10

Лекція № 9.

Магнітні властивості речовин та магнітне поле

1. Історія магнітних досліджень. 2. Магнітні властивості речовин.

3. Магнітне поле. 4. Закон Біо-Савара-Лапласа

1. Історія магнітних досліджень

Слово “Магніт” має грецьке походження. Історії відомий – магнеpійський камінь: Магнезія – стародавнє місто в Малій Азії.

Перші письмові свідчення про магнетизм (Китай) мають більше 2000-річну давність. В них згадується про використання природних постійних магнітів в якості компасів. В роботах древньогрецьких та римських вчених згадується при притягненні магнітів та про намагнічуванні магнітом металевих опилок.

Магнітна взаємодія просторово розділених тіл здійснюється магнітним полем Н, яке як і електричне поле Е, представляє собою прояв електромагнітної форми руху матерії.

Між електричним та магнітним полями немає повної симетрії: джерелом електричного поля являться або + , або – заряди, що можуть існувати окремо один від одного. Напроти : магнітних зарядів (магнітних монополів) поки не спостерігали, хоча теорія передбачає їх існування.

Джерело електричного поля – нерухомий електричний заряд.

Джерело магнітного поля – рухомий електричний заряд, тобто електричний струм.

В атомних масштабах рух електронів та протонів створює орбітальні мікроструми, пов’язані з переносним рухом (відбувається перенос заряду) цих часток в атомах чи атомних ядрах. Крім того, наявність у мікрочасток спіна обумовлює у мікрочасток наявність спінового магнітного моменту.

Оскільки електрони, протони та атоми, а також всі молекули (гази, рідини, кристалічні та аморфні тверді тіла) мають власний магнітний момент, то в принципі, всі речовини володіють магнітними властивостями, тобто являються магнетиками.

Відомі три основних ефекта впливу зовнішнього магнітного поля Н_зовн. на речовини:

1. За законом електромагнітної індукції при вміщенні тіла в поле Н_зовн. в тілі виникає індукційний струм, магнітне поле якого направлене проти Н_зовн.( правило Ленца). Тобто магнітне поле речовини В_внутр., збуджене Н_зовн., завжди направлений проти збуджуючого поля (діамагнетизм речовини).

2. Якщо атоми речовини мають спонтанний (власний) магнітний момент, то зовнішнє поле Н_зовн. переорієнтовує атомні магнітні моменти вздовж свого напрямку і створює магнітний момент речовини вздовж поля Н_зовн. (парамагнетизм).

Суттєвий вплив на магнітні властивості речовини можуть здійснювати : внутрішні взаємодії (електричні та магнітні) мікрочасток – носіїв магнітного моменту. Іноді вони приводять до спонтанної (яка не залежить від Н_зовн.) упорядженої орієнтації магнітних моментів близько розташованих часток. Речовини, в яких атомні магнітні моменти спонтанно орієнтуються паралельно один одному називаються феромагнетиками. (Речовини, в яких орієнтація окремих груп атомних моментів антипаралельна, називаються антиферомагнетиками).

Магнетизм має гігантський діапазон проявів від магнетизму електронів та протонів, до магнетизму космічних тіл (Землі, Сонця, зірок тощо) і наявність магнетизму космічного простору.

Магнітне поле Землі (МПЗ) має постійну складову – основне поле (його вклад  ) та змінну складову ( ). Основне МПЗ по формі близьке до поля магнітного диполя, центр якого зміщений відносно центра Землі, а вісь нахилена до осі обертання Землі на 11,5. Таким чином, геомагнітні полюси зміщені від географічних на 11,5, причому в північній півкулі знаходиться південний магнітний полюс (вектор магнітної індукції направлений вниз).

Напруженість геомагнітного поля зменшується від магнітних полюсів до магнітного екватора від 55,7 до 33,4 А/М (0,7 до 0,42 Ерстед.). Середня величина магнітної індукції поблизу земної поверхні дорівнює  5 10^-5Тл.

Основне МПЗ відчуває тільки повільні зміни в часі ( так звані вікові варіації, ВВ) з періодом від 10 до 10⁴ років). В ході вікових варіацій геомагнітний полюс прецесує відносно географічного з періодом – 1200 років. Наука палеомагнітологія по намагніченості осадочних гірських порід встановила, що на Землі мала місце переполю совка магнітного поля.

Магнітні поля планет сонячної системи мають наступні значення індукції : 10^-7 Тл – на поверхні Марса та Меркурія; 1,4 10^-3 Тл – Юпітера; 2 10^-4 Тл – Сатурна. Венера та Місяць не мають реєструє мого магнітного поля.

Найбільш ймовірною теорією виникнення магнітного поля Землі, яка задовольняє експериментальним фактам, є теорія гідромагнітного динамо. Згідно теорії МПЗ генерується конвекційними рухами електропровідної речовини в рідкому ядрі нашої планети.