Фізика. 9 клас. Головко

§ 6. Гіпотеза Ампера. Магнітні властивості речовин

• Природа магнетизму. Гіпотеза Ампера

• Магнітні властивості речовин

ПРИРОДА МАГНЕТИЗМУ. ГІПОТЕЗА АМПЕРА. Відкриття Г. Ерстедом явища виникнення навколо провідника зі струмом магнітного поля стало важливим кроком у розвитку уявлень про природу магнетизму. Було встановлено невідокремлюваність електричного струму (рухомих електричних зарядів) та магнітного поля. Експериментуючи із соленоїдом, французький учений А. Ампер зацікавився подібністю його магнітного поля та магнітного поля постійного магніту (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Магнітні поля соленоїда та постійного штабового магніту

Учений висловив гіпотезу (наукове припущення) про те, що магнітне поле постійного магніту створюється мікрострумами, що існують у магніті. На думку А. Ампера, намагніченість заліза і сталі зумовлена існуванням електричних струмів, які циркулюють всередині кожної молекули цих речовин. Природу й характер молекулярних струмів було неможливо пояснити, виходячи з тогочасних уявлень про будову речовини. Лише після відкриття електрону (майже через 100 років!) та отримання ґрунтовних знань про будову атома, гіпотеза А. Ампера була підтверджена та покладена в основу сучасних уявлень про магнітні властивості речовин.

Андре Марі Ампер (1775-1836), видатний французький фізик, один із основоположників учення про електромагнетизм

МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИН. Наявність у речовині мікрострумів Ампера пояснюється тим, що в кожному атомі є негативно заряджені електрони. Вони рухаються навколо ядер по колових орбітах та подібно до витків зі струмом утворюють магнітні поля.

У ненамагніченій речовині мікроструми циркулюють хаотично, а створені ними магнітні поля ніби компенсують одне одного (рис. 6.2, а). У процесі намагнічування під дією зовнішнього магнітного поля площини мікрострумів встановлюються паралельно одна одній, а їх магнітні поля взаємно підсилюються (так само, як магнітні поля окремих витків соленоїда) та утворюють результуюче магнітне поле, напрям силових ліній якого збігається з напрямком силових ліній зовнішнього поля (рис. 6.2, б).

Рис. 6.2. Циркуляція мікрострумів у атомах а) до намагнічування (хаотична); б) після намагнічування (впорядкована)

Таким чином, якщо речовину помістити в магнітне поле, площини руху електронів переорієнтовуються, а створювані мікрострумами (рухомими електричними зарядами) магнітні поля підсилюють одне одного — речовина намагнічується або набуває магнітних властивостей.

Коли дія зовнішнього магнітного поля припиняється, то відновлюється хаотична орієнтація площин руху електронів (відповідно, мікрострумів та створюваних ними полів) унаслідок теплового руху молекул. Хаотична орієнтація також відновлюється під час нагрівання намагніченої речовини, впливу на неї магнітного поля протилежного напряму, механічної дії (ударяння). При цьому відбувається розмагнічування — яскраво виражені магнітні властивості втрачаються.

Та чи всі речовини намагнічуються однаково? Експериментально встановлено, що є речовини, які намагнічуються набагато сильніше (наприклад, залізо або сталь), а інші слабше.

За магнітними властивостями речовини поділяють на феромагнетики, парамагнетики, діамагнетики.

Феромагнетики тривалий час зберігають стан намагніченості та створюють досить потужні власні магнітні поля. До них належать залізо, нікель, кобальт, деякі сплави. Феромагнітні властивості ці речовини виявляють у кристалічному стані. Магнітні поля всередині таких речовин у тисячі разів сильніші, ніж ззовні.

Слабше намагнічуються парамагнетики, до яких належать кисень, оксид азоту, алюміній, платина. У парамагнітній речовині виникає власне магнітне поле, яке підсилюється зовнішнім магнітним полем. Магнітне поле всередині парамагнетиків сильніше, ніж ззовні, але не настільки, як у феромагнетиків.

