Магнетизм

Крім електричного поля в природі існує також магнітне поле. Більшість із нас мали справу із плоским магнітом, спостерігали як магніт притягує залізні предмети крізь папір, тощо. У роботі із магнітом ми мали справу із магнітним полем, одним із видів матерії у Всесвіті. Кожен магніт має два полюси: південний та північний. Магніти взаємодіють між собою, причому протилежні полюси притягуються, а однакові полюси відштовхуються один від одного.

Земля має магнітне поле і коли північний полюс компаса обертається, то він показує на південь, бо різнойменні полюси притягуються. Тому полюс, який звичайно називають північним магнітним полюсом є насправді південним полюсом.

Магнітне поле визначається індукцією магнітного поля. На частинку у магнітному полі діє сила, що рівна: F=qVBsin α. Тоді індукція магнітного поля буде рівна:

Індукція магнітного поля – відношення сили, що діє на частинку у магнітному полі, до величини електричного заряду частинки та її швидкості руху. У системі СІ індукцію магнітного поля вимірюють у теслах (Тл.).

Якщо провідник із струмом помістити у магнітне поле із індукцією поля рівною В, то на провідник буде діяти сила Ампера:

F=ІBlsin α

Але постає питання як створити магнітне поле? Перший спосіб – це використати постійні магніти, цей спосіб відомий людству ще із сивої давнини. Але він досить недосконалий, бо з його допомогою не можна отримати потужні магнітні поля із великим значенням індукції магнітного поля В. Лише 1820 році було виявлено зв”язок між електричним та магнітним полем і здійснив це відкриття Ганс Крістіан Ерстед.

Якщо поблизу провідника розмістити декілька магнітних стрілок та пропустити через провідник струм силою І, то ми будемо спостерігати відхилення магнітної стрілки, що свідчить про те, що навколо провідника із струмом утворилося магнітне поле. Значення індукції магнітного поля створеного невеликим елементом провідника Δl, що проводить струм силою І можна обчислити за допомогою формули:

Якщо є декілька провідників із струмом і накладається декілька магнітних полів, то результуюча індукція магнітного поля рівна векторній сумі індукцій окремих магнітних полів:

Величина індукції магнітного поля у центрі провідного витка дроту із радіусом r, що проводить струм І рівна:

Якщо взяти котушку із провідників, відому під назвою соленоїд, а не один виток дроту, то тоді індукція магнітного поля у центрі соленоїда буде рівна:

Якщо пропускати електричний струм через два провідники, то навколо них утворяться магнітні поля, які будуть взаємодіяти між собою (якщо струми проходять у одному напрямі – будуть відштовхуватись, якщо у протилежних – будуть притягуватись). Силу такої взаємодії визначають за допомогою формули закону Ампера:

Із формули закону Ампера виводять означення ампера – це така сила струму, що протікає по двох нескінченно довгих, паралельних провідниках, які розміщені на відстані 1м. у вакуумі, яка створює силу взаємодії між провідниками рівну 2· 10^-7 Н/м. Із використанням поняття магнітного поля були побудовані численні пристрої, наприклад, електричні мотори та генератори, аудіо-, відеоапаратура.

Вивчивши основні поняття магнетизму нез”ясованим залишається лише природа самого явища. Всі магнітні явища мають електричну природу. Орбітальний електрон (рис. 27) рухаючись у атомі створює коловий струм, якому відповідає магнітний дипольний

момент атома: m₀=I·S, де площа

рівна S=πr², а коловий струм рівний:

де f – це частота, чи кількість обертань електрона за одиницю часу. Тому орбітальний магнітний момент атома рівний:

Електрони обертаються навколо ядра і створюють магнітні моменти, тобто атом нагадує звичайний плоский магніт. На додачу до орбітального магнітного моменту атома електрон, який є зарядженою сферою, обертається навколо власної осі і створює обертальний магнітний момент атома , який ще називають спіном. У атомі електрони, як правило, розміщуються на електронних оболонках атома. Якщо електрони повністю заповнюють електронну оболонку атома, то атом не володіє магнітним моментом. Залізо, нікель та кобальт мають на зовнішній оболонці атома неспарені електрони, які створюють спіновий магнітний момент атома. Тому із цих речовин можна виготовляти постійні магніти. Магнітні властивості обумовлені елементарними атомними струмами, що циркулюють у атомі, тому не можна відділити північний полюс магніта від південного. Хоча деякі вчені і намагаються виявити магнітні монополі, тобто частинки із одним, ізольованим магнітним полюсом.