Mágnesesség - Magnetism

Mágneses kvadrupol

A mágnesesség a fizikai tulajdonságok egy osztálya, amelyet mágneses mezők közvetítenek . Az elektromos áramok és az elemi részecskék mágneses momentumai mágneses mezőt hoznak létre, amely más áramokra és mágneses momentumokra hat. A mágnesesség az elektromágnesesség kombinált jelenségének egyik aspektusa . A legismertebb hatások ferromágneses anyagokban fordulnak elő , amelyeket erősen vonzanak a mágneses mezők, és mágnesezve állandó mágnesekké válhatnak , mágneses mezőket hozva létre. Mágnes mágnesezése is lehetséges. Csak néhány anyag ferromágneses; a leggyakoribbak a vas , a kobalt és a nikkel és ötvözeteik. A ritkaföldfémek, a neodímium és a szamárium ritkább példák. A ferro- előtag a vasra utal , mert az állandó mágnesességet először a lodestone-ban , a természetes vasérc egyik formájában, a magnetitben , Fe 3 O 4- ben figyelték meg .

Minden anyag valamilyen mágnesességet mutat. A mágneses anyagokat nagy érzékenységük szerint osztályozzák. A ferromágnesesség felelős a mágnesesség mindennapi életében tapasztalt legtöbb hatásáért, de valójában többféle mágnesesség létezik. A paramágneses anyagokat, például az alumíniumot és az oxigént gyengén vonzza az alkalmazott mágneses mező; a diamágneses anyagok, például a réz és a szén , gyengén taszítják; míg az antiferromágneses anyagok, például a króm és a centrifugált szemüveg összetettebb kapcsolatban állnak a mágneses mezővel. A mágnes ereje a paramagnetikus, diamágneses és antiferromágneses anyagokra általában túl gyenge ahhoz, hogy érezni lehessen, és csak laboratóriumi műszerekkel lehet kimutatni, ezért a mindennapi életben ezeket az anyagokat gyakran nem mágnesesként írják le.

Az anyag mágneses állapota (vagy mágneses fázisa) függ a hőmérséklettől, a nyomástól és az alkalmazott mágneses mezőtől. Egy anyag többféle mágnesességet mutathat, mivel ezek a változók változnak.

A mágneses mező erőssége szinte mindig csökken a távolsággal, bár az erő és a távolság közötti pontos matematikai összefüggés változik. A mágneses momentumok és elektromos áramok különböző konfigurációi bonyolult mágneses mezőket eredményezhetnek.

Csak mágneses dipólusokat figyeltek meg, bár egyes elméletek mágneses monopolok létezését jósolják .

Történelem

Lodestone , természetes mágnes , vonzza a vasszegeket. Az ókori emberek felfedezték a mágnesesség tulajdonságait a kőből.
Gilbert 1600 De Magnete című illusztrációja, amely az egyik legkorábbi mágneskészítési módot mutatja be. Egy kovács észak – déli irányban tart egy darab vörösre forró vasat, és hűlés közben kalapálja. A Föld mágneses meze igazítja a tartományokat, így a vas gyenge mágnes.
Rajz mágneses kefével végzett orvosi kezelésről. Charles Jacque, 1843, Franciaország.

A mágnesességet először az ókori világban fedezték fel, amikor az emberek észrevették, hogy a kőzetek , az ásványi magnetit természetes módon mágnesezett darabjai vonzzák a vasat. A mágnes szó a görög μαγνῆτις λίθος magnētis lithos kifejezésből származik , "a mágneses kő, lodestone ". Az ókori Görögországban, Arisztotelész tulajdonított az első, amit nevezhetnénk tudományos vitát mágnesesség a filozófus Thales a Miletus élt mintegy 625 BC mintegy 545 BC. Az ősi indiai orvosi szöveg, Sushruta Samhita leírja, hogy magnetit segítségével távolítják el az ember testébe ágyazott nyilakat.

Az ókori Kínában a mágnesességre vonatkozó legkorábbi irodalmi utalás az i. E. 4. századi könyvben található, amely szerzőjéről, Guiguziról kapta a nevét . A Kr. E. 2. századi évkönyvek, Lüshi Chunqiu , szintén megjegyzik: "A lodestone vas megközelítést tesz lehetővé; néhány (erő) vonzza." A tű vonzódásának legkorábbi említése egy 1. századi Lunheng ( Kiegyensúlyozott érdeklődés ) művében található : "A lodestone vonzza a tűt." A 11. századi kínai tudós, Shen Kuo volt az első személy, aki a Dream Pool Essays -ben írta a mágneses tűtűzőt, és javította a navigáció pontosságát az igazi észak csillagászati koncepciójának alkalmazásával . A 12. században a kínaiak ismerték, hogy navigációra használják a lodestone iránytűt . Úgy alakítottak ki iránykanalat a lodestone -ból, hogy a kanál fogantyúja mindig dél felé mutatott.

