Квантовая теория магнетизма. Сущность магнетизма

Несколько столетий назад родилось понятие магнетизма как физического явления. Оно определялось как форма взаимодействия электрических зарядов, которые постоянно находятся в состоянии движения. Это взаимодействие осуществляется под действием еще одной невидимой силы - магнитного поля. Его удалось вычислить при помощи формул и создать математическую модель.

Замечание 1

На рубеже 19 и 20 веков, когда были определены основные понятия в классической квантовой физике, ориентирующейся на физические процессы, происходящие в микромире атомных частиц, родилась квантовая теория магнетизма. Сегодня установлено, что в этом процессе принимают участие квантовые частицы – бозоны и фотоны.

Магнитная восприимчивость

Ученые определили, что для каждого тела, заключенного в черный ящик, где есть напряжение на выходе, а не входе подается ток, можно подсчитать его передаточный импеданс. Однако также существует понятие магнитной восприимчивости. Оно характеризуется функцией отклика. Такой отклик подается на магнитное поле. Исследователи полагают, что точно магнитную восприимчивость вычисли очень сложно. Система вычислений будет содержать очень крупные числа, которыми трудно оперировать. В этом случае применяют метод составления анализа магнитной восприимчивости. Он формируется на основе измерений и предполагает большую работу по подготовке.

По ее поведению устанавливают самые важные процессы, которые протекают в изучаемой системе. Потом ее изучают и составляют анализ, где учитываются все подобные процессы. Для реализации программы расчетов необходимо знать о процессах, которые возможны в такой системе, а также их влияния на восприимчивость.

Чтобы определить значение восприимчивости необходимо знать показатели намагниченности. Она создается приложенным магнитным полем. При расчете общим способом, в оборот берется зависимость магнитного поля от пространственных и временных координат. Когда поле находится в зависимости от времени, то вся система находится в тепловом равновесии. Для вычисления функции распределения необходимо учитывать уравнения движения.

В уравнениях Максвелла есть определение магнитного момента. Намагниченность получается на основе усреднения магнитных моментов ионов. Для выполнения усреднения необходимо знать распределение ионных токов. В общем случае расчетов такое понятие неизвестно математиками, поэтому есть объективная сложность во всей теории магнетизма.

Ученые применяют два метода решения этой проблемы:

• метод локализованных моментов;
• метод делокализованных моментов.

При достижении результата намагниченности следует найти среднее значение оператора текущего магнитного момента.

Обобщенная восприимчивость

Замечание 2

При рассмотрении понятия восприимчивости обычно берут во внимание среду, где отклик присутствует в равных долях к воздействию. При неоднородной среде отклик зависит от более высоких степеней воздействия.

Затем используют метод вторичного квантования. Магнетизм в металлических субстанциях предстает в виде многочастотного явления. Многочастичная волновая функция удовлетворяет уравнению Шредингера. Коэффициенты в разложенной функции зависят от квантовых чисел. При использовании чисел заполнения статистика учитывается не коэффициентами разложения, а базисными функциями.

Магнитный гамильтониан

Рассматриваемые свойства магнетизма обязаны своим происхождением электронам. Это было подтверждено на экспериментальном уровне. Установлено, что электрон обладает собственным магнитным моментом. При описании движения электрона используются релятивистские способы изучения, а также уравнение Дирака и источники поля.

При исследовании однородного гамильтониана с одним электроном установлено, что взаимодействие идет с электроном и его окружением. Самый простой метод имеют потенциалы с однородным внешним полем. В качестве дополнительных источников изучения используется:

• электрическое квадрупольное поле;
• операторная эквивалентность;
• дипольное магнитное поле;
• другие электроны этого же иона;
• кристаллическое электрическое поле.

В отличие от магнитного гамильтониана, который является прямым и общим, если знать его функции. Однако подобные данные недоступны, поэтому точных расчетов достичь не удается.

Статическая восприимчивость невзаимодействующих систем

Гамильтониан предстает в виде суммы отдельных членов. Для остальных систем существуют не взаимодействующие элементы. Так как явление магнетизма прочно связано с понятиями проводников и диэлектриков, многие математики используют их при составлении квантовой теории магнетизма. Диэлектрики характеризуются распределением заряда, и он неплохо локализован в конкретной ячейке. Эти системы описываются локализованными эффективными спинами. Однако, из-за того, что во многих природных элементах остается непонятой магнитный момент и его распределение, то дальнейшие вычисления также проводятся особыми методами.

Физик Ландау проводит эксперименты над неферромагнитными металлами. На приложенном поле впервые были исследована статическая реакция. Его коллега в это же рассмотрел спиновый парамагнетизм. Сам Ландау предпринял попытки распознать орбитальный диамагнетизм.

При измерении самой восприимчивости существует немало специальных методов. Все они основаны на том, что ест образец с удельной восприимчивостью. Если образец поместить на конец маятника, который висит под прямым углом по отношению к поверхности, то возникнет крутильный момент. Сбалансировать крутильный момент от образца возможно противоположным крутильным моментом. Он достигается при пропускании через элемент системы электрического тока. Оно проходит через соленоид. В остальных случаях измерение сводится к измерению тока, которое равно нулевому смещению. Для материалов с сильномагнитным полем используется магнитометр с вибрирующим образцом.

Одним из основных препятствий для развития более завершенной и согласованной теории электрических феноменов явилась преувеличенная значимость, придаваемая сходству между статическим электричеством и электрическим током. Такой подход породил ошибочную веру в то, что в оба вида феноменов входит лишь одна сущность – электрический заряд. Тот же вид ошибки, только более полным и категоричным образом проявился и в нынешнем взгляде на магнетизм. Настаивая на том, что электростатические и электрические феномены – это просто два аспекта одного и того же, современное научное мнение признает, что между ними существует достаточное различие, оправдывающее отдельную категорию электростатики в теоретических аспектах статических феноменов. Если магнитостатика (соответствующая ветвь магнетизма) и упоминается во всех современных физических текстах, обычно от нее отмахиваются как от “старого подхода”, ныне вышедшего из моды. Строго статические концепции, такие как магнитные полюса, чаще всего вводятся с извинениями.

Дробление отдельных физических сфер изучения на все больше и больше подразделений являлось характерной чертой научной деятельности на протяжении всей ее истории. В ситуации с магнитостатикой у нас имеется обратный процесс, случай, когда основное подразделение физики умерло благодаря каннибализму. Магнитостатику проглотил связанный с ней, но совсем другой феномен – электромагнетизм . Между этими двумя видами магнитных явлений есть много сходства, как и между двумя видами электричества. По существу, величины, в терминах которых выражается магнитостатика, определяются в основном электромагнитными отношениями. Но это ни в коей мере не оправдывает нынешнюю веру в то, что в процесс вовлечена лишь одна сущность. Подчиненный статус, который традиционная физика часто приписывает магнитным явлениям, иллюстрируется следующим комментарием К. У. Форда:

“Как считают физики-теоретики, магнетизм в нашем мире – это просто побочный продукт электричества; он существует лишь как результат движения электрически заряженных частиц”.

