Магнетизм

Класс физических явлений

Форма магнитного поля стержневого магнита определяется ориентацией железных опилок, рассыпанных на столе вокруг него.

Магнетизм — это класс физических свойств, которые возникают через магнитное поле , которое позволяет объектам притягиваться или отталкиваться друг от друга. Поскольку и электрические токи , и магнитные моменты элементарных частиц порождают магнитное поле, магнетизм является одним из двух аспектов электромагнетизма .

Наиболее известные эффекты происходят в ферромагнитных материалах, которые сильно притягиваются магнитными полями и могут быть намагничены, чтобы стать постоянными магнитами , которые сами создают магнитные поля. Размагничивание магнита также возможно. Только несколько веществ являются ферромагнитными; наиболее распространенными являются железо , кобальт , никель и их сплавы.

Все вещества проявляют тот или иной тип магнетизма. Магнитные материалы классифицируются в соответствии с их объемной восприимчивостью. ^[1] Ферромагнетизм ответственен за большинство эффектов магнетизма, встречающихся в повседневной жизни, но на самом деле существует несколько типов магнетизма. Парамагнитные вещества, такие как алюминий и кислород , слабо притягиваются к приложенному магнитному полю; диамагнитные вещества, такие как медь и углерод , слабо отталкиваются; в то время как антиферромагнитные материалы, такие как хром , имеют более сложные отношения с магнитным полем. ^{[ неопределенно ]} Сила магнита на парамагнитные, диамагнитные и антиферромагнитные материалы обычно слишком слаба, чтобы ее можно было почувствовать, и может быть обнаружена только лабораторными приборами, поэтому в повседневной жизни эти вещества часто описываются как немагнитные.

Сила магнитного поля всегда уменьшается с расстоянием от источника магнитного поля, ^[2] хотя точное математическое соотношение между силой и расстоянием меняется. На магнитное поле объекта могут влиять многие факторы, включая магнитный момент материала, физическую форму объекта, как величину, так и направление любого электрического тока, присутствующего внутри объекта, и температуру объекта.

История

Магнит , природный магнит , притягивающий железные гвозди. Древние люди открыли свойство магнетизма у магнита.

Иллюстрация из De Magnete Гилберта 1600 года , демонстрирующая один из самых ранних методов изготовления магнита. Кузнец держит кусок раскаленного железа в направлении север-юг и бьет его молотом по мере остывания. Магнитное поле Земли выравнивает домены, оставляя железо слабым магнитом.

Рисунок медицинского лечения с использованием магнитных кистей. Шарль Жак 1843, Франция.

Магнетизм был впервые обнаружен в древнем мире, когда люди заметили, что магнитные камни , естественно намагниченные куски минерала магнетита , могут притягивать железо. ^[3] Слово магнит происходит от греческого термина μαγνῆτις λίθος magnētis lithos , ^[4] «магнезийский камень, магнит». [ ^{5] В} Древней Греции Аристотель приписывал первое из того, что можно было бы назвать научным обсуждением магнетизма, философу Фалесу Милетскому , который жил примерно с 625 г. до н.э. по 545 г. до н.э. ^[6] Древнеиндийский медицинский текст Сушрута Самхита описывает использование магнетита для удаления стрел, застрявших в теле человека. ^[7]

В Древнем Китае самое раннее литературное упоминание о магнетизме содержится в книге IV века до н. э., названной в честь ее автора, Гуйгуцзы . ^[8] В летописях II века до н. э., Люйши Чуньцю , также отмечается: « Магнит заставляет железо приближаться; некоторая (сила) притягивает его». ^[9] Самое раннее упоминание о притяжении иглы содержится в работе I века «Луньхэн» ( «Сбалансированные исследования» ): «Магнит притягивает иглу». ^[10] Китайский ученый XI века Шэнь Ко был первым человеком, который написал — в « Очерках о пруду сновидений » — о магнитном стрелочном компасе и о том, что он повысил точность навигации, используя астрономическую концепцию истинного севера . К XII веку китайцы, как известно, использовали компас из магнита для навигации. Они вылепили направляющую ложку из магнита таким образом, что ручка ложки всегда указывала на юг.

Александр Некам в 1187 году первым в Европе описал компас и его использование для навигации. В 1269 году Питер Перегринус де Марикур написал Epistola de magnete , первый сохранившийся трактат, описывающий свойства магнитов. В 1282 году свойства магнитов и сухих компасов обсуждались Аль-Ашрафом Умаром II , йеменским физиком , астрономом и географом . ^[11]

Единственная сохранившаяся работа Леонардо Гарцони , Due trattati sopra la natura, e le qualità della calamita ( Два трактата о природе и качествах магнита ), является первым известным примером современной трактовки магнитных явлений. Написанный около 1580 года и никогда не публиковавшийся, трактат имел широкое распространение. В частности, Гарцони упоминается как эксперт в области магнетизма Никколо Кабео, чья Philosophia Magnetica (1629) является всего лишь переработкой работы Гарцони. Трактат Гарцони был также известен Джованни Баттисте Делла Порта .

В 1600 году Уильям Гилберт опубликовал свой труд De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure ( О магните и магнитных телах, и о великом магните Земле ). В этой работе он описывает многие из своих экспериментов с его моделью Земли, называемой терреллой . Из своих экспериментов он пришел к выводу, что Земля сама по себе является магнитной и что именно по этой причине компасы указывают на север, тогда как ранее некоторые считали, что это Полярная звезда Полярис или большой магнитный остров на северном полюсе притягивают компас.

