Теория магнетизма: Магнетизм: история притягательности — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Магнетизм: история притягательности

Магнетизм изучается с давних времен, а за последние два столетия стал основой современной цивилизации.

Человечество собирает знания о магнитных явлениях не меньше трех с половиной тысяч лет (первые наблюдения электрических сил имели место тысячелетием позже). Четыреста лет назад, на заре становления физики, магнитные свойства веществ были отделены от электрических, после чего долгое время те и другие изучались самостоятельно. Так была создана экспериментальная и теоретическая база, ставшая к середине XIX века основой единой теории электромагнитных явлений Вероятнее всего, необычные свойства природного минерала магнетита (магнитного железняка, Fe3O4) были известны в Месопотамии еще в бронзовом веке. А после возникновения железной металлургии нельзя было не заметить, что магнетит притягивает железные изделия. О причинах такого притяжения думал уже отец греческой философии Фалес из Милета (примерно 640−546 годы до н.э.), который объяснял его особой одушевленностью этого минерала (Фалес также знал, что натертый о шерсть янтарь притягивает сухие листья и мелкие щепочки, а потому наделял и его духовной силой).

Позднее греческие мыслители рассуждали о невидимых парах, окутывающих магнетит и железо и влекущих их друг к другу. Неудивительно, что само слово «магнит» тоже имеет греческие корни. Скорее всего, оно восходит к названию Магнесии-у-Сипила, города в Малой Азии, вблизи которого залегал магнетит. Греческий поэт Никандр упоминал о пастухе Магнисе, оказавшемся рядом со скалой, которая тянула к себе железный наконечник его посоха, но это, по всей вероятности, просто красивая легенда.

Природными магнитами интересовались и в Древнем Китае. Способность магнетита притягивать железо упоминается в трактате «Весенние и осенние записи мастера Лю», датируемом 240 годом до н.э. Столетие спустя китайцы заметили, что магнетит не действует ни на медь, ни на керамику. В VII—VIII вв.еках они выяснили, что свободно подвешенная намагниченная железная игла поворачивается к Полярной звезде. В результате во второй половине XI века в Китае появились настоящие морские компасы, европейские мореплаватели освоили их сотней лет позже.

Примерно тогда же китайцы обнаружили, что намагниченная игла смотрит восточнее направления на север и открыли тем самым магнитное склонение, намного опередив в этом вопросе европейских мореплавателей, которые пришли к этому выводу только в XV столетии.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Зарождение науки об магнетизме

Первое в Европе описание свойств природных магнитов сделал француз Пьер де Марикур. В 1269 году он служил в армии короля Сицилии Карла Анжуйского, осадившей итальянский город Лусеру. Оттуда он и отправил приятелю в Пикардию документ, который вошел в историю науки как «Письмо о магните» (Epistola de Magnete), где рассказал о своих опытах с магнитным железняком. Марикур заметил, что в каждом куске магнетита имеются две области, особенно сильно притягивающие железо. Он усмотрел параллель между этими зонами и полюсами небесной сферы и позаимствовал их названия для областей максимума магнитной силы — поэтому мы теперь и говорим о северном и южном магнитных полюсах. Если разбить кусок магнетита надвое, пишет Марикур, в каждом осколке появляются собственные полюса. Марикур не только подтвердил, что между кусками магнетита возникает как притяжение, так и отталкивание (это уже было известно), но впервые связал этот эффект с взаимодействием между разноименными (северным и южным) либо одноименными полюсами.

Многие историки науки считают Марикура бесспорным пионером европейской экспериментальной науки. Во всяком случае, его заметки о магнетизме ходили в десятках списков, а после появления книгопечатания издавались отдельной брошюрой. Их с уважением цитировали многие натуралисты вплоть до XVII столетия. Этот труд был хорошо известен и английскому естествоиспытателю и врачу (лейб-медику королевы Елизаветы и ее преемника Якова I) Уильяму Гильберту, который в 1600 году опубликовал (как положено, на латыни) замечательный труд «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле». В этой книге Гильберт не только привел практически все известные сведения о свойствах природных магнитов и намагниченного железа, но и описал собственные опыты с шаром из магнетита, с помощью которых он воспроизвел основные черты земного магнетизма. Например, он обнаружил, что на обоих магнитных полюсах такой «маленькой Земли» (по латыни terrella) компасная стрелка устанавливается перпендикулярно ее поверхности, на экваторе — параллельно, а на средних широтах — в промежуточном положении. Так Гильберт смоделировал магнитное наклонение, о существовании которого в Европе знали более полувека (в 1544 году это явление впервые описал нюрнбергский механик Георг Хартман).

Гильберт воспроизвел на своей модели и геомагнитное склонение, которое приписал не идеально гладкой поверхности шара (и потому в планетарном масштабе объяснял этот эффект притяжением континентов). Он обнаружил, что сильно нагретое железо теряет магнитные свойства, но при охлаждении они восстанавливаются. И наконец, Гильберт первым провел четкое различие между притяжением магнита и притяжением натертого янтаря, которое он назвал электрической силой (от латинского названия янтаря electrum). В общем, это был чрезвычайно новаторский труд, по достоинству оцененный и современниками, и потомками. Утверждение Гильберта, что Землю следует считать «большим магнитом», стало вторым по счету фундаментальным научным выводом о физических свойствах нашей планеты (первый — открытие ее шарообразности, сделанное еще в Античности).

