Магнетизм

Уже очень давно известно вся природа явления магнетизма!
Магнетизм — форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля. Наряду с электричеством, магнетизм — одно из проявлений электромагнитного взаимодействия.

 

Так теории (или их применение к данному случаю) тоже могут быть неправильными. Потому что построение матмодели под конкретный случай делается людьми и может содержать ошибки: математические, логические, неверные обобщения на неподходящий случай, неучет чего-либо... да что я Вам рассказываю: если занимались экспериментом - сами стократ в курсе.
Но все-таки эксперимент первичен.

Поэтому к устоявшимся, "общепринятым" теориям так много доверия - они сами уже столько раз проверялись, что сами стали экспериментальным фактом. Ну вот закон Ома для металлов - теория? Теория. Но для определенного диапазона параметров - экспериментальный факт. Эти соотношения в некоторых пределах всегда соблюдаются. Какова ни была бы новая, лучшая теория, она всегда должна получать закон Ома для металлов как частный случай.
Эту теорию вывели ещё тогда, когда не знали о том, что является носителем заряда. И в новую электронную теорию она встроилась без труда.

Э, нет. В том-то и прелесть, что перестраивать по факту верные теории никогда не приходится. Ничего не изменилось в построениях Больцмана или Карно от того, что атомы перестали быть неделимыми шариками. Ничего не изменилось в уравнениях Максвелла от того, что мы узнали, что свет - это не только волна, но нечто хитрее. Ничего не изменилось в потенциале Юкавы с появлением кварков и КХД.
Именно, что база, фундамент изменился, "изначальные абстракции" - совсем иные, но если само здание прочное, хорошо пришито к экспериментам, там даже трещин нет.

Ы? Нет, я просто начал думать, какие именно теоретические ограничения могут быть у магнитного поля. Оно в вакууме линейно вплоть до ОЧЕНЬ больших величин.

Хм. Это если избыточный заряд удерживается именно электрическими силами. А если гравитацией? Заряд черных дыр и даже нейтронных звезд может быть очень велик.

А для магнитов это совсем не имеет смысла: каждый спин можно грубо представить как элементарный магнитик (вот Вам, кстати, еще один пример абстракции, которая помогает, но только в конкретном месте). Магнитикам достаточно развернуться навстречу друг к другу (как в антиферромагнетиках), чтобы превратить отталкивающие их силы в притягивающие... В этом смысле ферромагнитики, в которых спинам в пределах домена выгодно быть сонаправлеными - очень забавное явление природы.
Но даже если б без этого, магнитные силы в магнитах не бывают столь велики, чтобы выбросить частицы за пределы материала.

Чем ограничена индукция постоянного магнита? Количеством неспаренных электронов на единицу массы материала. Плюс - возможностями соорудить из материала ферромагнетик. Вообще, люди с магнитами неодим-железо-бор уже довольно близко к этому пределу, чего-то сильно круче (не на проценты, а в разы) ожидать не стОит.

 

- присутствие-отсутствие материального источника-носителя свойства

Вот, как с гравитационным удержанием зарядов, - вообразите магнитное удержание электрических зарядов. Такое возможно?

И как оно объясняется? Почему "домены", а не отдельные атомы или кристаллы?
И в чём предел, к которому "люди с магнитами неодим-железо-бор уже довольно близко"?

 

Как быть с вращающимися нейтронными звёздами/черными дырами?
Пульсары, предполагается, имеют поля на поверхности порядка 1Е8-1Е9Тл, что куда больше того, что можно получить постоянным магнитом.
В лаборатории электромагнитами получено до 50Тл постоянного поля и до сотен Тл импульсного.
Постоянный магнетизм куда менее удобен для создания рекордных полей.

Да, конечно: называется магнитной ловушкой. А зачем?

Есть такая штука - обменное взаимодействие. И вот тут простое объяснение уже будет неверным, а верное - будет непростым. Нужно брать иные абстракции, да и с ними наглядности тут мало.
При перекрытии волновых функций фермионов возникает особая поправка к энергии системы на их взаимодействие. Вот от знака и величины этих поправок и будет зависеть, будет ли выгодно электронам сесть тем или иным образом (любая система стремится в состояние с минимальной свободной энергией).

