Магнетизм - Magnetism

Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Магнитный квадруполь

Магнетизм - это класс физических явлений, которые опосредуются магнитными полями . Электрические токи и магнитные моменты элементарных частиц порождают магнитное поле, которое действует на другие токи и магнитные моменты. Магнетизм - один из аспектов комбинированного явления электромагнетизма . Наиболее известные эффекты возникают в ферромагнитных материалах, которые сильно притягиваются магнитными полями и могут быть намагничены, чтобы стать постоянными магнитами , которые сами создают магнитные поля. Также возможно размагничивание магнита. Лишь некоторые вещества являются ферромагнитными; Наиболее распространенными из них являются железо , кобальт и никель и их сплавы. Приставка « ферро» относится к железу , потому что постоянный магнетизм впервые был обнаружен в магнитном железе , форме естественной железной руды, называемой магнетитом , Fe 3 O 4 .

Все вещества обладают каким-либо типом магнетизма. Магнитные материалы классифицируются в зависимости от их объемной восприимчивости. Ферромагнетизм отвечает за большинство эффектов магнетизма, встречающихся в повседневной жизни, но на самом деле существует несколько типов магнетизма. Парамагнитные вещества, такие как алюминий и кислород , слабо притягиваются к приложенному магнитному полю; слабо отталкиваются диамагнитные вещества, такие как медь и углерод ; в то время как антиферромагнитные материалы, такие как хром и спиновые стекла , имеют более сложные отношения с магнитным полем. Сила магнита, действующая на парамагнитные, диамагнитные и антиферромагнитные материалы, обычно слишком мала, чтобы ее можно было почувствовать, и ее можно обнаружить только с помощью лабораторных приборов, поэтому в повседневной жизни эти вещества часто называют немагнитными.

Магнитное состояние (или магнитная фаза) материала зависит от температуры, давления и приложенного магнитного поля. Материал может проявлять более одной формы магнетизма при изменении этих переменных.

Сила магнитного поля почти всегда уменьшается с расстоянием, хотя точное математическое соотношение между силой и расстоянием меняется. Различные конфигурации магнитных моментов и электрических токов могут привести к возникновению сложных магнитных полей.

Наблюдались только магнитные диполи , хотя некоторые теории предсказывают существование магнитных монополей .

История

Магнит , природный магнит , притягивающий железные гвозди. Древние люди открыли свойство магнетизма магнитного камня.
Иллюстрация из книги Гилберта 1600 De Magnete, показывающая один из самых ранних способов изготовления магнита. Кузнец держит кусок раскаленного железа в направлении с севера на юг и молотит его, пока он остывает. Магнитное поле Земли выравнивает домены, оставляя железо слабым магнитом.
Нанесение лечения с помощью магнитных щеток. Шарль Жак 1843, Франция.

Магнетизм был впервые обнаружен в древнем мире, когда люди заметили, что магнитные камни , естественно намагниченные куски минерального магнетита , могут притягивать железо. Слово « магнит» происходит от греческого слова μαγνῆτις λίθος magnētis lithos , «магнезианский камень, магнитный камень». В древней Греции, Аристотель приписывал первое из того, что можно было бы назвать научное обсуждение магнетизма философа Фалеса из Милета , который жил примерно от 625 г. до н.э. до 545 г. до н. В древнеиндийском медицинском тексте Сушрута Самхита описывается использование магнетита для удаления стрел, встроенных в тело человека.

В древнем Китае самое раннее литературное упоминание о магнетизме содержится в книге 4-го века до нашей эры, названной в честь ее автора Гуйгузи . В анналах II века до н.э. Люши Чуньцю также отмечается: « Магнит приближает железо; некоторая (сила) притягивает его». Самое раннее упоминание о притяжении иглы содержится в работе I века « Лунхэн» Сбалансированные запросы» ): «Магнит притягивает иглу». Китайский ученый XI века Шэнь Го был первым человеком, который написал - в « Очерках пруда снов» - магнитный стрелочный компас и что он повысил точность навигации за счет использования астрономической концепции истинного севера . К XII веку китайцы, как известно, использовали магнитный компас для навигации. Они вылепили из магнитного камня направленную ложку таким образом, чтобы ручка всегда указывала на юг.

