14. Indukcija magnetsko polje. Princip superpozicije magnetnih polja. Amperska snaga. Lorentzova sila. Električni mjerni instrumenti. Magnetna svojstva materije.
Magnetski fenomeni
I električni i magnetni fenomeni su interakcija tijela na udaljenosti. Ove interakcije se manifestuju u nastanku mehaničkih sila i momenata sila koje deluju između tela.Razlika između električne i magnetske interakcije očituje se, na primjer, u činjenici da je za razdvajanje električnih naboja može se trljati razni predmeti jedan od drugog, a trljanje predmeta jedan o drugi je beskorisno da bi se dobili magneti. Umotavanjem nabijenog predmeta u mokru krpu možete uništiti njegov električni naboj. Isti postupak u odnosu na magnet neće dovesti do nestanka magnetnih svojstava. Magnetizacija magnetnih materijala u prisustvu drugih magneta ne dovodi do razdvajanja električnih naboja. Ove dvije vrste interakcije objekata na udaljenosti nisu svedene jedna na drugu.
Eksperimentalno proučavanje magneta i razni materijali pokazuje da neki objekti stalno imaju magnetna svojstva, odnosno da su "trajni magneti", dok druga tijela dobijaju magnetna svojstva samo u prisustvu trajnih magneta. Postoje i materijali koji nemaju izražena magnetna svojstva, odnosno ne privlače niti odbijaju jaki trajni magneti. Intrinzična i indukovana magnetna svojstva objekata dovode do sličnih efekata. Na primjer, trajni magneti sa šipkama, čiji se uzorci obično nalaze u svakoj učionici fizike u bilo kojoj školi, kada su okačeni u horizontalnom položaju, orijentirani su tako da su njihovi krajevi usmjereni na sjever i jug. Samo ovo svojstvo magneta je mnogo poslužilo čovjeku. Kompas je izumljen veoma davno, ali kvantitativno proučavanje magnetnih svojstava objekata i matematička analiza od ovih imanja držani su tek u 18. i 19. vijeku.
Zamislimo da imamo "duge" magnete koji imaju polove koji su široko razmaknuti jedan od drugog. Ako su dva pola dva različita magneta postavljena blizu jedan drugom, a drugi polovi istih magneta udaljeni jedan od drugog, tada se interakcija sila između bliskih polova opisuje istim formulama kao u Coulombovom zakonu za elektrostatičko polje. Svakom polu magneta može se dodijeliti magnetni naboj, koji će karakterizirati njegov "sjever" ili "jug". Moguće je osmisliti postupak koji uključuje mjerenje sila ili momenata sila, koji bi omogućio da se uporede magnetna "naboja" bilo kojeg magneta sa standardom. Ova mentalna konstrukcija nam omogućava da rješavamo praktične probleme, pod uslovom da si još ne postavimo pitanje: kako radi magnet duge trake, odnosno šta se nalazi unutar magneta u području prostora koji spaja dva magnetna pola.
Možete unijeti jedinicu magnetnog naboja. Najjednostavniji postupak za određivanje takve jedinice je da je sila interakcije između dva "tačkasta" magnetna pola jednog magnetnog naboja, koji se nalaze na udaljenosti od 1 metar jedan od drugog, jednaka 1 Njutnu. Budući da su pokušaji da se magnetni polovi odvoje uvijek bili neuspješni, odnosno na mjestu reza šipkastog magneta uvijek su se pojavljivala dva suprotna magnetna pola čije su veličine tačno jednake veličinama krajnjih polova, došlo se do zaključka da magnetni polovi uvijek postoje samo u parovima. Stoga, bilo koji magnet sa dugim šipkama može se predstaviti kao ulančani kraći magneti. Slično, svaki magnet konačnih dimenzija može se predstaviti kao veliki broj kratki magneti raspoređeni po prostoru.
Za opis interakcije sila električnog i magnetskog naboja koristi se ista ideja o postojanju određenog vektorskog polja sile u prostoru. U "električnom" slučaju, odgovarajući vektor se naziva vektor tenzija električno polje E . Za "magnetni" slučaj, odgovarajući vektor se naziva vektor indukcija magnetsko polje IN . (1)
Polja u oba slučaja mogu se opisati distribucijom "vektora sila" u prostoru. Za sjeverni magnetni pol, smjer sile koja na njega djeluje sa strane magnetskog polja poklapa se sa smjerom vektora IN , a za južni pol sila je usmjerena suprotno od ovog vektora. Ako je vrijednost "magnetnog naboja", uzimajući u obzir njegov predznak ("sjeverni" ili "južni"), označena simbolom N, tada je sila koja djeluje na magnetni naboj iz magnetskog polja jednaka F =N B .
Baš kao što smo radili kada opisujemo interakciju električnih naboja kroz polje, djelujemo i kada opisujemo interakciju magnetnih naboja. Magnetno polje koje stvara tačkasti magnetni naboj u okolnom prostoru opisuje se potpuno istom formulom kao i u slučaju električnog polja.
B = K m N R /R 3 .
Konstanta K m je koeficijent proporcionalnosti, koji zavisi od izbora sistema jedinica. Za interakciju magnetnih naelektrisanja važi i Coulombov zakon, a važi i princip superpozicije.
Podsjetimo da su Coulombov zakon (ili zakon univerzalne gravitacije) i Gaussova teorema braća blizanci. Budući da magnetni polovi ne postoje odvojeno, a bilo koji magnet se može predstaviti kao kombinacija parova polova suprotnog polariteta i jednakih vrijednosti, onda u slučaju magnetskog polja, tok vektora indukcije magnetskog polja kroz bilo koju zatvorenu površinu je uvijek nula.
Raspravljamo o magnetskim fenomenima i koristimo ideju o magnetskim nabojima kao da oni stvarno postoje. Zapravo, ovo je samo jedan od načina da se opiše magnetno polje u prostoru (opis magnetske interakcije). Kada detaljnije saznamo svojstva magnetnog polja, prestat ćemo koristiti ovu metodu. Treba nam, kao graditeljima šume, da podignemo zgradu. Nakon završetka izgradnje, skele se demontiraju i više se ne vide i više nisu potrebne.
Najzanimljivije je da (statičko) magnetsko polje nema efekta na električni naboj (ili dipol) u mirovanju, ali električno polje(statična) nema efekta na magnetne naboje (ili dipole) u mirovanju. Situacija je kao da polja postoje nezavisno jedno od drugog. Međutim, mir je, kao što znamo, relativan pojam. Prilikom odabira drugačijeg referentnog okvira, tijelo koje se "odmara" može postati "pokretno". Ispostavilo se da su električno i magnetsko polje jedno, a svako od polja su, takoreći, različite strane istog novčića.
Sada se lako može govoriti o odnosu električnog i magnetnog polja, a sve do početka 19. stoljeća električne i magnetske pojave nisu smatrane srodnim. Sumnjalo se na ovu vezu, tražila se eksperimentalna potvrda. Na primjer, francuski fizičar Arago prikupio je informacije o brodovima koji su skrenuli s kursa nakon što ih je udario grom. "Munja je pokvaren kompas" - postoji veza, ali kako ponoviti eksperiment? Još nije bilo moguće reprodukovati munje, pa je bilo nemoguće sprovesti sistematsko istraživanje.
Polazna tačka za razumijevanje veze između ovih fenomena bilo je otkriće koje se dogodilo 1820. Dancu Hansu Christianu Oerstedu. Utvrđen je uticaj električne struje koja teče kroz dugačku ravnu žicu na orijentaciju pokretne magnetne igle koja se nalazi pored žice. Strelica je težila da bude okomita na žicu. Suprotan fenomen: efekat magnetnog polja na električnu struju eksperimentalno je otkrio Amper.
Mala ravna zavojnica koja nosi struju doživljava i silu i orijentacioni efekat u magnetskom polju. Ako je magnetsko polje uniformno, tada je ukupna sila koja djeluje na zavojnicu sa strujom jednaka nuli, dok je zavojnica orijentirana (zauzima ravnotežni položaj), pri čemu je njegova ravnina okomita na smjer vektora indukcije magnetskog polja. Ovaj mehanički fenomen se također može koristiti za utvrđivanje jedinice indukcije magnetnog polja.
U narednih nekoliko godina nakon 1820. razjašnjene su glavne karakteristike interakcije provodnika sa strujom između sebe i sa trajnim magnetima. Neki od njih se danas zovu zakoni. Ovi zakoni su povezani sa imenima fizičara Ampera, Biota, Savarta, Laplacea. Najopćenitiji zaključci iz utvrđenih zakona interakcije pokazali su se sljedeći:
- Nabijene čestice stvaraju električno polje u prostoru oko sebe.
- Električno polje djeluje jednako na nabijene čestice, bilo da se kreću ili miruju.
- Pokretne nabijene čestice stvaraju magnetsko polje u prostoru oko sebe.
- Magnetno polje djeluje sila na nabijene čestice u pokretu, a ne djeluje na nabijene čestice u mirovanju.
- Električno i magnetsko polje koje stvara naelektrisana čestica, kada se promeni njen položaj i stanje kretanja, ne menjaju se trenutno u prostoru, već postoji kašnjenje.
Mi smo, proučavajući mehaniku, koristili Njutnove zakone iz kojih to sledi materijalna tačka, koji se kreće ubrzanjem u bilo kojem inercijskom referentnom okviru, ima isto ubrzanje u svim ostalim IFR-ovima, bez obzira na izbor. Sada se pokazalo da magnetsko polje djeluje samo na pokretne nabijene čestice. Zamislite da se u nekom IFR-u nabijena čestica kreće u magnetskom polju, ali ne postoji električno polje. Pređimo na drugi inercijalni referentni okvir, u kojem u datom trenutku razmatrana čestica ima nultu brzinu. Efekat sile iz magnetnog polja je nestao, a čestica se i dalje mora kretati ubrzano!!! Nešto nije u redu u Kraljevini Danskoj! Da bi naelektrisana čestica u mirovanju imala ubrzanje, mora biti u električnom polju!
Dakle - ispada da električna i magnetska polja nisu apsolutna, već zavise od izbora referentnog okvira. Prisustvo interakcije je apsolutno, ali kako će se ona opisati, na „električni“ ili „magnetski“ način, zavisi od izbora referentnog sistema. Stoga moramo shvatiti da električno i magnetsko polje nisu neovisni jedno o drugom. U stvari, bilo bi ispravno uzeti u obzir jedno elektromagnetno polje. Imajte na umu da je tačan opis polja dat u teoriji Jamesa Clerka Maxwella. Jednadžbe u ovoj teoriji su napisane na način da se njihov oblik ne mijenja pri kretanju iz jednog inercijalnog referentnog okvira u drugi. Ovo je prva "relativistička" teorija u fizici.
