Почему магниты магнитятся, а немагниты – не магнитятся? 🧲 Введение

Сегодня поговорим о магнитных свойствах вещества и узнаем, какие вещества магнитятся, а какие нет.

Для начала нужно разобраться, откуда в принципе может возникать магнитное поле в атоме вещества. Здесь мы, конечно же, вспоминаем Нильса Бора и Эрнеста Резерфорда из этого поста, которые показали, что электроны в атоме движутся вокруг положительного ядра по стационарным орбитам.

Представив такую модель атома, мы можем понять, что отрицательно заряженный электрон, вращающийся вокруг ядра, по сути является маленьким контуром с электрическим током. А электрический ток всегда порождает магнитное поле рядом с собой, зависящее от направления тока.

Если поместить любое тело во внешнее магнитное поле, его собственное, или, так называемый, магнитный момент, каким-то образом изменяется. Тогда говорят, что тело намагничивается. И от того, как именно намагничиваются вещества во внешнем магнитном поле, зависит их причисление к тому или иному типу.

Помимо магнитного момента, создаваемого двигающимся по кругу электроном (витку с током), в атоме есть еще, так называемый, спиновый магнитный момент. О том, как упростить и представить себе спин электрона, я писал здесь, когда рассказывал, как работает МРТ. Спин – это момент, возникающий при вращении электрона вокруг своей оси. Его поведение похоже на движение нашей планеты. Конечно же, как мы поняли из моего краткого экскурса в квантовую механику в трех частях (часть 1, часть 2, часть 3), электрон – это не шарик, а вообще непонятно, что из себя представляет и где находится, поэтому мое определение спина – грубое упрощение.

Все вещества по своим магнитным свойствам можно разделить на два больших класса – магнитно-неупорядоченные или слабые магнетики и магнитно-упорядоченные (сильные магнетики). К первому классу относятся диамагнетики и парамагнетики, а ко второму – ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики.

В следующей части подробно рассмотрим каждый из этих классов. Но надо ведь суету навести, поэтому 40 реакций, и выкладываю следующую часть 🙃.

Почему магниты магнитятся, а немагниты – не магнитятся? 🧲 Часть 1

Введение было здесь. А в первой части поговорим о классе магнитно-неупорядоченных веществ.

Диамагнетики – вещества, не имеющие собственного магнитного поля, если их не помещать во внешнее. Электроны в них, по-прежнему, вращаются по орбитам и создают собственные магнитные поля, однако, количество электронов и направление их движения такое, что их магнитные поля компенсируют друг друга. Например, в атоме гелия есть два электрона, которые вращаются по одинаковым орбитам с одинаковой скоростью, но в разных направлениях. Их вектора магнитной индукции будут направлены в разные стороны и в сумме дадут ноль.

Если диамагнетик поместить в магнитное поле, то будет наблюдаться картина, похожая на поднесение проводящего кольца к магниту из школьных опытов. Если помните, там кольцо отталкивается из-за явления электромагнитной индукции, о которой я рассказывал здесь. А дополнительное магнитное поле в атомах диамагнетиков будет направлено в противоположную сторону внешнему. Таким образом, диамагнетик, намагничиваясь, всегда выталкивается из внешнего магнитного поля.

Вообще диамагнетизм является универсальным свойством всех веществ, т.к. в их атомах есть вращающиеся электроны («витки с током»), и независимо от того, скомпенсированы ли у них магнитные поля или нет, во всех них внешнее магнитное поле будет приводит к возникновению хоть какого-то собственного поля, направленного против внешнего. Однако, это очень слабый эффект и часто маскируется другими более сильными магнитными свойствами и может ощутимо наблюдаться только в истинных диамагнетиках, где собственные поля скомпенсированы и больше никаких магнитных свойств нет.

К истинным диамагнетикам, у которых хоть как-то можно заметить его признаки, относятся элементы с заполненными электронными оболочками – инертные газы (гелий, аргон и др.) и благородные металлы (золото, серебро), а также медь, цинк (заполненные d-оболочки) и разные органические и неорганические молекулы со скомпенсированным магнитным моментом.

Парамагнетики ­­– вещества, имеющие собственное магнитное поле за счет движения электронов, которое не компенсируется, как у истинных диамагнетиков, постоянно для каждого вещества и не зависит от внешнего магнитного поля.

Обычно у атомов парамагнетиков, которые, как известно, похожи на витки с током, величина этого собственного поля маленькая, и тепловое хаотическое движение атомов приводит к случайному расположению магнитных моментов каждого атома и не дает им выстроиться в одном направлении, чтобы во всем теле возникло собственное магнитное поле. Но во внешнем магнитном поле магнитные моменты каждого атома, конечно же, начнут выстраиваться в направлении этого поля, и вещество начнет намагничиваться, а каждый атом со своим магнитным моментом внесет вклад в общее дело. Происходит это потому (опять упрощение), что на движущийся по орбите атома электрон действует сила Лоренца во внешнем магнитном поле, которая его отклоняет, изменяет его траекторию движения, и «атомный виток с током» поворачивается.

