Магнетизм
-
История магнетизма
- Магнетизм был открыт в древнем мире, когда люди заметили, что магнитные камни притягивают железо.
- В Древней Греции Аристотель приписывал первое научное обсуждение магнетизма Фалесу из Милета.
- В Древнем Китае магнетизм упоминается в книге 4-го века до н.э.
- В 11-м веке Шэнь Куо описал компас с магнитной стрелкой.
- В 12-м веке китайцы использовали компас из магнетита для навигации.
- В 16-м веке Леонардо Гарцони написал первый трактат о магнетизме.
- В 18-м веке Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле.
- Био и Савар вывели закон Био–Савара в 1820 году.
- Ампер обнаружил, что магнитная сила между контурами тока равна сумме усилий каждого элемента.
- Фарадей обнаружил, что изменяющийся магнитный поток индуцирует напряжение.
- Гаусс выдвинул гипотезу о магнетизме как эффекте перемещения зарядов.
- Максвелл обобщил идеи в уравнениях Максвелла, объединив электричество, магнетизм и оптику.
- Эйнштейн использовал уравнения Максвелла для обоснования специальной теории относительности.
-
Источники магнетизма
- Магнетизм возникает из электрического тока, спиновых магнитных моментов элементарных частиц и изменения электрических полей.
- Магнитные свойства материалов обусловлены магнитными моментами электронов.
- Ядерные магнитные моменты важны в ЯМР и МРТ.
- Электроны в материалах обычно уравновешивают свои магнитные моменты.
-
Типы магнетизма
- Диамагнетизм: материал противодействует приложенному магнитному полю.
- Парамагнетизм: материал усиливает внешнее магнитное поле.
- Ферромагнетизм: материал имеет неспаренные электроны и стремится к параллельному расположению магнитных моментов.
- Антиферромагнетизм: соседние электроны направлены в противоположные стороны.
- Ферримагнетизм: материал сохраняет намагниченность в отсутствие поля, но соседние пары электронов направлены в противоположные стороны.
-
Магнитные домены
- Ферромагнетики имеют магнитные домены, которые могут быть намагничены внешним полем.
- При нагревании до точки Кюри домены теряют организованность, и магнитные свойства прекращаются.
-
Суперпарамагнетизм и магнетизм Нагаоки
- Суперпарамагнетизм: ферромагнетик действует как одиночный магнитный спин.
- Магнетизм Нагаоки: в двумерной решетке спины электронов выравниваются при определенных условиях.
-
Другие виды магнетизма
- Метамагнетизм: магнитное поле создается электрическим током.
- Электромагниты: магнитное поле создается электрическим током и исчезает при его отключении.
- Электромагниты широко используются в различных устройствах и промышленности.
-
Магнетизм, электричество и специальная теория относительности
- Электричество и магнетизм фундаментально взаимосвязаны согласно специальной теории относительности Эйнштейна.
-
Электромагнетизм и специальная теория относительности
- Электричество и магнетизм несовместимы со специальной теорией относительности.
- Электромагнетизм полностью согласуется со специальной теорией относительности.
- Явление, кажущееся чисто электрическим или магнитным, может быть смесью того и другого.
-
Магнитные поля и материалы
- Магнитные поля в вакууме описываются проницаемостью вакуума.
- В материалах магнитная поляризация зависит от поляризации.
- В ферромагнетиках намагниченность не пропорциональна полю.
-
Магнитная сила и магнитные диполи
- Магнитная сила создается магнитным полем.
- Магнитные диполи имеют северный и южный полюса.
- Магнитные монополи не наблюдались, но предсказываются некоторыми теориями.
-
Единицы и магнитные поля
- Единицы измерения магнитного поля: гаусс, эрстед, максвелл, гамма.
- Магнитные поля могут быть диамагнитными или ферромагнитными.
-
Живые существа и магнитные поля
- Некоторые организмы могут обнаруживать магнитные поля.
- Магнитобиология изучает воздействие магнитных полей на живые организмы.
-
Интерпретация магнетизма
- Ампер и Гаусс объяснили магнитные взаимодействия через закон силы.
- Вебер подтвердил гипотезу Гаусса.
- Максвелл разработал электродинамику, включающую магнитные поля.
-
Квантово-механическое происхождение магнетизма
- Квантово-механические эффекты могут объяснить магнитные поля.
-
Эвристические объяснения и квантовая теория
- Диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм объясняются только квантовой теорией.
- Модель Хайтлера-Лондона объясняет образование молекул водорода из атомов.
-
Модель Хайтлера-Лондона
- Орбитали формируются из орбиталей атомарного водорода.
- Обменное взаимодействие важно для магнетизма и сильнее электродинамического диполь-дипольного взаимодействия.
-
Функция отжима и принцип Паули
- Функция отжима отвечает за магнетизм.
- Принцип Паули требует умножения симметричной орбитали на антисимметричную функцию вращения.
-
Синглетное состояние и антиферромагнетизм
- Синглетное состояние означает антипараллельные вращения, что приводит к антиферромагнетизму в твердом теле и диамагнетизму в двухатомных молекулах.
-
Тенденции к образованию химических связей и спиновых состояний
- Образование симметричной молекулярной орбитали приводит к антисимметричному спиновому состоянию.
- Кулоновское отталкивание электронов приводит к антисимметричной орбитальной функции и симметричной спиновой функции, что приводит к ферромагнетизму.
-
Примеры и исключения
- Ферромагнетизм преобладает в металлах железе, кобальте и никеле.
- Двухатомные газы почти исключительно диамагнитны, но молекула кислорода является исключением.
-
Обобщение модели Гейзенберга
- Модель магнетизма Гейзенберга обобщает модель Хайтлера-Лондона.
- Объяснение основано на квантовой механике, а электродинамика охватывает феноменологию.