Майже не намагнічуються діамагнетики — речовини, які послаблюють зовнішнє магнітне поле. При внесенні діамагнітної речовини у магнітне поле її мікроструми орієнтуються так, що створювані ними власні магнітні поля послаблюють зовнішнє магнітне поле. До діамагнетиків належать інертні гази, більшість органічних сполук, такі метали, як вісмут, цинк, золото, мідь, срібло, ртуть, а також смоли, вода, скло тощо.

Важливо зауважити, що немагнітних речовин у природі не існує. Такий висновок випливає з гіпотези Ампера та підтверджується внутрішньою електронно-ядерною будовою атомів речовини та рухом їх складових частинок. Відповідно, всі речовини тією чи іншою мірою є магнетиками (умовна назва речовини, магнітні властивості якої вивчають).

! Головне в цьому параграфі

В основу гіпотези Ампера покладено невідокремлюваність електричного струму (рухомих електричних зарядів) та магнітного поля. Намагніченість заліза і сталі зумовлена існуванням електричних струмів, які циркулюють усередині кожної молекули цих речовин.

Наявність у речовині мікрострумів Ампера пояснюється тим, що в кожному атомі є негативно заряджені електрони. Вони рухаються навколо ядер по колових орбітах та подібно до витків зі струмом утворюють магнітні поля.

У процесі намагнічування під дією зовнішнього магнітного поля мікроструми встановлюються в паралельних площинах, а їх магнітні поля взаємно підсилюються.

За магнітними властивостями речовини поділяють на феромагнетики, парамагнетики, діамагнетики.

Феромагнетики тривалий час зберігають стан намагніченості та створюють досить потужні власні магнітні поля.

У парамагнітній речовині виникає власне магнітне поле, яке підсилюється зовнішнім магнітним полем. Магнітне поле всередині парамагнетиків сильніше, ніж ззовні, але не настільки, як у феромагнетиків.

Немагнітних речовин у природі не існує. Всі речовини тією чи іншою мірою є магнетиками.

? Запитання для самоперевірки

1. У чому полягає гіпотеза А. Ампера щодо природи магнетизму?
2. Чому немагнітних речовин у природі не існує?
3. Що відбувається з атомами речовини під час намагнічування?
4. Чим відрізняються феромагнетики, парамагнетики та діамагнетики?
5. Як можна розмагнітити речовину?

Домашній експеримент

Ви вже маєте досвід виготовлення найпростішого електромагніту. Спробуйте в саморобному електромагніті замінити залізне осердя на алюмінієве або мідне. Спостерігайте, як змінилася магнітна дія вашого електромагніту на залізні предмети. Поясніть ці зміни.

Вправа до § 6

1 (с). Запропонуйте спосіб швидкого розділення чорного та кольорового металобрухту.
2 (с). Чому стрілку компаса не виготовляють з кольорових металів?
3 (д). Як на основі сучасних уявлень про будову атома, відомих вам із курсів фізики та хімії, можна підтвердити гіпотезу А. Ампера?
4 (д). Порівняйте магнітну дію котушки зі струмом, у яку по черзі вводять залізне, алюмінієве та мідне осердя. Поясніть, чим зумовлена зміна її магнітних властивостей.
5 (в). Поясніть, чому під час нагрівання магніт втрачає свої властивості. Чи відновлюються вони після охолодження речовини?

Це цікаво

Земля — постійний магніт чи електромагніт?

Зі сторінок підручника ви дізналися, що наша планета має магнітне поле яке досить складне за своєю структурою оскільки його стаціонарна складова (найбільш потужна, яка становить близько 99 %) не змінюється упродовж сотень років. Тому Землю у цьому сенсі можна вважати велетенським постійним магнітом.

Згідно з гіпотезою Ампера, що отримала наукове підтвердження, будь-яке магнітне поле створюється струмами. Тому за однією з теорій стаціонарне поле Землі створюється глибинними струмами всередині нашої планети. У такому розумінні Земля є велетенським електромагнітом. Учені припускають, що подібний механізм генерації магнітного поля, зумовлений протіканням струмів у рідкому металічному ядрі, має місце й на інших планетах Сонячної системи. Наприклад, саме рідке ядро з металічного водню може бути джерелом магнітного поля Сатурна та Юпітера.

Зміст