Почему не отдельные атомы - понятно, потому что требуется достаточное число взаимодействующих электронов, чтобы величина обменного взаимодействия для них стала достаточно большой и "перевесила" тепловой хаос при данной температуре (который иначе разориентирует спины).
Почему не весь кристалл - тоже просто и наглядно: если домен был бы один, это было бы неустойчивое положение порождающее внешнее поле, при прочих равных магнитикам выгоднее "сложиться" так, чтобы компенсировать поля друг друга. Поэтому система "ищет компромисс". И находит его: бьёт структуру на домены, а они уже хаотично направлены. Чтобы "выстроить" домены и "зафиксировать" их так, нужно вкачать в металл энергию, и принять особые меры, чтобы они так уж легко обратно не переворачивались.

Но вопрос, почему граница магнитного домена проходит именно вот тут, а не вот тут - о-очень интересный вопрос. Обычно этим рулят дефекты кристаллической решетки: ну есть у большинства металлов "зерно", монокристалл вырастить сложно, так что домен совпадает с границей зерна. А вот в идеальных монокристаллах (если убрать ВСЕ дефекты) с доменами происходят интереснейшие штуки... границы магнитных доменов зависят от единичных дефектов и примесей, от температуры, от внешнего поля, их можно даже сдвигать спиновым током...
Кучу всего интересного можно делать. Кстати, разработчики жестких дисков в этом поднаторели: современные терабайтные диски были бы невозможны, если бы производители не управляли бы созданием доменов правильных размеров и ориентации.

Я не знаю. Просто моё предположение: что сильно более эффективную систему люди уже вряд ли придумают. Каждый атом может выставить лишь один неспареный электрон. В NdFeB "холостой" только бор, но он критичен для системы в целом. Так что как бы ни меняли состав, сильно повысить плотность "сонаправленых" электронов уже вряд ли выйдет. Ну, какое-то улучшение - да. Возможно, более высокая точка Кюри, технологичность, стабильность, стоимость... но вот рекордная индукция для материала сильно уже вряд ли повысится.

 

Да никак. Гипотетические тела с гипотетическим вращением, со "свойствами", выведенными математически из предпосылки, что там - в тех условиях - такие же физ. законы, что и здесь. И расстояние до тех объектов - также гипотетично - из гипотезы о расширяющейся вселенной. Про черные дыры - вообще сплошные гипотезы.
Речь была о рассмотрении магн. поля не абстрактно, а в присутствии его носителя.

Потому, как наведен более сильным полем катушки.

Ловушка - внешнее воздействие, я имел в виду - такая структура вещества, что выгодно расположением зарядов удерживать частицы с параллельными спинами.

Волновыми функциями пытаются описать якобы-состояние частиц, которые предположительно сидят в потенциальных ямах - и вовсе не зависят, что мы о них думаем (а хоть бы и волновыми абстракциями), так?

Да, я еще в юности обратил внимание, что самое интересно происходит в промежности раздела фаз.

Прям как с жидкими кристаллами.
А вот интересно, специально выращенный монокристалл чистого Fe можно намагнитить?

А зависимость от размеров доменов? Ведь получается так, что с уменьшением размеров этих микрокристалликов может увеличиваться остаточная намагниченность, и так - либо до исчезновения границ раздела между доменами, либо до рассыпания магнита в пыль (точнее - невозможности спрессовать материал в изделие)?

 

Иные предпосылки неразумны: если законы меняются неким предсказуемым образом, значит, это все те же законы (просто более хитрые). Если непредсказуемым, то нефиг и рыпаться. Вся наука построена на принципах предсказуемости, повторяемости и актуализма.
Пульсары, кстати, - экспериментальный факт. Не гипотетический.

Эээ... в этом и состоит явление ферромагнетизма.

Не "пытаются", а описывают. Какие-либо эксперименты, показывающие недостаточно полное описание с помощью ВФ - пока неизвестны. Скорее всего, это описание не полно, но оно самое полное из нам известных и пока соответсвует эксперименту на 100%.