Električne struje i magnetno polje
Vratimo se na početak 19. vijeka. Tokom demonstracija na predavanjima na Univerzitetu G.Kh. Oersted je sam ili uz pomoć učenika skrenuo pažnju na činjenicu da je magnetna igla koja se zatekla u blizini žice promijenila svoj položaj kada je struja prošla kroz žicu. Detaljnije proučavanje fenomena pokazalo je da su, ovisno o veličini i smjeru struje u dugoj pravoj žici, magnetske igle bile orijentirane kao što je prikazano na slici:
Indukcijske linije su zatvorene, a u slučaju dugog pravog vodiča sa strujom, ove zatvorene linije imaju oblik krugova smještenih u ravninama okomitim na vodič sa strujom. Centri ovih krugova su na osi provodnika sa strujom. Smjer vektora magnetske indukcije u dati poen prostor (tangenta na liniju magnetne indukcije) određen je pravilom "desnog zavrtnja" (gimlet, šraf, vadičep). Smjer u kojem se vadičep pomiče, prikazan na slici, kada se okreće oko svoje ose, odgovara smjeru struje u dugoj pravoj žici, a smjerovi u kojima se pomiču krajnje točke njegove drške odgovaraju smjeru vektor magnetne indukcije na onim mjestima gdje se nalaze ovi krajevi drške.
Za šematski crtež sa koncentričnim krugovima, nabijene čestice u žici koja se nalazi okomito na ravan crteža kreću se duž ove žice, a ako bi se pozitivno nabijene čestice kretale, one bi otišle "daleko od nas izvan ove ravni". Ako se negativno nabijeni elektroni kreću u žici, onda se i oni kreću duž žice, ali "prema nama ispod ravnine slike".
Ometajući faktor bilo je Zemljino magnetsko polje. Što je struja u žici veća, to su strelice točnije bile orijentirane u smjeru tangente na kružnicu sa središtem na mjestu žice. Zaključak je sasvim očigledan - oko vodiča sa strujom pojavilo se magnetno polje. Magnetne strelice se nižu duž vektora indukcije magnetnog polja.
Prema trećem Newtonovom zakonu, magnetna igla (magnet ili njegovo magnetsko polje) zauzvrat također djeluje na provodnik koji nosi struju. Pokazalo se da na ravnom presjeku provodnika dužine L, kroz koji teče struja I, sa strane jednoličnog magnetskog polja sa indukcijom IN djeluje sila proporcionalna L, I i B, a smjer sile ovisi o međusobnoj orijentaciji vektora L I IN . Vector L poklapa se u smjeru sa smjerom brzine pozitivno nabijenih čestica koje stvaraju električnu struju u ovom komadu žice. Ova sila je dobila ime po jednom od aktivnih istraživača magnetnih fenomena - A.M. Amper.
F =K I [ L × B ].
Ovdje je K koeficijent proporcionalnosti. Uglaste zagrade označavaju vektorski proizvod dva vektora. Ako vodič nije ravan i magnetsko polje nije ravnomjerno, tada, u ovom slučaju, da biste pronašli silu koja djeluje na vodič koji nosi struju, morate ga (mentalno) razbiti na mnogo malih segmenata. Za svaki mali segment možemo pretpostaviti da se nalazi u uniformnom polju. Ukupna sila se nalazi zbrajanjem Amperovih sila na svim ovim segmentima.
Interakcija provodnika sa strujom
Struja u žici stvara magnetno polje u okolnom prostoru, a ovo magnetsko polje, zauzvrat, vrši silu na drugu žicu koja nosi struju. (2) U SI sistemu jedinica jedinica jačine struje 1 Amper se određuje iz interakcije sile paralelnih provodnika sa strujom. Dva tanka duga paralelna provodnika, smještena na udaljenosti od 1 metar jedan od drugog, kroz koja identične nepromjenjive struje teku u istom smjeru sa silom od 1 Ampera, privlače se jedan prema drugom silom od 2 × 10 -7 Njutna po metar dužine provodnika.U SI sistemu, u formuli za Amperovu silu, koeficijent proporcionalnosti K je odabran da bude jednak jedan:
F =ja[ L × B ].
Lorencova sila
Ako izraz za veličinu struje, sastavljen od članova koje stvara svaka pokretna nabijena čestica, zamijenimo formulom za Amperovu silu, tada možemo zaključiti da u magnetskom polju sila djeluje na svaku pokretnu nabijenu česticu:F =q[ v × IN ].
U prisustvu električnog i magnetskog polja u svemiru, nabijena čestica doživljava djelovanje sile:
F =q[ v × IN ] + q E .
Sila koja djeluje na nabijenu česticu u elektromagnetnom polju naziva se Lorentzova sila. Ovaj izraz za silu je uvijek tačan, i to ne samo za stacionarna polja.
Ako izračunamo rad Lorentzove sile, koji ona obavlja pri elementarnom pomaku čestice, tada se izraz za silu mora skalarno pomnožiti sa umnoškom v Δt. Prvi član u formuli za Lorentzovu silu je vektor okomit na brzinu čestice, pa se pomnoži sa v Δt daje nulu.
Dakle, magnetska komponenta Lorentzove sile ne radi pri kretanju nabijene čestice, jer su odgovarajući elementarni pomaci i magnetska komponenta sile uvijek okomiti jedno na drugo.
Koje magnetsko polje stvara struja?
Eksperimenti Biota i Savarta i teorijski rad Laplacea (svi francuski fizičari) doveli su do formule za pronalaženje doprinosa svakog malog dijela provodnika sa strujom "zajedničkom uzroku" - stvaranju indukcije magnetskog polja. vektor u datoj tački u prostoru..Prilikom izvođenja (tačnije: odabira) opće formule, pretpostavljalo se da se ukupno polje sastoji od odvojeni dijelovi, a princip superpozicije je ispunjen, odnosno polja stvorena različitim presjecima provodnika sa strujom se dodaju kao vektori. Svaki dio provodnika sa strujom, a zapravo svaka pokretna nabijena čestica, stvara magnetsko polje u okolnom prostoru. Rezultirajuće polje u datoj tački nastaje kao rezultat dodavanja vektora magnetske indukcije koje stvara svaki dio provodnika sa strujom.
Elementarna komponenta vektora magnetske indukcije Δ IN , stvoren malim dijelom provodnika Δ l sa strujom I u tački u prostoru koja se po položaju razlikuje od ovog preseka provodnika za vektor R , je u skladu sa formulom:
Δ IN = (μ 0 /4π) I [Δ l × R ]/R 3 .
Ovdje [Δ l × R ] je unakrsni proizvod dva vektora. Dimenzionalni koeficijent (μ 0 /4π) je uveden upravo u ovom obliku u SI sistem iz razloga pogodnosti, koji, ponavljamo, u školske fizike se uopšte ne pojavljuju.
Polje koje stvara provodnik proizvoljnog oblika, kao i obično, nalazi se zbrajanjem elementarnih vektora magnetske indukcije koje stvaraju mali dijelovi ovog vodiča. Svi eksperimentalni rezultati sa jednosmjernim strujama potvrđuju predviđanja dobivena korištenjem gore napisane formule, koja nosi naziv: Biot - Savart - Laplace.
Prisjetimo se definicije struje koju smo uveli prošlog semestra. Struja je tok vektora gustine struje kroz odabranu površinu. Formula za pronalaženje gustine struje uključivala je zbir svih pokretnih nabijenih čestica:
J = Σq i v i /V, I=( J S )
Biot-Savart-Laplace formula, dakle, uključuje proizvod (Δ ls ), a to je volumen provodnika u kojem se kreću nabijene čestice.
Može se zaključiti da magnetsko polje koje stvara sekcija sa strujom nastaje kao rezultat zajedničkog djelovanja svih nabijenih čestica ove sekcije. Doprinos svake čestice koja ima naboj q i kreće se brzinom v jednako:
IN = (μ 0 /4π) q [ v × R ]/R 3 = μ 0 ε 0 [ v × E ],
Gdje E = q R /(4πε 0 R 3).
Evo R je vektor radijusa, čiji se početak nalazi u tački gdje se nalazi čestica, a kraj vektora nalazi se u tački u prostoru gdje se traži magnetsko polje. Drugi dio formule pokazuje kako su električno i magnetsko polje koje stvara nabijena čestica u istoj tački u prostoru međusobno povezane.
E - električno polje koje stvara ista čestica u istoj tački u prostoru. μ 0 =
4π×10 -7 H/m - magnetna konstanta.
"Necentralnost" sila elektromagnetne interakcije
Ako uzmemo u obzir interakciju dvije tačke koje se kreću nabijene identične čestice, onda pažnju privlači činjenica da sile koje opisuju ovu interakciju nisu usmjerene duž prave linije koja povezuje čestice. Zaista, električni dio interakcijskih sila usmjeren je duž ove prave linije, dok magnetni dio nije.Neka su sve ostale čestice veoma udaljene od ovog para čestica. Odaberimo da opišemo interakciju referentni sistem povezan sa centrom mase ovih čestica.
Zbir unutrašnjih električnih sila očito je jednak nuli, jer su usmjerene u suprotnim smjerovima, smještene duž jedne prave linije i jednake jedna drugoj po veličini.
Zbir magnetnih sila je također nula:
Qμ 0 ε 0 [ v 2 [v 1 × E 1 ]] + qμ 0 ε 0 [ v 1 [v 2 × E 2 ]] = 0
v 2 = – v 1 ; E 1 = – E 2 .
A evo zbroja trenutaka unutrašnje sile ne može biti nula:
Qμ 0 ε 0 [ R 12 [v 2 [v 1 × E 1 ]]] = qμ 0 ε 0 [ v 1 × E 1 ](R 12 v 2 ).
Može se činiti da je pronađen primjer koji pobija treći Newtonov zakon. Međutim, treba napomenuti da je sam treći zakon formulisan u obliku modela, pod uslovom da postoje samo dva učesnika u interakciji, i da ne razmatra prirodu prenosa interakcije na daljinu. U ovom slučaju, u događaju su tri učesnika: dvije čestice i elektromagnetno polje u prostoru oko njih. Ako je sistem izoliran, onda je za njega kao cjelinu zadovoljen zakon održanja količine gibanja i ugaonog momenta, jer ne samo čestice, već i samo elektromagnetno polje ima ove karakteristike kretanja. Iz ovoga slijedi da je potrebno razmotriti interakciju pokretnih nabijenih čestica, uzimajući u obzir promjene u prostoru elektromagnetno polje. Razgovarat ćemo (u jednom od sljedećih odjeljaka) o nastanku i širenju u svemiru elektromagnetnih talasa u ubrzanom kretanju nabijenih čestica.