Два века перерыва

После Гильберта наука о магнетизме вплоть до начала XIX века продвинулась очень мало. Сделанное за это время можно буквально перечесть по пальцам. В 1640 году ученик Галилея Бенедетто Кастелли объяснил притяжение магнетита наличием в его составе множества мельчайших магнитных частиц — первая и очень несовершенная догадка, что природу магнетизма следует искать на атомном уровне. Голландец Себальд Бругманс в 1778 году заметил, что висмут и сурьма отталкиваются от полюсов магнитной стрелки — это был первый пример физического явления, которое 67 годами позже Фарадей назвал диамагнетизмом. В 1785 году Шарль-Огюстен Кулон посредством прецизионных измерений на крутильных весах показал, что сила взаимодействия магнитных полюсов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — точно так же, как и сила взаимодействия между электрическими зарядами (в 1750 году к аналогичному выводу пришел англичанин Джон Мичелл, но кулоновское заключение много надежней).

А вот изучение электричества в те годы двигалось семимильными шагами. Объяснить это нетрудно. Единственными первичными источниками магнитной силы оставались природные магниты — других наука не знала. Их сила стабильна, ее нельзя ни изменить (разве что уничтожить нагревом), ни тем более генерировать по собственному желанию. Понятно, что это обстоятельство сильно ограничивало возможности экспериментаторов.

Электричество было в гораздо более выгодном положении — ведь его можно было получать и накапливать. Первый генератор статических зарядов построил в 1663 году бургомистр Магдебурга Отто фон Герике (знаменитые магдебургские полушария — тоже его детище). Век спустя такие генераторы стали столь широко распространены, что их демонстрировали даже на великосветских приемах. В 1744 году немец Эвальд Георг фон Клейст и немногим позже голландец Питер ван Мушенбрук изобрели лейденскую банку — первый электрический конденсатор; тогда же появились и первые электрометры. В результате к концу XVIII века наука знала об электричестве куда больше, чем в его начале.

А вот о магнетизме этого сказать было нельзя.

А потом все изменилось. В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый химический источник электрического тока — гальваническую батарею, также известную как вольтов столб. После этого открытие связи между электричеством и магнетизмом стало вопросом времени. Оно могло состояться уже на следующий год, когда французский химик Николя Готеро заметил, что два параллельных провода с током притягиваются друг к другу. Однако ни он, ни великий Лаплас, ни замечательный физик-экспериментатор Жан-Батист Био, которые позже наблюдали это явление, не придали ему никакого значения. Поэтому приоритет справедливо достался ученому, давно предположившему существование такой связи и много лет посвятившему ее поискам.

От Копенгагена до Парижа

Все читали сказки и истории Ганса Христиана Андерсена, но мало кто знает, что когда будущий автор «Голого короля» и «Дюймовочки» четырнадцатилетним подростком добрался до Копенгагена, он обрел друга и покровителя в лице своего двойного тезки, ординарного профессора физики и химии Копенгагенского университета Ганса Христиана Эрстеда. И оба прославили свою страну на весь мир.

Многообразие магнитных полей Ампер изучил взаимодействие между параллельными проводниками с током. Его идеи развил Фарадей, который предложил концепцию магнитных силовых линий.

Эрстед с 1813 года вполне сознательно пытался установить связь между электричеством и магнетизмом (он был приверженцем великого философа Иммануила Канта, полагавшего, что все природные силы обладают внутренним единством). В качестве индикаторов Эрстед использовал компасы, но долгое время безрезультатно. Эрстед ожидал, что магнитная сила тока параллельна ему самому, и для получения максимального крутящего момента располагал электрический провод перпендикулярно стрелке компаса. Естественно, что стрелка не реагировала на включение тока. И только весной 1820 года во время лекции Эрстед протянул провод параллельно стрелке (либо чтобы посмотреть, что из этого получится, либо у него появилась новая гипотеза — об этом историки физики спорят до сих пор). И вот тут-то стрелка и качнулась — не слишком сильно (у Эрстеда была маломощная батарея), но все-таки заметно.

Правда, великое открытие тогда еще не состоялось. Эрстед почему-то прервал эксперименты на три месяца и вернулся к ним лишь в июле. И вот тут-то он понял, что «магнитное воздействие электрического тока направлено по окружностям, охватывающим этот ток». Это был парадоксальный вывод, ведь ранее вращающиеся силы не появлялись ни в механике, ни в какой-либо другой ветви физики. Эрстед изложил свои выводы в статье и 21 июля отправил ее в несколько научных журналов. Потом он больше электромагнетизмом не занимался, и эстафета перешла к другим ученым. Первыми ее приняли парижане. 4 сентября известный физик и математик Доминик Араго рассказал об открытии Эрстеда на заседании Академии наук. Его коллега Андре-Мари Ампер решил заняться магнитным действием токов и буквально на следующий день приступил к экспериментам. Первым делом он повторил и подтвердил опыты Эрстеда, а в начале октября обнаружил, что параллельные проводники притягиваются, если токи текут через них в одном и том же направлении, и отталкиваются — если в противоположных. Ампер изучил взаимодействие и между непараллельными проводниками и представил его формулой (закон Ампера). Он показал также, что свернутые в спираль проводники с током поворачиваются в магнитном поле, подобно стрелке компаса (и между делом изобрел соленоид — магнитную катушку). Наконец, он выдвинул смелую гипотезу: внутри намагниченных материалов текут незатухающие микроскопические параллельные круговые токи, которые и служат причиной их магнитного действия. Тогда же Био и Феликс Савар совместными усилиями выявили математическую зависимость, позволяющую определять интенсивность магнитного поля, создаваемого постоянным током (закон Био-Савара).

