Магнетизм - Magnetism

Магнетизм это класс физических явлений, которые опосредованы магнитные поля. Электрические токи и магнитные моменты элементарных частиц порождают магнитное поле, которое действует на другие токи и магнитные моменты. Магнетизм - один из аспектов комбинированного феномена электромагнетизм. Наиболее знакомые эффекты возникают в ферромагнитный материалы, которые сильно притягиваются магнитными полями и могут намагниченный стать постоянным магниты, сами производящие магнитные поля. Также возможно размагничивание магнита. Лишь некоторые вещества являются ферромагнитными; самые распространенные из них утюг, кобальт и никель и их сплавы. Префикс ферро- относится к утюг, потому что постоянный магнетизм впервые был обнаружен в магнит, форма естественной железной руды, называемая магнетит, Fe₃О₄.

Все вещества обладают некоторым типом магнетизма. Магнитные материалы классифицируются в зависимости от их объемной восприимчивости.^[1]. Ферромагнетизм отвечает за большинство эффектов магнетизма, встречающихся в повседневной жизни, но на самом деле существует несколько типов магнетизма. Парамагнитный вещества, такие как алюминий и кислород, слабо притягиваются к приложенному магнитному полю; диамагнитный вещества, такие как медь и углерод, слабо отталкиваются; пока антиферромагнитный материалы, такие как хром и спиновые очки, имеют более сложные отношения с магнитным полем. Сила магнита 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 описываются как немагнитные.

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 магнитное поле 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.

Только магнитные диполи наблюдались, хотя некоторые теории предсказывают существование магнитные монополи.

История

Магнитный камень, естественный магнит, притягивая железные гвозди. Древние люди открыли свойство магнетизма магнитного камня.

Иллюстрация из книги Гилберта 1600 г. De Magnete показывающий один из самых ранних способов изготовления магнита. Кузнец держит кусок раскаленного железа в направлении север-юг и молотит его, пока он остывает. Магнитное поле Земли выравнивает домены, оставляя железу слабый магнит.

Нанесение лечения с помощью магнитных щеток. Шарль Жак 1843, Франция.

Впервые магнетизм был открыт в древнем мире, когда люди заметили, что магниты, естественно намагниченные частицы минерала магнетит, мог притягивать железо.^[2] Слово магнит исходит из Греческий член μαγνῆτις λίθος магнетис литос,^[3] "магнезианский камень,^[4] магнит. "В Древней Греции Аристотель приписал философу первое из того, что можно было бы назвать научным обсуждением магнетизма Фалес из Милет, который жил примерно с 625 г. до примерно 545 г. до н.э.^[5] В древний индийский медицинский текст Сушрута Самхита описывает использование магнетита для удаления стрел, встроенных в тело человека.^[6]

В древний Китай, самое раннее литературное упоминание о магнетизме содержится в книге IV века до нашей эры, названной в честь ее автора, Мудрец из Долины Призраков.^[7]Летопись II века до нашей эры, Люши Чуньцю, также отмечает: "The магнит заставляет железо приближаться или притягивает его ".^[8] Самое раннее упоминание о притяжении иглы есть в работе I века. Lunheng (Сбалансированные запросы): «Магнит притягивает иглу».^[9] 11 век Китайский ученый Шен Куо был первым, кто написал - в Эссе о бассейне мечты - магнитного стрелочного компаса и что он повысил точность навигации за счет использования астрономический идея истинный север К XII веку китайцы использовали магнитный камень. 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 г. Питер 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. Йеменский физик, астроном, и географ.^[10]

Леонардо Гарцони единственная сохранившаяся работа, Due trattati sopra la natura, e le qualità della calamita, является первым известным примером современной трактовки магнитных явлений. Написанный примерно в 1580 году 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 Гарзони был известен также Джованни Баттиста делла Порта и Уильям Гилберт.

В 1600 г. Уильям Гилберт опубликовал свой De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (О магните и магнитных телах и о Великом магните - Земле.). В этой работе он описывает многие из своих экспериментов со своей моделью Земли, названной Terrella. Из своих экспериментов он пришел к выводу, что земной шар сам был магнитным, и это было причиной того, что компасы указывали на север (ранее некоторые считали, что это полярная звездаПолярная звезда ) или большой магнитный остров на северном полюсе, который привлек компас).

