Фізика. 9 клас. Сиротюк

§ 3. Магнітні властивості речовин. Гіпотеза Ампера

Причину, унаслідок якої тіла мають магнітні властивості, уперше встановив французький учений Андре Марі Ампер. Під враженням від спостережень магнітної стрілки, що повертається поблизу провідника зі струмом у дослідах Ерстеда, він припустив, що магнетизм Землі спричинений струмами, які проходять усередині земної кулі. Отже, магнітні властивості тіла можна пояснити струмами, що циркулюють усередині нього. Далі Ампер узагальнив висновок: магнітні властивості будь-якого тіла визначаються замкнутими електричними струмами всередині нього. Свідченням наукової сміливості Ампера вважається його крок від можливості пояснення магнітних властивостей тіл струмами до категоричного ствердження, що магнітні взаємодії - це взаємодії струмів.

За гіпотезою Ампера, усередині молекул та атомів циркулюють елементарні електричні струми. На сьогодні ми добре знаємо, що ці струми утворюються внаслідок руху електронів в атомах, тобто кожен атом має магнітні властивості. Якщо атоми всередині тіла орієнтовані хаотично внаслідок теплового руху, то дії внутрішньоатомних струмів взаємно компенсуються і магнітних властивостей тіло не виявляє (мал. 25, а). У намагніченому стані елементарні струми в тілі орієнтовані так, що їхні дії додаються (мал. 25, б).

Мал. 25

Гіпотеза Ампера пояснює, чому магнітна стрілка й рамка зі струмом у магнітному полі поводяться однаково. Стрілку (постійний магніт) можна розглядати як велику складну сукупність маленьких рамок зі струмом, зорієнтованих однаково.

У згадуваних раніше феромагнетиках (речовини, до складу яких входять Fe, Co, Ni тощо) елементарні магнітики-атоми утворюють ділянки спонтанної (самочинної) намагніченості (з лінійними розмірами 0,001-0,01 мм), які називають доменами. У доменах міститься велика кількість однаково орієнтованих атомів, тому намагніченість домена максимальна. У ненамагніченому феромагнетику сусідні домени розміщені так, що їхні намагніченості взаємно компенсуються (мал. 26, а). Якщо зразок такого феромагнетика вмістити в магнітне поле постійного магніту або всередину котушки зі струмом, то під впливом зовнішнього магнітного поля атоми в різних доменах переважно набувають такої орієнтації, що напрям їхнього магнітного поля збігається з напрямком зовнішнього (мал. 26, б). При цьому магнітне поле всередині зразка може збільшитися в тисячі разів (мал. 26, в). Кажуть, що зразок намагнітився. За певних умов цей стан намагніченості залишається і після зникнення зовнішнього поля, тобто зразок стає постійним магнітом.

Якщо постійний магніт нагрівати, то за певної температури (для заліза 769 °С) домени руйнуються і його намагніченість втрачається.

Мал. 26

Температуру, за якої феромагнетик втрачає намагніченість, називають температурою, або точкою, Кюрі, на честь видатного французького фізика Фредеріка Жоліо-Кюрі, який відкрив і дослідив це явище.

Магнітні властивості речовин знайшли широке застосування. Одним із цікавих прикладів використання дії магнітного поля на речовину є «омагнічування» води. Така вода не створює накипу в парових котлах, що дає змогу використовувати її без додаткової хімічної обробки. Бетон, замішаний на такій воді, міцніший за звичайний.

Явище підсилення магнітного поля магнітними речовинами (феромагнетиками) застосовується в різних електротехнічних пристроях: електромагнітних кранах, реле, електродвигунах, трансформаторах. Для цього використовують спеціальні сорти електротехнічної сталі.

Важко уявити собі сучасну електроніку без елементів, виготовлених зі штучних феромагнетиків - феритів. З них виготовляють антени, осердя коливальних контурів та трансформаторів. Поширені феритові постійні магніти.

Без магнітних матеріалів важко було уявити методи запису інформації. Типовим прикладом пристрою для запису на магнітній плівці був магнітофон. У цьому апараті використовували спеціальну плівку, покриту тонким шаром феромагнітного матеріалу. Змінний електричний струм від підсилювача надходив на записуючу голівку - котушку з феромагнітним осердям, у якому була вузька щілина. При проходженні змінного струму по котушці в щілині голівки з’являлося змінне магнітне поле, магнітна індукція якого також змінювалася. На сьогодні зберігання інформації в комп’ютері відбувається на жорсткі магнітні диски. Це металеві диски, на які нанесено шар речовини, що має магнітні властивості.

Магнітні лікарські препарати містять магнітний наповнювач. Створення таких препаратів є новим перспективним науковим напрямом розвитку сучасної фармації. Серед них можна виділити рідини, мікрокапсули, пластирі, мазі.

Існує кілька напрямків використання магнітних рідин у медицині та фармації: магнітокеровані рентгеноконтрастні композиції; штучні тромби та магнітні рідини для закриття зовнішніх свищів порожнистих органів; магнітокероване транспортування лікарських речовин; магнітні рідини для виготовлення штучних органів; визначення швидкості кровообігу та мікроциркуляції; магнітогідродинамічна сепарація формених елементів крові, нормальних та злоякісних клітин тощо. Магнітні мікрокапсули - це мікроконтейнери, в які одночасно з лікарською речовиною вводяться частинки магнітних матеріалів. Можливе використання магнітних мікроконтейнерів для доставки лікарських речовин у природні клітини - еритроцити, в які одночасно з лікарськими речовинами вводяться частинки магнетиту. Магнітні пластирі одержують шляхом уведення магнітного наповнювача в пластирну масу, що містить допоміжні та лікарські речовини протизапальної та знеболювальної дії. Використання магнітних пластирів є ефективним при лікуванні різних захворювань. Лікувальні магнітні мазі застосовують у гастроентерології та офтальмохірургії.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Поміркуйте, що дала для науки гіпотеза Ампера.
  • 2. Які властивості мають магнітні речовини?
  • 3. Назвіть основні галузі, де застосовують магнітні речовини.