Почему только в потенциальных ямах? Да где угодно.

Можно. Правда, коэцитивная сила у чистого монокристалла железа небольшая. Хороший магнит так не получится.

Э, не... не всё так просто. Границы домена любят садиться вблизи дефектов - там им выгоднее, но рулит всем всё же именно обменное взаимодействие. Именно оно определяет "желаемый", оптимальный для материала размер.
Если монокристаллик слишком маленький, ферромагнетизм не возникнет вовсе (сам по себе атом - не "ферроматнитный", это коллективное явление). В поликристалле домен попробует "перешагнуть" дефекты и "захватить" несколько монокристалликов.
Опять же, ферромагнетизм не намертво "зашит" в природе материала, все зависит от того, что материалу выгоднее в этих условиях... может оказаться, что выгоднее ему будет парамагнитное или антиферромагнитное состояние.

Самое интересное происходит, когда размеры отдельно стоящего монокристаллика, наночастицы близки к размерам оптимального домена для данного материала. Появляется возможность очень гибко рулить свойствами материала... например - получать почти любую требуемую температуру Кюри. Скажем, если наночастица очень близка к размеру домена, но все же чу-уть меньше, она все может стать ферромагнитной... но при более низкой температуре.
А если размеры наночастицы чуть больше, чем оптимальный домен, но поменьше, чем два, получается бистабильная структура, которая нормально - постоянный магнит с очень большой намагниченностью, но при небольшом внешнем воздействии может "разломаться" на два домена с противонаправленной намагниченностью.

Связи между коэрцитивной силой, манитной проницаемостью, полем насыщения и размером зерна в материале (а размеры домена связаны с размером зерна неоднозначно) существует, но очень непросты и немонотонны. Особенно с учётом того, что на практике идеальная картинка из множества мелких кристаллов одного размера, упакованых в один поликристалл сильно смазана - разным размером зерен, дефектами внутри монокристаллов, граничными эффектами, наличием аморфной фазы (причем её может быть много).

И магнитные силы в материале очень редко бывают столь велики, чтобы разрушить материал, для этого материал уже должен быть почти разрушен заранее. Характерные энергии связи, скрепляющие кристалл - единицы эВ, а энергии магнитного взаимодействия - единицы-сотни мэВ, пренебрежимо мало по сравнению с химическими связями.

 

Z-zyl щас меня разорвет в пух и прах, но я всетаки свою точку расскажу.

Я всегда отталкиваюсь от того что почти все можно обьяснить с точки зрения механики. Теперь смотрим так. Бурум всеми нелюбимы и ущербный со всех сторон эфир. Поле, буть то магнитное или статическое или электро магнитное это для меня то или иное движения эфира. Разница у полей лишь в первоначальном источнике который закручивает поле. В постоянном магните всегда присудствует движение эфира. Как это понять? Достаточно провести эксперемент Эдварда Ленскалина "Запуск электронов на орбиту" или "Хранитель вечного движения" и др... Конечно его можно трактовать как угодно. Но всетаки. Так как есть материал и есть вокруг него эфирное движение то при присоединении сердечника получается "эффект формы" Когда первоначальный материал "магнит" передает свои "свойства"(передает определенные варающиеся моменты чтоли. Не знаю как лучше сказать) и присоедененный сердечник начинает также закручивать вокруг себя среду создавая поле. И тогда мы имеем так сказать что все полевые взаимодействия (гравитацию не трогаем) работают как вихри на притяжение и отталкивание (обусловленное разностью давлений) вот гдето так. Если интиресно, спросите нет так нет. Z-zyl более кошерно отвечает со своей колокольни.

 

Да не то чтобы "разорвёт". Я уже говорил, что смотрю на всё это с некоторым... удивлением и недоумением.
Не, ну ясное дело, что можно объяснять себе эти явления эфиром. Или, например, действием зеленых чертиков (что совершенно равнозначно; зеленые чертики тоже всё отлично объясняют: налево пляшут - значит, положительный заряд, направо - отрицательный, хоровод водят - магнетизм, вприсядку пошли - это гравитация).
Всё замечательно объясняется, и даже понятнее, чем эфиром, никаких абстракций. Но зачем все это?

