Магнетизм

Магнети́зм — форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля. Наряду с электричеством, магнетизм — одно из проявлений электромагнитного взаимодействия. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля).

История

Древнее время

Восток

Модель компаса для геомантии в Кайфэне (Китай) времени династии Хань

Вероятней всего, магнетит или магнитный железняк впервые был открыт в Китае за четыре тысячи лет до н. э.Шаблон:-1 Первые упоминания в летописях о применении магнитных материалов восходят к третьему тысячелетию до н. э., когда легендарный китайский император Хуан-ди использовал компас во время битвы.Шаблон:-1 Китайские мореплаватели конца второго тысячелетия до н. э. использовали его для навигации.Шаблон:-1 В целом, появление компаса оценивается между 2637 и 1100 годами до н. э.Шаблон:-1 Компас в виде ложки на гладкой поверхности (si nan shao, ложка, смотрящая на юг) использовался в династии Хань для предсказаний. Притяжение магнитом железа объяснялось с позиции проявления высших сил:

Если ты думаешь, что как магнитный железняк может притягивать железо, ты так же можешь заставить его притянуть куски керамики, то ты заблуждаешься… Магнитный железняк может притягивать железо, но не взаимодействует с медью. Таково движение Дао. Оригинальный текст (англ.) If you think that because the lodestone can attract iron you can also make it attract pieces of pottery, you will find yourself mistaken… The lodestone can attract iron but has no effect on copper. Such is the motion of the Tao [Dao]. — Хуайнань-цзы

Компас также был известен царю Соломону.Шаблон:-1

Плиний Старший в своем труде Naturalis Historia упоминал о горе возле реки Инд (лат. Indus), которая притягивала железо. Индийский врач Сушрута, живший в VI веке до н. э., применял магниты в хирургических целях.Шаблон:-1 Происхождение индийского компаса доподлинно неизвестно, но он упоминался уже в четвертом веке нашей эры в некоторых тамильских книгах по морской навигации под названием «рыбья машина» (санскр. maccha-yantra). В военном руководстве, датируемом 1044 годом был описан подобный компас в виде рыбы с головой из намагниченного железа, помещенной плавать в чашу.Шаблон:-1

Греция

Магнетит был хорошо известен древним грекам. Тит Лукреций Кар в своём сочинении De rerum natura (лат. «О природе вещей», I век до н. э.) писал, что камень, притягивающий железо назывался в Греции магнитом по имени провинции Магнисия в Фессалии. По версии Плиния Старшего, слово «магнит» произошло от имени пастуха Магнеса

гвозди из обуви которого и наконечник его посоха были притянуты магнитным полем, когда он вывел на пастбище своё стадо. Оригинальный текст (англ.) the nails of whose shoes and the tip of whose staff stuck fast in a magnetick field while he pastured his flocks.

Первые греческие письменные упоминания магнетита относятся к VIII веку до н. э. Различные философские школы объясняли его необычные свойства по-своему. Фалес Милетский и Анаксагор считали, что магнетит обладает душой, тянущейся к железу. Современник Анаксагора, Диоген из Аполлонии считал, что железо имеет некую «влажность» и магнит поглощает её. По иным теориям, магниты выделяли некоторые испарения, приводившие к наблюдавшимся результатам. Четыре века спустя, Лукреций Кар первым отметил, что магнитные материалы могут отталкиваться.Шаблон:-1Шаблон:-1

Развитие магнетизма как науки

Первые упоминания о постоянных магнитах и их использовании в устройствах типа компаса встречаются в древнекитайских летописях. Так древняя китайская летопись повествует, что 4000 лет назад в Китае использовалась повозка, на которой, проворачиваясь на оси, стояла магнитная фигурка человека, показывающего на юг. В китайской энциклопедии находятся и первое упоминание об использовании магнитной стрелки на кораблях в 262—419 гг. н. э. Позже ее стали применять индийцы, арабы, греки, помещая магнит на плавающий в воде тростник. О некоторых свойствах магнитов были осведомлены и древние греки. Само название «магнит» предположительно происходит от названия города Магнезия в Малой Азии, где добывались магнетитовые руды. О «душе магнита» писал Фалес Милетский, свойства магнитов описывали и пытались объяснять также Анаксагор, Эмпедокл, Демокрит, Эпикур и другие.

В начале XIV века итальянец Флавий Джойя ввёл в употребление компас с картушкой (шкалой). Она была связана с магнитом и разделена на 32 части (румбы). В таком виде без значительных изменений компас сохранился и до наших дней. Слово «компас», по-видимому, происходит от старинного английского слова compas, означавшего в XIII—XIV вв. «круг».

