Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Гельфгат

§ 7. Магнітні властивості речовини

1. Природа магнетизму

Досліди показують, що можна змінити магнітне поле всередині котушки зі струмом, вставивши в неї осердя. Отже, речовина впливає на магнітне поле, як і на електричне. Більше того, тіло з певної речовини (постійний магніт) може створювати магнітне поле навіть за відсутності провідників зі струмом.

Відповідно до гіпотези Ампера, у будь-якому тілі існують крихітні (мікроскопічні) замкнені струми. Кожний такий струм утворює власне магнітне поле. Якщо струми орієнтовані хаотично, то їх магнітні поля взаємно компенсуються. Якщо ж напрями цих струмів «узгоджено», то їх магнітні поля додаються й утворюють певне «загальне» магнітне поле.

На рис. 7.1, а показано спрощену картину впорядкованих мікроскопічних струмів (для наочності їм надано квадратної форми). Очевидно, у цьому разі «внутрішні» мікроскопічні струми в сусідніх точках напрямлені протилежно й компенсують один одного. (На рисунку червоними рамками виділено деякі сусідні мікроскопічні струми, магнітні поля яких взаємно компенсуються.) Некомпенсованими лишаються «відрізки» струмів на поверхні тіла. Отже, система впорядкованих мікроскопічних струмів утворює таке саме магнітне поле, як один макроскопічний струм, що тече по поверхні провідника (рис. 7.1, б).

Рис. 7.1. Система мікроскопічних струмів (а) та макроскопічний струм, яким можна подумки її замінити (б)

Намагнітити речовину — значить орієнтувати існуючі в ній мікроскопічні струми (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Ненамагнічене тіло (а) та намагнічене (б) обидва містять «елементарні магнітики» — мікроскопічні замкнені струми. Відмінність полягає в їх орієнтації

Звідки ж беруться мікроскопічні струми, які існують без якихось джерел струму протягом мільярдів років? Одна з причин — орбітальний рух електронів навколо атомних ядер. Проте відповідні мікроскопічні струми та магнітні поля доволі малі. Набагато важливіше те, що електрон має спін, який зумовлює «власні» момент імпульсу та магнітний момент електрона*. Отже, магнітні властивості електрона дуже нагадують властивості крихітної рамки зі струмом: електрон сам утворює магнітне поле і зазнає орієнтуючої дії зовнішнього магнітного поля. Коротко кажучи, кожний електрон сам по собі є крихітним магнітом. Таку властивість електрона не можна пояснити на основі відомих вам законів класичної фізики, поведінку електрона пояснює створена у XX столітті квантова теорія.

* Протон і навіть нейтрон теж мають спін, проте через відносно велику масу їх магнітні властивості проявляються набагато слабше.

2. Магнітні властивості різних речовин

Не існує речовини, яка б була «абсолютно немагнітною». Бувають лише речовини з сильними та слабкими магнітними властивостями. Будь-яка речовина «реагує» на зовнішнє магнітне поле, створюючи власне магнітне поле. Тому магнітне поле в речовині відрізняється від магнітного поля, яке існувало б у вакуумі. Розгляньмо, наприклад, намотаний на трубку соленоїд. Ми можемо почергово вставляти всередину трубки стрижні (так звані осердя) з різних матеріалів та порівнювати індукцію магнітного поля біля торців цих стрижнів (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Стрижень, який вставляють усередину соленоїда, впливає на значення магнітної індукції поля цього соленоїда

Ми вже знаємо, що в подібному випадку речовина завжди послаблює електричне поле. А от магнітне поле може як послабитися, так і підсилитися. Залежно від цього розрізняють кілька типів речовин. Наведемо характеристики кожного з них.

Очевидно, що діа- та парамагнетики мають слабкі магнітні властивості, а феромагнетики — сильні.

Магнітні стрілки (тобто маленькі постійні магніти) виготовляють з феромагнетиків. Північний полюс такої стрілки повертається в напрямі ліній магнітного поля. Аналогічно поведеться й стрілка з парамагнетика (якщо поле буде достатньо сильним). Якщо ж виготовити «стрілку» (або тонкий стрижень) з діамагнетика, то така «стрілка» орієнтуватиметься перпендикулярно до ліній магнітного поля.

Якщо магнітне поле є неоднорідним, феромагнітні та парамагнітні тіла втягуються в більш сильне поле. А от діамагнітні тіла виштовхуються з магнітного поля.

