Магнітні властивості речовини: гіпотеза ампера. Теорія Ампера, що пояснює магнітні властивості

Відкриття Ерстеда та Ампера призвели до нового і глибшого уявлення про природу магнітних явищ. Спираючись на встановлену в цих дослідах тотожність магнітних діймагнітів і відповідним чином підібраних струмів, Ампер рішуче відмовився від уявлення про існування в природі особливих магнітних зарядів. З точки зору Ампера, елементарний магніт - це круговий струм, що циркулює всередині невеликої частинки речовини: атома, молекули або їх групи. При намагнічуванні більша або менша частина таких струмів встановлюється паралельно один одному, як показано на (амперові струми).

Ми бачили, що за своїми магнітними властивостями круговий струм цілком подібний до короткого магніту, вісь якого перпендикулярна до площини струму. Тому зображена умовно на рис. 209 система орієнтованих молекулярних струмів абсолютно рівносильна ланцюжкам елементарних магнітиків у гіпотезі Кулона.

Таким чином, теорія Ампера унеможливила припущення про існування особливих магнітних зарядів, дозволивши пояснити все магнітні явищаза допомогою елементарних електричних струмів. Подальше більше глибоке вивченнявластивостей тіл, що намагнічуються, показало не тільки, що гіпотеза магнітних зарядів або елементарних магнітиків зайва, але що вона невірна і не може бути узгоджена з деякими експериментальними фактами. Ми пізніше ознайомимося з цими фактами. З погляду теорії Ампера стає цілком зрозумілою невіддільність один від одного північних та південних полюсів, про яку ми говорили у попередньому параграфі. Кожен елементарний магніт є круговим витоком струму. Ми вже бачили, що одна сторона цього витка відповідає північному, інша - південному полюсу. Саме тому не можна відокремити один від одного північний та південний полюси, як не можна відокремити одну сторону площини від іншої.

Таким чином, ми дійшли наступного основного результату.

Жодних магнітних зарядів не існує. Кожен атом речовини можна розглядати щодо його магнітних властивостей як круговий струм. Магнітне поле намагніченого тіла складається з магнітних полів цих кругових струмів.

У ненамагніченому тілі все елементарні струмирозташовані хаотично, і тому ми не спостерігаємо у зовнішньому просторі жодного магнітного поля.

Процес намагнічування тіла полягає в тому, що під впливом зовнішнього магнітного поля його елементарні струми більшою чи меншою мірою встановлюються паралельно один одному і створюють магнітне поле, що результує.

Магнітний момент

Магнітний момент, магнітний дипольний момент- Основна величина, що характеризує магнітні властивості речовини. Джерелом магнетизму, згідно класичної теоріїЕлектромагнітними явищами є електричні макро- і мікроструми. Елементарним джерелом магнетизму вважають замкнутий струм. Магнітний момент мають елементарні частинки, атомні ядра, електронні оболонкиатомів та молекул. Магнітний момент елементарних частинок(Електронів, протонів, нейтронів та інших), як показала квантова механіка, обумовлений існуванням у них власного механічного моменту - спина.

Магнітний момент вимірюється в А⋅м 2 або Дж/Тл (СІ) або ерг/Гс (СГС), 1 ерг/Гс = 10 -3 Дж/Тл. Специфічною одиницею елементарного магнітного моменту є магнетон Бора.

У разі плоского контуру з електричним струмом магнітний моментобчислюється як

де I- сила струму в контурі, S- площа контуру, - одиничний вектор нормалі до площини контуру. Напрямок магнітного моменту зазвичай знаходиться за правилом буравчика: якщо обертати ручку буравчика в напрямку струму, то напрямок магнітного моменту збігатиметься з напрямком поступального руху буравчика.

Для довільного замкнутого контурумагнітний момент знаходиться з.

Магнетизм

Магнітне поле. Дія магнітного поля на рамку зі струмом. Індукція магнітного поля (магнітна індукція). Лінії магнітної індукції. Картини ліній індукції магнітного поля прямого струмута соленоїда. Поняття про магнітне поле Землі.

