Файл: Lysenko_physics_lek_2.pdf

Дослід Ейнштейна й де Хааса здійснювався таким чином (рис. 14.2). Тонкий залізний стержень підвішувався на пружній нитці й поміщався усередину соленоїда. Закручування нитки при намагнічуванні стержня сталим магнітним полем було дуже малим. Для посилення ефекту застосовувався метод резонансу – соленоїд живився змінним струмом, частота якого підбиралася такою, що дорівнювала власній частоті крутильних коливань стержня. В цих умовах амплітуда коливань досягала значень, які можна було виміряти, спостерігаючи зміщення світлового зайчика, що відбивався від дзеркальця, яке було закріплене на нитці. З даних досліду було обчислено гіромагнітне відношення, яке виявилося таким, що дорівнювало (−e / m) . Таким чином, з досліду Ейнштейна і де Хааса випливало:

знак заряду носіїв, які створюють молекулярні струми, збігся зі знаком заряду електрона; однак отримане гіромагнітне відношення перевищило значення (14.3) у два рази.

4 Надалі з'ясувалося, що, крім орбітальних моментів (14.1) і (14.2), електрон має

власні механічний Ls і магнітний pms моменти, для яких гіромагнітне відношення дорівнює

тобто збігається зі значенням, яке було отримане у дослідах Ейнштейна й де Хааса. Звідси випливає, що магнітні властивості заліза обумовлені не орбітальними, а власними магнітними моментами електронів.

Існування власних моментів електрона спочатку намагалися пояснити, розглядаючи електрон як заряджену кульку, що обертається навколо своєї осі. Відповідно до цього

власний механічний момент електрона отримав назву спін (від англійського to spin –

обертатися). Однак незабаром з'ясувалося, що таке уявлення приводить до низки суперечностей, і від гіпотези про електрона, який обертається відносно своєї осі, довелося відмовитися. Було визнано, що власний механічний момент (спін) і пов'язаний з ним

власний (спіновий) магнітний момент є такими ж невід'ємними властивостями електрона, як його маса й заряд.

§ 15 Типи магнетиків. Якісне пояснення магнітних властивостей речовини [5]

1 Типи магнетиків. Абсолютно усі речовини мають магнітні властивості і тому вони є магнетиками. За своїми магнітними властивостями залежно від знаку та числового значення магнітної сприйнятливості всі магнетики розділяються на три групи.

1 Діамагнетики характеризуються від’ємною магнітною сприйнятливістю χ = μ −1< 0 (при цьому магнітна проникність є меншою за одиницю μ <1, μ ≈1), її модуль

набагато менший за одиницю | χ |=| μ −1|<<1.

2 Парамагнетики характеризуються додатною магнітною сприйнятливістю χ = μ −1 > 0 (при цьому магнітна проникність є більшою за одиницю μ >1, μ ≈1), її модуль

набагато менший за одиницю | χ |=| μ −1|<<1.

3 Феромагнетики характеризуються додатною магнітною сприйнятливістю χ = μ −1 > 0 , її модуль набагато більший за одиницю | χ |=| μ −1|>> 1, μ ≈102 −106 .

Окрім числових значень, ці види магнетиків відрізняються за своїми властивостями.

Діамагнетики та парамагнетики за відсутності магнітного поля завжди не намагнічені. Вони характеризуються лінійною однозначною залежністю намагніченості від напруженості магнітного поля J = c × H , при цьому χ = const (для діамагнетиків c < 0 , для парамагнетиків

c > 0 ).

Феромагнетики за умови відсутності магнітного поля можуть бути намагніченими.

Вони мають нелінійну залежність намагніченості від напруженості магнітного поля J (H ) (див. рис. 15.1), при цьому магнітна проникність залежить від напруженості магнітного поля m = m(H ) (див. рис. 15.2).