3. Будова та властивості феромагнетиків. Застосування феромагнетиків

До феромагнетиків належать залізо, кобальт, нікель, рідкоземельні елементи та багато сплавів. Феромагнетизм зумовлений тим, що деякі атоми навіть за відсутності зовнішнього магнітного поля є доволі сильними «магнітами» через некомпенсовані спіни електронів атома. Щоб правильно описати властивості таких «магнітів», слід ураховувати не тільки їх взаємодію із зовнішнім магнітним полем, а й взаємодію кожного «магніту» із сусідніми. Саме через цю взаємодію намагніченість може зберігатися за відсутності зовнішнього магнітного поля.

Магнітна проникність феромагнетику не є сталою. Вона змінюється залежно від індукції зовнішнього магнітного поля (залежність В від В₀ є нелінійною, на відміну від поля в діа- та парамагнетиках).

На рис. 7.4 наведений типовий графік залежності B(B₀) для феромагнетику. Треба мати на увазі, що масштаб по різних осях сильно відрізняється (насправді значення В набагато перевищують значення В₀). Графік починається з точки (0; 0). Спочатку зростання В відбувається майже лінійно, але потім воно сповільнюється («синя» ділянка графіка) та практично припиняється (кажуть, що зразок намагнічений до насичення).

Рис. 7.4. Петля гістерезису для типового феромагнетику

Описане явище називають магнітним гістерезисом, а «червону» частину графіка — петлею гістерезису.

Навколо фізики

«Гістерезис» походить від грецького «відставання». Ця властивість системи означає, що її стан залежить не тільки від умов у даний момент часу, а й від попередньої історії. Інакше кажучи, ідеться про системи «з пам’яттю». Дійсно, будь-який постійний магніт «пам’ятає», що колись він перебував у сильному магнітному полі, яке й зорієнтувало певним чином «елементарні магнітики». Не випадково ж саме феромагнетики широко застосовують для створення «комп’ютерної пам’яті».

Уважне дослідження «кривої гістерезису» показало, що вона насправді не є плавною, а складається з малих «сходинок» різної висоти та ширини (рис. 7.5). Така структура свідчить, що «елементарні магнітики» змінюють свою орієнтацію не поодинці, а досить великими групами. Насправді доведено, що навіть ненамагнічений феромагнетик складається з певних ділянок, кожна з яких намагнічена до насичення (рис. 7.6). Такі ділянки називають доменами, у межах одного домену всі «елементарні магнітики» орієнтовані однаково. У ненамагніченому феромагнетику їх магнітні моменти (на рисунку — зелені стрілки) орієнтовані хаотично, тому вони й не створюють поблизу феромагнетику помітне магнітне поле.

Рис. 7.5. Структура «кривої гістерезису»

Коли з’являється зовнішнє магнітне поле, намагнічені в його напрямі домени виявляються в «більш вигідному» стані. Тому вони починають «відбирати» якісь ділянки у сусідніх доменів або навіть поглинати сусідів. Можлива також дуже швидка зміна напряму намагніченості тих доменів, які були намагнічені в «невигідному» напрямі. Усі ці процеси й визначають вигляд залежності В(В₀). Кінець кінцем магнітні моменти всіх доменів повертаються в одному напрямі. При цьому фактично всі домени об’єднуються в один великий (тому на рис. 7.6, в умовні межі доменів показано штриховими лініями).

Розміри доменів залежать від багатьох чинників і зазвичай належать діапазону від 10 нм до 0,1 мм. Великі домени можна зробити «видимими» та спостерігати за допомогою звичайного оптичного мікроскопу.

У змінному магнітному полі феромагнетик зазнає періодичного перемагнічування. Цей процес супроводжується певним «внутрішнім тертям», а отже — й виділенням тепла. Виявляється, протягом одного повного циклу перемагнічування виділяється кількість теплоти, пропорційна площі S петлі гістерезису (рис. 7.4). Тому феромагнетики розділяють на магнітном’які (з малим значенням S) та магнітножорсткі (з великим значенням S).

Магнітні властивості феромагнетиків послаблюються внаслідок підвищення температури (хаотичний тепловий рух частинок заважає мікроскопічним «магнітам» орієнтуватися паралельно один одному). Для кожного феромагнетику існує певна температура (температура Кюрі), за якої він втрачає феромагнітні властивості та перетворюється на парамагнетик. Наприклад, для заліза температура Кюрі становить 753 °С. Після охолодження феромагнітні властивості речовини поновлюються (проте магніт доведеться намагнічувати заново). Намагнічування та розмагнічування полегшуються, якщо феромагнетик піддавати ударам або вібрації.