Чтобы подчеркнуть новизну изученных эффектов, Ампер предложил термин «электродинамические явления» и постоянно пользовался им в своих публикациях. Но это еще не было электродинамикой в современном смысле. Эрстед, Ампер и их коллеги работали с постоянными токами, создававшими статичные магнитные силы. Физикам только предстояло обнаружить и объяснить действительно динамичные нестационарные электромагнитные процессы. Эта задача была решена в 1830—1870-х. К ней приложили руку около дюжины исследователей из Европы (в том числе и России- вспомним правило Ленца) и США. Однако главная заслуга бесспорно принадлежит двум титанам британской науки — Фарадею и Максвеллу.

Лондонский тандем

Для Майкла Фарадея 1821 год стал воистину судьбоносным. Он получил заветную должность суперинтенданта лондонского Королевского института и фактически случайно начал исследовательскую программу, благодаря которой занял уникальное место в истории мировой науки.

Произошло это так. Редактор журнала «Анналы философии» Ричард Филипс предложил Фарадею написать критический обзор новых работ, посвященных магнитному действию тока. Фарадей не только последовал этому совету и опубликовал «Исторический эскиз электромагнетизма», но приступил к собственным исследованиям, которые растянулись на долгие годы. Сначала он, как и Ампер, повторил эксперимент Эрстеда, после чего двинулся дальше. К концу 1821 года он изготовил устройство, где токонесущий проводник вращался вокруг полосового магнита, а другой магнит поворачивался вокруг второго проводника. Фарадей предположил, что и магнит, и провод под током окружены концентрическими силовыми линиями, lines of force, которыми и обусловлено их механическое воздействие. Это уже был зародыш концепции магнитного поля, хотя сам Фарадей таким термином не пользовался.

Поначалу он почитал силовые линии удобным методом описания наблюдений, но со временем уверился в их физической реальности (тем более что нашел способ наблюдать их с помощью рассыпанных между магнитами железных опилок). К концу 1830-х он четко осознал, что энергия, источником которой служат постоянные магниты и проводники под током, распределена в пространстве, заполненном силовыми линиями. Фактически Фарадей уже мыслил в теоретико-полевых терминах, в чем значительно опередил своих современников.

Но главное его открытие состояло в другом. В августе 1831 года Фарадей смог заставить магнетизм генерировать электрический ток. Его прибор состоял из железного кольца с двумя противоположными обмотками. Одну из спиралей можно было замкнуть на электрическую батарею, другая соединялась с проводником, расположенным над магнитным компасом. Стрелка не меняла положения, если по первой катушке шел постоянный ток, но качалась во время его включения и выключения. Фарадей понял, что в это время во второй обмотке возникали электрические импульсы, обусловленные возникновением или исчезновением магнитных силовых линий. Иначе говоря, он открыл, что причиной электродвижущей силы служат изменения магнитного поля. Этот эффект обнаружил также американский физик Джозеф Генри, но он опубликовал свои результаты позднее, чем Фарадей, и не сделал столь серьезных теоретических выводов.

К концу жизни Фарадей пришел к заключению, что новые знания об электромагнетизме нуждаются в математическом оформлении. Он решил, что эта задача придется по плечу Джеймсу Клерку Максвеллу, молодому профессору Маришал-колледжа в шотландском городе Абердине, о чем ему и написал в ноябре 1857 года. И Максвелл действительно объединил все тогдашние знания об электромагнетизме в единую математизированную теорию. Эта работа была в основном выполнена в первой половине 1860-х годов, когда он стал профессором натуральной философии лондонского Кингз-колледжа. Понятие электромагнитного поля впервые появилось в 1864 году в мемуаре, представленном Лондонскому Королевскому обществу. Максвелл ввел этот термин для обозначения «той части пространства, которая содержит и окружает тела, пребывающие в электрическом или магнитном состоянии», причем специально подчеркнул, что это пространство может быть как пустым, так и заполненным любым видом материи.

Главным итогом трудов Максвелла стала система уравнений, связывающих между собой электромагнитные явления. В опубликованном в 1873 году «Трактате об электричестве и магнетизме» он назвал их общими уравнениями электромагнитного поля, а сегодня они зовутся уравнениями Максвелла. Позднее их не раз обобщали (например, для описания электромагнитных явлений в различных средах), а также переписывали с использованием все более совершенного математического формализма. Максвелл показал также, что эти уравнения допускают решения, включающие незатухающие поперечные волны, частным случаем которых является видимый свет.

Теория Максвелла представила магнетизм как особого рода взаимодействие между электрическими токами. Квантовая физика XX века добавила к этой картине всего два новых момента. Теперь мы знаем, что электромагнитные взаимодействия переносятся фотонами и что электроны и многие другие элементарные частицы обладают собственными магнитными моментами. На этом фундаменте построены все экспериментальные и теоретические работы в области магнетизма.

