Sifat fenomena magnet.

14. Induksi Medan gaya. Prinsip superposisi medan magnet. kekuatan Ampere. gaya Lorentz. Alat ukur listrik. Sifat magnetik suatu materi.

Fenomena magnetik

Fenomena listrik dan magnet merupakan interaksi benda pada jarak tertentu. Interaksi tersebut diwujudkan dalam munculnya gaya mekanik dan momen gaya yang bekerja antar benda.

Perbedaan antara interaksi listrik dan magnet diwujudkan, misalnya, dalam kenyataan bahwa untuk pemisahan muatan listrik bisa digosok berbagai item dari satu sama lain, dan untuk mendapatkan magnet, menggosokkan benda satu sama lain tidak ada gunanya. Dengan membungkus benda bermuatan listrik dengan kain basah, Anda dapat menghancurkan muatan listriknya. Prosedur yang sama untuk magnet tidak akan menyebabkan hilangnya sifat magnet. Magnetisasi bahan magnet dengan adanya magnet lain tidak mengakibatkan pemisahan muatan listrik. Kedua jenis interaksi benda-benda pada jarak ini tidak dapat direduksi satu sama lain.

Studi eksperimental magnet dan berbagai bahan menunjukkan bahwa beberapa benda selalu mempunyai sifat kemagnetan, yaitu “magnet permanen”, sedangkan benda lain mempunyai sifat magnetis sifat magnetik hanya dengan adanya magnet permanen. Ada juga bahan yang tidak memiliki sifat kemagnetan yang nyata, yaitu tidak tertarik atau ditolak oleh magnet permanen yang kuat. Sifat magnetik intrinsik dan induksi suatu benda menyebabkan efek serupa. Misalnya, magnet strip permanen, yang sampelnya biasanya ditemukan di setiap kelas fisika di sekolah mana pun, bila digantung dalam posisi horizontal, akan diorientasikan sehingga ujungnya mengarah ke utara dan selatan. Sifat magnet ini sendiri telah banyak membantu manusia. Kompas ditemukan sejak lama, tetapi studi kuantitatif tentang sifat magnetik suatu benda dan analisis matematis properti ini baru dilakukan pada abad ke-18 dan ke-19.

Bayangkan kita mempunyai magnet “panjang” yang kutub-kutubnya berjarak jauh satu sama lain. Jika dua kutub dari dua magnet yang berbeda ditempatkan berdekatan, dan kutub kedua dari magnet yang sama terletak berjauhan, maka interaksi gaya antara kutub-kutub yang berdekatan dijelaskan dengan rumus yang sama seperti dalam hukum Coulomb untuk medan elektrostatis. Setiap kutub magnet dapat diberi muatan magnet, yang akan mencirikan “utara” atau “selatan”. Dimungkinkan untuk menghasilkan prosedur yang mencakup pengukuran gaya atau momen gaya, yang memungkinkan seseorang membandingkan “muatan” magnetik magnet apa pun dengan magnet standar. Konstruksi mental ini memungkinkan kita untuk memecahkan masalah-masalah praktis, asalkan kita belum bertanya pada diri sendiri: bagaimana cara kerja magnet strip panjang, yaitu apa yang ada di dalam magnet di wilayah ruang yang menghubungkan dua kutub magnet.

Anda dapat memasukkan satuan muatan magnet. Prosedur paling sederhana untuk menentukan satuan tersebut adalah dengan mengasumsikan bahwa gaya interaksi antara dua kutub magnet “titik” dari satuan muatan magnet, yang terletak pada jarak 1 meter satu sama lain, sama dengan 1 Newton. Karena usaha untuk memisahkan kutub-kutub magnet selalu tidak berhasil, yaitu pada tempat pemotongan magnet strip selalu muncul dua kutub magnet yang berlawanan yang besarnya sama persis dengan besaran kutub-kutub ujungnya, maka disimpulkan bahwa kutub magnet selalu ada hanya berpasangan. Akibatnya, magnet strip panjang apa pun dapat direpresentasikan sebagai magnet pendek yang disusun dalam sebuah rantai. Demikian pula, magnet apa pun dengan dimensi terbatas dapat direpresentasikan dalam bentuk jumlah besar magnet pendek didistribusikan ke seluruh ruang.

Untuk menggambarkan interaksi gaya muatan listrik dan magnet, digunakan gagasan yang sama tentang keberadaan medan vektor gaya tertentu di ruang angkasa. Dalam kasus "listrik", vektor yang bersesuaian disebut vektor ketegangan Medan listrik E . Untuk kasus “magnetik”, vektor yang bersesuaian disebut vektor induksi Medan gaya DI DALAM . (1)

Medan dalam kedua kasus tersebut dapat dijelaskan dengan distribusi “vektor gaya” dalam ruang. Untuk kutub magnet utara, arah gaya medan magnet yang bekerja padanya bertepatan dengan arah vektor DI DALAM , dan untuk kutub selatan gayanya berlawanan dengan vektor ini. Jika besarnya “muatan magnet”, dengan memperhatikan tandanya (“utara” atau “selatan”) dilambangkan dengan simbol N, maka gaya yang bekerja pada muatan magnet dari medan magnet adalah sama dengan F =N B .

Mirip dengan apa yang kami lakukan saat mendeskripsikan interaksi muatan listrik melalui suatu medan, kami juga melakukannya saat mendeskripsikan interaksi muatan magnet. Medan magnet yang diciptakan oleh muatan magnet titik di ruang sekitarnya dijelaskan dengan rumus yang persis sama seperti dalam kasus medan listrik.

B = Km N R /R 3 .

Konstanta K m adalah koefisien proporsionalitas yang bergantung pada pilihan sistem satuan. Untuk interaksi muatan magnet, hukum Coulomb juga berlaku, dan prinsip superposisi juga berlaku.

Ingatlah bahwa hukum Coulomb (atau hukum gravitasi universal) dan teorema Gauss adalah saudara kembar. Karena kutub magnet tidak ada secara terpisah, dan magnet apa pun dapat direpresentasikan sebagai kumpulan pasangan kutub yang polaritasnya berlawanan dan besarnya sama, maka dalam kasus medan magnet, fluks vektor induksi medan magnet melalui permukaan tertutup mana pun selalu nol.

Kami membahas fenomena magnet dan menggunakan gagasan muatan magnet seolah-olah benar-benar ada. Sebenarnya, ini hanyalah salah satu cara untuk menggambarkan medan magnet di ruang angkasa (menggambarkan interaksi magnet). Ketika kita mengetahui lebih detail sifat-sifat medan magnet, kita akan berhenti menggunakan metode ini. Kami membutuhkannya seperti pembangun hutan untuk mendirikan sebuah bangunan. Setelah konstruksi selesai, perancah dibongkar dan tidak lagi terlihat atau diperlukan.

Hal yang paling menarik adalah medan magnet (statis) tidak berpengaruh pada muatan listrik stasioner (atau dipol), tetapi Medan listrik(statis) tidak berpengaruh pada muatan magnet stasioner (atau dipol). Situasinya seolah-olah bidang-bidang itu ada secara independen satu sama lain. Namun, perdamaian, seperti kita ketahui, adalah konsep yang relatif. Ketika memilih sistem referensi yang berbeda, tubuh yang “beristirahat” bisa menjadi “bergerak”. Ternyata medan listrik dan medan magnet adalah sesuatu yang menyatu, dan masing-masing medan seolah-olah mewakili sisi berbeda dari mata uang yang sama.

Sekarang kita dengan mudah berbicara tentang hubungan antara medan listrik dan magnet, tetapi hingga awal abad ke-19, fenomena listrik dan magnet tidak dianggap berhubungan. Mereka menebak tentang hubungan ini dan mencari konfirmasi eksperimental. Misalnya, fisikawan Perancis Arago mengumpulkan informasi tentang kapal yang keluar jalur setelah petir menyambar kapal tersebut. “Petir adalah kompas yang rusak” – ada kaitannya, tetapi bagaimana cara mengulangi eksperimen tersebut? Mereka belum mengetahui cara mereproduksi petir, sehingga tidak mungkin melakukan penelitian yang sistematis.

Titik awal untuk memahami hubungan antara fenomena ini adalah penemuan yang dilakukan pada tahun 1820 oleh Hans Christian Oersted dari Denmark. Pengaruh arus listrik yang mengalir melalui kawat lurus panjang terhadap orientasi jarum magnet bergerak yang terletak di sebelah kawat telah diketahui. Anak panahnya cenderung tegak lurus terhadap kawat. Fenomena sebaliknya: pengaruh medan magnet terhadap arus listrik ditemukan secara eksperimental oleh Ampere.

Sebuah kumparan datar kecil dengan arus mengalami gaya dan efek orientasi dalam medan magnet. Jika medan magnet seragam, maka gaya total yang bekerja pada kumparan berarus adalah nol, dan kumparan berorientasi (mengambil posisi setimbang) dimana bidangnya tegak lurus terhadap arah vektor induksi medan magnet. Untuk menetapkan satuan induksi medan magnet, fenomena mekanis ini juga dapat digunakan.

Selama beberapa tahun berikutnya setelah tahun 1820, ciri-ciri utama interaksi konduktor pembawa arus satu sama lain dan dengan magnet permanen diklarifikasi. Beberapa di antaranya sekarang disebut undang-undang. Hukum-hukum ini dikaitkan dengan nama fisikawan Ampere, Biot, Savart, Laplace. Kesimpulan paling umum dari hukum interaksi yang berlaku adalah:

1. Partikel bermuatan menciptakan medan listrik di ruang sekitarnya.
2. Medan listrik mempunyai pengaruh yang sama terhadap partikel bermuatan, baik bergerak maupun diam.
3. Partikel bermuatan yang bergerak menciptakan medan magnet di ruang sekitarnya.
4. Medan magnet memberikan gaya pada partikel bermuatan yang bergerak dan tidak bekerja pada partikel bermuatan yang diam.
5. Medan listrik dan magnet yang diciptakan oleh partikel bermuatan, ketika posisi dan keadaan geraknya berubah, tidak berubah secara instan di seluruh ruang, tetapi terdapat penundaan.

Dengan demikian, ternyata interaksi partikel bermuatan satu sama lain tidak hanya bergantung pada penataan ruang timbal baliknya, tetapi juga pada gerak timbal balik (relatif). Hukum yang menggambarkan interaksi ini ternyata cukup sederhana dari sudut pandang matematis.

Saat mempelajari mekanika, Anda dan saya menggunakan hukum Newton, yang kemudian menjadi dasar hukum tersebut poin materi, bergerak dengan percepatan dalam satu kerangka acuan inersia, memiliki percepatan yang sama di semua ISO lainnya, apa pun pilihannya. Sekarang menjadi jelas bahwa medan magnet hanya bekerja pada partikel bermuatan yang bergerak. Bayangkan dalam beberapa ISO, partikel bermuatan bergerak dalam medan magnet, tetapi tidak ada medan listrik. Mari kita beralih ke sistem referensi inersia lain, di mana pada saat tertentu partikel tersebut memiliki kecepatan nol. Pengaruh gaya dari medan magnet telah hilang, dan partikel masih harus bergerak dengan percepatan!!! Ada yang salah di Kerajaan Denmark! Agar partikel bermuatan yang diam pada saat tertentu mempunyai percepatan, ia harus berada dalam medan listrik!

Jadi, ternyata medan listrik dan medan magnet tidak bersifat mutlak, melainkan bergantung pada pilihan sistem acuannya. Adanya interaksi bersifat mutlak, namun cara interaksi tersebut dijelaskan, secara “listrik” atau “magnetik”, bergantung pada pilihan sistem referensi. Oleh karena itu, kita harus memahami bahwa medan listrik dan medan magnet tidak berdiri sendiri satu sama lain. Faktanya, adalah benar untuk mempertimbangkan satu medan elektromagnetik. Perhatikan bahwa deskripsi yang benar tentang medan diberikan dalam teori James Clerk Maxwell. Persamaan dalam teori ini ditulis sedemikian rupa sehingga bentuknya tidak berubah ketika berpindah dari satu kerangka acuan inersia ke kerangka acuan inersia lainnya. Ini adalah teori “relativistik” pertama dalam fisika.