Угол, на который отклоняется магнитная стрелка от направления север — юг, называют магнитным склонением. Христофор Колумб установил, что магнитное склонение зависит от географических координат, что послужило толчком к исследованию этого нового свойства магнитного поля Земли.

Практически все накопленные к началу XVII века сведения о магнитах подытожили в 1589 году книгой «Естественная магия» Ион Баптиста Порта и в 1600 году Уильям Гильберт своим трудом «лат. De Magnete». Магнитным силам эти учёные приписывали духовное происхождение. Русский ученый М. В. Ломоносов в 1759 г. в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса. Для изучения земного магнетизма М. В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитных обсерваторий была осуществлена лишь спустя 60 лет в России. Первую подробную материалистическую теорию магнетизма составил Р. Декарт. Теорию магнетизма разрабатывали также Ф. У. Т. Эпинус, Ш. Кулон, в 1788 году обобщивший закон Кулона на случай взаимодействия точечных полюсов магнита, А. Бургманс, которому принадлежит открытие притяжения и отталкивания слабомагнитных веществ (названных М. Фарадеем в 1845 году диа- и парамагнетиками), и другие учёные.

Одной из важнейших вех в истории физики магнитных явлений стало осуществление в 1820 году опыта Эрстеда с магнитной стрелкой, фактически подтолкнувшего учёных к созданию единой теории электромагнитных взаимодействий. В том же году А. М. Ампер высказал гипотезу молекулярных токов, которая конкурировала с гипотезой элементарных магнитиков — магнитных диполей, детально разработанной В. Э. Вебером и развитой позднее Дж. А. Юингом. В 1831 г. английским полярным исследователем Джоном Россом в Канадском архипелаге был открыт магнитный полюс — область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, то есть наклонение равно 90 0. В 1841 г. Джеймс Росс (племянник Джона Росса) достиг другого магнитного полюса Земли, находящегося в Антарктиде.

В 1831 году М. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции и впервые ввёл в обращение термин «магнитное поле». В 1834 году русский академик Э. Х. Ленц установил правило о направлении индукционного тока и связанного с ним магнитного поля. В 1873 году начало современной электродинамике положило опубликование «Трактата об электричестве и магнетизме» Дж. К. Максвелла и экспериментальное обнаружение в 1888 году Г. Р. Герцем предсказанных в этом трактате электромагнитных волн. Взаимодействия электромагнитного поля с веществом рассматривал Х. А. Лорентц, создавший электронную теорию магнитных свойств и объяснивший в её рамках открытый в 1896 году эффект Зеемана.

В 1905 году П. Ланжевен на основе теоремы Лармора и электронной теории Лорентца развил классическую трактовку теории диа- и парамагнетизма.

Количественные характеристики

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции. В среде вводится также вектор напряжённости магнитного поля.

Картина силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом в форме стержня. Железные опилки на листе бумаги.

Основные уравнения и законы

Современная теория магнетизма базируется на следующих основных уравнениях и законах:

• Закон электромагнитной индукции Фарадея
• Закон Ампера
• Закон Био — Савара — Лапласа
• Сила Лоренца
• Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции

Классификация магнитных веществ

По характеру взаимодействия с магнитным полем и внутренней магнитной структуре вещества подразделяются на

• магнитно не упорядоченные вещества
  • диамагнетики, в которых молекулы не обладают собственным магнитным моментом, а магнитное поведение материала определяется законом электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому молекулярные токи в веществе изменяются таким образом, чтобы компенсировать изменение магнитного потока через вещество;
  • парамагнетики, обладающие собственным ненулевым локальным магнитным моментом (например нескомпенсированный атомный), которые ориентируются вдоль поля;
• вещества с дальним магнитным порядком (магнетики):
  • ферромагнетики, в которых за счёт обменного взаимодействия энергетически выгодной оказывается параллельная ориентация магнитных моментов атомов или молекул в макроскопических областях материала — доменах;
  • антиферромагнетики, в которых обменное взаимодействие таково, что в кристалле формируются две или более двух антипараллельно ориентированных подрешёток, магнитные моменты которых дают в сумме нулевую намагниченность в отсутствие магнитного поля;
  • ферримагнетики, где, в отличие от антиферромагнетиков, полной компенсации магнитных моментов подрешёток не происходит, и материал в целом обладает ненулевой спонтанной намагниченностью.
• вещества с ближним магнитным порядком:
  • спиновые стёкла
  • суперпарамагнитные ансамбли частиц
• молекулярные магниты и кластеры
• плазма
• элементарные частицы

Фундаментальные основы магнетизма и взаимодействие магнитного поля с веществом изучает физика магнитных явлений.

См. также

• Доменная стенка

Ссылки

• Физика магнетизма. Материал, выходящий за рамки курса физики высших технических учебных заведений.