Alexander Neckam 1187 -ben Európában elsőként írta le az iránytűt és annak navigációs használatát. 1269 -ben Peter Peregrinus de Maricourt megírta az Epistola de magnete -t , az első fennmaradt értekezést, amely a mágnesek tulajdonságait írja le. 1282-ben, a tulajdonságait mágnesek és a száraz körző vitatták által Al-Ashraf Umar II , egy jemeni fizikus , csillagász , és a földrajztudós .

Leonardo Garzoni egyetlen fennmaradt műve, a Due trattati sopra la natura, e le qualità della calamita , az első ismert példa a mágneses jelenségek modern kezelésére. Az 1580 közeli években írt és soha nem publikált értekezés széles körben elterjedt. Különösen Garzonit említi a mágnesesség szakértőjeként Niccolò Cabeo, akinek a Philosophia Magnetica (1629) csak Garzoni művének átdolgozása. Garzoni értekezését Giovanni Battista Della Porta is ismerte .

1600 -ban William Gilbert kiadta De Magnete, Magneticisque Corporibus és et de Magno Magnete Tellure című könyveit ( A mágnesről és mágneses testekről, valamint a nagy mágnesről a Földről ). Ebben a munkájában számos kísérletét írja le a terrelának nevezett földmodelljével . Kísérleteiből arra a következtetésre jutott, hogy a Föld maga mágneses, és ezért az iránytű észak felé mutat (korábban egyesek úgy vélték, hogy az iránytű vonzotta a sarkcsillagot ( Polaris ) vagy az északi pólus nagy mágneses szigetét).

Az elektromosság és a mágnesesség kapcsolatának megértése 1819 -ben kezdődött Hans Christian Ørsted , a Koppenhágai Egyetem professzorának munkájával , aki az iránytű véletlen megrándulásával felfedezte a vezeték közelében, hogy az elektromos áram mágneses mezőt hozhat létre. Ez a mérföldkőnek számító kísérlet Ørsted kísérlete. Számos más kísérlet következett, André-Marie Ampère- rel , aki 1820-ban felfedezte, hogy a zárt pályán keringő mágneses mező összefüggésben van az út által elzárt felületen átfolyó árammal; Carl Friedrich Gauss ; Jean-Baptiste Biot és Félix Savart , akik mindketten 1820-ban kidolgozták a Biot – Savart törvényt , amely egyenletet ad az áramvezető vezeték mágneses mezőjére; Michael Faraday , aki 1831-ben megállapította, hogy a huzalhurkon keresztül időben változó mágneses fluxus feszültséget indukált, mások pedig további kapcsolatokat találtak a mágnesesség és az elektromosság között. James Clerk Maxwell ezeket a felismeréseket szintetizálta és kiterjesztette Maxwell egyenleteibe , egyesítve az elektromosságot, a mágnesességet és az optikát az elektromágnesesség területére . 1905 -ben Albert Einstein felhasználta ezeket a törvényeket a különleges relativitáselmélet elméletének motiválásához , megkövetelve, hogy a törvények minden tehetetlenségi referenciakeretben érvényesek legyenek .

Az elektromágnesesség tovább fejlődött a 21. században is, és beépült a mérőeszköz -elmélet , a kvantum -elektrodinamika , az elektromosan gyenge elmélet és végül a standard modell alapvetőbb elméleteibe .

Források

A mágnesesség gyökerében két forrásból ered:

  1. Elektromos áram .
  2. Az elemi részecskék spin mágneses momentumai .

Az anyagok mágneses tulajdonságai elsősorban atomjaik körül keringő elektronjaik mágneses momentumainak köszönhetők . Az atommagok mágneses momentumai jellemzően ezerszer kisebbek, mint az elektronok mágneses momentumai, ezért az anyagok mágnesezettségével összefüggésben elhanyagolhatóak. A nukleáris mágneses momentumok azonban nagyon fontosak más összefüggésekben, különösen a nukleáris mágneses rezonancia (NMR) és a mágneses rezonancia képalkotás (MRI) esetében.