Если из представлений нельзя ни строго вывести даже известные закономерности, ни предсказать проверяемые новые, зачем такие представления нужны?

Для личного удовольствия, разве что. Но и то: эстетика - понятие не абсолютное, и с Природой связано лишь весьма косвенно.

 

Z-zyl, возможно, знает о чем это, а я нет. Расскажете?

 

Факт - наблюдение пульсирующего излучения из крохотной области небосвода. А что именно там пульсирует - фантазии на тему.

Ясно, что Fe легко размагнитить, однако, ведь и намагнитить невозможно - нету в монокристалле доменов, а если есть неоднородности - то это уже не моно-кристалл, а брак.

Значит, можно предположить, найдутся хитрые органические макромолекулы с такими же свойствами?

Получается, "домен" - не физический объект, а виртуальный, ибо как в твердом теле может что-то "перешагнуть" и "захватить"? (или даже вообще - провернуться, ну разве что, акромя условно-свободных электронов)

Получется, "домен" - и есть макромолекула?
Это напоминает мне описание сверхтекучести (гелия) и сверхпроводимости, а саморазламывание наночастицы - на спонтанное расщепление трансуранового ядра.

- и эта картина до боли знакома!
Вот если бы представить себе идеальный магнит - это как? - из абсолютно одинаковых зёрен, одинаково ориентированных и без наполнителя (аморфной фазы)?

И всё же, источник явления магнетизма - только электроны, выстроенные впараллель спинами?

 

Пульсирует - пульсар, они существуют - факт.
То, как он устроен - теория (следует отличать от фантазий). Кстати, хорошая, твердая теория, со сходящимися количественными оценками. Именно на таких теориях построена вся техника, которая нас окружает. В общем-то, ни электронов, ни атомов никто не видел, для нас это чистые абстракции, продукт логики. Но зато сколько мы всего наделали, пользуясь уже ими в свою очередь для строгих логических построений...

Если бы Вы знали, каким последовательным нагромождением гипотез иногда приходится пользоваться, чтобы получить нечто, что можно проверить экспериментально. Но зато, когда данные эксперимента нетривиально совпадают с ожидаемым и вся цепочка подтверждается - это красиво.

Почему? В монокристалле нет ЗЕРЕН, к границам которых часто привязаны границы доменов. Но домены, конечно, в нем есть, неизбежно появятся, границы их, правда, более подвижны. Это результат самоорганизации, вроде как появление ячеек Бернара в нагретой жидкости или выстраивание самих кристаллов... просто спинам энергетически выгодно так кучковаться.
Домены есть и в полностью аморфных материалах.

Он строго физичен: в пределах домена спины неспареных электронов ориентированы одинаково (считайте это нестрогим определением ), и это можно проверить экспериментально. В частности, GMR-головка Вашего винчестера работает на этом (с начала 2000-х там нет катушки на чтение).
Но да, ферромагнитный домен - нечто, стоящее над структурой кристалла, он может включать, например, несколько близко расположеных наночастиц. Или наоборот - несколько доменов могут делить один монокристалл.

Аморфная (и даже немагнитная) фаза нужна чтобы фиксировать границы зерен. При этом зёрна, конечно, должны быть оптимального размера.
Тут есть такое дело, что поле насыщения и коэрцитивная сила - как бы разные величины.
То есть, получить большое поле в ферромагнетике - это одно. А сохранить большое поле остаточной намагниченности - это уже несколько другое. В идеальном постоянном магните нужно сочетание.
Скажем, аморфные металлы имеют очень высокое мю. Но вот петля гистерезиса у них у-узенькая (что очень хорошо для всякого рода магнитопроводов и очень плохо для постоянных магнитов: убираем внешнее поле, исчезает собственное).

...источник явления магнетизма в ферромагнетиках? Да, именно так.

 

Спасибо, Z-zyl.
И - последнее: в проводящем ферромагнетике электроны, задействованные в сохранении остаточной намагниченности и электроны проводника (электрического тока) - одни и те же?

