Wir alle wissen, was Permanentmagnete sind. Magnete sind Metallkörper, die von anderen Magneten und einigen Metallen angezogen werden. Was sich um den Magneten befindet und mit umgebenden Objekten interagiert (einige von ihnen anzieht oder abstößt), wird als Magnetfeld bezeichnet.
Die Quelle eines Magnetfeldes sind bewegte geladene Teilchen. Und die Richtungsbewegung geladener Teilchen wird elektrischer Strom genannt. Das heißt, jedes Magnetfeld wird ausschließlich durch elektrischen Strom verursacht.
Die Bewegungsrichtung positiv geladener Teilchen wird als Richtung des elektrischen Stroms genommen. Wenn sich negative Ladungen bewegen, wird die Richtung des Stroms als entgegengesetzt zur Bewegung solcher Ladungen angesehen. Stellen Sie sich vor, Wasser fließt durch ein ringförmiges Rohr. Wir gehen aber davon aus, dass sich in diesem Fall ein bestimmter "Strom" in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Elektrischer Strom wird durch den Buchstaben I angezeigt.
In Metallen wird Strom durch die Bewegung von Elektronen erzeugt - negativ geladene Teilchen. In der folgenden Abbildung bewegen sich die Elektronen entlang des Leiters von rechts nach links. Es wird jedoch angenommen, dass der elektrische Strom von links nach rechts geleitet wird.
Dies geschah, weil zu Beginn der Untersuchung elektrischer Phänomene nicht bekannt war, welche Träger am häufigsten Strom führen.
Wenn wir diesen Leiter auf der linken Seite betrachten, so dass der Strom "von uns" fließt, wird das Magnetfeld dieses Stroms im Uhrzeigersinn um ihn herum gerichtet.
Wenn ein Kompass neben diesem Leiter platziert wird, dreht sich sein Pfeil senkrecht zum Leiter parallel zu den "Magnetfeldlinien" - parallel zum schwarzen Ringpfeil in der Abbildung.
Wenn wir einen Ball mit einer positiven Ladung (mit einem Defizit an Elektronen) nehmen und nach vorne werfen, erscheint genau das gleiche Ringmagnetfeld um diesen Ball und dreht sich im Uhrzeigersinn um ihn herum.
Schließlich gibt es auch hier eine gerichtete Bewegung der Ladung. Eine gerichtete Ladungsbewegung ist ein elektrischer Strom. Wenn Strom vorhanden ist, sollte ein Magnetfeld um ihn herum vorhanden sein.
Eine sich bewegende Ladung (oder viele Ladungen - im Fall eines elektrischen Stroms in einem Leiter) erzeugt aus einem Magnetfeld einen „Tunnel“ um sich herum. Die Wände dieses "Tunnels" sind in der Nähe der sich bewegenden Ladung "dichter". Je weiter von einer sich bewegenden Ladung entfernt, desto schwächer ist die Spannung („Stärke“) des von ihr erzeugten Magnetfelds. Je schwächer die Kompassnadel auf dieses Feld reagiert.
Das Verteilungsmuster der Magnetfeldstärke um seine Quelle ist das gleiche wie das Verteilungsmuster des elektrischen Feldes um einen geladenen Körper - es ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zur Feldquelle.
Wenn sich eine positiv geladene Kugel in einem Kreis bewegt, werden die Ringe der Magnetfelder, die sich bei ihrer Bewegung um sie herum bilden, zusammengefasst, und wir erhalten ein Magnetfeld, das senkrecht zu der Ebene gerichtet ist, in der sich die Ladung bewegt:
Der magnetische „Tunnel“ um die Ladung ist zu einem Ring gefaltet und ähnelt in seiner Form einem Torus (Donut).
Der gleiche Effekt wird erzielt, wenn der Stromleiter zu einem Ring gerollt wird. Ein Stromleiter, der in eine Spule mit mehreren Windungen gerollt ist, wird als Elektromagnet bezeichnet. Um die Spule herum befinden sich die Magnetfelder der darin bewegten geladenen Teilchen - Elektronen.
Und wenn Sie den geladenen Ball um seine Achse drehen, hat er wie die Erde ein Magnetfeld, das entlang der Rotationsachse gerichtet ist. In diesem Fall ist der Strom, der das Auftreten des Magnetfelds verursacht, die kreisförmige Bewegung der Ladung um die Achse der Kugel - kreisförmiger elektrischer Strom.
Hier passiert tatsächlich dasselbe wie wenn sich der Ball in einer ringförmigen Umlaufbahn bewegt. Nur der Radius dieser Umlaufbahn wird auf den Radius der Kugel selbst reduziert.
All dies gilt für eine negativ geladene Kugel, aber ihr Magnetfeld wird in die entgegengesetzte Richtung gerichtet.
Dieser Effekt wurde in den Experimenten von Rowland und Eichenwald entdeckt. Diese Herren zeichneten Magnetfelder in der Nähe rotierender geladener Scheiben auf: Neben diesen Scheiben begann sich die Kompassnadel abzulenken. Die Richtungen der Magnetfelder sind in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Ladung der Scheiben und der Drehrichtung in der Abbildung dargestellt:
Beim Drehen einer ungeladenen Scheibe wurden keine Magnetfelder erkannt. In der Nähe von stationären geladenen Scheiben gab es keine Magnetfelder.