Но не все так просто, т.к. тепловое движение атомов по-прежнему мешает их магнитным моментам выстраиваться по направлению внешнего поля и происходит конкуренция между двумя этими явлениями. И, конечно же, самым главным арбитром, который решит спор, намагнитится ли в конце концов парамагнетик или нет, является температура. С повышением температуры атомы двигаются быстрее и хаотичнее, поэтому выстраивание магнитных моментов в одном направлении наиболее затруднено и намагниченность проходит вяло. Когда температура снижается, тепловое движение становится медленней, и тогда поворот «атомных витков» происходит легче.

К парамагнетикам относятся, в основном, атомы и молекулы с нечетным числом электронов, т.е. с нескомпенсированным магнитным моментом (например, щелочные металлы, или молекула NO), алюминий.

Этот материал требует немного знаний физики. Надеюсь, вы справитесь с пониманием. Пишите в комментариях вопросы, если где-то непонятно. Во второй части будет самое интересное. Выложу, как только наберем 40 реакций

Как не спалить себе жилище?

Конечно же, не нужно давать детям играть со спичками, не курить в квартире и не размахивать руками, когда устраиваете со своей второй половинкой ужин при свечах. Однако, есть и еще один фактор, который не всегда напрямую зависит от обитателя помещения – то, как в нем устроена электрика.

Как многие уже догадались, сегодня поговорим об устройствах электрической защиты от короткого замыкания и перегрева. Давненько здесь не было рассказов про устройства приборов.

Здесь стоит немного пояснить, что короткое замыкание – это когда резко падает сопротивление нагрузки цепи и, по закону Ома, резко растет ток. А большой ток, как мы знаем, приводит к очень сильному нагреву проводников (вспоминаем закон Джоуля-Ленца по которому тепло, выделившееся в проводнике, пропорционально квадрату силы тока). Такое количество тепла запросто может сначала расплавить изоляцию проводов, а, затем, и сами провода, что легко может привести к возгоранию других вещей вокруг.

Человек, живущий в квартире не всегда напрямую виноват в случившемся. Ему могли плохо сделать проводку, и изоляция проводов со временем стерлась, могли плохо собрать на заводе прибор, который он купил. Однако, бывает и прямое влияние. Например, если вы захотели повесить полку и вслепую сверлите перфоратором стену, не зная, где проходят провода. Или залили водой бытовой прибор, включенный в цепь.

Многим людям постарше знакомы выражения «пробки перегорели». Действительно, первыми устройствами защиты от короткого замыкания были приборы, работающие по принципу плавких предохранителей. После перегорания их нужно было выбрасывать и ставить новые. На смену пробкам пришли многоразовые и более сложные устройства – автоматические выключатели (в простонародье – автоматы). На рисунке привел максимально упрощенную, но показывающую реальное устройство, схему. Автомат имеет два вида защиты – тепловую (от перегрева) и электромагнитную (от короткого замыкания), и работают они по разному принципу.

Тепловая защита исполнена биметаллической пластиной – сэндвича из двух сваренных металлов с разным коэффициентом термического расширения. При нагреве одна пластина расширяется быстрее другой, и не может свободно удлиниться из-за жесткого контакта, поэтому вся конструкция начинает изгибаться, и цепь размыкается. Это как со старыми рельсами, у которых если не сделать зазоры, посмотрите в интернете, какими извилистыми они становятся от перепада температур.

Электромагнитная защита более совершенна для защиты от короткого замыкания, чем плавкий предохранитель, но работает она не по такому уж и сложному принципу. Она состоит из катушки, подключенной к общей цепи, и сердечника вблизи нее, связанного с выключателем и удерживаемого пружиной. При коротком замыкании сильно возрастает ток через катушку, а, вместе с ним, и создаваемое током магнитное поле внутри нее. Пропорциональность магнитного поля току, который это поле создает, описывается в так называемом законе Био-Савара-Лапласа. Сильное магнитное поле, созданное катушкой, втягивает железный сердечник внутрь нее (железо ведь ферромагнетик, а мы уже знаем, что это такое). Как будто бы большой магнит поднесли к сердечнику. А так как к сердечнику привязана клемма выключателя, переместившись внутрь катушки, он тянет за собой эту клемму и размыкает цепь. Стоит отметит, что магнитное поле и до короткого замыкания создавалось в катушке, ведь ток через нее все равно шел. Но оно было достаточно мало, и сила втягивания ферромагнетика в это поле не превышало силу упругости пружины, которой удерживался сердечник так, чтобы цепь была замкнута. Вот такое гениально простое инженерное решение.

Кстати, в этом устройстве есть еще один интересный элемент – камера гашения дуги и отвода газов. При коротком замыкании ток настолько сильный, что при моментальном срабатывании электромагнитной защиты и размыкания контактов, между ними в слое воздуха образуется пробой в виде дугового разряда. Да, практически по такому же принципу, как в молнии, сварке и других примерах электрического тока в газах.

Рисунок🔽