Arus listrik dan medan magnet

Mari kita kembali ke awal abad ke-19. Selama demonstrasi di kuliah di Universitas G.H. Oersted sendiri atau dengan bantuan siswa memperhatikan bahwa jarum magnet yang kebetulan berada di dekat kawat berubah posisinya ketika arus dialirkan melalui kawat. Studi yang lebih menyeluruh terhadap fenomena tersebut menunjukkan bahwa, bergantung pada besar dan arah arus pada kawat lurus yang panjang, jarum magnet diorientasikan seperti yang ditunjukkan pada gambar:

Garis-garis induksi tertutup, dan dalam kasus konduktor lurus panjang yang membawa arus, garis-garis tertutup ini berbentuk lingkaran yang terletak pada bidang yang tegak lurus terhadap konduktor yang membawa arus. Pusat-pusat lingkaran ini berada pada sumbu konduktor pembawa arus. Arah vektor induksi magnet masuk titik tertentu ruang (bersinggungan dengan garis induksi magnet) ditentukan oleh aturan “sekrup kanan” (gimlet, sekrup, pembuka botol). Arah pergerakan pembuka botol yang ditunjukkan pada gambar ketika berputar pada porosnya sesuai dengan arah arus dalam kawat lurus panjang, dan arah pergerakan titik ekstrim pegangannya sesuai dengan arah vektor induksi magnet. di tempat di mana ujung pegangan ini berada.

Untuk gambar skema dengan lingkaran konsentris, partikel bermuatan dalam kawat yang terletak tegak lurus terhadap bidang gambar bergerak sepanjang kawat ini, dan jika partikel bermuatan positif bergerak, partikel tersebut akan “menjauhi kita melewati bidang ini”. Jika elektron bermuatan negatif bergerak di dalam kawat, maka elektron tersebut juga bergerak di sepanjang kawat, tetapi “ke arah kita dari bawah bidang gambar”.

Faktor pengganggunya adalah medan magnet bumi. Semakin besar arus pada kawat, semakin akurat arah panahnya searah garis singgung lingkaran yang berpusat pada lokasi kawat. Kesimpulannya cukup jelas - medan magnet muncul di sekitar konduktor pembawa arus. Panah magnet berbaris sepanjang vektor induksi medan magnet.

Menurut hukum ketiga Newton, jarum magnet (magnet atau medan magnetnya) pada gilirannya juga bekerja pada konduktor pembawa arus. Ternyata pada bagian lurus sebuah penghantar dengan panjang L, yang melaluinya arus I mengalir, dari sisi medan magnet seragam dengan induksi DI DALAM sebuah gaya yang sebanding dengan L, I dan B bekerja, dan arah gaya bergantung pada orientasi relatif vektor-vektor tersebut L Dan DI DALAM . Vektor L searah dengan arah kecepatan partikel bermuatan positif yang menimbulkan arus listrik pada kawat tersebut. Gaya ini dinamai salah satu peneliti aktif fenomena magnet - A.M. Amper.

F =K saya [ L × B ].

Di sini K adalah koefisien proporsionalitas. Tanda kurung siku menunjukkan perkalian vektor dari dua vektor. Jika penghantarnya tidak lurus dan medan magnetnya tidak seragam, maka dalam hal ini, untuk mencari gaya yang bekerja pada penghantar pembawa arus, Anda perlu membaginya (secara mental) menjadi banyak segmen kecil. Untuk setiap segmen kecil kita dapat berasumsi bahwa segmen tersebut berada dalam bidang yang seragam. Gaya total diperoleh dengan menjumlahkan gaya Ampere pada semua segmen ini.

Interaksi konduktor dengan arus

Arus dalam kawat menciptakan medan magnet di ruang sekitarnya, dan medan magnet ini pada gilirannya memberikan gaya pada kawat lain yang berarus. (2) Dalam sistem satuan SI, satuan arus 1 Ampere ditentukan dari interaksi gaya penghantar paralel dengan arus. Dua konduktor tipis dan panjang sejajar, terletak pada jarak 1 meter dari satu sama lain, yang melaluinya arus konstan identik dengan arah yang sama mengalir dengan gaya 1 Ampere, ditarik satu sama lain dengan gaya 2 × 10 -7 Newton untuk setiap meter panjang konduktor.

Dalam sistem SI, dalam rumus gaya Ampere, koefisien proporsionalitas K dipilih sama dengan satu:

F =Saya [ L × B ].

gaya Lorentz

Jika kita mengganti rumus gaya Ampere dengan ekspresi besarnya arus, yang terdiri dari suku-suku yang diciptakan oleh setiap partikel bermuatan yang bergerak, maka kita dapat menyimpulkan bahwa dalam medan magnet, suatu gaya bekerja pada setiap partikel bermuatan yang bergerak:

F = q [ ay × DI DALAM ].

Dengan adanya medan listrik dan magnet di ruang angkasa, partikel bermuatan mengalami gaya:

F = q [ ay × DI DALAM ] + q E .

Gaya yang bekerja pada partikel bermuatan dalam medan elektromagnetik disebut gaya Lorentz. Ungkapan gaya ini selalu valid, dan tidak hanya untuk medan stasioner.

Jika kita menghitung kerja gaya Lorentz yang dilakukannya selama gerakan dasar suatu partikel, maka persamaan gaya tersebut harus dikalikan secara skalar dengan hasil kali ay Δt. Suku pertama rumus gaya Lorentz adalah vektor yang tegak lurus kecepatan partikel, jadi kalikan dengan ay Δt menghasilkan nol.

Jadi, komponen magnet gaya Lorentz tidak melakukan usaha apa pun ketika menggerakkan partikel bermuatan, karena perpindahan dasar yang bersesuaian dan komponen gaya magnet selalu tegak lurus satu sama lain.

Medan magnet apa yang dihasilkan oleh arus?

Eksperimen Biot dan Savart dan karya teoretis Laplace (semua fisikawan Prancis) menghasilkan rumus untuk menemukan kontribusi setiap bagian kecil konduktor pembawa arus terhadap "penyebab umum" - penciptaan vektor induksi medan magnet pada suatu titik tertentu dalam ruang.

Saat menurunkan (lebih tepatnya: memilih) rumus umum, dibuat asumsi yang terdiri dari total bidang bagian individu, dan prinsip superposisi terpenuhi, yaitu medan yang diciptakan oleh berbagai bagian konduktor pembawa arus dijumlahkan sebagai vektor. Setiap bagian konduktor yang membawa arus, dan setiap partikel bermuatan yang bergerak, menciptakan medan magnet di ruang sekitarnya. Medan yang dihasilkan pada suatu titik tertentu muncul sebagai akibat penambahan vektor induksi magnet yang diciptakan oleh setiap bagian konduktor pembawa arus.

Komponen dasar vektor induksi magnetik Δ DI DALAM , dibuat oleh sebagian kecil konduktor Δ aku dengan arus I pada suatu titik dalam ruang yang posisinya berbeda dari bagian konduktor ini berdasarkan vektor R , sesuai dengan rumus:

Δ DI DALAM = (μ 0 /4π) saya [Δ aku × R ]/R 3 .

Di sini [Δ aku × R ] adalah hasil kali vektor dari dua vektor. Koefisien dimensi (μ 0 /4π) diperkenalkan persis dalam bentuk ini dalam sistem SI untuk alasan kemudahan, yang, kami ulangi, dalam fisika sekolah tidak muncul sama sekali.

Medan yang diciptakan oleh konduktor berbentuk sembarang, seperti biasa, ditemukan dengan menjumlahkan vektor dasar induksi magnet yang diciptakan oleh bagian kecil konduktor ini. Semua hasil percobaan dengan arus searah membenarkan prediksi yang diperoleh dengan menggunakan rumus yang tertulis di atas, yang diberi nama: Biot - Savart - Laplace.

Mari kita ingat definisi arus yang kita perkenalkan semester lalu. Arus adalah aliran vektor rapat arus melalui permukaan yang dipilih. Rumus untuk mencari rapat arus mencakup jumlah semua partikel bermuatan yang bergerak:

J = Σqi ay saya /V, saya=( JS )

Oleh karena itu, rumus Biot–Savart–Laplace mencakup produk (Δ aku S ), dan ini adalah volume konduktor tempat partikel bermuatan bergerak.

Kita dapat menyimpulkan bahwa medan magnet yang diciptakan oleh area pembawa arus muncul sebagai akibat dari aksi gabungan semua partikel bermuatan di area tersebut. Kontribusi setiap partikel bermuatan q dan bergerak dengan kecepatan ay sama dengan:

DI DALAM = (μ 0 /4π) q [ ay × R ]/R 3 = μ 0 ε 0 [ ay × E ],

Di mana E = Q R /(4πε 0 R 3).

Di Sini R adalah vektor jari-jari yang permulaannya terletak pada titik letak partikel, dan ujung vektor terletak pada titik ruang yang dicari medan magnetnya. Bagian kedua dari rumus ini menunjukkan bagaimana medan listrik dan magnet yang diciptakan oleh partikel bermuatan pada titik yang sama di ruang angkasa saling berhubungan satu sama lain.

E - medan listrik yang diciptakan oleh partikel yang sama pada titik yang sama di ruang angkasa. μ 0 =

4π×10 -7 H/m - konstanta magnet.

“Non-sentralitas” kekuatan interaksi elektromagnetik

Jika kita mempertimbangkan interaksi dua titik partikel identik bermuatan yang bergerak, maka perhatian tertuju pada fakta bahwa gaya yang menggambarkan interaksi ini tidak diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan partikel-partikel tersebut. Memang, bagian listrik dari gaya interaksi diarahkan sepanjang garis lurus ini, tetapi bagian magnetisnya tidak.

Biarkan semua partikel lain berada sangat jauh dari pasangan partikel ini. Untuk menggambarkan interaksinya, kami memilih sistem referensi yang terkait dengan pusat massa partikel-partikel ini.

Jumlah gaya-gaya listrik dalam jelas nol, karena arahnya berlawanan, terletak sepanjang garis lurus yang sama dan besarnya sama satu sama lain.

Jumlah gaya magnet juga nol:

Qμ 0 ε 0 [ ay 2 [ay 1 × E 1 ]] + qμ 0 ε 0 [ ay 1 [ay 2 × E 2 ]] = 0

ay 2 = – ay 1 ; E 1 = – E 2 .

Dan inilah ringkasan momennya kekuatan internal mungkin tidak sama dengan nol:

Qμ 0 ε 0 [ R 12 [ay 2 [ay 1 × E 1 ]]] = qμ 0 ε 0 [ ay 1 × E 1 ](R 12 ay 2 ).

Tampaknya telah ditemukan contoh yang menyangkal hukum ketiga Newton. Namun perlu diperhatikan bahwa hukum ketiga itu sendiri dirumuskan dalam bentuk model, dengan ketentuan hanya ada dua partisipan dalam interaksi, dan sama sekali tidak mempertimbangkan sifat transmisi interaksi jarak jauh. Dalam hal ini, ada tiga peserta dalam peristiwa tersebut: dua partikel dan medan elektromagnetik di ruang sekitar mereka. Jika suatu sistem terisolasi, maka secara keseluruhan hukum kekekalan momentum dan momentum sudut terpenuhi, karena tidak hanya partikel, tetapi juga medan elektromagnetik itu sendiri yang memiliki ciri-ciri gerak ini. Oleh karena itu, interaksi partikel bermuatan yang bergerak perlu dipertimbangkan dengan mempertimbangkan perubahan ruang medan elektromagnetik. Kita akan membahas (di salah satu bagian berikut) kemunculan dan penyebarannya di ruang angkasa gelombang elektromagnetik dengan percepatan pergerakan partikel bermuatan.

