Природа магнетизма

1. Курс физической химии (под. ред. Герасимова Я.И.) М.: Химия, 1969. Т.1.

2. Курс физической химии (под ред. Краснова К.С.) кн.1. М., Высш. шк., 1995.

3. Краткий справочник физико-химических величин под ред. А.А. Равделя и А.М.Пономаревой. Л., Химия, 1983.

4. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Л., Химия.

ГЛАВА 1

ФИЗИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МАГНИТНЫХ

ИЗМЕРЕНИЙ

Природа магнетизма

Явление магнетизма было открыто еще в древности как поле постоянных магнитов. Долгое время магнетизм, как особая форма материи, объяснялся моделью Кулона, представляющей совокупность зарядов двух знаков. И до сих пор это открытие находит применение в научных теоретических исследованиях и разработке выводов. После открытия Эрстедом магнитного поля токов и последующих исследований ряда других физиков была установлена полная эквивалентность свойств магнитных полей токов и магнитов. По теореме Ампера, магнитное поле замкнутого постоянного тока можно рассматривать как поле диполя, состоящего из магнитных зарядов положительного и отрицательного знаков. Ампером была высказана мысль о появлении при наличии магнитов электрических молекулярных токов, которые создают магнитное поле. Но это не свободные макроскопические токи, а микроскопические связанные токи, циркулирующие в пределах отдельных молекул вещества. Предположение Ампера в дальнейшем получило подтверждение.

Всякое вещество в природе является магнетиком, оно способно под действием магнитного поля намагничиваться и приобретать собственный магнитный момент. Магнетиками называются вещества, которые при внесении их во внешнее поле изменяются так, что сами становятся источниками дополнительного магнитного поля. Намагниченное вещество создает магнитное поле В 1 , которое накладывается на первичное поле В о. Оба поля в сумме дают результирующее поле

В = В о + В 1. (1.1)

Намагничивание тел Ампер объясняет циркулированием в молекулах вещества круговых токов (молекулярных токов). Токи обладают магнитными моментами, которые создают в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего поля молекулярные токи ориентированы беспорядочно, вследствие чего обусловленное ими результирующее поле равно нулю. Суммарный магнитный момент тела в этом случае равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего магнетик намагничивается и его суммарный момент становится отличным от нуля. Магнитные поля отдельных молекулярных токов уже не компенсируют друг друга, и возникает поле В 1 . Это явление открыто экспериментально Фарадеем в 1845 г.

Магнитные свойства молекулы приобретают за счет магнитных свойств составляющих их атомов. Известно, что атом состоит из положительного ядра, окруженного отрицательными электронами. Движущийся электрон по орбите вокруг ядра с постоянной скоростью эквивалентен замкнутому контуру орбитального тока J:

J = e ¦,

где e – абсолютная величина заряда электрона, ¦ – частота его обращения по орбите. Орбитальный магнитный момент Р m электрона равен

Р m = J S n,

где S – площадь орбиты, n – единичный вектор нормали к плоскости орбиты.

Геометрическую сумму орбитальных магнитных моментов всех электронов атома называют орбитальным магнитным моментом μ атома. Кроме того, известно, что электрон еще обладает собственным моментом импульса, который ничего общего не имеет с его движением по орбите. Он ведет себя так, как будто постоянно вращается вокруг собственной оси. Это свойство называется спином электрона. Модуль спина электрона зависит от постоянной Планка h:

С этим внутренним моментом количества движения связан магнитный момент неизменной величины. Направление этого магнитного момента совпадает с направлением, ожидаемым для электрона, если его представить в виде отрицательно заряженного шара, вращающегося вокруг оси. Величина спинового магнитного момента всегда одинакова, внешнее поле может повлиять только на его направление.

Если спиновые моменты электрона могут свободно ориентироваться в веществе, то можно ожидать, что они легко расположатся в направлении приложенного поля В , т.е. сами выберут ориентацию энергии. Можно считать, что магнитные свойства вещества зависят от приложенного индуцированного поля.

