Э. Парселл - Электричество и магнетизм (1115535), страница 80

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 80)

Предположим, что мы изменяем величину поля магнита для того, чтобы проверить, пропорциональна ли полю сила, действующая ыа образец. Например, можно уменьшить вдвое ток в соленоиде; при этом вдвое уменьшатся величина поля В, и его градиент дВ,Яз. Мы оопаружим, что сила, действующая на любое вещество, расположенное в таблице до железа, уменьшится в четыре раза, в то время как сила, действующая на железный и магнетитовый образцы, упадет лишь вдвое или даже несколько больше. Отсюда следует, что сила, по крайней мере в этих условиях, пропорциональна квадрату поля для всех веществ, приведенных в таблице, а для Ре и Ре,О, приблизительно пропорциональна самому полю. По-видимому, мы имеем здесь дело с несколькими различными явлениями. Попытаемся провести некоторую классификацию этих явлений. Во-первых, вещества которые слабо отталкиваются полем нашего магнита, как, например, вода, поваренная соль, кварц и т.

д., называются диалагнеаи»ка»»и, Ими являются большинство неорганических соединений и практически все органические соединения. Действительно, диамагнетизм является свойством каждого атома и молекулы. Если вещество притягивается магнитом, это обозначаег преобладание над диамагнетпзмом другого, более сильного явления, обусловливающего притяжение. Вещества, втягиваемые в область более сильного поля, называются параьчагнетнкалщ, В ряде случаев, например, для таких металлов, как А1, Ха н многих других, парамагнитный эффект ие сильнее, чем ооычный диамагнитный. Для других веществ, например для ИБО, и СпС1, в вышеприведенном списке, парамагнитиый эффект гораздо больше.

В этих веществах он увеличивается при понижении температуры и становится весьма внушительным в области абсолютного нуля. Увеличение парамагпетизма с понижением температуры является частичной причиной возникновения большой силы в случае жидкого кислорода. Если все это вам кажется легко обьяснимым, обратите внимание иа то, что медь диамагнитиа, а хлористая медь парамагнитна, что натрий принадлежит к парамагиетикам, в то время как хлористый натрий — диамагнетик, 350 Вещества, ведущие себя подобно железу и магиетиту, назыпаются ферромагянтиками. Кроме обычных металлов этого класса — железа, кобальта и никеля,— известно большое количество ферромагнитных сплавов и кристаллических соединений. Действительно, число известных ферромагнитных веществ непрерывно растет.

В этой главе перед нами стоят две задачя. Первая заключается в изучении макроскопических явлений в намагниченном веществе, свойства которого можно описать небольшим числом параметров и экспериментально полученными соотношениями между ними. Это похоже на рассхготрение диэлектрических явлений, основанное иа некотором экспериментальном соотношении между электрическим полем и макроскопической поляоизац ~ей. Иногда такую теорию называют феноменологической. Вторая задача состоит в попытке разобраться, хотя бы в общем виде, в атомном происхождении различных магнитных эффектов. Магнитные эффекты в еще большей степени, чем диэлектрические, помогают понять основные особенности атомной структуры ве|пества.

Из рассмотрения таблицы следует один важный вывод. Явлениям диамагиетизма и парамагиетизма в молекулярном масштабе соответствует очень небольшоз количество энергии. Возьмем край. ний случай с жидким кислородом. Для того чтобы оттолкнуть 1 г жидкого кислорода от магнита, требуется работа порядка 7500 дин, умноженных на расстояние в нссколько сантиметров (так как иа расстоянии в несколько сантиметров величина поля существенно уменьшается). Мы получаем примерно 50 000 эра. Для повышения температуры 1 г жидкого кислорода на один градус требуется примерно в 300 раз больше энергин (0,4 кгг,г, или !,б дж), а для испарения жидкости, т, е, для отделения молекулы от других молекул, в ЗО 000 раз больше.

Все, что происходит на молекулярном уровне в жидком кислороде в результате действия магнитного поля, требует очень пебольшошо количества энергии. Известно, что даже сильные магнитные поля ие имеют практически никакого влияния на химические и биохимические процессы. Вы можете поместить руку (без ручных часов!) в наш соленоид с полем в ЗО кгс без каких-либо заметных последствий.

Трудно сказать, к какому классу веществ относится ваша рука — к парамагнетикам или днама гнети кам, ио сила, действующая иа нее, будет составлять, в любом случае, не больше нескольких граммов. Целые поколения мышей выводились и выращивались в сильных магнитных полях, которые ие оказывали на них заметного влияния. Другие биологические эксперименты также не обнаружили достойных внимания магнитных действий на биологические процессы *). Это ') Нельзя считать, что слабые эффекты всегда проходят без последствий. Рассуждения, подобные только что приведенным, привели бы к выводу, что тяжесть не имеет энергетического значения в молекулярном масштабе, но тем не менее, деревья на склоне холма растут вертикально.