Понимание связи между электричеством и магнетизмом началось в 1819 году с работы Ганса Христиана Эрстеда , профессора Копенгагенского университета, который обнаружил, случайно подергивая стрелку компаса около провода, что электрический ток может создавать магнитное поле. Этот знаменательный эксперимент известен как эксперимент Эрстеда. Жан-Батист Био и Феликс Савар , оба из которых в 1820 году придумали закон Био-Савара, дающий уравнение для магнитного поля от провода с током. Примерно в то же время Андре-Мари Ампер провел многочисленные систематические эксперименты и обнаружил, что магнитная сила между двумя контурами постоянного тока любой формы равна сумме отдельных сил, которые каждый элемент тока одной цепи оказывает на каждый другой элемент тока другой цепи.

В 1831 году Майкл Фарадей открыл, что изменяющийся во времени магнитный поток индуцирует напряжение через проволочный контур. В 1835 году Карл Фридрих Гаусс выдвинул гипотезу, основанную на законе силы Ампера в его первоначальной форме, что все формы магнетизма возникают в результате элементарных точечных зарядов, движущихся относительно друг друга. ^[12] Вильгельм Эдуард Вебер развил теорию Гаусса до электродинамики Вебера .

Примерно с 1861 года Джеймс Клерк Максвелл синтезировал и расширил многие из этих идей в уравнениях Максвелла , объединив электричество, магнетизм и оптику в область электромагнетизма . Однако интерпретация магнетизма Гауссом не полностью совместима с электродинамикой Максвелла. В 1905 году Альберт Эйнштейн использовал уравнения Максвелла для обоснования своей специальной теории относительности , ^[13] требуя, чтобы законы выполнялись во всех инерциальных системах отсчета . Таким образом, подход Гаусса к интерпретации магнитной силы как простого эффекта относительных скоростей в некоторой степени вернулся в электродинамику.

Электромагнетизм продолжал развиваться и в XXI веке, будучи включенным в более фундаментальные теории калибровочной теории , квантовой электродинамики , теории электрослабого взаимодействия и, наконец, в стандартную модель .

Источники

Магнетизм, по сути, возникает из трех источников:

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

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

Обычно огромное количество электронов в материале расположено таким образом, что их магнитные моменты (как орбитальные, так и собственные) компенсируются. Это происходит в некоторой степени из-за того, что электроны объединяются в пары с противоположными собственными магнитными моментами в результате принципа исключения Паули (см. электронную конфигурацию ) и объединяются в заполненные подоболочки с нулевым чистым орбитальным движением. В обоих случаях электроны предпочтительно принимают расположения, в которых магнитный момент каждого электрона компенсируется противоположным моментом другого электрона. Более того, даже когда электронная конфигурация такова , что есть неспаренные электроны и/или незаполненные подоболочки, часто бывает так, что различные электроны в твердом теле будут вносить магнитные моменты, которые указывают в разных случайных направлениях, так что материал не будет магнитным.

Иногда — либо спонтанно, либо из-за приложенного внешнего магнитного поля — каждый из электронных магнитных моментов будет, в среднем, выстроен. Подходящий материал может тогда создать сильное чистое магнитное поле.

Магнитное поведение материала зависит от его структуры, в частности от его электронной конфигурации , по причинам, указанным выше, а также от температуры. При высоких температурах случайное тепловое движение затрудняет поддержание электронами выравнивания.

Типы

Иерархия типов магнетизма. ^[14]

Диамагнетизм

Диамагнетизм проявляется во всех материалах и является тенденцией материала противостоять приложенному магнитному полю и, следовательно, отталкиваться магнитным полем. Однако в материале с парамагнитными свойствами (то есть с тенденцией усиливать внешнее магнитное поле) парамагнитное поведение доминирует. ^[15] Таким образом, несмотря на его повсеместное возникновение, диамагнитное поведение наблюдается только в чисто диамагнитном материале. В диамагнитном материале нет неспаренных электронов, поэтому собственные магнитные моменты электронов не могут производить никакого объемного эффекта. В этих случаях намагниченность возникает из-за орбитальных движений электронов, которые можно классически понимать следующим образом:

Когда материал помещается в магнитное поле, электроны, вращающиеся вокруг ядра, будут испытывать, в дополнение к их кулоновскому притяжению к ядру, силу Лоренца от магнитного поля. В зависимости от того, в каком направлении вращается электрон, эта сила может увеличить центростремительную силу на электронах, притягивая их к ядру, или она может уменьшить силу, оттягивая их от ядра. Этот эффект систематически увеличивает орбитальные магнитные моменты, которые были выровнены против поля, и уменьшает те, которые были выровнены параллельно полю (в соответствии с законом Ленца ). Это приводит к небольшому объемному магнитному моменту с противоположным направлением приложенного поля.

Это описание носит исключительно эвристический характер ; теорема Бора–Ван Лейвена показывает, что диамагнетизм невозможен согласно классической физике и что для правильного понимания требуется квантово-механическое описание.

Все материалы испытывают этот орбитальный отклик. Однако в парамагнитных и ферромагнитных веществах диамагнитный эффект подавляется гораздо более сильными эффектами, вызванными неспаренными электронами.