В состав ядер атомов различных элементов входят еще и протоны. Их количество в ядре соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И.Менделеева. Протон обладает положительным электрическим зарядом, численно равным заряду электрона. Масса протона в 1836.5 раза превышает массу электрона. В классической модели протон представляется как масса, несущая положительный заряд и вращающаяся вокруг собственной оси. Протон представляется в виде элементарной вращающейся массы, обладающей моментом импульса за счет вращения вокруг собственной оси. Вращение протона, несущего электрический заряд, создает кольцевой ток, который, в свою очередь, обуславливает магнитный момент, называемый собственным магнитным моментом, или спиновым магнитным моментом протона.

Движение элементарных частиц атома вещества в магнитном поле создает суммарный магнитный эффект, который является количественной характеристикой намагниченного состояния вещества. Эта векторная величина называется намагниченностью, она равна отношению магнитного момента макроскопически малого объема вещества υ к величине этого объема:

J = , (1.2)

где – магнитный момент атома, содержащийся в объеме υ . Другими словами, намагниченность есть объемная плотность магнитного момента магнетика.

Вещество, в котором содержится равномерно распределенное во всем объеме большое количество одинаково направленных атомных магнитных диполей, называется равномерно намагниченным. Вектор намагниченности J является произведением числа ориентированных диполей в единице объема и магнитного момента μ каждого диполя.

Рис. 1.1. Магнитное поле вокруг намагниченного цилиндра

Рассмотрим опытные исследования. Магнитное поле около намагниченного стержня, например стрелки компаса, очень похоже на электрическое поле электрически поляризованного стержня, который имеет избыток положительных зарядов на одном конце и избыток отрицательных зарядов – на другом. Получаем, что и магнитное поле имеет свои источники, которые связаны с ним таким же образом, как электрический заряд связан с электрическим полем. Один магнитный заряд можно назвать северным полюсом, а другой – южным.

На рис. 1.1 демонстрируется магнитное поле вокруг намагниченного цилиндра, видимое благодаря ориентации мелких кусочков никелевой проволоки, погруженных в глицерин. Исследования выполнены в физической лаборатории Пальмера Принстонского университета (Э. Парселл) /21/. Опыт показывает, что не удалось получить избытка изолированных магнитных зарядов одного знака, а наоборот, подтверждает, что заряды существуют в паре и между ними есть связь. Исследователи утверждают, что обычное вещество «сделано» из электрических зарядов, а не из магнитных.

Можно сделать вывод, что источником магнитного поля являются электрические токи. Это подтверждает мысль Ампера о том, что магнетизм можно объяснить существованием множества крошечных колец электрического тока, распределенных по всему веществу.

Слайд 2

Этапы работы

Поставить цели и задачи Практическая часть. Исследования и наблюдения. Вывод.

Слайд 3

Цель:исследовать экспериментальным путем свойства магнитных явлений. Задачи: - Изучить литературу. - Провести опыты и наблюдения.

Слайд 4

Магнетизм

Магнетизм - форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля. Магнитное взаимодействие играет важную роль в процессах, протекающих во Вселенной. Вот двапримера, подтверждающие сказанное. Известно, чтомагнитное поле звезды порождает звездный ветер,аналогичный солнечному, который, уменьшая массу и момент инерции звезды, изменяет ход ее развития. Известно также, что магнитосфера Земли защищает нас от гибельного воздействия космических лучей. Если бы ее не было, эволюция живых существ на нашей планете, видимо, пошла бы иным путем, а может быть, жизнь на Земле не возникла бы вовсе.

Слайд 5

Слайд 6

Магнитное поле Земли

Основная причина наличия магнитного поля Земли в том, что ядро Земли состоит из раскаленного железа (хорошего проводника электрических токов, возникающих внутри Земли). Графически магнитное поле Земли похоже на магнитное поле постоянного магнита. Магнитное поле Земли образует магнитосферу, простирающуюся на 70-80 тыс. км в направление Солнца. Она экранирует поверхность Земли, защищает от вредного влияния заряженных частиц, высоких энергий и космических лучей, определяет характер погоды. Магнитное поле Солнца в 100 больше, чем земное.

