Сила Лоренца: интересные факты о природе магнетизма
Как возникает магнитное поле и какими бывают магниты? Попытались ответить на эти вопросы в новом материале
Магнитное поле способно воздействовать на частицы за счет силы Лоренца. Эта сила, действующая на электрически заряженную частицу в магнитном поле, зависит от величины заряда, скорости частицы и напряженности магнитного поля. Сила Лоренца обладает одним специфическим свойством: она заставляет частицы двигаться под прямым углом к их первоначальному направлению движения.
Некоторые материалы, такие как железо, являются ферромагнетиками. Это означает, что они могут поддерживать постоянное магнитное поле. Это наиболее распространенные формы магнитов, встречающиеся в повседневной жизни. Другим материалам, таким как кобальт и никель, можно придать временное магнитное поле, поместив их внутрь большего, мощного поля, но в конечном итоге эти материалы потеряют свой магнетизм.
Магнитные поля генерируются движением электрических зарядов. Все электроны обладают фундаментальным квантово-механическим свойством углового момента, известным как «спин». Внутри атомов, большинство электронов, как правило, образуют пары, в которых один из них «вращается вверх», а другой «вращается вниз», или, другими словами, их угловые моменты указывают в противоположных направлениях. В этом случае магнитные поля, создаваемые этими спинами, направлены в противоположные стороны, поэтому они нейтрализуют друг друга.
Однако некоторые атомы содержат один или несколько неспаренных электронов, и эти неспаренные электроны создают крошечное магнитное поле. Направление их вращения определяет направление магнитного поля. Когда спины большинства неспаренных электронов выровнены в одном направлении, они объединяются, создавая магнитное поле, достаточно сильное, чтобы его можно было наблюдать в макроскопическом масштабе.
Источники магнитного поля являются дипольными. Это означает, что у них есть северный и южный полюса. Противоположные полюса (N и S) притягиваются, а подобные полюса (N и N, или S и S) отталкиваются. Это создает тороидальное поле, поскольку оно распространяется наружу от северного полюса и проникает через южный.
Существуют разные формы магнетизма. Например, диамагнетизм вызван орбитальным движением электронов внутри атомов, создающих крошечные петли, генерирующие слабые магнитные поля. Когда к материалу прикладывается внешнее магнитное поле, эти контуры имеют тенденцию выравниваться таким образом, чтобы противостоять приложенному полю. Это приводит к тому, что все материалы отталкиваются постоянным магнитом; однако результирующая сила обычно слишком слаба.
Парамагнетизм возникает, когда материал временно становится магнитным при помещении в магнитное поле и возвращается в немагнитное состояние, как только удалено внешнее поле. Когда применяется магнитное поле, некоторые из неспаренных электронных спинов выравниваются с полем и преодолевают противоположную силу, создаваемую диамагнетизмом. Однако такой эффект заметен только при очень низких температурах.