 

Нет, определяют электроны оболочек. Спин атома при этом может быть больше 1/2.

 

Магнитное поле - скорее, нечто являющееся частью, чем то, что может быть удобно разбито на более мелкие абстракции. Оно неотделимо от электрического поля. Ради забавы можно даже легко формально показать, что магнитное поле - всего лишь побочный эффект электрического, связанный с тем, что скорость его распространения конечна, то есть магнитное поле - не более, чем вечно запаздывающее электрическое (можно было бы и наоборот, но электрические заряды - есть, а магнитных - нет). Если бы скорость света была бы бесконечной, магнитное поле не существовало бы вообще.

На самом деле это просто две стороны одной медали: просто человек условно, для себя, поделил единое взаимодействие на две такие вот компоненты (ну, сложилось исторически: как находил проявления в природе, так и определял сущности).

Есть более популярный и полезный формализм, когда электромагнитное поле делится не на "магнитное" и "электрическое", а на "векторную" и "скалярную" части.
То есть вводим некое "общее" векторное поле A, и магнитное поле будет rot(A) (при этом отсутсвие магнитных зарядов выходит само собой, автоматически). И вводим некое скалярное поле ф, причем электрическое поле будет = -grad(ф) + dA/dt.
Получается, электромагнитное поле разбивается не на магнитное В и электрическое Е поля, а на статическую скалярную (ф) компоненту и векторную, направленую (А) компоненту. Формализм удобен для всяких игр с теорией относительности. Нет, ну на самом деле, а почему бы вместо такого разбиения не взять этакое?
Если продолжить игры и ввести четыре-вектор поля A'=(ф/c,А) и четыре-вектор тока J'=(ро*c, j), то изначальные 16(12+4 про которые все забывают) громоздких уравнений Максвелла запишутся в одном кратком []A'= - мю0 * J', откуда уже видать и калибровочные инвариантности, и закон сохранения электрического заряда (по все той же тете Нетер), а волновое уравнение превращается в банальное []A = 0 или []ф =0 (и то, и то работает в калибровке Лоренца).

Красиво, да?

Это могло бы быть (и было) простой игрой математических символов, но оказывается, такая интерпретация тоже каким-то боком "нравится" Природе и "реальна" не менее, чем деление на электричество и магнетизм. Есть такой эффект Ааронова-Бома, в котором на частицу влияет магнитное поле В там, где его нет (но А при этом не равно 0). Или наоборот: магнитное поле влияет на частицу там, где частица не может оказаться. Эффект этот симметричен: поставлен эксперимент, в котором частица "чувствует" несуществующее электрическое поле. Это не говорит о том, что магнитное поле - нечто "неправильное", но показывает, что нельзя быть выдрать из природы кусок, приклеить к нему ярлык и переться от этого. Если рассматривать отдельно магнитное поле, то явление это было бы абсолютно необъяснимо и пахло бы мистикой, серой (для религиозных) или сумасшествием (для атеистов, им отступать некуда ).

Это опять же, для иллюстрации главной мысли: это все условные разделения (на магнитное или электрическое, на векторный или скалярный потенциал), удобные для рассмотрения в том или ином случае. Это все происходит в нашем воображении, а электромагнитное поле в Природе - едино.


Что такое "волновая теория магнитного поля"? В чём её смысл?


А что не так с электролитами? Вещества как вещества - в парамагнитных электролитах поле чуть усиливается, в диамагнитных - ослабевает. Там, где есть электрический ток - будет и магнитное поле.

 

Vexx, спасибо, с вашим толкованием понятия магнетизма согласен на 97%, добавлю свои три (пусть рвут,нас двое ):
и так, в моём понимании магнит(магнетизм не что иное как поляризатор,структурирует,упорядочивает)анизотропный всепроникающий эфир, повышая энтропию,строит фракталы и т.д. Вполне естественно, что когда магнит становится по объёму больше (с куском железа на плюсе N,условно),в него попадает и поляризуется больше эфира, он становится сильнее на полюсе S . Природа на Земле имеет магнитное начало,это важно, опираясь на это у нас все получится !
Не помню кто сказал: все нужное - просто, все сложное не нужно...