Слайд 7

Изменение магнитного поля

Причиной постоянных изменений является наличие залежей полезных ископаемых. На Земле имеются такие территории, где ее собственное магнитное поле сильно искажается залеганием железных руд. Например, Курская магнитная аномалия, расположенная в Курской области. Причина кратковременных изменений магнитного поля Земли действие "солнечного ветра", т.е. действие потока заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем. Магнитное поле этого потока взаимодействует магнитным полем Земли, возникают "магнитные бури".

Слайд 8

Человек и магнитные бури

Сердечно – сосудистая и кровеносная система повышается артериальное давление, ухудшается коронарное кровообращение. Магнитные бури вызывают в организме человека, страдающего заболеваниями Сердечно сосудистой системы, обострения (инфаркт миокарда, инсульт, гипертонический криз и т. д.). Органы дыхания Под действием магнитных бурь изменяются биоритмы. Состояние одних больных ухудшается до магнитных бурь, а других - после. Приспосабливаемость таких больных к условиям магнитных бурь очень мала.

Слайд 9

Практическая часть

Цель: собрать данные о количестве вызовов скорой помощи за 2008 год и сделать вывод. Выяснить корреляционную зависимость детской заболеваемости и магнитными бурями.

Природа магнитных явлений

Все вещества без исключения реагируют при наложении внешнего магнитного поля. Если рассматривать электронную орбиту как контур с током, то при наложении магнитного поля, в соответствии с правилом Ленца, должна индуцироваться э.д.с., которая в свою очередь создаст магнитное поле, направленное против внешнего. Следовательно, внутри материала напряженность магнитного поля будет уменьшаться. Его относительное уменьшение – диамагнитная восприимчивость – величина порядка 10 -8 . Диамагнетизмом обладают все вещества, и его величина почти не зависит от температуры.

Кроме магнитного момента, возникающего благодаря движению электрона по орбите, электрон, обладая собственным спиновым моментом количества движения, имеет спиновой магнитный момент. Поэтому в общем случае атом вещества может иметь собственный результирующий магнитный момент. В отсутствии магнитного поля магнитный момент тела равен нулю вследствие беспорядочного распределения атомных магнитных моментов. Действие магнитного поля будет сводиться к ориентации магнитных моментов атомов в направлении приложенного поля, и внутри материала напряженность магнитного поля будет увеличиваться – парамагнитный эффект.

Парамагнетизм, как и диамагнетизм, сравнительно слабый эффект, и вещества, в которых имеют место только эти эффекты, носят название слабых магнетиков (). При снятии поля оба эффекта устраняются. Температурная зависимость парамагнитного эффекта опи­сывается законом Кюри – Вейса:

где и Θ p – константы, – парамагнитная восприимчивость.

По своей реакции на внешнее магнитное поле от диа- и парамагнетиков резко отличаются вещества, обладающие магнитноупорядоченным состоянием (ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики). Это вещества, в которых независимо от внешнего поля магнитные моменты спинов электронов выстраиваются параллельно друг другу (ферромагнетизм) или антипараллельно (антиферромагнетизм). Магнигоупорядоченное состояние имеет квантово-механическую природу. Вероятностное определение местонахождения "волны – частицы" электрона, даваемое квантовой механикой, позволило понять, что заставляет магнитные моменты выстраиваться параллельно - это так называемая энергия обменного взаимодействия. Можно сказать, чтоэто электростатическая энергия взаимодействия двух электронов, когда первый электрон находится на месте второго, а второй на месте первого. Вероятность такой ситуации в квантовой механике не равна нулю. При определенном расстоянии между взаимодействующими атомами энергия обменного взаимодействия будет минимальна, если магнитные моменты спинов параллельны (ферромагнетизм) или антипараллельны (антиферромагнетизм).

Итак, упорядоченное выстраивание магнитных моментов спинов электронов есть результат взаимодействия электронов. Встает вопрос, а какое направление выберут магнитные моменты спинов в кристаллической решетке? В этом случае необходимо учесть пространственное расположение орбиты электрона в кристаллической решетке. В силу вступает взаимодействие между магнитными моментами орбит и магнитными моментами спинов. Это взаимодействие, обозначаемое как энергия магнитной кристаллографической анизотропии, и определяет направление, в котором выстроятся магнитные моменты спинов, Возникает магнитная кристаллическая анизотропия (различие в направлениях) спонтанного намагничивания в кристаллической решетке. Для железа, например, направлением, в котором выстраиваются магнитные моменты, является ребро куба элементарной ячейки.