Парамагнетизм

В парамагнитном материале есть неспаренные электроны, т. е. атомные или молекулярные орбитали с одним электроном на них. В то время как спаренные электроны должны иметь согласно принципу исключения Паули собственные («спиновые») магнитные моменты, направленные в противоположные стороны, что приводит к нейтрализации их магнитных полей, неспаренный электрон может свободно выравнивать свой магнитный момент в любом направлении. При приложении внешнего магнитного поля эти магнитные моменты будут стремиться выстроиться в том же направлении, что и приложенное поле, тем самым усиливая его.

Ферромагнетизм

Ферромагнетик, как и парамагнитное вещество, имеет неспаренные электроны. Однако, в дополнение к тенденции собственного магнитного момента электронов быть параллельным приложенному полю, в этих материалах также существует тенденция к ориентации этих магнитных моментов параллельно друг другу для поддержания состояния с пониженной энергией. Таким образом, даже при отсутствии приложенного поля магнитные моменты электронов в материале спонтанно выстраиваются параллельно друг другу.

Каждое ферромагнитное вещество имеет свою собственную индивидуальную температуру, называемую температурой Кюри , или точкой Кюри, выше которой оно теряет свои ферромагнитные свойства. Это происходит потому, что тепловая тенденция к беспорядку преобладает над понижением энергии из-за ферромагнитного порядка.

Ферромагнетизм свойствен лишь немногим веществам; наиболее распространенными из них являются железо , никель , кобальт , их сплавы и некоторые сплавы редкоземельных металлов.

Магнитные домены

Магнитные моменты атомов в ферромагнитном материале заставляют их вести себя как крошечные постоянные магниты. Они слипаются и выстраиваются в небольшие области более или менее однородного выравнивания, называемые магнитными доменами или доменами Вейсса . Магнитные домены можно наблюдать с помощью магнитного силового микроскопа, чтобы выявить границы магнитных доменов, которые на рисунке напоминают белые линии. Существует множество научных экспериментов, которые могут физически показать магнитные поля.

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

При воздействии магнитного поля границы доменов перемещаются, так что домены, выровненные с магнитным полем, растут и доминируют в структуре (пунктирная желтая область), как показано слева. Когда намагничивающее поле снимается, домены не могут вернуться в ненамагниченное состояние. Это приводит к намагничиванию ферромагнитного материала, образуя постоянный магнит.

При достаточно сильном намагничивании, когда преобладающий домен подавляет все остальные, в результате чего остается только один домен, материал становится магнитно насыщенным . Когда намагниченный ферромагнитный материал нагревается до температуры точки Кюри , молекулы возбуждаются до такой степени, что магнитные домены теряют организацию, и вызываемые ими магнитные свойства прекращаются. Когда материал охлаждается, эта структура выравнивания доменов спонтанно возвращается, примерно аналогично тому, как жидкость может замерзнуть в кристаллическое твердое тело.

Антиферромагнетизм

Антиферромагнитное упорядочение

В антиферромагнетике , в отличие от ферромагнетика, существует тенденция к тому, что собственные магнитные моменты соседних валентных электронов указывают в противоположных направлениях. Когда все атомы расположены в веществе так, что каждый сосед антипараллелен, вещество является антиферромагнитным . Антиферромагнетики имеют нулевой суммарный магнитный момент, поскольку соседний противоположный момент компенсируется, что означает, что они не создают поля. Антиферромагнетики менее распространены по сравнению с другими типами поведения и в основном наблюдаются при низких температурах. При различных температурах можно увидеть, что антиферромагнетики проявляют диамагнитные и ферромагнитные свойства.

В некоторых материалах соседние электроны предпочитают указывать в противоположных направлениях, но не существует геометрического расположения, в котором каждая пара соседей была бы антивыровнена. Это называется скошенным антиферромагнетиком или спиновым льдом и является примером геометрической фрустрации .

Ферримагнетизм

Ферримагнитное упорядочение

Подобно ферромагнетизму, ферримагнетики сохраняют свою намагниченность в отсутствие поля. Однако, подобно антиферромагнетикам, соседние пары электронных спинов имеют тенденцию указывать в противоположных направлениях. Эти два свойства не противоречат друг другу, поскольку в оптимальном геометрическом расположении больше магнитного момента от подрешетки электронов, которые указывают в одном направлении, чем от подрешетки, которая указывает в противоположном направлении.

Большинство ферритов являются ферримагнитными. Первое обнаруженное магнитное вещество, магнетит , является ферритом и первоначально считалось ферромагнетиком; однако Луи Неель опроверг это, открыв ферримагнетизм.

Суперпарамагнетизм

Магнитные порядки: сравнение ферро, антиферро и ферримагнетизма

Когда ферромагнетик или ферримагнетик достаточно мал, он действует как один магнитный спин, подверженный броуновскому движению . Его реакция на магнитное поле качественно похожа на реакцию парамагнетика, но гораздо больше.

Магнетизм Нагаоки

Японский физик Ёсукэ Нагаока придумал тип магнетизма в квадратной двумерной решетке, где каждый узел решетки имел один электрон. Если один электрон был удален при определенных условиях, энергия решетки была бы минимальной только тогда, когда спины всех электронов были бы параллельны.