Jika kita memilih sistem acuan lain yang modulus kecepatan partikel-partikel tersebut v 1 dan v 2, maka perbandingan modulus komponen magnetik gaya interaksi antara partikel dan komponen listrik kurang dari atau sama dengan nilai:

Artinya, pada kecepatan partikel yang jauh lebih rendah daripada kecepatan cahaya, komponen interaksi listrik memainkan peran utama.

Dalam situasi di mana muatan listrik dalam kabel saling mengimbangi, bagian kelistrikan dari interaksi sistem yang terdiri dari sejumlah besar partikel bermuatan menjadi jauh lebih kecil daripada bagian magnetis. Keadaan ini memungkinkan untuk mempelajari interaksi magnetik “secara terpisah” dari interaksi listrik.

Meter dan speaker

Setelah penemuan Oersted dan Ampere, fisikawan menerima instrumen untuk mencatat arus: galvanometer. Perangkat ini menggunakan interaksi arus dan medan magnet. Beberapa perangkat modern menggunakan magnet permanen, dan beberapa menggunakan arus untuk menciptakan medan magnet. Mereka sekarang disebut berbeda - amperemeter, voltmeter, ohmmeter, wattmeter, dll. namun pada dasarnya semua perangkat jenis ini sama. Di dalamnya, medan magnet bekerja pada kumparan yang membawa arus.

DI DALAM alat pengukur Kumparan pembawa arus ditempatkan sedemikian rupa sehingga torsi mekanis bekerja padanya dari sisi medan magnet. Pegas kumparan yang dipasang pada kumparan menciptakan torsi mekanis yang bekerja pada kumparan. Posisi keseimbangan dicapai dengan memutar bingkai dengan arus pada sudut yang sesuai dengan arus yang mengalir. Sebuah anak panah dipasang pada kumparan, sudut putaran anak panah berfungsi sebagai ukuran arus.

Pada perangkat sistem magnetoelektrik, medan magnetnya konstan. Itu dibuat oleh magnet permanen. Dalam perangkat sistem elektromagnetik, medan magnet diciptakan oleh arus yang mengalir melalui kumparan stasioner. Torsi mekanis sebanding dengan produk arus kumparan bergerak dan induksi medan magnet, yang selanjutnya sebanding dengan arus dalam kumparan diam. Jika, misalnya, arus pada kedua kumparan perangkat sistem elektromagnetik sebanding satu sama lain, maka torsi sebanding dengan kuadrat arus.

Omong-omong, pengeras suara dinamis favorit Anda dibuat berdasarkan interaksi arus dan medan magnet. Di dalamnya, kumparan yang dilalui arus ditempatkan sedemikian rupa sehingga dari sisi medan magnet ada gaya yang bekerja padanya sepanjang sumbu speaker. Besarnya gaya sebanding dengan kuat arus pada kumparan. Perubahan arah arus pada kumparan menyebabkan perubahan arah gaya.

hipotesis Ampere

Untuk menjelaskan struktur internal magnet permanen (terbuat dari bahan feromagnetik), Ampere mengajukan asumsi – hipotesis – bahwa bahan magnet terdiri dari sejumlah besar rangkaian kecil pembawa arus. Setiap molekul suatu zat membentuk bingkai kecil dengan arus. Di dalam bahan magnet di seluruh volume, arus molekul saling mengimbangi, dan pada permukaan benda seolah-olah arus “permukaan” mengalir. Jika terdapat rongga di dalam benda magnet, maka arus “permukaan” yang tidak terkompensasi juga mengalir di sepanjang permukaan rongga tersebut.

Arus permukaan ini menciptakan medan magnet yang sama persis di ruang sekitar magnet dengan arus semua molekul magnet selama aksi gabungannya.

Hipotesis Ampere menunggu konfirmasi eksperimental selama beberapa dekade dan, pada akhirnya, sepenuhnya terbayar. Menurut konsep modern, beberapa atom dan molekul memiliki momen magnetnya sendiri yang terkait dengan pergerakan partikel bermuatan di dalamnya, yang menjadi penyusun atom dan molekul tersebut. Ternyata, partikel bermuatan itu sendiri, tempat terbentuknya atom dan molekul, memiliki momen dipol magnet yang terkait dengan gerakan internal mekanis partikel-partikel tersebut. (3)

Hipotesis Ampere memungkinkan kita untuk mengabaikan model muatan magnet, karena hipotesis tersebut cukup menjelaskan asal mula interaksi magnet.

Tugas:

1. Dua magnet strip panjang terletak bersebelahan, kutub ke kutub. Yang utara bersebelahan dengan yang utara, dan yang selatan bersebelahan dengan yang selatan. Pada garis yang merupakan lanjutan magnet di titik A yang terletak pada jarak L dari kutub yang terdekat dengannya, timbul medan magnet dengan induksi B. Anda diberi tugas untuk memperbesar induksi medan di titik A sebesar 1,414 kali, dan mengubah arah medan pada titik ini sebesar 45°. Anda diperbolehkan untuk memindahkan salah satu magnet. Bagaimana Anda akan menyelesaikan tugas tersebut?
2. Selama ekspedisi ke kutub magnet utara bumi, anggota ekspedisi menempatkan N = 1000 tripod yang sangat ringan, masing-masing tinggi L = 1 m dan alas dengan diameter D = 10 cm, pada permukaan datar horizontal sebesar es di sekeliling tiang dan merentangkan kawat logam dengan luas persilangan S = 1mm2. Hasilnya adalah sebuah poligon datar yang bentuknya mendekati cincin dengan jari-jari R = 100 m.Berapa arus searah minimum yang harus dilewatkan melalui kawat agar semua tripod berada di dalam poligon yang dibentuk oleh alasnya? Besarnya induksi medan magnet B di dekat kutub di permukaan bumi adalah 10 -4 Tesla. Massa jenis bahan kawat adalah 10 4 kg/m 3.
3. Dua kawat tipis sejajar mengalirkan arus yang sama besar dan arahnya berlawanan. Kabel-kabel tersebut terletak pada jarak L satu sama lain. Di titik A yang terletak pada jarak L, baik dari kawat yang satu maupun dari kawat yang lain, timbul medan magnet dengan induksi B. Di bagian bawah kawat, arah arus berubah ke arah sebaliknya, tetapi besarnya arus tetap sama. Bagaimana induksi medan magnet berubah (besar dan arah) di titik A ini?
4. Lancar meja horisontal terletak gulungan kawat kaku yang bundar. Jari-jari kumparan adalah R. Massa kumparan adalah M. Terdapat medan magnet horizontal seragam di ruang angkasa dengan induksi B. Berapa arus searah minimum yang harus dialirkan melalui kumparan agar kumparan berhenti diam secara horizontal? Jelaskan pergerakannya setelah melewati arus tersebut.
5. Sebuah partikel bermassa M dan muatan Q bergerak dalam medan magnet seragam dengan induksi B. Kecepatan partikel membentuk sudut & (alfa) dengan vektor induksi medan magnet. Menjelaskan sifat gerak partikel. Bagaimana bentuk lintasannya?
6. Sebuah partikel bermuatan telah memasuki suatu wilayah ruang yang terdapat medan listrik E dan medan magnet B yang seragam dan saling tegak lurus. Partikel tersebut bergerak dengan kecepatan konstan. Berapa nilai minimum yang mungkin?
7. Dua proton yang bergerak dalam medan magnet seragam B = 0,1 T secara konstan berada pada jarak yang sama L = 1 m satu sama lain. Pada kecepatan proton minimum manakah hal ini mungkin terjadi?
8. Di daerah ruang antara bidang X = A dan X = C, terdapat medan magnet seragam B yang diarahkan sepanjang sumbu Y. Sebuah partikel bermassa M dan muatan Q terbang ke wilayah ruang ini, memiliki kecepatan V yang diarahkan sepanjang sumbu Z. Berapakah sudut yang dibentuk oleh kecepatan partikel dengan bidang X =konstanta setelah meninggalkan daerah yang mempunyai medan magnet? Sumbu X,Y,Z saling tegak lurus.
9. Batang seragam panjang (L) dibuat dari bahan “bermagnet lemah” (bukan feromagnetik). Bagian tengahnya digantung pada seutas benang tipis panjang di laboratorium yang terletak dekat khatulistiwa. Pada medan gravitasi dan medan magnet bumi, batang diposisikan mendatar. Batang dipindahkan dari posisi setimbangnya dengan memutarnya membentuk sudut 30° mengelilingi sumbu vertikal yang berimpit dengan benang. Tongkat itu dibiarkan tidak bergerak dan dilepaskan. Setelah 10 detik batang telah melewati posisi setimbang. Dalam waktu minimum berapakah ia akan melewati posisi setimbang kembali? Kemudian batang tersebut dipotong menjadi dua batang yang sama panjang L/2. Eksperimen yang sama dilakukan dengan salah satunya. Pada periode berapakah batang yang diperpendek melakukan osilasi kecil mendekati posisi setimbang?
10. Pada sumbu magnet silinder kecil terdapat bola kecil yang “bermagnet lemah”. Jarak L dari bola ke magnet jauh lebih besar dibandingkan dengan dimensi magnet dan bola. Benda-benda tersebut saling tarik-menarik dengan gaya F. Berapakah gaya tarik-menarik benda-benda tersebut jika jarak antara keduanya berkurang 2 kali lipat? Bola tetap berada pada sumbu magnet.

1 Nama-nama sejarah tidak cukup mencerminkan arti dari besaran-besaran yang diperkenalkan yang mencirikan komponen listrik dan magnet dari "medan elektromagnetik", jadi kita tidak akan membahas etimologi dari kata-kata ini.

2 Ingat: kita menggunakan rumusan yang kurang lebih sama ketika membahas interaksi muatan listrik.

3 Dalam hal ini, yang kami maksud adalah sifat partikel elementer seperti momentum sudut mekanisnya - putaran.

Magnetisme telah dipelajari sejak zaman kuno, dan selama dua abad terakhir telah menjadi dasar peradaban modern.

Umat ​​​​manusia telah mengumpulkan pengetahuan tentang fenomena magnet setidaknya selama tiga setengah ribu tahun (pengamatan pertama gaya listrik terjadi seribu tahun kemudian). Empat ratus tahun yang lalu, pada awal mula fisika, sifat magnetik suatu zat dipisahkan dari sifat listriknya, setelah itu keduanya dipelajari secara independen untuk waktu yang lama. Dengan demikian, landasan eksperimental dan teoretis diciptakan, yang pada pertengahan abad ke-19 menjadi dasar teori terpadu. fenomena elektromagnetik Yang paling disukai, sifat yang tidak biasa Mineral magnetit alami (bijih besi magnet, Fe3O4) dikenal di Mesopotamia pada Zaman Perunggu. Dan setelah munculnya metalurgi besi, mustahil untuk tidak menyadari bahwa magnetit menarik produk besi. Bapak filsafat Yunani, Thales dari Miletus (kira-kira 640−546 SM), sudah memikirkan alasan ketertarikan tersebut, yang menjelaskannya dengan animasi khusus mineral ini (Thales juga mengetahui bahwa amber yang digosokkan pada wol menarik daun-daun kering dan kecil. serpihan, dan karena itu memberinya kekuatan spiritual). Belakangan, para pemikir Yunani berbicara tentang uap tak kasat mata yang menyelubungi magnetit dan besi serta menarik keduanya satu sama lain. Tidak mengherankan jika kata “magnet” sendiri juga berasal dari bahasa Yunani. Kemungkinan besar, itu berasal dari nama Magnesia-y-Sipila, sebuah kota di Asia Kecil, di dekat letak magnetit. Penyair Yunani Nikander menyebutkan tentang gembala Magnis, yang mendapati dirinya berada di samping batu yang sedang menarik ujung besi tongkatnya ke arahnya, tetapi ini, kemungkinan besar, hanyalah legenda yang indah.