Rendszerint az anyagban található hatalmas számú elektron úgy van elrendezve, hogy mágneses momentumaik (keringési és belső) is megszűnnek. Ez bizonyos mértékben annak köszönhető, hogy az elektronok a Pauli -kizárási elv eredményeként (lásd az elektronkonfigurációt ) párosulnak egymással ellentétes belső mágneses momentumokkal , és nulla nettó pályamozgással telített alhéjba egyesülnek . Mindkét esetben az elektronok előnyösen olyan elrendezéseket alkalmaznak, amelyekben minden elektron mágneses momentumát egy másik elektron ellentétes pillanata törli. Továbbá, még akkor is, ha a elektronszerkezet van olyan, hogy vannak olyan párosítatlan elektront és / vagy nem-töltött subshells, gyakran az a helyzet, hogy a különböző elektronok a szilárd hozzájárul mágneses pillanatok a ponton a különböző, véletlenszerű irányokba úgy, hogy az anyag ne legyen mágneses.

Néha, akár spontán módon, akár egy alkalmazott külső mágneses mező hatására, az elektronmágneses momentumok átlagosan sorakoznak. Egy megfelelő anyag ezután erős nettó mágneses teret hozhat létre.

Az anyag mágneses viselkedése függ a szerkezetétől, különösen az elektronkonfigurációtól , a fent említett okok miatt, és a hőmérséklettől is. Magas hőmérsékleten a véletlenszerű hőmozgás megnehezíti az elektronok igazodását.

A mágnesesség típusai

A mágnesesség típusainak hierarchiája.

Diamagnetizmus

A diamagnetizmus minden anyagban megjelenik, és az anyagnak az a tendenciája, hogy ellenáll az alkalmazott mágneses mezőnek, és ezért mágneses térrel taszítja. Azonban egy olyan anyagban, amely paramagnetikus tulajdonságokkal rendelkezik (azaz külső mágneses mező fokozására hajlamos), a paramagnetikus viselkedés dominál. Így annak univerzális előfordulása ellenére a diamágneses viselkedés csak tisztán diamágneses anyagban figyelhető meg. Egy diamágneses anyagban nincs párosítatlan elektron, így a belső elektronmágneses momentumok nem tudnak tömeges hatást kiváltani. Ezekben az esetekben a mágnesezés az elektronok pályamozgásaiból ered, amelyek klasszikusan a következők szerint értelmezhetők :

Amikor egy anyagot mágneses mezőbe helyeznek, az atommagot körülvevő elektronok a Coulomb -vonzás mellett a maghoz Lorentz -erőt tapasztalnak. Attól függően, hogy az elektron melyik irányban kering, ez az erő növelheti az elektronokra kifejtett centripetális erőt , behúzva azokat a mag felé, vagy csökkentheti az erőt, és elhúzhatja őket az atommagtól. Ez a hatás szisztematikusan növeli a pályával ellentétes irányú mágneses momentumokat, és csökkenti a mezővel párhuzamosan beállítottat ( Lenz törvényének megfelelően ). Ennek eredményeként kisméretű mágneses momentum keletkezik, ellentétes irányban az alkalmazott mezővel.

Ez a leírás csak heurisztikus ; a Bohr – Van Leeuwen-tétel azt mutatja, hogy a diamagnetizmus a klasszikus fizika szerint lehetetlen, és a megfelelő megértéshez kvantummechanikai leírás szükséges.

Minden anyag ezen az orbitális válaszon megy keresztül. Paramágneses és ferromágneses anyagokban azonban a diamágneses hatást felülmúlják a párosítatlan elektronok által okozott sokkal erősebb hatások.

Paramagnetizmus

Paramágneses anyagban párosítatlan elektronok vannak ; azaz atom- vagy molekuláris pályák, amelyekben pontosan egy elektron található. Míg a Pauli -kizárási elv megköveteli a párosított elektronoktól , hogy belső („spin”) mágneses momentumaik ellentétes irányba mutassanak, és mágneses mezőiket leállítsák, a páratlan elektron szabadon igazíthatja mágneses momentumát bármely irányba. Külső mágneses mező alkalmazása esetén ezek a mágneses momentumok hajlamosak azonos irányba igazodni, mint az alkalmazott mező, ezáltal megerősítve azt.