Вариация этого была достигнута экспериментально путем размещения атомов в треугольной муаровой решетке монослоев диселенида молибдена и дисульфида вольфрама . Приложение слабого магнитного поля и напряжения приводило к ферромагнитному поведению, когда присутствовало на 100-150% больше электронов, чем узлов решетки. Дополнительные электроны делокализованы и спариваются с электронами решетки, образуя дублоны. Делокализация была предотвращена, если только электроны решетки не имели выровненных спинов. Таким образом, дублоны создавали локализованные ферромагнитные области. Явление имело место при 140 милликельвинах. ^[16]

Другие типы магнетизма

• Метамагнетизм
• Магниты на основе молекул
• Магнит с одной молекулой
• Аморфный магнит

Электромагнит

Электромагнит притягивает скрепки при подаче тока, создавая магнитное поле. Электромагнит теряет их при прекращении тока и магнитного поля.

Электромагнит — это тип магнита , в котором магнитное поле создается электрическим током . ^[17] Магнитное поле исчезает, когда ток выключается. Электромагниты обычно состоят из большого количества близко расположенных витков провода, которые создают магнитное поле. Витки провода часто намотаны вокруг магнитного сердечника, изготовленного из ферромагнитного или ферримагнитного материала, такого как железо ; магнитный сердечник концентрирует магнитный поток и делает более мощный магнит.

Главное преимущество электромагнита перед постоянным магнитом заключается в том, что магнитное поле можно быстро изменять, контролируя величину электрического тока в обмотке. Однако, в отличие от постоянного магнита, которому не требуется питание, электромагниту требуется непрерывная подача тока для поддержания магнитного поля.

Электромагниты широко используются в качестве компонентов других электрических устройств, таких как двигатели , генераторы , реле , соленоиды, громкоговорители , жесткие диски , аппараты МРТ , научные приборы и оборудование для магнитной сепарации . Электромагниты также используются в промышленности для подъема и перемещения тяжелых железных предметов, таких как железный лом и сталь. ^[18] Электромагнетизм был открыт в 1820 году. ^[19]

Магнетизм, электричество и специальная теория относительности

Как следствие специальной теории относительности Эйнштейна, электричество и магнетизм фундаментально взаимосвязаны. Как магнетизм без электричества, так и электричество без магнетизма несовместимы со специальной теорией относительности из-за таких эффектов, как сокращение длины , замедление времени и тот факт, что магнитная сила зависит от скорости. Однако, когда и электричество, и магнетизм принимаются во внимание, результирующая теория ( электромагнетизм ) полностью согласуется со специальной теорией относительности. ^{[13] [20]} В частности, явление, которое одному наблюдателю кажется чисто электрическим или чисто магнитным, другому может быть смесью того и другого, или, в более общем смысле, относительные вклады электричества и магнетизма зависят от системы отсчета. Таким образом, специальная теория относительности «смешивает» электричество и магнетизм в единое неразделимое явление, называемое электромагнетизмом , аналогично тому, как общая теория относительности «смешивает» пространство и время в пространство-время .

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

Магнитные поля в материале

В вакууме,

${\displaystyle \mathbf {B} \ =\ \mu _{0}\mathbf {H} ,}$

где μ ₀ — проницаемость вакуума .

В материале,

${\displaystyle \mathbf {B} \ =\ \mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} ).\ }$

Величина μ ₀ M называется магнитной поляризацией .

Если поле H мало, то реакция намагниченности M в диамагнетике или парамагнетике приблизительно линейна:

${\displaystyle \mathbf {M} =\chi \mathbf {H} ,}$

константа пропорциональности называется магнитной восприимчивостью. Если так,

${\displaystyle \mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} )\ =\ \mu _{0}(1+\chi )\mathbf {H} \ =\ \mu _{r}\mu _{0}\mathbf {H} \ =\ \mu \mathbf {H} .}$

В твердом магните, таком как ферромагнетик, M не пропорционален полю и, как правило, не равен нулю, даже когда H равен нулю (см. Остаточная намагниченность ).

Магнитная сила

Магнитные силовые линии стержневого магнита, изображенные железными опилками на бумаге

Обнаружение магнитного поля с помощью компаса и железных опилок

Феномен магнетизма «опосредован» магнитным полем. Электрический ток или магнитный диполь создает магнитное поле, а это поле, в свою очередь, передает магнитные силы другим частицам, которые находятся в полях.

Уравнения Максвелла, которые упрощаются до закона Био-Савара в случае постоянных токов, описывают происхождение и поведение полей, управляющих этими силами. Таким образом, магнетизм наблюдается всякий раз, когда электрически заряженные частицы находятся в движении — например, из движения электронов в электрическом токе или в некоторых случаях из орбитального движения электронов вокруг ядра атома. Они также возникают из «собственных» магнитных диполей, возникающих из квантово-механического спина .

Те же ситуации, которые создают магнитные поля — заряд, движущийся в токе или в атоме, и внутренние магнитные диполи — также являются ситуациями, в которых магнитное поле оказывает влияние, создавая силу. Ниже приведена формула для движущегося заряда; для сил на внутреннем диполе см. магнитный диполь.

Когда заряженная частица движется через магнитное поле B , она испытывает силу Лоренца F, определяемую векторным произведением : ^[22]

${\displaystyle \mathbf {F} =q(\mathbf {v} \times \mathbf {B} ),}$

где

${\displaystyle q}$- электрический заряд частицы, а

v — вектор скорости частицы

Поскольку это векторное произведение, сила перпендикулярна как движению частицы, так и магнитному полю. Из этого следует, что магнитная сила не производит никакой работы над частицей; она может изменить направление движения частицы, но не может заставить ее ускориться или замедлиться. Величина силы равна

${\displaystyle F=qvB\sin \theta \,}$

где — угол между v и B. ${\displaystyle \theta }$

Одним из инструментов для определения направления вектора скорости движущегося заряда, магнитного поля и прилагаемой силы является обозначение указательного пальца «V» ^{[ сомнительно – обсудить ]} , среднего пальца «B» и большого пальца «F» правой рукой. При создании конфигурации, похожей на пистолет, со средним пальцем, скрещенным под указательным пальцем, пальцы представляют вектор скорости, вектор магнитного поля и вектор силы соответственно. См. также правило правой руки .