Издания | Библиотечно-издательский комплекс СФУ

Издания(активная вкладка)
Услуги

Все года изданияТекущий годПоследние 2 годаПоследние 5 летПоследние 10 лет

Все виды изданийУчебная литератураНаучная литератураЖурналы и продолжающиеся изданияГазетыМатериалы конференцийУчебно-методическое обеспечение дисциплин

Все темыЕстественные и точные наукиАстрономияБиологияГеографияГеодезия. КартографияГеологияГеофизикаИнформатикаКибернетикаМатематикаМеханикаОхрана окружающей среды. Экология человекаФизикаХимияТехнические и прикладные науки, отрасли производстваАвтоматика. Вычислительная техникаБиотехнологияВодное хозяйствоГорное делоЖилищно-коммунальное хозяйство. Домоводство. Бытовое обслуживаниеКосмические исследованияЛегкая промышленностьЛесная и деревообрабатывающая промышленностьМашиностроениеМедицина и здравоохранениеМеталлургияМетрологияОхрана трудаПатентное дело. Изобретательство. РационализаторствоПищевая промышленностьПолиграфия. Репрография. ФотокинотехникаПриборостроениеПрочие отрасли экономикиРыбное хозяйство. АквакультураСвязьСельское и лесное хозяйствоСтандартизацияСтатистикаСтроительство. АрхитектураТранспортХимическая технология. Химическая промышленностьЭлектроника. РадиотехникаЭлектротехникаЭнергетикаЯдерная техникаОбщественные и гуманитарные наукиВнешняя торговляВнутренняя торговля. Туристско-экскурсионное обслуживаниеВоенное делоГосударство и право. Юридические наукиДемографияИскусство. ИскусствоведениеИстория. Исторические наукиКомплексное изучение отдельных стран и регионовКультура.

КультурологияЛитература. Литературоведение. Устное народное творчествоМассовая коммуникация. Журналистика. Средства массовой информацииНародное образование. ПедагогикаНауковедениеОрганизация и управлениеПолитика и политические наукиПсихологияРелигия. АтеизмСоциологияФизическая культура и спортФилософияЭкономика и экономические наукиЯзыкознаниеХудожественная литератураХудожественные произведения

Все институтыВоенно-инженерный институтУчебно-военный центрГуманитарный институтКафедра ИТ в креативных и культурных индустрияхКафедра истории России, мировых и региональных цивилизацийКафедра культурологии и искусствоведенияКафедра рекламы и социально-культурной деятельностиКафедра философииЖелезногорский филиал СФУИнженерно-строительный институтКафедра автомобильных дорог и городских сооруженийКафедра инженерных систем, зданий и сооруженийКафедра проектирования зданий и экспертизы недвижимостиКафедра строительных конструкций и управляемых системКафедра строительных материалов и технологий строительстваИнститут архитектуры и дизайнаКафедра архитектурного проектированияКафедра градостроительстваКафедра дизайнаКафедра дизайна архитектурной средыКафедра изобразительного искусства и компьютерной графикиИнститут гастрономииБазовая кафедра высшей школы ресторанного менеджментаИнститут горного дела, геологии и геотехнологийКафедра геологии месторождений и методики разведкиКафедра геологии, минералогии и петрографииКафедра горных машин и комплексовКафедра инженерной графикиКафедра маркшейдерского делаКафедра открытых горных работКафедра подземной разработки месторожденийКафедра технической механикиКафедра технологии и техники разведкиКафедра шахтного и подземного строительстваКафедра электрификации горно-металлургического производстваИнститут инженерной физики и радиоэлектроникиБазовая кафедра «Радиоэлектронная техника информационных систем»Базовая кафедра инфокоммуникацийБазовая кафедра физики конденсированного состояния веществаБазовая кафедра физики твердого тела и нанотехнологийБазовая кафедра фотоники и лазерных технологийКафедра нанофазных материалов и нанотехнологийКафедра общей физикиКафедра приборостроения и наноэлектроникиКафедра радиотехникиКафедра радиоэлектронных системКафедра современного естествознанияКафедра теоретической физики и волновых явленийКафедра теплофизикиКафедра экспериментальной физики и инновационных технологийКафедры физикиИнститут космических и информационных технологийБазовая кафедра «Интеллектуальные системы управления»Базовая кафедра «Информационные технологии на радиоэлектронном производстве»Базовая кафедра геоинформационных системКафедра высокопроизводительных вычисленийКафедра вычислительной техникиКафедра информатикиКафедра информационных системКафедра прикладной информатикиКафедра прикладной математики и компьютерной безопасностиКафедра разговорного иностранного языкаКафедра систем автоматики, автоматизированного управления и проектированияКафедра систем искусственного интеллектаИнститут математики и фундаментальной информатикиБазовая кафедра вычислительных и информационных технологийБазовая кафедра математического моделирования и процессов управленияКафедра алгебры и математической логикиКафедра высшей и прикладной математикиКафедра математического анализа и дифференциальных уравненийКафедра математического обеспечения дискретных устройств и системКафедры высшей математики №2афедра теории функцийИнститут нефти и газаБазовая кафедра пожарной и промышленной безопасностиБазовая кафедра проектирования объектов нефтегазового комплексаБазовая кафедра химии и технологии природных энергоносителей и углеродных материаловКафедра авиационных горюче-смазочных материаловКафедра бурения нефтяных и газовых скважинКафедра геологии нефти и газаКафедра геофизикиКафедра машин и оборудования нефтяных и газовых промысловКафедра разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторожденийКафедра технологических машин и оборудования нефтегазового комплексаКафедра топливообеспеченя и горюче-смазочных материаловИнститут педагогики, психологии и социологииКафедра информационных технологий обучения и непрерывного образованияКафедра общей и социальной педагогикиКафедра психологии развития и консультированияКафедра современных образовательных технологийКафедра социологииИнститут торговли и сферы услугБазовая кафедра таможенного делаКафедра бухгалтерского учета, анализа и аудитаКафедра гостиничного делаКафедра математических методов и информационных технологий в торговле и сфере услугКафедра технологии и организации общественного питанияКафедра товароведения и экспертизы товаровКафедра торгового дела и маркетингаОтделение среднего профессионального образования (ОСПО)Институт управления бизнес-процессамиБазовая кафедра Федеральной службы по финансовому мониторингу (Росфинмониторинг)Кафедра бизнес-информатики и моделирования бизнес-процессовКафедра маркетинга и международного администрированияКафедра менеджмент производственных и социальных технологийКафедра цифровых технологий управленияКафедра экономики и управления бизнес-процессамиКафедра экономической и финансовой безопасностиИнститут физ.