Magnet alami juga menarik Tiongkok Kuno. Kemampuan magnetit untuk menarik besi disebutkan dalam risalah "Catatan Musim Semi dan Musim Gugur Guru Liu", yang berasal dari tahun 240 SM. Satu abad kemudian, orang Tiongkok menyadari bahwa magnetit tidak berpengaruh pada tembaga atau keramik. Pada abad VII-VIII. /bm9icg===>ekah mereka menemukan bahwa jarum besi bermagnet yang digantung bebas berputar menuju Bintang Utara. Hasilnya, pada paruh kedua abad ke-11, kompas laut asli muncul di Tiongkok, dan para pelaut Eropa menguasainya seratus tahun kemudian. Sekitar waktu yang sama, orang Cina menemukan bahwa jarum magnet mengarah ke timur dari arah utara dan dengan demikian menemukan deklinasi magnet, jauh di depan para navigator Eropa dalam hal ini, yang baru sampai pada kesimpulan ini pada abad ke-15.

Magnet kecil

Dalam feromagnet, momen magnet intrinsik atom disejajarkan secara paralel (energi orientasi ini minimal). Akibatnya, area magnet terbentuk, domain - magnet permanen mikroskopis (10−4-10−6 m) yang dipisahkan oleh dinding domain. Dengan tidak adanya medan magnet luar, momen magnet dari domain-domain tersebut berorientasi secara acak di dalam feromagnet; dalam medan eksternal, batas-batasnya mulai bergeser, sehingga domain-domain dengan momen-momen yang sejajar dengan medan tersebut menggantikan domain-domain lainnya—feromagnet menjadi termagnetisasi. .

Lahirnya Ilmu Magnetisme

Deskripsi pertama tentang sifat-sifat magnet alam di Eropa dibuat oleh orang Prancis Pierre de Maricourt. Pada tahun 1269, ia bertugas di pasukan Raja Charles dari Anjou dari Sisilia, yang mengepung kota Lucera di Italia. Dari sana dia mengirim dokumen ke temannya di Picardy, yang tercatat dalam sejarah sains sebagai “Surat tentang Magnet” (Epistola de Magnete), di mana dia berbicara tentang eksperimennya dengan bijih besi magnetik. Maricourt memperhatikan bahwa di setiap potongan magnetit terdapat dua area yang sangat kuat dalam menarik besi. Dia melihat kesejajaran antara zona-zona ini dan kutub-kutub bola langit dan meminjam nama mereka untuk wilayah dengan gaya magnet maksimum - itulah sebabnya kita sekarang berbicara tentang kutub magnet utara dan selatan. Jika Anda memecah sepotong magnetit menjadi dua, tulis Maricourt, setiap pecahan akan memiliki kutubnya sendiri. Maricourt tidak hanya menegaskan bahwa tarik-menarik dan tolak-menolak terjadi antara potongan-potongan magnetit (hal ini telah diketahui), tetapi untuk pertama kalinya mengaitkan efek ini dengan interaksi antara kutub-kutub yang berlawanan (utara dan selatan) atau sejenis.

Banyak sejarawan sains menganggap Maricourt sebagai pelopor sains eksperimental Eropa yang tak terbantahkan. Bagaimanapun, catatannya tentang magnetisme diedarkan dalam lusinan daftar, dan setelah munculnya percetakan, catatan tersebut diterbitkan sebagai brosur terpisah. Mereka dikutip dengan hormat oleh banyak naturalis hingga abad ke-17. Karya ini dikenal baik oleh naturalis dan dokter Inggris (dokter Ratu Elizabeth dan penggantinya James I) William Gilbert, yang pada tahun 1600 menerbitkan (seperti yang diharapkan, dalam bahasa Latin) sebuah karya luar biasa “On the Magnet, Magnetic Bodies and the Great Magnet - bumi " Dalam buku ini, Gilbert tidak hanya memberikan hampir semua informasi yang diketahui tentang sifat-sifat magnet alam dan besi yang termagnetisasi, tetapi juga menjelaskan eksperimennya sendiri dengan bola magnetit, yang dengannya ia mereproduksi ciri-ciri utama magnet terestrial. Misalnya, ia menemukan bahwa di kedua kutub magnet “Bumi kecil” (terrella dalam bahasa Latin), jarum kompas dipasang tegak lurus terhadap permukaannya, di ekuator - sejajar, dan di garis lintang tengah - pada posisi tengah. Beginilah cara Hilbert memodelkan kemiringan magnet, yang keberadaannya telah dikenal di Eropa selama lebih dari setengah abad (pada tahun 1544, fenomena ini pertama kali dijelaskan oleh mekanik Nuremberg Georg Hartmann).

Sebuah revolusi dalam navigasi. Kompas membuat revolusi nyata dalam navigasi maritim, menjadikan perjalanan global bukan hanya kasus-kasus tertentu, namun menjadi rutinitas yang akrab dan teratur.

Gilbert juga mereproduksi deklinasi geomagnetik pada modelnya, yang menurutnya tidak ideal permukaan halus bola (dan oleh karena itu, dalam skala planet, efek ini dijelaskan oleh daya tarik benua). Ia menemukan bahwa besi yang dipanaskan dengan suhu tinggi kehilangan sifat kemagnetannya, tetapi ketika didinginkan, sifat kemagnetannya pulih kembali. Terakhir, Gilbert adalah orang pertama yang membuat perbedaan jelas antara gaya tarik magnet dan gaya tarik amber yang digosok, yang disebutnya gaya listrik (dari nama latin amber, electrum). Secara umum, ini adalah karya yang sangat inovatif, dihargai oleh orang-orang sezaman dan keturunannya. Pernyataan Gilbert bahwa Bumi harus dianggap sebagai “magnet besar” menjadi kesimpulan ilmiah mendasar kedua properti fisik planet kita (yang pertama adalah penemuan bentuk bolanya, yang dilakukan pada zaman Antiquity).

Dua abad istirahat

Setelah Gilbert, ilmu magnet hanya mengalami sedikit kemajuan hingga awal abad ke-19. Apa yang telah dicapai selama ini benar-benar dapat dihitung dengan jari. Pada tahun 1640, murid Galileo, Benedetto Castelli, menjelaskan daya tarik magnetit dengan adanya banyak partikel magnet kecil dalam komposisinya - dugaan pertama dan sangat tidak sempurna bahwa sifat magnet harus dicari pada tingkat atom. Orang Belanda Sebald Brugmans memperhatikan pada tahun 1778 bahwa bismut dan antimon ditolak oleh kutub jarum magnet - ini adalah contoh pertama fenomena fisik yang disebut Faraday sebagai diamagnetisme 67 tahun kemudian. Pada tahun 1785, Charles-Augustin Coulomb, dengan menggunakan pengukuran presisi pada keseimbangan torsi, menunjukkan bahwa gaya interaksi antara kutub magnet berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya - seperti gaya interaksi antara muatan listrik (pada tahun 1750, orang Inggris John Michell sampai pada kesimpulan serupa, tetapi kesimpulan Coulomb jauh lebih dapat diandalkan).

Namun studi tentang kelistrikan pada tahun-tahun itu berkembang pesat. Tidak sulit untuk menjelaskannya. Magnet alam tetap menjadi satu-satunya sumber utama gaya magnet—sains tidak mengenal sumber lain. Kekuatannya stabil, tidak dapat diubah (kecuali mungkin dihancurkan oleh panas), apalagi dihasilkan sesuka hati. Jelas bahwa keadaan ini sangat membatasi kemungkinan para peneliti.

Listrik berada dalam posisi yang jauh lebih menguntungkan karena dapat diterima dan disimpan. Generator muatan statis pertama dibangun pada tahun 1663 oleh wali kota Magdeburg, Otto von Guericke (belahan Magdeburg yang terkenal juga merupakan gagasannya). Satu abad kemudian, generator semacam itu menjadi begitu luas sehingga bahkan diperagakan di resepsi masyarakat kelas atas. Pada tahun 1744, Ewald Georg von Kleist dari Jerman dan beberapa saat kemudian Pieter van Musschenbroek dari Belanda menemukan toples Leyden - kapasitor listrik pertama; Pada saat yang sama, elektrometer pertama muncul. Hasilnya, pada akhir abad ke-18, ilmu pengetahuan mengetahui lebih banyak tentang listrik dibandingkan pada awalnya. Namun hal yang sama tidak berlaku untuk magnetisme.

Dan kemudian segalanya berubah. Pada tahun 1800, Alessandro Volta menemukan sumber kimia arus listrik pertama, baterai volta, juga dikenal sebagai sel volta. Setelah itu, penemuan hubungan antara listrik dan magnet tinggal menunggu waktu saja. Hal ini bisa saja terjadi pada awal tahun depan, ketika ahli kimia Perancis Nicolas Gauthereau memperhatikan bahwa dua kabel paralel yang membawa arus tertarik satu sama lain. Namun, baik dia, maupun Laplace yang agung, maupun fisikawan eksperimental hebat Jean-Baptiste Biot, yang kemudian mengamati fenomena ini, tidak menganggap penting fenomena ini. Oleh karena itu, prioritasnya tepat diberikan kepada ilmuwan, yang telah lama berasumsi adanya hubungan semacam itu dan mengabdikan bertahun-tahun untuk mencarinya.

Dari Kopenhagen ke Paris

Setiap orang telah membaca dongeng dan cerita Hans Christian Andersen, tetapi hanya sedikit orang yang tahu bahwa ketika penulis masa depan “The Naked King” dan “Thumbelina” mencapai Kopenhagen saat remaja berusia empat belas tahun, ia menemukan seorang teman dan pelindung di orang yang memiliki nama ganda, seorang profesor fisika dan kimia biasa di Universitas Kopenhagen Hans Christian Oersted. Dan keduanya memuliakan negaranya di seluruh dunia.

Macam-macam medan magnet Ampere dipelajari interaksi antara penghantar paralel yang membawa arus. Idenya dikembangkan oleh Faraday yang mengajukan konsep kemagnetan saluran listrik.

Sejak tahun 1813, Oersted dengan sadar mencoba membangun hubungan antara listrik dan magnet (dia adalah penganut filsuf besar Immanuel Kant, yang percaya bahwa semua kekuatan alam memiliki kesatuan internal). Oersted menggunakan kompas sebagai indikator, tetapi untuk waktu yang lama tidak berhasil. Oersted berharap agar kekuatan magnet arus sejajar dengan dirinya sendiri, dan untuk memperoleh torsi maksimum yang dimilikinya kawat listrik tegak lurus dengan jarum kompas. Tentu saja, panah tidak bereaksi ketika arus dihidupkan. Dan baru pada musim semi tahun 1820, selama kuliah, Oersted merentangkan kawat sejajar dengan panah (baik untuk melihat apa hasilnya, atau dia mengajukan hipotesis baru - sejarawan fisika masih memperdebatkan hal ini). Dan di sinilah jarumnya berayun - tidak terlalu banyak (Oersted memiliki baterai berdaya rendah), tetapi masih terasa.