Такое утверждение подразумевает, что сделанные допущения установлены разумно и прочно . Однако на самом деле допущение, что магнетизм существует лишь как результат движения заряженных частиц, основывается на целиком и полностью незначимых допущениях. Истинная ситуация точнее описывается следующей цитатой из физического учебника:

“Лишь за прошедшие тридцать лет были созданы модели, объединяющие два источника магнетизма (магниты и магнитостатику). Даже сегодня модели далеки от совершенства, но, по крайней мере, они убедили людей, что имеется лишь один источник магнитных полей: все магнитные поля возникают за счет движущихся электрических зарядов”.

По существу, этот отрывок свидетельствует о том, что практически идея разработана не так уж и хорошо, но, тем не менее, большинство голосует за нее. Видный американский астроном Дж. Н. Бакелл указывал на то, что “часто мы создаем серьезные научные проблемы шумным одобрением, а не наблюдением” . Некритичное принятие “далеких от совершенства” моделей магнетизма – достойный пример такой ненаучной практики.

Странной характеристикой существующей ситуации является то, что, придя к выводу, что магнетизм – это просто побочный продукт электричества, одним из видов деятельности физиков является поиск магнитного аналога подвижного электрического заряда – электрона. И вновь, цитируя К. У. Форда:

“Электрическая частица создает электрическое поле. Когда оно движется, оно создает магнитное поле как вторичный эффект. В целях симметрии должны быть магнитные частицы, создающие магнитные поля, движение которых создает электрические поля так же, как движущиеся электрические частицы создают магнитные поля”.

Автор признает, что “и до сих пор магнитный монополь смущает всех исследователей. Экспериментаторы потерпели поражение в обнаружении любого признака частицы”. Этот блуждающий огонек продолжает преследоваться с рвением, вызывающим такие ехидные комментарии, как:

“Удивительно, что отсутствие экспериментального свидетельства существования магнитных монополей не уменьшает рвения искателей”.

Точка зрения Форда такова: “Очевидное отсутствие существования монопольных частиц приводит современных физиков к парадоксу, они не могут все бросить до тех пор, пока не найдут объяснения” . Но он же (ненамеренно) предлагает ответ на парадокс, которым завершает обсуждение ситуации с монополем:

“Физиков волнует вызов симметрии и всех известных законов – магнитная частица до сих пор не создана и не обнаружена”.

Всякий раз, когда наблюдаемые факты “бросают вызов известным законам” и нынешнему пониманию связи отношений симметрии с любой данной ситуацией, можно с уверенностью говорить, что нынешнее понимание симметрии и, по крайней мере, некоторых “известных законов” неверное. В данном случае любой критический подход быстро укажет не только на то, что ряд допущений, на основе которых делается вывод о существовании магнитных монополей, выведен из чистых допущений без фактической поддержки, но и на то, что между двумя ключевыми допущениями имеется определенное противоречие.

Как объяснял Форд, магнитный монополь, который так усердно ищут физики, - это частица, “создающая магнитные поля; то есть магнитный заряд”. Если бы такая частица существовала, она бы, конечно, оказывала магнитные влияния благодаря заряду. Но это напрямую противоречит допущению, что магнетизм является “побочным продуктом электричества”. Физики не могут сидеть одновременно на двух стульях. Если магнетизм – это побочный продукт электричества (то есть, электрических зарядов), тогда не может быть магнитного заряда (источника магнитных эффектов), аналогичного электрическому заряду - источнику электрических эффектов . С другой стороны, если бы частица с магнитным зарядом (магнитный монополь) существовала, тогда базовая теория магнетизма, приписывающая все магнитные эффекты электричеству, неверна .

Из положений теоретического развития вселенной движения очевидно, что упущенная информация – это понимание физической природы магнетизма. До тех пор, пока магнетизм считается побочным продуктом электричества, а электричество рассматривается как данная характеристика природы, не поддающаяся объяснению, ничто не направит теорию в надлежащие русла . Но как только осознается, что магнитостатические явления возникают за счет магнитных зарядов, и что такой заряд является видом движения (вибрацией вращения), ситуация проясняется почти автоматически. Конечно, магнитные заряды существуют. Точно так же, как имеются электрические заряды, являющиеся одномерными вибрациями вращения, действующими противоположно одномерным вращениям, существуют и магнитные заряды – двумерные вибрации вращения, действующие противоположно двумерным вращениям . Феномены, возникающие за счет зарядов такой природы, относятся к магнитостатике. Электромагнетизм – это еще один двумерный феномен, включающий движение непрерывной, а не вибрационной природы.

Двухмерность – вот ключ к пониманию магнитных отношений . Отсутствие осознания базовой характеристики магнетизма – одна из основных причин, создающих путаницу, существующую во многих сферах магнитной теории. Два измерения магнитного заряда и электромагнетизма являются, конечно, скалярными измерениями . Движение компонентов во втором измерении не возможно представить напрямую в традиционной пространственной системе отсчета, но они обладают наблюдаемыми косвенными влияниями, особенно на действующие величины. Значительный вклад в путаницу вносит и отсутствие осознания вибрационной природы электростатических и магнитостатических движений, которая резко отличает их от непрерывных движений, вовлеченных в электрический ток и электромагнетизм. Магнитостатика похожа на электромагнетизм тем, что определяющим фактором является ряд действующих измерений. Она похожа на электростатику тем, что определяющим фактором является вибрационный характер движения.

Наши открытия показывают, что отсутствие магнитных монополей – это не “вызов симметрии”. Симметрия существует, но для ее осознания требуется лучшее понимание природы электричества и магнетизма. В электрических и магнитных отношениях есть симметрия, и в некоторых смыслах именно такой вид симметрии предвидели Форд и его коллеги. Один вид магнитного поля действительно создается так же, как электрическое поле, как и полагает Форд в объяснении рассуждения, лежащего в основе гипотезы магнитного монополя. Но электрическое поле создает не “электрическая частица”; это определенный вид движения – вибрация вращения. Магнитное поле создается подобной вибрацией вращения. Магнитное поле создает электрический ток, поступательное движение частицы (незаряженного электрона) в проводнике. Поступательное движение магнитного поля аналогично создает электрический ток в проводнике. И вновь, симметрия существует, но не тот вид симметрии, который призывался бы для магнитного монополя.

Уравнение магнитной силы, выражение для силы между двумя магнитными зарядами, идентично уравнению Кулона, за исключением коэффициента t/s, введенного в магнитный заряд вторым скалярным измерением движения. Традиционная форма уравнения F = MM’/d². Как и в других первичных уравнениях силы, термины M’ и d² не обладают размерностями. На основе общих принципов, применяемых к уравнениям силы, что определялось во вселенной движения, упущенный термин в магнитном уравнении аналогичен 1/s в уравнении Кулона, - это 1/t. Тогда пространственно-временные размерности магнитного уравнения - F = t²/s² x 1/t = t/s².