Магнитные диполи

Очень распространенным источником магнитного поля в природе является диполь с « Южным полюсом » и « Северным полюсом », термины, восходящие к использованию магнитов в качестве компасов, взаимодействующих с магнитным полем Земли для указания Севера и Юга на земном шаре . Поскольку противоположные концы магнитов притягиваются, северный полюс магнита притягивается к южному полюсу другого магнита. Северный магнитный полюс Земли (в настоящее время в Северном Ледовитом океане, к северу от Канады) физически является южным полюсом, поскольку он притягивает северный полюс компаса. Магнитное поле содержит энергию , и физические системы движутся к конфигурациям с более низкой энергией. Когда диамагнитный материал помещается в магнитное поле, магнитный диполь имеет тенденцию выстраиваться в противоположной полярности к этому полю, тем самым снижая чистую напряженность поля. Когда ферромагнитный материал помещается в магнитное поле, магнитные диполи выстраиваются в соответствии с приложенным полем, тем самым расширяя доменные стенки магнитных доменов.

Магнитные монополи

Поскольку стержневой магнит получает свой ферромагнетизм от электронов, равномерно распределенных по всему стержню, когда стержневой магнит разрезается пополам, каждая из полученных частей является меньшим стержневым магнитом. Несмотря на то, что магнит, как говорят, имеет северный полюс и южный полюс, эти два полюса не могут быть отделены друг от друга. Монополь — если такое существует — был бы новым и принципиально иным видом магнитного объекта. Он действовал бы как изолированный северный полюс, не прикрепленный к южному полюсу, или наоборот. Монополи несли бы «магнитный заряд», аналогичный электрическому заряду. Несмотря на систематические поиски с 1931 года, по состоянию на 2010 год ^[update]они никогда не наблюдались, и вполне могли бы не существовать. ^[23]

Тем не менее, некоторые теоретические физические модели предсказывают существование этих магнитных монополей . Поль Дирак заметил в 1931 году, что, поскольку электричество и магнетизм демонстрируют определенную симметрию , так же как квантовая теория предсказывает, что отдельные положительные или отрицательные электрические заряды могут наблюдаться без противоположного заряда, изолированные Южный или Северный магнитные полюса должны быть наблюдаемыми. Используя квантовую теорию, Дирак показал, что если существуют магнитные монополи, то можно объяснить квантование электрического заряда — то есть, почему наблюдаемые элементарные частицы несут заряды, кратные заряду электрона.

Некоторые теории великого объединения предсказывают существование монополей, которые, в отличие от элементарных частиц, являются солитонами (локализованными энергетическими пакетами). Первоначальные результаты использования этих моделей для оценки числа монополей, созданных в Большом взрыве, противоречили космологическим наблюдениям — монополи были бы настолько многочисленны и массивны, что они бы давно остановили расширение Вселенной. Однако идея инфляции (для которой эта проблема служила частичной мотивацией) успешно решила эту проблему, создав модели, в которых монополи существовали, но были достаточно редки, чтобы согласовываться с текущими наблюдениями. ^[24]

Единицы

СИ

Другой

• гаусс – единица магнитного поля сантиметр-грамм-секунда (СГС) (обозначается B ).
• Эрстед – единица измерения намагничивающего поля в системе СГС (обозначается H )
• максвелл – единица СГС для магнитного потока
• гамма – единица измерения плотности магнитного потока , которая широко использовалась до появления тесла (1,0 гамма = 1,0 нанотесла)
• μ ₀ – общепринятое обозначение проницаемости свободного пространства ( 4π × 10 ⁻⁷ ньютон / ( ампер-виток ) ² )

Живые существа

Живая лягушка левитирует внутри вертикального отверстия соленоида Биттера диаметром 32 мм в очень сильном магнитном поле — около 16 тесла.

Некоторые организмы могут обнаруживать магнитные поля, явление, известное как магнитоцепция . Некоторые материалы в живых существах являются ферромагнитными, хотя неясно, выполняют ли магнитные свойства особую функцию или являются просто побочным продуктом содержания железа. Например, хитоны , тип морских моллюсков, вырабатывают магнетит для укрепления своих зубов, и даже люди вырабатывают магнетит в тканях тела. ^[26]

Магнитобиология изучает воздействие магнитных полей на живые организмы; поля, естественным образом создаваемые организмом, известны как биомагнетизм . Многие биологические организмы в основном состоят из воды, и поскольку вода является диамагнитной , чрезвычайно сильные магнитные поля могут отталкивать эти живые существа.

Интерпретация магнетизма с помощью относительных скоростей

В годы после 1820 года Андре-Мари Ампер провел многочисленные эксперименты, в которых он измерял силы между постоянными токами. В частности, он также изучал магнитные силы между непараллельными проводами. ^[27] Конечным результатом его работы стал закон силы, который теперь назван в его честь. В 1835 году Карл Фридрих Гаусс понял ^[12] , что закон силы Ампера в его первоначальной форме можно объяснить обобщением закона Кулона .