Ferromágnesesség

A ferromágnes, mint egy paramagnetikus anyag, párosítatlan elektronokkal rendelkezik. Amellett azonban, hogy az elektronok belső mágneses momentuma hajlamos párhuzamos lenni egy alkalmazott mezővel, ezekben az anyagokban is megfigyelhető az a tendencia, hogy ezek a mágneses momentumok egymással párhuzamosan orientálódnak az alacsonyabb energiaállapot fenntartása érdekében. Így még alkalmazott mező hiányában is az anyagban lévő elektronok mágneses momentumai spontán párhuzamosan állnak egymással.

Minden ferromágneses anyagnak megvan a maga egyéni hőmérséklete, az úgynevezett Curie -hőmérséklet , vagy Curie -pont, amely felett elveszíti ferromágneses tulajdonságait. Ennek oka az, hogy a rendellenességek termikus hajlama felülmúlja a ferromágneses rendszernek köszönhető energiacsökkentést.

A ferromágnesesség csak néhány anyagban fordul elő; gyakori a vas , a nikkel , a kobalt , ezek ötvözetei és néhány ritkaföldfém ötvözet .

Mágneses tartományok

Mágneses tartományok határai (fehér vonalak) ferromágneses anyagban (fekete téglalap)
A mágnes hatása a tartományokra

A ferromágneses anyagban lévő atomok mágneses pillanatai miatt apró állandó mágnesekhez hasonló viselkedést okoznak. Összeragadnak, és kis, többé -kevésbé egyenletes igazítású régiókba igazítják magukat, az úgynevezett mágneses vagy Weiss doméneket . A mágneses tartományok megfigyelhetők mágneses erőmikroszkóppal, hogy felfedjék a vázlat fehér vonalaihoz hasonlító mágneses tartományhatárokat. Számos tudományos kísérlet létezik, amelyek fizikailag megmutathatják a mágneses mezőket.

Ha egy domén túl sok molekulát tartalmaz, instabillá válik, és két, ellentétes irányban elhelyezkedő doménre oszlik, így stabilabban tapadnak egymáshoz, amint az a jobb oldalon látható.

Mágneses mező hatásának kitéve a tartomány határai elmozdulnak, így a mágneses mezővel igazított tartományok növekednek és uralják a szerkezetet (pontozott sárga terület), amint azt a bal oldali ábra mutatja. A mágnesező mező eltávolításakor előfordulhat, hogy a tartományok nem térnek vissza mágnesezetlen állapotba. Ennek eredményeképpen a ferromágneses anyag mágnesezve állandó mágnest képez.

Ha elég erősen mágnesezik, hogy az uralkodó domén felülmúlja a többit, és csak egyetlen tartományt eredményez, az anyag mágnesesen telített . Amikor a mágnesezett ferromágneses anyagot Curie -pont hőmérsékletre hevítik , a molekulák addig rázkódnak, hogy a mágneses tartományok elveszítik a szervezetet, és az általuk okozott mágneses tulajdonságok megszűnnek. Amikor az anyagot lehűtjük, ez a doménbeigazító szerkezet spontán visszatér, nagyjából analóg módon ahhoz, ahogy a folyadék kristályos szilárd anyaggá fagyhat .

Antiferromágnesesség

Antiferromágneses rendezés

Egy antiferromágnesben , ellentétben a ferromágnessel, hajlamos a szomszédos vegyértékű elektronok belső mágneses momentumai ellentétes irányba mutatni . Ha minden atom úgy van elrendezve egy anyagban, hogy minden szomszédja anti-párhuzamos, az anyag antiferromágneses . Az antiferromágnesek nettó mágneses nyomatékkal rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy nem hoznak létre mezőt. Az antiferromágnesek ritkábban fordulnak elő a többi típusú viselkedéshez képest, és többnyire alacsony hőmérsékleten figyelhetők meg. Különböző hőmérsékleteken látható, hogy az antiferromágnesek diamágneses és ferromágneses tulajdonságokat mutatnak.

Egyes anyagoknál a szomszédos elektronok inkább ellentétes irányba mutatnak, de nincs olyan geometriai elrendezés, amelyben az egyes szomszédpárok ellenállnak. Ezt centrifugált üvegnek nevezik, és ez egy példa a geometriai frusztrációra .

Ferrimagnetizmus

Ferromágneses rendezés

Mint ferromágnessége, ferrimagnets megtartják mágnesezés hiányában a területen. Azonban az antiferromágnesekhez hasonlóan a szomszédos elektronpörgetési párok általában ellentétes irányba mutatnak. Ez a két tulajdonság nem ellentmondásos, mert az optimális geometriai elrendezésben több mágneses momentum keletkezik az elektronok egyrétegű alrácsából, mint az ellenkező irányba mutató alrácsból.