Ako odaberemo neki drugi referentni okvir u kojem su moduli brzina ovih čestica v 1 i v 2, tada je omjer modula magnetske komponente sile interakcije između čestica i električne komponente manji ili jednak na vrijednost:
To znači da pri brzinama čestica koje su mnogo niže od brzine svjetlosti, glavnu ulogu igra električna komponenta interakcije.
U situacijama kada se električni naboji međusobno kompenzuju u žicama, električni dio interakcije sistema koji se sastoji od velikog broja nabijenih čestica postaje mnogo manji od magnetnog dijela. Ova okolnost omogućava proučavanje magnetske interakcije "odvojeno" od električne.
Merači i zvučnici
Nakon otkrića Oersteda i Amperea, fizičari su dobili instrumente za snimanje struje: galvanometre. Ovi uređaji koriste interakciju struje i magnetnog polja. Neki od današnjih uređaja koriste trajne magnete, a neki koriste struju za stvaranje magnetnog polja. Sada se nazivaju drugačije - ampermetar, voltmetar, ohmmetar, vatmetar itd. ali u osnovi su svi uređaji ovog tipa isti. U njima magnetsko polje djeluje na zavojnicu sa strujom.IN merni instrumenti kalem sa strujom se nalazi tako da na njega sa strane magnetskog polja deluje mehanički moment sila. Zavojna opruga pričvršćena na zavojnicu stvara mehanički moment koji djeluje na zavojnicu. Položaj ravnoteže se postiže kada se okvir sa strujom zakrene za ugao koji odgovara struji koja teče. Strelica je pričvršćena na zavojnicu, ugao rotacije strelice služi kao mjera struje.
U uređajima magnetoelektričnog sistema magnetsko polje je konstantno. Nastaje pomoću permanentnog magneta. U uređajima elektromagnetnog sistema, magnetsko polje stvara struja koja teče kroz fiksni kalem. Mehanički moment sila je proporcionalan umnošku struje pomične zavojnice i indukcije magnetskog polja, što je zauzvrat proporcionalno struji u fiksnoj zavojnici. Ako su, na primjer, struje u oba namotaja uređaja elektromagnetskog sistema proporcionalne jedna drugoj, tada je moment sila proporcionalan kvadratu struje.
Inače, Vaši omiljeni dinamički zvučnici stvoreni su na osnovu interakcije struje i magnetnog polja. U njima je zavojnica kroz koju prolazi struja smještena tako da sa strane magnetskog polja na njega djeluje sila duž ose zvučnika. Veličina sile je proporcionalna struji u zavojnici. Promjena smjera struje u zavojnici dovodi do promjene smjera sile.
Amperova hipoteza
Da bi objasnio unutrašnju strukturu permanentnih magneta (napravljenih od feromagnetnih materijala), Amper je iznio pretpostavku - hipotezu - da se materijal magneta sastoji od velikog broja malih strujnih kola. Svaki molekul supstance formira malu petlju sa strujom. Unutar materijala magneta u cijelom volumenu, molekularne struje se međusobno kompenzuju, a na površini objekta kao da teče "površinska" struja. Ako unutar magnetnog tijela postoji šupljina, tada duž površine ove šupljine teče i nekompenzirana "površinska" struja.Ova površinska struja stvara u prostoru koji okružuje magnet potpuno isto magnetno polje kao struje svih molekula magneta kada djeluju zajedno.
Amperova hipoteza je nekoliko decenija čekala svoju eksperimentalnu potvrdu i na kraju se u potpunosti opravdala. Prema modernim konceptima, neki atomi i molekuli imaju svoje magnetne momente povezane s kretanjem nabijenih čestica unutar njih, od kojih se ti atomi i molekuli sastoje. Kako se pokazalo, same nabijene čestice, od kojih su izgrađeni atomi i molekule, imaju magnetne dipolne momente povezane s mehaničkim unutrašnjim kretanjem ovih čestica. (3)
Amperova hipoteza omogućava napuštanje modela magnetnih naboja, jer sasvim adekvatno objašnjava porijeklo magnetske interakcije.
Zadaci:
- Dva magneta sa dugim šipkama leže jedan pored drugog "pol do pola". Sjever je pored sjevera, a jug je pored juga. Na liniji, koja je nastavak magneta u tački A, koja se nalazi na udaljenosti L od njoj najbližih polova, stvara se magnetsko polje sa indukcijom B. Dobili ste zadatak da povećate indukciju polja u tački A za 1.414 puta, i promijenite smjer polja u ovoj tački za 45°. Dozvoljeno je pomicanje jednog od magneta. Kako ćete završiti zadatak?
- Tokom ekspedicije na sjeverni magnetni pol Zemlje, članovi ekspedicije postavili su na ravnu horizontalnu ledenu površinu oko pola N = 1000 vrlo laganih stativa, svaki visine L = 1 m i postolja prečnika D = 10 cm, a rastegnuta metalna žica s površinom od presjek S \u003d 1 mm 2. Rezultat je ravan poligon oblika bliskog prstenu poluprečnika R = 100 m. Kolika je minimalna jednosmjerna struja koja mora proći kroz žicu da svi tronošci padnu unutar poligona formiranog od njihovih baza? Veličina indukcije magnetnog polja B u blizini pola na površini Zemlje je 10 -4 T. Gustoća ρ materijala žice je 10 4 kg/m 3 .
- Dvije tanke paralelne žice nose jednake struje u suprotnim smjerovima. Žice su na udaljenosti L jedna od druge. U tački A, koja se nalazi na udaljenosti L i od jedne i druge žice, struje su stvorile magnetsko polje sa indukcijom B. Na dnu žica, smjer struje se promijenio u suprotan, ali je veličina struje ostala isto. Kako se promijenila indukcija magnetskog polja (po veličini i smjeru) u ovoj tački A?
- Na glatko horizontalni sto leži okrugli namotaj žice od tvrde žice. Poluprečnik zavojnice je R. Masa zavojnice je M. U prostoru postoji jednolično horizontalno magnetsko polje sa indukcijom B. Opišite njegovo kretanje nakon prolaska takve struje.
- Čestica mase M i naboja Q kreće se u jednoličnom magnetskom polju sa indukcijom B. Brzina čestice čini ugao & (alfa) sa vektorom indukcije magnetnog polja. Opišite prirodu kretanja čestica. Kakav je oblik njegove putanje?
- Nabijena čestica je ušla u područje prostora u kojem postoje homogeno i međusobno okomito električno polje E i magnetsko polje B. Čestica se kreće konstantnom brzinom. Koja je njegova minimalna moguća vrijednost?
- Dva protona koja se kreću u jednoličnom magnetskom polju B = 0,1 T su stalno na istoj udaljenosti L = 1 m jedan od drugog. Pri kojim minimalnim brzinama protona je to moguće?
- U području prostora između ravnina X = A i X = C postoji jednolično magnetsko polje B usmjereno duž ose Y. Čestica mase M i naboja Q leti u ovo područje prostora, ima brzinu V usmjerena duž ose Z. Koliki će ugao biti čestica brzine sa ravninom X =const nakon što izađe iz područja sa magnetnim poljem? Osi X,Y,Z međusobno okomite.
- Dugačak (L) homogeni štap je napravljen od "slabo magnetskog" (neferomagnetnog) materijala. Okačen je za sredinu na tanki dugački konac u laboratoriji koja se nalazi blizu ekvatora. U polju gravitacije i u magnetnom polju Zemlje, štap se nalazi horizontalno. Štap je izvučen iz ravnoteže okretanjem za ugao od 30° oko vertikalne ose koja se poklapa sa navojem. Štap je ostao nepomičan i pušten. Nakon 10 sekundi, štap je prošao ravnotežni položaj. Nakon kojeg minimalnog vremena će ponovo proći ravnotežni položaj? Zatim je štap isječen na dva štapa jednake dužine L/2. Sa jednim od njih uradio je isti eksperiment. S kojim periodom skraćeni štap vrši male oscilacije u blizini ravnotežnog položaja?
- Na osi malog cilindričnog magneta nalazi se mala "slaba" lopta. Udaljenost L od lopte do magneta je mnogo veća od dimenzija magneta i lopte. Tijela se privlače jedno drugom silom F. Kojom silom će se privući ako se razmak između njih smanji za 2 puta? Lopta ostaje na osi magneta.
1 Istorijski nazivi ne odražavaju adekvatno značenje uvedenih veličina koje karakterišu električne i magnetske komponente „elektromagnetnog polja“, pa se nećemo baviti etimologijom ovih reči.
2 Podsjetimo da smo koristili približno istu formulaciju kada smo raspravljali o interakciji električnih naboja.
3 U ovom slučaju mislimo na takvo svojstvo elementarnih čestica kao što je njihov vlastiti mehanički moment momenta - spin.
Magnetizam se proučava od davnina, a u posljednja dva stoljeća postao je osnova moderne civilizacije.
Čovječanstvo je prikupljalo znanje o magnetskim pojavama najmanje tri i po hiljade godina (prva zapažanja električnih sila dogodila su se milenijum kasnije). Prije četiri stotine godina, u zoru fizike, magnetska svojstva supstanci su odvojena od električnih, nakon čega su se obje dugo proučavale nezavisno. Tako je stvorena eksperimentalna i teorijska baza, koja je sredinom 19. stoljeća postala osnova jedinstvene teorije. elektromagnetne pojave Najvjerovatnije, neobična svojstva Prirodni mineral magnetit (magnetna željezna ruda, Fe3O4) bio je poznat u Mezopotamiji još u bronzanom dobu. A nakon pojave metalurgije željeza, bilo je nemoguće ne primijetiti da magnetit privlači željezne proizvode. Razloge za ovu privlačnost mislio je već otac grčke filozofije, Tales iz Mileta (otprilike 640-546 pne), koji je to objasnio posebnom animacijom ovog minerala (Tales je takođe znao da ćilibar utrljan o vunu privlači suvo lišće i sitne čips, i stoga ga je obdario duhovnom snagom). Kasniji grčki mislioci govorili su o nevidljivim parama koje obavijaju magnetit i željezo i privlače ih jedno drugom. Nije iznenađujuće da sama riječ "magnet" također ima grčke korijene. Najvjerovatnije seže do imena Magnesia-u-Sipila, grada u Maloj Aziji, u čijoj se blizini nalazio magnetit. Grčki pesnik Nikandar je pomenuo pastira Magnisa, koji se našao pored stene koja je povukla gvozdeni vrh njegovog štapa prema njemu, ali ovo je, po svoj prilici, samo lepa legenda.
