Кафедра теоретической физики | Физико-технический институт
Основные направления научных исследований:
1. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ МАГНЕТИЗМА
Казалось бы, что может быть проще, чем явление магнетизма? Все мы в детстве развлекались с постоянными магнитами, «исследуя» их свойства на различных материалах. Ну и что здесь сложного? Есть классическая электродинамика, в рамках которой эти красивые и наглядные эффекты удается довольно просто объяснить. Но такое мнение существовало где-то до конца 19-го века. Однако, с развитием техники эксперимента и вообще физики, оказывается, что такое простое описание сильного магнетизма (ферро- или антиферромагнетизма) в рамках классической электродинамики вступает в противоречие с наблюдаемыми эффектами. Но наука, к счастью не стоит на месте, и к середине 30-х годов прошлого века уже были сформированы основные принципы квантовой теории. На основе этой теории было показано, что сильный магнетизм (ферро-, ферри- и антиферромагнетизм) является эффектом исключительно квантовым, и обусловлен взаимодействием внутренних электронных оболочек ближайших атомов, обладающих собственным (спиновым) магнитным моментом.
С тех давних пор прошло почти 100 лет, а вопрос о сильном магнетизме остается актуальным. Этот интерес имеет двоякую природу: конечно же это чисто академический («хочется допросить природу с пристрастием»), но и чисто прикладной. Если вы посмотрите на окружающие приборы и устройства, но сразу же скажете, что без использования магнитных свойств различных материалов невозможна работа электродвигателей, компьютеров, телефонов, средств связи, хранения и обработки информации.
Однако, современная теория магнетизма не стоит на месте. Сейчас уже понятно, что элементная база современного приборостроения, основой которого является микроэлектроника, достигла своего физического предела. Что это значит? А очень просто: дальнейшее увеличение объема памяти или быстродействия прибора на основе переноса электрического заряда становится экономически и энергетически не выгодным. Современное приборостроение переходит на новый уровень, когда переносчиком «тока» становится спин (локальный магнитный момент) магнитоактивного атома.
Вот такими вопросами занимаются на кафедре теоретической физики ФТИ. Хотя наши исследования не реализуются в «железе», но они позволяют экспериментаторам и инженерам понять какие материалы и в каких диапазонах магнитных полей и температур можно использовать для создания спинтронных устройств. Результаты наших исследований опубликованы в ведущих российских и зарубежных специализированных журналах, поддержаны грантами Российского Фонда Фундаментальных Исследований, и ряда других научных организаций.
Ю.А. Фридман
2. СИНГУЛЯРНАЯ ОПТИКА
Направление Сингулярная оптика начало развиваться на кафедре с 1997 г, сначала в рамках филиала аналогичного направления кафедры общей физики.
К настоящему времени по этому направлению выпускниками кафедры защищено 4 кандидатских и 2 докторские диссертации, имеется аспирантура. Непосредственно на кафедре оно представлено профессором Алексеевым К.Н. и доцентом Яворским М.А. (оба – доктора наук), которые проводят активные научные исследования в этой области со своими учениками, сотрудниками ФТИ доцентами Лапиным Б.П. и Баршак Е.В., а также – в рамках грантов РНФ и РФФИ – с сотрудниками других кафедр физтеха. Результаты научной деятельности группы ежегодно публикуются в 5-10 научных статьях в высокорейтинговых специализированных журналах из баз данных SCOPUS и WoS, таких как Optica, Optics Letters, Physical Review А и других.
Сингулярная оптика – сравнительно молодое направление современной оптики, исследующее закономерности распространения световых полей с сингулярностями волнового фронта. Под последними понимают точки, в которых фаза волны не определена. Отличительной особенностью таких точек является строгое (не интерференционное) обращение интенсивности поля в ноль.
Эти достаточно абстрактные свойства оптических сингулярностей приводят к выраженным физическим эффектам, связанным с наличием таких точек в оптическом поле. Ярчайшим из них является наличие циркуляции потока электромагнитной энергии вокруг таких точек. Благодаря такому эффекту вихревого движения световой энергии в окрестности фазовой сингулярности подобные оптические поля получили второе название – оптические вихри или закрученный свет (twisted light). Оказывается, световое поле оптического вихря обладает собственным (т. е. не устранимым никаким преобразованием системы координат) угловым моментом и может переносить его на расстояния. Такое свойство оптических вихрей обуславливает их применение для захвата и манипулирования микрочастицами. Принципы и идеи сингулярной оптики также находят приложение в астрофизике и микроскопии.
В настоящее время в рамках гранта РНФ на кафедре активно исследуются процессы управления характеристиками оптических вихрей в оптоволоконных микрорезонаторах и волоконных акустооптических системах.
К.Н. Алексеев
3. КОСМОЛОГИЯ И ТЕОРИЯ КОСМИЧЕСКИХ СТРУН
Трудно не согласиться с тем, что окружающая Нас Вселенная является самым крупным и самым таинственным объектом, который когда-либо будет доступен человечеству для исследования. Существующая цивилизация, шаг за шагом проходя циклы своего развития, и как следствие, получая в своё распоряжение всё более точные инструменты наблюдения, имеет возможность формулировать всё более точные представления о физике процессов в наблюдаемой Вселенной.
По-видимому, самой яркой иллюстрацией востребованности таких исследований является количество нобелевских премий по физике, присуждённых за открытия в этой области. А именно, за последние 10 лет (с 2011 по 2021) таких премий было шесть.
Космология как наука исследует вопросы, связанные с происхождением и эволюцией Вселенной. В свою очередь, теория космических струн, как теория, которая потенциально способна объединить два столпа современной физики: квантовую механику и общую теорию относительности, является частью космологии, поскольку способна предложить множество вариантов влияния как на начальном (сингулярном) этапе эволюции Вселенной, так и на последующих. Область возможных применений космических струн в космологии чрезвычайно широка: начиная от механизмов генерации первичных флуктуаций плотности вещества в ранней Вселенной, до источников ускоренного расширения (инфляции), тёмной энергии и тёмной материи, проявление которых наблюдаются в современной Вселенной.