Объяснение, по-видимому, заключается в суммарной силе, действующей на биологический объект, размеры 351 ие удивительно. При взаимодействии с веществом роли магнитного и электрического полей совершенно различны. Поскольку атомы и молекулы состоят из медленно движущихся электрических зарядов, электрические силы при молекулярных процессах доминируют над магнитными. 10.2. Отсутствие магнитного «заряда» Магнитное поле около намагниченного стержня, например стрелки компаса, очень похоже на электрическое поле электрически поляризованного стержня, который имеет избыток положительных зарядов па одном конце и избыток отрицательных зарядов на другом (рнс, 10.3). Можно думать, что магнитное поле имеет свои источники, которые связаны с пим таким же образом, как электрический заряд связан с электрическим полем.

Тогда «северный полюс» стрелки компаса был бы местом скопления магнитных «зарядов» одного впда, а на южном полюсе был бы избыток зарядов противоположного вида. Мы могли бы назвать «северный заряд.> положительным, а «южный заряд» отрицательным и принять направление магнитного поля от положительных зарядов к отрицательным, как принято для электрического поля и электрических зарядов.

Исторически соглашение о положительном направлении магнитного поля возникло именно таким образом "). То, что мы назвали магнитным зарядом, называлось обычно силой магнитного полюса. Эта идея представляется достаточно логичной. Она становится еще более правдоподобной, если вспомнить, что фундаментальные уравнения электромагнитного поля совершенно симметричны по отношению к Е и В. Почему в таком случае мы не должны ожидать симметрии в источниках поля? С магнитным зарядом как возможным источнцком статического магнитного поля В мы имели бы г))у В= =4пт), где т) представляет собой плотность магнитного заряда, по совершенной аналогии с плотностью электрического заряда р.

Два которого много больше размеров моленулы. Действительно, аналогичное явление («тронном») было экспериментально продемонстрировано в случае сеянцез, произрастающих в присутствии очень неоднородного магнитного поля. Мы не утверждаем, однако, что магнитные свойства молекул безразличны для биохимика.

Напротив, промежуточные вещества в химических реакциях иногда обнаружи. ваются и даже опознаются по их магнитным свойствам. Но это совершенно другой вопрос по сравнению с влиянием внешнего поля на химический процесс. Между прочем, если вы поместите голову в сильное магнитное поле н покачаете ею, то вы почувствуете «вкус» электролнтического тока во рту, что является доказательством присутствия иидуцированной электродвижущей силы. *) Вспомните, что в гл. 6 мы установили положительное направление В, ссылаясь на направление тока (направление движения положительных зарчдов) н правило правой руки. Теперь «северный полос» стрелки компаса означает «пол«ос, ищущий север».

До сего времени нам неизвестно, почему полярность земного магнетизма должна быть именно такой, а не другой. Определение Франклином «положительного» электричества не имеет с этим ничего общего. Таким образом, тот факт, что направление поля определяется правилол~ правой руки, а не левой, является чистейшей случайностью.

Рпс. 1О.З. а) Два диска с зарядамп противоположных знаков (электоады, поперечные сечения которых показаны в виде черных брусков) создают такое же электрическое поле, как поляризованный стержень. Таким образом, если вообразить, что стержень занимает область внутри штриховых линяй, то его ваешвее поле будет подобным изображенному. Электрическое поле в данном случае сделано виднмым прн помаши большого количества кусочков черной фнбры, взвешевных в масле н располагающихся вдоль направленля поля.

Этот элегант нмй способ деманстрацям силовых линий электрического поля (Н. М. (разде, Аш. Ю. Рду». 82, 888 (1984)) предложен Гарольдом М. Вааге (Физическая лабораторн» Пальмера, Првнстойский унвверсмтет), который любезно предоставил нам эту фотографию. б) Магмкт ное поле вокруг вамагннченного цилиндра, видимое благодаря орнентзцнн мелкнх кусочков никелевой проволоки, погруженных в глицерин. (Эта попытка улучшения траднцконяой демонстрации с «железными опилками» прв помощи техники Вааге была не особенно успею яой — кусочки никелевой проволокп стремнлись соединяться в длинные полосин, дрвтвгквающнеся к магниту.) Получеявме теорствчасня поля двух этях свсгем показаны далее ва рмс.

! 9.99. 12 Э. Пврсслл положительных магнитных заряда (илисеверные полюсы) с величиной, равной единице, на расстоянии 1 си отталкивали бы друг друга с силой 1 дин и т. д. Однако на самом деле все обстоит не так. Природа по некоторой причине не использовала такую возможность. Мир вокруг нас оказывается совершенно несимметричным в том смысле, что никаких магнитных зарядов вообще не существует. Никому еще не удалось обнаружить избытка изолированных магнитных зарядов одного вида, например изолированного северного полюса. Если бы такой объект существовал, то его можно было бы обнаружить многими путями. Он создавал бы магнитное поле, направленное радиально от него и уменьшающееся на больших расстояниях как 1/»».

Характеристики

Список файлов книги