Benar, penemuan besar itu belum terjadi. Untuk beberapa alasan, Oersted menghentikan eksperimen selama tiga bulan dan kembali melakukannya hanya pada bulan Juli. Dan saat itulah dia menyadari bahwa “efek magnetis dari arus listrik diarahkan sepanjang lingkaran yang melingkupi arus tersebut.” Ini adalah kesimpulan yang paradoks, karena gaya rotasi belum pernah muncul sebelumnya baik dalam mekanika maupun cabang fisika lainnya. Ørsted menguraikan temuannya dalam sebuah artikel dan mengirimkannya ke beberapa publikasi pada 21 Juli jurnal ilmiah. Kemudian dia tidak lagi mempelajari elektromagnetisme, dan tongkat estafet diserahkan kepada ilmuwan lain. Warga Paris adalah pihak pertama yang menerimanya. Pada tanggal 4 September, fisikawan dan matematikawan terkenal Dominic Arago berbicara tentang penemuan Oersted pada pertemuan Akademi Ilmu Pengetahuan. Rekannya Andre-Marie Ampere memutuskan untuk mempelajari efek magnetis arus dan keesokan harinya memulai eksperimen. Pertama-tama, dia mengulangi dan mengkonfirmasi eksperimen Oersted, dan pada awal Oktober dia menemukan bahwa konduktor paralel akan tarik menarik jika arus mengalir melaluinya dalam arah yang sama, dan tolak menolak jika berlawanan arah. Ampere mempelajari interaksi antara konduktor non-paralel dan menyajikannya dengan rumus (hukum Ampere). Dia juga menunjukkan bahwa konduktor melingkar yang membawa arus berputar dalam medan magnet, seperti jarum kompas (dan kebetulan menciptakan solenoid - kumparan magnet). Terakhir, ia mengajukan hipotesis yang berani: arus melingkar paralel mikroskopis yang tidak teredam mengalir di dalam bahan bermagnet, yang merupakan penyebab aksi magnetisnya. Pada saat yang sama, Biot dan Felix Savart bersama-sama mengidentifikasi hubungan matematis yang memungkinkan seseorang menentukan intensitas medan magnet yang diciptakan oleh arus searah (hukum Biot-Savart).

Untuk menekankan kebaruan efek yang dipelajari, Ampere mengusulkan istilah “fenomena elektrodinamik” dan terus-menerus menggunakannya dalam publikasinya. Namun hal ini belum menjadi elektrodinamika dalam pengertian modern. Oersted, Ampere dan rekan-rekannya bekerja dengan arus searah yang menciptakan gaya magnet statis. Fisikawan belum menemukan dan menjelaskan proses elektromagnetik non-stasioner yang benar-benar dinamis. Masalah ini terpecahkan pada tahun 1830-an-1870-an. Sekitar selusin peneliti dari Eropa (termasuk Rusia – ingat pemerintahan Lenz) dan Amerika Serikat mempunyai andil dalam hal ini. Namun, keunggulan utama tidak diragukan lagi dimiliki oleh dua raksasa sains Inggris - Faraday dan Maxwell.

tandem London

Bagi Michael Faraday, tahun 1821 benar-benar merupakan tahun yang menentukan. Ia menerima posisi yang didambakan sebagai Pengawas Royal Institution of London dan, secara tidak sengaja, memulai program penelitian yang memberinya tempat unik dalam sejarah sains dunia.

Magnetik dan tidak terlalu banyak. Berbagai zat dalam medan magnet luar mereka berperilaku berbeda, hal ini disebabkan oleh perbedaan perilaku momen magnet atom itu sendiri. Yang paling terkenal adalah feromagnet; ada paramagnet, antiferromagnet dan ferrimagnet, serta diamagnet, yang atom-atomnya tidak memiliki momen magnetnya sendiri (dalam medan luar, atom-atom tersebut termagnetisasi lemah “melawan medan”).

Itu terjadi seperti ini. Editor Annals of Philosophy, Richard Phillips, mengundang Faraday untuk menulis tinjauan kritis terhadap karya-karya baru tentang aksi magnetis arus. Faraday tidak hanya mengikuti saran ini dan menerbitkan “Sketsa Sejarah Elektromagnetisme,” namun memulai penelitiannya sendiri, yang berlangsung selama bertahun-tahun. Pertama, seperti Ampere, dia mengulangi eksperimen Oersted, lalu melanjutkan. Pada akhir tahun 1821, ia membuat perangkat di mana konduktor pembawa arus berputar mengelilingi magnet strip, dan magnet lain berputar mengelilingi konduktor kedua. Faraday menyatakan bahwa magnet dan kawat hidup dikelilingi oleh garis gaya konsentris, garis gaya, yang menentukan aksi mekanisnya. Ini sudah menjadi cikal bakal konsep medan magnet, meskipun Faraday sendiri tidak menggunakan istilah tersebut.

Awalnya dia menyukai garis ley metode yang nyaman deskripsi pengamatan, tetapi seiring waktu ia menjadi yakin akan realitas fisiknya (terutama karena ia menemukan cara untuk mengamatinya menggunakan serbuk besi yang tersebar di antara magnet). Pada akhir tahun 1830-an, ia dengan jelas menyadari bahwa energi, yang sumbernya adalah magnet permanen dan konduktor aktif, didistribusikan di ruang yang dipenuhi garis-garis gaya. Faktanya, Faraday sudah berpikir dalam istilah teori lapangan, yang mana ia jauh lebih maju dibandingkan orang-orang sezamannya.

Namun penemuan utamanya berbeda. Pada bulan Agustus 1831, Faraday mampu membuat magnet menghasilkan arus listrik. Perangkatnya terdiri dari cincin besi dengan dua belitan yang berlawanan. Salah satu spiral dapat dihubungkan ke baterai listrik, yang lainnya dihubungkan ke konduktor yang terletak di atas kompas magnet. Panah tidak berubah posisi jika arus searah mengalir melalui kumparan pertama, tetapi berayun ketika dihidupkan dan dimatikan. Faraday menyadari bahwa pada saat ini timbul impuls listrik pada belitan kedua yang disebabkan oleh munculnya atau hilangnya garis gaya magnet. Dengan kata lain, ia menemukan bahwa gaya gerak listrik disebabkan oleh perubahan medan magnet. Efek ini juga ditemukan oleh fisikawan Amerika Joseph Henry, tetapi ia mempublikasikan hasilnya lebih lambat dari Faraday dan tidak menarik kesimpulan teoretis yang serius.

Elektromagnet dan solenoida mendasari banyak teknologi, yang tanpanya mustahil membayangkan peradaban modern: mulai dari generator listrik penghasil listrik, motor listrik, trafo hingga komunikasi radio dan, secara umum, hampir semua elektronik modern.

Menjelang akhir hayatnya, Faraday sampai pada kesimpulan bahwa pengetahuan baru tentang elektromagnetisme memerlukan rumusan matematika. Dia memutuskan bahwa tugas ini akan diserahkan kepada James Clerk Maxwell, seorang profesor muda di Marischal College di kota Aberdeen, Skotlandia, yang dia tulis kepadanya pada bulan November 1857. Dan Maxwell benar-benar menyatukan semua pengetahuan tentang elektromagnetisme menjadi satu teori matematika. Pekerjaan ini sebagian besar diselesaikan pada paruh pertama tahun 1860-an, ketika ia menjadi profesor filsafat alam di King's College London. Konsep medan elektromagnetik pertama kali muncul pada tahun 1864 dalam sebuah memoar yang dipresentasikan kepada Royal Society of London. Maxwell memperkenalkan istilah ini untuk merujuk pada “bagian ruang yang berisi dan mengelilingi benda-benda dalam keadaan listrik atau magnet,” dan secara khusus menekankan bahwa ruang ini bisa kosong atau diisi dengan materi apa pun.

Hasil utama karya Maxwell adalah sistem persamaan yang menghubungkan fenomena elektromagnetik. Dalam Treatise on Electricity and Magnetism, yang diterbitkan pada tahun 1873, ia menyebutnya persamaan umum medan elektromagnetik, dan sekarang disebut persamaan Maxwell. Kemudian, mereka digeneralisasikan lebih dari satu kali (misalnya, untuk menggambarkan fenomena elektromagnetik di berbagai media), dan juga ditulis ulang menggunakan formalisme matematika yang semakin canggih. Maxwell juga menunjukkan bahwa persamaan ini mengakui solusi yang melibatkan gelombang transversal tak teredam, dimana cahaya tampak merupakan kasus khusus.

Teori Maxwell memperkenalkan magnetisme sebagai jenis interaksi khusus antara arus listrik. Fisika kuantum abad ke-20 hanya menambahkan dua poin baru pada gambaran ini. Kita sekarang mengetahui bahwa interaksi elektromagnetik dibawa oleh foton dan bahwa elektron serta banyak partikel elementer lainnya memiliki momen magnetnya sendiri. Semua karya eksperimental dan teoritis di bidang magnet dibangun di atas landasan ini.

Badai, dll. Bagaimana terjadinya? Apa ciri-cirinya?

Daya tarik

Fenomena dan sifat magnetik secara kolektif disebut magnetisme. Keberadaan mereka sudah diketahui sejak lama. Diasumsikan bahwa empat ribu tahun yang lalu orang Cina menggunakan pengetahuan ini untuk membuat kompas dan menavigasi pelayaran laut. Mereka mulai melakukan eksperimen dan secara serius mempelajari fenomena fisik magnetik hanya pada abad ke-19. Hans Oersted dianggap sebagai salah satu peneliti pertama di bidang ini.

Fenomena magnetik dapat terjadi baik di Luar Angkasa maupun di Bumi, dan hanya muncul dalam medan magnet. Medan seperti itu timbul dari muatan listrik. Ketika muatan-muatan tersebut diam, medan listrik terbentuk di sekelilingnya. Ketika mereka bergerak ada medan magnet.

Artinya, fenomena medan magnet terjadi dengan munculnya arus listrik atau medan listrik bolak-balik. Ini adalah wilayah ruang di mana ada gaya yang mempengaruhi magnet dan konduktor magnetik. Ia memiliki arahnya sendiri dan berkurang ketika ia menjauh dari sumbernya - konduktor.

magnet

Benda yang disekitarnya terbentuk medan magnet disebut magnet. Yang terkecil adalah elektron. Daya tarik magnet adalah fenomena magnetis fisik yang paling terkenal: jika Anda meletakkan dua magnet bersebelahan, keduanya akan tarik menarik atau tolak menolak. Ini semua tentang posisi mereka relatif satu sama lain. Setiap magnet memiliki dua kutub: utara dan selatan.

Kutub yang sejenis akan tolak menolak, dan sebaliknya, kutub yang sejenis akan tarik menarik. Jika Anda memotongnya menjadi dua, maka bagian utara dan kutub selatan tapi tidak akan terpisah. Hasilnya, kita akan mendapatkan dua magnet yang masing-masing juga memiliki dua kutub.

Ada sejumlah bahan yang memiliki sifat magnetik. Ini termasuk besi, kobalt, nikel, baja, dll. Diantaranya ada cairan, paduan, dan senyawa kimia. Jika Anda memegang magnet di dekat magnet, magnet itu sendiri akan menjadi satu.

Zat seperti besi murni dengan mudah memperoleh sifat ini, tetapi juga dengan cepat mengucapkan selamat tinggal padanya. Lainnya (misalnya baja) membutuhkan waktu lebih lama untuk menjadi magnet, tetapi efeknya tetap bertahan lama.

magnetisasi

Kami menetapkan di atas bahwa medan magnet muncul ketika partikel bermuatan bergerak. Tapi gerakan seperti apa yang bisa kita bicarakan, misalnya, pada sepotong besi yang digantung di lemari es? Semua zat terdiri dari atom, yang mengandung partikel bergerak.

Setiap atom mempunyai medan magnetnya masing-masing. Namun dalam beberapa material, bidang-bidang ini diarahkan secara kacau ke arah yang berbeda. Karena itu, tidak ada satu bidang besar yang tercipta di sekitar mereka. Zat semacam itu tidak mampu melakukan magnetisasi.

Pada material lain (besi, kobalt, nikel, baja), atom-atomnya mampu berbaris sehingga semuanya mengarah ke arah yang sama. Akibatnya, medan magnet umum terbentuk di sekitar mereka dan benda menjadi termagnetisasi.

