Prawdopodobnie, każdy z was widział magnesy i badał ich właściwości. Przypomnij sobie: podnosisz magnes do różnych drobnych ciał i widzisz, że niektóre z nich (gwoździe, spinacze, pineski) magnes podnosi, a inne (kawałeczki kredy, monety miedziane i aluminiowe) nie reagują na magnes. Dlaczego tak jest? Czy w rzeczywistości pole magnetyczne nie działa na niektóre substancje? O tym dowiesz się z tego paragrafu.
Porównujemy działanie na substancję pól elektrycznego i magnetycznego
Badając w klasie 8. zjawiska elektryczne, dowiedziałeś się, że na skutek wpływu zewnętrznego pola elektrycznego zachodzi podział ładunków elektrycznych w środku ciała nienaładowanego (rys. 5.1). W wyniku tego w ciele powstaje własne pole elektryczne, skierowane przeciwko zewnętrznemu. Dlatego pole elektryczne w substancji zawsze jest słabsze.
Substancja również zmienia pole magnetyczne. Są substancje, które (jak w wypadku z polem elektrycznym) zmniejszają pole magnetyczne w środku samych siebie. Nazywamy ich diamagne-tykami. Wiele substancji, na odwrót, wzmacniają pole magnetyczne — to są paramagnetyki i ferro-magnetyki.
Dzieje się tak przez to, że dowolna substancja, umieszczona w polu magnetycznym, namag-nesowuje się, czyli wytwarza własne pole magnetyczne. Więc indukcja magnetyczna pola jest różna dla różnych substancji.
Dowiadujemy się o słabo namagnesowujących się substancjach
Substancje, które namagnesowują się, wytwarzając słabe pole magnetyczne, indukcja magnetyczna którego jest o wiele mniejsza od indukcji magnetycznej zewnętrznego pola magnetycznego (czyli pola, które spowodowało namagnesowanie), nazywamy substancjami słabo namagnesowanymi. Do takich substancji należą diamagnetyki i paramagnetyki.
Diamagnetyki (z grec. dia — rozbieżność) namagnesowują się, wytwarzając słabe pole magnetyczne, skierowane przeciwnie do pola zewnętrznego (rys. 5.2, a). Dlatego diamagnetyki słabo zmieniają zewnętrzne pole magnetyczne: indukcja magnetyczna pola magnetycznego w środku diamagnetyka (Bd) jest nie wiele mniejsza
od indukcji magnetycznej zewnętrznego pola magnetycznego (B o):
Jeżeli diamagnetyk umieścić w polu magnetycznym, będzie on wypychany z pola (rys. 5.3).
Zobacz rys. 5.2, a i wyjaśnij, dlaczego substancja diamagnetyczna jest wypychana z pola magnetycznego.
Do diamagnetyków należą gazy szlachetne (hel, neon i in.), dużo metali (złoto, miedź, srebro, rtęć), azot molekularny, woda i in. Ciało człowieka jest diamagnetykiem przez to, że prawie 78 % składa się z wody.
Paramagnetyki (z grec. para - obok) na-magnesowują się, wytwarzając słabe pole magnetyczne, skierowane w stronę zewnętrznego pola magnetycznego (rys. 5.2, b). Paramagnetyki słabo wzmacniają zewnętrzne pole: indukcja magnetyczna pola w środku paramagnetyka (Bv) jest nie wiele większa od indukcji magnetycznej zewnętrznego pola magnetycznego (B0):
Do paramagnetyków należy tlen, platyna, glin, sole metali i in. Jeżeli paramagnetyk umieścić w polu magnetycznym, to będzie on wciągany do pola.
Badamy ferromagnetyki
Jeżeli słabo namagnesowane substancje wyciągnąć z pola magnetycznego, to ich namagnesowanie zanika, w porównaniu do silnie namagnesowanych substancji - ferromagnetyków.
Ferromagnetyki (z łac. ferrum — żelazo) — substancje lub materiały, które pozostają namagnesowane i bez pola magnetycznego.
Ferromagnetyki namagnesowują się, wytwarzając silne pole magnetyczne, skierowane w stronę zewnętrznego pola magnetycznego (rys. 5.4, 5.5, a). Jeżeli sporządzone z ferromagnetyka ciało umieścić w polu magnetycznym, to będzie ono wciągane do pola (rys. 5.5, b).
Wyjaśnij, dlaczego magnes trwały przyciąga tylko ciała, sporządzone z ferromagnetyków (rys. 5.6)?
Do ferromagnetyków należą: żelazo, nikiel, kobalt i niektóre inne stopy metaliczne. Ferromag-netyki poważnie wzmacniają zewnętrzne pole magnetyczne w środku ferromagnetyków (B0):
Kobalt wzmacnia pole magnetyczne 175 razy, nikiel - 1120 razy, stal transformatorowa (ma 96-98 odsetków żelaza) - 8000 razy.
Temperatura Curie dla niektórych ferromagnetyków
Substancje ferromagnetyczne dzielimy na dwa typy. Substancje ferromagnetyczne, które pozostają namagnesowane przez dłuższy czas, nazywamy twardymi. Wykorzystuje się je dla sporządzania magnesów trwałych. Substancje ferromagnetyczne, które łatwo namagnesowują się, nazywamy magnetycznie miękkimi. Używane są dla sporządzenia rdzeni elektromagnesów, silników, transformatorów, czyli urządzeń, które podczas pracy przemagneso-wują się (o budowie i zasadzie działania takich urządzeń dowiesz się później).