A1C1D1F1A1 , яка називається петлею гістерезису. Якщо вихідну криву OA1 довести до точки A ,

де намагнічування вже досягло насичення, то описаним вище шляхом можемо отримати найбільшу, або граничну, петлю гістерезису ACDFA . З цієї кривої видно, що при H = 0 індукція B не дорівнює нулю, а зображується відрізком OC = Br . Ця індукція магнітного поля Br отримала

назву залишкової. З наявністю такого залишкового намагнічування зв'язане існування сталих магнітів. Для того щоб розмагнітити зразок, необхідно довести криву намагнічування до точки K або K′ . Цим точкам відповідає напруженість магнітного поля Hc =| OK | . Цю напруженість

магнітного поля Hc називають коерцитивною силою феромагнетику. Значення залишкової

індукції й коерцитивної сили для різних феромагнетиків змінюється у широких межах. Для м'якого заліза петля гістерезису вузька (коерцитивна сила мала), для сталі й усіх матеріалів, що йдуть на виготовлення постійних магнітів, – широка (коерцитивна сила велика).

Третя відмінність феромагнетиків від парамагнетиків і діамагнетиків полягає в тому, що для довільного феромагнетику існує визначена температура T = TK , яку називають

температурою Кюрі, при переході через яку феромагнетик стає парамагнетиком.

2 Якісне пояснення магнітних властивостей речовини. Теорія магнітних властивостей речовини будується на базі квантово-механічних уявлень. Тут ми розглянемо ці властивості наближено з якісної точки зору.

Парамагнетизм спостерігається у речовинах, атоми яких мають ненульові магнітні моменти за умови відсутності зовнішнього магнітного поля. Кожний атом, який має ненульовий магнітний момент створює в навколишньому середовищі додаткове магнітне поле. Коли зовнішнє магнітне поле відсутнє, атоми хаотично рухаються і їх магнітні моменти орієнтовані невпорядковано. Результуюче додаткове магнітне поле, що створюється цими атомами дорівнює нулю. Коли ж парамагнетик вносять у зовнішнє магнітне поле

( B0 ¹ 0), то магнітні моменти атомів орієнтуються вздовж вектора індукції цього магнітного

37

поля. Тому результуюче додаткове магнітне поле вже не дорівнює нулю ( B¢ ¹ 0). Воно накладається на зовнішнє магнітне поле, а це приводить до зміни загального магнітного поля

в речовині ( B = B0 + B¢ ¹ B0 ). Так, виникає намагнічування парамагнетиків. Про цей механізм

намагнічування говорять як про гіпотезу Ампера. Парамагнітні властивості мають такі речовини, як хлорне залізо, кисень, алюміній, платина.

Діамагнетизм спостерігається у таких речовинах, у яких атоми за умови відсутності зовнішнього магнітного поля не мають магнітного моменту. Коли такі атоми розміщують у зовнішньому магнітному полі, то на електрони атома починає діяти магнітна складова сили Лоренца. У результаті цього виникає додатковий рух електрона, що приводить до виникнення додаткового магнітного поля, яке спрямоване у протилежний бік від зовнішнього. Так виникає намагнічування діамагнетиків. Зрозуміло, що цей механізм намагнічування має місце як у парамагнетиків, так і у феромагнетиків. Але їх вклад у намагнічування у порівнянні з іншими механізмами намагнічування у парамагнетиках та феромагнетиках дуже малий. Діамагнітні властивості мають азот, вода, срібло, вісмут.

Феромагнетизм спостерігають у залізі, нікелі, кобальті та деяких інших речовинах у кристалічному стані. Відповідальними за магнітні властивості феромагнетиків є не магнітні моменти орбітального руху електронів як у парамагнетиках і діамагнетиках, а власні магнітні моменти електронів (спінові магнітні моменти). У феромагнітних речовинах взаємодія спінових магнітних моментів є істотною. У результаті цієї взаємодії спінові магнітні моменти орієнтуються паралельно один одному, виникають області спонтанного намагнічування. Ці області називають доменами. Феромагнетик, як правило, має велику кількість доменів. Під час нагрівання вони можуть руйнуватися. За умови відсутності зовнішнього магнітного поля домени орієнтуються хаотично і додаткового магнітного поля не створюють. При внесенні феромагнетику в магнітне поле домени орієнтуються вздовж поля, створюють власне додаткове магнітне поле. Так намагнічується феромагнетик.