Закон силы Гаусса гласит, что электромагнитная сила , испытываемая точечным зарядом с траекторией , находящимся вблизи другого точечного заряда с траекторией , в вакууме, равна центральной силе ${\textstyle \mathbf {F} _{1}}$ ${\displaystyle q_{1}}$ ${\displaystyle \mathbf {r} _{1}(t)}$ ${\displaystyle q_{2}}$ ${\displaystyle \mathbf {r} _{2}(t)}$

${\displaystyle \mathbf {F} _{1}={\frac {q_{1}\,q_{2}}{4\,\pi \,\epsilon _{0}}}\,{\frac {\mathbf {r} }{|\mathbf {r} |^{3}}}\,\left(1+{\frac {|\mathbf {v} |^{2}}{c^{2}}}-{\frac {3}{2}}\,\left({\frac {\mathbf {r} }{|\mathbf {r} |}}\cdot {\frac {\mathbf {v} }{c}}\right)^{2}\right)}$,

где — расстояние между зарядами, — относительная скорость. Вильгельм Эдуард Вебер подтвердил гипотезу Гаусса в многочисленных экспериментах. ^{[28] [29] [30]} С помощью электродинамики Вебера можно объяснить статические и квазистатические эффекты в нерелятивистском режиме классической электродинамики без магнитного поля и силы Лоренца . ${\textstyle \mathbf {r} =\mathbf {r} _{1}(t)-\mathbf {r} _{2}(t)}$ ${\textstyle \mathbf {v} ={\dot {\mathbf {r} }}_{1}(t)-{\dot {\mathbf {r} }}_{2}(t)}$

С 1870 года была разработана электродинамика Максвелла , постулирующая существование электрических и магнитных полей. В электродинамике Максвелла фактическая электромагнитная сила может быть рассчитана с использованием силы Лоренца, которая, как и сила Вебера, зависит от скорости. Однако электродинамика Максвелла не полностью совместима с работами Ампера, Гаусса и Вебера в квазистатическом режиме. В частности, исходный закон силы Ампера и закон Био-Савара эквивалентны только в том случае, если контур проводника, создающий поле, замкнут. ^[31] Таким образом, электродинамика Максвелла представляет собой разрыв с интерпретацией магнетизма Гауссом и Вебером, поскольку в электродинамике Максвелла больше невозможно вывести магнитную силу из центральной силы.

Квантово-механическое происхождение магнетизма

В то время как эвристические объяснения, основанные на классической физике, могут быть сформулированы, диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм могут быть полностью объяснены только с помощью квантовой теории. ^{[32] [33]} Успешная модель была разработана уже в 1927 году Вальтером Гайтлером и Фрицем Лондоном , которые вывели квантово-механически, как молекулы водорода образуются из атомов водорода, т. е. из атомных водородных орбиталей и центрируются на ядрах A и B , см. ниже. То, что это приводит к магнетизму, совсем не очевидно, но будет объяснено далее. ${\displaystyle u_{A}}$ ${\displaystyle u_{B}}$

Согласно теории Гайтлера–Лондона, образуются так называемые двухчастичные молекулярные α-орбитали, а именно результирующая орбиталь имеет вид: ${\displaystyle \sigma }$

${\displaystyle \psi (\mathbf {r} _{1},\,\,\mathbf {r} _{2})={\frac {1}{\sqrt {2}}}\,\,\left(u_{A}(\mathbf {r} _{1})u_{B}(\mathbf {r} _{2})+u_{B}(\mathbf {r} _{1})u_{A}(\mathbf {r} _{2})\right)}$

Здесь последнее произведение означает, что первый электрон, r ₁ , находится на атомной водородной орбитали, центрированной на втором ядре, тогда как второй электрон вращается вокруг первого ядра. Это явление «обмена» является выражением квантово-механического свойства, что частицы с одинаковыми свойствами не могут быть различены. Оно специфично не только для образования химических связей , но и для магнетизма. То есть, в этой связи возникает термин обменное взаимодействие , термин, который необходим для возникновения магнетизма и который сильнее, примерно в 100 и даже в 1000 раз, чем энергии, возникающие из электродинамического диполь-дипольного взаимодействия.

Что касается спиновой функции , которая отвечает за магнетизм, то у нас есть уже упомянутый принцип Паули, а именно, что симметричная орбиталь (т.е. со знаком +, как выше) должна быть умножена на антисимметричную спиновую функцию (т.е. со знаком −), и наоборот . Таким образом: ${\displaystyle \chi (s_{1},s_{2})}$

${\displaystyle \chi (s_{1},\,\,s_{2})={\frac {1}{\sqrt {2}}}\,\,\left(\alpha (s_{1})\beta (s_{2})-\beta (s_{1})\alpha (s_{2})\right)}$,