Zwróć uwagę! Przy osiągnięciu określonej temperatury, zwanej punktem (temperaturą Curie (patrz tabelę) ferromagnetyczne właściwości zanikają i substancje stają się pa-ramagnetykami.
Hipoteza Ampere'a
Amper na podstawie swoich doświadczeń z przewodnikiem z prądem (patrz rys. 1.1) i zwojnicy z prądem (patrz rys. 1.3), podał swoją hipotezę o wyjaśnieniu magnetycznych właściwości substancji.
Amper przypuścił, że w środku substancji istnieją prądy kołowe i każdy z nich jest maleńką zwojnicą, czyli magnesikiem. Magnes trwały składa się z dużej ilości takich magnesików, skierowanych w określonym kierunku.
Mechanizm namagnesowania substancji Amper wyjaśnił w taki sposób. W ciele, które nie jest namagnesowane, prądy kołowe skierowane są chaotycznie (rys. 5.7, a). Zewnętrzne pole magnetyczne próbuje skierować prądy kołowe tak, aby kierunek pola magnetycznego każdego prądu miał kierunek zewnętrznego pola magnetycznego (rys. 5.7, b). W niektórych substancji taki kierunek prądów (namagnesowanie) pozostaje po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego. Więc, wszystkie zjawiska magnetyczne Amper wyjaśnił oddziaływaniem wzajemnym poruszających się cząstek naładowanych.
Rys. 5.7. Mechanizm namagnesowania ciał zgodnie z hipotezą Ampere'a: a - prądy kołowe skierowane bezładnie, ciało jest nienamagnesowane; b - prądy kołowe skierowane w określonym kierunku, ciało namagnesowane
Hipoteza Ampere’a stała się podstawą tworzenia teorii magnetyzmu. Dzięki hipotezie Ampere’a można wyjaśnić znane właściwości ferromagnetyków. Jednak nie możliwie wyjaśniać naturę dia- i paramagnetyzmu i to, dlaczego tak mała ilość substancji jest ferromagnetykami. Podstawą współczesnej teorii magnetyzmu są zasady mechaniki kwantowej i teorii względności A. Einsteina.
Podsumowanie
Dowolna substancja, umieszczona w polu magnetycznym, namagnesowuje się - wytwarza własne pole magnetyczne.
|
Diamagnetyki |
Paramagnetyki |
F erromagnetyki |
|
Namagnesowują się, wytwarzając słabe pole magnetyczne, skierowane przeciwko zewnętrznemu polu magnetycznemu |
Namagnesowują się, wytwarzając słabe pole magnetyczne, skierowane w stronę pola magnetycznego |
Namagnesowują się, wytwarzając silne pole magnetyczne, skierowane w stronę zewnętrznego pola; pozostają namagnesowane, gdy zewnętrzne pole zanika |
|
gazy szlachetne, złoto, miedź, rtęć, srebro, azot, woda i in. |
tlen, platyna, glin, stopy metaliczne |
żelazo, nikiel, kobalt, neodym, różne stopy |
|
nieznacznie osłabiają zewnętrzne pole magnetyczne, są wypychane z niego |
słabo wzmacniają zewnętrzne pole magnetyczne, są wciągane do pola |
wzmacniają zewnętrzne pole magnetyczne w setki i tysięcy razy, są wciągane do pola |
Pytania kontrolne
1. Dlaczego substancja zmienia pole magnetyczne? 2. Podaj przykłady diamagne-tyków; paramagnetyków; ferromagnetyków. 3. Jak jest skierowane własne pole magnetyczne diamagnetyka? paramagnetyka? ferromagnetyka? 4. Jak zachowuje się ciało sporządzone z diamagnetyka, paramagnetyka, ferromagnetyka umieszczone w zewnętrznym polu magnetycznym? 5. Dlaczego substancje ferromagnetyczne są silnie namagnesowane? 6. Podaj przykłady wykorzystania substancji magnetycznie miękkich, twardych. 7. W jaki sposób A. Amper wyjaśnił namagnesowanie ferromagnetyków?
Ćwiczenie nr 5
1. Są dwa typy stali — magnetycznie miękka i twarda. Jaka stal jest bardziej zawodna dla sporządzenia magnesów trwałych?
2. Jakie właściwości magnetyczne ma: a) żelazo w 900 °C? b) kobalt w 900 °C?
3. Walec miedziany jest zawieszony na sprężynie i umieszczony w silnym polu magnetycznym (rys. 1). Czy będzie zmieniać się wydłużenie sprężyny?
4. Dlaczego na magnesie trwałym można utrzymywać łańcuszek przedmiotów żelaznych (rys. 2)?
5. W naczyniu pod wysokim ciśnieniem znajduje się mieszanina gazów (azotu i tlenu). Zaproponuj sposób dzielenia mieszaniny na osobne komponenty.
6. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji, dowiedz się o lewitacji magnetycznej. Jakie są perspektywy jej stosowania?
Doświadczenie
Za pomocą silnego magnesu zbadaj jego wzajemne oddziaływanie z ciałami, sporządzonymi z różnych materiałów (na przykład z miedzi, glinu, żelaza).
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar