§ 5. Магнітні властивості речовин. Гіпотеза Ампера
Мабуть, кожен із вас бачив магніти й навіть досліджував їхні властивості. Згадайте: ви підносите магніт до купки дрібних предметів і бачите, що деякі предмети (цвяшки, кнопки, скріпки) чіпляються до магніту, а деякі (шматочки крейди, мідні та алюмінієві монетки, грудочки землі) не реагують на нього. Чому так? Чи дійсно магнітне поле не чинить жодного впливу на деякі речовини? Саме про це йтиметься в параграфі.
1. Порівнюємо дії електричного і магнітного полів на речовину
Вивчаючи у 8 класі електричні явища, ви дізналися, що внаслідок впливу зовнішнього електричного поля відбувається перерозподіл електричних зарядів усередині незарядженого тіла (рис. 5.1). У результаті в тілі утворюється власне електричне поле, напрямлене протилежно зовнішньому. Саме тому електричне поле в речовині завжди послаблюється.
Рис. 5.1. Унаслідок дії електричного поля негативно зарядженої палички ближча до неї частина провідної сфери набуває позитивного заряду
Речовина змінює і магнітне поле. Існують речовини, які (як у випадку з електричним полем) послаблюють магнітне поле всередині себе. Такі речовини називають діамагнетиками. Багато речовин, навпаки, посилюють магнітне поле — це парамагнетики та феромагнетики.
Річ у тім, що будь-яка речовина, поміщена в магнітне поле, намагнічується, тобто створює власне магнітне поле, і магнітна індукція такого поля є різною для різних речовин.
2. Дізнаємося про слабомагнітні речовини
Речовини, які намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, магнітна індукція якого набагато менша за магнітну індукцію зовнішнього магнітного поля (тобто поля, яке спричинило намагнічування), називають слабомагнітними речовинами. До таких речовин належать діамагнетики та парамагнетики.
Діамагнетики (від грецьк. dia — розбіжність) намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, яке напрямлене протилежно до зовнішнього (рис. 5.2, а). Саме тому діамагнетики незначно послаблюють зовнішнє магнітне поле: магнітна індукція магнітного поля всередині діамагнетика (ВД) трохи менша від магнітної індукції зовнішнього магнітного поля (В0):
Рис. 5.2. Зразки з діамагнетика (а) і парамагнетика (б) у зовнішньому магнітному полі: червоні лінії — лінії магнітного поля, створеного зразком; сині лінії — магнітні лінії зовнішнього магнітного поля; зелені лінії — лінії результуючого магнітного поля
Якщо діамагнетик помістити в магнітне поле, він буде виштовхуватися з нього (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Полум’я свічки виштовхується з магнітного поля, оскільки продукти згоряння є діамагнітними частинками
• Розгляньте рис. 5.2, а і поясніть, чому діамагнітна речовина виштовхується з магнітного поля.
До діамагнетиків належать інертні гази (гелій, неон тощо), багато металів (наприклад, золото, мідь, ртуть, срібло), молекулярний азот, вода та ін. Тіло людини є діамагнетиком, адже воно в середньому на 78 % складається з води.
Парамагнетики (від грецьк. para — поряд) намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магнітного поля (рис. 5.2, б). Парамагнетики незначно посилюють зовнішнє поле: магнітна індукція магнітного поля всередині парамагнетика (Вп) трохи більша за магнітну індукцію зовнішнього магнітного поля (В0):
До парамагнетиків належать кисень, платина, алюміній, лужні та лужноземельні метали тощо. Якщо парамагнітну речовину помістити в магнітне поле, то вона буде втягуватися в нього.
3. Вивчаємо феромагнетики
Якщо слабомагнітні речовини вийняти з магнітного поля, то їхня намагніченість відразу зникне, на відміну від сильномагнітних речовин — феромагнетиків.
Феромагнетики (від латин. ferrum — залізо) — речовини або матеріали, які залишаються намагніченими й у разі відсутності зовнішнього магнітного поля.
Феромагнетики намагнічуються, створюючи сильне магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магнітного поля (рис. 5.4, 5.5, а). Якщо виготовлене з феромагнетика тіло помістити в магнітне поле, то воно буде втягуватися в це поле (рис. 5.5, б).
Рис. 5.4. Залізний цвях намагнічується в магнітному полі таким чином, що кінець цвяха, розташований біля північного полюса магніту, стає південним полюсом, тому цвях притягується до магніту
Рис. 5.5. Феромагнетики створюють сильне магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магнітного поля (а); лінії магнітної індукції ніби втягуються у феромагнітний зразок (б)
• Поясніть, чому на постійному магніті утримуються тільки предмети, виготовлені з феромагнітних матеріалів (рис. 5.6)?