Подобно движению, составляющему электрический заряд, и по тем же причинам, движение, составляющее магнитный заряд, обладает скалярным направлением наружу. Но поскольку в материальном секторе магнитное вращение обязательно положительное (смещение во времени), все устойчивые магнитные заряды в данном секторе обладают смещением в пространстве (отрицательным), и отсутствует независимое магнитное явление, соответствующее отрицательному* электрическому заряду . В данном случае нет установленного использования, препятствующего применению обозначений, согласующихся с терминологией вращения. Поэтому мы будем относить магнитный заряд к отрицательным зарядам, а не пользоваться положительным* обозначением, как в случае электрического заряда.

Хотя в материальном окружении отсутствуют положительные магнитные заряды, кроме как под влиянием внешних сил в ситуации, которая будет обсуждаться позже, двумерный характер магнитного заряда вносит влияние ориентации, не присутствующее в электрических феноменах. Все одномерные (электрические) заряды похожи; они не обладают отличительными характеристиками, по которым их можно было бы подразделить на разные виды классов. Но двумерный (магнитный) заряд состоит из вибрации вращения в измерении системы отсчета и еще одного скалярного измерения, независимого от первого, и, следовательно, перпендикулярного к нему в геометрическом представлении. Вращение, с которым связана вторая вибрация вращения, делит атом на две половины, которые могут определяться отдельно. На одной стороне от разделительной линии наблюдаемое вращение происходит по часовой стрелке. Скалярное направление магнитного заряда на этой стороне – направление наружу от вращения по часовой стрелке. Подобный заряд на противоположной стороне – это движение наружу от вращения против часовой стрелки.

Единица магнитного заряда относится лишь к одной из двух вращающихся систем. Следовательно, атом обретает два заряда, занимающих положения, описанные в предыдущем параграфе, и направленных противоположно. Поэтому каждый атом магнитной или намагниченной субстанции обладает двумя полюсами или центрами магнитного влияния. На Земле имеются аналоги магнитных полюсов, соответственно они называются северным полюсом и южным полюсом.

Полюса представляют собой точки скалярного отсчета. Действующее направление вибрации вращения, составляющее заряд, находящийся на северном полюсе, - это движение наружу от северной точки отсчета; действующее направление заряда, центрированного в южном полюсе, - это движение наружу от южной точки отсчета. Следовательно, взаимодействие двух магнитно заряженных атомов следует тому же паттерну, что и взаимодействие электрических зарядов. Как показано на рисунке 22, два северных полюса (линия а) движутся наружу от северных точек отсчета и, следовательно, наружу друг от друга. Два южных полюса (линия с) тоже движутся наружу друг от друга. Но, как показано на линии b, северный полюс, движущийся наружу от северной точки отсчета, движется по направлению к южному полюсу, который движется наружу от южной точки отсчета. Таким образом, одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются.

На этом основании, когда два магнитно заряженных атома сближаются друг с другом, северный полюс одного атома притягивается к южному полюсу другого атома. Результирующая структура – линейная комбинация северного полюса, нейтральная комбинация обоих полюсов и южный полюс. Прибавление третьего магнитно заряженного атома превращает южный полюс в нейтральную комбинацию, но оставляет новый южный полюс на новом конце структуры. Могут происходить и дальнейшие прибавления такого рода, ограниченные лишь температурными и другими разрушительными силами. Подобную стрелу атомов с северным и южным полюсами на противоположных концах можно создавать введением атомов намагниченной материи между магнитно заряженными атомами двухатомной комбинации. Разделение подобной структуры в любой точке ломает нейтральную комбинацию и оставляет северный и южный полюса на концах каждого сегмента. Следовательно, на сколько частей не делился бы намагниченный материал, в каждом фрагменте материала всегда имеются северный и южный полюса .

Благодаря направленному характеру магнитных сил они подвергаются экранированию так же, как электрические силы. С другой стороны, гравитационная сила не может экранироваться или модифицироваться никоим образом. Многие наблюдатели сочли это указанием на то, что гравитационная сила должна обладать абсолютно другой природой. Такое впечатление усугубляется трудностью обнаружения подходящего места гравитации в основной физической теории. Основная цель теоретиков, работающих над проблемой построения “общей теории” или “единой теории” физики – найти место гравитации в своей теоретической структуре.

Сейчас развитие теории вселенной движения показывает, что гравитация, статическое электричество и магнитостатика – явления одного и того же рода. Они отличаются друг от друга лишь числом действующих скалярных измерений . Благодаря симметрии пространства и времени в этой вселенной каждый вид силы (движения) обладает противоположно направленным партнером. Гравитация не исключение, она имеет место, как во времени, так и в пространстве . Следовательно, она подвергается тому же дифференцированию между положительным и отрицательным, что и дифференциация, которую мы обнаруживаем в электрических силах. Но в материальном секторе вселенной итоговое гравитационное влияние всегда происходит в пространстве, то есть, отсутствует действующая отрицательная гравитация . В космическом секторе оно всегда происходит во времени. Поскольку гравитация трехмерна, не может быть любой пространственной дифференциации вида, который мы обнаруживаем в магнетизме.

В результате отсутствия понимания истинной связи между электромагнитными и гравитационными феноменами, традиционная физическая наука не способна сформулировать теорию, относящуюся к обеим сферам. Ее подход к проблеме – допускать, что электричество фундаментально, и воздвигать структуру физической теории на этом основании. Чтобы привести наблюдения и измерения в соответствие с теорией, основанной на электричестве, требуются дальнейшие допущения. Таким образом, гравитации присвоили статус необъяснимой аномалии. Так случилось из-за способа построения теорий, а не из-за какой-либо особенности гравитации . Если бы подход изменился, физическая теория строилась бы на основании допущения, что гравитация фундаментальна, а “не усвоенными” пунктами оказались бы электричество и магнетизм. Единую теорию, которую пытаются построить исследователи, можно создать лишь посредством развития, такого как представленного в данной работе. Оно покоится на прочном фундаменте понимания, где каждому из трех базовых феноменов отводится свое надлежащее место.

Помимо влияний разницы в числе скалярных измерений, свойства вибрации вращения, составляющей магнитный заряд, совпадают со свойствами вибрации вращения, составляющей электрический заряд. Отсюда в надлежащих материалах можно индуцировать магнитные заряды. Материалы, в которых индуцируются магнитные заряды, ведут себя как постоянные магниты . По существу, некоторые материалы становятся постоянными магнитами, когда в них индуцируются магнитные заряды. Однако лишь относительно небольшое число элементов способно намагничиваться в значительной степени; то есть, обладать свойством, известным как ферромагнетизм .

Традиционные теории магнетизма не имеют объяснения ограничению намагничивания элементов. Конечно, эти теории подразумевали бы, что оно должно быть общим свойством материи. На основании ранее упомянутых допущений электроны, которые традиционная теория рассматривает как составляющие атомов, являются миниатюрными электромагнитами и создают магнитные поля. В большинстве случаев допускается, что магнитные поля атомов ориентированы случайно и отсутствует итоговая магнитная результирующая. “Однако имеется несколько элементов, в атомах которых поля, созданные разными электронами, взаимно уничтожаются не полностью. Такие атомы обладают итоговым магнитным полем. У некоторых материалов… магнитные поля атомов выстраиваются в линию друг с другом” . Допускается, что такие материалы обладают магнитными свойствами. А вот почему эти несколько элементов должны обретать свойство, которым не обладает большинство элементов, не уточняется .