Основателями данного направления исследования на кафедре теоретической физики являются доцент Рощупкин Сергей Николаевич и профессор Арифов Ленур Ягъя. Основные направление исследования – гравитационное поле отдельной нуль-струны, а также особенности гравитационного взаимодействие в газе нуль-струн и его возможные космологические следствия. Нуль-струна является протяжённым (одномерным) аналогом точечной безмассовой частицы (масса покоя равна нулю), т.е., нуль-струны движутся со скоростью света (не существует систем отсчёта в которых нуль-струна покоится). Исследования, проведённые доцентом Леляковым А.П., в том числе и совместно с учениками Бабаджан Р.-Д.А., Карпенко А.С., Ханейчук О.В., показали ряд интересных результатов. Например, возможность образования в газе нуль-струн первичных частиц с ненулевой массой покоя. Структурно такие частицы состоят из двух гравитационно-взаимодействующих нуль-струн. Время жизни таких частиц в зависимости от окружения в газе может быть, как чрезвычайно коротким, так и длительным.
А.П. Леляков
Состав:
Леляков Александр Петрович
Заведующий кафедрой теоретической физики, к.ф.-м.н., доцент.
E-mail:
Фридман Юрий Анатольевич
Профессор кафедры теоретической физики, д.ф.-м.н., профессор
E-mail:
Алексеев Константин Николаевич
Профессор кафедры теоретической физики, д.ф.-м.н., профессор
E-mail:
Космачёв Олег Александрович
Доцент кафедры теоретической физики, д.ф.-м.н., доцент
E-mail:
Яворский Максим Александрович
зам. директора по научной работе
E-mail:
Ахрамович Леонид Николаевич
Доцент кафедры теоретической физики, к.
ф.-м.н., доцент
E-mail:
Бутрим Виктор Иванович
Доцент кафедры теоретической физики, к.ф.-м.н., доцент
E-mail:
Космачёва Ольга Владимировна
Специалист по учебно-методической работе
E-mail:
ИСТОРИЯ:
По меткому определению выдающегося советского физика-теоретика Мигдала, работа теоретика состоит в том, чтобы, попробовав свиную отбивную, определить, как хрюкает свинья. Непреодолимая харизма этой профессии делает весьма условной всякую агитацию за нее: по выражению основателя кафедры Анатолия Вадимовича Свидзинского, существует определенное количество людей, генетически предрасположенных к занятию теоретической физикой.
Кафедра теоретической физики основана в 1975 году на базе кафедры математической физики Симферопольского государственного университета имени М.В. Фрунзе. Как уже было написано, основателем и первым ее заведующим стал профессор Свидзинский, ученик и продолжатель традиций известной научной школы академика Н.
Н. Боголюбова. В первые десятилетия сферу научных интересов кафедры определяли ее ведущие сотрудники: профессор Свидзинский возглавлял направление теории сверхпроводимости; доцент (в последствие – профессор) Юрий Николаевич Мицай развивал направление квантовой теории магнетизма. Усилиями профессоров Свидзинского и Мицая на кафедре было сформировано одни из основных ее научных направлений – физика конденсированного состояния и физика магнитных явлений.
Профессор Свидзинский заведовал кафедрой теоретической физики в течение первых 17 лет. В первые годы работы на кафедре Свидзинским А.В. был разработан целый ряд учебных курсов специализации по теоретической физике, ставших на долгие годы основным ядром подготовки специалистов на кафедре. В это время активно работали студенческий и научный семинары кафедры. В 1985 году Свидзинский А.В. создал и возглавил межкафедральный естественнонаучный семинар, на заседаниях которого обсуждались общенаучные вопросы философии, физики, астрономии, математики, психологии, биологии, педагогики и др.
Под руководством профессора Свидзинского выпускниками кафедры защищено четыре кандидатские диссертации. В настоящее время на кафедре работают его ученики: Ахрамович Л.Н. и Алексеев К.Н. В этот же период времени активно занимался научной работой на кафедре Мицай Ю.Н., под руководством которого выпускниками кафедры защищено четыре кандидатских диссертации. В настоящее время на кафедре работают его ученики профессор Фридман Ю.А. и доцент Бутрим В.И.
С приходом в 1992 году профессора Арифова Ленура Ягъя на кафедре получило развитие новое направление – теория гравитации. Профессор Арифов возглавлял кафедру в период с 1994 по 2005 год. При его участии на кафедре были внедрены новые курсы специализации по теории гравитации и теории космических струн. Профессором Арифовым было сформировано новое для кафедры направление научных исследований общая теория относительности и космология.
В этот период времени доцентом кафедры Фридманом Ю.А. проводились активные научные исследования в области квантовой теории магнетизма.
В 2004 году Фридман Ю.А. защитил докторскую диссертацию по проблемам квантовой теории магнетизма. Юрий Анатольевич Фридман возглавлял кафедру с 2005 по 2021 год. Под его руководством был защищен целый ряд кандидатских и докторских диссертаций в области теории магнетизма и физики твердого тела. В настоящее время на кафедре работают его выпускники профессора Ф.Н. Клевец и О.А. Космачев. Профессор Фридман возглавляет одну из трех официально зарегистрированных научных школ ФТИ.
В последние десятилетия область научных интересов кафедры расширилась в связи с активной научной работой профессора Алексеева К.Н. в области сингулярной оптики. По новому сформированному направлению сингулярная оптика с 2002 года выпускниками кафедры также был защищен ряд кандидатских и докторских диссертации.