Zainteresovali su se i prirodni magneti Ancient China. Sposobnost magnetita da privuče gvožđe pominje se u raspravi "Prolećni i jesenji zapisi majstora Liua", datiranoj 240. pne. Stoljeće kasnije, Kinezi su primijetili da magnetit ne utječe ni na bakar ni na keramiku. U 7.-8. vijeku /bm9icg===>Heh, shvatili su da se slobodno viseća magnetizovana gvozdena igla okreće prema Severnjači. Kao rezultat toga, pravi morski kompasi pojavili su se u Kini u drugoj polovini 11. stoljeća; evropski mornari su ih ovladali stotinu godina kasnije. Otprilike u isto vrijeme, Kinezi su otkrili da je magnetizirana igla usmjerena na istok prema sjeveru i time otkrili magnetnu deklinaciju, daleko ispred evropskih moreplovaca po ovom pitanju, koji su do ovog zaključka došli tek u 15. stoljeću.
mali magneti
U feromagnetu, unutrašnji magnetni momenti atoma se poredaju paralelno (energija takve orijentacije je minimalna). Kao rezultat, formiraju se magnetizirana područja, domeni su mikroskopski (10–4–10–6 m) trajni magneti razdvojeni zidovima domena. U nedostatku vanjskog magnetskog polja, magnetni momenti domena su nasumično orijentirani u feromagnetu; u vanjskom polju granice počinju da se pomiču, tako da domeni s momentima paralelnim polju pomiču sve ostale - feromagnet je magnetizirani.
Rođenje nauke o magnetizmu
Prvi evropski opis svojstava prirodnih magneta napravio je Francuz Pierre de Maricourt. Godine 1269. služio je u vojsci kralja Sicilije, Karla Anžujskog, koji je opkolio italijanski grad Lucera. Odatle je prijatelju u Pikardiju poslao dokument, koji je ušao u istoriju nauke kao "Pismo o magnetu" (Epistola de Magnete), gde je govorio o svojim eksperimentima sa magnetnom gvozdenom rudom. Marikur je primijetio da u svakom komadu magnetita postoje dvije oblasti koje posebno snažno privlače željezo. Vidio je paralelu između ovih zona i polova nebeske sfere i pozajmio njihova imena za područja maksimalne magnetske sile - zato sada govorimo o sjevernom i južnom magnetnom polu. Ako razbijete komad magnetita na dva dijela, piše Marikur, svaki fragment ima svoje polove. Marikur ne samo da je potvrdio da i privlačenje i odbijanje nastaju između komada magnetita (to je već bilo poznato), već je po prvi put povezao ovaj efekat sa interakcijom između suprotnih (sjevernog i južnog) ili sličnih polova.
Mnogi istoričari nauke Maricourt smatraju neospornim pionirom evropske eksperimentalne nauke. U svakom slučaju, njegove bilješke o magnetizmu objavljene su u desetinama lista, a nakon pojave štampe objavljene su kao poseban pamflet. S poštovanjem su ih citirali mnogi prirodoslovci sve do 17. stoljeća. Ovaj rad bio je dobro poznat engleskom prirodoslovcu i liječniku (liječniku života kraljice Elizabete i njenog nasljednika Jakova I) Williamu Gilbertu, koji je 1600. godine objavio (očekivano, na latinskom) divno djelo „O magnetu, magnetnim tijelima i veliki magnet - Zemlja". U ovoj knjizi Gilbert ne samo da je pružio praktički sve poznate informacije o svojstvima prirodnih magneta i magnetiziranog željeza, već je opisao i vlastite eksperimente s magnetitnom kuglom, uz pomoć kojih je reproducirao glavne karakteristike zemaljskog magnetizma. Na primjer, otkrio je da je na oba magnetna pola takve "male Zemlje" (na latinskom terrella), igla kompasa postavljena okomito na njenu površinu, na ekvatoru - paralelno, a na srednjim geografskim širinama - u srednjem položaju. Tako je Hilbert modelirao magnetnu inklinaciju, za čije je postojanje u Evropi bilo poznato više od pola stoljeća (1544. godine ovaj fenomen je prvi opisao nirnberški mehaničar Georg Hartmann).
Revolucija u navigaciji. Kompas je revolucionirao pomorsku navigaciju, čineći globalno putovanje ne izoliranim događajem, već uobičajenom uobičajenom rutinom.
Gilbert je na svom modelu reproducirao geomagnetsku deklinaciju, koju je pripisao ne idealno glatka površina loptu (i stoga je na planetarnoj skali ovaj efekat objasnio privlačenjem kontinenata). Otkrio je da jako zagrijano gvožđe gubi svoja magnetna svojstva, ali kada se ohladi, ona se obnavljaju. Konačno, Gilbert je bio prvi koji je povukao jasnu razliku između privlačenja magneta i privlačenja protrljanog ćilibara, koju je nazvao električna sila (od latinskog naziva za ćilibar, electrum). Općenito, to je bio izuzetno inovativan rad, koji su cijenili i savremenici i potomci. Hilbertova izjava da Zemlju treba smatrati "velikim magnetom" bila je drugi fundamentalni naučni zaključak o tome fizička svojstva našu planetu (prvo je otkriće njene sferičnosti, napravljeno još u antici).
Dva veka pauze
Nakon Hilberta, nauka o magnetizmu je veoma malo napredovala do početka 19. veka. Ono što je urađeno za ovo vrijeme bukvalno se može na prste nabrojati. Godine 1640., Galileov učenik, Benedetto Castelli, objasnio je privlačenje magnetita prisustvom mnogih sićušnih magnetnih čestica u njegovom sastavu - prva i vrlo nesavršena pretpostavka da prirodu magnetizma treba tražiti na atomskom nivou. Holanđanin Sebald Brugmans je 1778. primijetio da se bizmut i antimon međusobno odbijaju od polova magnetne igle - to je bio prvi primjer fizičkog fenomena koji je 67 godina kasnije Faraday nazvao dijamagnetizmom. Godine 1785. Charles-Augustin Coulomb je preciznim mjerenjima na torzijskoj vagi pokazao da je sila interakcije magnetnih polova obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih - baš kao i sila interakcije između električnih naboja (1750. Englez John Michell došao je do sličnog zaključka, ali je Kulonov zaključak mnogo pouzdaniji).
Ali proučavanje elektriciteta u tim godinama pomicalo se skokovima i granicama. Ovo nije teško objasniti. Jedini primarni izvori magnetske sile ostali su prirodni magneti - nauka nije poznavala druge. Njihova snaga je stabilna, ne može se ni mijenjati (osim ako se može uništiti zagrijavanjem), a još manje proizvesti po volji. Jasno je da je ova okolnost ozbiljno ograničila mogućnosti eksperimentatora.
Struja je bila u mnogo boljem položaju jer se mogla nabaviti i akumulirati. Prvi generator statičkog naboja sagradio je 1663. godine burgomajstor Magdeburga Otto von Guericke (čuvene magdeburške hemisfere su također njegova zamisao). Stoljeće kasnije, takvi su generatori postali toliko rašireni da su čak demonstrirani na prijemima u visokom društvu. Godine 1744., Nijemac Ewald Georg von Kleist i nešto kasnije Holanđanin Pieter van Muschenbroek izumili su Leidensku teglu, prvi električni kondenzator; U isto vrijeme pojavili su se i prvi elektrometri. Kao rezultat toga, do kraja 18. veka nauka je znala mnogo više o elektricitetu nego na svom početku. Ali isto se ne može reći za magnetizam.
A onda se sve promijenilo. Godine 1800. Alessandro Volta je izumio prvi hemijski izvor električne struje - galvansku bateriju, poznatu i kao voltaični stub. Nakon toga, otkriće veze između elektriciteta i magnetizma postalo je pitanje vremena. To se moglo dogoditi već sljedeće godine, kada je francuski hemičar Nicolas Gautero primijetio da se dvije paralelne žice koje vode struju privlače jedna drugoj. Međutim, ni on, ni veliki Laplace, ni izuzetni eksperimentalni fizičar Jean-Baptiste Biot, koji je kasnije promatrao ovaj fenomen, nisu tome pridavali nikakvu važnost. Stoga je prioritet s pravom dobio naučnik koji je davno pretpostavio postojanje takve veze i posvetio mnogo godina traženju nje.
Od Kopenhagena do Pariza
Svi su čitali bajke i priče Hansa Kristijana Andersena, ali malo ljudi zna da je budući autor Golog kralja i Palčića stigao u Kopenhagen kao četrnaestogodišnji tinejdžer, pronašao prijatelja i pokrovitelja u ličnosti svog dvostruki imenjak, obični profesor fizike i hemije na Univerzitetu u Kopenhagenu Hans Christian Oersted. I jedni i drugi proslavili su svoju zemlju cijelom svijetu.
Raznolikost magnetnih polja Amper je proučavao interakciju između paralelnih provodnika sa strujom. Njegove ideje razvio je Faraday, koji je predložio koncept magnetskog linije sile.
Oersted je od 1813. sasvim svjesno pokušavao uspostaviti vezu između elektriciteta i magnetizma (bio je pristalica velikog filozofa Imanuela Kanta, koji je vjerovao da sve prirodne sile imaju unutrašnje jedinstvo). Oersted je koristio kompase kao indikatore, ali dugo vremena bezuspješno. Oersted je očekivao da je magnetna jačina struje paralelna sama sa sobom, a da bi postigao maksimalni obrtni moment imao je električna žica okomito na iglu kompasa. Naravno, strelica nije reagirala na uključivanje struje. I tek u proljeće 1820., tokom predavanja, Oersted je razvukao žicu paralelnu sa strijelom (ili da vidi šta će iz toga ispasti, ili je imao novu hipotezu - o tome se još uvijek raspravljaju istoričari fizike). I tada je strelica zamahnula - ne previše (Oersted je imao bateriju male snage), ali ipak primjetno.
Istina, veliko otkriće se još nije dogodilo. Oersted je iz nekog razloga prekinuo eksperimente na tri mjeseca i vratio im se tek u julu. I tada je shvatio da je "magnetni efekat električne struje usmjeren duž krugova koji pokrivaju ovu struju." Ovo je bio paradoksalan zaključak, jer se ranije rotirajuće sile nisu pojavljivale ni u mehanici ni u bilo kojoj drugoj grani fizike. Oersted je iznio svoje nalaze u članku i 21. jula ih poslao nekolicini naučni časopisi. Tada se više nije bavio elektromagnetizmom, a štafeta je prešla na druge naučnike. Parižani su to prvi prihvatili. O Oerstedovom otkriću je 4. septembra na sastanku Akademije nauka govorio poznati fizičar i matematičar Dominic Arago. Njegov kolega Andre-Marie Ampere odlučio je proučavati magnetsko djelovanje struja i bukvalno sljedećeg dana započeo je eksperimente. Prije svega, ponovio je i potvrdio Oerstedove eksperimente, a početkom listopada otkrio je da se paralelni provodnici privlače ako kroz njih struje u istom smjeru, a odbijaju se ako su u suprotnim smjerovima. Ampere je proučavao interakciju između neparalelnih provodnika i predstavio je formulom (Amperov zakon). Takođe je pokazao da se provodnici sa strujom namotaju u spiralu u magnetskom polju, poput igle kompasa (a u međuvremenu je izmislio solenoid - magnetni kalem). Konačno, iznio je hrabru hipotezu: neprigušene mikroskopske paralelne kružne struje teku unutar magnetiziranih materijala, što uzrokuje njihovo magnetsko djelovanje. U isto vrijeme, Biot i Felix Savart su zajedno identificirali matematičku vezu koja omogućava određivanje intenziteta magnetskog polja stvorenog jednosmjernom strujom (Biot-Savartov zakon).