В целях объяснения в терминах вселенной движения нам потребуется рассмотреть природу атомного движения. Если к трехмерной комбинации движений, составляющих атом, прибавляется двумерная, положительная вибрация вращения, это меняет величины движений. Результат – не один и тот же атом с магнитным зарядом, а атом другого вида . Как отдельная сущность магнитный заряд может существовать лишь в атоме, составленном так, что имеется часть атомной структуры, способная вибрировать двумерно и независимо от основного тела атома. Если нас волнует магнитное вращение, требование удовлетворяется тогда, когда вращение асимметрично; то есть, в одном из двух магнитных измерений имеется n единиц смещения, а в другом – n + 1.

На этом основании симметричные элементы, обладающие магнитными вращениями 1-1, 2-2, 3-3 и 4-4, исключаются. Хотя магнитный заряд не обладает третьим измерением, электрическое вращение, с которым он связан в трехмерном движении атома, не должно зависеть от вращения, связанного с оставшейся частью атома. Следовательно, электрическое смещение вращения должно превышать 7, так чтобы одна полная единица (7 единиц смещения плюс уровень первичной единицы) могла оставаться с основным телом магнитного вращения, в то время как избыток относится к магнитному вращению. Более того, электрическое смещение должно быть положительным, поскольку система отсчета не может вмещать два разных отрицательных смещения (движение во времени) в одной и той же атомной структуре. Следовательно, полностью исключаются электроотрицательные смещения. Влияние всех исключений ограничивает магнитные заряды до небольшого числа элементов.

Первым элементом, способным принимать магнитный заряд в обычном состоянии, является железо . Такое положение №1 особенно благоприятно для намагничивания, поэтому железо до сих пор остается самым магнитным из элементов. Два следующих элемента, кобальт и никель , тоже магнитные, поскольку их электрическое смещение обычно положительное. В особых условиях смещения хрома (6) и магния (7) увеличиваются соответственно до 8 и 9 с помощью переориентации относительно новой нулевой точки, что объяснялось в томе 1 книги Д. Ларсона. Тогда эти элементы тоже способны принимать магнитные заряды.

Согласно предыдущему объяснению атомных характеристик, требующихся для приема магнитного заряда, другими магнитными элементами являются лишь члены Деления II Группы 4А. Теоретическое ожидание совпадает с наблюдением, но имеются пока необъяснимые различия между магнитным поведением этих элементов и элементов Группы 3А. В Группе 4А магнитная сила меньше. Лишь один из элементов этой группы, гадолиний, магнитен при комнатной температуре, и он не занимает того же положения в группе, что и железо - самый магнитный элемент Группы 3А. Однако самарий, находящийся в положении железа, не играет важной роли во многих магнитных сплавах. Гадолиний находится на два положения выше в атомных сериях, что может указывать на то, что он подвергается модификации, подобной модификации, присущей низшим элементам Группы 3А, но противоположно направленной.

Если на основании поведения в некоторых сплавах мы приписываем некоторые магнитные свойства ванадию, все элементы Деления II Групп 3А и 4А обладают степенью намагничиваться при надлежащих условиях. Большее число магнитных элементов в Группе 4А – это отражение большего размера 32-х элементов группы, который помещает эти элементы в деление II. В связи с магнитными свойствами редкоземельных элементов Группы 4А имеется ряд еще необъяснимых особенностей в положениях элементов в атомных сериях. Возможно, они связаны с другими еще необъяснимыми отклонениями в поведении этих элементов, которые были замечены при обсуждениях других физических свойств. Магнитные способности элементов деления II и сплавов переносятся в некоторые соединения. Но такие простые соединения как бинарные хлориды, окиси и так далее – не магнитные; то есть, не способны принимать магнитные заряды ферромагнитного типа.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Термины “электрический” и “магнитный” введены в работах Д. Ларсона с пониманием того, что они используются как синонимы для соответственно “скалярно одномерного” и “скалярно двумерного”, а не ограничивались относительно узким значением, которое они имеют в повседневной практике. Здесь они используются в тех же смыслах, хотя расширенный объем определений не так очевиден, потому что сейчас мы в основном имеем дело с феноменами, которые обычно называются “электрическими” или “магнитными”. Мы определили одномерное движение незаряженных электронов как электрический ток, одномерную вибрацию вращения – как электрический заряд, двумерную вибрацию вращения – как магнитный заряд . Конкретнее, магнитный заряд – это двумерное вращательно распределенное скалярное движение вибрационного характера .

Сейчас мы готовы исследовать движения, не являющиеся зарядами, но обладающие некоторыми первичными характеристиками магнитного заряда, то есть они являются двумерными направленными распределенными скалярными движениями.

Давайте рассмотрим короткий отрезок проводника, по которому будем пропускать электрический ток. Материя, из которой состоит проводник, подвергается действию гравитации - трехмерно распределенному скалярному движению вовнутрь. Как мы видели, ток – это движение пространства (электронов) в материи проводника, эквивалентное скалярному движению материи в пространстве наружу. Таким образом, одномерное движение тока противодействует части скалярного движения гравитации вовнутрь, действующей в скалярном измерении пространственной системы отсчета.

В этом примере давайте предположим, что два противоположных движения в отрезке проводника равны по величине. Тогда итоговое скалярное измерение равно нулю. От начального трехмерного гравитационного движения остается вращательно распределенное скалярное движение в двух других скалярных измерениях . Поскольку оставшееся движение скалярное и двумерное, оно магнитное и известно как электромагнетизм . Обычно гравитационное движение в измерении тока лишь частично нейтрализуется потоком тока, но это не меняет природы результата, а просто уменьшает величину магнитного влияния.

Из вышеприведенного объяснения видно, что электромагнетизм – это остаток гравитационного движения, который остается после того, как все или часть движения в одном из трех гравитационных измерений нейтрализуется противоположно направленным движением электрического тока . Следовательно, двумерное скалярное движение перпендикулярно потоку тока . Поскольку гравитационное движение в двух измерениях не подвергается влиянию движения электрического тока наружу, оно обладает скалярным направлением вовнутрь.

Во всех случаях магнитный эффект проявляется намного больше, чем гравитационный, который убирается, если рассматривается в контексте нашей гравитационно связанной системы отсчета. Это не означает, что ток создает нечто. Происходит следующее. Определенные движения преобразуются в другие виды движений, более сконцентрированных в системе отсчета. И чтобы удовлетворить требованиям новой ситуации, привносится энергия извне. Как указывалось, разница, которую мы наблюдаем между величинами движений с разными числами действующих измерений, - это искусственный результат нашего расположения в гравитационно связанной системе, расположения, сильно увеличивающего размер . С точки зрения естественной системы отсчета, системы, к которой реально приспосабливается вселенная, основные единицы не зависят от измерений; то есть 1³ = 1² = 1. Но благодаря нашему асимметричному расположению во вселенной, естественная единица скорости, s/t, принимает бо льшую величину, 3x10 10 см/сек. Она становится коэффициентом измерения, который входит в каждое соотношение между величинами разных измерений .

