物理学の授業 / 磁気 - ウィキブック、無料の教科書、ノンフィクションおよび専門書のコレクション (2023)

私たちは生活のさまざまな分野で磁気を知っています。たとえば、私たちの地球には磁場がありますが、それは皆さんもよくご存知であり、私たちが生きていく上で重要な役割を果たしています。しかし、磁石は私たちの生活の他のさまざまな場所にも現れます。家の冷蔵庫、クレジット カードには磁気ストリップが付いているなどです。pp. しかし、磁気は他の場所にも現れます。たとえば、光や熱、「携帯電話の放射線」、電波、さらにはある種の放射線もすべて電磁波です。ただし、この磁気の効果がどのようなものであるかについては、次の章で説明します。

磁気の名前は、古代ギリシャ人が強磁性の石をマグネティス リソス (マグネシア (ギリシャの地域) の石を意味する) と呼んだことに由来しています。磁気は、これまでに知られている 4 つの基本的な力 (重力、強い相互作用、弱い相互作用と並んで) の 1 つです。

現在では、超伝導や同様の効果と同様に、それは量子力学的な効果であると考えられています。磁性は、分子のいわゆる σ 状態に関するものです。

分子軌道理論では、価電子構造理論とは対照的に、軌道は電子が存在する可能性のある空間であると考えられます。ここ。

ただし、これには学校では学べない多くの知識が必要となるため、ここではこれ以上説明しません。ただし、知っておくべき重要なことは、磁石はいつも双極子です。一部の物理学者は、素粒子として単極磁石、つまり N 極または S 極しか持たない磁石が存在するに違いないと考えていますが、まだ証明されていません。ただし、これらはすでにナノ構造内の準粒子として作成されている可能性があります。

磁石のもう 1 つの重要な特性は、常に何かを持ち運んでいることです。移動しました料金はしなければなりません。磁場は電磁石 (およびすべての送電線) で生成され、移動する電荷にのみ影響を与えます。静止している電子は磁場に反応しません。さて、どちらかが正しく考えるかもしれません。しかし、鉄の釘は、それが動いているかどうか、または帯電しているかどうかに関係なく、常に磁石に反応します。簡単に理解するには、次のように言えます: 磁力は移動する電荷と磁性物質に作用します (「磁力」を参照)。磁気の種類。

この説明で十分でない場合は、いわゆる問題に対処する必要があります。スピン占める。スピンは量子力学とも関係があります。これはすべての素粒子 (既知の最小粒子) の特性です。それらは合計 3 つの量子数を持ち、そのうちの 1 つはスピンです。スピンは回転する粒子に似ていると考えられるため、角運動量とも呼ばれます。多くの素粒子と同様に、電子は次のスピンを持っています。これは、2 つの異なる方向に回転できることを意味します (正確に言うと、スピンは 2 つの異なる値を取ることができます)。つまり、上下に回転する電子が存在します。

ここで、別のものに戻る必要があります。すでに別のものを持っていると思います。アトムモデル考慮。ここでも、これらが役割を果たします。ボーアの原子モデルは磁気を理解するのに十分です。電子は原子核の周りを回転します。彼らが今、このひねりを加えていると想像してみましょう。回転には上と下という 2 つの方法があります。そして、電荷の移動により磁場が発生するという原理が再び得られました。すべての原子内の電子が同じように回転する場合、1 メートル以上の距離 (原子物理学では長い距離) からでも測定できます。すべての回転が異なる場合、すべての小さなフィールドが互いに打ち消し合い、どのフィールドも測定できなくなります (詳細については、を参照してください)。ここ）。物質内にこれらの場を構築する原子または分子 (または分子のグループ) は、と呼ばれます。元素磁石。

磁気に関する最初の体験については、曖昧な伝説だけが残っています。最も一般的なのは、約 4000 年前、ギリシャの羊飼いマグネスがマグネシア地域を歩いているときに、杖と靴の爪が石に「立ち往生」したことです。知られている地域に基づいて、そのような磁性石は以下の名前が付けられました。磁石と呼ばれた。

しかし、これらは紀元前 624 年にミレトスのタレス (数学では「タレスの定理」でよく知られている) によって初めて文書で言及されました。そして彼らの物理的探査はほぼ 1900 年後に再び始まりました。 1269 年にペトルス ペレグリヌスは、磁石が互いに分離できない双極子であることを発見しました。

地球の磁場とコンパスは 1200 年にはすでに知られていましたが、それらの類似性は 1600 年頃まで英国エリザベス女王の医師ウィリアム ギルバートによって発見されました。彼はコンパスがなぜ機能するのかを初めて説明しました。その後、磁石の力は 1/r に比例し、1742 年と 1750 年には両極の強さが同等であることが判明しました。

磁力が発見され、電流に関連して研究が増えたのは、19 世紀初頭の 1820 年になってからでした。しかし、1864 年に初めて電気力と磁力を統合することに成功したのはマクスウェルでした。彼の方程式は今でも私たちの世界を形作っています。それ以来、この効果は磁気と電磁気のイメージと呼ばれるようになりました。

磁気は単なる磁気ではありません。この力に関して非常に異なる特性を持つ材料があります。以下にリストするように、物質が磁場に反応する方法、または磁場を生成する方法が区別されます。物質の磁気特性は、それぞれの物質の基本磁石 (電子スピン) の配置または「分類性」に依存します。