В настоящее время кафедру возглавляет ученик Сергея Николаевича Рощупкина, специалист в области теории гравитации и струнной космологии, доцент А.П. Леляков. Важно отметить, что в настоящее время все сотрудники кафедры – это ее выпускники разных лет, что с одной стороны является прекрасным примером успешного импортозамещения, а с другой, не очень хорошим примером инбридинга в высшем образовании.
Кафедра проводит активную научную работу по перечисленным выше направлениям, в том числе и со студентами и аспирантами. Результаты этой работы выливаются в научные гранты, публикации в ведущих мировых научных журналах, защиты докторских диссертаций. Так, на кафедре защищено 5 докторских и более 20 кандидатских диссертаций. Сотрудниками кафедры опубликовано более 400 статей, причем большая часть – в рейтинговых международных журналах с высоким импакт-фактором.
Кроме большой научной деятельности кафедра проводит и огромную преподавательскую работу. Она является одной из выпускающей кафедр ФТИ. Преподаватели кафедры ведут общие курсы (теоретическая механика, электродинамика, квантовая механика, термодинамика и статистическая физика и др.), а также большое число специальных курсов, позволяющих посвятившим себя теоретической физике студентам почувствовать всю красоту этой науки и стать в ней настоящими профессионалами.
Электричество и магнетизм
Год ( По возрастанию | По убыванию )
Алексеев А.
И. Год: 2008. Издание: 2-е изд.
В книге представлено около 500 задач, которые охватывают все основные разделы теории электромагнитного поля, рассматривающей электромагнитные процессы и движение зарядов в вакууме. Приведенные в ней разнообразные методы решения электродинамических задач помогут освоить технику практических вычислений, характерных для теоретической физики.Сборник рассчитан прежде всего…
Алексеев А. И. Год: 2022. Издание: 2-е изд.
В корзинуВ книге представлено около 500 задач, которые охватывают все основные разделы теории электромагнитного поля, рассматривающей электромагнитные процессы и движение зарядов в вакууме. Приведенные в ней разнообразные методы решения электродинамических задач помогут освоить технику практических вычислений, характерных для теоретической физики. Сборник рассчитан прежде всего…
Алешкевич В.А. Год: 2014
В корзинуУчебник является третьим учебником серии «Университетский курс общей физики» и предназначен студентам физических специальностей вузов.
Главная особенность учебника — многоуровневая концепция изложения важнейших экспериментальных фактов и основ теории физических явлений с учетом современных научных достижений. Книга включает следующие основные разделы: заряды и электрическое…
Амосова Л.П., Коншина Е.А., Костомаров Д.С., Федоров М.А. Год: 2010
В корзинуУчебное пособие содержит описание работ к дисциплинам «Оптика наноструктур» и «Физика и технология гетероструктур, оптика квантовых наноструктур». Пособие предназначено для бакалавров и магистров факультета Фотоники и оптоинформатики, а также может быть рекомендовано при подготовке студентов старших курсов физико-технических специальностей и аспирантов, специализирующихся…
Аплеснин С.С. Год: 2013
В корзинуВ монографии рассмотрены основное состояние и термодинамика антиферромагнетиков, спиновой жидкости с четырехспиновым взаимодействием в низкомерных полупроводниках. Исследован спектр спин-поляронных возбуждений, термоЭдс, электросопротивление и магнитосопротивление при изменении магнитной структуры в рамках sd—модели.
Определена роль сильных электронных корреляций…
Аплеснин С.С., Чернышова Л.И. Год: 2016. Издание: 1-е изд.
В корзинуПриведены краткая теория, задачи с решениями и тесты по электричеству, магнетизму и элекромагнитным колебаниям. Пособие соответствует программе курса физики для технических университетов. В начале каждой главы излагаются теоретические основы, основные определения и формулы. Приведено много задач разной степени сложности с решениями и задачи для самостоятельного решения….
Аплеснин С. С., Чернышова Л. И. Год: 2022
В корзинуПриведены краткая теория, задачи с решениями и тесты по электричеству, магнетизму и элекромагнитным колебаниям. Пособие соответствует программе курса физики для технических университетов. В начале каждой главы излагаются теоретические основы, основные определения и формулы. Приведено много задач разной степени сложности с решениями и задачи для самостоятельного решения….
Астахов В.И. Год: 2013
В корзинуВ книге изложены методы расчета квазистационарного электромагнитного поля замкнутых и разомкнутых многосвязных немагнитных оболочек с неоднородной и анизотропной проводимостью.
В основу расчета положены замена оболочки проводящей поверхностью и скалярное интегральное уравнение для функции вихревого тока. Значительное внимание уделено явным представлениям оператора…
Афанасьева Н.А., Ерофеева И.А. Год: 2008
В корзинуМетодические указания составлены для семи лабораторных работ, выполнение которых предусмотрено программой и охватывает весь материал по разделу “Электрические цепи”. Описание каждой лабораторной работы содержит цель, схему лабораторной установки, программу работы, порядок ее выполнения, содержание отчета и контрольные вопросы.
Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Год: 2001
В корзинуИзлагаются современные представления о разряде молнии, ее опасных воздействиях и способах защиты от них. Рассматриваются механизмы инициирования и развития первого лидера молнии, главной стадии, сопровождающейся разрушительным током в месте удара, эффекты притяжения молнии к высоким сооружениям, воздействие на линии электропередач, подземные кабели, самолеты и др.
,…
Балошин Ю. А., Белов П. А., Краснок А. Е. Год: 2019
В корзинуУчебное пособие содержит изложение курса электродинамики, который читается студентам физико-технического факультета университета ИТМО. Уровень изложения рассчитан на студентов, изучивших механику и теорию относительности, освоивших начала математического анализа, линейной алгебры и дифференциальной геометрии.
Банков С.Е. Год: 2010
В корзинуВ книге рассматриваются вопросы теории практического использования неоднородных периодических сред — электромагнитных кристаллов. С помощью феноменологической модели анализируются физические явления в однородных средах: пространственная дисперсия, многоволновость, формирование запрещенных зон, киральность. Рассмотрены явления сверхфокусировки поля в линзе Веселаго…
Батыгин В.В., Топтыгин И.Н. Год: 2010. Издание: 4-е изд.