Сила, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі. Закон Ампера.

Дія магнітного поля на заряд, що рухається. Сила Лоренца.

Магнітні властивостіречовини. Гіпотеза Ампера. Феромагнетики

Властивості магнітів орієнтуватися щодо Землі у певному становищі було відомо давно, як і взаємодія магнітів - тяжіння різноїменних полюсів і відштовхування однойменних. Перше пояснення цьому дав У. Гільберт 1600 р., припустивши, що Земля є гігантським магнітом, тому стрілка компаса орієнтується певним чином.

Це припущення він обґрунтував експериментально, намагнітивши велику залізну кулю та спостерігаючи її дію на стрілку компаса.

Кількісно взаємодію магнітів досліджував Кулон за допомогою своїх крутильних ваг. Він висловив припущення, що існують магнітні заряди подібні до електричних, а нездатність розділити магніт на протилежні магнітні заряди він пояснив нездатність магнітних зарядів усередині молекул речовини вільно переходити від однієї молекули до іншої.

Розгадка природи магнетизму прийшла значно пізніше. Початок поклав Х. Ерстед в 1920 р., помістивши магнітну стрілку поблизу провідника зі струмом та встановивши, що при проходженні струму по провіднику магнітна стрілка відхиляється.

Відкриття Ерстеда підштовхнуло Ампера до пояснення природи магнетизму та до відкриття ще одного типу взаємодії електричних зарядів. Він встановив, що розташовані поруч два провідники зі струмом взаємодіють, причому при однаковому напрямку струмів у провідниках вони притягуються, а при протилежному відштовхуються.

Якщо струм йде лише з одному з провідників, то магнітного взаємодії з-поміж них немає; також не буде між двома провідниками зі струмом, якщо один із провідників світ з двох.

Пояснюючи природу магнетизму Ампер, дійшов висновку, що магнітні властивості речовини пояснюються замкнутими електричними струмами всередині речовини, а магнітне взаємодія – це взаємодія струмів.

Згідно з гіпотезою Ампера всередині молекул, з яких складається речовина, циркулюють елементарні електричні струми. Якщо ці струми орієнтовані хаотично стосовно один одному, їх дію взаємно компенсуються і жодних магнітних властивостей тіло не виявляє (рис.4.3 а). У намагніченому стані елементарні струми орієнтовані строго певним чином отже їх дії складаються й утворюють магнітне властивість тіла (рис.4.3 б).

Таким чином, не існує магнітних зарядів, подібних до електричних, а магнітні властивості тіл пояснюються орієнтацією циркуляційних елементарних струмів.

Магнітна взаємодіяпроявляється на відстані, а отже має бути середовище, яке здійснює цю взаємодію. Це середовище називається магнітним полем. Численні спостереження переконали вчених у цьому, навколо будь-якого провідника зі струмом, тобто. навколо рухомих електричних зарядів, у просторі існує магнітне поле. Якщо електричне поле діє і на рухомі, і на нерухомі заряди, то магнітне поле впливає лише на заряди, що рухаються.

Напевно, кожен із вас бачив магніти і навіть досліджував їх властивості. Якщо піднести магніт до купки дрібних предметів, деякі з них (гвоздики, кнопки, скріпки) притягнуться до магніту, а деякі (шматочки крейди, мідні та алюмінієві монетки, грудочки землі) не відреагують. Чому так? Чи дійсно магнітне поле не впливає на деякі речовини? Саме про це піде мовау параграфі.

Мал. 5.1. Внаслідок дії електричного поля негативно зарядженої палички ближня до неї частина провідної сфери набуває позитивного заряду.

