"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Молекулярные токи — замкнутые движения заряженных частиц внутри атомов и молекул. Их модель, предложенная Ампером, объясняет, почему постоянный магнит создаёт магнитное поле. В ненамагниченном веществе поля отдельных токов обычно компенсируют друг друга, а при намагничивании их направления становятся преимущественно согласованными. Поэтому тело приобретает общие магнитные полюса и может сохранять намагниченность.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Молекулярный ток — замкнутый микроскопический ток, связанный с движением заряженных частиц внутри атомов и молекул. Он не течёт по всему куску вещества, как ток в проводе. Это понятие нужно, чтобы связать движение зарядов на малом уровне с магнитными свойствами тела.
Гипотеза Ампера — представление о том, что магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены молекулярными токами. Иными словами, маленькие замкнутые токи внутри вещества можно рассматривать как крошечные магниты. Гипотеза помогает объяснить действие магнита без введения особых «магнитных зарядов».
Намагничивание — упорядочение направлений молекулярных токов под действием внешнего магнитного поля. При этом их магнитные моменты начинают преимущественно смотреть в одну сторону. Термин нужен для описания превращения обычного тела в тело с заметным общим магнитным полем.
Постоянный магнит — тело, сохраняющее намагниченность после прекращения действия внешнего магнитного поля. Сохранение происходит потому, что часть молекулярных токов остаётся ориентированной согласованно. Такой магнит может длительно притягивать железные предметы и взаимодействовать с другими магнитами.
Замкнутый ток создаёт магнитное поле, потому что движущиеся заряды являются источником магнитного действия. Поле такого тока имеет определённое направление и похоже на поле маленького стержневого магнита. Поэтому замкнутый молекулярный ток можно описывать магнитным моментом — величиной, задающей силу и направление его магнитного действия.
В ненамагниченном веществе отдельные молекулярные токи направлены не одинаково. Поле одного тока складывается с полями многих других, но при случайной ориентации часть вкладов направлена в противоположные стороны. В результате снаружи тела поля в среднем компенсируются, хотя внутри каждого атома магнитное действие может сохраняться.
Внешнее магнитное поле действует на молекулярные токи и стремится переориентировать их магнитные моменты. Токи, направленные удобным для поля образом, получают преимущество, а беспорядочная ориентация уменьшается. Так возникает намагничивание: направления токов становятся преимущественно согласованными.
Когда молекулярные токи направлены согласованно, их магнитные поля складываются, а не уничтожают друг друга. Внутри тела появляется общее магнитное поле, которое выходит наружу через одну часть тела и возвращается через другую. Эти области называют северным и южным магнитными полюсами, хотя отдельные магнитные заряды в них не отделены.
Упорядоченность молекулярных токов может быть нарушена внешним воздействием. Нагревание усиливает хаотическое движение частиц, удары механически изменяют внутреннюю структуру, а противоположное поле разворачивает магнитные моменты. Поэтому тело частично или полностью размагничивается, если согласованность токов становится недостаточной.
| Состояние или модель | Направление молекулярных токов | Результирующее магнитное поле | Наблюдаемый эффект |
|---|---|---|---|
| Один замкнутый ток | Одно определённое направление по замкнутому контуру | Поле маленького магнита | Есть магнитный момент и магнитное действие |
| Токи в ненамагниченном веществе | В среднем беспорядочное | Поля в основном компенсируются | Заметного внешнего магнита обычно нет |
| Токи в намагниченном веществе | Преимущественно согласованное | Поля складываются | Тело приобретает общее магнитное поле |
| Постоянный магнит после намагничивания | Согласованность сохраняется без внешнего поля | Устойчивое магнитное поле | Есть северный и южный полюса, магнит притягивает тела |
| Катушка с электрическим током как макроскопическая модель | Токи в витках направлены одинаково | Поля витков усиливают друг друга | Катушка действует подобно магниту и может намагничивать сердечник |
Сначала определите, насколько согласованы направления токов, затем проследите, складываются ли их магнитные поля или компенсируются. Последний столбец показывает наблюдаемый результат этой суммы. Катушка особенно наглядна: её витки видны отдельно, но вместе создают поле, похожее на поле постоянного магнита.
Условие. Объяснить, почему кусок ненамагниченного железа обычно не обнаруживает заметного магнитного поля снаружи. Нужно использовать модель молекулярных токов, а не считать, что магнитного действия внутри совсем нет.
Ответ. Кусок железа не выглядит заметным магнитом, потому что хаотично ориентированные молекулярные токи в среднем компенсируют магнитные поля друг друга.
Условие. Если смотреть на торец магнита, молекулярный ток направлен против часовой стрелки. Определить ближайший полюс и направление магнитного момента.
Ответ. Ближайший торец — северный полюс, а магнитный момент направлен из торца к наблюдателю.
Условие. Железный стержень поместили внутрь катушки с током, затем вынули и подвергли ударам. Объяснить изменение его магнитных свойств.
Ответ. Сначала стержень намагничивается полем катушки, после вынимания сохраняет магнитные свойства, а удары частично или полностью размагничивают его.
Молекулярный ток считают обычным током по всему телу. Так допускают ошибку, потому что слово «ток» привычно связывают с проводом. Проверьте себя: молекулярный ток замкнут и существует внутри микроскопической области атома или молекулы.
Считают, что все токи изначально направлены одинаково. Такое представление путает ненамагниченное состояние с уже намагниченным. Проверьте условие: если внешнее поле ещё не действовало, ориентации токов в среднем беспорядочны.
Представляют магнитные полюса отдельными электрическими зарядами. Ошибка возникает из-за слов «северный» и «южный», похожих на названия двух самостоятельных объектов. Помните: полюса — это области проявления общего магнитного поля токов, а не скопления электрических зарядов.
Путают направление тока с направлением поля или магнитного момента. Все эти направления связаны, но не совпадают автоматически в каждой точке пространства. Проверьте себя правилом правой руки: пальцы показывают ток, а большой палец — магнитный момент.
До этой темы нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле, и уметь применять правило правой руки. Модель молекулярных токов помогает понять устройство постоянных магнитов, электромагнитов и катушек с током. Далее она связывается с магнитными свойствами веществ, доменами и электромагнитной индукцией.
Почему молекулярные токи нельзя увидеть непосредственно?
Они происходят внутри атомов и молекул, размеры которых очень малы. Кроме того, молекулярный ток является моделью, с помощью которой объясняют магнитные свойства вещества по наблюдаемому действию магнитного поля.
Почему ненамагниченный кусок железа не является заметным магнитом?
В нём магнитные моменты отдельных молекулярных токов ориентированы в разных направлениях. Поэтому их поля снаружи в среднем компенсируют друг друга, и заметное общее поле почти не возникает.
Чем молекулярный ток отличается от тока в проводе?
Ток в проводе движется по проводнику на макроскопическом расстоянии и обычно поддерживается источником электрической энергии. Молекулярный ток замкнут и существует в микроскопической области внутри атомов или молекул.
Как по направлению молекулярного тока определить магнитный полюс?
Нужно применить правило правой руки: согнутые пальцы направляют по току, а отставленный большой палец показывает направление магнитного момента. Если смотреть на торец и ток идёт против часовой стрелки, этот торец является северным полюсом.
Почему магнит может потерять свои магнитные свойства?
Нагревание, сильные удары или противоположное магнитное поле нарушают согласованную ориентацию молекулярных токов. В результате их общее магнитное поле ослабевает или исчезает.
5. «Молекулярные токи» Ампера