Например, термин c² (квадрат 3x10 10) в уравнении Эйнштейна для отношения между массой и энергией отражает коэффициент, относящийся к двум скалярным измерениям, отделяющим массу (t³/s³) от энергии (t/s). Аналогично, разница в одно измерение между двумерным магнитным влиянием и трехмерным гравитационным влиянием делает магнитное влияние в 3x10 10 раза больше (если выражено в системе сгс). Магнитное влияние меньше, чем одномерное электрическое влияние на тот же самый коэффициент. Из этого следует, что магнитная единица заряда или электромагнитная единица, определенная магнитным эквивалентом закона Кулона, в 3x10 10 раз больше, чем электрическая единица или электростатическая единица. Электрическая единица 4,80287x10 -10 электростатических единиц эквивалентна 1,60206x10 -20 электромагнитных единиц.

Относительные скалярные направления сил между элементами тока противоположны направлениям сил, создаваемых электрическими и магнитными зарядами, как показано на рисунке 23, который следует сравнить с рисунком 22. Электромагнитные движения вовнутрь направлены к нулевым точкам, из которых движения зарядов направлены наружу. Два проводника, несущие ток в том же направлении, AB или A’B, аналогично одноименным зарядам, движутся друг к другу, как показано линией (а) на схеме, а не отталкиваются друг от друга, как это делают одноименные заряды. Два проводника, несущие ток в направлении BA или B’A, как показано на линии (с), тоже движутся друг к другу. Но проводники, несущие ток в противоположных направлениях, AB’ и BA’, аналогично разноименным зарядам, отталкиваются друг от друга, как указано на линии (b).

Такие различия в возникновении и скалярном направлении между двумя видами магнетизма проявляются и другими способами. В нашем исследовании данных тем будет удобнее рассматривать отношения силы с другой точки зрения. До сих пор наше обсуждение вращательно распределенных скалярных движений – гравитационного, электрического и магнитного – проходило в терминах сил, оказываемых отдельными объектами, по существу, точечными источниками рассматриваемых влияний. Сейчас, в электромагнетизме, мы имеем дело с протяженными источниками. На самом деле они являются протяженными совокупностями дискретных источников, поскольку все физические феномены существуют в форме дискретных единиц. Следовательно, было бы возможно работать с электромагнитными влияниями так же, как с влияниями, возникающими за счет легче определяемых точечных источников, но такой подход к протяженным источникам сложен и труден. Значительное упрощение достигается введением концепции поля.

Такой подход применим и к более простым гравитационным и электрическим феноменам. Конечно, сейчас это модный способ иметь дело со всеми (видимыми) взаимодействиями, хотя к дискретным источникам лучше подходит альтернативный подход. Исследуя базовую природу полей, мы можем рассмотреть ситуацию с гравитацией, которая во многих отношениях является самым простым из феноменов. Как мы знаем, масса А обладает движением АБ по направлению к массе Б, находящейся поблизости. Это движение неотъемлемо неотличимо от движения БА атома Б. В той степени, в какой реальному движению массы А препятствует инерция, движение объекта А появляется в системе отсчета как движение объекта Б, составляющее прибавление к реальному движению этого объекта.

Величина гравитационного движения массы А, приписанного массе Б, определяется как произведение масс А и Б, деленное на расстояние между двумя массами, поскольку является движением массы Б, если скалярное движение АБ рассматривается как движение обоих объектов. Из этого следует, что каждому пространственному положению вблизи от объекта А можно присвоить величину и направление, указывая способ, каким масса размером в единицу двигалась бы под влиянием гравитационной силы объекта А, если бы занимала это расположение. Соединение расположений и соответствующих векторов сил составляет гравитационное поле объекта А . Аналогично, распределение движения электрических или магнитных зарядов определяет электрическое или магнитное поле в пространстве, окружающем заряд.

Математическое выражение объяснения поля массы или заряда идентично тому, которое появляется в ныне принятой физической теории, но его концептуальная основа совсем другая . Традиционная точка зрения такова. Поле – это “нечто физически реальное в пространстве” вокруг возбуждающего объекта, а сила физически передается от одного объекта другому этим “нечто”. Однако после критического анализа ситуации П. У Бриджмен пришел к выводу об отсутствии свидетельства, оправдывающего допущение, что это “нечто” реально существует. Мы находим, что поле – это не “нечто физическое” . Это просто математическое следствие неспособности традиционной системы отсчета представлять истинный характер скалярного движения. Но осознание истинного статуса как математического приема не лишает его полезности. Полевой подход остается самым простым и наиболее удобным способом математически иметь дело с магнетизмом.

Поле магнитного заряда определяется в терминах силы, действующей на пробный магнит. Поле магнитного полюса, например, одного конца длинного стержневого магнита, радиально. Как можно видеть из описания возникновения магнетизма в предыдущих параграфах, поле провода, несущего электрический ток, тоже было бы радиальным (в двух измерениях), если бы определялось в терминах силы, действующей на элемент тока в параллельном проводнике. Привычно определять магнитное поле на основе электростатики: то есть, силой, действующей на магнит или электромагнит в форме катушки, соленоид, который создает радиальное поле так же, как стержневой магнит посредством геометрической компоновки. Если поле несущего ток провода определяется именно так, оно окружает провод, а не растягивается радиально. Тогда сила, действующая на пробный магнит перпендикулярна полю и направлению потока тока.

Это прямой вызов физической теории, очевидное нарушение повсеместно применяемых физических принципов. Физика никогда не встречалась с таким вызовом. Физики не способны даже выдвинуть правдоподобную гипотезу. Поэтому они просто отмечают аномалию, “странную” характеристику магнитного эффекта. “Магнитная сила обладает странно направленным характером, - говорит Ричард Фейнман. - В каждом примере, сила всегда пребывает под прямыми углами к вектору скорости” . Однако перпендикулярная связь между направлением движения тока и направлением силы не казалась бы странной, если бы взаимодействовали магниты с магнитами и токи с токами . В этом случае магнитное влияние тока на ток все еще пребывало бы “под прямыми углами к вектору скорости”, но в направлении поля, а не перпендикулярно к нему, поскольку поле определялось бы в терминах действия тока на ток . В случае взаимодействия тока с магнитом результирующая сила перпендикулярна магнитному полю, то есть, вектору напряженности поля . Пробный магнит в электромагнитном поле не движется в направлении поля, как можно было бы ожидать, а в перпендикулярном направлении.

“Заметьте, какое странное направление силы. Оно не совпадает ни с полем, ни с направлением тока. Вместо этого сила перпендикулярна и току и линиям поля”.

Использование слова “странный” в данном утверждении – это неявное признание, что причина перпендикулярного направления не понята в контексте современной физической теории. И вновь, развитие вселенной движения предлагает упущенную информацию. Ключ к пониманию ситуации – осознание разницы между скалярным направлением движения (силой) магнитного заряда наружу и электромагнитным движением вовнутрь .