В корзинуКнига представляет собой четвертое переработанное издание сборника задач по электродинамике.
Она предназначена для подготовки специалистов по экономике высоких технологий. В сборник включен материал разной степени сложности, рассчитанный на подготовку бакалавров 3–4 годов обучения, специалистов, магистров и частично аспирантов. Всего в настоящем пособии содержится…
Батыгин В. В., Топтыгин И. Н. Год: 2022. Издание: 4-е изд.
В корзинуКнига представляет собой четвертое переработанное издание сборника задач по электродинамике. Она предназначена для подготовки специалистов по экономике высоких технологий. В сборник включен материал разной степени сложности, рассчитанный на подготовку бакалавров 3–4 годов обучения, специалистов, магистров и частично аспирантов. Всего в настоящем пособии содержится…
Башкатов А. Я., Минченко Ж. Н., Стифеев А. И. Год: 2023. Издание: 3-е изд., стер.
В корзинуПособие предназначено студентам, изучающим раздел «Электричество и магнетизм» в рамках курса общей физики физических и инженерно-технических вузов. Оно содержит методические указания по решению задач разного уровня сложности с подробным разбором методов решения на конкретных примерах.
Пособие позволит студентам научиться самостоятельно работать с учебной и научной…
Белов К.П. Год: 2001
В корзинуПодведены итоги изучения парапроцесса и сопутствующих ему явлений: <<обменной>> магнитострикции, магнитокалорического эффекта и магнитосопротивления в ферримагнетиках в области точки Кюри и в некоторых из них при низких температурах (например, в феррите-гранате гадолиния). Эти явления, по сравнению с ферромагнетиками, носят очень сложный характер. Причина этого — различие подрешеток…
Борисов А.Б., Киселев В.В. Год: 2015
В корзинуМонография содержит полное и замкнутое изложение современного состояния теории квазиодномерных магнитных солитонов. Кроме традиционного описания нелинейной динамики магнетиков с помощью уравнений Ландау–Лифшица, излагается метод феноменологических лагранжианов спиновых волн. Наиболее эффективные методы интегрирования нелинейных уравнений — метод обратной задачи рассеяния…
Борисов П.
А., Осипов Ю.М. Год: 2006
Методическое пособие предназначено для студентов, выполняющих курсовые работы по разделам “Электростатические поля” и “Стационарные электрические поля в проводящей среде”. Указанные разделы курсов “Теория электромагнитного поля” и “Электромагнитные поля и волны” являются базисными для понимания методов подхода к решению инженерных задач как в области передачи электромагнитной…
Боровик Е.С., Еременко В.В., Мильнер А.С. Год: 2005. Издание: 3-е изд., перераб. и доп.
В корзинуКратко изложены основные представления о магнитных свойствах вещества, а также основы учения о природе самопроизвольной упорядоченности в ферро- и антиферромагнетиках и технической кривой намагничивания. Даны краткие сведения о взаимодействии магнетиков с электромагнитным излучением: ядерном и электронном парамагнитном резонансах, ферро- и антиферромагнитном резонансах,…
Брандт Н.Н., Миронова Г.А., Салецкий А.М. Год: 2011. Издание: 2-е изд.
, испр.
Учебное пособие представляет собой краткое (тезисное) изложение теории электростатики оно снабжено наглядными иллюстрациями (линии напряженности, индукции и эквипотенциальных поверхностей), содержит подробное решение задач электростатики зарядов в вакууме и в присутствии диэлектриков.Данная книга предназначена для студентов вузов, изучающих общую физику, и для преподавателей,…
1234…
Что такое магнетизм? Факты о магнитных полях и магнитной силе
Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
(Изображение предоставлено: TEK IMAGE через Getty Images) Магнетизм — это сила природы, создаваемая движущимися электрическими зарядами. Иногда эти движения микроскопические и происходят внутри материала, известного как магниты. Магниты или магнитные поля, создаваемые движущимися электрическими зарядами, могут притягивать или отталкивать другие магниты и изменять движение других заряженных частиц.
Согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия, магнитное поле воздействует на частицы силой, известной как сила Лоренца. Сила, действующая на электрически заряженную частицу в магнитном поле, зависит от величины заряда, скорости частицы и напряженности магнитного поля. Сила Лоренца обладает тем специфическим свойством, что заставляет частицы двигаться под прямым углом к их первоначальному движению.
Некоторые материалы, такие как железо, известны как постоянные магниты, что означает, что они могут поддерживать постоянное магнитное поле. Это наиболее распространенные формы магнитов, встречающиеся в повседневной жизни. Другим материалам, таким как железо, кобальт и никель, можно придать временное магнитное поле, поместив их в более мощное поле, но со временем эти материалы потеряют свой магнетизм.
Как работает магнетизм
Магнитное поле Земли. (Изображение предоставлено: alxpin через Getty Images) Согласно HyperPhysics, магнитные поля генерируются движением электрических зарядов.
Все электроны обладают фундаментальным квантово-механическим свойством углового момента, известным как «спин». Внутри атомов большинство электронов склонны образовывать пары, в которых один из них имеет «спин вверх», а другой — «спин вниз», или, другими словами, их угловые моменты направлены в противоположные стороны. В этом случае магнитные поля, созданные этими спинами, направлены в противоположные стороны, поэтому они компенсируют друг друга. Однако некоторые атомы содержат один или несколько неспаренных электронов, и эти неспаренные электроны создают крошечное магнитное поле. По данным Ресурсного центра неразрушающего контроля (НК), направление их вращения определяет направление магнитного поля. Когда значительное большинство неспаренных электронов выровнены со своими спинами в одном и том же направлении, они объединяются, чтобы создать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы его можно было наблюдать в макроскопическом масштабе.