культуры, спорта и туризмаКафедра медико-биологических основ физической культуры и оздоровительных технологийКафедра теоретических основ и менеджмента физической культуры и туризмаКафедра теории и методики спортивных дисциплинКафедра физической культурыИнститут филологии и языковой коммуникацииКафедра восточных языковКафедра журналистики и литературоведенияКафедра иностранных языков для гуманитарных направленийКафедра иностранных языков для естественнонаучных направленийКафедра иностранных языков для инженерных направленийКафедра романских языков и прикладной лингвистикиКафедра русского языка и речевой коммуникацииКафедра русского языка как иностранногоКафедра теории германских языков и межкультурной коммуникацииИнститут фундаментальной биологии и биотехнологииБазовая кафедра «Медико-биологические системы и комплексы»Базовая кафедра биотехнологииКафедра биофизикиКафедра водных и наземных экосистемКафедра геномики и биоинформатикиКафедра медицинской биологииИнститут цветных металлов и материаловеденияБазовая кафедра «Технологии золотосодержащих руд»Кафедра автоматизации производственных процессов в металлургииКафедра аналитической и органической химииКафедра инженерного бакалавриата СDIOКафедра композиционных материалов и физико-химии металлургических процессовКафедра литейного производстваКафедра металловедения и термической обработки металловКафедра металлургии цветных металловКафедра обогащения полезных ископаемыхКафедра обработки металлов давлениемКафедра общаей металлургииКафедра техносферной безопасности горного и металлургического производстваКафедра физической и неорганической химииКафедра фундаментального естественнонаучного образованияИнститут экологии и географииКафедра географииКафедра охотничьего ресурсоведения и заповедного делаКафедра экологии и природопользованияИнститут экономики, государственного управления и финансовБазовая кафедра антимонопольного и тарифного регулирования рынков ФАСБазовая кафедра цифровых финансовых технологий Сбербанка РоссииКафедра бухгалтерского учета и статистикиКафедра международной и управленческой экономикиКафедра социально-экономического планированияКафедра теоретической экономикиКафедра управления человеческими ресурсамиКафедра финансов и управления рискамиКрасноярская государственная архитектурно-строительная академияКрасноярский государственный технический университетКрасноярский государственный университетМежинститутские базовые кафедрыМежинститутская базовая кафедра «Прикладная физика и космические технологии»Научная библиотека СФУПолитехнический институтБазовая кафедра высшей школы автомобильного сервисаКафедра конструкторско-технологического обеспечения машиностроительных производствКафедра материаловедения и технологии обработки материаловКафедра машиностроенияКафедра прикладной механикиКафедра робототехники и технической кибернетикиКафедра стандартизации, метрологии и управления качествомКафедра тепловых электрических станцийКафедра теплотехники и гидрогазодинамикиКафедра техногенных и экологических рисков в техносфереКафедра техносферной и экологической безопасностиКафедра транспортаКафедра транспортных и технологических машинКафедра химииКафедра электротехникиКафедра электроэнергетикиСаяно-Шушенский филиал СФУХакасский технический иститутЮридический институтКафедра гражданского праваКафедра иностранного права и сравнительного правоведенияКафедра конституционного, административного и муниципального праваКафедра международного праваКафедра предпринимательского, конкурентного и финансового праваКафедра теории и истории государства и праваКафедра теории и методики социальной работыКафедра трудового и экологического праваКафедра уголовного праваКафедра уголовного процеса и криминалистики

По релевантностиСначала новыеСначала старыеПо дате поступленияПо названиюПо автору

Текст в электронном виде

Пожарная безопасность технологических процессов

Горная графика

Организация физической культуры и спорта

Практический курс китайского языка.