Рис. 5.6. До завдання в § 5
До феромагнетиків належить невелика група речовин: залізо, нікель, кобальт, рідкісноземельні речовини та низка сплавів. Феромагнетики значно посилюють зовнішнє магнітне поле: магнітна індукція магнітного поля всередині феромагнетиків (Вф) у сотні й тисячі разів більша за магнітну індукцію зовнішнього магнітного поля (В0):
Так, кобальт посилює магнітне поле в 175 разів, нікель — у 1120 разів, а трансформаторна сталь (вона на 96-98 % складається із заліза) — у 8000 разів.
Температура Кюрі для деяких феромагнетиків
Речовина (або матеріал)
Температура, °С
Феромагнітні матеріали умовно поділяють на два типи. Матеріали, які після припинення дії зовнішнього магнітного поля залишаються намагніченими довгий час, називають магнітожорсткими феромагнетиками. Їх застосовують для виготовлення постійних магнітів. Феромагнітні матеріали, які легко намагнічуються і швидко розмагнічуються, називають магнітом’якими феромагнетиками. Їх застосовують для виготовлення осердь електромагнітів, двигунів, трансформаторів, тобто пристроїв, які під час роботи постійно перемагнічуються (про будову та принцип дії таких пристроїв ви дізнаєтеся пізніше).
Зверніть увагу! У разі досягнення температури Кюрі (див. таблицю) феромагнітні властивості магнітом’яких і магнітожорстких матеріалів зникають — матеріали стають парамагнетиками.
4. Знайомимося з гіпотезою Ампера
Спостерігаючи дію провідника зі струмом на магнітну стрілку (див. рис. 1.1) і з’ясувавши, що котушки зі струмом поводяться як постійні магніти (див. рис. 1.3), А. Ампер висунув гіпотезу щодо пояснення магнітних властивостей речовин.
Ампер припустив, що всередині речовини існує величезна кількість незгасаючих малих колових струмів і що кожний коловий струм, ніби маленька котушка, є магнітиком. Постійний магніт складається з безлічі таких елементарних магнітиків, орієнтованих у певному напрямку.
Механізм намагнічування речовин Ампер пояснював так. У тілі, яке не є намагніченим, колові струми орієнтовані безладно (рис. 5.7, а). Зовнішнє магнітне поле намагається зорієнтувати ці струми так, щоб напрямок магнітного поля кожного струму збігався з напрямком зовнішнього магнітного поля (рис. 5.7, б). У деяких речовин така орієнтація струмів (намагнічення) залишається й після усунення зовнішнього магнітного поля. Отже, усі магнітні явища Ампер пояснював взаємодією рухомих заряджених частинок.
Рис. 5.7. Механізм намагнічування тіл відповідно до гіпотези Ампера: а — колові струми орієнтовані безладно, тіло не є намагніченим; б — колові струми орієнтовані в певному напрямку, тіло намагнічене
Гіпотеза Ампера стала поштовхом до створення теорії магнетизму. На підставі цієї гіпотези були пояснені відомі властивості феромагнетиків. Проте, спираючись на гіпотезу Ампера, неможливо було пояснити природу діа- та парамагнетизму, а також те, чому тільки невелика кількість речовин має феромагнітні властивості. Сучасна теорія магнетизму ґрунтується на законах квантової механіки і теорії відносності А. Ейнштейна.
Підбиваємо підсумки
Будь-яка речовина, поміщена в магнітне поле, намагнічується, тобто створює власне магнітне поле.
Діамагнетики
Парамагнетики
Феромагнетики
Намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене протилежно зовнішньому магнітному полю
Намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магніт
Намагнічуються, створюючи сильне магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього; залишаються намагніченими в разі зникнення зовнішнього магнітного поля
Незначно послаблюють зовнішнє магнітне поле, виштовхуються з нього
Незначно посилюють зовнішнє магнітне поле, втягуються в нього
Посилюють зовнішнє магнітне поле в сотні й тисячі разів, втягуються в нього
Інертні гази, золото, мідь, ртуть, срібло, азот, вода та ін.