Понимание взаимосвязи между электричество и магнетизм начался в 1819 году с работ Ганс Кристиан Эрстед, профессор Копенгагенского университета, обнаруживший путем случайного подергивания стрелки компаса возле провода, что электрический ток может создавать магнитное поле. Этот знаменательный эксперимент известен как эксперимент Эрстеда. Затем последовали еще несколько экспериментов с Андре-Мари Ампер, который в 1820 году обнаружил, что магнитное поле, циркулирующее по замкнутому пути, связано с током, протекающим через поверхность, ограниченную путем; Карл Фридрих Гаусс; Жан-Батист Биот и Феликс Савар, оба из которых в 1820 году придумали Закон Био – Савара получение уравнения 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 синтезировали и расширили эти идеи до Уравнения Максвелла, объединяя электричество, магнетизм и оптика в области электромагнетизм. В 1905 г. Альберт Эйнштейн использовал эти законы при обосновании своей теории специальная теория относительности,^[11] требуя, чтобы законы выполнялись во всех инерциальные системы отсчета.

Электромагнетизм продолжал развиваться в 21 веке, будучи включен в более фундаментальные теории калибровочная теория, квантовая электродинамика, электрослабая теория, и, наконец, стандартная модель.

Источники

Магнетизм в своей основе возникает из двух источников:

Магнитные свойства материалов в основном обусловлены магнитными моментами их атомы 'орбитальный электроны. 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 ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и магнитно-резонансная томография (МРТ).

Обычно огромное количество электронов в материале устроено так, что их магнитные моменты (как орбитальные, так и собственные) компенсируются. В некоторой степени это связано с тем, что электроны объединяются в пары с противоположными собственными магнитными моментами в результате Принцип исключения Паули (видеть электронная конфигурация ) и объединение в заполненные подоболочки с нулевым чистым орбитальным движением. В обоих случаях электроны предпочтительно принимают меры, в которых магнитный момент каждого электрона компенсируется противоположным моментом другого электрона. Более того, даже когда электронная конфигурация является так что есть неспаренные электроны и / или незаполненные подоболочки, часто бывает так, что различные электроны в твердом теле будут вносить магнитные моменты, которые указывают в разных случайных направлениях, так что материал не будет 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, особенно от его электронная конфигурация, по указанным выше причинам, а также от температуры. При высоких температурах случайное тепловое движение усложняет электронам выравнивание.

Типы магнетизма

Иерархия типов магнетизма.^[12]

Диамагнетизм

Диамагнетизм проявляется во всех материалах и представляет собой тенденцию материала противодействовать 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.^[13] 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 орбитального движения электронов, что можно понять классически следующее:

Когда материал помещается в магнитное поле, электроны, вращающиеся вокруг ядра, будут испытывать, в дополнение к их Кулон притяжение к ядру, Сила Лоренца от магнитного поля. В зависимости от того, в каком направлении движется электрон по орбите, эта сила может увеличивать центростремительная сила на электроны, притягивая их к ядру, или это может уменьшить 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 Закон Ленца ). Это приводит к небольшому объемному магнитному моменту с направлением, противоположным приложенному полю.

Это описание предназначено только как эвристический; то Теорема Бора-ван Левена показывает, что диамагнетизм невозможен согласно классической физике, и что правильное понимание требует квантово-механический 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. атомный или же молекулярные орбитали с одним электроном в них. В то время как парные электроны требуются Принцип исключения Паули чтобы их собственные («спиновые») магнитные моменты были направлены в противоположных направлениях, что заставляло их магнитные поля сокращаться, неспаренный электрон может свободно выравнивать свой магнитный момент в любом направлении. При приложении внешнего магнитного поля эти магнитные моменты будут стремиться выровняться в том же направлении, что и приложенное поле, тем самым усиливая его.

Ферромагнетизм

Наконечник постоянного магнита с монетами, демонстрирующими 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 Температура Кюри, или точка Кюри, выше которой он теряет ферромагнитные свойства. Это происходит потому, что тепловая тенденция к беспорядку подавляет снижение энергии из-за ферромагнитного порядка.

Ферромагнетизм встречается только в некоторых веществах; общие утюг, никель, кобальт, их сплавы, и некоторые сплавы редкоземельный металлы.

