хочу все знать

[avva]

Ой, а верно ли, как пишет журнал Дискавер, мы не знаем, отчего магниты притягивают металлы и как это на самом деле работает?

Честно признаюсь, что последние полтора часа провел в Википедии, читая кучу соответствующих статей, и все равно так и не понял, понятен ли в действительности механизм действия магнитов или нет.

Comments

[avva.livejournal.com]

Мне непонятны следующие вещи:

1) говорится, что магнитный момент возникает у всех атомов, у которых есть непарные электроны во внешней оболочке. Но только некоторые из них оказываются ферромагнитными, а другие, у которых не меньше непарных электронов, нет. Почему?

2) говорится, что атомы ферромагнитного материала
объединяются в magnetic domains. Однако почему это объясняет большую их склонность притягиваться, мне неясно. Объясняется, что атомы с магнитным моментом склонны выравниваться в направлении внешнего магнитного поля (paramagnetism), но этот эффект очень слаб, потому что только малая часть атомов выровняется. Почему в ферромангитном материале, с magnetic domains, эффект оказывается настолько более сильным?

3) предположим, я все понял насчет намагничивания ферромагнитного материала. Остается непонятным, почему собственно он притягивается к исходному магниту, или почему два магнита отталкиваются одинаковыми полюсами? Что собственно вызывает движение? Магнитное поле действует только на заряды, но мы тут имеем дело с нейтральным куском железа. Кроме того, если бы действовало магнитное поле первого магнита, почему было ему не действовать на любой материал - чем важно то, что материал ферромагнитный и намагнитился?

[pargentum.livejournal.com]

Большинство атомов с непарными электронами быстро с кем-то объединяются и образуют молекулу, в которой все электроны парные. У железа, как я понимаю, при определенных обстоятельствах (в том числе и в обычных кристаллах) остаются неспаренные электроны, которые и создают дипольный момент.

[nine_k]

Насколько я понимаю, в кристаллах металлов вообще получается "электронная жидкость", когда электроны внешних оболочек довольно свободно движутся по кристаллической решётке-"губке"?

[pargentum.livejournal.com]

Насколько я понимаю, у железа и у других металлических ферромагнетиков не все неспаренные электроны участвуют в этой жидкости.
Кроме того, есть ведь и неметаллические ферромагнетики (оксиды железа например), у которых никакой электронной жидкости вообще нет.

[nine_k]

Ну да, с ними, оксидами, понятнее.

[kray-zemli.livejournal.com]

3. магнитные силы вообще-то действуют не на заряды, а на токи. ;) Школьный эксперимент с притягивающимися-отталкивающимися токами помните?

2. Намагничивание -- не такой уж и слабый эффект, у стали магнитная проницаемость 8000. Я, конечно, дотошно мезанизм не изучал, но здесь явно не обошлось без статистической механики. Частицы всегда перераспределяются так, чтобы достигнуть минимума энергии. Видимо, в веществе с доменной структурой поворот одной части домена облегчает поворот оставшейся части. Сила эффекта может сильно зависить от температуры, кстати.

[avva.livejournal.com]

3. Ну да: магнитное поле действует на заряженную движущуюся частицу, пропорционально заряду и в зависимости от скорости, по формуле Лоренца. Но в намагниченном куске железа (а не проводнике с током) на что оно действует-то?

[kray-zemli.livejournal.com]

Вы подменяете физику и школьную программу, так не честно. :-)

Да, в школе учат формулу Лоренца, где ток для удобства школьников расписан как произведение заряда и скорости.

С точки зрения СТО, действительно, заряд и вектор тока преобразуются друг через друга, и при взаимодействии двух зарядов получается сила Кулона в нулевом приближении и сила Лоренца в первом.

Но, кроме зарядных токов, есть ещё внутренние, замкнутые спиновые токи. И они точно так же притягиваются и отталкиваются. Замкнутость спинового тока меняет лишь то, что сила будет определяться не абсолютной величиной магнитного поля, а её пространственными производными.

Дальше требую от вас объяснения, что такое спин. Только не в стиле учебников: "это внутренний момент импульса частиц, ХЗ откуда взявшийся".

[http://users.livejournal.com/malfet_/]

Ответа на первый вопрос(почему и как возникают магнитные домены) современная наука пожалуй не знает(так как результат полученный в численном эксперименте нисколько не объясняет природу явления).

Магнитный домент эта такая штука, в которой магнитные моменты атомов в большинстве своем сонаправлены. Устойчивость магнитных доменов легко объяснить из принципа наименьшего действия - для того, чтобы развернуть магнитный момент одного из атомов в домене нужно затратить определенную энергию. При нагревании(то есть увеличении кинетической энергии каждого атома) домен можно разрушить. Я не совсем понимаю про усиление какого эффекта идет речь, но феррамагнитики создают вокруг себя направленное магнитное поле и потом оттягивают/притягивают другие феррамагнетики/парамагнетики.

Нейтральный кусок железа нейтрален пока вокруг него нет магнитных/электрических полей. Если засунуть кусок железа в магинтое(на самом деле электромагнитное) поле - на поверхности могут возникнуть так называемые токи Фуко(aka edgy currents), ну а на проводник с током действует сила Ампера. Ну а деилектрики не взаимодействуют с магнитным полем как раз потому, что в них свободных электронов очень мало.

P.S. Извиняюсь за корявость изложения..

[leblon.livejournal.com]

1. Вопрос непростой. Дело в коллективных эффектах, т.е. во взаимодействии электронов с соседними атомами, плюс в наличии у электронов спина, плюс в эффекте Паули (два электрона не могут находиться в одном и том же состоянии, например, в одном месте и со спинами в одном направлении). Для некоторых материалов электронные спины выстраиваются (внутри домена) в одном направлении. Не думаю, что есть какое-то элегантное объяснение, почему это
происходит в конкретных материалах.

2. Парамагнетизм тут вроде не при чем. Насколько я помню, в отсутствие внешнего магнитного поля обычный кусок железа не создает магнитного поля и не имеет магнитного момента, потому что домены с разными направлениями намагниченности усредняются. При включении внешнего магнитного поля домены ориентированные "вдоль поля" растут, а остальные сокращаются (за счет поворота направления спинов у приграничных атомов). Поэтому у куска железа получается ненулевой магнитный момент, который и взаимодействует с внешним полем. Этот момент гораздо больше, чем у парамагнитных материалов: у тех магнитные моменты отдельных атомов без внешнего поля не выстроены совсем, даже локально, и даже при наличии внешнего поля здорово усредняются.

3. Магнитное поле взаимодействует как с орбитальным так и со спиновым магнитным моментом. Я думаю, спиновой момент важнее. Его величина для электронов следует из уравнения Дирака. Это довольно забавная штука. Для классической заряженной вращающейся сферы магнитный момент равен угловому моменту помножить на заряд и разделить на удвоенную массу. Для электрона он в два раза больше (т.е. на двойку делить не надо). Это довольно простое вычисление, но у него нет никакого классического аналога. (А уравнение Дирака пишется из соображений релятивистской инвариантности.)

[max630.livejournal.com]

1,2. одиночный атом сложнее намагнитить слабым магнитным полем - энергетическая выгода небольшая, тепловое движение преобладает.

Насколько я понимаю, в целом суммарный момент электронов тот же, просто в существующих полях полях немагнитные материалы просто не реагируют сколько-нибудь заметно.