Мал. 5.2. Зразки з діамагнетика (а) та парамагнетика (б) у зовнішньому магнітному полі: червоні лінії – лінії магнітного поля, створеного зразком; сині - магнітні лініїзовнішнього магнітного поля; зелені - лінії результуючого магнітного поля

Порівнюємо дії електричного та магнітного полів на речовину

Вивчаючи у 8 класі електричні явища, ви дізналися, що під впливом зовнішнього електричного поля відбувається перерозподіл електричних зарядів усередині. незарядженого тіла(Рис. 5.1). В результаті в тілі утворюється власне електричне поле, спрямоване протилежно до зовнішнього, і саме тому електричне поле в речовині завжди послаблюється.

Речовина змінює магнітне поле. Є речовини, які (як у випадку з електричним полем) послаблюють магнітне поле всередині себе. Такі речовини називають діамагнетиками. Багато речовин, навпаки, посилюють магнітне поле - це парамагнетики та феромагнетики.

Справа в тому, що будь-яка речовина, поміщена в магнітне поле, намагнічується, тобто створює власне магнітне поле, магнітна індукція якого різна для різних речовин.

дізнаємося про слабомагнітні речовини

Речовини, які намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, магнітна індукція якого набагато менша від магнітної індукції зовнішнього магнітного поля (тобто поля, що викликало намагнічування), називають слабомагнітними речовинами. До таких речовин належать діамагнетики та парамагнетики.

Діамагнетики (від грец. dia - розбіжність) намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, спрямоване протилежно до зовнішнього магнітного поля (рис. 5.2, а). Саме тому діамагнетики трохи послаблюють зовнішнє магнітне поле: магнітна індукція магнітного поля всередині

діамагнетика (В д) трохи менше магнітної індукції зовнішнього магнітного поля (В 0):

Якщо діамагнетик помістити в магнітне поле, він виштовхуватиметься з нього (рис. 5.3).

Мал. 5.4. Залізний цвях намагнічується в магнітному полі так, що кінець цвяха, розташований поблизу північного полюса магніту, стає південним полюсом, тому цвях притягується до магніту

Мал. 5.5. Феромагнетики створюють сильне магнітне поле, спрямоване у той самий бік, як і зовнішнє магнітне поле (а); лінії магнітної індукції начебто втягуються у феромагнітний зразок (б)

Чому діамагнітна речовина виштовхується з магнітного поля (рис. 5.2 а)?

До діамагнетиків відносяться інертні гази (гелій, неон та ін), багато металів (золото, мідь, ртуть, срібло та ін), молекулярний азот, Вода і т. д. Тіло людини - діамагнетик, так як воно в середньому на 78% складається з води.

Парамагнетики (від грец. Para - поруч) намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, спрямоване в той же бік, що і зовнішнє магнітне поле (рис. 5.2 б). Парамагнетики трохи посилюють зовнішнє поле: магнітна індукція магнітного поля всередині парамагнетика (В п) трохи більше магнітної індукції зовнішнього магнітного поля (В 0):

До парамагнетиків відносяться кисень, платина, алюміній, лужні та лужноземельні металита інші речовини. Якщо парамагнітну речовину помістити в магнітне поле, воно буде втягуватися в це поле.

Вивчаємо феромагнетики

Якщо слабомагнітні речовини витягти з магнітного поля, їхня намагніченість відразу зникне. Інакше відбувається із сильномагнітними речовинами — феромагнетиками.

Феромагнетики (від латів. ferrum - залізо) - речовини або матеріали, які залишаються намагніченими і за відсутності зовнішнього магнітного поля.

Феромагнетики намагнічуються, створюючи сильне магнітне поле, спрямоване у той самий бік, як і зовнішнє магнітне полі (рис. 5.4, 5.5, а). Якщо виготовлене з феромагнетика тіло помістити в магнітне поле, воно втягуватиметься в нього (рис. 5.5, б).

Чому на постійному магніті утримуються лише предмети, виготовлені із феромагнітних матеріалів (рис. 5.6)?

До феромагнетиків відноситься невелика групаречовин: залізо, нікель, кобальт, рідкісноземельні речовини та ряд сплавів. Феромагнетики значно посилюють зовнішнє магнітне поле: магнітна індукція магнітного поля всередині феромагнетиків (Вф) у сотні та тисячі разів більше магнітної індукції зовнішнього магнітного поля (В 0):

Температура Кюрі для деяких феромагнетиків

Так, кобальт посилює магнітне поле у ​​175 разів, нікель – у 1120 разів, а трансформаторна сталь (на 96-98 % складається із заліза) – у 8000 разів.