То есть, не только и должны быть заменены на α и β соответственно (первая сущность означает «спин вверх», вторая — «спин вниз»), но также знак + на знак −, и, наконец, r _i на дискретные значения s _i (= ± 1 ⁄ 2 ); таким образом, мы имеем и . « Синглетное состояние », то есть знак −, означает: спины антипараллельны , то есть для твердого тела мы имеем антиферромагнетизм , а для двухатомных молекул — диамагнетизм . Тенденция к образованию (гомеополярной) химической связи (это означает: образование симметричной молекулярной орбитали, то есть со знаком +) автоматически приводит через принцип Паули к антисимметричному спиновому состоянию (то есть со знаком −). Напротив, кулоновское отталкивание электронов, т.е. тенденция, при которой они пытаются избегать друг друга посредством этого отталкивания, привело бы к антисимметричной орбитальной функции (т.е. со знаком −) этих двух частиц, и дополнительной к симметричной спиновой функции (т.е. со знаком +, одной из так называемых « триплетных функций »). Таким образом, теперь спины были бы параллельны ( ферромагнетизм в твердом теле, парамагнетизм в двухатомных газах). ${\displaystyle u_{A}}$ ${\displaystyle u_{B}}$ ${\displaystyle \alpha (+1/2)=\beta (-1/2)=1}$ ${\displaystyle \alpha (-1/2)=\beta (+1/2)=0}$

Последняя тенденция преобладает в металлах железе , кобальте и никеле , а также в некоторых редкоземельных элементах, которые являются ферромагнитными . Большинство других металлов, где преобладает первая тенденция, являются немагнитными (например, натрий , алюминий и магний ) или антиферромагнитными (например, марганец ). Двухатомные газы также почти исключительно диамагнитны, а не парамагнитны. Однако молекула кислорода из-за участия π-орбиталей является исключением, важным для наук о жизни.

Соображения Гайтлера-Лондона можно обобщить на модель магнетизма Гейзенберга (Гейзенберг, 1928).

Объяснение явлений, таким образом, по сути, основано на всех тонкостях квантовой механики, тогда как электродинамика охватывает в основном феноменологию.

Смотрите также

• Коэрцитивность
• Гравитомагнетизм
• Магнитный гистерезис
• Магнетар
• Магнитный подшипник
• Магнитная цепь
• Магнитное охлаждение
• Пленка для просмотра магнитного поля
• Магнитная мешалка
• Импульсный блок питания
• Магнитная структура
• Микромагнетизм
• Неодимовый магнит
• Пластиковый магнит
• Редкоземельный магнит
• Спиновая волна
• Спонтанное намагничивание
• Вибрационный магнитометр
• Учебники по электромагнетизму