іншого – до гальванометра G . При незмінній силі струму в першому колі гальванометр показував

відсутність струму в другому електричному колі. Однак при замиканні й розмиканні ключа

K стрілка гальванометра злегка відхилялася й потім швидко поверталася в положення рівноваги, що свідчило про виникнення в провіднику 2 короткочасного струму, який Фарадей назвав індукційним струмом. Напрями індукційних струмів при замиканні й розмиканні ключа K були прямо протилежними. Замінивши ключ K реостатом, Фарадей помітив, що при зміні сили струму I1 в першому провіднику, в другому, як і раніше, наводиться

індукційний струм, напрям якого залежить від того, зменшується I1 або збільшується.

38

2 Закон Фарадея (закон електромагнітної індукції). Відкрите Фарадеєм явище, як зазначалося вище, отримало назву електромагнітної індукції. Електричний струм у замкненому колі може виникнути тільки під дією сторонніх сил. Отже, в замкненому контурі, що знаходиться у змінному магнітному полі, з'являються сторонні сили, які індуковані змінним магнітним полем. Енергетичною мірою сторонніх сил, як відомо, є електрорушійна сила (ЕРС), або у випадку, що розглядається, ЕРС електромагнітної індукції Ei .

Подальші дослідження індукційного струму в контурах різної форми й розмірів показали, що ЕРС Ei електромагнітної індукції в контурі пропорційна швидкості зміни

магнітного потоку Φ , що проходить через поверхню, яка обмежена цим контуром (закон Фарадея):

При цьому ЕРС електромагнітної індукції не залежить від того, чим саме викликана зміна магнітного потоку: деформацією контуру, його переміщенням у магнітному полі або зміною самого поля.

3 Правило Ленца. Професор Петербурзького університету Е.X.Ленц досліджував зв'язок між напрямом індукційного струму й характером зміни магнітного потоку, який був причиною появи такого струму. В 1834 р. він встановив такий закон (правило Ленца): при будь-якій зміні магнітного потоку через поверхню, яка обмежена замкненим контуром, в останньому виникає індукційний струм такого напрямку, що його магнітне поле протидіє зміні магнітного потоку. Правилом Ленца обумовлений знак «–» в законі Фарадея (16.1). При цьому слід взяти до уваги, що вектор нормалі до поверхні, яка обмежена контуром, та напрям обходу цього контуру пов’язані між собою правилом правого гвинта.

39

Так, при наближенні магніту до котушки, яка замкнена на гальванометр, (див. рис. 16.3) в ній наводиться індукційний струм, що своєю магнітною дією перешкоджає наближенню магніту й пов'язаному з цим зростанню магнітного потоку через витки котушки. При віддаленні магніту від котушки в ній наводиться струм протилежного напрямку, що своєю магнітною дією також перешкоджає руху магніту. Легко перевірити, що усередині котушки вектори магнітної індукції поля магніту й поля індукційного струму в першому випадку спрямовані в протилежні боки, а в другому – в один й той самий бік.

4 Закон Фарадея для складного контуру. Нехай контур, у якому індукується ЕРС,

називають потокозчепленням або повним магнітним потоком. Його вимірюють у тих самих одиницях, що й магнітний потік Ф, тобто у веберах (1 Вб=1 Тл·1 м2). Якщо потік, що пронизує кожний з витків, однаковий, то

§ 17 Електрорушійна сила індукції (механізм виникнення) у рухомих і нерухомих контурах. Максвеллівське трактування закону електромагнітної індукції [5, 9]