Александр Неккам к 1187 году первым в Европе описал компас и его использование для навигации. В 1269 году Петр Перегринус де Марикур написал Epistola de magnete , первый дошедший до нас трактат, описывающий свойства магнитов. В 1282 году свойства магнитов и сухих компасов обсуждались Аль-Ашрафом, йеменским физиком , астрономом и географом .

Единственная дошедшая до нас работа Леонардо Гарсони , « Due trattati sopra la natura, e le qualità della calamita» , является первым известным примером современной трактовки магнитных явлений. Написанный около 1580 года и никогда не опубликованный, трактат получил широкое распространение. В частности, Никколо Кабео назвал Гарцони экспертом по магнетизму, чья «Philosophia Magnetica» (1629 г.) - это просто переработка работы Гарцони. Трактат Гарцони был известен также Джованни Баттиста Делла Порта и Уильяму Гилберту.

В 1600 году Уильям Гилберт опубликовал книгу «De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure» О магните и магнитных телах и о Великом магните на Земле» ). В этой работе он описывает многие из своих экспериментов со своей моделью земли, называемой терреллой . Из своих экспериментов он пришел к выводу, что Земля сама по себе является магнитной, и именно по этой причине компасы указывают на север (ранее некоторые считали, что компас притягивает полярная звезда ( Полярная звезда ) или большой магнитный остров на северном полюсе).

Понимание взаимосвязи между электричеством и магнетизмом началось в 1819 году с работы Ханса Кристиана Эрстеда , профессора Копенгагенского университета, который обнаружил путем случайного подергивания стрелки компаса возле провода, что электрический ток может создавать магнитное поле. Этот знаменательный эксперимент известен как эксперимент Эрстеда. Затем последовало несколько других экспериментов с Андре-Мари Ампером , который в 1820 году обнаружил, что магнитное поле, циркулирующее по замкнутому пути, связано с током, протекающим через поверхность, ограниченную этим путем; Карл Фридрих Гаусс ; Жан-Батист Био и Феликс Савар , оба из которых в 1820 году предложили закон Био-Савара, дающий уравнение для магнитного поля от токоведущего провода; Майкл Фарадей , который в 1831 году обнаружил, что изменяющийся во времени магнитный поток через проволочную петлю индуцирует напряжение, и другие обнаружили дальнейшие связи между магнетизмом и электричеством. Джеймс Клерк Максвелл синтезировал и расширил эти идеи на уравнения Максвелла , объединив электричество, магнетизм и оптику в область электромагнетизма . В 1905 году Альберт Эйнштейн использовал эти законы для обоснования своей специальной теории относительности , требуя, чтобы законы выполнялись во всех инерциальных системах отсчета .

Электромагнетизм продолжал развиваться в 21 веке, будучи включенным в более фундаментальные теории калибровочной теории , квантовой электродинамики , электрослабой теории и, наконец, в стандартную модель .

Источники

Магнетизм в своей основе возникает из двух источников:

  1. Электрический ток .
  2. Спин магнитные моменты из элементарных частиц .

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

Обычно огромное количество электронов в материале устроено так, что их магнитные моменты (как орбитальные, так и собственные) уравновешиваются. В некоторой степени это происходит из-за того, что электроны объединяются в пары с противоположными собственными магнитными моментами в результате принципа исключения Паули (см. Конфигурацию электронов ) и объединяются в заполненные подоболочки с нулевым суммарным орбитальным движением. В обоих случаях электроны предпочтительно принимают меры, в которых магнитный момент каждого электрона компенсируется противоположным моментом другого электрона. Более того, даже тогда , когда электронная конфигурация является такой , что существуют неспаренных электронов и / или не заполненные подоболочки, это часто бывает , что различные электроны в твердом будет способствовать магнитные моменты , которые указывают в разных, случайных направлениях , так что материал будет не быть магнитным.

Иногда, либо спонтанно, либо из-за приложенного внешнего магнитного поля, каждый из магнитных моментов электрона в среднем будет выровнен. Тогда подходящий материал может создавать сильное чистое магнитное поле.

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

Типы магнетизма

Иерархия типов магнетизма.