Феромагнітні матеріали умовно поділяють на два типи. Матеріали, які після припинення дії зовнішнього магнітного поля залишаються намагніченими довгий час, називають магнітожорсткими феромагнетиками. Їх застосовують виготовлення постійних магнітів. Феромагнітні матеріали, які легко намагнічуються та швидко розмагнічуються, називають магнітом'якими феромагнетиками. Їх застосовують для виготовлення сердечників електромагнітів, двигунів, трансформаторів, тобто пристроїв, які під час роботи постійно перемагнічуються (про будову та принцип дії таких пристроїв ви дізнаєтесь пізніше).

Зверніть увагу! При досягненні температури Кюрі феромагнітні властивості магнітом'яких і магнітожорстких матеріалів зникають - матеріали стають парамагнетиками.

Знайомимося з гіпотезою Ампера

Спостерігаючи дію провідника зі струмом на магнітну стрілку (див. рис. 1.1) та з'ясувавши, що котушки зі струмом поводяться як постійні магніти (див. рис. 1.3), А. Ампер висунув гіпотезу про магнітні властивості речовин. Ампер припустив, що усередині речовин існує велика кількістьнезатухаючих малих кругових струмів і кожен із них, як маленька котушка, є магнітиком. Постійний магніт складається з множини таких елементарних магнітиків, орієнтованих у певному напрямку.

Механізм намагнічування речовин Ампер пояснював так. Якщо тіло не намагнічене, кругові струми безладно орієнтовані (рис. 5.7, а). Зовнішнє магнітне поле намагається зорієнтувати ці струми так, щоб напрямок магнітного поля кожного струму збігався з напрямком зовнішнього

Мал. 5.7. Механізм намагнічування тіл згідно з гіпотезою Ампера: а- кругові струми орієнтовані безладно, тіло не намагнічене; б - кругові струми орієнтовані у певному напрямку, тіло намагнічене

магнітного поля (рис. 5.7 б). У деяких речовин така орієнтація струмів (намагнічування) залишається після припинення дії зовнішнього магнітного поля. Таким чином, всі магнітні явища Ампер пояснював взаємодією заряджених частинок, що рухаються.

Гіпотеза Ампера послужила поштовхом до створення теорії магнетизму. На основі цієї гіпотези були пояснені відомі властивості феромагнетиків, проте вона не могла пояснити природу діа-і парамагнетизму, а також те, чому тільки невелика кількість речовин має феромагнітні властивості. Сучасна теоріямагнетизму заснована на законах квантової механікита теорії відносності А. Ейнштейна.

Підбиваємо підсумки

Будь-яка речовина, вміщена в магнітне поле, намагнічується, тобто створює власне магнітне поле.

Контрольні питання

1. Чому речовина змінює магнітне поле? 2. Наведіть приклади діамагнетиків; парамагнетиків; феромагнетиків. Як спрямоване власне магнітне поле кожної з цих речовин? 3. Як у зовнішньому магнітному полі поводиться тіло, виготовлене з діамагнетика? парамагнетика? феромагнетика? 4. Чому феромагнітні матеріали вважають сильномагнітними?

5. Де застосовують магнітом'які матеріали? магнітожорсткі матеріали?

6. Як А. Ампер пояснював намагніченість феромагнетиків?

Вправа №5

1. Яка сталь — магнітом'яка чи магнітожорстка — більш придатна виготовлення постійних магнітів?

2. Які магнітні властивості матиме: а) залізо за 900 °С? б) кобальт за 900 °С?

3. Мідний циліндр підвісили на пружині та помістили у сильне магнітне поле (рис. 1). Як змінилося подовження пружини?

4. Чому на постійному магніті можна утримувати ланцюжок залізних предметів (рис. 2)?