Источники магнитного поля являются диполярными, то есть имеют северный и южный полюса.
По словам Джозефа Беккера из Университета штата Сан-Хосе, противоположные полюса (N и S) притягиваются, а одинаковые полюса (N и N или S и S) отталкиваются. Это создает тороидальное поле или поле в форме пончика, поскольку направление поля распространяется наружу от северного полюса и входит через южный полюс.
Земля сама по себе является гигантским магнитом. По данным НАСА, планета получает свое магнитное поле от циркулирующего электрического тока внутри расплавленного металлического ядра. Компас указывает на север, потому что маленькая магнитная стрелка в нем подвешена, так что она может свободно вращаться внутри своего корпуса, выравниваясь с магнитным полем Земли. Как это ни парадоксально, то, что мы называем Северным магнитным полюсом, на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные магнитные полюса стрелок компаса.
История магнетизма
Магнетит (также известный как магнитный камень) является самым магнитным из всех встречающихся в природе минералов на Земле.
(Изображение предоставлено Александром Победимским через Shutterstock)Если выравнивание неспаренных электронов сохраняется без приложения внешнего магнитного поля или электрического тока, оно создает постоянный магнит. Постоянные магниты являются результатом ферромагнетизма. Приставка «ферро» относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые наблюдали в форме природной железной руды, называемой магнетитом, Fe3O4. Кусочки магнетита можно найти разбросанными по поверхности Земли или вблизи нее, и иногда один из них будет намагниченным. Эти природные магниты называются магнитами. Хотя ученые не знают точно, как образуются магниты, «большинство ученых считают, что магнетит — это магнетит, в который ударила молния», согласно Университету Аризоны.
Вскоре люди узнали, что они могут намагничивать железную иглу, проводя по ней магнитным камнем, в результате чего большинство неспаренных электронов в игле выстраиваются в одном направлении. По данным НАСА, примерно в 1000 году нашей эры китайцы обнаружили, что магнит, плавающий в чаше с водой, всегда выстраивается в направлении север-юг.
После этого магнитный компас стал огромным помощником в навигации, особенно днем и ночью, когда звезды скрывались за облаками.
Другие металлы, кроме железа, могут обладать ферромагнитными свойствами. К ним относятся никель, кобальт и некоторые редкоземельные металлы, такие как самарий или неодим, которые используются для изготовления сверхсильных постоянных магнитов.
Другие формы магнетизма
Магнетизм принимает множество других форм, но, за исключением ферромагнетизма, они обычно слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать, кроме как с помощью чувствительных лабораторных приборов или при очень низких температурах. Антон Бругнамс впервые обнаружил диамагнетизм в 1778 году, когда использовал постоянные магниты в поисках материалов, содержащих железо. Согласно Джеральду Кюстлеру, широко публикуемому независимому немецкому исследователю и изобретателю, в своей статье «Диамагнитная левитация — исторические вехи», опубликованной в «Румынском журнале технических наук», Бругнамс заметил: «Только темный и почти фиолетового цвета висмут демонстрировал особенное явление в исследовании, потому что, когда я положил кусок на круглый лист бумаги, плавающий поверх воды, он оттолкнулся от обоих полюсов магнита».
Диамагнетизм вызван орбитальным движением электронов внутри атомов, создающим крошечные петли тока, которые создают слабые магнитные поля, согласно HyperPhysics. Когда к материалу прикладывается внешнее магнитное поле, эти токовые петли имеют тенденцию выстраиваться таким образом, чтобы противодействовать приложенному полю. Это заставляет все материалы отталкиваться от постоянного магнита; однако результирующая сила обычно слишком слаба, чтобы ее можно было заметить. Однако есть некоторые заметные исключения.
Пироуглерод, вещество, похожее на графит, проявляет даже более сильный диамагнетизм, чем висмут, хотя и только вдоль одной оси, и фактически может левитировать над сверхсильным редкоземельным магнитом. Некоторые сверхпроводящие материалы демонстрируют еще более сильный диамагнетизм ниже своей критической температуры (температуры, при которой они становятся сверхпроводящими), и поэтому редкоземельные магниты могут парить над ними. (Теоретически из-за их взаимного отталкивания один может левитировать над другим.
)
Парамагнетизм возникает, когда материал временно становится магнитным при помещении в магнитное поле и возвращается в свое немагнитное состояние, как только внешнее поле удаляется. Когда приложено магнитное поле, некоторые спины неспаренных электронов выравниваются с полем и подавляют противоположную силу, создаваемую диамагнетизмом. Однако эффект заметен только при очень низких температурах, говорит Дэниел Марш, профессор физики Южного государственного университета штата Миссури.
Другие, более сложные формы включают антиферромагнетизм, при котором магнитные поля атомов или молекул располагаются рядом друг с другом; и поведение спинового стекла, которое включает как ферромагнитные, так и антиферромагнитные взаимодействия. Кроме того, ферримагнетизм можно рассматривать как комбинацию ферромагнетизма и антиферромагнетизма из-за многих общих черт между ними, но, по данным Калифорнийского университета в Дэвисе, он все же имеет свою уникальность.
Электричество и магнетизм
Инфографика, показывающая, как работает правило правой руки Флеминга.
(Изображение предоставлено: fridas через Shutterstock)Сопутствующее содержание
Когда проводник перемещается в магнитном поле, поле индуцирует ток в проводе. И наоборот, магнитное поле создается электрическим зарядом в движении, например, когда по проводу течет ток. Таким образом, все электрические провода в вашем доме создают крошечные магнитные поля. Эта связь между электричеством и магнетизмом описывается законом индукции Фарадея, который является основой для электромагнитов, электродвигателей и генераторов. Заряд, движущийся по прямой линии, как по прямому проводу, создает магнитное поле, которое закручивается по спирали вокруг провода. Когда этот провод превращается в петлю, поле принимает форму пончика или тора.