Диамагнетизм

Диамагнетизм проявляется во всех материалах и представляет собой тенденцию материала противостоять приложенному магнитному полю и, следовательно, отталкиваться магнитным полем. Однако в материале с парамагнитными свойствами (то есть с тенденцией к усилению внешнего магнитного поля) преобладает парамагнитное поведение. Таким образом, несмотря на повсеместное распространение, диамагнитное поведение наблюдается только в чисто диамагнитном материале. В диамагнитном материале нет неспаренных электронов, поэтому собственные магнитные моменты электронов не могут оказывать никакого объемного эффекта. В этих случаях намагниченность возникает из-за орбитальных движений электронов, которые классически можно понять следующим образом:

Когда материал помещается в магнитное поле, электроны, вращающиеся вокруг ядра, будут испытывать, помимо своего кулоновского притяжения к ядру, силу Лоренца от магнитного поля. В зависимости от того, в каком направлении вращается электрон, эта сила может увеличивать центростремительную силу, действующую на электроны, притягивая их к ядру, или может уменьшать силу, отталкивая их от ядра. Этот эффект систематически увеличивает орбитальные магнитные моменты, которые были выровнены против поля, и уменьшает те, которые выровнены параллельно полю (в соответствии с законом Ленца ). Это приводит к небольшому объемному магнитному моменту с направлением, противоположным приложенному полю.

Это описание предназначено только как эвристическое ; что теорема Бора-Ван Leeuwen показывает , что диамагнетизм невозможно по классической физике, и что правильное понимание требует квантово-механическое описание.

Все материалы подвергаются этому орбитальному отклику. Однако в парамагнитных и ферромагнитных веществах диамагнитный эффект подавляется гораздо более сильными эффектами, вызванными неспаренными электронами.

Парамагнетизм

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

Ферромагнетизм

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

Каждое ферромагнитное вещество имеет свою индивидуальную температуру, называемую температурой Кюри или точкой Кюри, выше которой оно теряет свои ферромагнитные свойства. Это связано с тем, что тепловая тенденция к беспорядку подавляет снижение энергии из-за ферромагнитного порядка.

Ферромагнетизм встречается только в нескольких веществах; распространены железо , никель , кобальт , их сплавы и некоторые сплавы редкоземельных металлов.

Магнитные домены

Границы магнитных доменов (белые линии) в ферромагнитном материале (черный прямоугольник)
Влияние магнита на домены

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

Когда домен содержит слишком много молекул, он становится нестабильным и делится на два домена, выровненных в противоположных направлениях, так что они слипаются более стабильно, как показано справа.

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

Когда намагничивается достаточно сильно, чтобы преобладающий домен перекрывал все остальные, чтобы образовался только один единственный домен, материал становится магнитно-насыщенным . Когда намагниченный ферромагнитный материал нагревается до температуры точки Кюри , молекулы возбуждаются до такой степени, что магнитные домены теряют организацию и вызываемые ими магнитные свойства прекращаются. Когда материал охлаждается, эта структура выравнивания доменов спонтанно возвращается, примерно аналогично тому, как жидкость может замерзнуть в кристаллическое твердое тело.

Антиферромагнетизм

Антиферромагнитный порядок

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

В некоторых материалах соседние электроны предпочитают указывать в противоположных направлениях, но нет геометрического расположения, в котором каждая пара соседей была бы анти-выровненной. Это называется вращающимся стеклом и является примером геометрического разочарования .

Ферримагнетизм

Ферримагнитное упорядочение

Подобно ферромагнетизму, ферримагнетики сохраняют свою намагниченность в отсутствие поля. Однако, как и в антиферромагнетиках, соседние пары электронных спинов имеют тенденцию указывать в противоположных направлениях. Эти два свойства не противоречат друг другу, потому что при оптимальном геометрическом расположении больше магнитный момент от подрешетки электронов, которые указывают в одном направлении, чем от подрешетки, которая указывает в противоположном направлении.

Большинство ферритов ферримагнитны. Первое открытое магнитное вещество, магнетит , представляет собой феррит и первоначально считалось ферромагнетиком; Однако Луи Неэль опроверг это, открыв ферримагнетизм.