Магнитные домены

Границы магнитных доменов (белые линии) в ферромагнитном материале (черный прямоугольник)

Влияние магнита на домены

Магнитные моменты атомов в ферромагнитный материал заставляет их вести себя как крошечные постоянные магниты. Они слипаются и выстраиваются в небольшие области более или менее равномерного выравнивания, называемые магнитные домены или же Домены Weiss. Магнитные домены можно наблюдать с магнитно-силовой микроскоп чтобы выявить границы магнитных доменов, напоминающие 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 более стабильно слипаются, как показано справа.

При воздействии 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. В результате ферромагнитный материал намагничивается, образуя постоянный магнит.

При достаточно сильном намагничивании, когда преобладающий домен перекрывает все остальные, в результате получается только один единственный домен, материал становится магнитно насыщенный. Когда намагниченный ферромагнитный материал нагревается до Точка Кюри При повышении температуры молекулы возбуждаются до такой степени, что магнитные домены теряют организацию и вызываемые ими магнитные свойства исчезают. Когда материал охлаждается, эта структура выравнивания доменов самопроизвольно возвращается, примерно аналогично тому, как жидкость может заморозить в кристаллическое твердое вещество.

Антиферромагнетизм

Антиферромагнитный порядок

В антиферромагнетик в отличие от ферромагнетика, собственные магнитные моменты соседних валентных электронов имеют тенденцию указывать в противоположный направления. Когда все атомы в веществе расположены так, что каждый сосед антипараллелен, вещество антиферромагнитный. Антиферромагнетики имеют нулевой суммарный магнитный момент, что означает, что они не создают никакого поля. Антиферромагнетики менее распространены по сравнению с другими типами поведения и в основном наблюдаются при низких температурах. Можно заметить, что при различных температурах антиферромагнетики проявляют диамагнитные и ферромагнитные свойства.

В некоторых материалах соседние электроны предпочитают указывать в противоположных направлениях, но нет геометрического расположения, в котором каждый пара соседей анти-союз. Это называется спин-стекло и является примером геометрическое разочарование.

Ферримагнетизм

Ферримагнитный заказ

Как ферромагнетизм, ферримагнетики сохраняют свою намагниченность в отсутствие поля. Однако, как и в антиферромагнетиках, соседние пары электронных спинов имеют тенденцию иметь противоположные направления. 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.

Наиболее ферриты ферримагнитны. Первое открытое магнитное вещество, магнетит, является ферритом и первоначально считался ферромагнетиком; Луи Неэль однако опроверг это, открыв ферримагнетизм.

Суперпарамагнетизм

Когда ферромагнетик или ферримагнетик достаточно малы, он действует как одиночный магнитный спин, который подвержен Броуновское движение. Его реакция на магнитное поле качественно похожа на реакцию парамагнетика, но намного больше.

Другие виды магнетизма

Электромагнит

Электромагнит притягивает скрепки, когда ток создается, создавая магнитное поле. Электромагнит теряет их при снятии тока и магнитного поля.

An электромагнит это тип магнит в которой магнитное поле производится электрический ток.^[14] 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 сделано из ферромагнитный или же ферримагнитный материал, такой как утюг; магнитопровод концентрирует магнитный поток и делает более мощный магнит.

Главное преимущество электромагнита перед постоянный магнит заключается в том, что магнитное поле можно быстро изменить, контролируя величину электрического тока в обмотке. Однако, в отличие от постоянного магнита, который не нуждается в энергии, электромагнит требует непрерывной подачи тока для поддержания магнитного поля.

Электромагниты широко используются в качестве компонентов других электрических устройств, таких как моторы, генераторы, реле, соленоиды, музыкальные колонки, жесткие диски, Аппараты МРТ, научные инструменты и магнитная сепарация оборудование. Электромагниты также используются в промышленности для захвата и перемещения тяжелых предметов из железа, таких как металлолом и сталь.^[15] Электромагнетизм был открыт в 1820 году.^[16]

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 соответствует специальной теории относительности.^[11]^[17] 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 электромагнетизм, аналогично тому, как относительность "смешивает" пространство и время в пространство-время.

Все наблюдения по электромагнетизм применимы к тому, что можно было бы считать главным образом магнетизмом, например возмущения магнитного поля обязательно сопровождаются ненулевым электрическим полем и распространяются на скорость света.^{[нужна цитата ]}

Магнитные поля в материале

В вакууме

{displaystyle mathbf {B} = mu _ {0} mathbf {H},}

куда $μ 0$ это вакуумная проницаемость.