Застосування магнітних матеріалів (зазвичай це феромагнетики) дуже різноманітні:

• виготовлення постійних магнітів (їх застосовують в елекровимірювальних приладах, динаміках, компасах тощо) з магнітножорстких матеріалів;
• виготовлення осердь для котушок трансформаторів, електромагнітів і електричних машин для багаторазового підсилення магнітного поля (тут потрібні магнітном’які матеріали);
• виготовлення магнітних носіїв інформації (наприклад, жорстких магнітних дисків комп’ютерів, рис. 7.7); певний стан намагніченості ділянки феромагнетику відповідає запису нуля або одиниці, з яких складається запис будь-якої інформації.

Рис. 7.7. Жорсткий магнітний диск

Навколо фізики

Ми часто навіть не уявляємо, наскільки швидко розвиваються певні галузі науки та техніки. Подивіться на фото. Навряд чи ви зможете здогадатися, що саме завантажують у літак. Це — перший жорсткий диск на 5 МБ! Порівняйте це з характеристиками вашого ноутбука або смартфона... Мабуть, коментарі тут зайві.

Дізнаємося більше

Магнітне поле в нашому довкіллі складається з магнітного поля Землі та магнітних полів техногенного походження (від електричного транспорту, електродвигунів і генераторів, ліній електропередачі тощо). Чи впливає магнітне поле на живі істоти?

У дослідах послаблення магнітного поля вкорочувало життя пацюків. Дослідники переконалися, що двомісячна дія підсиленого магнітного поля на мозок тварин різко омолодила їх, збільшила їхню активність.

Інколи магнітне поле Землі протягом кількох годин дуже сильно змінюється. Ці явища (їх називають магнітними бурями) спричинені змінами сонячної активності. Кількість та інтенсивність магнітних бур у різні роки відрізняються. Періоди максимуму повторюються через 11,5 року.

Дослідження статистичних даних у першій половині XX століття показали, що саме така періодичність спостерігається і для поширення багатьох захворювань. Англійські науковці встановили чітко виражене зростання нервово-психічних захворювань під час 67 магнітних бур. Аналогічні закономірності встановлено для серцево-судинних захворювань, змін кров’яного тиску, зменшення кількості еритроцитів і зниження гемоглобіну.

Механізми впливу змін магнітного поля на людину вивчаються. Є припущення, що магнітне поле впливає на біологічні рідкокристалічні структури (білків, поліпептидів тощо).

Деякі живі істоти, на відміну від людини, безпосередньо відчувають дію магнітного поля. Якщо термітів «захистити» (екранувати) від магнітного поля, то вони втрачають здатність орієнтуватись у просторі та порушують звичайний порядок розселення в термітнику. Колись припускали, що птахи знаходять правильний шлях під час перельотів на великі відстані, орієнтуючись за Сонцем і зорями. Але нині встановлено, що й тут головну роль відіграє магнітне поле Землі. У птахів поблизу від очей є маленький «компас», який містить магнітні кристали.

Підбиваємо підсумки

Контрольні запитання

1. Чим пояснюються магнітні властивості речовини? 2. Яка природа мікроскопічних електричних струмів у речовині? Чому ці струми не загасають? 3. Що відбувається під час намагнічування речовини? 4. Порівняйте поведінку діамагнетиків, парамагнетиків і феромагнетиків у магнітному полі.

Вправа № 7

1. Вимірювання магнітної проникності μ кількох речовин дали такі результати: μ₁ = 1,00003, μ₂ = 0,999 76, μ₃ = 860, μ₄ = 1,00001, μ₅ = 120, μ₆ = 0,99982. Визначте, які з досліджених речовин є: а) парамагнетиками; б) феромагнетиками.

2. Чи правильно, що осердя електромагніту можна виготовити з будь-якого металу?

3. Кожний з електронів, які входять до складу атомів, можна розглядати як крихітний магніт. Чому ж далеко не всі атоми можна вважати такими магнітами?

4. Чому осердя електромагніту не виготовляють із магнітножорстких феромагнетиків?

Експериментальне завдання

Підвісьте на тонкому мідному дроті сталеву голку, збоку від неї закріпіть сильний постійний магніт, а під ним запаліть свічку. Дослідіть явища, які відбуватимуться в цій системі.