Суперпарамагнетизм

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

Другие виды магнетизма

Электромагнит

Электромагнит притягивает скрепки при приложении тока, создающего магнитное поле. Электромагнит теряет их при снятии тока и магнитного поля.

Электромагнит представляет собой тип магнита , в котором магнитное поле производится с помощью электрического тока . Магнитное поле исчезает при отключении тока. Электромагниты обычно состоят из большого количества близко расположенных витков провода, которые создают магнитное поле. Витки проволоки часто наматываются на магнитный сердечник, сделанный из ферромагнитного или ферримагнитного материала, такого как железо ; магнитопровод концентрирует магнитный поток и делает магнит более мощным.

Основное преимущество электромагнита перед постоянным магнитом состоит в том, что магнитное поле можно быстро изменить, контролируя величину электрического тока в обмотке. Однако, в отличие от постоянного магнита, которому не требуется питание, электромагнит требует непрерывной подачи тока для поддержания магнитного поля.

Электромагниты широко используются в качестве компонентов других электрических устройств, таких как двигатели , генераторы , реле , соленоиды, громкоговорители , жесткие диски , аппараты МРТ , научные инструменты и оборудование для магнитной сепарации . Электромагниты также используются в промышленности для захвата и перемещения тяжелых предметов из железа, таких как железный лом и сталь. Электромагнетизм был открыт в 1820 году.

Магнетизм, электричество и специальная теория относительности

Как следствие специальной теории относительности Эйнштейна, электричество и магнетизм фундаментально взаимосвязаны. И магнетизм без электричества, и электричество без магнетизма несовместимы со специальной теорией относительности из-за таких эффектов, как сокращение длины , замедление времени и тот факт, что магнитная сила зависит от скорости. Однако если принять во внимание и электричество, и магнетизм, полученная теория ( электромагнетизм ) полностью согласуется со специальной теорией относительности. В частности, явление, которое одному наблюдателю кажется чисто электрическим или чисто магнитным, может быть смесью обоих для другого, или, в более общем смысле, относительные вклады электричества и магнетизма зависят от системы отсчета. Таким образом, специальная теория относительности «смешивает» электричество и магнетизм в единое нераздельное явление, называемое электромагнетизмом , аналогично тому, как относительность «смешивает» пространство и время с пространством-временем .

Все наблюдения электромагнетизма применимы к тому, что можно было бы рассматривать как в первую очередь магнетизм, например, возмущения в магнитном поле обязательно сопровождаются ненулевым электрическим полем и распространяются со скоростью света .

Магнитные поля в материале

В вакууме

где μ 0 - проницаемость вакуума .

В материале

Величина μ 0 M называется магнитной поляризацией .

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

константа пропорциональности называется магнитной восприимчивостью. Если так,

В жестком магните, таком как ферромагнетик, M не пропорционален полю и, как правило, отличен от нуля, даже когда H равно нулю (см. Remanence ).

Магнитная сила

Магнитные силовые линии стержневого магнита, изображенные железными опилками на бумаге.
Обнаружение магнитного поля с помощью компаса и железных опилок

Явление магнетизма «опосредовано» магнитным полем. Электрический ток или магнитный диполь создают магнитное поле, которое, в свою очередь, передает магнитные силы другим частицам, находящимся в этих полях.

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

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

Когда заряженная частица движется через магнитное поле B , она ощущает силу Лоренца F, заданную перекрестным произведением :

где

- электрический заряд частицы, а
v - вектор скорости частицы

Поскольку это перекрестное произведение, сила перпендикулярна как движению частицы, так и магнитному полю. Отсюда следует , что магнитная сила не делает работу на частицу; он может изменить направление движения частицы, но не может заставить ее ускоряться или замедляться. Величина силы равна

где угол между V и B .

Одним из инструментов для определения направления вектора скорости движущегося заряда, магнитного поля и прилагаемой силы является нанесение указательного пальца «V», среднего пальца «B» и большого пальца «F» правой рукой. При создании конфигурации, подобной оружию, со средним пальцем, пересекающим указательный палец, пальцы представляют вектор скорости, вектор магнитного поля и вектор силы, соответственно. См. Также правило правой руки .