5. У посудині під великим тискомміститься суміш газів (азоту та кисню). Запропонуйте спосіб поділу цієї суміші на окремі компоненти.

6. Скориставшись додатковими джереламиінформації, дізнайтеся про магнітну левітацію. Якими є перспективи її застосування?

Експериментальне завдання

Досліджуйте взаємодію досить сильного магніту з тілами, виготовленими з різних матеріалів(наприклад, міді, алюмінію, заліза).

Це матеріал підручника

Відкриття Ерстеда та Ампера призвели до нового і глибшого уявлення про природу магнітних явищ. Спираючись на встановлену в цих дослідах тотожність магнітних процесів магнітів і відповідним чином підібраних струмів, Ампер рішуче відмовився від уявлення про існування в природі спеціальних магнітних зарядів. З точки зору Ампера, елементарний магніт - це круговий струм, що циркулює всередині невеликої частинки речовини: атома, молекули або їх групи. При намагнічуванні більша чи менша частина таких струмів встановлюється паралельно один одному, як показано на рис. 209 (амперові струми).

Мал. 209. Упорядковане розташування амперових струмів намагніченому залозі, поміщеному в магнітному полі

Ми бачили в § 115, що за своїми магнітними властивостями круговий струм цілком подібний до короткого магніту, вісь якого перпендикулярна до площини струму. Тому зображена умовно на рис. 209 система орієнтованих молекулярних струмів абсолютно рівносильна ланцюжкам елементарних магнітиків у гіпотезі Кулона.

Отже, теорія Ампера зробила непотрібним припущення існування особливих магнітних зарядів, дозволивши пояснити все магнітні явища з допомогою елементарних електричних струмів. Подальше глибше вивчення властивостей тіл, що намагнічуються, показало не тільки, що гіпотеза магнітних зарядів або елементарних магнітиків зайва, але що вона неправильна і не може бути узгоджена з деякими експериментальними фактами. Ми пізніше ознайомимося з цими фактами (§ 147).

З погляду теорії Ампера стає цілком зрозумілою невіддільність один від одного північних та південних полюсів, про яку ми говорили у попередньому параграфі. Кожен елементарний магніт є круговим витоком струму. Ми вже бачили, що одна сторона цього витка відповідає північному, інша – південному полюсу. Саме тому не можна відокремити один від одного північний та південний полюси, як не можна відокремити одну сторону площини від іншої.

Таким чином, ми дійшли наступного основного результату.

Жодних магнітних зарядів не існує. Кожен атом речовини можна розглядати щодо його магнітних властивостей як круговий струм. Магнітне поле намагніченого тіла складається з магнітних полів цих кругових струмів.

У ненамагніченому тілі всі елементарні струми розташовані хаотично, тому ми не спостерігаємо в зовнішньому просторі ніякого магнітного поля.

Процес намагнічування тіла полягає в тому, що під впливом зовнішнього магнітного поля його елементарні струми більшою чи меншою мірою встановлюються паралельно один одному і створюють магнітне поле, що результує.

Значення теорії Ампера не викликало сумніву. Однак уявлення Ампера про існування елементарних струмів, що безперервно циркулюють усередині частинок речовин, були надзвичайно сміливими та незвичайними для його часу. Подальший розвитокНаука зробила ці уявлення природним наслідком створеної в XX столітті теорії атома. Атом є системою з центрального позитивно зарядженого ядра і електронів, що обертаються біля нього, подібно до того, як планети обертаються навколо Сонця. Рух електронів є круговими струмами, що циркулюють всередині атомів. Вдалося навіть здійснити спеціальні досліди, що показують, що намагнічування тіл супроводжується орієнтуванням осей цих кругових струмів, які прагнуть розташуватися паралельно.

Такі наочні уявлення про будову атомів є занадто грубими і тому неточними, проте вони в загальних рисахправильно передають суть справи.

Контрольна робота на тему « Електромагнітні явища" (8 клас.)

Варіант 1.

