§ 5. Магнітні властивості речовин. Гіпотеза Ампера
Мабуть, кожен із вас бачив магніти й навіть досліджував їхні властивості. Згадайте: ви підносите магніт до купки дрібних предметів і бачите, що деякі предмети (цвяшки, кнопки, скріпки) чіпляються до магніту, а деякі (шматочки крейди, мідні та алюмінієві монетки, грудочки землі) не реагують на нього. Чому так? Чи дійсно магнітне поле не чинить жодного впливу на деякі речовини? Саме про це йтиметься в параграфі.
1. Порівнюємо дії електричного і магнітного полів на речовину
Вивчаючи у 8 класі електричні явища, ви дізналися, що внаслідок впливу зовнішнього електричного поля відбувається перерозподіл електричних зарядів усередині незарядженого тіла (рис. 5.1). У результаті в тілі утворюється власне електричне поле, напрямлене протилежно зовнішньому. Саме тому електричне поле в речовині завжди послаблюється.
Рис. 5.1. Унаслідок дії електричного поля негативно зарядженої палички ближча до неї частина провідної сфери набуває позитивного заряду
Речовина змінює і магнітне поле. Існують речовини, які (як у випадку з електричним полем) послаблюють магнітне поле всередині себе. Такі речовини називають діамагнетиками. Багато речовин, навпаки, посилюють магнітне поле — це парамагнетики та феромагнетики.
Річ у тім, що будь-яка речовина, поміщена в магнітне поле, намагнічується, тобто створює власне магнітне поле, і магнітна індукція такого поля є різною для різних речовин.
2. Дізнаємося про слабомагнітні речовини
Речовини, які намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, магнітна індукція якого набагато менша за магнітну індукцію зовнішнього магнітного поля (тобто поля, яке спричинило намагнічування), називають слабомагнітними речовинами. До таких речовин належать діамагнетики та парамагнетики.
Діамагнетики (від грецьк. dia — розбіжність) намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, яке напрямлене протилежно до зовнішнього (рис. 5.2, а). Саме тому діамагнетики незначно послаблюють зовнішнє магнітне поле: магнітна індукція магнітного поля всередині діамагнетика (ВД) трохи менша від магнітної індукції зовнішнього магнітного поля (В0):
Рис. 5.2. Зразки з діамагнетика (а) і парамагнетика (б) у зовнішньому магнітному полі: червоні лінії — лінії магнітного поля, створеного зразком; сині лінії — магнітні лінії зовнішнього магнітного поля; зелені лінії — лінії результуючого магнітного поля
Якщо діамагнетик помістити в магнітне поле, він буде виштовхуватися з нього (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Полум’я свічки виштовхується з магнітного поля, оскільки продукти згоряння є діамагнітними частинками
• Розгляньте рис. 5.2, а і поясніть, чому діамагнітна речовина виштовхується з магнітного поля.
До діамагнетиків належать інертні гази (гелій, неон тощо), багато металів (наприклад, золото, мідь, ртуть, срібло), молекулярний азот, вода та ін. Тіло людини є діамагнетиком, адже воно в середньому на 78 % складається з води.
Парамагнетики (від грецьк. para — поряд) намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магнітного поля (рис. 5.2, б). Парамагнетики незначно посилюють зовнішнє поле: магнітна індукція магнітного поля всередині парамагнетика (Вп) трохи більша за магнітну індукцію зовнішнього магнітного поля (В0):
До парамагнетиків належать кисень, платина, алюміній, лужні та лужноземельні метали тощо. Якщо парамагнітну речовину помістити в магнітне поле, то вона буде втягуватися в нього.
3. Вивчаємо феромагнетики
Якщо слабомагнітні речовини вийняти з магнітного поля, то їхня намагніченість відразу зникне, на відміну від сильномагнітних речовин — феромагнетиків.
Феромагнетики (від латин. ferrum — залізо) — речовини або матеріали, які залишаються намагніченими й у разі відсутності зовнішнього магнітного поля.
Феромагнетики намагнічуються, створюючи сильне магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магнітного поля (рис. 5.4, 5.5, а). Якщо виготовлене з феромагнетика тіло помістити в магнітне поле, то воно буде втягуватися в це поле (рис. 5.5, б).
Рис. 5.4. Залізний цвях намагнічується в магнітному полі таким чином, що кінець цвяха, розташований біля північного полюса магніту, стає південним полюсом, тому цвях притягується до магніту
Рис. 5.5. Феромагнетики створюють сильне магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магнітного поля (а); лінії магнітної індукції ніби втягуються у феромагнітний зразок (б)
• Поясніть, чому на постійному магніті утримуються тільки предмети, виготовлені з феромагнітних матеріалів (рис. 5.6)?
