Глава 1. Магнітне поле

Магнітне поле створюється не тільки електричними струмами, а й постійними магнітами.

Гіпотеза Ампера. Причина, внаслідок якої тіла намагнічені, була встановлена ​​французьким вченим Ампером. Спочатку, під безпосереднім враженням від спостереження за повертається поблизу провідника зі струмом магнітною стрілкою в дослідах Ерстеда Ампер припустив, що магнетизм Землі викликаний струмами, що проходять всередині земної кулі. Головний крок був зроблений: магнітні властивості тіла можна пояснити тими, які циркулюють всередині нього струмами. Далі Ампер прийшов до спільного висновку: магнітні властивості будь-якого тіла визначаються замкнутими електричними струмами всередині нього. Цей вирішальний крок від можливості пояснення магнітних властивостей тіла струмами до категоричного твердження, що магнітні взаємодії - це взаємодії струмів, - свідчення великої наукової сміливості Ампера.

Відповідно до гіпотези Ампера всередині молекул і атомів циркулюють елементарні електричні струми. (Тепер ми добре знаємо, що ці струми утворюються внаслідок руху електронів в атомах.) Якщо площини, в яких циркулюють ці струми, розташовані безладно по відношенню один до одного через теплового руху молекул (рис. 1.28, а), то їх дії взаємно компенсуються, і ніяких магнітних властивостей тіло не виявляє. У намагніченому стані елементарні струми в тілі орієнтовані так, що їх дії складаються (рис. 1.28, б).

Гіпотеза Ампера пояснює, чому магнітна стрілка і рамка (контур) з струмом в магнітному полі поводяться однаково (див. § 2). Стрілку можна розглядати як сукупність маленьких контурів зі струмом, орієнтованих однаково.

Найбільш сильні магнітні поля створюють речовини, звані феромагнетиками. Магнітними полями належать феромагнетиками не тільки внаслідок звернення електронів навколо ядер, але і внаслідок їх власного обертання. Власний обертальний момент (момент імпульсу) електрона називається спіном. Електрони завжди як би обертаються навколо своєї осі і, володіючи зарядом, створюють магнітне поле поряд з полем, що з'являються за рахунок їх орбітального руху навколо ядер. У феромагнетиках існують області з паралельними орієнтаціями спинив, звані доменами; розміри доменів порядку 0,5 мкм. Паралельна орієнтація спінів забезпечує мінімум потенційної енергії. Якщо феромагнетик НЕ намагнічений, то орієнтація доменів хаотична, і сумарне магнітне поле, створюване доменами, дорівнює нулю. При включенні зовнішнього магнітного поля домени орієнтуються уздовж ліній магнітної індукції цього поля, і індукція магнітного поля у феромагнетиках збільшується, стаючи в тисячі і навіть мільйони разів більше індукції зовнішнього поля.

Температура Кюрі. При температурах, великих деякої певної для даного феромагнетика, його феромагнітні властивості зникають. Цю температуру називають температурою Кюрі на ім'я відкрив це явище французького вченого. Якщо досить сильно нагріти намагнічений цвях, то він втратить здатність притягувати до себе залізні предмети. Температура Кюрі для заліза 753 ° С, для нікелю 365 ° С, а для кобальту 1000 ° С. Існують феромагнітні сплави, у яких температура Кюрі менше 100 ° С.

Перші детальні дослідження магнітних властивостей феромагнетиків були виконані видатним російським фізиком А. Г. Столєтова (1839-1896).

Ферромагнетики і їх застосування. Хоча феромагнітних тіл у природі не так вже й багато, саме їх магнітні властивості отримали найбільше практичне застосування. Залізний або сталевий сердечник в котушці у багато разів підсилює створюваний нею магнітне поле, не збільшуючи силу струму в котушці. Це економить електроенергію. Сердечники трансформаторів, генераторів, електродвигунів і т. Д. Виготовляють з феромагнетиків.

При виключенні зовнішнього магнітного поля феромагнетик залишається намагніченим, т. Е. Створює магнітне поле в навколишньому просторі. Це пояснюється тим, що домени не повертаються в попереднє положення і їх орієнтація частково зберігається. Завдяки цьому існують постійні магніти.

Постійні магніти знаходять широке застосування в приладах, гучномовцях і телефонах, звукозаписних апаратах, магнітних компасах і т. Д.

Велике застосування одержали ферити - феромагнітні матеріали, не проводять електричного струму. Вони являють собою хімічні сполуки оксидів заліза з оксидами інших речовин. Один з відомих феромагнітних матеріалів - магнітний залізняк - є ферритом.

Магнітна запис інформації. З ферромагнетиков виготовляють магнітні стрічки і тонкі магнітні плівки. Магнітні стрічки широко використовують для звукозапису в магнітофонах і для відеозапису в відеомагнітофонах.

Магнітна стрічка представляє собою гнучку основу з поліхлорвінілу або інших речовин. На неї наноситься робочий шар у вигляді магнітного лаку, що складається з дуже дрібних голчастих частинок заліза або іншого феромагнетика і зв'язуючих речовин.

Запис звуку виробляють на стрічку за допомогою електромагніту, магнітне поле якого змінюється в такт із звуковими коливаннями. При русі стрічки поблизу магнітної головки різні ділянки плівки намагнічуються. Схема магнітної індукційної головки показана на малюнку (1.29, а), де 1 - сердечник електромагніта; 2 - магнітна стрічка; 3 - робочий зазор; 4 - обмотка електромагніту.

При відтворенні звуку спостерігається зворотний процес: намагнічена стрічка збуджує в магнітній головці електричні сигнали, які після підсилення надходять на динамік магнітофона.

Тонкі магнітні плівки складаються з шару феромагнітного матеріалу товщиною від 0,03 до 10 мкм. Їх застосовують в запам'ятовуючих пристроях електронно-обчислювальних машин (ЕОМ). Магнітні плівки призначені для запису, зберігання та відтворення інформації. Їх наносять на тонкий алюмінієвий диск або барабан. Інформацію записують і відтворюють приблизно так само, як і в звичайному магнітофоні. Запис інформації в ЕОМ можна виробляти і на магнітні стрічки.

Розвиток технології магнітного запису призвело до появи магнітних мікроголовок, які використовуються в ЕОМ, що дозволяють створювати немислиму раніше щільність магнітного запису. На феромагнітному жорсткому диску діаметром менше 8 см зберігається до декількох терабайт (1012 байт) інформації. Зчитування і запис інформації на такому диску здійснюється за допомогою мікроголовкі, розташованої на поворотному важелі (рис. 1.29, б). Сам диск обертається з величезною швидкістю, і головка плаває над ним в потоці повітря, що запобігає можливість механічного пошкодження диска.

Всі речовини, поміщені в магнітне поле, створюють власне поле. Найбільш сильні поля створюють ферромагнетики. З них роблять постійні магніти, так як поле феромагнетика жевріє після виключення намагнічує поле. Ферромагнетики широко застосовуються на практиці.

Питання до параграфу

1. Які речовини називають феромагнетиками?

2. Для яких цілей застосовують феромагнітні матеріали?

3. Як здійснюється запис інформації в ЕОМ?

Приклади розв'язання задач >>>