Часть 2

Геоинформационные системы транспортного мониторинга и логистики

Российская экономика: на пути структурной трансформации

Экономика предприятия: организационно-практические аспекты

Основы спортивной подготовки

Современные методы исследования свойств продовольственного сырья, пищевых макро- и…

Медиация в образовании: социокультурный контекст

Академическая живопись для студентов-дизайнеров

Эволюция торговли. Часть I

Магнетизм — Химия LibreTexts

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 19711

Движение электрического заряда (который является основой электрических токов) создает магнитное поле в материале. Таким образом, магнетизм является характерным свойством всех материалов, содержащих электрически заряженные частицы, и для большинства целей можно считать, что они имеют исключительно электронное происхождение.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Правило правой руки для индуцированного магнитного поля

В атоме магнитное поле возникает из-за связанных спиновых и орбитальных магнитных моментов, связанных с движением электронов. Спиновый магнитный момент обусловлен прецессией электронов вокруг их собственных осей, тогда как орбитальный магнитный момент обусловлен движением электронов вокруг ядра. Результирующая комбинация спинового и орбитального магнитных моментов составляющих атомов материала приводит к наблюдаемым магнитным свойствам.

Исторически магнетизм был признан на протяжении тысячелетий. Отчет, который, вероятно, является апокрифическим, рассказывает о пастухе по имени Магнес на Крите, который около 900 г. до н.э. обнаружил природный магнитный магнит (разновидность магнетита шпинели, Fe ₃ O ₄) в регионе, позже названном Магнезией. . Предположительно, когда он шел по месторождению, магнит вырвал гвозди из его сандалий и металлический наконечник из его посоха.

Классическая теория магнетизма

Классическая теория магнетизма была хорошо развита до квантовой механики. Закон Ленца гласит, что когда вещество помещено в магнитное поле \(H\), поле внутри вещества \(B\) отличается от \(H\) индуцированным полем \(4πI\), которая пропорциональна интенсивности намагниченности \(I\). То есть;

\[B = H + 4\pi I\]

где \(B\) — магнитное поле внутри вещества, \(H\) — приложенное магнитное поле, а \(I\) — напряженность намагниченность

Закон Ленца (1834 г.)

Закон Ленца можно также записать как

\[\dfrac{B}{H} = 1 + \dfrac{4π I}{H}\]

или

\[\ dfrac{B}{H} = 1 + 4\pi\kappa\]

, где

\(B/H\) называется магнитной проницаемостью материала, а
\(\каппа\) — магнитная восприимчивость на единицу объема, (I/H)

По определению \(\каппа\) в вакууме равно нулю, поэтому при этих условиях уравнение сводится к \(B=H\). Обычно удобнее измерять массу, чем объем, и массовая восприимчивость \(χ_g\) связана с объемной восприимчивостью \(\каппа\) через плотность.

\[χ_g = \dfrac{\kappa}{ρ}\]

где \(\rho\) — плотность.

Наконец, чтобы получить нашу измеренную величину на основе, которая может быть связана с атомными свойствами, мы конвертируем в молярную восприимчивость

\[χ_m =χ_g \times RMM\]

необходимо внести поправку на диамагнитную часть χ _m, чтобы получить скорректированную парамагнитную восприимчивость.

\[\chi’_m = \chi_m + \chi_{dia}\]

Примеры таких исправлений приведены в таблице ниже.

Таблица \(\PageIndex{1}\): Таблица диамагнитных поправок (постоянные Паскаля, 10 ^-6 единиц СГС)
Ион	DC	Ион	DC
Нет данных ⁺	6,8	Со ²⁺	12,8
К ⁺	14,9	Со ³⁺	12,8
НХ ₄ ⁺	13,3	Ni ²⁺	12,8
рт. ст. ²⁺	40	ВО ²⁺	12,5
Fe ²⁺	12,8	Мн ³⁺	12,5
Fe ³⁺	12,8	Кр ³⁺	12,5
Медь ²⁺	12,8	Класс ^—	23,4
Бр ^—	34,6	СО ₄ ^2-	40,1
I ^—	50,6	ОХ ^—	12
№ ₃ ^—	18,9	С ₂ О ₄ ^2-	34
ClO ₄ ^—	32	ОАс ^—	31,5
ИО ₄ ^—	51,9	пир	49,2
Китайская ^—	13	Ме-пыр	60
НКС ^—	26,2	Акак ^—	62,5
Н ₂ О	13	и	46,3
ЭДТА ^4-	~150	мочевина	33,4

их можно преобразовать в единицы СИ м ³ моль ^-1 путем умножения на 4 π x 10 ^-7

Существует множество методов измерения магнитной восприимчивости, включая методы Гуи, Эванса и Фарадея. . Все они зависят от измерения силы, действующей на образец, когда он помещается в магнитное поле. Чем более парамагнитен образец, тем сильнее он будет притягиваться к более интенсивной части поля.

Определение магнитной восприимчивости

Метод Гуи: Здесь описана основная теория метода Гуи, а также доступна форма для расчета магнитного момента на основе собранных данных.
Метод Эванса: Весы Эванса измеряют изменение тока, необходимое для удержания пары подвешенных магнитов на месте или в равновесии после взаимодействия магнитного поля с образцом. Весы Эванса отличаются от весов Гуи тем, что в первых подвешены постоянные магниты и положение образца остается постоянным, а во вторых положение магнита постоянно и образец подвешен между магнитами.