Постоянный ток также может создавать постоянное поле в одном направлении, которое может включаться и выключаться вместе с током. Затем это поле может отклонить подвижный железный рычаг, вызывая слышимый щелчок. По данным Библиотеки Конгресса, это основа телеграфа, изобретенного в 1830-х годах Сэмюэлем Ф.
Б. Морзе, который позволял осуществлять связь на большие расстояния по проводам с использованием двоичного кода, основанного на импульсах большой и малой длительности. Опытные операторы посылали импульсы, быстро включая и выключая ток с помощью подпружиненного переключателя мгновенного действия или ключа. Затем другой оператор на принимающей стороне переводил слышимые щелчки обратно в буквы и слова.
Катушку вокруг магнита также можно заставить двигаться по схеме с различной частотой и амплитудой, чтобы индуцировать ток в катушке. Это основа для ряда устройств, в первую очередь для микрофона. Звук заставляет диафрагму двигаться внутрь и наружу вместе с меняющимися волнами давления. Если диафрагма соединена с подвижной магнитной катушкой вокруг магнитного сердечника, она будет производить переменный ток, аналогичный падающим звуковым волнам. Затем этот электрический сигнал может быть усилен, записан или передан по желанию. Крошечные сверхсильные редкоземельные магниты используются для изготовления миниатюрных микрофонов для сотовых телефонов, сказал Марш в интервью Live Science.
Когда этот модулированный электрический сигнал подается на катушку, он создает колеблющееся магнитное поле, которое заставляет катушку перемещаться внутри и снаружи магнитного сердечника по той же схеме. Затем катушка прикрепляется к подвижному конусу динамика, чтобы он мог воспроизводить слышимые звуковые волны в воздухе. По данным Смитсоновского института, первым практическим применением микрофона и динамика стал телефон, запатентованный Александром Грэмом Беллом в 1876 году. Хотя эта технология была улучшена и усовершенствована, она по-прежнему является основой для записи и воспроизведения звука.
Применение электромагнитов почти бесчисленно. Закон индукции Фарадея формирует основу для многих аспектов нашего современного общества, включая не только электродвигатели и генераторы, но и электромагниты всех размеров. Тот же принцип, который используется гигантским краном для подъема старых автомобилей на свалку, также используется для выравнивания микроскопических магнитных частиц на жестком диске компьютера для хранения двоичных данных, и каждый день разрабатываются новые приложения.
Штатный писатель Таня Льюис внесла свой вклад в этот отчет.
Дополнительные ресурсы
- Национальная лаборатория сильного магнитного поля является крупнейшей и самой мощной магнитной лабораторией в мире. Исследователи бесплатно пользуются оборудованием для изучения материалов, энергии и жизни.
- Образовательный веб-сайт Internet Plasma Physics Education Experience содержит интерактивный модуль, посвященный основным понятиям, связанным с электричеством и магнетизмом.
- Центр космических полетов имени Годдарда НАСА предлагает уроки по «Ранней истории электричества и магнетизма» и «Исследованию магнитосферы Земли».
Библиография
НАСА, «Магнитосфера Земли», https://www.nasa.gov/magnetosphere
«Магнетизм». ОТКРЫТИЕ НАУКИ. Gale Research, 1996. Воспроизведено в Discovering Collection. Фармингтон-Хиллз, Мичиган: Gale Group. Декабрь 2000 г. http://galenet.galegroup.com/servlet/DC/
Гриффитс, Дэвид Дж.
(1998). Введение в электродинамику (3-е изд.). Прентис Холл. ISBN 978-0-13-805326-0. OCLC 40251748.
Будьте в курсе последних научных новостей, подписавшись на нашу рассылку Essentials.
Свяжитесь со мной, чтобы сообщить новости и предложения от других брендов FutureПолучайте электронные письма от нас от имени наших надежных партнеров или спонсоровДжим Лукас — автор статей для Live Science. Он охватывает физику, астрономию и инженерное дело. Джим окончил Университет штата Миссури, где получил степень бакалавра наук в области физики, а также астрономию и техническое письмо. После окончания университета он работал в Лос-Аламосской национальной лаборатории системным администратором, техническим писателем-редактором и специалистом по ядерной безопасности. Помимо написания статей, он редактирует статьи в научных журналах по различным тематическим направлениям.
1
Какая цивилизация существовала дольше всего?
2
Самое старое дерево в мире (и 7-й второе место)
3
Ученые могут быть в состоянии поместить астронавты с MARS в приостановленную анимацию.
4
В Швеции обнаружены 2700-летние петроглифы с изображениями людей, кораблей и животных
5
153 000-летние следы из Южной Африки являются самыми древними задокументированными следами Homo sapiens.
1
Почему инопланетяне никогда не посещали Землю? У ученых есть тревожный ответ
4
Самое старое дерево в мире (и 7 призеров)
5
2700-летние петроглифы, изображающие людей, корабли и животных, обнаруженные в Швеции
Что такое магнетизм? Факты о магнитных полях и магнитной силе
Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать комиссионные. Вот как это работает.
(Изображение предоставлено: TEK IMAGE через Getty Images) Магнетизм — это сила природы, создаваемая движущимися электрическими зарядами. Иногда эти движения микроскопические и происходят внутри материала, известного как магниты.
Магниты или магнитные поля, создаваемые движущимися электрическими зарядами, могут притягивать или отталкивать другие магниты и изменять движение других заряженных частиц.
Согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия, магнитное поле воздействует на частицы силой, известной как сила Лоренца. Сила, действующая на электрически заряженную частицу в магнитном поле, зависит от величины заряда, скорости частицы и напряженности магнитного поля. Сила Лоренца обладает тем специфическим свойством, что заставляет частицы двигаться под прямым углом к их первоначальному движению.