В материале

{displaystyle mathbf {B} = mu _ {0} (mathbf {H} + mathbf {M}). }

Количество $μ 0 M$ называется магнитная поляризация.

Если поле $ЧАС$ мала, отклик намагничивания $M$ в диамагнетик или же парамагнетик приблизительно линейно:

{displaystyle mathbf {M} = chi mathbf {H},}

константа пропорциональности называется магнитной восприимчивостью. Если так,

{displaystyle mu _ {0} (mathbf {H} + mathbf {M}) = mu _ {0} (1 + chi) mathbf {H} = mu _ {r} mu _ {0} mathbf {H} = mu mathbf {H}.}

В жестком магните, таком как ферромагнетик, $M$ не пропорционален полю и обычно не равен нулю, даже если $ЧАС$ равен нулю (см. Остроту ).

Магнитная сила

Магнитные силовые линии стержневого магнита, изображенные железными опилками на бумаге

Воспроизвести медиа

Обнаружение магнитного поля с помощью компаса и железных опилок

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

Уравнения Максвелла, которые упрощаются до Закон Био – Савара в случае установившихся токов опишите происхождение и поведение полей, управляющих этими силами. Следовательно, магнетизм проявляется всякий раз, когда электрически заряженные частицы находятся в движение - например, от движения электронов в электрический ток или, в некоторых случаях, из орбитального движения электронов вокруг ядра атома. Они также возникают из "внутреннего" магнитные диполи возникающие из квантово-механических вращение.

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, это кажется Сила Лоренца F предоставленный перекрестное произведение:^[18]

{displaystyle mathbf {F} = q (mathbf {v} imes mathbf {B})}

куда

{displaystyle q}

- электрический заряд частицы, а

v это скорость вектор частицы

Поскольку это перекрестное произведение, сила перпендикуляр как к движению частицы, так и к магнитному полю. Отсюда следует, что магнитная сила не действует. работай на частице; он может изменить направление движения частицы, но не может вызвать ее ускорение или замедление. Величина силы равна

{displaystyle F = qvBsin heta,}

куда ${displaystyle heta}$ угол между v и B.

Одним из инструментов для определения направления вектора скорости движущегося заряда, магнитного поля и приложенной силы является маркировка указательный палец "V", средний палец «Б», а большой палец "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. Смотрите также правило правой руки.

Магнитные диполи

Очень распространенный источник магнитного поля в природе - это диполь, с "Южный полюс "и"Северный полюс ", термины, восходящие к использованию магнитов в качестве компасов, взаимодействующих с Магнитное поле Земли для обозначения севера и юга на глобус. Поскольку противоположные концы магнитов притягиваются, северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита. Земли Северный магнитный полюс (в настоящее время в Северном Ледовитом океане, к северу от Канады) физически является южным полюсом, так как притягивает северный полюс компаса. энергия, а физические системы переходят к конфигурациям с более низкой энергией. Когда диамагнитный материал помещается в магнитное поле, магнитный диполь имеет тенденцию выстраиваться с противоположной полярностью по отношению к этому полю, тем самым снижая чистую 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 за счет электронов, равномерно распределенных по стержню, когда стержневой магнит разрезается пополам, каждая из получаемых частей становится стержневым магнитом меньшего размера. Несмотря на то, 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 г., по состоянию на 2010 г.^{[Обновить]}, они никогда не наблюдались и вполне могли не существовать.^[19]

Тем не менее некоторые теоретическая физика модели предсказывают существование этих магнитные монополи. Поль Дирак в 1931 г. заметил, что, поскольку электричество и магнетизм проявляют определенную симметрия, как только квантовая теория предсказывает, что человек положительный или же отрицательный электрические заряды можно наблюдать 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.

Определенный теории великого объединения предсказывают существование монополей, которые, в отличие от элементарных частиц, являются солитоны (локализованные пакеты энергии). Первоначальные результаты использования этих моделей для оценки количества монополей, созданных в Большой взрыв противоречили космологическим наблюдениям - монополи были бы настолько многочисленными и массивными, что уже давно остановили бы расширение Вселенной. Однако идея инфляция (для которого эта проблема служила частичной мотивацией) успешно решила эту проблему, создав модели, в которых монополи существовали, но были достаточно редкими, чтобы соответствовать текущим наблюдениям.^[20]