Da bi naglasio novinu proučavanih efekata, Ampere je predložio termin "elektrodinamički fenomeni" i stalno ga koristio u svojim publikacijama. Ali to još nije bila elektrodinamika u modernom smislu. Oersted, Ampere i njihove kolege radili su s jednosmjernim strujama koje su stvarale statičke magnetne sile. Fizičari su samo trebali otkriti i objasniti istinski dinamične nestacionarne elektromagnetne procese. Ovaj problem je riješen 1830-1870-ih godina. U tome je umiješalo desetak istraživača iz Evrope (uključujući Rusiju, sjetimo se Lenzove vladavine) i SAD. Međutim, glavna zasluga nesumnjivo pripada dvojici titana britanske nauke - Faradeju i Maksvelu.
Londonski tandem
Za Michaela Faradaya, 1821. je bila zaista sudbonosna godina. Dobio je željenu poziciju superintendenta Kraljevske institucije u Londonu i, praktički slučajno, započeo istraživački program koji mu je dao jedinstveno mjesto u istoriji svjetske nauke.
Magnetno i ne tako. Razne supstance u vanjskom magnetskom polju ponašaju se drugačije, to je zbog različitog ponašanja intrinzičnih magnetnih momenata atoma. Najpoznatiji su feromagneti, postoje paramagneti, antiferomagneti i ferimagneti, kao i dijamagneti, čiji atomi nemaju svoje magnetne momente (u vanjskom polju su slabo magnetizirani "nasuprot polja").
Desilo se ovako. Urednik Annals of Philosophy, Richard Philips, pozvao je Faradaya da napiše kritički osvrt na novi rad o magnetskom djelovanju struje. Faraday ne samo da je slijedio ovaj savjet i objavio Istorijsku skicu elektromagnetizma, već je započeo i svoje istraživanje koje se protezalo dugi niz godina. U početku je on, kao i Amper, ponovio Oerstedov eksperiment, nakon čega je nastavio dalje. Do kraja 1821. napravio je uređaj u kojem se provodnik sa strujom okreće oko šipkastog magneta, a drugi magnet oko drugog provodnika. Faraday je sugerirao da su i magnet i žica pod strujom okruženi koncentričnim linijama sile, linijama sile, koje određuju njihov mehanički učinak. To je već bila klica koncepta magnetnog polja, iako sam Faraday nije koristio takav izraz.
U početku je poštovao linije sile pogodan metod opise zapažanja, ali se s vremenom uvjerio u njihovu fizičku stvarnost (posebno jer je pronašao način da ih promatra uz pomoć željeznih strugotina rasutih između magneta). Do kraja 1830-ih on je jasno shvatio da je energija, čiji su izvor trajni magneti i strujni provodnici, raspoređena u prostoru ispunjenom linijama sile. U stvari, Faraday je već razmišljao u teorijskom smislu, u čemu je bio daleko ispred svojih savremenika.
Ali njegovo glavno otkriće bilo je nešto drugo. U avgustu 1831. Faraday je uspio natjerati magnetizam da stvori električnu struju. Njegov instrument se sastojao od gvozdenog prstena sa dva suprotna namotaja. Jedna od spirala bi se mogla spojiti na električnu bateriju, a druga na provodnik koji se nalazi iznad magnetnog kompasa. Strelica nije promijenila položaj ako je jednosmjerna struja tekla kroz prvi kalem, ali se ljuljala tokom njegovog uključivanja i isključivanja. Faraday je shvatio da su u tom trenutku u drugom namotu nastali električni impulsi, zbog pojave ili nestanka magnetnih linija sile. Drugim riječima, otkrio je da su uzrok elektromotorne sile promjene u magnetskom polju. Ovaj efekat je otkrio i američki fizičar Joseph Henry, ali je svoje rezultate objavio kasnije od Faradaya i nije izveo tako ozbiljne teorijske zaključke.
Elektromagneti i solenoidi čine osnovu mnogih tehnologija, bez kojih je nemoguće zamisliti modernu civilizaciju: od proizvodnje električne energije, električnih generatora, elektromotora, transformatora do radio komunikacija i, općenito, gotovo cijele moderne elektronike.
Pred kraj svog života, Faraday je došao do zaključka da nova saznanja o elektromagnetizmu treba matematički formalizirati. Odlučio je da će ovaj zadatak biti na Džejmsu Klerk Maksvelu, mladom profesoru na koledžu Marišal u škotskom gradu Aberdinu, o čemu je pisao u novembru 1857. I Maxwell je zaista spojio svo tadašnje znanje o elektromagnetizmu u jednu matematičku teoriju. Ovaj rad se uglavnom odvijao u prvoj polovini 1860-ih, kada je postao profesor prirodne filozofije na King's College London. Koncept elektromagnetnog polja prvi put se pojavio 1864. godine u memoarima predstavljenim Kraljevskom društvu u Londonu. Maxwell je uveo ovaj termin da označi "onaj dio prostora koji sadrži i okružuje tijela koja su u električnom ili magnetskom stanju", a posebno je naglasio da taj prostor može biti ili prazan ili ispunjen bilo kojom vrstom materije.
Glavni rezultat Maxwellovog rada bio je sistem jednačina koje se odnose na elektromagnetne pojave. U svom Traktatu o elektricitetu i magnetizmu, objavljenom 1873. godine, nazvao ih je općim jednačinama elektromagnetnog polja, a danas se nazivaju Maxwellovim jednačinama. Kasnije su više puta generalizirani (na primjer, za opisivanje elektromagnetnih pojava u različitim medijima), a također su prepisani koristeći sve savršeniji matematički formalizam. Maxwell je također pokazao da ove jednačine prihvataju rješenja koja uključuju neprigušene poprečne valove, od kojih je vidljiva svjetlost poseban slučaj.
Maxwellova teorija predstavila je magnetizam kao posebnu vrstu interakcije između električnih struja. Kvantna fizika 20. veka dodala je samo dve nove tačke ovoj slici. Sada znamo da se elektromagnetske interakcije prenose fotonima i da elektroni i mnoge druge elementarne čestice imaju svoje magnetne momente. Sav eksperimentalni i teorijski rad u oblasti magnetizma izgrađen je na ovom temelju.
Oluje, itd. Kako nastaju? Po čemu se odlikuju?
Magnetizam
Magnetne pojave i svojstva zajednički se nazivaju magnetizmom. O njihovom postojanju se zna jako dugo. Pretpostavlja se da su Kinezi još prije četiri hiljade godina koristili ovo znanje za kreiranje kompasa i navigaciju na morskim putovanjima. Sprovođenje eksperimenata i ozbiljno proučavanje fizičkog magnetskog fenomena počelo je tek u 19. vijeku. Hans Oersted se smatra jednim od prvih istraživača u ovoj oblasti.
Magnetne pojave se mogu javiti i u Svemiru i na Zemlji, a pojavljuju se samo u granicama magnetnih polja. Takva polja nastaju iz električnih naboja. Kada su naelektrisanja stacionarna, oko njih se formira električno polje. Kada se kreću - magnetno polje.
Odnosno, pojava magnetnog polja javlja se pojavom električne struje ili naizmjeničnog električnog polja. Ovo je područje prostora unutar kojeg djeluje sila koja djeluje na magnete i magnetnih provodnika. Ima svoj smjer i smanjuje se kako se udaljava od svog izvora - provodnika.
magneti
Tijelo oko kojeg se formira magnetsko polje naziva se magnet. Najmanji od njih je elektron. Privlačenje magneta je najpoznatiji fizički magnetni fenomen: ako pričvrstite dva magneta jedan na drugi, oni će ili privlačiti ili odbijati. Sve je u njihovoj poziciji u odnosu jedni prema drugima. Svaki magnet ima dva pola: sjeverni i južni.
Kao što se polovi međusobno odbijaju, dok se suprotni polovi privlače. Ako ga prepolovite, onda sjeverni i Južni pol ne razdvajaju. Kao rezultat, dobićemo dva magneta, od kojih će svaki imati i dva pola.
Postoji veliki broj materijala koji imaju magnetna svojstva. To uključuje željezo, kobalt, nikal, čelik itd. Među njima su tečnosti, legure, hemijska jedinjenja. Ako se magneti drže blizu magneta, onda će i sami postati jedno.
Supstance kao što je čisto gvožđe lako stiču ovo svojstvo, ali se i brzo opraštaju od njega. Drugima (kao što je čelik) potrebno je duže da se magnetiziraju, ali zadržavaju efekat dugo vremena.
Magnetizacija
Gore smo utvrdili da magnetno polje nastaje kada se nabijene čestice kreću. Ali o kakvom kretanju možemo govoriti, na primjer, u komadu gvožđa koji visi na frižideru? Sve supstance se sastoje od atoma, koji sadrže pokretne čestice.
Svaki atom ima svoje magnetsko polje. Ali, u nekim materijalima, ova polja su nasumično usmjerena u različitim smjerovima. Zbog toga se oko njih ne stvara jedno veliko polje. Takve tvari nisu sposobne za magnetizaciju.
U drugim materijalima (gvožđe, kobalt, nikl, čelik), atomi su u stanju da se poredaju tako da su svi usmereni u istom pravcu. Kao rezultat, oko njih se formira zajedničko magnetsko polje i tijelo postaje magnetizirano.
Ispada da je magnetizacija tijela uređenje polja njegovih atoma. Da biste prekršili ovaj red, dovoljno ga je snažno udariti, na primjer, čekićem. Polja atoma će se početi haotično kretati i izgubiti svoja magnetna svojstva. Isto će se dogoditi ako se materijal zagrije.
Magnetna indukcija
Magnetni fenomeni su povezani sa pokretnim naelektrisanjem. Dakle, oko vodiča s električnom strujom sigurno će se pojaviti magnetsko polje. Ali može li biti obrnuto? Engleski fizičar Michael Faraday jednom je postavio ovo pitanje i otkrio fenomen magnetne indukcije.