Некоторые материалы, такие как железо, известны как постоянные магниты, что означает, что они могут поддерживать постоянное магнитное поле. Это наиболее распространенные формы магнитов, встречающиеся в повседневной жизни. Другим материалам, таким как железо, кобальт и никель, можно придать временное магнитное поле, поместив их в более мощное поле, но со временем эти материалы потеряют свой магнетизм.
Как работает магнетизм
Магнитное поле Земли. (Изображение предоставлено: alxpin через Getty Images) Согласно HyperPhysics, магнитные поля генерируются движением электрических зарядов. Все электроны обладают фундаментальным квантово-механическим свойством углового момента, известным как «спин». Внутри атомов большинство электронов имеют тенденцию образовывать пары, в которых один из них имеет «спин вверх», а другой — «спин вниз», или, другими словами, их угловые моменты направлены в противоположные стороны. В этом случае магнитные поля, созданные этими спинами, направлены в противоположные стороны, поэтому они компенсируют друг друга. Однако некоторые атомы содержат один или несколько неспаренных электронов, и эти неспаренные электроны создают крошечное магнитное поле. По данным Ресурсного центра неразрушающего контроля (НК), направление их вращения определяет направление магнитного поля. Когда значительное большинство неспаренных электронов выровнены со своими спинами в одном и том же направлении, они объединяются, чтобы создать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы его можно было наблюдать в макроскопическом масштабе.
Источники магнитного поля являются диполярными, то есть имеют северный и южный полюса. По словам Джозефа Беккера из Университета штата Сан-Хосе, противоположные полюса (N и S) притягиваются, а одинаковые полюса (N и N или S и S) отталкиваются. Это создает тороидальное поле или поле в форме пончика, поскольку направление поля распространяется наружу от северного полюса и входит через южный полюс.
Земля сама по себе является гигантским магнитом. По данным НАСА, планета получает свое магнитное поле от циркулирующего электрического тока внутри расплавленного металлического ядра. Компас указывает на север, потому что маленькая магнитная стрелка в нем подвешена так, что она может свободно вращаться внутри своего корпуса, выравниваясь с магнитным полем Земли. Как это ни парадоксально, то, что мы называем Северным магнитным полюсом, на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные магнитные полюса стрелок компаса.
История магнетизма
Магнетит (также известный как магнитный камень) является самым магнитным из всех встречающихся в природе минералов на Земле.
(Изображение предоставлено Александром Победимским через Shutterstock)Если выравнивание неспаренных электронов сохраняется без приложения внешнего магнитного поля или электрического тока, оно создает постоянный магнит. Постоянные магниты являются результатом ферромагнетизма. Приставка «ферро» относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые наблюдали в форме природной железной руды, называемой магнетитом, Fe3O4. Кусочки магнетита можно найти разбросанными по поверхности Земли или вблизи нее, и иногда один из них будет намагниченным. Эти природные магниты называются магнитами. Хотя ученые не знают точно, как образуются магниты, «большинство ученых считают, что магнетит — это магнетит, в который ударила молния», согласно Университету Аризоны.
Вскоре люди узнали, что они могут намагничивать железную иглу, проводя по ней магнитным камнем, в результате чего большинство неспаренных электронов в игле выстраиваются в одном направлении. По данным НАСА, примерно в 1000 году нашей эры китайцы обнаружили, что магнит, плавающий в чаше с водой, всегда выстраивается в направлении север-юг.
После этого магнитный компас стал огромным помощником в навигации, особенно днем и ночью, когда звезды скрывались за облаками.
Другие металлы, кроме железа, могут обладать ферромагнитными свойствами. К ним относятся никель, кобальт и некоторые редкоземельные металлы, такие как самарий или неодим, которые используются для изготовления сверхсильных постоянных магнитов.
Другие формы магнетизма
Магнетизм принимает множество других форм, но, за исключением ферромагнетизма, они обычно слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать, кроме как с помощью чувствительных лабораторных приборов или при очень низких температурах. Антон Бругнамс впервые обнаружил диамагнетизм в 1778 году, когда использовал постоянные магниты в поисках материалов, содержащих железо. Согласно Джеральду Кюстлеру, широко публикуемому независимому немецкому исследователю и изобретателю, в своей статье «Диамагнитная левитация — исторические вехи», опубликованной в «Румынском журнале технических наук», Бругнамс заметил: «Только темный и почти фиолетового цвета висмут демонстрировал особенное явление в исследовании, потому что, когда я положил кусок на круглый лист бумаги, плавающий поверх воды, он оттолкнулся от обоих полюсов магнита».
Диамагнетизм вызван орбитальным движением электронов внутри атомов, создающим крошечные петли тока, которые создают слабые магнитные поля, согласно HyperPhysics. Когда к материалу прикладывается внешнее магнитное поле, эти токовые петли имеют тенденцию выстраиваться таким образом, чтобы противодействовать приложенному полю. Это заставляет все материалы отталкиваться от постоянного магнита; однако результирующая сила обычно слишком слаба, чтобы ее можно было заметить. Однако есть некоторые заметные исключения.
Пироуглерод, вещество, похожее на графит, проявляет даже более сильный диамагнетизм, чем висмут, хотя и только вдоль одной оси, и фактически может левитировать над сверхсильным редкоземельным магнитом. Некоторые сверхпроводящие материалы демонстрируют еще более сильный диамагнетизм ниже своей критической температуры (температуры, при которой они становятся сверхпроводящими), и поэтому редкоземельные магниты могут парить над ними. (Теоретически из-за их взаимного отталкивания один может левитировать над другим.
)
Парамагнетизм возникает, когда материал временно становится магнитным при помещении в магнитное поле и возвращается в свое немагнитное состояние, как только внешнее поле удаляется. Когда приложено магнитное поле, некоторые спины неспаренных электронов выравниваются с полем и подавляют противоположную силу, создаваемую диамагнетизмом. Однако эффект заметен только при очень низких температурах, говорит Дэниел Марш, профессор физики Южного государственного университета штата Миссури.