A legtöbb ferrit ferromágneses. Az első felfedezett mágneses anyag, a magnetit egy ferrit, és eredetileg ferromágnesnek hitték; Louis Néel ezt azonban cáfolta, miután felfedezte a ferrimagnetizmust.

Szuperparamágnesesség

Ha egy ferromágnes vagy ferromágnes elég kicsi, úgy működik, mint egyetlen mágneses spin, amely Brown -mozgásnak van kitéve . A mágneses mezőre adott válasza minőségileg hasonló a paramagnet válaszához, de sokkal nagyobb.

Más típusú mágnesesség

Elektromágnes

Az elektromágnes vonzza a gemkapcsokat, amikor áramot alkalmaznak, mágneses mezőt hozva létre. Az elektromágnes elveszíti őket az áram és a mágneses mező eltávolításakor.

Egy elektromágnes egy olyan típusú mágnes , amelyben a mágneses mező által van termeltetve elektromos áram . A mágneses mező eltűnik az áram kikapcsolásakor. Az elektromágnesek általában nagyszámú, egymáshoz közel elhelyezkedő huzalfordulatból állnak, amelyek mágneses teret hoznak létre. A huzal felváltva gyakran tekerve egy mágneses mag készült ferromágneses vagy ferrimágneses anyagból, mint például a vas ; a mágneses mag koncentrálja a mágneses fluxust, és erősebb mágnest készít.

Az elektromágnes fő előnye az állandó mágnessel szemben, hogy a mágneses mező gyorsan megváltoztatható a tekercsben lévő elektromos áram mennyiségének szabályozásával. Azonban ellentétben az állandó mágnessel, amely nem igényel áramot, az elektromágnes folyamatos áramellátást igényel a mágneses mező fenntartásához.

Az elektromágneseket széles körben használják más elektromos eszközök, például motorok , generátorok , relék , mágnesszelepek, hangszórók , merevlemezek , MRI -gépek , tudományos műszerek és mágneses elválasztó berendezések alkatrészeként. Az elektromágneseket az iparban is használják nehéz vastárgyak, például vashulladék és acél felszedésére és mozgatására. Az elektromágnesességet 1820 -ban fedezték fel.

Mágnesesség, elektromosság és különleges relativitás

Einstein speciális relativitáselméletének következményeként az elektromosság és a mágnesesség alapvetően összefügg. Mind az elektromágneses mágnesesség, mind a mágnesesség nélküli elektromosság nem egyeztethető össze a speciális relativitáselmélettel, olyan hatások miatt, mint a hosszúság összehúzódása , az idő tágulása és az a tény, hogy a mágneses erő sebességfüggő. Ha azonban mind az elektromosságot, mind a mágnesességet figyelembe vesszük, az így kapott elmélet ( elektromágnesesség ) teljes mértékben megfelel a speciális relativitáselméletnek. Különösen az a jelenség, amely az egyik megfigyelő számára tisztán elektromos vagy tisztán mágnesesnek tűnik, mindkettő keveréke lehet a másiknak, vagy általában véve az elektromosság és a mágnesesség relatív hozzájárulása a referenciakerettől függ. Így a speciális relativitáselmélet "összekeveri" az elektromosságot és a mágnesességet egyetlen, elválaszthatatlan jelenségnek, az úgynevezett elektromágnesességnek , hasonlóan ahhoz, ahogyan a relativitás relatív "keveri" a teret és az időt a téridőhöz .

Az elektromágnesességre vonatkozó összes megfigyelés vonatkozik arra, amit elsősorban mágnesességnek lehet tekinteni, például a mágneses mező zavarait szükségszerűen nem nulla elektromos mező kíséri, és fénysebességgel terjednek .

Mágneses mezők egy anyagban

Vákuumban,

ahol μ 0 a vákuumáteresztő képesség .

Egy anyagban,

A μ 0 M mennyiséget mágneses polarizációnak nevezzük .

Ha a H mező kicsi, akkor az M mágnesezés válasza egy diamagnetben vagy paramagnetben megközelítőleg lineáris:

az arányosság állandóját mágneses érzékenységnek nevezik. Ha igen,

Egy kemény mágnesben, például ferromágnesben, az M nem arányos a mezővel, és általában akkor is nulla, ha H nulla (lásd Remanence ).