Приветствую вас дорогие читатели. Много тайн в себе скрывает природа. Одним тайнам человеку удалось найти объяснения, а другим нет. Магнитные явления в природе происходят на нашей земле и вокруг нас, а мы их порой попросту не замечаем.

Одно из таких явлений можно увидеть, взяв в руки магнит и направив его на металлический гвоздь или булавку. Увидеть, как они притянутся друг к другу.

Многие из нас еще помнят со школьного курса физики опыты с этим предметом, обладающим магнитным полем.

Надеюсь, вы вспомнили, что такое магнитные явления? Конечно — это способность притягивать к себе другие металлические предметы, имея магнитное поле.

Рассмотрим магнитную железную руду, из которой и делают магнит. Такие магниты наверняка есть у каждого из вас, на дверце холодильника.

Вам наверно будет интересно узнать, а какие бывают еще магнитные природные явления? Из школьных уроков по физике мы знаем, что поля бывают магнитные и электромагнитные.

Да будет вам известно, что магнитный железняк в живой природе был известен еще до нашей эры. В это время и был создан компас, который китайский император использовал во время своих многочисленных походов и просто морских прогулок.

Переводится с китайского языка слово магнит как любящий камень. Удивительный перевод, не правда ли?

Христофор Колумб, использующий магнитный компас в своих путешествиях, заметил, что географические координаты влияют на отклонение стрелки в компасе. Впоследствии, этот результат наблюдения привел ученых к выводу, что и на земле имеются магнитные поля.

Влияние магнитного поля в живой и неживой природе

Уникальная способность перелетных птиц с точностью находить места их обитания всегда была интересна ученым. Магнитное поле земли помогает им безошибочно прокладывать . Да и миграции многого ряда животных зависят от этого поля земли.

Так свои «магнитные карты» имеют не только пернатые, но и такие животные как:

• Черепахи
• Морские моллюски
• Лососевые рыбы
• Саламандры
• и многие другие животные.

Ученые выяснили, что в теле живых организмом есть специальные рецепторы, а так же частицы магнетита, которые помогают чувствовать магнитные и электромагнитные поля.

Но как именно любое живое существо, живущее в дикой природе, находит нужный ориентир, однозначно не могут ответить ученые.

Магнитные бури и их влияние на человека

Мы уже знаем о магнитных полях нашей земли. Они защищают нас от воздействия заряженных микрочастиц, которые долетают до нас с Солнца. Магнитная буря это не что иное – это внезапное изменение защищающего нас электромагнитного поля земли.

Не замечали, как у вас иногда внезапная резкая боль стреляет в головной висок и тут же появляется сильнейшая головная боль? Все эти болезненные симптомы, происходящие в организме человека, указывают на наличие этого природного явления.

Это магнитное явление может продолжаться от часа до 12 часов, а может быть и кратковременным. И как подмечено врачами, в большей степени этим страдают уже немолодые люди с сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Подмечено, что в продолжительную магнитную бурю увеличивается количество инфарктов. Есть ряд ученых, которые отслеживают появление магнитных бурь.

Так что дорогие мои читатели иногда стоит узнавать об их появлении и стараться предотвратить по возможности их ужасные последствия.

Магнитные аномалии в России

По всей огромной территории нашей земли существуют различного рода магнитные аномалии. Давайте немного узнаем о них.

Известный ученый и астроном П. Б. Иноходцев еще в далеком 1773 году изучал географическое положение всех городов центральной части России. Именно тогда он обнаружил сильную аномалию в районе Курска и Белгорода, где стрелка компаса лихорадочно вращалась. И только в 1923 году была пробурена первая скважина, которая выявила металлической руды.

Ученые и в наши с вами дни не могут дать объяснения огромным скоплениям железной руды в Курской магнитной аномалии.