Кисень, платина, алюміній, лужні та лужноземельні метали тощо
Залізо, нікель, кобальт, рідкісноземельні речовини (наприклад, неодим), низка сплавів
Контрольні запитання
1. Чому речовина змінює магнітне поле? 2. Наведіть приклади діамагнетиків; парамагнетиків; феромагнетиків. 3. Як напрямлене власне магнітне поле діамагнетика? парамагнетика? феромагнетика? 4. Як у зовнішньому магнітному полі поводиться тіло, виготовлене з діамагнетика? парамагнетика? феромагнетика? 5. Чому феромагнітні матеріали вважають сильномагнітними? 6. Де застосовують магнітом’які матеріали? магнітожорсткі матеріали? 7. Як А. Ампер пояснював намагніченість феромагнетиків?
1. Є два види сталі — магнітом’яка та магнітожорстка. Яка сталь є більш придатною для виготовлення постійних магнітів?
2. Які магнітні властивості матиме: а) залізо за 900 °С? б) кобальт за 900 °С?
3. Мідний циліндр підвісили на пружині та помістили в сильне магнітне поле (рис. 1). Як при цьому змінилося видовження пружини?
4. Чому на постійному магніті можна тримати ланцюжок залізних предметів (рис. 2)?
5. У посудині під великим тиском міститься суміш газів (азоту і кисню). Запропонуйте спосіб розділення цієї суміші на окремі компоненти.
6. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про магнітну левітацію. Якими є перспективи її застосування?
Експериментальне завдання
Використавши досить сильний магніт, дослідіть його взаємодію з тілами, виготовленими з різних матеріалів (наприклад, з міді, алюмінію, заліза).
Як розмагнічувати магніт
Постійні магніти вимагають спеціальних технологій виготовлення в магнітному полі, щоб метал міг залишатися в правильному рівні. Для того, щоб розмагнічувати магніт, потрібно змінити це вирівнювання. Цей процес вимагає, як правило, великої кількості тепла або сильного магнітного поля при зворотній полярності до магніту, який ви хочете розмагнітити.
Міняйте магніт сильним теплом
Нагрівання магніту змушує електрони всередині крутитися і, як правило, переходять у стани вищої енергії, що змушує їх опинитися в положенні, протилежному іншим поблизу електронам. Через це електрони вже не так добре вишиковуються, тому магнетизм всього об’єкта зменшується. Врешті-решт цілі області магніту не вибудовуються належним чином, і магніт розмагнічується. Температура, при якій це відбувається, називається температурою Кюрі. Ця температура залежить від матеріалів магніту і може становити до 1390 градусів за Фаренгейтом (770 градусів Цельсія), наприклад, для низьковуглецевої сталі.
Помістіть магніт у зворотному полі
Ви також можете видалити магнітну властивість магніту, помістивши його в поле зворотного намагнічування. Це буде протидіяти магнетизму об’єкта. Це можна зробити, пропустивши змінний струм через компонент магніту. Ось як працюють демагнітизуючі інструменти.
Убийте магніт
Якщо вдарити по магніту таким чином, щоб зруйнувати його вирівнювання на північний і південний полюси, він часто втрачає свої магнітні властивості. Розрізи всередині магніту можуть втратити свої магнітні властивості, якщо вони вимушені вирівнятись, і будь-які насильницькі засоби теоретично могли б це зробити, включаючи свердління магніту або нанесення на нього удару кишкою або іншим інструментом, який може нанести фізичну травму предмету. Якщо зерна всередині магніту більше не вибудовуються належним чином, він більше не буде функціонувати, як і те, що відбувається, коли магніт зазнає високого рівня нагрівання.
Залиште магніт один (дуже) довго
Будь-яка кількість тепла може призвести до втрати магнітом магнітних властивостей. Менша кількість тепла, наприклад, при кімнатній температурі, матиме цей ефект протягом набагато більш тривалого періоду часу. Наприклад, для того, щоб простий плоский магніт втратив свою магнітну властивість, знадобилося б кількість часу, більша за час життя людини.
Що змушує постійний магніт втрачати свій магнетизм?
Постійні магніти називаються такими завдяки властивим властивостям, які називаються спінами, що спричиняють їх магнітність. Існує декілька факторів, таких як тепло, час та бродячі магнітні поля, які можуть змінювати силу магніту. Якщо магнітні домени нерівні, то може відбутися повна демагнетизація.
Як розмагнічувати сталь
Сталь можна розмагнічувати комерційним демагнетизатором, молотком або нагріваючи її до дуже високої температури.
Як намагнічувати та розмагнічувати метал
Намагнічування металу передбачає вистилання позитивно і негативно заряджених частинок всередині металу для створення більш сильного притягання протилежно зарядженими металевими предметами. Для цього ви використовуєте магніт. Протилежні кінці магніту мають щільно упаковані і протилежно заряджені частинки, які притягують частинки в інших .