Mágneses erő

A rúdmágnes mágneses erővonalai papírreszeléssel
Mágneses tér észlelése iránytűvel és vasreszelékkel

A mágnesesség jelenségét a mágneses mező "közvetíti". Az elektromos áram vagy mágneses dipólus mágneses teret hoz létre, és ez a mező mágneses erőt kölcsönöz a mezőkben lévő más részecskéknek.

Maxwell egyenletei, amelyek egyenletes áramok esetén a Biot – Savart törvényhez egyszerűsödnek , leírják az ezeket az erőket szabályozó mezők eredetét és viselkedését. Ezért, a mágnesesség látható, amikor elektromosan töltött részecskék vannak mozgásban -például, a mozgását elektronok egy elektromos áram , vagy bizonyos esetekben a körpályás mozgását elektronok körül atommag. Ezek a kvantummechanikai centrifugálásból eredő "belső" mágneses dipólusokból is származnak .

Ugyanazok a helyzetek, amelyek mágneses mezőket hoznak létre - áramban vagy atomban mozgó töltés és belső mágneses dipólusok - szintén olyan helyzetek, amikor a mágneses mező hatást fejt ki, és erőt hoz létre. Az alábbi képlet a töltés mozgatására szolgál; a belső dipólusra gyakorolt ​​erőket lásd mágneses dipóluson.

Amikor egy töltött részecske áthalad a B mágneses mezőn , úgy érzi, hogy a kereszttermék által adott L Lorentz -erő :

ahol

a részecske elektromos töltése, és
v a sebesség vektor a részecske

Mivel ez egy kereszttermék, az erő merőleges mind a részecske mozgására, mind a mágneses mezőre. Ebből következik, hogy a mágneses erő nem tesz a munka a részecskék; megváltoztathatja a részecske mozgásának irányát, de nem okozhat gyorsulást vagy lassulást. Az erő nagysága az

hol van v és B közötti szög .

Az egyik eszköz a mozgó töltés sebességvektorának, a mágneses mezőnek és a kifejtett erőnek az irányának meghatározására a mutatóujj "V", a középső "B" és a hüvelykujj "F" feliratozása jobb kezével. Pisztolyszerű konfiguráció készítésekor, amikor a középső ujj a mutatóujj alatt kereszteződik, az ujjak a sebességvektorot, a mágneses mezővektorot és az erővektorot jelölik. Lásd még a jobbkezes szabályt .

Mágneses dipólusok

A természetben megtalálható mágneses mező nagyon gyakori forrása a dipólus , " déli pólus " és " északi pólus " kifejezésekkel, amelyek a mágnesek iránytűként való használatából származnak, és kölcsönhatásba lépnek a Föld mágneses mezőjével , jelezve Északot és Délt a földgolyó . Mivel a mágnesek ellentétes végei vonzódnak, a mágnes északi pólusa egy másik mágnes déli pólusához vonzódik. A Föld északi mágneses pólusa (jelenleg a Jeges -tengerben, Kanadától északra) fizikailag déli pólus, mivel vonzza az iránytű északi pólusát. A mágneses mező energiát tartalmaz , és a fizikai rendszerek alacsonyabb energiájú konfigurációk felé mozognak. Amikor a diamágneses anyagot mágneses mezőbe helyezzük, a mágneses dipólus hajlamos az ellenkező polaritással igazodni ahhoz a mezőhöz, ezáltal csökkentve a nettó térerőt. Amikor a mágneses mezőbe ferromágneses anyagot helyeznek, a mágneses dipólusok igazodnak az alkalmazott mezőhöz, és így kibővítik a mágneses tartományok tartományfalait.

Mágneses monopolok

Mivel a rúdmágnes ferromágnesességét a rúdon egyenletesen eloszló elektronokból nyeri, a rúdmágnes felére vágásakor a kapott darabok mindegyike kisebb rúdmágnes. Annak ellenére, hogy a mágnesnek van egy északi és egy déli pólusa, ez a két pólus nem választható el egymástól. A monopólus - ha létezik ilyen - új és alapvetően más típusú mágneses tárgy lenne. Elszigetelt északi pólusként működne, nem kapcsolódik a déli pólushoz, vagy fordítva. A monopólusok az elektromos töltéshez hasonló "mágneses töltést" hordoznának. Annak ellenére, hogy 1931 óta, 2010 óta rendszeresen kerestek, soha nem figyeltek meg, és nagyon is előfordulhat, hogy nem is léteznek.