Ternyata magnetisasi suatu benda adalah keteraturan medan atomnya. Untuk mematahkan tatanan ini cukup dengan memukulnya dengan keras, misalnya dengan palu. Medan atom akan mulai bergerak secara kacau dan kehilangan sifat magnetnya. Hal yang sama akan terjadi jika bahan tersebut dipanaskan.

Induksi magnetik

Fenomena magnetik berhubungan dengan muatan yang bergerak. Dengan demikian, pasti timbul medan magnet di sekitar penghantar yang membawa arus listrik. Tapi mungkinkah sebaliknya? Fisikawan Inggris Michael Faraday pernah menanyakan pertanyaan ini dan menemukan fenomena induksi magnet.

Ia menyimpulkan bahwa medan konstan tidak dapat menimbulkan arus listrik, tetapi medan bolak-balik dapat menimbulkan arus listrik. Arus terjadi di lingkaran tertutup medan magnet dan disebut induksi. Gaya gerak listrik akan berubah sebanding dengan perubahan kecepatan medan yang menembus rangkaian.

Penemuan Faraday merupakan terobosan nyata dan membawa manfaat besar bagi produsen peralatan listrik. Berkat dia, arus dapat dihasilkan dari energi mekanik. Hukum yang diturunkan oleh ilmuwan tersebut telah dan diterapkan dalam desain motor listrik, berbagai generator, trafo, dll.

Medan magnet bumi

Jupiter, Neptunus, Saturnus dan Uranus memiliki medan magnet. Tidak terkecuali planet kita. DI DALAM kehidupan biasa kita hampir tidak menyadarinya. Itu tidak berwujud, tidak memiliki rasa atau bau. Tetapi fenomena magnetis di alam berhubungan dengannya. Seperti aurora, badai magnet, atau magnetoreception pada hewan.

Intinya, Bumi adalah magnet yang besar, tetapi tidak terlalu kuat, yang memiliki dua kutub yang tidak berhimpitan dengan geografis. Garis magnet meninggalkan Kutub Selatan planet dan masuk ke Kutub Utara. Artinya sebenarnya Kutub Selatan Bumi adalah kutub utara magnet (itulah sebabnya di Barat biru adalah kutub selatan - S, dan merah adalah kutub utara - N).

Medan magnetnya meluas ratusan kilometer dari permukaan planet. Ini berfungsi sebagai kubah tak kasat mata yang memantulkan radiasi galaksi dan matahari yang kuat. Selama tumbukan partikel radiasi dengan cangkang bumi, banyak fenomena magnet yang terbentuk. Mari kita lihat yang paling terkenal.

Badai magnet

Matahari memiliki pengaruh yang kuat terhadap planet kita. Ini tidak hanya memberi kita kehangatan dan cahaya, tetapi juga memicu fenomena magnetis yang tidak menyenangkan seperti badai. Kemunculannya dikaitkan dengan peningkatan aktivitas matahari dan proses yang terjadi di dalam bintang ini.

Bumi terus-menerus dipengaruhi oleh aliran partikel terionisasi dari Matahari. Mereka bergerak dengan kecepatan 300-1200 km/s dan dicirikan sebagai angin matahari. Namun dari waktu ke waktu, emisi mendadak dalam jumlah besar dari partikel-partikel ini terjadi di bintang. Mereka bertindak pada cangkang bumi sebagai guncangan dan menyebabkan medan magnet berosilasi.

Badai seperti ini biasanya berlangsung hingga tiga hari. Saat ini, beberapa penghuni planet kita sedang merasa tidak enak badan. Fluktuasi membran mempengaruhi kita dengan sakit kepala, peningkatan tekanan darah dan kelemahan. Seumur hidup, seseorang mengalami rata-rata 2.000 badai.

Cahaya utara

Ada juga fenomena magnetis yang lebih menyenangkan di alam - cahaya utara atau aurora. Tampaknya sebagai cahaya di langit dengan warna yang berubah dengan cepat, dan terjadi terutama pada garis lintang tinggi (67-70°). Dengan aktivitas matahari yang kuat, pancaran sinarnya juga diamati lebih rendah.

Sekitar 64 kilometer di atas kutub, partikel matahari bermuatan bertabrakan dengan medan magnet terjauh. Di sini, beberapa di antaranya diarahkan ke kutub magnet bumi, tempat mereka berinteraksi dengan gas atmosfer, itulah sebabnya cahaya muncul.

Spektrum cahaya tergantung pada komposisi udara dan penghalusannya. Cahaya merah tersebut terjadi pada ketinggian 150 hingga 400 kilometer. Warna biru dan hijau dikaitkan dengan tingginya kadar oksigen dan nitrogen. Mereka terjadi pada ketinggian 100 kilometer.

Magnetoresepsi

Ilmu utama yang mempelajari fenomena kemagnetan adalah fisika. Namun, beberapa di antaranya mungkin juga melibatkan biologi. Misalnya sensitivitas magnetis organisme hidup adalah kemampuannya mengenali medan magnet bumi.

Banyak hewan, terutama spesies yang bermigrasi, memiliki anugerah unik ini. Kemampuan magnetoreception telah ditemukan pada kelelawar, merpati, kura-kura, kucing, rusa, beberapa bakteri, dll. Ini membantu hewan bernavigasi di ruang angkasa dan menemukan rumah mereka, menjauh darinya sejauh puluhan kilometer.

Jika seseorang menggunakan kompas untuk orientasi, maka hewan menggunakan alat yang sepenuhnya alami. Para ilmuwan belum dapat menentukan secara pasti bagaimana dan mengapa magnetoreception bekerja. Namun diketahui bahwa merpati dapat menemukan rumahnya meskipun jaraknya ratusan kilometer, sambil mengurung burung tersebut di dalam kotak yang benar-benar gelap. Kura-kura menemukan tempat kelahirannya bahkan bertahun-tahun kemudian.

Berkat “kekuatan super” mereka, hewan dapat mengantisipasi letusan gunung berapi, gempa bumi, badai, dan bencana lainnya. Mereka secara halus merasakan fluktuasi medan magnet, yang meningkatkan kemampuan mereka untuk mempertahankan diri.

Topik yang diusulkan adalah upaya malu-malu untuk lebih memahami beberapa bagian dari rencana Sang Pencipta untuk menciptakan landasan bagi pembangunan dan fungsi Alam Semesta. Arah di mana seseorang dapat mencoba memahami rencananya digariskan oleh Dukun dalam komentar tahun 1184 dengan topik “Apa itu gravitasi”: “Pada tahap ini, saya memahami prinsip pertama sebagai berikut: prinsip pertama atau materi pertama adalah apa terdiri dari ruang hampa eter, yang menciptakan medan tempat partikel elementer dibuat. Dan kedepannya akan ada partikel fundamental yang menyusun partikel eter. Namun prinsip dasarnya selalu dan di mana pun adalah partikel.”
Topik yang diusulkan tidak mempertimbangkan partikel-partikel dari prinsip dasar yang membentuk partikel-partikel eter; mari kita mulai dengan apa yang terdiri dari eter.

Asumsi awal merupakan titik lemah dari hipotesis apa pun. Tidak adanya kemungkinan verifikasi eksperimental terhadap asumsi awal saat ini tidak berarti bahwa asumsi tersebut salah; selain itu, data eksperimen mungkin disalahartikan. Salah tafsir Rutherford terhadap hasil eksperimen hamburan partikel alfa yang dilakukannya pada tahun 1911 mempersulit pemahaman mekanisme komunikasi antar atom selama satu abad. Dalam salah satu komentarnya, che menulis: “...bagaimanapun juga, sebuah teori diuji secara eksklusif melalui implementasi prediksi yang dihasilkannya...” Prediksi sifat-sifat unsur berdasarkan perhitungan yang dilakukan sesuai dengan skema struktur elektron yang diusulkan akan berfungsi sebagai uji hipotesis yang diajukan dalam topik. Dalam semua gambar dalam topik, skala tidak dipatuhi, prioritasnya adalah kejelasan.

Asumsi awal.
Interaksi apa pun hanya dapat ditularkan melalui kontak.
Di alam, hanya ada interaksi kontak dan pergerakan terus menerus dari partikel-partikel yang memiliki prinsip dasar (“inilah yang membuat ruang hampa eter, apa yang menciptakan medan, terbuat dari apa partikel elementer”), terlepas dari apakah mereka partikel tunggal. atau mereka adalah bagian dari formasi. Partikel-partikel ini mentransmisikan interaksi dan berpartisipasi di dalamnya.
Alam semesta dibangun di atasnya hubungan yang harmonis urutan interaksi kontak partikel prinsip dasar.

Eksperimen sederhana.
Percobaan 1. Mari kita ambil magnet permanen dan perhatikan gaya tarik-menarik medan magnet pada suatu titik tertentu (benda uji). Mari kita melewatkan arus listrik konstan melalui magnet. Medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik harus arahnya berlawanan dengan medan magnet magnet permanen. Kami akan meningkatkan arus dengan mengukur resistansi magnet permanen secara berurutan. Sampai nilai arus tertentu, hambatan pada magnet praktis tidak akan berubah. Kekuatan tarik-menarik juga tidak akan berubah. Pada nilai tertentu Saat ini kita mendapatkan penurunan resistensi magnet permanen secara tiba-tiba, dan gaya tarik menarik akan menurun secara tiba-tiba. Setelah itu, ketika aliran arus listrik berhenti, sifat magnetik magnet permanen tidak pulih.

Percobaan 2. Tempatkan dua magnet permanen dalam wadah tempat udara dipompa keluar (terbuat ruang hampa). Interaksi magnet dalam suatu wadah tidak akan berbeda dengan interaksinya pada kondisi atmosfer normal.

Percobaan 3. Mari kita dinginkan wadah dan magnet permanennya hingga mencapai suhu nitrogen cair. Sifat-sifat magnet hilang dan tidak pulih kembali ketika dikembalikan ke atmosfer normal.

Partikel prinsip dasar.
Medan magnet magnet permanen hanya ada jika muatan terus bergerak sepanjang permukaan magnet. Atom berinteraksi dengan elektron.
Interaksi apa pun hanya dapat ditularkan melalui kontak.
Untuk menjamin perpindahan muatan dari satu atom ke atom lain, elektron harus mengandung partikel yang akan mentransfer muatan tersebut. Partikel-partikel ini juga harus menyediakan komunikasi antar atom, pergerakan muatan di sepanjang permukaan magnet permanen dan arus dalam konduktor. Oleh karena itu
elektron harus terdiri dari partikel yang mentransmisikan interaksi antar atom secara kontak. Partikel-partikel ini mentransmisikan interaksi dan berpartisipasi di dalamnya.
Eter terdiri dari partikel yang sama. Pergerakan kacau partikel-partikel ini menentukan suhu eter sekitar 30K. Neutrino, foton, quark dalam proton dan neutron terdiri dari partikel yang sama. Sebut saja mereka partikel yang benar-benar elementer. Kita akan menggunakan istilah “benar-benar elementer” dalam topik terpisah ketika mempertimbangkan “...di masa depan, akan ada partikel fundamental yang menyusun partikel eter.”

Menurut gagasan saya, untuk menjaga keselarasan struktur dan fungsi alam semesta kita, partikel yang benar-benar elementer harus memiliki ciri-ciri sebagai berikut. Ukuran (diameter) konvensional adalah sekitar 10-55m, massa jenis zat sekitar 5^10+6g/cm+3. Di dalam substansi partikel yang benar-benar elementer terdapat suatu wilayah (zona) dalam keadaan non-ekuilibrium - “ketegangan”. Setara dengan keadaan ini disebut muatan positif. Jumlah muatan pada semua partikel sama q=10-20 C. Yang membedakan partikel-partikel elementer satu sama lain adalah ukuran daerah “ketegangan” zat-zatnya. Jumlah partikel yang benar-benar elementer per satuan volume eter adalah konstan, sekitar 10+13 buah per satuan volume centimeter kubik, kecepatan rata-rata sekitar 5^10+5m/detik.