Zaključio je da konstantno polje ne može izazvati električnu struju, ali promjenljivo može. Struja se generiše u zatvorena petlja magnetno polje i naziva se induktivnim. Elektromotorna sila će se u ovom slučaju promijeniti proporcionalno promjeni brzine polja koje prožima strujno kolo.
Faradejevo otkriće bilo je pravi proboj i donijelo je značajnu korist proizvođačima električne energije. Zahvaljujući njemu, postalo je moguće primati struju iz mehaničke energije. Zakon koji je naučnik izveo je primenjen i primenjuje se u uređajima elektromotora, raznih generatora, transformatora itd.
Zemljino magnetsko polje
Jupiter, Neptun, Saturn i Uran imaju magnetno polje. Naša planeta nije izuzetak. IN običan život mi to jedva primećujemo. Nije opipljivo, nema ukus ni miris. Ali s njim su povezani magnetski fenomeni u prirodi. Kao što su aurora, magnetne oluje ili magnetorecepcija kod životinja.
U stvari, Zemlja je ogroman, ali ne baš jak magnet, koji ima dva pola koja se ne poklapaju sa geografskim. Magnetne linije napuštaju južni pol planete i ulaze u sjeverni. To znači da je u stvari južni pol Zemlje sjeverni pol magneta (zato je na zapadu južni pol označen plavom bojom - S, a crvenom bojom sjeverni pol - N).
Magnetno polje se proteže stotinama kilometara od površine planete. Služi kao nevidljiva kupola koja reflektuje snažno galaktičko i sunčevo zračenje. Prilikom sudara čestica zračenja sa Zemljinom školjkom nastaju mnoge magnetne pojave. Pogledajmo najpoznatije od njih.
Magnetne oluje
Sunce ima snažan uticaj na našu planetu. Ne samo da nam daje toplinu i svjetlost, već i izaziva takve neugodne magnetne pojave kao što su oluje. Njihova pojava povezana je s povećanjem sunčeve aktivnosti i procesima koji se dešavaju unutar ove zvijezde.
Zemlja je stalno pod uticajem protoka jonizovanih čestica sa Sunca. Kreću se brzinom od 300-1200 km/s i okarakterizirani su kao solarni vjetar. Ali s vremena na vrijeme, na zvijezdi se dešavaju iznenadna izbacivanja ogromnog broja ovih čestica. Oni djeluju na Zemljinu školjku kao udari i uzrokuju osciliranje magnetskog polja.
Ove oluje obično traju do tri dana. U ovom trenutku, neki stanovnici naše planete se loše osjećaju. Vibracije školjke odražavaju se u nama glavoboljom, povećanim pritiskom i slabošću. U životu, osoba doživi u prosjeku 2.000 oluja.
Polarna svjetlost
U prirodi postoje i ugodniji magnetni fenomeni - sjeverno svjetlo ili aurora. Manifestira se u obliku nebeskog sjaja s brzom promjenom boja, a javlja se uglavnom na visokim geografskim širinama (67-70 °). Sa jakom aktivnošću Sunca, sjaj se uočava još niže.
Oko 64 kilometra iznad polova, naelektrisane solarne čestice susreću se sa udaljenim delovima magnetnog polja. Ovdje se neki od njih šalju na magnetne polove Zemlje, gdje stupaju u interakciju sa gasovima atmosfere, zbog čega se pojavljuje aurora.
Spektar sjaja ovisi o sastavu zraka i njegovoj razrijeđenosti. Crveni sjaj se javlja na nadmorskoj visini od 150 do 400 kilometara. Plave i zelene nijanse povezane su s visokim sadržajem kisika i dušika. Javljaju se na nadmorskoj visini od 100 kilometara.
magnetorecepcija
Glavna nauka koja proučava magnetne pojave je fizika. Međutim, neki od njih mogu biti povezani i sa biologijom. Na primjer, magnetna osjetljivost živih organizama je sposobnost prepoznavanja Zemljinog magnetnog polja.
Mnoge životinje, posebno migratorne vrste, imaju ovaj jedinstveni dar. Sposobnost magnetorecepcije pronađena je kod slepih miševa, golubova, kornjača, mačaka, jelena, nekih bakterija itd. Pomaže životinjama da se snalaze u svemiru i pronađu svoj dom, udaljavajući se od njega na desetine kilometara.
Ako osoba koristi kompas za orijentaciju, tada životinje koriste potpuno prirodne alate. Naučnici još uvijek nisu u stanju točno utvrditi kako i zašto magnetorecepcija funkcionira. No, poznato je da golubovi mogu pronaći svoj dom čak i ako ih odvedu stotinama kilometara od njega, dok pticu zatvaraju u potpuno mračnu kutiju. Kornjače pronalaze svoje rodno mjesto čak i godinama kasnije.
Zahvaljujući svojim "supermoći", životinje očekuju vulkanske erupcije, zemljotrese, oluje i druge kataklizme. Oni suptilno osjećaju fluktuacije u magnetnom polju, što povećava sposobnost samoodržanja.
Predložena tema je stidljiv pokušaj da se u nekom dijelu približi razumijevanje Stvoriteljeve namjere da stvori temelje za izgradnju i funkcioniranje Univerzuma. Smjer u kojem se može pokušati razumjeti njegova namjera je ukazao Vračar u svom komentaru 1184 na temu “Šta je gravitacija”: polja koja čine elementarne čestice. I u budućnosti će postojati fundamentalne čestice koje čine čestice etra. Ali uvijek i svugdje osnovni princip će biti čestice.”
U predloženoj temi se ne razmatraju čestice temeljnog principa koje čine čestice etra, pođimo od čega se eter sastoji.
Početne pretpostavke su slaba karika svake hipoteze. Odsustvo današnje mogućnosti eksperimentalne provjere početnih pretpostavki ne znači nužno da su one netačne, štoviše, eksperimentalni podaci mogu biti pogrešno protumačeni. Pogrešno protumačeni od strane Rutherforda, rezultati eksperimenata raspršenja alfa čestica, koje je on izveo 1911. godine, otežali su razumijevanje mehanizma komunikacije između atoma tokom jednog stoljeća. U jednom od komentara, che je napisao: "... na kraju krajeva, teorija se testira isključivo implementacijom prognoza koje ona generiše..." Predviđanje svojstava elemenata na osnovu proračuna izvedenih prema predloženoj strukturi elektrona shema će poslužiti kao apromacija hipoteze predložene u temi. Na svim crtežima u temi se ne poštuje razmera, prioritet je preglednost.
Početne pretpostavke.
Svaka interakcija se može prenijeti samo kontaktom.
U prirodi postoji samo kontaktna interakcija i kontinuirano kretanje čestica fundamentalnog principa („…„od toga se sastoji eter-vakum, od čega se stvaraju polja, od čega se sastoje elementarne čestice“), bez obzira da li se radi o pojedinačnim česticama. ili su dio formacije. Ove čestice prenose interakciju i učestvuju u njoj.
Univerzum je izgrađen na harmoničan odnos sekvence kontaktnih interakcija osnovnih čestica.
Jednostavni eksperimenti.
Iskustvo 1. Uzmimo trajni magnet i zabilježimo silu privlačenja magnetnog polja u određenoj tački (testno tijelo). Propustimo konstantnu električnu struju kroz magnet. Magnetno polje koje stvara električna struja mora biti usmjereno suprotno od magnetskog polja trajnog magneta. Povećat ćemo struju sukcesivnim mjerenjem otpora trajnog magneta. Do određene vrijednosti struje, otpor u magnetu se praktički neće promijeniti. Ni sila privlačnosti se neće promijeniti. At određenu vrijednost struje, dobijamo naglo smanjenje otpora trajnog magneta, dok privlačna sila naglo opada. Nakon toga, kada se zaustavi prijenos električne struje, magnetska svojstva trajnog magneta se ne vraćaju.
Iskustvo 2. Postavimo dva trajna magneta u posudu iz koje se ispumpava vazduh (stvara se vakuum). Interakcija magneta u kontejneru neće se ni na koji način razlikovati od njihove interakcije u normalnim atmosferskim uvjetima.
Iskustvo 3. Ohladimo posudu i, shodno tome, trajne magnete na temperaturu tečnog azota. Svojstva magneta nestaju i ne obnavljaju se kada se vrate u normalno okruženje atmosfere.
Fundamentalne čestice.
Magnetno polje trajnog magneta može postojati samo ako se naelektrisanja stalno kreću duž površine magneta. Atomi stupaju u interakciju s elektronima.
Svaka interakcija se može prenijeti samo kontaktom.
Da bi se osigurao prijenos naboja s jednog atoma na drugi atom, elektroni moraju sadržavati čestice koje prenose ovaj naboj. Ove čestice također moraju osigurati komunikaciju između atoma, kretanje naelektrisanja na površini trajnog magneta i struje u provodnicima. Iz toga slijedi
elektron se mora sastojati od čestica koje kontaktom prenose interakciju između atoma. Ove čestice i prenose interakciju i učestvuju u njoj..
Eter se sastoji od istih čestica. Haotično kretanje ovih čestica određuje temperaturu etera od oko 30K. Neutrini, fotoni, kvarkovi u protonima i neutroni sastoje se od istih čestica. Nazovimo ih zaista elementarnim česticama. Termin “zaista elementarno” će se koristiti u posebnoj temi kada se razmatra “...u budućnosti će postojati osnovni princip čestica koje čine čestice etra”.
Prema mojim idejama, da bi se održala harmonija u strukturi i funkcionisanju našeg univerzuma, elementarne čestice zaista moraju imati sledeće karakteristike. Uslovna veličina (prečnik) je oko 10-55m, gustina supstance je oko 5^10+6g/cm+3. Unutar supstance zaista elementarne čestice nalazi se područje (zona) u neravnotežnom stanju - "stres". Ekvivalent ovom stanju će se zvati pozitivnim nabojem. Vrijednost naboja svih čestica je ista q=10-20C. Zaista se elementarne čestice razlikuju jedna od druge po veličini područja "napetosti" u svojim supstancama. Broj zaista elementarnih čestica u jedinici zapremine etra je konstantan, oko 10 + 13 komada po kubni centimetar, prosječna brzina je oko 5^10+5m/sec.
Struktura elektrona.
Pošto je danas elektron testiran na diskretnost samo do veličine od 10-19 m, netačno je tvrditi da je nedjeljiv. Moderna ideja o elektronu kao čestici-valu koji ne učestvuje u kontaktnim interakcijama je netačna. Gore navedeni eksperimenti indirektno ukazuju na diskretnu strukturu elektrona.