Единицы

SI

SI электромагнетизм единицы
Символ^[21]	Название количества	Название объекта	Символ	Базовые единицы
Q	электрический заряд	кулон	C	A⋅s
я	электрический ток	ампер	А	А (= W / V = C / s)
J	плотность электрического тока	ампер за квадратный метр	Являюсь²	A⋅m⁻²
U, ΔV, Δφ; E	разность потенциалов; электродвижущая сила	вольт	V	Дж / Кл = кг⋅м²⋅s⁻³⋅A⁻¹
р; Z; Икс	электрическое сопротивление; сопротивление; реактивное сопротивление	ом	Ω	В / А = кг⋅м²⋅s⁻³⋅A⁻²
ρ	удельное сопротивление	ом метр	Ом⋅м	кг⋅м³⋅s⁻³⋅A⁻²
п	электроэнергия	ватт	W	V⋅A = кг⋅м²⋅s⁻³
C	емкость	фарад	F	C / V = кг⁻¹⋅m⁻²⋅A²⋅s⁴
Φ_E	электрический поток	вольт метр	V⋅m	кг⋅м³⋅s⁻³⋅A⁻¹
E	электрическое поле сила	вольт на метр	В / м	N / C = кг⋅м⋅A⁻¹⋅s⁻³
D	электрическое поле смещения	кулон на квадратный метр	См²	A⋅s⋅m⁻²
ε	диэлектрическая проницаемость	фарад на метр	Ф / м	кг⁻¹⋅m⁻³⋅A²⋅s⁴
χ_е	электрическая восприимчивость	(безразмерный )	1	1
грамм; Y; B	проводимость; допуск; восприимчивость	Сименс	S	Ω⁻¹ = кг⁻¹⋅m⁻²⋅s³⋅A²
κ, γ, σ	проводимость	Сименс на метр	См / м	кг⁻¹⋅m⁻³⋅s³⋅A²
B	плотность магнитного потока, магнитная индукция	тесла	Т	Вт / м² = кг⋅с⁻²⋅A⁻¹ = N⋅A⁻¹⋅m⁻¹
Φ, Φ_M, Φ_B	магнитный поток	Вебер	Wb	V⋅s = кг⋅м²⋅s⁻²⋅A⁻¹
ЧАС	магнитное поле сила	ампер на метр	Являюсь	A⋅m⁻¹
L, M	индуктивность	Генри	ЧАС	Wb / A = V⋅s / A = кг⋅м²⋅s⁻²⋅A⁻²
μ	проницаемость	Генри на метр	H / м	кг⋅м⋅s⁻²⋅A⁻²
χ	магнитная восприимчивость	(безразмерный )	1	1

Другой

гаусс - в сантиметр-грамм-секунда (CGS) единица измерения магнитного поля (обозначается B).
эрстед - блок СГС намагничивающее поле (обозначен ЧАС)
Максвелл - блок СКГУ для магнитный поток
гамма - единица плотность магнитного потока это обычно использовалось до тесла вошел в употребление (1,0 гамма = 1,0 нанотесла)
μ₀ - общий символ для проницаемость свободного места (4π × 10⁻⁷ ньютон /(ампер-виток )²)

Живые существа

Живая лягушка парит внутри 32 мм диаметр вертикальное отверстие Горький соленоид в очень сильном магнитном поле - около 16 теслас

Немного организмы может 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.^[22] Магнитобиология изучает влияние магнитных полей на живые организмы; естественным образом производимые организмом поля известны как биомагнетизм. Многие биологические организмы в основном состоят из воды, а поскольку вода диамагнитный, чрезвычайно сильные магнитные поля могут оттолкнуть 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.^[23]^[24]Удачная модель была разработана еще в 1927 г. Вальтер Хайтлер и Фриц Лондон, который квантово-механическим путем выяснил, как молекулы водорода образуются из атомов водорода, то есть из орбиталей атомарного водорода. ${displaystyle u_ {A}}$ и ${displaystyle u_ {B}}$ с центром в ядрах А и B, Смотри ниже. То, что это приводит к магнетизму, совсем не очевидно, но будет объяснено ниже.