Очевидно, что движение электрического тока происходит в одном из скалярных измерений, отличного от измерения, представленного в пространственной системе отсчета, поскольку направление потока тока обычно не совпадает с направлением движения проводника. Следовательно, магнитный остаток состоит из движения в другом ненаблюдаемом измерении и в измерении системы отсчета. Если магнитное влияние одного тока взаимодействует с магнитным влиянием другого, измерение движения тока А, параллельного измерению системы отсчета, совпадает с соответствующим измерением тока Б. Результат – единая сила, сила взаимного притяжения или отталкивания, уменьшающая или увеличивающая расстояние между А и Б. Но если взаимодействие происходит между током А и магнитом В, измерения, параллельные системе отсчета, не могут совпадать, поскольку движение (и соответствующая сила) тока А происходит в скалярном направлении вовнутрь, а движение магнита В происходит в скалярном направлении наружу.

Можно поинтересоваться, почему движения вовнутрь и наружу не могут сочетаться на положительном или отрицательном основании с итоговой результирующей, равной разности. Причина в том, что движение вовнутрь проводника А к магниту В является одновременно движением В к А, поскольку скалярное движение – это обоюдный процесс . Движение магнита наружу похоже на движение В от А и движение А от В. Из этого следует, что два отдельных движения обоих объектов, одно вовнутрь, другое наружу, не являются комбинацией движения вовнутрь одного объекта и движением наружу другого объекта. Из этого следует, что два движения должны происходить в разных скалярных измерениях . Поэтому сила, действующая на элемент тока в магнитном поле (силовой аспект движения в измерении системы отсчета), перпендикулярна полю .

Эти отношения показаны на рисунке 24. Слева находится один конец стержневого магнита. Магнит создает магнитостатическое (МС) поле, существующее в двух скалярных измерениях. Одно измерение любого скалярного движения должно быть ориентировано так, чтобы совпадать с измерением системы отсчета. Мы будем называть наблюдаемое измерение МС движения - А, пользуясь большой буквой, чтобы продемонстрировать наблюдаемый статус, и представляя МС поле жирной линией. Ненаблюдаемое измерение движение обозначается буквой b и представляется тонкой линией.

Сейчас мы вводим электрический ток в третье скалярное измерение. Как указывалось выше, его ориентация совпадает с измерением системы отсчета и обозначается буквой С. Ток создает электромагнитное (ЭМ) поле в измерениях а и b, перпендикулярных С. Поскольку МС движение обладает скалярным направлением наружу, в то время как ЭМ движение направлено вовнутрь, скалярные измерения движений, совпадающие с измерением системы отсчета, не могут быть одними и теми же. Поэтому измерениями ЭМ движения являются В и а; то есть, наблюдаемый результат взаимодействия между двумя видами магнитного движения находится в измерении В, перпендикулярном к МС полю и току С.

Электронный учебник по физике

КГТУ-КХТИ. Кафедра физики. Старостина И.А., Кондратьева О.И., Бурдова Е.В.

Для перемещения по тексту электронного учебника можно использовать:

1- нажатие клавиш PgDn, PgUp,,  для перемещения по страницам и строкам;

2- нажатие левой клавиши «мыши» по выделенному тексту для перехода в требуемый раздел;

3- нажатие левой клавиши «мыши» по выделенному значку @ для перехода в оглавление.

МАГНЕТИЗМ

МАГНЕТИЗМ

1. ОСНОВЫ МАГНИТОСТАТИКИ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

1.1. Магнитное поле и его характеристики.@

1.2. Закон Ампера.@

1.3. Закон Био – Савара – Лапласа и его применение к расчету магнитного поля. @

1.4. Взаимодействие двух параллельных проводников с током. @

1.5. Действие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу. @

1.6. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме(теорема о циркуляции вектора В). @

1.7. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля. @

1. 8. Рамка с током в однородном магнитном поле. @

2. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ. @

2.1. Магнитные моменты атомов. @

2.2. Атом в магнитном поле. @

2.3. Намагниченность вещества. @

2.4. Виды магнетиков. @

2.5. Диамагнетизм. Диамагнетики. @

2.6. Парамагнетизм. Парамагнетики. @

2.7. Ферромагнетизм. Ферромагнетики. @

2.8. Доменная структура ферромагнетиков. @

2.9. Антиферромагнетики и ферриты. @

3. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. @

3.1. Основной закон электромагнитной индукции. @

3.2. Явление самоиндукции. @

3.3. Явление взаимной индукции. @

3.4. Энергия магнитного поля. @

4. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА. @

4.1. Теория Максвелла для электромагнитного поля. @

4.2. Первое уравнение Максвелла. @

4.3. Ток смещения. @

4.4. Второе уравнение Максвелла. @

4.5. Система уравнений Максвелла в интегральной форме. @

4.6. Электромагнитное поле. Электромагнитные волны. @

МАГНЕТИЗМ

Магнетизм - раздел физики, изучающий взаимодействие между электричес­ки­ми токами, между токами и магнитами (телами с магнитным моментом) и между магнитами.

Долгое время магнетизм считался совершенно независимой от электричества наукой. Однако ряд важнейших открытий 19-20 веков А.Ампера, М.Фарадея и др. доказали связь электрических и магнитных явлений, что позволило считать учение о магнетизме составной частью учения об электричестве.

1. ОСНОВЫ МАГНИТОСТАТИКИ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

1.1. Магнитное поле и его характеристики.@

Впервые магнитные явления были последовательно рассмотрены английским врачом и физиком Уильямом Гильбертом в его работе - «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Тогда казалось, что электричество и магнетизм не имеютничего общего. Лишь в началеXIXвека датский ученый Г.Х.Эрстед выдвинул идею о том, что магнетизм может оказаться одной из скрытых форм электричества, что и подтвердил в 1820 г. на опыте. Этот опыт повлек за собой лавину новых открытий, имевших огромное значение.

Многочисленные опыты начала XIXвека показали, что каждый проводник с током и постоянный магнит способны оказывать силовое воздействие через пространство на другие проводники с током или магниты. Это происходит из-за того, что вокруг проводников с током и магнитов возникает поле, которое было названомагнитным .

Для исследования магнитного поля применяют небольшую магнитную стрелку, подвешенную на нити или уравновешенную на острие (Рис.1.1). В каждой точке магнитного поля стрелка, расположенная произвольно, будет п

Рис.1.1. Направление магнитного поля

Рассмотрим ряд опытов, которые позволили установить основные свойства магнитного поля:

На основании данных опытов был сделан вывод о том, что магнитное поле создается только движущимися зарядами или движущимися заряженными телами, а также постоянными магнитами. Этим магнитное поле отличается от электрического поля, которое создается как движущимися, так и неподвижными зарядами и действует как на одни, так и на другие.

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . За направление магнитной индукции в данной точке поля принимают направление, по которому в данной точке располагается ось магнитной стрелки отS к N (рис.1.1). Графически магнитные поля изображаются силовыми линиями магнитной индукции, то есть кривыми, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора В.

Эти силовые линии можно увидеть с помощью железных опилок: например, если рассыпать опилки вокруг длинного прямолинейного проводника и пропустить через него ток, то опилки поведут себя подобно маленьким магнитикам, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля (рис. 1.2).