Mindazonáltal néhány elméleti fizikai modell megjósolja ezen mágneses monopolok létezését . Paul Dirac 1931 -ben megállapította, hogy mivel az elektromosság és a mágnesesség bizonyos szimmetriát mutat , a kvantumelmélet azt jósolja, hogy az egyes pozitív vagy negatív elektromos töltések az ellentétes töltés nélkül is megfigyelhetők, az izolált déli vagy északi mágneses pólusoknak megfigyelhetőnek kell lenniük. Dirac a kvantumelmélet segítségével kimutatta, hogy ha léteznek mágneses monopolok, akkor meg lehet magyarázni az elektromos töltés kvantálását - vagyis miért hordoznak a megfigyelt elemi részecskék olyan töltéseket, amelyek az elektron töltésének többszörösei.

Egyes nagy egységes elméletek olyan monopólusok létezését jósolják, amelyek az elemi részecskékkel ellentétben szolitonok (lokalizált energiacsomagok). Az ősrobbanás során létrehozott monopólusok becslésére ezeknek a modelleknek az első eredményei ellentmondanak a kozmológiai megfigyeléseknek - a monopólusok olyan bőségesek és hatalmasak lettek volna, hogy már rég megállították volna az univerzum tágulását. Az infláció gondolata azonban (amelyre ez a probléma részleges motivációként szolgált) sikeresen megoldotta ezt a problémát, és olyan modelleket hozott létre, amelyekben léteztek monopolok, de elég ritkák ahhoz, hogy összhangban legyenek a jelenlegi megfigyelésekkel.

Egységek

SI

Szimbólum A mennyiség neve Egység neve Szimbólum Alapegységek
E energia joule J kg⋅m 2 ⋅s −2 = C⋅V
Q elektromos töltés coulomb C A⋅s
én elektromos áram amper A A (= W/V = C/s)
J elektromos áram sűrűsége amper négyzetméterenként A/m 2 A⋅m −2
Δ V ; Δ φ ; ε potenciális különbség ; feszültség ; elektromos erő volt V J/C = kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1
R ; Z ; x elektromos ellenállás ; impedancia ; reaktancia ohm Ω V/A = kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −2
ρ ellenállás ohm mérő Ω⋅m kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −2
P elektromos energia watt W V⋅A = kg⋅m 2 ⋅s −3
C kapacitancia farad F C/V = kg −1 ⋅m −2 ⋅A 2 ⋅s 4
Φ E. elektromos fluxus volt meter V⋅m kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −1
E elektromos mező erőssége voltos per méter V/m N/C = kg⋅m⋅A −1 ⋅s −3
D elektromos elmozdulási mező coulomb per négyzetméter C/m 2 A⋅s⋅m −2
ε dielektromos állandó Farad per méter F/m kg −1 ⋅m −3 ⋅A 2 ⋅s 4
. e elektromos érzékenység ( dimenzió nélküli ) 1 1
G ; Y ; B vezetőképesség ; belépés ; elfogultság siemens S Ω −1 = kg −1 ⋅m −2 ⋅s 3 ⋅A 2
κ , γ , σ vezetőképesség Siemens per méter S/m kg −1 ⋅m −3 ⋅s 3 ⋅A 2
B mágneses fluxussűrűség, mágneses indukció tesla T Wb/m 2 = kg⋅s −2 ⋅A −1 = N⋅A −1 ⋅m −1
Φ , Φ M , Φ B. mágneses fluxus weber Wb V⋅s = kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −1
H mágneses mező erőssége amper per méter A/m A⋅m −1
L , M induktivitás Henrik H Wb/A = V⋅s/A = kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −2
μ áteresztőképesség Henry per méter H/m kg⋅m⋅s −2 ⋅A −2
χ mágneses érzékenység ( dimenzió nélküli ) 1 1
µ mágneses dipólusmomentum amper négyzetméter Ám 2 A⋅m 2 = J⋅T -1

Egyéb

Élő dolgok

Egy élő béka lebeg egy keserű mágnesszelep 32 mm átmérőjű függőleges furatában nagyon erős mágneses térben - körülbelül 16 tesla

Egyes organizmusok érzékelik a mágneses mezőket, ezt a jelenséget magnetocepciónak nevezik . Az élőlények bizonyos anyagai ferromágnesesek, bár nem világos, hogy a mágneses tulajdonságok különleges funkciót töltenek -e be, vagy csupán vasat tartalmazó melléktermékek. Például a chitonok , a tengeri puhatestűek egy fajtája magnetitet termelnek, hogy megkeményítsék fogaikat, és még az emberek is termelnek magnetitot a testszövetekben. A magnetobiológia tanulmányozza a mágneses mezők élő szervezetekre gyakorolt ​​hatását; Az organizmus által természetesen előállított mezőket biomágnesességnek nevezik . Sok biológiai organizmus többnyire vízből áll, és mivel a víz diamágneses , rendkívül erős mágneses mezők taszítják ezeket az élőlényeket.