Орбитальный вклад в магнитные моменты

С точки зрения квантовой механики магнитный момент зависит как от спинового, так и от орбитального углового момента. Формула только для спина, использованная в прошлом году, была дана как:

\[\mu_{s.o.} = \sqrt{4S(S+1)}\]

, и ее можно изменить, чтобы включить орбитальный угловой момент

\ [\mu_{S+L} = \sqrt{4S(S+1) + L(L+1)}\]

Вклад орбитального углового момента ожидается, когда основной член трижды вырожден (т. е. триплетное состояние) . Они также показывают температурную зависимость.

Для того, чтобы электрон внес вклад в орбитальный угловой момент, орбиталь, на которой он находится, должна иметь возможность превратиться в точно идентичную и вырожденную орбиталь простым вращением (именно вращение электронов вызывает орбитальный вклад) . Например, в октаэдрическом комплексе вырожденный набор орбиталей t _2g (d _xz , d _yx , d _yz ) может быть преобразован друг в друга посредством поворота на 90 ^o. Однако орбитали в e 9Подмножество 0028 g (d _z2 ,d _x2-y2 ) не может быть преобразовано друг в друга вращением вокруг какой-либо оси, поскольку формы орбит различны; поэтому электрон в наборе e _g не вносит вклад в орбитальный угловой момент и считается тушащимся. В случае свободного иона электроны могут быть преобразованы между любой из орбиталей, поскольку все они вырождены, но все же будет частичное орбитальное тушение, поскольку орбитали не идентичны.

Электроны в т 9Набор 0028 2g не всегда вносит вклад в орбитальный угловой момент. Например, в случае d ³ , t _2g ³ электрон на орбите d _xz не может быть помещен вращением на орбиту d _yz, поскольку на орбитали уже есть электрон с таким же спином. . Этот процесс также называют закалкой.

Тетраэдрические комплексы можно рассматривать аналогичным образом, за исключением того, что мы сначала заполняем е-орбитали, а электроны в них не вносят вклад в орбитальный угловой момент. Таблицы по ссылкам ниже дают список всех d 9от 0079 1 до d ⁹ конфигураций, включая комплексы с высоким и низким спином, и заявление о том, ожидается ли прямой орбитальный вклад.

Октаэдрические комплексы
Тетраэдрические комплексы

Основные члены A и E

Конфигурации, соответствующие A ₁ (член S для свободных ионов), E (член D для свободных ионов) или A ₂ (из члена F), не вносят прямого вклада в орбитальный угловой момент. Для А ₂ и членов E всегда есть более высокий член T той же кратности, что и основной член, который может влиять на магнитный момент (обычно лишь в небольшой степени).

\[µ_{eff} = µ_{s.o.} (1-α λ /∆) \label{eq10}\]

где α — константа (2 для члена E, 4 для члена A ₂ член ) и λ — константа спин-орбитального взаимодействия, которая обычно доступна только для свободного иона, но она дает важную информацию, поскольку знак значения меняется в зависимости от занятости орбиты.

99\) значение отрицательное, следовательно, \(µ_{eff}\) больше, чем \(µ_{so}\).

\(Δ\) — коэффициент расщепления кристаллическим полем, который опять же часто недоступен для комплексов.

Для тетраэдрического иона Co(II), CoCl ₄ ² ^— , наблюдаемый экспериментальный магнитный момент, мк _наб = 4,59 Бор Магнетон (Б.М.) Только спиновый магнитный момент, мк _с = 3,88 б.м. что не в хорошем согласии. Как мы можем улучшить анализ?

Поскольку основной член в тетраэдрическом поле расщепляется от ⁴ F в член ⁴ A ₂, тогда мы можем применить уравнение \ref{eq10}. Для терма \(A\) константа α = 4. Константа спин-орбитальной связи λ для свободного иона составляет -172 см ^-1, которую мы можем использовать в качестве приближения, и Δ = 3100 см ^-1 . Следовательно,

\[μ_{eff} = 3,88 \times (1 — (4 * -172) / 3100)\]

, что получается при μ _eff = 4,73 B.M.

Это дает гораздо лучшую посадку, чем формула только для отжима. В случае серии;

CoI ₄ ² ^— , CoBr ₄ ² ^— , CoCl ₄ ² ^— , Co(NCS) ₄ ^2-

the magnetic моменты были записаны как 4,77, 4,65, 4,59, 4,40 BM, если предположить, что λ является примерно постоянным, то это изменение показывает обратное влияние спектрохимического ряда на магнитный момент, поскольку ожидается, что Δ увеличится от I- до NCS-.

Т наземные условия

Конфигурации, соответствующие члену T ₂ (из D) или члену T ₁ (из члена F), представляют собой конфигурации, в которых ожидается прямой вклад в орбитальный угловой момент. Часто оказывается, что магнитные моменты комплексов с Т-терминами сильно зависят от температуры. Это происходит в результате спин-орбитальной связи, которая создает уровни, разность энергий которых часто составляет порядка k Тл, поэтому в результате температура будет иметь прямое влияние на заселенность уровней, возникающих в магнитном поле.

На графике Котани μ _eff отображается в зависимости от kT/λ, и когда это соответствует значению 1, тогда μ равно значению «только для вращения». Если это экстраполировать на бесконечность, то значение соответствует μ _S _+L .