Как определить направление вектора около проводника с током? Это можно сделать с помощью правила правой руки, которое иллюстрируется рис. 1.2. Большой палец правой руки ориентируют в направлении тока, тогда остальные пальцы в согнутом положении указывают направление силовых линий магнитного поля. В случае, изображенном на рис.1.2, линиипредставляют собой концентрические окружности. Линии вектора магнитной индукции всегдазамкнуты и охватывают проводник с током. Этим они отличаются от линий напряженности электрического поля, которые начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах, т.еразомкнуты . Линии магнитной индукции постоянного магнита выходят из одного полюса, называемого северным (N) и входят в другой - южный (S) (рис. 1.3а). Вначале кажется, что здесь наблюдается полная аналогия с линиями напряженности электрического поля Е, причем полюса магнитов играют роль магнитных зарядов. Однако если разрезать магнит, картина сохраняется, получаются более мелкие магниты со своими северными и южными полюсами, т.е. полюса разделить невозможно, потому что свободных магнитных зарядов, в отличие от электрических зарядов, в природе не существует. Было установлено, что внутри магнитов имеется магнитное поле и линии магнитной индукции этого поля являются продолжением линий магнитной индукции вне магнита, т.е. замыкают их. Подобно постоянному магниту магнитное поле соленоида – катушки из тонкой изолированной проволоки с длиной намного больше диаметра, по которой течет ток (рис.1.3б). Конец соленоида, из которого ток в витке виден идущим против часовой стрелки, совпадает с северным полюсом магнита, другой – с южным. Магнитная индукцияв системе СИ измеряется в Н/(А∙м), этой величине присвоено специальное наименование – тесла .

Согласно предположению французского физика А.Ампера,намагниченное железо (в частности, стрелки компаса) содержит непрерывно движущиеся заряды, т.е. электрические токи в атомном масштабе. Такие микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах, существуют в любом теле. Эти микротоки создают свое магнитное поле и могут сами поворачиваться во внешних полях, создаваемых проводниками с током.Например, если вблизи какого-либо тела поместить проводник с током, то под действием его магнитного поля микротоки во всех атомах определенным образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле. О природе и характере этих микротоков Ампер в то время ничего не мог сказать, так как учение о строении вещества находилось еще в самой начальной стадии. Гипотеза Ампера была блестяще подтверждена лишь спустя 100 лет, после открытия электрона и выяснения строения атомов и молекул.

Магнитные поля, существующие в природе, разнообразны по масштабам и по вызываемым эффектам. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается на расстоянии 70 – 80 тысяч км в направлении к Солнцу и на многие миллионы километров в обратном направлении. В околоземном пространстве магнитное поле образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий. Происхождение магнитного поля Земли связывают с движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и Сатурн обладают заметными магнитными полями. Магнитное поле Солнца играет важнейшую роль во всех происходящих на Солнце процессах – вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей.

Магнитное поле широко применяется в различных отраслях промышленности, в частности при очистке муки на хлебозаводах от металлических примесей. Специальные просеиватели муки снабжены магнитами, которые притягивают к себе мелкие кусочки железа и его соединений, которые могут содержаться в муке.

Взаимодействия.

Магнитное взаимодействие между железом и магнитом или между магнитами происходит не только при непосредственном их соприкосновении, но и на расстоянии. С увеличением расстояния сила взаимодействия уменьшается, и при достаточно большом расстоянии она перестает быть заметной. Следовательно, свойства части пространства вблизи магнита отличаются от свойств той части пространства, где магнитные силы не проявляются. В пространстве, где проявляются магнитные силы, имеется магнитное поле.

Если магнитную стрелку внести в магнитное поле, то она установится вполне определенным образом, причем в различных местах поля она будет устанавливаться по-разному.

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

Естественные и искусственные магниты

Если вырезать из такого материала полоску и подвесить ее на нить, то она будет устанавливаться в пространстве вполне определенным образом: вдоль прямой, проходящей с севера на юг. Если вывести полоску из этого состояния, т. е. отклонить от направления, в котором она находилась, а затем снова предоставить самой себе, то полоска, совершив несколько колебаний, займет прежнее положение, установившись в направлении с севера на юг.

Если погрузить эту полоску в железные опилки, то они притянутся к полоске не везде одинаково. Наибольшая сила притяжения будет на концах полоски, которые были обращены к северу и югу.

Эти места полоски, на которых обнаруживается наибольшая сила притяжения, носят название магнитных полюсов. Полюс, направленный к северу, получил название северного полюса магнита (или положительного) и обозначается буквой N (или С); полюс, направленный к югу» получил название южного полюса (или отрицательного) и обозначается буквой S (или Ю). Взаимодействие полюсов магнита можно изучить следующим образом. Возьмем две полоски из магнетита и одну из них подвесим на нити, как уже указывалось выше. Держа вторую полоску в руке, будем подносить ее к первой разными полюсами.

Окажется, что если, к северному полюсу одной полоски приближать южный полюс другой, то возникнут силы притяжения между полюсами, и подвешенная на нити полоска притянется. Если к северному полюсу подвешенной полоски поднести вторую полоску также северным полюсом, то подвешенная полоска будет отталкиваться.

Проводя такие опыты, можно убедиться в справедливости установленной Гильбертом закономерности о взаимодействии магнитных полюсов: одноименные полюсы отталкиваются, разноименные притягиваются.

Если бы мы захотели разделить магнит пополам, чтобы отделить северный магнитный полюс от южного, то, оказывается, нам не удалось бы сделать этого. Разрезав магнит пополам, мы получим два магнита, причем каждый с двумя полюсами. Если мы продолжали бы этот процесс и дальше, то, как показывает опыт, нам никогда не удастся получить магнит с одним полюсом. Этот опыт убеждает нас, что полюсы, магнита не существуют раздельно, подобно тому как раздельно существуют отрицательные и положительные электрические заряды. Следовательно, и элементарные носители магнетизма, или, как их называют, элементарные магнитики, также должны обладать двумя полюсами.

Описанные выше естественные магниты в.настоящее время практически не используются. Гораздо более сильными и более удобными оказываются искусственные постоянные магниты. Постоянный искусственный магнит проще всего изготовить из стальной полоски, если натирать ее от центра к концам противоположными полюсами естественных или других искусственных магнитов. Магниты, имеющие форму полоски, носят название полосовых магнитов. Часто удобнее бывает пользоваться магнитом, напоминающим по форме подкову. Такой магнит носит название подковообразного магнита.

Искусственные магниты обычно изготовляются так, что на их концах создаются противоположные магнитные полюса. Однако это совсем не обязательно. Можно изготовить такой магнит, у которого оба конца будут иметь один и тот же полюс, например, северный. Изготовить такой магнит можно, натирая от середины к концам стальную полоску одинаковыми полюсами.

Однако северный и южный полюсы и у такого магнита неотделимы. Действительно, если его погрузить в опилки, то они сильно притянутся не только по краям магнита, но и к его середине. Легко проверить, что по краям расположены северные полюсы, а южный – посередине.