Zamislimo elektron kao dinamički sistem zaista elementarnih čestica
(u daljem tekstu RE). Pretpostavimo da dva para identičnih RE, nazovimo ih osnovnim, međusobno djeluju u kontaktu - osciliraju u parovima oko jedne zajedničke tačke.
Rice. 1 Interakcija osnovnih elektronskih čestica
Oscilacije RE parova su pomaknute jedna u odnosu na drugu za pola perioda, linije oscilacija parova su okomite jedna na drugu. Period oscilovanja jedne baze RE je oko 5 ^ 10-25 sekundi, amplituda oscilovanja je oko 10-15 m.
Pretpostavimo da svaki bazni RE stupa u interakciju sa tri druga identična RE, nazovimo ih kontaktnim. Period oscilovanja jednog kontakta RE je oko 3^10-24 sek., prosečna amplituda oscilacije u normalnim uslovima oko 5^10-12m.
Rice. 2 Interakcija osnovnih i kontaktnih čestica - struktura elektrona.
Elektron se sastoji od šesnaest zaista elementarnih čestica koje osciliraju u dva koncentrična "sloja": u prvom - četiri (osnovni), u drugom - dvanaest (kontakt) RE. Strukturna notacija. U strukturi elektrona osigurana je dinamička simetrija - svaki RE (bazni) kontakt interaguje naizmjenično sa tri RE (kon). RE(con) oscilacije u elektronima atoma su sinhronizovane. Veličina elektrona (njegova uslovna sferna granica) je praktično određena amplitudom oscilovanja RE(con). Važno je napomenuti da RE(con), dostižući maksimalnu udaljenost od geometrijskog centra elektrona do njegove uslovne sferne granice, ne staje ni na trenutak, već se kreće duž eliptičnog polukruga, a zatim kreće u suprotnom smjeru.
U prirodi postoji samo kontaktna interakcija i kontinuirano kretanje istinski elementarnih čestica, bez obzira da li je riječ o jednoj čestici ili je dio formacije.
Naboj elektrona jednak je zbiru naboja RE njegovih komponenti q(e) = 10-20C. ^ 16kom \u003d 1,6 ^ 10-19 C.
U atomu, centar elektrona (tačka oko koje osciliraju RE(baze) elektrona) nalazi se od centra protona na udaljenosti od oko 1,4 radijusa protona. Područje kontaktnih interakcija RE(baze) sa RE(con) u slobodnom elektronu i u elektronu kao dio atoma vodika je lopta, kao dio atoma helija je hemisfera, sa povećanjem broja elementa smanjuje se. Segment područja kontaktnih interakcija RE(baza) sa RE(con) u elektronima atoma određen je brojem elementa. Zadati dizajn diskretne strukture elektrona je minimalno mogući, koji obezbjeđuje čitav niz veza elemenata i njihovih svojstava.
Formiranje magnetnog polja trajnog magneta.
U svakom elektronu u sastavu feromagnetnog atoma, devet RE (con) stvara vezu između atoma međusobnom razmjenom RE (con) između elektrona susjednih atoma. Tri RE(con) svakog elektrona na površini feromagneta ne učestvuju u interakcijama sa RE(con) elektrona susjednih atoma.
Prilikom magnetizacije, pod utjecajem vanjskog magnetskog polja na površini feromagneta, elektroni odstupaju od normalne geometrije vibracija tri RE(con), koje ne učestvuju u osiguravanju veze između atoma. Radijus eliptičnog polukruga se povećava sve dok ne dođe u kontakt sa RE(con) u elektronima susjednih atoma - RE(con) počnu prenositi zamah jedan drugom u smjeru vanjskog magnetskog polja. Na površini magneta postoji stalno kretanje naelektrisanja u jednom smjeru - kružna struja. Do kršenja simetrije i harmonije oscilacija ne dolazi, jer se položaj kontaktne tačke RE (con) sa RE (bazom) u elektronu ne menja. Zbog njihove malenosti, praktički nema otpora kretanju RE (con) duž eliptičnog polukruga, nema gubitka energije, pa se nakon uklanjanja vanjskog magnetskog polja kreće kretanje naboja na površini feromagneta. (kružna struja) je očuvana.
Brzina prijenosa momenta između RE(con) u elektronima susjednih atoma trajnog magneta uporediva je sa brzinom svjetlosti. Prosječna brzina kretanja RE etera je nekoliko redova veličine manja. Kada se sudare, RE etera dobiva impuls u smjeru kružne struje duž površine magneta - eter je poremećen.
Rice. 3 Pojava stalnog magnetnog polja
U početnom trenutku sudara, direktno na površini magneta, brzina RE etra je velika - perturbacija etra je maksimalna. Kako se udaljavate od površine magneta, brzina RE etra se smanjuje zbog sudara sa drugim RE eterom i na nekoj udaljenosti od magneta postaje jednaka prosječnoj brzini haotičnog kretanja RE etera - poremećaj etar nestaje.
Područje poremećenog etra, koje nastaje kao rezultat prijenosa momenta od RE(con) u elektronima susjednih atoma na površini trajnog magneta na RE etra, je magnetsko polje trajnog magneta. .
Razmotrite eksperimente predstavljene u ovoj temi.
Tri RE (con) svakog elektrona na površini feromagneta (provodnika), koji nisu uključeni u stvaranje veze između atoma, također učestvuju u prijenosu električne struje.
U ovom slučaju, tokom kretanja RE(con) između susednih elektrona, oni se sudaraju sa RE etra, tj. postoji perturbacija etra - magnetsko polje. Dakle, i u permanentnom magnetu i pri prijenosu struje iz vanjskog izvora, sva tri RE (con) svakog elektrona na površini feromagneta (provodnika) koji nisu uključeni u stvaranje veze između atoma učestvuju u formiranju magnetsko polje.
Nagli pad otpora trajnog magneta i pad privlačne sile pri određenoj vrijednosti jednosmjerne struje (eksperiment 1) objašnjavaju se činjenicom da RE(con) na površini magneta prestaje prenositi zamah svakom drugi tokom oscilacija i počinje da prenosi zamah u trenutku zamene RE(con) u elektronima susednih atoma (prenos struje iz spoljašnjeg izvora).
Ako se drugi trajni magnet dovede do trajnog magneta tako da su smjerovi njihovih kružnih struja suprotni, RE etera, koji je primio impuls od RE (con) u elektronima susjednih atoma, kretat će se jedan prema drugom - magneti će se odbijati. Kada se pravci površinskih kružnih struja poklope, RE eter će se „izmestiti“ iz prostora između magneta, a RE eter sa suprotnih strana će „gurati“ magnete jedan prema drugom. Sličan mehanizam "guranja" dva čamca se opaža kada se voda kreće između njih.
Kada se magneti ohlade (eksperiment 3), on se smanjuje na 10-13m. amplituda oscilacije RE(con) na površini magneta. Kao rezultat toga, u elektronima susjednih atoma na površini magneta, RE(con) devijacija postaje nedovoljna za njihovu kontaktnu interakciju, prijenos impulsa prestaje, a magnetsko polje nestaje.
Kretanje naelektrisanja na površini formacije (pojava magnetskog polja) moguće je ako formacija ima uređenu atomsku strukturu u određenoj mjeri. U ovom slučaju, RE(con) u elektronima susjednih atoma na površini formacije može, međusobnom interakcijom, prenijeti zamah RE etera u smjeru magnetskog polja. Prema ovom principu, postoji određena magnetizacija malog feromagneta stalnim magnetom i njihova interakcija. Budući da u kružnoj struji na površini trajnog magneta u normalnim uvjetima praktički nema otpora kretanju naboja, praktički nema gubitka energije, na primjer, tijekom magnetizacije malog feromagneta. Trajni magnet u normalnim uslovima može obavljati posao pomicanja feromagneta neograničeno. Rad se obavlja zahvaljujući energiji RE etra – iz prostora između trajnog magneta i feromagneta, RE etra se „premeštaju“, a RE etra sa suprotnih strana ih „guraju“ jedna u drugu. .
Sa neuređenom atomskom strukturom formiranja (dielektrika) ne može doći do prijenosa momenta između RE(con) u elektronima susjednih atoma, a zatim sa RE(con) na RE etera (eterska perturbacija) - magnetsko polje ne nastaje.
Pojava takozvanih „Abrikosovskih vrtloga“ objašnjava se prisustvom u zapremini supravodnika druge vrste u elektronima susednih atoma RE(con) koji ne učestvuju u stvaranju veza između atoma, tj. može osigurati kretanje naboja između njih - lokalnu kružnu struju. Dakle, samo diskretna struktura elektrona omogućava prirodno objašnjenje prirode magnetizma.
Na osnovu kontaktne interakcije RE (con) u elektronima susjednih atoma, čini se da je moguće u budućnosti izračunati energiju veze atoma i energiju kretanja naboja duž površine feromagneta. Upotreba ovih proračuna za predviđanje svojstava elemenata, uključujući i one u jedinjenjima, poslužiće kao test predložene hipoteze.
Boris Kirilenko.
Dodatak
Komunikacija atoma.
Veza atoma je veza između elektrona susjednih atoma. U elementima i njihovim jedinjenjima atomi su raspoređeni na način da kada vibriraju u području najveće udaljenosti RE (con) od centara njihovih elektrona, RE (con) u sastavu elektrona jednog atoma ulazi u oblast oscilovanja RE (con) u sastavu elektrona susednog atoma. U sastavu elektrona susjednih atoma formira se područje preklapanja RE(con) vibracija.
Mehanizam vezivanja atoma u elementima je razmjena RE(con) između elektrona susjednih atoma.
Na slici je, radi jasnoće, prikazan samo jedan elektron za svaki atom; RE, koji razmjenjuju elektrone, označeni su bojom. Konus označava segment oblasti kontaktnih interakcija RE(baza) sa RE(con) u elektronima atoma.
Veza atoma u elementu.
Razmjena RE(con) odvija se duž linije kontaktnih interakcija RE(con) sa RE(bazom) u elektronima. Na RE(kon), koji je ušao u područje preklapajućih RE(kon) vibracija u susjednim elektronima, počinje djelovati sila koja privlači RE(kon) u centar elektrona susjednog atoma. Dolazi do međusobne izmjene RE (con) u elektronima susjednih atoma – atomi su povezani. Interakcije RE(con) u sastavu elektrona susednih atoma elementa su sinhronizovane. Veličina i lokacija RE(con) zone razmjene u odnosu na susjedne protone određuju svojstva elemenata i njihovih spojeva.
Električna provodljivost
Prijenos struje iz vanjskog izvora u vodiču nastaje zamjenom RE (con) u elektronima susjednih atoma na površini provodnika u smjeru vanjskog polja.