Modell des Magnetfeldes einer sich bewegenden Ladung
Um uns an die Richtung des Magnetfelds einer sich bewegenden positiven Ladung zu erinnern, werden wir uns an ihrer Stelle vorstellen. Heben Sie die rechte Hand an, zeigen Sie sie nach rechts, senken Sie sie dann ab, zeigen Sie dann nach links und bringen Sie die Hand wieder in ihre ursprüngliche Position - nach oben. Dann wiederholen Sie diese Bewegung. Unsere Hand beschreibt die Kreise im Uhrzeigersinn. Bewegen Sie sich jetzt vorwärts, während Sie sich weiter mit Ihrer Hand drehen. Die Bewegung unseres Körpers ist ein Analogon zur Bewegung einer positiven Ladung, und die Drehung der Hand im Uhrzeigersinn ist ein Analogon zum Magnetfeld einer Ladung.
Stellen Sie sich nun vor, dass sich um uns herum ein dünnes und starkes elastisches Netz befindet, ähnlich den Raumketten, die wir gemalt haben, um ein Modell des elektrischen Feldes zu erstellen.
Wenn wir uns durch diese dreidimensionale "Bahn" bewegen, verformt sie sich aufgrund der Drehung der Hand, bewegt sich im Uhrzeigersinn und bildet eine Art Spirale, als würde sie sich um eine Ladung zu einer Spule wickeln.
Hinter, hinter uns stellt das "Web" seine korrekte Struktur wieder her. So etwas kann man sich als Magnetfeld einer sich direkt bewegenden positiven Ladung vorstellen.
Versuchen Sie nun, sich nicht geradeaus zu bewegen, sondern im Kreis, indem Sie sich beispielsweise beim Gehen nach links drehen und dabei Ihre Hand im Uhrzeigersinn drehen. Stellen Sie sich vor, Sie bewegen sich durch etwas, das Gelee ähnelt. Aufgrund der Drehung Ihrer Hand bewegt sich das „Gelee“ innerhalb des Kreises, entlang dem Sie sich bewegen, nach oben und bildet einen Buckel über der Mitte des Kreises. Und unter der Mitte des Kreises bildet sich ein Hohlraum, weil sich ein Teil des Gelees nach oben verschoben hat. Sie können sich also die Bildung der Nord- (Buckel oben) und Südpole (unten hohl) während der Bewegung einer Ladung entlang eines Rings oder ihrer Rotation vorstellen.
Wenn Sie beim Gehen nach rechts gehen, bildet sich von unten der „Buckel“ (Nordpol).
In ähnlicher Weise können wir uns eine Vorstellung vom Magnetfeld einer sich bewegenden negativen Ladung machen. Drehen Sie nur mit der Hand in die entgegengesetzte Richtung - gegen den Uhrzeigersinn. Dementsprechend wird das Magnetfeld in die entgegengesetzte Richtung gerichtet. Behalten Sie jedes Mal im Auge, auf welcher Seite Ihre Hand „Gelee“ drückt.
Ein solches Modell zeigt deutlich, warum der Nordpol eines Magneten vom Südpol eines anderen Magneten angezogen wird: Der "Buckel" eines der Magnete wird in den "Hohlraum" des zweiten Magneten gezogen.
Und dieses Modell zeigt auch, warum es keine getrennten Nord- und Südpole von Magneten gibt, egal wie wir sie schneiden - das Magnetfeld ist eine wirbel (geschlossene) „Raumdeformation“ um die Flugbahn einer sich bewegenden Ladung.
Spin
Es wurde festgestellt, dass ein Elektron ein Magnetfeld hat, wie es sein sollte, wenn es eine Kugel wäre, die sich um seine Achse dreht. Dieses Magnetfeld wurde als Spin bezeichnet (von Englisch zu Spin - zu Spin).
Zusätzlich hat das Elektron auch ein magnetisches Orbitalmoment. Schließlich „dreht“ sich ein Elektron nicht nur, sondern bewegt sich in einer Umlaufbahn um den Atomkern. Und die Bewegung eines geladenen Körpers erzeugt ein Magnetfeld. Da das Elektron negativ geladen ist, sieht das Magnetfeld, das durch seine Bewegung in der Umlaufbahn verursacht wird, folgendermaßen aus:
Wenn die Richtung des Magnetfelds, die durch die Bewegung des Elektrons in seiner Umlaufbahn verursacht wird, mit der Richtung des Magnetfelds des Elektrons selbst (seines Spins) übereinstimmt, werden diese Felder addiert und verstärkt. Wenn diese Magnetfelder in verschiedene Richtungen gerichtet sind, werden sie subtrahiert und schwächen sich gegenseitig.
Zusätzlich können die Magnetfelder anderer Elektronen des Atoms addiert oder voneinander subtrahiert werden. Dies erklärt das Vorhandensein oder Fehlen von Magnetismus (Reaktion auf ein externes Magnetfeld oder das Vorhandensein eines eigenen Magnetfelds) einiger Substanzen.
Dieser Artikel ist ein Auszug aus einem Buch über die Grundlagen der Chemie. Das Buch selbst ist hier:
sites.google.com/site/kontrudar13/himiaUPD: Das Material ist hauptsächlich für Schüler der Mittelstufe gedacht. Vielleicht ist Habr kein Ort für solche Dinge, aber wo ist der Ort? Nicht er.