Struktur elektron.
Karena saat ini elektron telah diuji kediskritannya hanya sampai ukuran 10-19m, maka tidak tepat jika dikatakan bahwa elektron tidak dapat dibagi. Gagasan modern tentang elektron sebagai gelombang partikel yang tidak berpartisipasi dalam interaksi kontak adalah salah. Eksperimen di atas secara tidak langsung menunjukkan struktur diskrit elektron.
Mari kita bayangkan elektron sebagai sistem dinamis yang terdiri dari partikel-partikel elementer
(selanjutnya disebut RE). Mari kita asumsikan bahwa dua pasang RE yang identik, sebut saja RE dasar, berinteraksi dalam kontak - berosilasi berpasangan di sekitar satu titik yang sama.

Beras. 1 Interaksi partikel elektron basa

Osilasi pasangan RE bergeser relatif satu sama lain selama setengah periode, garis osilasi pasangan tersebut tegak lurus satu sama lain. Periode osilasi satu RE dasar adalah sekitar 5^10-25 detik, amplitudo osilasi sekitar 10-15 m.

Mari kita asumsikan bahwa setiap kontak RE dasar berinteraksi secara bergantian dengan tiga RE identik lainnya, sebut saja kontak tersebut. Periode osilasi satu kontak RE adalah sekitar 3^10-24 detik, amplitudo osilasi rata-rata adalah kondisi normal sekitar 5^10-12m.

Beras. 2 Interaksi partikel basa dan kontak - struktur elektron.

Sebuah elektron terdiri dari enam belas partikel elementer yang berosilasi dalam dua "lapisan" konsentris: yang pertama - empat (basis), yang kedua - dua belas (kontak) RE. Notasi struktural. Struktur elektron memastikan simetri dinamis - setiap kontak RE(basis) berinteraksi secara bergantian dengan tiga RE(con). Getaran RE(kon) pada elektron atom tersinkronisasi. Ukuran elektron (batas bola konvensionalnya) secara praktis ditentukan oleh amplitudo osilasi RE(con). Penting untuk dicatat bahwa RE(con), setelah mencapai jarak maksimum dari pusat geometri elektron ke batas bola bersyaratnya, tidak berhenti sejenak, tetapi bergerak sepanjang setengah lingkaran elips dan kemudian bergerak ke arah yang berlawanan.
Di alam, hanya ada interaksi kontak dan pergerakan terus menerus dari partikel-partikel yang benar-benar elementer, terlepas dari apakah itu partikel tunggal atau bagian dari suatu formasi.
Muatan suatu elektron sama dengan jumlah muatan RE komponen-komponennya q(e) = 10-20 C. ^ 16 buah. = 1,6^10-19C.

Dalam sebuah atom, pusat elektron (titik di mana RE(basa) elektron berosilasi) terletak dari pusat proton pada jarak sekitar 1,4 jari-jari proton. Daerah interaksi kontak RE(basa) dengan RE(con) pada elektron bebas dan elektron pada atom hidrogen adalah bola; pada atom helium berbentuk belahan; daerah tersebut mengecil seiring bertambahnya jumlah unsur. Segmen daerah interaksi kontak RE(basa) dengan RE(con) pada elektron atom ditentukan oleh jumlah unsurnya. Desain struktur diskrit elektron yang diberikan adalah seminimal mungkin, yang menyediakan semua variasi hubungan antara unsur-unsur dan sifat-sifatnya.

Pembentukan medan magnet magnet permanen.
Dalam setiap elektron dalam atom feromagnetik, sembilan RE(con) menciptakan ikatan antar atom melalui pertukaran timbal balik RE(con) antar elektron atom tetangga. Tiga RE(con) dari setiap elektron pada permukaan feromagnet tidak berpartisipasi dalam interaksi dengan elektron RE(con) dari atom tetangga.

Selama magnetisasi, di bawah pengaruh medan magnet luar pada permukaan feromagnet, elektron menyimpang dari geometri normal getaran tiga RE(kon), yang tidak terlibat dalam memastikan hubungan antar atom. Jari-jari setengah lingkaran elips bertambah hingga bersentuhan dengan RE(con) pada elektron atom tetangga - RE(con) mulai mentransfer momentum satu sama lain ke arah medan magnet luar. Ada pergerakan muatan yang konstan di sepanjang permukaan magnet dalam satu arah - arus melingkar. Pelanggaran simetri dan harmoni getaran tidak terjadi, karena posisi titik kontak RE(con) dengan RE(base) pada elektron tidak berubah. Karena kecilnya, praktis tidak ada hambatan terhadap pergerakan RE(kon) sepanjang setengah lingkaran elips, tidak ada kehilangan energi, oleh karena itu, setelah medan magnet luar dihilangkan, pergerakan muatan di sepanjang permukaan feromagnet ( arus melingkar) dipertahankan.

Kecepatan perpindahan momentum antara RE(con) dalam elektron atom tetangga magnet permanen sebanding dengan kecepatan cahaya. Kecepatan rata-rata RE eter beberapa kali lipat lebih rendah. Ketika mereka bertabrakan, RE eter memperoleh impuls searah arus melingkar di sepanjang permukaan magnet - terjadi gangguan pada eter.

Beras. 3 Munculnya medan magnet permanen

Pada saat awal tumbukan, tepat di permukaan magnet, kecepatan RE eter tinggi - gangguan eter maksimum. Ketika menjauh dari permukaan magnet, kecepatan RE eter berkurang karena tumbukan dengan RE eter lainnya dan pada jarak tertentu dari magnet menjadi sama dengan kecepatan rata-rata pergerakan kacau RE eter - gangguan eter menghilang.

Daerah eter yang terganggu, yang timbul akibat perpindahan momentum dari RE(kon) pada elektron atom tetangga pada permukaan magnet permanen ke RE eter, melambangkan medan magnet magnet permanen.

Mari kita pertimbangkan eksperimen yang disajikan dalam topik tersebut.
Tiga RE(con) dari setiap elektron pada permukaan feromagnet (konduktor), tidak terlibat dalam pembentukan ikatan antar atom, juga terlibat dalam transmisi arus listrik.

Dalam hal ini, selama pergerakan RE(kon) antara elektron-elektron tetangga, mereka bertabrakan dengan RE dari eter, yaitu. gangguan pada eter – medan magnet – muncul. Jadi, baik dalam magnet permanen maupun ketika mentransmisikan arus dari sumber eksternal, ketiga RE(con) dari setiap elektron pada permukaan feromagnet (konduktor), tidak terlibat dalam pembuatan ikatan antar atom, berpartisipasi dalam pembentukan a Medan gaya.

Penurunan resistansi magnet permanen secara tiba-tiba dan penurunan gaya tarik menarik pada nilai arus searah tertentu (percobaan 1) dijelaskan oleh fakta bahwa RE(con) pada permukaan magnet berhenti mentransfer momentum satu sama lain. selama osilasi dan mulai mentransfer momentum pada saat penggantian RE(con) pada elektron atom tetangga (transfer arus dari sumber eksternal).

Jika magnet permanen lain didekatkan ke magnet permanen sehingga arah arus melingkarnya berlawanan, RE eter, setelah menerima impuls dari RE(kon) pada elektron atom tetangga, akan bergerak menuju satu sama lain - magnet akan menolak. Ketika arah arus melingkar permukaan bertepatan, RE eter akan “tergeser” dari ruang antara magnet, dan RE eter dari sisi yang berlawanan akan “mendorong” magnet ke arah satu sama lain. Kami mengamati mekanisme serupa yaitu “mendorong” dua perahu ketika air bergerak di antara keduanya.

Ketika magnet didinginkan (percobaan 3) berkurang menjadi 10-13m. amplitudo osilasi RE(con) pada permukaan magnet. Akibatnya, pada elektron atom tetangga pada permukaan magnet, deviasi RE(con) menjadi tidak cukup untuk interaksi kontaknya, transfer momentum terhenti, dan medan magnet menghilang.

Pergerakan muatan di sepanjang permukaan suatu formasi (munculnya medan magnet) dimungkinkan jika formasi tersebut memiliki struktur atom yang agak teratur. Dalam hal ini, RE(kon) dalam elektron atom tetangga pada permukaan formasi dapat, berinteraksi satu sama lain dalam kontak, mentransfer impuls RE eter ke arah medan magnet. Menurut prinsip ini, terjadi magnetisasi tertentu dari feromagnet kecil oleh magnet permanen dan interaksinya. Karena dalam arus melingkar pada permukaan magnet permanen dalam kondisi normal praktis tidak ada hambatan terhadap pergerakan muatan, praktis tidak ada kehilangan energi, misalnya ketika magnetisasi feromagnet kecil. Dalam kondisi normal, magnet permanen dapat melakukan kerja menggerakkan feromagnet tanpa batas waktu. Usaha ini dilakukan karena energi RE eter - dari ruang antara magnet permanen dan feromagnet, RE eter “tergeser”, dan RE eter dari sisi berlawanan “mendorong” keduanya ke arah satu sama lain.

Dengan struktur formasi atom yang tidak teratur (dielektrik), perpindahan momentum antara RE(con) pada elektron atom tetangga dan kemudian dari RE(con) ke RE eter (gangguan eter) tidak dapat terjadi - a medan magnet tidak timbul.
Munculnya apa yang disebut "vortisitas Abrikosov" dijelaskan oleh adanya volume superkonduktor tipe II dalam elektron atom RE(kon) tetangga yang tidak terlibat dalam pembentukan ikatan antar atom, yaitu dapat memastikan pergerakan muatan di antara mereka - arus melingkar lokal. Jadi, hanya struktur diskrit elektron yang memungkinkan seseorang menjelaskan sifat magnetisme secara alami.

Berdasarkan interaksi kontak RE (kon) pada elektron atom tetangga, di masa depan tampaknya mungkin untuk melakukan perhitungan energi ikat atom dan energi pergerakan muatan sepanjang permukaan feromagnet. Penggunaan perhitungan ini untuk memprediksi sifat-sifat unsur, termasuk senyawa, akan berfungsi sebagai pengujian hipotesis yang diajukan.
Boris Kirilenko.

Aplikasi

Komunikasi atom.
Ikatan atom adalah ikatan antara elektron-elektron atom tetangga. Dalam unsur dan senyawanya, atom-atom disusun sedemikian rupa sehingga ketika bergetar pada daerah jarak maksimum RE(con) dari pusat elektronnya, RE(con) sebagai bagian dari elektron suatu atom memasuki daerah tersebut. getaran RE(con) sebagai bagian dari elektron atom tetangga. Daerah getaran RE(kon) yang tumpang tindih terbentuk dalam komposisi elektron atom tetangga.

Mekanisme komunikasi antar atom dalam unsur adalah pertukaran RE(con) antar elektron atom tetangga.
Untuk lebih jelasnya, gambar tersebut hanya menunjukkan satu elektron untuk setiap atom; RE, tempat pertukaran elektron, disorot dalam warna. Kerucut menandai segmen daerah interaksi kontak RE(basa) dengan RE(con) pada elektron atom.

Ikatan atom-atom dalam suatu unsur.

Pertukaran RE(con) terjadi sepanjang garis interaksi kontak RE(con) dengan RE(base) dalam elektron. Pada RE(con), yang telah memasuki daerah tumpang tindih getaran RE(con) pada elektron tetangga, suatu gaya mulai bekerja, menarik RE(con) ke pusat elektron atom tetangga. Pertukaran timbal balik RE(con) terjadi pada elektron atom tetangga – atom tersebut terhubung. Interaksi RE(con) dalam elektron atom tetangga suatu unsur disinkronkan. Ukuran dan lokasi zona pertukaran RE(con) relatif terhadap proton tetangganya menentukan sifat unsur dan senyawanya.