Dolazi do zamjene RE(con) u sastavu elektrona okomito na liniju kontaktne interakcije RE(con) sa RE(bazama) u elektronima atoma. Na slici je, radi jasnoće, prikazan samo jedan elektron za svaki atom; RE(con), koji su supstituirani u elektronima, označeni su bojom.
Prijenos struje u provodniku.
Kada je kolo zatvoreno, RE(con) iz izvora struje zamjenjuje RE(con) u elektronu na površini vodiča u najbližoj kontaktnoj tački. Nakon što je postao nevezan, primivši impuls, RE (con) provodnika zamjenjuje RE (con) u sastavu susjednog elektrona vodiča, itd. Na krajnjoj tački RE ide u trenutni izvor. Teoretski, prijenos momenta (struje) zamjenom RE u susjednim elektronima trebao bi se odvijati pod uglom od 900 u odnosu na liniju kontaktnih interakcija RE u sastavu elektrona. U stvarnim provodnicima, centri atoma u čvorovima kristalne rešetke osciliraju. Zajedno sa centrima atoma, centri elektrona vibriraju. Kao rezultat toga, do prijenosa impulsa dolazi sa odstupanjem od ugla od 900, tj. dolazi do gubitka energije. Neprenesena količina energije (gubici) koja odgovara ovom kutu otklona se dijelom koristi za grijanje, a dijelom se uklanja zračenjem.
Kraj teme.
O prirodi zemaljskog magnetizma
Nekada su ljudi, pokušavajući da objasne zašto magnetna igla uvek na jednom kraju pokazuje sever, verovali da je Zemljin magnetizam na nebu, da je igla kompasa usmerena magnetnim silama koje emituju iz Severne zvezde. Činjenica da je sama Zemlja veliki sferni magnet, sa polovima i sa vanjskim magnetskim poljem koje djeluje na iglu kompasa, ljudi su saznali relativno nedavno, prije oko 350 godina. Veliki ruski naučnik M. V. Lomonosov, daje važnost zapažanja igle kompasa, još 1759. godine predložio je da se napravi kompas koji sam piše i koji bi mogao zabilježiti ova zapažanja dok se brod kreće.
Kako je proučavanje zemaljskog magnetizma postepeno otkrivalo njegova različita svojstva. Prije svega, dokazano je da se geografski meridijani ne poklapaju sa magnetskim meridijanima čiji smjer na površini Zemlje pokazuje igla kompasa, te da se, prema tome, Zemljina magnetska osa ne poklapa. sa svojom osom rotacije. Naučnici su otkrili da smjer Zemljinog magnetskog polja odgovara onom koji bi se dobio da se magnet postavi blizu centra Zemlje, čija osa čini ugao od oko 11,5° sa osom rotacije naše planete.
Magnetno polje se u svakoj tački prostora karakteriše ne samo smjerom, već i veličinom intenziteta. Na površini Zemlje, ovaj intenzitet je relativno mali, približno isti kao kod običnog školskog magneta na udaljenosti od 10 - 15 cm od njegovih krajeva. Jačina Zemljinog magnetnog polja može se predstaviti kao rezultanta dvije komponente: vertikalne i horizontalne. Potonji usmjerava iglu kompasa duž magnetskog meridijana.
Ako se krećete s kompasom u ruci duž neke geografske širine oko globusa, ispostavit će se da se smjer magnetskog meridijana u rijetkim slučajevima poklapa s geografskim; između ovih pravaca gotovo uvijek postoji neki ugao, koji se naziva magnetna deklinacija. Smjer igle kompasa može odstupiti od geografskog meridijana na istok ili na zapad. Magnetna deklinacija se nalazi za sva mjesta na globusu i sastavljaju se karte distribucije ove deklinacije. Ako je na datoj lokaciji poznata deklinacija kompasa, tada se može odrediti i smjer geografskog meridijana. Ovo omogućava utvrđivanje lokacije broda na moru ili aviona iznad površine zemlje.
Ali Zemljino magnetsko polje se polako mijenja u vremenu, zbog čega se mijenja i deklinacija magnetne igle. Stoga je potrebno periodično ponovo kompajlirati karte koje prikazuju distribuciju magnetne deklinacije. Rusija je bila jedna od prvih koja je osnovala magnetne opservatorije početkom 19. veka. Međutim, tek u 20. veku, detaljne karte distribucije magnetnog polja širom zemlje su napravljene pomoću opšteg magnetskog premera; ovo omogućava izradu karata magnetske deklinacije neophodne za navigaciju.
Spore (sekularne) promjene zemaljskog magnetnog polja su očigledno gotovo periodične prirode: tokom 400-600 godina, jačina geomagnetnog polja se mijenja za 1-2% svoje vrijednosti. Međutim, za različita mjesta na površini Zemlje ova periodičnost se različito izražava.
Prije otprilike dvije stotine godina otkriveno je da uz spore promjene zemaljskog magnetizma postoje relativno brze - i ispravne i netačne - fluktuacije u zemaljskom magnetskom polju. Redovne fluktuacije poklapaju se sa nekim astronomskim periodima: dnevnim okretanjem Zemlje oko svoje ose, lunarnim danima i godišnjom revolucijom Zemlje u krugu Sunca. Raspon ovih fluktuacija je mali: dnevne fluktuacije magnetnog polja iznose oko 0,05% ukupne jačine geomagnetskog polja, i veće su ljeti nego zimi; fluktuacije tokom lunarni dan i još manje - oko 0,005%; godišnje fluktuacije intenziteta takođe iznose nekoliko stotinki procenta jačine polja.
Osim toga, uočavaju se i nepravilne promjene u magnetskom polju Zemlje, takozvane magnetne oluje, koje dolaze iznenada i traju od nekoliko sati do nekoliko dana. Tokom oluja, promjena jačine magnetnog polja dostiže nekoliko posto. Najvećim dijelom, magnetne oluje se poklapaju sa sjevernim svjetlima i usko su povezane s pojavama uočenim na Suncu, posebno sa sunčevim pjegama.
Geomagnetno polje se nepravilno mijenja ne samo u vremenu, već iu prostoru kada se kreće duž površine Zemlje. Postoje mjesta gdje je jačina magnetnog polja mnogo veća (a ponekad i manja) nego u okolini. Takve promjene u Zemljinom polju nazivaju se magnetske anomalije. Na primer, svetski je poznat region Kurske magnetne anomalije, gde je jačina magnetnog polja tri do četiri puta veća od normalne jačine okolnog regiona. Jake magnetne anomalije se obično javljaju u onim područjima zemljine kore koja sadrže velike količine željezna ruda- magnetit.
Kako se objašnjavaju glavne karakteristike Zemljinog magnetnog polja? Najteži problem za nauku bilo je porijeklo glavnog geomagnetnog polja, koje je ostalo gotovo konstantno u proteklih milion godina, podvrgnuto samo manjim promjenama. Po ovom pitanju su iznesene različite hipoteze. Neki naučnici su tvrdili da je Zemlja izliječila svoj magnetizam u magnetnom polju Sunca. Dalja istraživanja, međutim, nisu potvrdila ovu pretpostavku. Iako ponekad nastaju jaka magnetna polja u području takozvanih sunčevih pjega, ali općenito Sunce nema primjetno magnetsko polje na udaljenosti od radijusa Zemljine orbite. Nije potvrđena ni druga hipoteza prema kojoj bi Zemlja, koja ima konstantan električni naboj, zbog svoje dnevne rotacije trebala oko sebe formirati magnetsko polje. Proračuni pokazuju da je površinski naboj Zemlje uglavnom mali i može formirati samo zanemarljivo magnetsko polje tokom rotacije Zemlje.
Nedavno je postavljena hipoteza o poreklu zemaljskog magnetizma, koja objašnjava njegovu pojavu rotacijom Zemljine mase. Prema ovoj teoriji, svaka rotirajuća masa stvara magnetizam, bez obzira na električno stanje ove mase. Čak je i naš veliki naučnik P. N. Lebedev htio eksperimentalno provjeriti ovu pretpostavku: podvrgao je razna tijela vrlo brzoj rotaciji, ali pojava magnetizma u njima nije otkrivena.
Konačno, neki naučnici veruju da su izvori magnetnog polja koncentrisani negde daleko ispod površine Zemlje.
Sve dosadašnje pretpostavke o poreklu zemaljskog magnetizma nisu opšteprihvaćene u nauci. Vjerovatno je fenomen glavnog magnetnog polja Zemlje složena kombinacija dva glavna procesa: sistema zatvorenih električnih struja s magnetskom osom pomjerenom u odnosu na os rotacije Zemlje i remanentne magnetizacije stijena bogatih magnetitom. u gornjim slojevima zemljine kore. Prvi proces je stabilan, stvarajući glavnu vrijednost jačine glavnog magnetnog polja. Pridružuje mu se polje preostale magnetizacije zemljine kore. Mogao bi nastati pod djelovanjem radioaktivne topline u procesu zagrijavanja i hlađenja u zemljinom magnetskom polju stijena koje sadrže magnetit. Što se tiče vremenskih promjena u glavnom magnetskom polju, one su objašnjene na sljedeći način. Sekularne promjene se objašnjavaju temperaturnim fluktuacijama u donjim slojevima zemljine kore; povećanje ili smanjenje temperature mijenja magnetizaciju stijena i uzrokuje fluktuacije u magnetskom polju na površini Zemlje. Dnevne varijacije geomagnetskog polja određene su kretanjem jonizovanih vazdušnih masa u visokim slojevima atmosfere, u takozvanoj jonosferi. Jonizacija vazduha nastaje pod dejstvom sunčeve svetlosti, od intenziteta sunčevo zračenje više oko podneva, a posebno u ljetnim danima, tada dnevne varijacije geomagnetnog polja u ovo vrijeme poprimaju najveću vrijednost. Magnetne oluje se objašnjavaju činjenicom da Zemlja pada u tokove solarnog korpuskularnog zračenja. Na Suncu se odvijaju procesi erupcije pojedinačnih čestica koje se ponekad izbacuju daleko izvan Zemljine orbite. Ove čestice imaju veliku jonizujuću moć i brzo povećavaju količinu električnih naboja u jonosferi. Kretanje ovih naelektrisanja stvara magnetno polje, koje se na Zemlji percipira kao magnetna oluja.
Dakle, zemaljski magnetizam je vrlo složen fenomen: u njegovo stvaranje uključeni su različiti dijelovi Zemlje i različiti fizički procesi. Nema sumnje da će dalji napredak ruske geofizike, astronomije i drugih nauka uskoro omogućiti pronalaženje novih podataka o poreklu zemaljskog magnetizma, koji će ispravno objasniti jedan od najzanimljivijih prirodnih fenomena.