Измерение магнитного момента при 80 К и 300 К часто показывает это изменение в зависимости от температуры.

Пример \(\PageIndex{1}\):

Учет магнитных моментов комплекса, (Et ₄ Н) ₂ [NiCl ₄ ] записано при 80, 99 и 300 К.

Таблица \(\PageIndex{1}\): некоторые константы спин-орбитального взаимодействия для ионов ТМ 1-го ряда
ион металла	Ти(III)	В(III)	Кр(III)	Мн(III)	Fe(II)	Со(II)	Ni(II)	Cu(II)
конфигурация d	1	2	3	4	6	7	8	9
λ/см ^-1	155	105	90	88	-102	-172	-315	-830

80 К	99 К	300 К
3,25 Б.М.	3,43 Б.М.	3,89 Б.М.

Ni ² ⁺ это ⁸ ион металла.

Формула предполагает 4-координатный комплекс, и мы можем предположить, что комплекс является тетраэдрическим с d-электронной конфигурацией e ⁴ t ₂ ⁴ поэтому спиновый магнитный момент можно рассчитать как 2,83 BM.

Почему мы проигнорировали возможность того, что он квадратно-плоский?

Основной член Рассела-Сондерса для свободного иона равен ³ F (L=3 и S=1), что дает член T с наименьшей энергией в тетраэдрическом поле, и, следовательно, результирующий магнитный момент, как ожидается, будет равен температуре зависимы и имеют прямой орбитальный вклад. Наблюдаемые значения могут сильно отличаться от расчетного только спинового магнитного момента. Значение мк _S _+L можно рассчитать как:

\[mu_{S+L}= \sqrt{4S(S+1)+L(L+1)} \nonnumber\]

или

\ [\mu_{S+L}= \sqrt{8+12} \nonumber\]

или

\[\mu_{S+L} = \sqrt{20} = 4,472\;Б.М. \nonumber\]

Из наблюдаемых значений видно, что магнитный момент комплекса d ⁸ Ni ² ⁺ является промежуточным между значениями μ _so и μ _S _+L (вероятно, из-за частичного гашения вклада орбитального углового момента) и зависит от температуры. Доступны дополнительные рабочие примеры и некоторые выбранные магнитные данные.

Авторы и авторство

Magnetism распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0 и был создан, изменен и/или курирован LibreTexts.

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Раздел или страница
Лицензия
CC BY-NC-SA
Версия лицензии
4,0
Показать страницу TOC
№ на стр.
Теги
1. Закон Ленца
2. магнитная проницаемость
3. магнетизм

Теория магнетизма | СпрингерЛинк

Авторы:

Кей Йосида

Кей Йосида
Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в пабмед Google Scholar

Магнетизм становится все более важной темой
Современных книг по магнетизму не существует, и название, переведенное с японского, должно заполнить пробел
Предмет рассматривается с научной точки зрения, поэтому он должен найти хороший рынок среди аспирантов

Часть серии книг: Springer Series in Solid-State Sciences (SSSOL, том 122)

‘) var head = document. getElementsByTagName(«head»)[0] var script = document.createElement(«сценарий») script.type = «текст/javascript» script.src = «https://buy.springer.com/assets/js/buybox-bundle-abe5f44a67.js» script.id = «ecommerce-scripts-» + метка времени head.appendChild (скрипт) var buybox = document.querySelector(«[data-id=id_»+ метка времени +»]»).parentNode var сейчас = новая дата().getTime() вар начало = 1650956400000 вар конец = 1652338800000 var isMeasuringTime = сейчас > начать && сейчас -1 ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.опция покупки»)).forEach(функция (опция, индекс) { var toggle = option.querySelector(priceNS + «.buying-option-price») var form = option.querySelector(«.форма-варианта-покупки») var priceInfo = option. querySelector(priceNS + «.price-info») если (allOptionsInitiallyCollapsed || узкаяBuyboxArea && индекс > 0) { toggle.setAttribute («ария-расширенная», «ложь») form.hidden = «скрытый» priceInfo.hidden = «скрытый» } еще { переключить.щелчок() } }) } начальное состояниеОткрыть() если (window.buyboxInitialized) вернуть window.buyboxInitialized = истина initKeyControls() если (window.fetch && isMeasuringTime) { var свернутый = buybox.querySelector(«.buying-option.expanded») === ноль var metricsAppendix = «» metricsAppendix += «&discount=» + (buybox.querySelector(«. Цена-кампания-покупки-варианта»).className.indexOf(«со скидкой») !== -1).toString() metricsAppendix += «&metricsGroup=» + кампанияPricesMetricsGroup metricsAppendix += «&collapsed=» +collapsed.toString() window.fetch(«https://test-buckets.springer.com/log?v3&time=» + сейчас + приложение metrics) .затем (функция (разрешение) { вернуть рез.текст() }) .поймать (функция () { }) } })()

Об этой книге

Теория магнетизма является важным разделом теории твердых тел и служит ориентиром в долгой истории исследований явления магнетизма. Эта книга закладывает основу для дальнейшего развития в этой области. Его содержание разделено на четыре части. В части I, Магнитные Ионы в Кристаллы, объясняются электронные состояния магнитных ионов в кристаллах и обменные взаимодействия между ними.