Магнитные диполи

Очень распространенный источник магнитного поля, встречающийся в природе, - это диполь с « южным полюсом » и « северным полюсом » - термины, восходящие к использованию магнитов в качестве компасов, которые взаимодействуют с магнитным полем Земли, чтобы обозначать север и юг на земной шар . Поскольку противоположные концы магнитов притягиваются, северный полюс магнита притягивается к южному полюсу другого магнита. Северный магнитный полюс Земли (в настоящее время в Северном Ледовитом океане, к северу от Канады) физически является южным полюсом, поскольку он притягивает северный полюс компаса. Магнитное поле содержит энергию , и физические системы движутся к конфигурациям с более низкой энергией. Когда диамагнитный материал помещается в магнитное поле, магнитный диполь имеет тенденцию выравниваться с противоположной полярностью по отношению к этому полю, тем самым понижая результирующую напряженность поля. Когда ферромагнитный материал помещается в магнитное поле, магнитные диполи выравниваются по приложенному полю, таким образом расширяя доменные границы магнитных доменов.

Магнитные монополи

Поскольку стержневой магнит получает свой ферромагнетизм от электронов, равномерно распределенных по стержню, когда стержневой магнит разрезается пополам, каждая из получаемых частей становится стержневым магнитом меньшего размера. Хотя считается, что у магнита есть северный и южный полюсы, эти два полюса нельзя отделить друг от друга. Монополь - если он существует - был бы новым и принципиально другим видом магнитного объекта. Он будет действовать как изолированный северный полюс, не привязанный к южному полюсу, или наоборот. Монополи будут нести «магнитный заряд», аналогичный электрическому. Несмотря на систематические поиски с 1931 года, по состоянию на 2010 год они никогда не наблюдались и вполне могли не существовать.

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

Некоторые теории великого объединения предсказывают существование монополей, которые, в отличие от элементарных частиц, являются солитонами (локализованными энергетическими пакетами). Первоначальные результаты использования этих моделей для оценки числа монополей, образовавшихся в результате Большого взрыва, противоречили космологическим наблюдениям - монополей было бы настолько много и массивно, что они уже давно остановили бы расширение Вселенной. Однако идея инфляции (для которой эта проблема служила частичной мотивацией) успешно решила эту проблему, создав модели, в которых монополи существовали, но были достаточно редкими, чтобы соответствовать текущим наблюдениям.

Единицы измерения

SI

Символ Название количества Название объекта Символ Базовые единицы
E энергия джоуль J кг⋅м 2 ⋅с −2 = C⋅V
Q электрический заряд кулон C A⋅s
я электрический ток ампер А А (= W / V = ​​C / s)
J плотность электрического тока ампер на квадратный метр А / м 2 A⋅m −2
Δ V ; Δ φ ; ε разность потенциалов ; напряжение ; электродвижущая сила вольт V Дж / Кл = кг⋅м 2 ⋅с −3 A −1
R ; Z ; Икс электрическое сопротивление ; импеданс ; реактивное сопротивление ом Ω V / A = кг⋅м 2 ⋅с −3 ⋅A −2
ρ удельное сопротивление ом метр Ом⋅м кг⋅м 3 ⋅с −3 ⋅A −2
п электроэнергия ватт W V⋅A = кг⋅м 2 ⋅с −3
C емкость фарад F C / V = ​​кг −1 m −2 ⋅A 2 ⋅s 4
Φ E электрический поток вольт метр V⋅m кг⋅м 3 ⋅с −3 ⋅A −1
E электрическое поле силы вольт на метр В / м N / C = кг⋅м⋅A −1 ⋅s −3
D электрическое поле смещения кулон на квадратный метр С / м 2 A⋅s⋅m −2
ε диэлектрическая проницаемость фарад на метр Ф / м кг −1 m −3 ⋅A 2 ⋅s 4
χ e электрическая восприимчивость ( безразмерный ) 1 1
G ; Y ; B проводимость ; вход ; восприимчивость Сименс S Ω −1 = кг −1 ⋅m −2 ⋅s 3 ⋅A 2
κ , γ , σ проводимость сименс на метр См / м кг −1 m −3 ⋅s 3 ⋅A 2
B плотность магнитного потока, магнитная индукция тесла Т Вт / м 2 = кг⋅с −2 ⋅A −1 = N⋅A −1 ⋅m −1
Ф , Ф М , Ф В магнитный поток Вебер Wb V⋅s = кг⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −1
ЧАС Магнитное поле силы ампер на метр Являюсь A⋅m −1
L , M индуктивность Генри ЧАС Wb / A = V⋅s / A = кг⋅м 2 ⋅s −2 ⋅A −2
μ проницаемость Генри на метр H / м кг⋅м ⋅s −2 ⋅A −2
χ магнитная восприимчивость ( безразмерный ) 1 1