A mágnesesség kvantummechanikai eredete

Míg a klasszikus fizikán alapuló heurisztikus magyarázatok megfogalmazhatók, a diamagnetizmus, a paramagnetizmus és a ferromágnesesség csak a kvantumelmélet segítségével magyarázható meg teljesen. Sikeres modellt már 1927-ben kifejlesztettek Walter Heitler és Fritz London , akik kvantummechanikailag levezetik, hogyan keletkeznek hidrogénmolekulák a hidrogénatomokból, azaz az atomi hidrogénpályákról, és az A és B atommagban helyezkednek el , lásd alább. Hogy ez mágnesességhez vezet, egyáltalán nem nyilvánvaló, de a következőkben kifejtjük.

A Heitler – London elmélet szerint úgynevezett kéttestű molekuláris orbitálisok képződnek, nevezetesen a kapott pálya:

Itt az utolsó termék azt jelenti, hogy az első elektron, r 1 , a második atommagban központosított atomi hidrogénpályán van, míg a második elektron az első mag körül fut. Ez a "csere" jelenség a kvantummechanikai tulajdonság kifejeződése, amely szerint az azonos tulajdonságú részecskék nem különíthetők el. Nemcsak a kémiai kötések kialakulására , hanem a mágnesességre is jellemző. Vagyis ezzel összefüggésben felmerül a csere-kölcsönhatás kifejezés, amely a mágnesesség eredete szempontjából elengedhetetlen kifejezés, és durvábban 100- szoros , sőt 1000-szeres erősebb, mint az elektrodinamikai dipól-dipól kölcsönhatásból származó energiák.

Ami a mágnesességért felelős centrifugálási függvényt illeti , rendelkezünk a már említett Pauli -elvvel, nevezetesen, hogy egy szimmetrikus pályát (azaz a + jellel, mint fent) meg kell szorozni egy antiszimmetrikus centrifugálási függvénnyel (azaz egy - előjellel) , és fordítva . És így:

,

Azaz, nem csak és kell szubsztituált α és β , rendre (az első entitás eszköz „felpörög”, a második egy „spin down”), hanem a jel + a - jel, és végül r i a diszkrét s i értékek (= ± ½); ezáltal van és . A " szingulett állapot ", azaz a-jel azt jelenti: a pörgések anti-párhuzamosak , azaz a szilárd anyag esetében antiferromágnesesség van , a kétatomos molekuláknál pedig diamagnetizmus . A (homoeopoláris) kémiai kötés kialakulásának tendenciája (ez azt jelenti: szimmetrikus molekuláris pálya kialakulása , azaz a + előjellel) a Pauli -elv révén automatikusan, antiszimmetrikus spinállapotban (azaz a - jellel) következik be. Ezzel szemben az elektronok Coulomb -taszítása, vagyis az a tendencia, hogy ezzel a taszítással igyekeznek elkerülni egymást , e két részecske antiszimmetrikus pályaműködéséhez vezetne (azaz a - előjellel), és kiegészítené a szimmetrikus centrifugálási funkciót (azaz a + jellel, az egyik úgynevezett " hármasfunkció "). Így most a pörgések párhuzamosak lennének ( ferromágnesesség szilárdban, paramagnetizmus kétatomos gázokban).

Az utoljára említett tendencia dominál a fémekben, a vasban , a kobaltban és a nikkelben , valamint néhány ritkaföldfémben, amelyek ferromágnesesek . A többi fém nagy része, ahol az elsőként említett tendencia dominál, nem mágneses (pl. Nátrium , alumínium és magnézium ) vagy antiferromágneses (pl. Mangán ). A kétatomos gázok is szinte kizárólag diamágnesesek, és nem paramagnetikusak. Az oxigénmolekula azonban a π-pályák bevonása miatt kivétel az élettudományok számára.

A Heitler-London megfontolások általánosíthatók a mágnesesség Heisenberg-modelljére (Heisenberg 1928).

A jelenségek magyarázata tehát lényegében a kvantummechanika minden finomságán alapul, míg az elektrodinamika főként a fenomenológiára terjed ki.

Lásd még

Hivatkozások

További irodalom

Bibliográfia