Согласно теории Гайтлера – Лондона, так называемые двухчастичные молекулярные ${displaystyle sigma}$ -орбитали образуются, а именно результирующая орбиталь:

{displaystyle psi (mathbf {r} _ {1} ,,, mathbf {r} _ {2}) = {frac {1} {sqrt {2}}} ,, left (u_ {A} (mathbf {r} _ {1}) u_ {B} (mathbf {r} _ {2}) + u_ {B} (mathbf {r} _ {1}) u_ {A} (mathbf {r} _ {2}) ight) }

Здесь последний продукт означает, что первый электрон, р₁, 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 не могут быть различимы. Он специфичен не только для образования химические связи, но и для магнетизма. То есть в этой связи термин обменное взаимодействие возникает 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.

Для функция вращения ${displaystyle chi (s_ {1}, s_ {2})}$ , который 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:

{displaystyle chi (s_ {1} ,,, s_ {2}) = {frac {1} {sqrt {2}}} ,, left (alpha (s_ {1}) eta (s_ {2}) - eta ( s_ {1}) альфа (s_ {2}) ight)}

,

То есть не только ${displaystyle u_ {A}}$ и ${displaystyle u_ {B}}$ должен быть заменен на α и βсоответственно (первая сущность означает «раскрутить вверх», вторая - «замедлить»), но также знак + рядом со знаком - и, наконец, р_я дискретными значениями s_я (= ± ½); таким образом у нас есть ${displaystyle alpha (+1/2) = eta (-1/2) = 1}$ и ${displaystyle alpha (-1/2) = eta (+1/2) = 0}$ . "синглетное состояние ", то есть знак -, означает: вращения антипараллельный, т.е. для твердого тела имеем антиферромагнетизм, а для двухатомных молекул диамагнетизм. Тенденция к образованию (гомеополярной) химической связи (это означает: образование симметричный молекулярной орбитали, то есть со знаком +) автоматически возникает по принципу Паули в антисимметричный состояние вращения (т.е. со знаком -). Напротив, кулоновское отталкивание электронов, то есть тенденция, что они пытаются избежать друг друга этим отталкиванием, привело бы к антисимметричный орбитальная функция (то есть со знаком -) этих двух частиц и дополняющая симметричный функция вращения (то есть со знаком +, одна из так называемых "триплетные функции "). Таким образом, теперь вращения будут параллельно (ферромагнетизм в твердом, парамагнетизм в двухатомных газах).

Последняя тенденция доминирует в металлах. утюг, кобальт и никель, и в некоторых редкоземельных элементах, которые ферромагнитный. Большинство других металлов, в которых преобладает первая тенденция, - это немагнитный (например. натрий, алюминий, и магний ) или же антиферромагнитный (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 Гейзенберга магнетизма (Гейзенберг 1928).

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

Смотрите также

дальнейшее чтение

Дэвид К. Ченг (1992). Полевая и волновая электромагнетизм. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN 978-0-201-12819-2.
Фурлани, Эдвард П. (2001). Постоянный магнит и электромеханические устройства: материалы, анализ и применение. Академическая пресса. ISBN 978-0-12-269951-1. OCLC 162129430.
Гриффитс, Дэвид Дж. (1998). Введение в электродинамику (3-е изд.). Прентис Холл. ISBN 978-0-13-805326-0. OCLC 40251748.CS1 maint: ref = harv (связь)
Кронмюллер, Гельмут. (2007). Справочник по магнетизму и новым магнитным материалам, набор из 5 томов. Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-470-02217-7. OCLC 124165851.
Перселл, Эдвард М. (2012). Электричество и магнетизм (3-е изд.). Кембридж: Cambridge Univ. Нажмите. ISBN 9781-10701-4022.CS1 maint: ref = harv (связь)
Типлер, Пол (2004). Физика для ученых и инженеров: электричество, магнетизм, свет и элементарная современная физика (5-е изд.). W.H. Фримен. ISBN 978-0-7167-0810-0. OCLC 51095685.

Библиография

[1] Джайлс, Дэвид (2 сентября 2015 г.). Введение в магнетизм и магнитные материалы (Третье изд.). Бока-Ратон. ISBN 978-1-4822-3887-7. OCLC 909323904.

[Tremolet-2] Du Trémolet de Lacheisserie, Этьен; Дэмьен Жиньу; Мишель Шленкер (2005). Магнетизм: основы. Springer. С. 3–6. ISBN 978-0-387-22967-6.

[3] Платонис Опера, Мейер и Целлер, 1839, стр. 989.

[4] Местоположение Магнезии обсуждается; возможно регион в материковой Греции или же Магнезия ad Sipylum. См., Например, "Магнит". Блог Language Hat. 28 мая 2005 г.. Получено 22 марта 2013.