Другие, более сложные формы включают антиферромагнетизм, при котором магнитные поля атомов или молекул располагаются рядом друг с другом; и поведение спинового стекла, которое включает как ферромагнитные, так и антиферромагнитные взаимодействия. Кроме того, ферримагнетизм можно рассматривать как комбинацию ферромагнетизма и антиферромагнетизма из-за многих общих черт между ними, но, по данным Калифорнийского университета в Дэвисе, он все же имеет свою уникальность.
Электричество и магнетизм
Инфографика, показывающая, как работает правило правой руки Флеминга.
(Изображение предоставлено: fridas через Shutterstock)Сопутствующее содержание
Когда проводник перемещается в магнитном поле, поле индуцирует ток в проводе. И наоборот, магнитное поле создается электрическим зарядом в движении, например, когда по проводу течет ток. Таким образом, все электрические провода в вашем доме создают крошечные магнитные поля. Эта связь между электричеством и магнетизмом описывается законом индукции Фарадея, который является основой для электромагнитов, электродвигателей и генераторов. Заряд, движущийся по прямой линии, как по прямому проводу, создает магнитное поле, которое закручивается по спирали вокруг провода. Когда этот провод превращается в петлю, поле принимает форму пончика или тора.
Постоянный ток также может создавать постоянное поле в одном направлении, которое может включаться и выключаться вместе с током. Затем это поле может отклонить подвижный железный рычаг, вызывая слышимый щелчок. По данным Библиотеки Конгресса, это основа телеграфа, изобретенного в 1830-х годах Сэмюэлем Ф.
Б. Морзе, который позволял осуществлять связь на большие расстояния по проводам с использованием двоичного кода, основанного на импульсах большой и малой длительности. Опытные операторы посылали импульсы, быстро включая и выключая ток с помощью подпружиненного переключателя мгновенного действия или ключа. Затем другой оператор на принимающей стороне переводил слышимые щелчки обратно в буквы и слова.
Катушку вокруг магнита также можно заставить двигаться по схеме с различной частотой и амплитудой, чтобы индуцировать ток в катушке. Это основа для ряда устройств, в первую очередь для микрофона. Звук заставляет диафрагму двигаться внутрь и наружу вместе с меняющимися волнами давления. Если диафрагма соединена с подвижной магнитной катушкой вокруг магнитного сердечника, она будет производить переменный ток, аналогичный падающим звуковым волнам. Затем этот электрический сигнал может быть усилен, записан или передан по желанию. Крошечные сверхсильные редкоземельные магниты используются для изготовления миниатюрных микрофонов для сотовых телефонов, сказал Марш в интервью Live Science.
Когда этот модулированный электрический сигнал подается на катушку, он создает колеблющееся магнитное поле, которое заставляет катушку перемещаться внутри и снаружи магнитного сердечника по той же схеме. Затем катушка прикрепляется к подвижному конусу динамика, чтобы он мог воспроизводить слышимые звуковые волны в воздухе. По данным Смитсоновского института, первым практическим применением микрофона и динамика стал телефон, запатентованный Александром Грэмом Беллом в 1876 году. Хотя эта технология была улучшена и усовершенствована, она по-прежнему является основой для записи и воспроизведения звука.
Применение электромагнитов почти бесчисленно. Закон индукции Фарадея формирует основу для многих аспектов нашего современного общества, включая не только электродвигатели и генераторы, но и электромагниты всех размеров. Тот же принцип, который используется гигантским краном для подъема старых автомобилей на свалку, также используется для выравнивания микроскопических магнитных частиц на жестком диске компьютера для хранения двоичных данных, и каждый день разрабатываются новые приложения.
Штатный писатель Таня Льюис внесла свой вклад в этот отчет.
Дополнительные ресурсы
- Национальная лаборатория сильного магнитного поля является крупнейшей и самой мощной магнитной лабораторией в мире. Исследователи бесплатно пользуются оборудованием для изучения материалов, энергии и жизни.
- Образовательный веб-сайт Internet Plasma Physics Education Experience содержит интерактивный модуль, посвященный основным понятиям, связанным с электричеством и магнетизмом.
- Центр космических полетов имени Годдарда НАСА предлагает уроки по «Ранней истории электричества и магнетизма» и «Исследованию магнитосферы Земли».
Библиография
НАСА, «Магнитосфера Земли», https://www.nasa.gov/magnetosphere
«Магнетизм». ОТКРЫТИЕ НАУКИ. Gale Research, 1996. Воспроизведено в Discovering Collection. Фармингтон-Хиллз, Мичиган: Gale Group. Декабрь 2000 г. http://galenet.galegroup.com/servlet/DC/
Гриффитс, Дэвид Дж.
(1998). Введение в электродинамику (3-е изд.). Прентис Холл. ISBN 978-0-13-805326-0. OCLC 40251748.
Будьте в курсе последних научных новостей, подписавшись на нашу рассылку Essentials.
Свяжитесь со мной, чтобы сообщить новости и предложения от других брендов FutureПолучайте электронные письма от нас от имени наших надежных партнеров или спонсоровДжим Лукас — автор статей для Live Science. Он охватывает физику, астрономию и инженерное дело. Джим окончил Университет штата Миссури, где получил степень бакалавра наук в области физики, а также астрономию и техническое письмо. После окончания университета он работал в Лос-Аламосской национальной лаборатории системным администратором, техническим писателем-редактором и специалистом по ядерной безопасности. Помимо написания статей, он редактирует статьи в научных журналах по различным тематическим направлениям.
1
Какая цивилизация существовала дольше всего?
2
Самое старое дерево в мире (и 7-й второе место)
3
Ученые могут быть в состоянии поместить астронавты с MARS в приостановленную анимацию.