Рис. 5.6. До завдання в § 5
До феромагнетиків належить невелика група речовин: залізо, нікель, кобальт, рідкісноземельні речовини та низка сплавів. Феромагнетики значно посилюють зовнішнє магнітне поле: магнітна індукція магнітного поля всередині феромагнетиків (Вф) у сотні й тисячі разів більша за магнітну індукцію зовнішнього магнітного поля (В0):
Так, кобальт посилює магнітне поле в 175 разів, нікель — у 1120 разів, а трансформаторна сталь (вона на 96-98 % складається із заліза) — у 8000 разів.
Температура Кюрі для деяких феромагнетиків
Речовина (або матеріал)
Температура, °С
Феромагнітні матеріали умовно поділяють на два типи. Матеріали, які після припинення дії зовнішнього магнітного поля залишаються намагніченими довгий час, називають магнітожорсткими феромагнетиками. Їх застосовують для виготовлення постійних магнітів. Феромагнітні матеріали, які легко намагнічуються і швидко розмагнічуються, називають магнітом’якими феромагнетиками. Їх застосовують для виготовлення осердь електромагнітів, двигунів, трансформаторів, тобто пристроїв, які під час роботи постійно перемагнічуються (про будову та принцип дії таких пристроїв ви дізнаєтеся пізніше).
Зверніть увагу! У разі досягнення температури Кюрі (див. таблицю) феромагнітні властивості магнітом’яких і магнітожорстких матеріалів зникають — матеріали стають парамагнетиками.
4. Знайомимося з гіпотезою Ампера
Спостерігаючи дію провідника зі струмом на магнітну стрілку (див. рис. 1.1) і з’ясувавши, що котушки зі струмом поводяться як постійні магніти (див. рис. 1.3), А. Ампер висунув гіпотезу щодо пояснення магнітних властивостей речовин.
Ампер припустив, що всередині речовини існує величезна кількість незгасаючих малих колових струмів і що кожний коловий струм, ніби маленька котушка, є магнітиком. Постійний магніт складається з безлічі таких елементарних магнітиків, орієнтованих у певному напрямку.
Механізм намагнічування речовин Ампер пояснював так. У тілі, яке не є намагніченим, колові струми орієнтовані безладно (рис. 5.7, а). Зовнішнє магнітне поле намагається зорієнтувати ці струми так, щоб напрямок магнітного поля кожного струму збігався з напрямком зовнішнього магнітного поля (рис. 5.7, б). У деяких речовин така орієнтація струмів (намагнічення) залишається й після усунення зовнішнього магнітного поля. Отже, усі магнітні явища Ампер пояснював взаємодією рухомих заряджених частинок.
Рис. 5.7. Механізм намагнічування тіл відповідно до гіпотези Ампера: а — колові струми орієнтовані безладно, тіло не є намагніченим; б — колові струми орієнтовані в певному напрямку, тіло намагнічене
Гіпотеза Ампера стала поштовхом до створення теорії магнетизму. На підставі цієї гіпотези були пояснені відомі властивості феромагнетиків. Проте, спираючись на гіпотезу Ампера, неможливо було пояснити природу діа- та парамагнетизму, а також те, чому тільки невелика кількість речовин має феромагнітні властивості. Сучасна теорія магнетизму ґрунтується на законах квантової механіки і теорії відносності А. Ейнштейна.
Підбиваємо підсумки
Будь-яка речовина, поміщена в магнітне поле, намагнічується, тобто створює власне магнітне поле.
Діамагнетики
Парамагнетики
Феромагнетики
Намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене протилежно зовнішньому магнітному полю
Намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магніт
Намагнічуються, створюючи сильне магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього; залишаються намагніченими в разі зникнення зовнішнього магнітного поля
Незначно послаблюють зовнішнє магнітне поле, виштовхуються з нього
Незначно посилюють зовнішнє магнітне поле, втягуються в нього
Посилюють зовнішнє магнітне поле в сотні й тисячі разів, втягуються в нього
Інертні гази, золото, мідь, ртуть, срібло, азот, вода та ін.
Кисень, платина, алюміній, лужні та лужноземельні метали тощо
Залізо, нікель, кобальт, рідкісноземельні речовини (наприклад, неодим), низка сплавів
Контрольні запитання
1. Чому речовина змінює магнітне поле? 2. Наведіть приклади діамагнетиків; парамагнетиків; феромагнетиків. 3. Як напрямлене власне магнітне поле діамагнетика? парамагнетика? феромагнетика? 4. Як у зовнішньому магнітному полі поводиться тіло, виготовлене з діамагнетика? парамагнетика? феромагнетика? 5. Чому феромагнітні матеріали вважають сильномагнітними? 6. Де застосовують магнітом’які матеріали? магнітожорсткі матеріали? 7. Як А. Ампер пояснював намагніченість феромагнетиків?