強磁性編集

強磁性体は、日常生活で最もよく知られている磁石です。強磁性物質は、それ自体が磁性を持っているか、または磁石の影響を受ける可能性があります。強磁性物質が磁場に入ると、磁性を帯び、磁場が取り除かれた後も磁性を維持します (ヒステリシス)。強磁性材料には、鉄、ニッケル、コバルトが含まれます (これらはすべて周期表で並んで配置されています!) 強磁性の性質は、基本磁石 (電子のスピン) が非常によく整列することができるという事実から生じます。すべてが同じ方向を向いているため、それらの力が加算されます。

反磁性編集

反磁性はまだ十分に研究されていない効果です。それらは一種の対抗磁石です。反磁性体を磁場の中に置くと、内部に反対の磁場が形成されるため、強磁性体や常磁性体とは対照的に、不均一な磁場から移動する傾向があります。この効果は材料の超伝導特性も可能にしますが、非常に少数の材料と非常に低い温度 (-250°C 以下) でのみ発生します。

常磁性編集

原理的には、常磁性体は強磁性体と似ていますが、ヒステリシスがない点が異なります。つまり、常磁性体は磁場に反応しますが（磁石に引き付けられます）、それ自体は磁場を生成できません。したがって、それらは磁石に引き寄せられ、それ自体が他の常磁性材料や強磁性材料を引き寄せますが、磁場がなくなると、それらも磁性を失います。

常磁性の性質には非常に多くの物質があります。

反強磁性編集

名前が示すように、反強磁性体は強磁性体の反対です。ここで、基本磁石は互いに向かい合って配置されており（上下に回転する電子の数は同じです）、したがって互いに補償し合うため、外側に作用する力の合計は 0 になります。

フェリ磁性編集

フェリ磁性は反強磁性の特殊な形式であり、基本磁石が一方向に他方向よりも強く、磁力が部分的にしか相互に補償しないため、非常に弱い磁場が生じます。

電磁編集

電磁石が磁気を帯びるのは、特定の材料特性によるものではなく、その設計によるものです。したがって、これらは限られた範囲でのみこの系列に当てはまりますが、物理学で最も頻繁に現れるため、ここでは非常によく当てはまります。また、基本磁石の原理も非常によく示しています (参照今日は磁気の説明）、それらは基本的にこれらと構造が非常に似ているためです。 電荷が関与しており、同じ方向に同心円状に回転し、磁場を構築します。

学校では、最初の 2 つのサイズが特に重要です。他のサイズはすぐに必要になることはありません。または、ついでに処理するだけです。完全を期すために、ここに列挙します。

磁束密度編集

電束密度と同様に、特定の領域における磁場の強さを表す磁束密度もあります。彼女はフォーミュラサインを持っています主にUnityで使用されますテスラ[T』を測定しました。 1T は以下に対応します。

ガウスという測定単位もあります。CGSシステムが登場し、主に理論物理学で使用されます。彼女はテスラと関係がある。 3 番目に挙げる単位はガンマです。こちらはさらに小さいです() であり、主に地球物理学で使用され、それに応じて小さな磁場が関係します。

磁束密度は力、つまり有向変数であるため、ベクトルとして表すことが好ましいのです。

磁場の強さ編集

磁場の強さを磁束密度と混同しないでください。という記号が付いていますHメートルあたりのアンペアの単位で示されます。電界強度と磁束密度の違いは、電界強度には材料定数が追​​加で与えられることです。したがって、次のように計算されます。

それによって磁束密度と透過性（で構成される）と、材料定数）。対応する物質がどれだけ磁場を通過させるかを表します。

磁束編集

(磁束) は磁気源電圧とも呼ばれ、記号 U が付きます。_メートルまたはΘ（シータ）。電子の移動により、電流 I と巻き数 N に応じた磁場が生成されます。したがって、次のように近似的に計算できます。

測定単位はアンペア[A]です。

磁気の川編集

磁束は磁束と磁気抵抗 R に関係します。_メートル結合されています。これは電流の流れに似ており、ギリシャ文字のΦ（ファイ）で表されます。

測定単位はウェーバーです [Wb]、これは 1 ボルト秒 [Vs] に相当します。

基本的に、物理学のほとんどすべての公式は積分または微分であるため、非常に複雑になります。ただし、学校では通常、近似式で十分であるため（無視される場合もあります）、ここでは近似式を示します。

通電導体編集

各導体は磁場を形成します (電荷の移動)。これは次の距離にあります強さ

I を電流として計算できます。ここで、磁場はケーブルには依存せず、電流とケーブルまでの距離のみに依存することがすでに明らかです。移動する電子が場を生成すると考えると、これは驚くべきことではありません。なぜなら、電子は流れる電流にのみ依存し、材料には依存しないからです。

ウォッシュ編集

コイルは何も新しいものではなく、電流が流れる導体をコイル状に巻いただけです。これは、最終的にはこの式の拡張である式にも見られます。場を増幅する新しい量 (分母にあります) は、ここでは N、つまり回転数です。コイル内の個々の導体の磁場が加算され、電流の強さも増加します。そうです。弱体化変数としてここに再登場（ルートに多少隠れています）ただし、πはなく（磁場はほぼ一定であるため）、コイルの長さだけ延長されます。

したがって、式は次のようになります。

エネルギー編集

もちろん、磁場にもエネルギーがあり、それはもちろん計算できます。つまり、（コイルの場合）次の式になります。

この基本的な構造は何度も繰り返されるため、この公式は実際には特に驚くべきものではありません。したがって、長さとそこを流れる電流によって異なります。二次関係はエネルギー計算に典型的なものです。

権力編集

もちろん忘れてはいけないのは、学校教材で重要な役割を果たす力の計算です。一般に、力は大きさ、方向、開始点によって特徴付けられるため、(磁場や速度と同様に) ベクトルであると言えます。磁力はローレンツ力であり、次のように計算されます。