Из учебников по географии мы с вами знаем, что добыча всей железной руды ведется в горных областях. А как образовались залежи железной руды на равнине — неизвестно.

Бразильская магнитная аномалия

У океанского побережья Бразилии на высоте более 1000 километров основная часть приборов у пролетающих над этим местом летательных аппаратов – самолетов и даже спутников приостанавливает свою работу.

Представьте себе оранжевый апельсин. Его кожура защищает мякоть, так и магнитное поле земли с защитным слоем атмосферы защищает нашу планету от вредного воздействия из космоса. А Бразильская аномалия похожа на вмятину в этой кожуре.

К тому же таинственные наблюдались не однократно в этом необычном месте.

Еще немало загадок и тайн земли нашей предстоит раскрыть ученым, друзья мои. Хочу вам пожелать здоровья и чтобы обошли вас стороной неблагоприятные магнитные явления!

Надеюсь, вам понравился мой краткий обзор магнитных явлений в природе. А может быть, и вы их уже наблюдали или же ощущали их действие на себе. Напишите об этом в ваших комментариях, мне будет интересно об этом прочесть. А на сегодня это все. Разрешите с вами попрощаться и до новых встреч.

Предлагаю Вам подписаться на обновления блога. А также вы можете поставить свою оценку статье по 10 системе, отметив ее определенным количеством звездочек. Приходите ко мне в гости и приводите друзей, ведь этот сайт создан специально для вас. Я уверена, что вы обязательно найдете здесь много полезной и интересной информации.

Природа магнетизма складывается из двух факторов

1. Природа магнетизма элементарных частиц (электрона, протона, нейтрона, позитрона, мезона)

2. Природа магнетизма взаимосвязи между элементарными частицами

Электрон движется за счет имеющегося у него момента импульса - механического момента. Кроме момента импульса электрон обладает магнитным моментом (m s)

m s - магнитный момент электрона

где - постоянная Планка

е - электронный заряд

m - магнитный момент

Магнитный момент электрона оценивает магнетизм атома и называется магнитоном бора.

m s - это вектор, записанная формула означает проекцию вектора магнитного момента электрона на протяженность магнитного поля, окружающего пространства.

Протон обладает механическим моментом - моментом импульса и вращается вокруг собственной оси за счет наличия момента импульса. Это вращение называется прецессией (движение волчка). Каждый протон обладает электрическим зарядом, следовательно, обладает магнитным моментом

m р - проекция магнитного момента протона

e - заряд протона

m - масса протона

Магнитные моменты зависят от размеров и величины m р < в 2000 раз m э

Магнетизм электрона складывается из магнетизма выработанного спиновым эффектом электрона - моментом импульса и магнетизмом орбитального движения. В сумме магнетизм атома обусловлен спиновым и орбитальным магнетизмом электрона положительным ядерным магнетизмом протона.

Позитрон и мезон имеют положительный заряд, положительный магнитный момент тоже создают магнитное поле, но они являются короткоживущие, поэтому не создают постоянного магнетизма.

Основными магнитными характеристиками вещества является магнитная восприимчивость и магнитная намагниченность. Горные породы и вещества воспринимают или проводят магнитное поле по-разному, одни хорошо, другие слабо. Способность горных пород воспринимать магнитное поле называется магнитной восприимчивостью (æ). Значение магнитной восприимчивости зависит от формы образца, размера и состава. Магнитная восприимчивость является коэффициентом пропорциональности между намагниченностью и напряженностью магнитного поля.

Способность горных пород отдавать магнитное поле называется намагниченностью -

Намагниченность зависит от магнитной восприимчивости и напряженности магнитного поля (H).

Эта формула справедлива для диамагнетиков и парамагнетиков.

æ константа для определенного типа пород. В зависимости от величины æ горные породы делят на

ü Диамагнетики æ<0

ü Парамагнентики æ>0

ü Ферромагнетики æ >>0

ü Антиферромагнетики

ü Ферримагнетики

Диамагнетики за счет атомного магнетизма создают отрицательное магнитное поле в силовых линиях напряженности магнитного поля цилиндрики - диамагнетики встают перпендикулярно к силовым линиям. Все вещества в природе диамагнитные.

