Как идет ток в магните

Представление о магнитном поле

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.

Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.

Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.

Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.

Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.

Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.

Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.

Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.

Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:

Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).

Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.

А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.

Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.

Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:

При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.

Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.

Спин

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).

Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:

Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.

Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.

Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.

Научно-популярное
Физика

Как устроен магнит?

Сложно найти такую сферу, в которой бы не применялись магниты. Развивающие игрушки, полезные аксессуары и сложное промышленное оборудование – это лишь некоторые из примеров.

Однако мало кто при этом знает, как устроены магниты и в чем секрет их силы притяжения. Чтобы ответить на эти вопросы, нужно погрузиться в основы физики. Но не пугайтесь, скучно не будет. К тому же так вы узнаете, из чего состоит магнит, и природа его силы станет сразу понятнее.

Электрон – самый маленький и самый простой магнит

Любое вещество состоит из атомов. Атомы, в свою очередь, состоят из ядра, вокруг которого вращаются заряженные частицы – протоны (+) и электроны (-).

Нас сейчас интересуют только электроны. Их движение и создает электрический ток в проводниках. Кроме того, каждый электрон является миниатюрным источником магнитного поля, а значит – и простейшим магнитом. Вот только в большинстве материалов эти частицы движутся в хаотичных направлениях. Как результат – их заряды уравновешивают друг друга. А когда направление вращения большого количества электронов на орбитах совпадает, то возникает постоянная магнитная сила.

Устройство магнита

Итак, с электронами разобрались. И теперь мы на один шаг ближе к тому, чтобы узнать, как устроены магниты.

Чтобы материал притягивал железо, направление электронов в его структуре должно совпадать. В этом случае атомы формируют упорядоченные области (домены). У каждого домена есть пара полюсов: северный и южный. Через них проходит постоянная линия движения магнитных сил, входящих в южный полюс и выходящих из северного. Это означает, что противоположные полюса у разных магнитов будут притягиваться, а одноименные – отталкиваться.

Как магнит притягивает металлы

Магнитная сила действует не на все вещества. Только некоторые материалы притягиваются: железо, никель, кобальт и редкоземельные металлы. Железо не является природным магнитом, но при воздействии магнитного поля его структура перестраивается в домены с северными и южными полюсами. Таким образом, сталь может намагничиваться и сохранять измененную структуру на протяжении длительного времени.

Как делают магниты

Мы уже разобрались, из чего состоит магнит. Он представляет собой материал, в котором направленность доменов совпадает. Для придания ему таких свойств может использоваться сильное магнитное поле или электрический ток.

На сегодня люди научились изготавливать очень мощные магниты, сила притяжения которых в десятки раз превышает их собственный вес и сохраняется веками. Речь о редкоземельных супермагнитах на основе неодимового сплава. Такие изделия при весе в 2-3 кг могут удерживать объекты весом в 300 кг и более.

Из чего состоит неодимовый магнит?

Представьте металлический порошок неодима, железа и бора, который с помощью промышленных установок будет намагничиваться сильным полем и спекаться в жесткую структуру. Такая технология производства позволяет получить изделия различных размеров и форм.

В ассортименте интернет-магазина «Мир магнитов» вы найдете огромное разнообразие магнитных товаров для работы, развлечений и быта.

Автор: Виктория Костюченко

Количество просмотров: 14312

Количество комментариев: 0

Как направлен ток в магните?

В магните нет электрического тока!
Считается, что обычный ток идет в направлении от положительного заряда (+) к отрицательному (-), т. е. как движутся положительные заряды. Хотя потом выяснилось, что в металлах движутся не положительные заряды, а отрицательно заряженные электроны.
Круговой ток создает магнитное поле направленное перпендикулярно плоскости круга. Поэтому долгое время считалось, что будто бы в обычном магните идут маленькие круговые токи. Например, считалось, что электроны вращаются вокруг своей оси. А раз они отрицательно заряжены, значит при таком вращении отрицательные заряды бегают по кругу, отсюда и появляется магнитное поле.
Но сейчас выяснили, что обычных электронов без магнитного поля вообще не бывает, т. е. дело не во вращении. Сам электрон как бы состоит сразу из двух зарядов: северного заряда и южного заряда и образует такой маленький диполь, как магнитная стрелка компаса.

Похожие вопросы