Другой

Живые существа

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

Некоторые организмы могут обнаруживать магнитные поля - явление, известное как магнитоцепция . Некоторые материалы в живых существах являются ферромагнитными, хотя неясно, служат ли магнитные свойства особой функции или являются просто побочным продуктом содержания железа. Например, хитоны , разновидность морских моллюсков, производят магнетит, чтобы укрепить свои зубы, и даже люди производят магнетит в тканях тела. Магнитобиология изучает влияние магнитных полей на живые организмы; поля, естественно производимые организмом, известны как биомагнетизм . Многие биологические организмы в основном состоят из воды, и, поскольку вода диамагнитна , чрезвычайно сильные магнитные поля могут отталкивать эти живые существа.

Квантово-механическое происхождение магнетизма

Хотя можно сформулировать эвристические объяснения, основанные на классической физике, диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм можно полностью объяснить только с помощью квантовой теории. Успешная модель была разработана еще в 1927 году Вальтером Хайтлером и Фрицем Лондоном , которые квантово-механически установили, как молекулы водорода образуются из атомов водорода, то есть из атомных водородных орбиталей и центрируются в ядрах A и B , см. Ниже. То, что это приводит к магнетизму, совсем не очевидно, но будет объяснено ниже.

Согласно теории Гайтлера – Лондона, образуются так называемые двухчастичные молекулярные орбитали, а именно результирующая орбиталь:

Здесь последний продукт означает, что первый электрон, r 1 , находится на атомной водородной орбитали с центром во втором ядре, тогда как второй электрон движется вокруг первого ядра. Это явление «обмена» является выражением квантово-механического свойства, заключающегося в том, что частицы с идентичными свойствами нельзя различить. Он специфичен не только для образования химических связей , но и для магнетизма. То есть в этой связи возникает термин обменное взаимодействие , член, который является существенным для происхождения магнетизма и который примерно в 100 и даже в 1000 раз сильнее, чем энергии, возникающие в результате электродинамического диполь-дипольного взаимодействия.

Что касается функции спина , которая отвечает за магнетизм, у нас есть уже упомянутый принцип Паули, а именно, что симметричная орбиталь (то есть со знаком +, как указано выше) должна быть умножена на антисимметричную функцию спина (то есть со знаком -) , и наоборот . Таким образом:

,

Т.е. не только и должно быть заменено на α и β соответственно (первая сущность означает «раскрутить вверх», вторая - «спустить вниз»), но также знак + на знак - и, наконец, r i на дискретное значения s i (= ± ½); тем самым у нас есть и . « Синглетное состояние », то есть знак -, означает: спины антипараллельны , т.е. для твердого тела мы имеем антиферромагнетизм , а для двухатомных молекул - диамагнетизм . Тенденция к образованию (гомеополярной) химической связи (это означает: образование симметричной молекулярной орбитали, то есть со знаком +) автоматически возникает благодаря принципу Паули в антисимметричном спиновом состоянии (то есть со знаком -). Напротив, кулоновское отталкивание электронов, то есть тенденция, что они пытаются избежать друг друга с помощью этого отталкивания, привело бы к антисимметричной орбитальной функции (то есть со знаком -) этих двух частиц и дополнительной к симметричной спиновой функции (т.е. со знаком +, одна из так называемых « триплетных функций »). Таким образом, теперь спины были бы параллельны ( ферромагнетизм в твердом теле, парамагнетизм в двухатомных газах).

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

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

Таким образом, объяснение явлений основано на всех тонкостях квантовой механики, тогда как электродинамика охватывает в основном феноменологию.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

Библиография