З перерахованих прикладіввкажіть пов'язані з електромагнітними явищами:

а) взаємодія паралельних струмів,

б) взаємодія двох магнітів,

в) падіння м'яча до Землі,

г) скочування кульки по похилому жолобу,

д) взаємодія провідника зі струмом та магнітної стрілки.

2. Два магніти звернені один до одного північними полюсами. Як магніти взаємодіятимуть між собою?

а) Притягуватись. б) Відштовхуватися. в) Не взаємодіятимуть. г) Серед відповідей немає правильної.

3. При пропусканні постійного електричного струмучерез провідник довкола нього виникає магнітне поле. Воно виявляється за розташуванням сталевої тирси на аркуші паперу або магнітної стрілки, що знаходяться поблизу провідника. У якому випадку це поле зникає?

а) Якщо прибрати сталеву тирсу. б) Якщо усунути магнітну стрілку. в) Якщо прибрати сталеву тирсу та магнітну стрілку. г) Якщо відключити електричний струм у провіднику.

5 . У чому суть гіпотези Ампера? Як узгоджується гіпотеза Ампера з сучасними уявленнямипро будову речовини?

9 . У вас є три предмети - "прилади":

1) постійний магніт 2) сталевий ненамагнічений стрижень; 3) мідний стрижень.

У трьох «чорних ящиках» знаходяться ці три предмети. Якими приладами та в якій послідовності краще скористатися, щоб з'ясувати, що лежить у кожній із трьох «чорних ящиків»?

10. Електродвигун постійного струмуспоживає від джерела з напругою 42 В струм силою 3 А. Яка механічна потужністьмотора, якщо опір його обмотки дорівнює 5 Ом? Який його К.П.Д.?

Варіант 2.

Що спостерігалося у досвіді Ерстеда?

а) Взаємодія двох паралельних провідників із струмом.

б) Взаємодія двох магнітних стрілок.

в) Повертання магнітної стрілки поблизу провідника при пропусканні через нього струму.

г) Виникнення електричного струму в котушці при поміщенні до неї магніту.

2. Як взаємодіють між собою два паралельних провідникаякщо по них протікають струми в одному напрямку?

а) Притягуються. б) Відштовхуються. в) Сила взаємодії дорівнює нулю. г) Правильна відповідь не наведена.

3. При пропусканні постійного струму через провідник навколо нього виникає магнітне поле. Воно виявляється за розташуванням сталевої тирси на аркуші паперу або повороту магнітної стрілки, що знаходяться поблизу провідника. Яким чином це магнітне поле можна перемістити в просторі?

а) Перенесенням сталевої тирси. б) Перенесення магніту. в) Перенесення провідника зі струмом. г) Магнітне поле перемістити неможливо.

4. Як розташуються магнітні стрілки, Поміщені в точки А і В всередині котушки при розмиканні ключа К?

а) Однаково- північним полюсом праворуч малюнку.

б) Однаково-північним полюсом вліво по рисунку.

в) Стрілки північними полюсами звернені одне до одного.

г) Стрілки південними полюсамизвернені один до одного.

5. Чому пристрій двигунів змінного струмупростіше, ніж постійного? Чому на транспорті використовують двигуни постійного струму?

6. Визначити полюси електромагніту.

7. Зобразити магнітне поле струмів та визначити напрямок силових ліній магнітного поля.

8. Визначити напрямок сили, що діє на провідник зі струмом, поміщений у магнітне поле.

9 . У вас є три предмети - "прилади": дерев'яний брусок, два сталевих цвяхи, що не притягуються один до одного, і постійний магніт.

У трьох «чорних ящиках» знаходяться відповідно: магніт, два цвяхи та дерев'яний брусок. Якими приладами та в якій послідовності краще скористатися, щоб з'ясувати, що лежить у кожній із ящиків?

10. Електродвигун постійного струму споживає від джерела з напругою 24 В струм силою 2 А. Яка механічна потужність двигуна, якщо опір його обмотки дорівнює 3 Ом? Який його К.П.Д.?