Ссылки

1. Джайлс, Дэвид (2 сентября 2015 г.). Введение в магнетизм и магнитные материалы (третье изд.). Бока-Ратон. ISBN 978-1-4822-3887-7. OCLC  909323904.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
2. Ду, Япин; Ченг, TC; Фараг, AS (август 1996 г.). «Принципы экранирования магнитного поля промышленной частоты плоскими листами в источнике длинных проводников». Труды IEEE по электромагнитной совместимости . 38 (3): 450–459. doi :10.1109/15.536075. ISSN  1558-187X.
3. Дю Тремоле де Лашессери, Этьен; Дамьен Жину; Мишель Шленкер (2005). Магнетизм: основы. Спрингер. стр. 3–6. ISBN 978-0-387-22967-6.
4. Платонис Опера, Мейер и Целлер, 1839, с. 989.
5. Местоположение Магнезии является предметом споров; это может быть регион в материковой Греции или Магнезия ад Сипилум . См., например, "Магнит". Блог Language Hat . 28 мая 2005 г. Получено 22 марта 2013 г.
6. Фаулер, Майкл (1997). "Исторические истоки теорий электричества и магнетизма" . Получено 2008-04-02 .
7. Кумар Гоял, Раджендра (2017). Наноматериалы и нанокомпозиты: синтез, свойства, методы характеризации и применение . CRC Press. стр. 171. ISBN 9781498761673.
8. Раздел «Фаньин 2» (反應第二) из The Guiguzi : «其察言也，不失若磁石之取鍼，舌之取燔骨».
9. Ли, Шу-хуа (1954). «Происхождение де ла Буссоль II. Aimant et Boussole». Исида (на французском языке). 45 (2): 175–196. дои : 10.1086/348315. JSTOR  227361. S2CID  143585290. un pass dans le Liu-che-tch'ouen-ts'ieou [...]: «La pierre d'aimant fait venir lefer ou elle l'attire».
   Из раздела « Цзинтун » (精通) «Альманаха последнего осеннего месяца» (季秋紀): «慈石召鐵，或引之也]»
10. В разделе «Последнее слово о драконах» (亂龍篇 Luanlong ) Лунхэна : « Янтарь поднимает соломинки, а магнитный камень притягивает иголки» (頓牟掇芥，磁石引針).
11. Шмидл, Петра Г. (1996–1997). «Два ранних арабских источника о магнитном компасе». Журнал арабских и исламских исследований . 1 : 81–132.
12. Гаусс, Карл Фридрих (1867). Карл Фридрих Гаусс Верке. Группа Фюнфтер . Königliche Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen. п. 617.
13. А. Эйнштейн: «К электродинамике движущихся тел», 30 июня 1905 г.
14. HP Meyers (1997). Введение в физику твердого тела (2-е изд.). CRC Press. стр. 362; Рисунок 11.1. ISBN 9781420075021.
15. Кэтрин Уэстбрук; Кэролин Каут; Кэролин Каут-Рот (1998). МРТ (магнитно-резонансная томография) на практике (2-е изд.). Wiley-Blackwell. стр. 217. ISBN 978-0-632-04205-0.
16. Грешко, Михаил (20 января 2024 г.). «Ученые только что открыли новый тип магнетизма». Wired . ISSN  1059-1028 . Получено 08.02.2024 .
17. Перселл 2012, стр. 320,584
18. Мерзуки, Рочди; Самантарай, Арун Кумар; Патхак, Пушпарадж Мани (2012). Интеллектуальные мехатронные системы: моделирование, управление и диагностика. Springer Science & Business Media. стр. 403–405. ISBN 978-1447146285.
19. Sturgeon, W. (1825). «Улучшенный электромагнитный аппарат». Trans. Royal Society of Arts, Manufactures, & Commerce . 43 : 37–52.цитируется в Miller, TJE (2001). Электронное управление коммутируемыми реактивными машинами. Newnes. стр. 7. ISBN 978-0-7506-5073-1.
20. Гриффитс 1998, глава 12
21. Бузер, Аллен Х. (2006-04-01). "Возмущение напряженности магнитного поля". Physics of Plasmas . 13 (4): 044501. Bibcode : 2006PhPl...13d4501B. doi : 10.1063/1.2192511. ISSN  1070-664X.
22. Джексон, Джон Дэвид (1999). Классическая электродинамика (3-е изд.). Нью-Йорк: Wiley . ISBN 978-0-471-30932-1.
23. Милтон упоминает некоторые неубедительные события (стр. 60) и все равно приходит к выводу, что «никаких доказательств существования магнитных монополей не сохранилось» (стр. 3). Милтон, Кимбалл А. (июнь 2006 г.). «Теоретический и экспериментальный статус магнитных монополей». Reports on Progress in Physics . 69 (6): 1637–1711. arXiv : hep-ex/0602040 . Bibcode :2006RPPh...69.1637M. doi :10.1088/0034-4885/69/6/R02. S2CID  119061150..
24. Гут, Алан (1997). Инфляционная Вселенная: Поиски новой теории космического происхождения . Персей. ISBN 978-0-201-32840-0. OCLC  38941224..
25. Международный союз теоретической и прикладной химии (1993). Величины, единицы и символы в физической химии , 2-е издание, Оксфорд: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . С. 14–15. Электронная версия. 
26. Киршвинк, Джозеф Л.; Кобаяши-Киршвинк, Ацуко; Диас-Риччи, Хуан К.; Киршвинк, Стивен Дж. (1992). «Магнетит в тканях человека: механизм биологического воздействия слабых магнитных полей сверхнизкой частоты» (PDF) . Приложение к Bioelectromagnetics . 1 : 101–113. doi :10.1002/bem.2250130710. PMID  1285705 . Получено 29 марта 2016 г. .
27. Assis, AKT; JPMC Chaib (2015). Электродинамика Ампера: Анализ значения и эволюции силы Ампера между элементами тока, вместе с полным переводом его шедевра: Теория электродинамических явлений, однозначно выведенная из опыта . C. Roy Keys Inc. ISBN 978-1-987980-03-5.
28. Вильгельм Вебер (2021). Андре Кох Торрес Ассис (ред.). Главные труды Вильгельма Вебера по электродинамике, переведенные на английский язык. Том I: Абсолютная система единиц Гаусса и Вебера . Apeiron Montreal.
29. Вильгельм Вебер (2021). Андре Кох Торрес Ассис (ред.). Главные труды Вильгельма Вебера по электродинамике, переведенные на английский язык. Том II: Фундаментальная сила Вебера и объединение законов Кулона, Ампера и Фарадея . Apeiron Montreal.
30. Вильгельм Вебер (2021). Андре Кох Торрес Ассис (ред.). Главные труды Вильгельма Вебера по электродинамике, переведенные на английский язык. Том III: Измерение постоянной Вебера c, диамагнетизм, телеграфное уравнение и распространение электрических волн со скоростью света . Apeiron Montreal.
31. Максвелл, Джеймс Клерк (1881). Трактат об электричестве и магнетизме. Том 2. Том 2 (2-е изд.). The Clarendon Press, Оксдорф. С. 162.
32. "Лекции Фейнмана по физике. Том II. Гл. 34: Магнетизм материи". www.feynmanlectures.caltech.edu .
33. "Лекции Фейнмана по физике, том II, гл. 36: Ферромагнетизм". www.feynmanlectures.caltech.edu .

Дальнейшее чтение

• Дэвид К. Ченг (1992). Полевые и волновые электромагнетики . Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN 978-0-201-12819-2.
• Furlani, Edward P. (2001). Постоянные магниты и электромеханические устройства: материалы, анализ и применение . Academic Press . ISBN 978-0-12-269951-1. OCLC  162129430.
• Гриффитс, Дэвид Дж. (1998). Введение в электродинамику (3-е изд.) . Prentice Hall. ISBN 978-0-13-805326-0. OCLC  40251748.
• Кронмюллер, Хельмут. (2007). Справочник по магнетизму и передовым магнитным материалам, 5 томов . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-02217-7. OCLC  124165851.
• Перселл, Эдвард М. (2012). Электричество и магнетизм (3-е изд.). Кембридж: Cambridge Univ. Press. ISBN 9781-10701-4022.
• Типлер, Пол (2004). Физика для ученых и инженеров: электричество, магнетизм, свет и элементарная современная физика (5-е изд.) . WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0. OCLC  51095685.
• Coey, JMD (2019). Магнетизм и магнитные материалы . Cambridge University Press. ISBN 978-1108717519.

Библиография

• Научные закуски Exploratorium – Тема: Физика/Электричество и магнетизм
• Коллекция магнитных структур – MAGNDATA