[5] Фаулер, Майкл (1997). «Исторические истоки теорий электричества и магнетизма». Получено 2008-04-02.

[6] Кумар Гоял, Раджендра (2017). Наноматериалы и нанокомпозиты: синтез, свойства, методы характеризации и приложения. CRC Press. п. 171. ISBN 9781498761673.

[7] Раздел «Фаньинг 2» (反應第二 ) из В Guiguzi: "其察言也，不失若磁石之取鍼，舌之取燔骨".

[Li54-8] Ли, Шу-хуа (1954). "Origine de la Boussole II. Aimant et Boussole". Исида (На французском). 45 (2): 175–196. Дои:10.1086/348315. JSTOR 227361. S2CID 143585290. проезд в данс ле Лю-че-тч'оуэн-ц'иоу [...]: «La Pierre d'Aimant fait venir le fer ou elle l'attire».
Из раздела "Jingtong" (精通) "Альманаха последнего осеннего месяца" (季秋紀): "慈石召鐵，或引之也]"

[9] В разделе "Последнее слово о драконах " (亂龍篇 Луаньлун) из Lunheng: "Янтарь поднимает соломку, и грузный камень притягивает иглы "(頓牟掇芥，磁石引針).

[10] Шмидл, Петра Г. (1996–1997). «Два ранних арабских источника о магнитном компасе». Журнал арабских и исламских исследований. 1: 81–132.

[Moving-11] а ^б А. Эйнштейн: «К электродинамике движущихся тел», 30 июня 1905 г.

[Meyers1-12] HP Meyers (1997). Введение в физику твердого тела (2-е изд.). CRC Press. п. 362; Рисунок 11.1. ISBN 9781420075021.

[Westbrook-13] Кэтрин Уэстбрук; Кэролайн Каут; Кэролайн Каут-Рот (1998). МРТ (магнитно-резонансная томография) на практике (2-е изд.). Вили-Блэквелл. п. 217. ISBN 978-0-632-04205-0.

[14] Перселл 2012, п. 320 584

[Merzouki-15] Мерзуки, Рочди; Самантарай, Арун Кумар; Патхак, Пушпарадж Мани (2012). Интеллектуальные мехатронные системы: моделирование, управление и диагностика. Springer Science & Business Media. С. 403–405. ISBN 978-1447146285.

[16] Осетр, W. (1825). «Улучшенный электромагнитный аппарат». Пер. Королевское общество искусств, мануфактур и торговли. 43: 37–52. цитируется в Миллер, T.J.E (2001). Электронное управление машинами с коммутационным сопротивлением. Newnes. п. 7. ISBN 978-0-7506-5073-1.

[17] Гриффитс 1998, глава 12

[18] Джексон, Джон Дэвид (1999). Классическая электродинамика (3-е изд.). Нью-Йорк: Wiley. ISBN 978-0-471-30932-1.

[19] Милтон упоминает некоторые неубедительные события (стр. 60) и все же заключает, что «не сохранилось никаких свидетельств существования магнитных монополей» (стр. 3). Милтон, Кимбалл А. (июнь 2006 г.). «Теоретическое и экспериментальное состояние магнитных монополей». Отчеты о достижениях физики. 69 (6): 1637–1711. arXiv:hep-ex / 0602040. Bibcode:2006RPPh ... 69.1637M. Дои:10.1088 / 0034-4885 / 69/6 / R02. S2CID 119061150..

[20] Гут, Алан (1997). Инфляционная Вселенная: поиски новой теории космического происхождения. Персей. ISBN 978-0-201-32840-0. OCLC 38941224..

[21] Международный союз теоретической и прикладной химии (1993). Величины, единицы и символы в физической химии, 2-е издание, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8. С. 14–15. Электронная версия.

[22] Киршвинк, Джозеф Л .; Кобаяши-Киршвинк, Ацуко; Diaz-Ricci, Juan C .; Киршвинк, Стивен Дж. (1992). «Магнетит в тканях человека: механизм биологического воздействия слабых магнитных полей снч» (PDF). Дополнение по биоэлектромагнетизму. 1: 101–113. Дои:10.1002 / bem.2250130710. PMID 1285705. Получено 29 марта 2016.

[23] Магнетизм материи, Лекции Фейнмана по физике Ch 34

[24] Ферромагнетизм, Лекции Фейнмана по физике Ch 36

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]