Парамагнетики - это диамагнетики с лишними электронами, которые создают дополнительную магнитную силу. Цилиндрики - парамагнетики встают параллельно силовым линиям напряженности магнитного поля.

Ферромагнетики , антиферромагнетики и ферримагнетики имеют другую природу магнетизма. Их магнетизм обусловлен доменной структурой.

Домен - магнит, размеры его 1*10 -8 см

Ферромагнетики - совокупность доменов, внутри которых идет спонтанная перестройка атомов.

Ферромагнетик имеет домены, в которых магнитные моменты ориентированы параллельно между собой в одном и том же направлении.

Внутри ферромагнетика происходит компенсация магнитных сил, и остаются только два заряда на верхней кромке. Таким образом, мы имеем горную породу, у которой намагниченными оказываются верхняя и нижняя кромка. Угловые точки самые магнитные.

Антиферромагнетики имеют доменную структуру с преобладанием антипараллельных доменов с полной их компенсацией.

Ферромагнетик - доменная структура с неполной компенсацией. Закон связи намагниченности и магнитной восприимчивости сложен.

æ безразмерная величина.

Намагниченность есть вектор, который зависит от величины и направления напряжения магнитного поля, действующий в прошлой геологической эпохи и в современность. Можно представить через сумму влияний напряженности

общий вектор

остаточная намагниченность, приобретенная в прошлые геологические эпохи.

намагниченность, индуцированная современным магнитным полем

в системе СИ измеряется в Ампер/метр

в системе СГС в единицах СГС

Напряженность магнитного поля, магнитная индукция.

Из условия статики имеем

H - напряженность магнитного поля

B - магнитная индукция

Магнит - это объект, имеющий два магнитных заряда, расположенных друг от друга на некотором расстоянии, знаки противоположны.

Силовые линии напряженности магнитного поля H выходят из положительного магнитного заряда, а заходят в отрицательный. Начинаются на положительной кромке тела и заканчиваются, а отрицательной. Напряженность магнитного поля (H) создает внешние силовые линии. Силовые линии напряженности магнитного поля имеют начало и конец. Внутреннее поле идет от плюса к минусу и определяют внутреннее состояние намагниченности вещества (). Намагниченность выступает в роли размагничивающего

внутреннего эффекта.

Силовые линии магнитной индукции не имеет ни начала, ни конца. Магнитная индукция определяет поток напряженности через объект. Различия между силовыми линиями напряженности и магнитной индукцией видны только вблизи объекта исследования. Чем дальше от источника, тем меньше отличий H от B.

В системе СГС H измеряется в эрстедах

1Э=10 -3 мЭ (данные магнитных съемок до 80-х гг. даны в мЭ)

В системе СИ H измеряется в Ампер/м

рабочей единицей в системе Си является гамма

В системе СИ В измеряется в Тесла (Тл).

Тесла - магнитная индукция, которая создается вокруг проводника с током, если течет ток 1 Ампер.

Связь В и Н:

Абсолютное значение магнитной проницаемости среды.

Магнитная проницаемость вакуума.

Магнитная проницаемость среды.

Способность горных пород пропускать поток силовых линий магнитной индукции.

Элементы земного магнетизма (ЭЗМ)

Магнитное поле - пространство, где ощущается действие магнитных сил.

Магнитное поле характеризуется векторной величиной В или Н. Это вектор определенного направления и определенной величины. Основная характеристика напряженности - это Т - полный вектор напряженности магнитного поля или Т - полный вектор магнитной индукции. Т - касательная к силовым линиям Н или В. Измерить вектор по величине и направлению очень трудное занятие, поэтому сначала были разработаны приборы, измеряющие составляющие вектора Т.

Пусть в точке О имеем полный вектор Т. В точке О создадим систему координат. Ось X направлена на географический север, ось Y - восток, ось Z перпендикулярно вниз. Проектируем Т на OXY . Проекция Т на OXY - горизонтальная составляющая () полного вектора Т если спроектировать параллельно. Проекция Т на Z - вертикальная составляющая. Х - северная составляющая вектора Т на ось Y. Y - восточная составляющая.