Магнитные свойства. Классы веществ

Ферромагнетики

Некоторые вещества и сплавы (прежде всего, следует отметить железо, никель и кобальт) при температуре ниже точки Кюри приобретают свойство выстраивать свою кристаллическую решетку таким образом, что магнитные поля атомов оказываются однонаправленными и усиливают друг друга, благодаря чему возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материла. Из таких материалов получаются вышеупомянутые постоянные магниты. На самом деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain - «область»). При остывании железа ниже точки Кюри формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Тогда мы получаем настоящий магнит - тело, обладающее ярко выраженным внешним магнитным полем. Именно так устроены постоянные магниты.

Парамагнетики

В большинстве материалов внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких материалов нет. Однако при помещении такого материала в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого материла. Материалы, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако, убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть, парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.

Диамагнетики

В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше - на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока. Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.

Магнетизм в природе

Немагнитных веществ, в принципе, не существует. Любое вещество всегда «магнитно», т. е. изменяет свои свойства в магнитном поле. Иногда эти изменения совсем небольшие и обнаружить их можно только с помощью специальной аппаратуры; иногда они довольно значительны и обнаруживаются без особого труда с помощью весьма простых средств. К слабомагнитным веществам можно отнести алюминий, медь, воду, ртуть и др., к сильномагнитным или просто магнитным (при обычных температурах) – железо, никель, кобальт, некоторые сплавы.

Использование магнетизма

Необычайная общность магнитных явлений, их огромная практическая значимость, естественно, приводят к тому, что учение о магнетизме является одним из важнейших разделов современной физики.

Магнетизм также неотъемлемая часть компьютерного мира: до 2010-х годов в мире были очень распространены магнитные носители информации (компакт-кассеты , дискеты и др), однако ещё «котируются» магнитооптические носители (DVD-RAM

Книга американского ученого, перевод первого издания которой был опубликован в 1972 г., написана фактически заново и отражает все важнейшие достижения физики магнетизма за последние 12 лет. Используется единый подход, основанный на рассмотрении обобщенной восприимчивости.
Рассчитана на научных работников, а также аспирантов и студентов, занимающихся проблемами магнетизма и физики твердого тела.

МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ.
Всякую систему можно характеризовать ее откликом на внешнее воздействие. Например, пресловутый «черный ящик» в электронике характеризуется напряжением на выходе, когда на его входе задан ток. Величина, называемая передаточным импедансом, содержит всю информацию, необходимую для понимания работы черного ящика. Если известно, что именно заключено в черном ящике (например, если мы знаем детальную схему включения сопротивлений, диодов и т. д.), то можно теоретически установить, каким будет передаточный импеданс.

Точно так же если рассматривать кристалл как систему зарядов и токов, то его можно характеризовать функцией отклика. Нас здесь будет интересовать в основном отклик такой системы на магнитное поле. В этом случае «выходом» служит намагниченность, а функцией отклика - магнитная восприимчивость. Точно вычислить магнитную восприимчивость фактически невозможно, поскольку система содержит примерно 1023 частиц. Поэтому обычно исходят из анализа измерений магнитной восприимчивости, по поведению которой устанавливают важнейшие процессы, протекающие в системе, а затем уже анализируют систему с учетом таких процессов. Для реализации такой программы мы должны знать, какие процессы в системе возможны и как они влияют на восприимчивость.

ОГЛАВЛЕНИЕ
От редакторов перевода
Предисловие ко второму изданию
ГЛАВА 1. МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ
1.1. Магнитный момент
1.2. Намагниченность
1.3. Обобщенная восприимчивость
1.3.1. Соотношения Крамерса - Кронига
1.3.2. Флуктуационно-диссипационная теорема
1.3.3. Соотношение Онсагера
1.4. Вторичное квантование
ГЛАВА 2. МАГНИТНЫЙ ГАМИЛЬТОНИАН
2.1. Уравнение Дирака
2.2. Источники поля
2.2.1. Однородное внешнее поле
2.2.2. Электрическое квадрупольное поле
2.2.3. Магнитное дипольное (сверхтонкое) поле
2.2.4. Другие электроны того же самого иона
2.2.5. Кристаллическое электрическое поле
2.2.6. Диполь-дипольное взаимодействие
2.2.7. Прямой обмен
2.2.8. Суперобмен
2.3. Спиновый гамильтониан
2.3.1. Ионы переходных металлов
2.3.2. Редкоземельные ионы
2.3.3. Полупроводники
ГЛАВА 3. СТАТИЧЕСКАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ НЕВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ СИСТЕМ
3.1. Локализованные моменты
3.1.1. Диамагнетизм
3.1.2. Парамагнетизм ионов переходных металлов
3.1.3. Парамагнетизм редкоземельных ионов
3.2. Металлы
3.2.1. Диамагнетизм Ландау
3.2.2. Эффект де Гааза - Ван Альфена
3.2.3. Квантовый эффект Холла
3.2.4. Парамагнетизм Паули
3.3. Измерение восприимчивости
ГЛАВА 4. СТАТИЧЕСКАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ СИСТЕМ
4.1. Локализованные моменты
4.1.1. Высокие температуры
4.1.2. Низкие температуры
4.1.3. Температуры вблизи Тс
4.1.4. Топология дальнего порядка
4.2. Металлы
4.2.1. Теория ферми-жидкости
4.2.2. Модель Стонера
4.2.3. Модель Хаббарда
ГЛАВА 5. ДИНАМИЧЕСКАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ СЛАБО ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ СИСТЕМ
5.1. Локализованные моменты
5.1.1. Уравнения Блоха
5.1.2. Форма резонансной линии
5.1.3. Измерение Т1
5.1.4. Вычисление Т1
5.2. Металлы
5.2.1. Парамагноны
5.2.2. Теория ферми-жидкости
5.3. Эффект Фарадея
ГЛАВА 6. ДИНАМИЧЕСКАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ СИЛЬНО ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ СИСТЕМ
6.1. Нарушенная симметрия
6.2. Диэлектрики
6.2.1. Теория спиновых волн
6.2.2. Магнитостатические моды
6.2.3. Солитоны
6.2.4. Тепловые магнонные эффекты
6.2.5. Параметрические возбуждения
6.2.6. Оптические процессы
6.2.7. Высокие температуры
6.3. Металлы
ГЛАВА 7. МАГНИТНЫЕ ПРИМЕСИ
7.1. Локальные колебания
7.2. Локальные моменты в металлах
7.2.1. Теория образования момента Андерсона
7.3. Эффект Кондо
7.4. Случайный обмен
7.4.1. РККИ-взаимодействие
7.4.2. Спиновые стекла
7.4.3. Миктомагнетизм
ГЛАВА 8. РАССЕЯНИЕ НЕЙТРОНОВ
8.1. Сечение рассеяния нейтронов
8.2. Ядерное рассеяние
8.2.1. Брэгговское рассеяние
8.2.2. Рассеяние на фононах
8.3. Магнитное рассеяние
8.3.1. Брэгговское рассеяние
8.3.2. Диффузное рассеяние
Литература
Предметный указатель.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Квантовая теория магнетизма, Уайт Р., 1985 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.