1. Є два види сталі — магнітом’яка та магнітожорстка. Яка сталь є більш придатною для виготовлення постійних магнітів?
2. Які магнітні властивості матиме: а) залізо за 900 °С? б) кобальт за 900 °С?
3. Мідний циліндр підвісили на пружині та помістили в сильне магнітне поле (рис. 1). Як при цьому змінилося видовження пружини?
4. Чому на постійному магніті можна тримати ланцюжок залізних предметів (рис. 2)?
5. У посудині під великим тиском міститься суміш газів (азоту і кисню). Запропонуйте спосіб розділення цієї суміші на окремі компоненти.
6. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про магнітну левітацію. Якими є перспективи її застосування?
Експериментальне завдання
Використавши досить сильний магніт, дослідіть його взаємодію з тілами, виготовленими з різних матеріалів (наприклад, з міді, алюмінію, заліза).
3. Магнітні властивості речовин. Гіпотеза Ампера
Слабомагнітні речовини — це речовини, які створюють слабке магнітне поле, індукція якого набагато менша за індукцію зовнішнього магнітного поля (поля, яке спричинило намагнічування).
(Червоні лінії — лінії магнітного поля, створеного зразком; сині лінії — магнітні лінії зовнішнього поля)
До діамагнетиків належать інертні гази (гелій, неон тощо), багато металів (наприклад, золото, мідь, ртуть, срібло), молекулярний азот, вода та ін. Тіло людини є діамагнетиком, адже воно на 60 % складається з води.
До парамагнетиків належать кисень, платина, алюміній, лужні та лужноземельні метали.
Якщо слабомагнітні речовини вийняти з магнітного поля, то їхня намагніченість відразу зникне.
Феромагнетики — це сильномагнітні речовини, які створюють сильне магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього.
Феромагнетики залишаються намагніченими й у разі відсутності зовнішнього магнітного поля, посилюють зовнішнє магнітне поле в сотні й тисячі разів і втягуються в нього.
Жорсткомагнітні матеріали — це матеріали, які після припинення дії зовнішнього магнітного поля залишаються намагніченими довгий час. Їх застосовують для виготовлення постійних магнітів.
М’якомагнітні матеріали — це матеріали, які легко намагнічуються і швидко розмагнічуються. Застосовують їх для виготовлення осердь електромагнітів, двигунів, трансформаторів, тобто пристроїв, які під час роботи постійно перемагнічуються.
А. Ампер спостерігаючи дію на магнітну стрілку провідника зі струмом і з’ясувавши, що котушки зі струмом поводяться як постійні магніти, висунув гіпотезу щодо пояснення магнітних властивостей речовин.
Гіпотеза Ампера:
Всередині речовини існує величезна кількість незгасаючих малих колових струмів.
Механізм намагнічування тіл відповідно до гіпотези Ампера:
а — колові струми орієнтовані безладно, тіло не є намагніченим;
б — колові струми орієнтовані в певному напрямку, тіло намагнічене.
За гіпотезою Ампера, усередині молекул та атомів циркулюють елементарні електричні струми. На сьогодні ми добре знаємо, що ці струми утворюються внаслідок руху електронів в атомах, тобто кожен атом має магнітні властивості. Якщо атоми всередині тіла орієнтовані хаотично внаслідок теплового руху, то дії внутрішньоатомних струмів взаємно компенсуються і магнітних властивостей тіло не виявляє ( рис. а ). У намагніченому стані елементарні струми в тілі орієнтовані так, що їхні дії додаються ( рис. б ).
Гіпотеза Ампера пояснює, чому магнітна стрілка й рамка зі струмом у магнітному полі поводяться однаково. Стрілку (постійний магніт) можна розглядати як велику складну сукупність маленьких рамок зі струмом, зорієнтованих однаково.
Сучасна теорія магнетизму ґрунтується на законах квантової механіки і теорії відносності А. Ейнштейна .
1. Фізика : підруч. для 9 кл. загальноосвіт. навч. закл. / [В. Г. Бар’яхтар С. О. Довгий, Ф. Я. Божинова, О. О. Кірюхіна] ; за ред. В. Г. Бар’яхтара С. О. Довгого. — Харків : Вид-во «Ранок», 2017. — 272 с. : іл., фот.
2. Фізика : підруч. для 9-го кл. загальноосвіт. навч. закл. / В.Д. Сиротюк. — Київ : Генеза, 2017. — 248 с. : іл.
3. Фізика : підруч. для 9 кл. загальноосвіт. навч. закладів / Т. М. Засєкіна, Д. О. Засєкін. — К. : УОВЦ «Оріон», 2017. — 272 с. : іл.