Konduktivitas listrik
Perpindahan arus dari sumber luar dalam suatu konduktor terjadi dengan mengganti RE(con) pada elektron atom tetangga pada permukaan konduktor searah dengan medan luar.
Terjadi penggantian RE(kon) pada komposisi elektron tegak lurus terhadap garis interaksi kontak RE(con) dengan RE(basa) pada elektron atom. Untuk lebih jelasnya, gambar tersebut hanya menunjukkan satu elektron untuk setiap atom; RE(con), yang digantikan oleh elektron, disorot dalam warna.

Transmisi arus dalam konduktor.

Ketika rangkaian ditutup, RE(con) dari sumber arus menggantikan RE(con) pada elektron pada permukaan konduktor pada titik kontak terdekat. Menjadi tidak terikat, setelah menerima impuls, RE(con) dari konduktor menggantikan RE(con) dalam komposisi elektron tetangga dari konduktor, dll. Pada titik akhir RE menuju ke sumber saat ini. Secara teoritis, perpindahan momentum (arus) dengan mengganti RE pada elektron tetangga harus terjadi pada sudut 900 terhadap garis interaksi kontak RE di dalam elektron. Dalam konduktor nyata, pusat atom pada simpul kisi kristal bergetar. Bersamaan dengan pusat atom, pusat elektron juga ikut bergetar. Akibatnya terjadi transmisi impuls dengan penyimpangan dari sudut 900, yaitu. terjadi kehilangan energi. Sesuai dengan sudut defleksi ini, jumlah energi yang tidak ditransfer (kerugian) sebagian digunakan untuk pemanasan dan sebagian lagi dihilangkan oleh radiasi.
Akhir topik.

Tentang sifat magnet terestrial

Ada suatu masa ketika orang-orang, yang mencoba menjelaskan mengapa jarum magnet selalu menunjuk ke utara di salah satu ujungnya, percaya bahwa magnetisme bumi ada di langit, bahwa jarum kompas diarahkan oleh gaya magnet yang berasal dari Bintang Utara. Baru-baru ini, orang-orang baru mengetahui bahwa Bumi itu sendiri adalah magnet berbentuk bola besar, dengan kutub dan medan magnet luar yang bekerja pada jarum kompas, sekitar 350 tahun yang lalu. Ilmuwan besar Rusia M.V. Lomonosov, memberi penting pengamatan jarum kompas, pada tahun 1759 ia mengusulkan untuk membangun kompas yang dapat merekam sendiri yang dapat merekam pengamatan ini saat kapal sedang bergerak.
Ketika magnet terestrial dieksplorasi, berbagai sifat-sifatnya secara bertahap terungkap. Pertama-tama, terbukti bahwa meridian geografis tidak bertepatan dengan meridian magnet, yang arahnya di permukaan bumi ditunjukkan oleh jarum kompas, sehingga sumbu magnet bumi tidak bertepatan dengan sumbunya. rotasi. Para ilmuwan telah menemukan bahwa arah medan magnet bumi sesuai dengan apa yang akan terjadi jika sebuah magnet ditempatkan di dekat pusat bumi, yang sumbunya membentuk sudut sekitar 11,5° dengan sumbu rotasi planet kita.
Medan magnet di setiap titik di ruang angkasa dicirikan tidak hanya berdasarkan arah, tetapi juga oleh besarnya intensitasnya. Di permukaan bumi, tegangan ini relatif kecil, kira-kira sama dengan tegangan magnet sekolah biasa pada jarak 10 - 15 cm dari ujungnya. Kekuatan medan magnet bumi dapat direpresentasikan sebagai resultan dari dua komponen: vertikal dan horizontal. Yang terakhir mengarahkan jarum kompas di sepanjang meridian magnet.
Jika Anda bergerak dengan kompas di tangan Anda sepanjang garis lintang mana pun di seluruh dunia, Anda akan menemukan bahwa arah meridian magnet dalam kasus yang jarang terjadi bertepatan dengan arah geografis; Hampir selalu ada sudut tertentu antara arah-arah ini, yang disebut deklinasi magnet. Arah jarum kompas dapat menyimpang dari meridian geografis ke timur atau barat. Deklinasi magnetis ditemukan di semua tempat di dunia dan peta sebaran deklinasi ini disusun. Jika deklinasi kompas di suatu tempat diketahui, maka arah meridian geografis dapat ditentukan. Hal ini memungkinkan untuk menentukan lokasi kapal di laut atau pesawat terbang di atas permukaan bumi.
Namun medan magnet bumi berubah perlahan seiring berjalannya waktu, dan akibatnya deklinasi jarum magnet juga berubah. Oleh karena itu, perlu dilakukan penyusunan ulang peta secara berkala yang menunjukkan sebaran deklinasi magnet.
Rusia adalah salah satu negara pertama yang mendirikan observatorium magnetik pada awal abad ke-19. Namun, baru pada abad ke-20, melalui survei magnetik umum, peta rinci distribusi medan magnet di seluruh negeri dibuat; hal ini memungkinkan pembuatan peta deklinasi magnetik, yang diperlukan untuk layanan navigasi.
Perubahan lambat (sekuler) dalam medan magnet bumi tampaknya hampir bersifat periodik: selama 400-600 tahun, kekuatan medan geomagnetik berubah sebesar 1-2% dari nilainya. Namun, untuk tempat berbeda di permukaan bumi, periodisitas ini dinyatakan secara berbeda.
Sekitar dua ratus tahun yang lalu ditemukan bahwa, seiring dengan perubahan lambat dalam magnetisme bumi, terdapat fluktuasi yang relatif cepat - baik teratur maupun tidak teratur - dalam kekuatan medan magnet bumi. Osilasi reguler bertepatan dengan periode astronomi tertentu: rotasi harian Bumi pada porosnya, hari lunar, dan rotasi tahunan Bumi dalam lingkaran Matahari. Kisaran fluktuasi ini kecil: fluktuasi harian medan magnet berjumlah sekitar 0,05% dari total kekuatan medan geomagnetik, dan lebih besar di musim panas dibandingkan di musim dingin; fluktuasi selama hari lunar dan bahkan lebih sedikit lagi - sekitar 0,005%; fluktuasi kekuatan tahunan juga berjumlah beberapa ratus persen kekuatan lapangan.
Selain itu, terjadi perubahan tidak teratur pada medan magnet bumi, yang disebut badai magnet, yang terjadi secara tiba-tiba dan berlangsung dari beberapa jam hingga beberapa hari. Saat terjadi badai, perubahan kekuatan medan magnet mencapai beberapa persen. Sebagian besar, badai magnet bertepatan dengan cahaya utara dan berkaitan erat dengan fenomena yang diamati di Matahari, khususnya bintik matahari.
Medan geomagnetik berubah secara tidak teratur tidak hanya dalam waktu, tetapi juga dalam ruang ketika bergerak di sepanjang permukaan bumi. Ada tempat-tempat yang kekuatan medan magnetnya jauh lebih besar (dan terkadang lebih kecil) dibandingkan daerah sekitarnya. Perubahan medan bumi yang demikian disebut anomali magnetik. Misalnya, wilayah anomali magnet Kursk yang terkenal di dunia, di mana kekuatan medan magnetnya tiga hingga empat kali lebih tinggi dari kekuatan normal wilayah sekitarnya. Anomali magnet kuat biasanya terjadi di wilayah kerak bumi yang mengandung sejumlah besar magnet bijih besi- magnetit.
Bagaimana ciri-ciri utama medan magnet bumi dijelaskan? Masalah tersulit bagi sains ternyata adalah asal mula medan geomagnetik utama, yang selama jutaan tahun terakhir hampir konstan, hanya mengalami sedikit perubahan. Berbagai asumsi telah dibuat mengenai masalah ini. Beberapa ilmuwan berpendapat bahwa Bumi menyembuhkan magnetismenya di medan magnet Matahari. Namun penelitian lebih lanjut tidak mengkonfirmasi asumsi ini. Meskipun medan magnet yang kuat terkadang muncul di area yang disebut bintik matahari, secara umum Matahari tidak memiliki medan magnet yang terlihat pada jarak radius orbit Bumi. Hipotesis lain juga tidak terkonfirmasi, yang menyatakan bahwa Bumi, yang memiliki muatan listrik konstan, karena rotasi hariannya harus membentuk medan magnet di sekelilingnya. Perhitungan menunjukkan bahwa muatan permukaan bumi umumnya kecil dan hanya dapat membentuk medan magnet yang dapat diabaikan ketika bumi berotasi.
Baru-baru ini, sebuah hipotesis telah dikemukakan tentang asal usul magnetisme terestrial, yang menjelaskan kemunculannya melalui rotasi massa bumi. Menurut teori ini, setiap massa yang berputar menciptakan magnet, terlepas dari keadaan listrik massa tersebut. Bahkan ilmuwan besar kita, P. N. Lebedev, ingin menguji asumsi ini secara eksperimental: ia melakukan rotasi yang sangat cepat pada berbagai benda, tetapi munculnya magnetisme tidak terdeteksi di dalamnya.
Terakhir, beberapa ilmuwan percaya bahwa sumber medan magnet terkonsentrasi jauh di bawah permukaan bumi.

Semua asumsi yang dibuat sejauh ini tentang asal mula magnet terestrial tidak diterima secara umum dalam sains. Mungkin, fenomena medan magnet utama bumi merupakan kombinasi kompleks dari dua proses utama: sistem arus listrik tertutup dengan sumbu magnet bergeser relatif terhadap sumbu rotasi bumi, dan magnetisasi sisa batuan yang kaya akan mineral. magnetit di lapisan atas kerak bumi. Proses pertama stabil, menciptakan kekuatan utama medan magnet utama. Ia bergabung dengan medan magnetisasi sisa kerak bumi. Bisa jadi itu terbentuk di bawah pengaruh panas radioaktif selama pemanasan dan pendinginan batuan yang mengandung magnetit di medan magnet bumi. Adapun perubahan sementara medan magnet utama dijelaskan sebagai berikut. Perubahan sekuler dijelaskan oleh fluktuasi suhu di lapisan dasar kerak bumi; Kenaikan atau penurunan suhu mengubah magnetisasi batuan dan menyebabkan fluktuasi medan magnet di permukaan bumi.
Variasi harian medan geomagnetik ditentukan oleh pergerakan massa udara terionisasi di lapisan atas atmosfer, yang disebut ionosfer. Ionisasi udara terjadi di bawah pengaruh sinar matahari, karena intensitasnya radiasi sinar matahari lebih banyak lagi sekitar tengah hari dan terutama pada hari-hari musim panas, maka variasi diurnal medan geomagnetik menjadi sangat penting saat ini. Badai magnet dijelaskan oleh fakta bahwa Bumi jatuh ke dalam aliran radiasi sel surya. Proses letusan partikel individu terjadi di Matahari, yang terkadang terlempar jauh melampaui orbit Bumi. Partikel-partikel ini memiliki kemampuan pengion yang tinggi dan dengan cepat meningkatkan jumlah muatan listrik di ionosfer. Pergerakan muatan ini menciptakan medan magnet, yang di Bumi dianggap sebagai badai magnet.
Jadi, magnetisme terestrial adalah fenomena yang sangat kompleks: berbagai bagian bumi dan berbagai proses fisik terlibat dalam penciptaannya. Tidak ada keraguan bahwa kemajuan lebih lanjut dalam geofisika, astronomi, dan ilmu pengetahuan Rusia lainnya akan memungkinkan dalam waktu dekat ditemukan data baru tentang asal usul magnetisme terestrial, yang akan menjelaskan dengan tepat salah satu fenomena alam paling menarik.

Kembali