta w jego pracy „O magnesie, ciałach magnetycznych i wielkim magnesie – Ziemia”. Wtedy wydawało się, że elektryczność i magnetyzm nie mają ze sobą nic wspólnego. Dopiero na początku XIX wieku duński naukowiec G.H. Ørsted wysunął pogląd, że magnetyzm może być jedną z ukrytych form elektryczności, co zostało potwierdzone eksperymentalnie w 1820 roku. To doświadczenie zapoczątkowało lawinę nowych odkryć, które miały ogromne znaczenie.

Liczne eksperymenty przeprowadzone na początku XIX wieku wykazały, że każdy przewodnik przewodzący prąd i magnes trwały są w stanie wywierać siłę w przestrzeni na inne przewodniki lub magnesy przewodzące prąd. Dzieje się tak dlatego, że wokół przewodników i magnesów przewodzących prąd powstaje pole, które nazywa się magnetyczny.

Do badania pola magnetycznego wykorzystuje się małą igłę magnetyczną zawieszoną na nitce lub wyważoną na końcówce (ryc. 1.1). W każdym punkcie pola magnetycznego pojawi się dowolnie zlokalizowana strzałka

Ryc.1.1. Kierunek pola magnetycznego

skręcić w określonym kierunku. Dzieje się tak dlatego, że w każdym punkcie pola magnetycznego na igłę działa moment obrotowy, który ma tendencję do ustawiania swojej osi wzdłuż pola magnetycznego. Oś strzałki to odcinek łączący jej końce.

Rozważmy serię eksperymentów, które pozwoliły ustalić podstawowe właściwości pola magnetycznego:

Na podstawie tych eksperymentów stwierdzono, że pole magnetyczne wytwarzane jest wyłącznie przez poruszające się ładunki lub poruszające się naładowane ciała, a także magnesy trwałe. Tym właśnie różni się pole magnetyczne od pola elektrycznego, które jest wytwarzane zarówno przez ładunki ruchome, jak i stacjonarne i oddziałuje zarówno na jeden, jak i na drugi.

Główną cechą pola magnetycznego jest wektor indukcji magnetycznej . Za kierunek indukcji magnetycznej w danym punkcie pola przyjmuje się kierunek, wzdłuż którego w danym punkcie przebiega oś igły magnetycznej od S do N (rys. 1.1). Graficznie pola magnetyczne są reprezentowane przez linie indukcji magnetycznej, to znaczy krzywe, których styczne w każdym punkcie pokrywają się z kierunkiem wektora B.

Te linie siły można zobaczyć za pomocą opiłków żelaza: na przykład, jeśli rozrzucisz trociny wokół długiego, prostego przewodnika i przepuścisz przez niego prąd, opiłki będą zachowywać się jak małe magnesy ustawione wzdłuż linii pola magnetycznego (ryc. 1.2).

Jak określić kierunek wektora w pobliżu przewodnika, w którym płynie prąd? Można to zrobić za pomocą reguły prawej ręki, co pokazano na ryc. 1.2. Kciuk prawej ręki jest skierowany w kierunku prądu, następnie pozostałe palce w pozycji zgiętej wskazują kierunek linii pola magnetycznego. W przypadku pokazanym na ryc. 1.2 linie są koncentrycznymi okręgami. Linie wektorów indukcji magnetycznej są zawsze Zamknięte i zakryć przewód przewodzący prąd. Tym różnią się od linii pola elektrycznego, które zaczynają się na ładunkach dodatnich, a kończą na ładunkach ujemnych, tj. otwarty. Linie indukcji magnetycznej magnesu trwałego opuszczają jeden biegun, zwany północnym (N) i wchodzą do drugiego, południowego (S) (ryc. 1.3a). Na pierwszy rzut oka wydaje się, że istnieje pełna analogia z liniami natężenia pola elektrycznego E, gdzie bieguny magnesów pełnią rolę ładunków magnetycznych. Jeśli jednak wytniesz magnes, obraz zostanie zachowany, otrzymasz mniejsze magnesy z własnymi biegunami północnym i południowym, tj. Niemożliwe jest oddzielenie biegunów, ponieważ wolne ładunki magnetyczne, w odróżnieniu od ładunków elektrycznych, nie istnieją w przyrodzie. Stwierdzono, że wewnątrz magnesów panuje pole magnetyczne, a linie indukcji magnetycznej tego pola są kontynuacją linii indukcji magnetycznej na zewnątrz magnesu, tj. zamknij je. Podobnie jak magnes trwały, pole magnetyczne elektromagnesu ma postać cewki wykonanej z cienkiego izolowanego drutu o długości znacznie większej niż średnica, przez którą przepływa prąd (rys. 1.3b). Koniec elektromagnesu, z którego widać, że prąd w cewce płynie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, pokrywa się z biegunem północnym magnesu, drugi z południowym. Indukcja magnetyczna w układzie SI mierzona jest w N/(A∙m), wielkość ta nosi specjalną nazwę – tesla.

Z Zgodnie z założeniem francuskiego fizyka A. Ampere'a, namagnesowane żelazo (w szczególności igły kompasu) zawiera w sobie stale poruszające się ładunki, tj. prądy elektryczne w skali atomowej. Takie mikroskopijne prądy, spowodowane ruchem elektronów w atomach i cząsteczkach, istnieją w każdym ciele. Mikroprądy te wytwarzają własne pole magnetyczne i same mogą obracać się w polach zewnętrznych wytwarzanych przez przewodniki z prądem.Na przykład, jeśli przewodnik z prądem zostanie umieszczony w pobliżu ciała, to pod wpływem jego pola magnetycznego mikroprądy we wszystkich atomach zostaną zorientowane w określony sposób, tworząc dodatkowe pole magnetyczne. Ampere nie mógł wówczas nic powiedzieć na temat natury i charakteru tych mikroprądów, ponieważ doktryna o budowie materii znajdowała się jeszcze w początkowej fazie. Hipoteza Ampere'a została znakomicie potwierdzona dopiero 100 lat później, po odkryciu elektronu i wyjaśnieniu budowy atomów i cząsteczek.

Pola magnetyczne występujące w przyrodzie różnią się skalą i skutkami, jakie powodują. Ziemskie pole magnetyczne, które tworzy ziemską magnetosferę, rozciąga się na odległość 70 - 80 tysięcy km w kierunku Słońca i wiele milionów kilometrów w przeciwnym kierunku. W przestrzeni blisko Ziemi pole magnetyczne tworzy pułapkę magnetyczną dla naładowanych cząstek o dużej energii. Pochodzenie ziemskiego pola magnetycznego jest związane z ruchami przewodzącej cieczy w jądrze Ziemi. Z innych planet Układ Słoneczny tylko Jowisz i Saturn mają zauważalne pola magnetyczne. Pole magnetyczne Słońca odgrywa kluczową rolę we wszystkich procesach zachodzących na Słońcu - rozbłyskach, pojawianiu się plam i protuberancji, narodzinach słonecznych promieni kosmicznych.

Pola magnetyczne znajdują szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, w szczególności przy czyszczeniu mąki w piekarniach z zanieczyszczeń metalicznych. Specjalne przesiewacze do mąki wyposażone są w magnesy, które przyciągają drobne kawałki żelaza i jego związków, które mogą znajdować się w mące.