Картинка Freepik

Электромагнитные явления (молния, притягивающие свойства натёртого янтаря) люди наблюдали на протяжении всей истории, тем не менее упорядоченные научные знания впервые появились только около 200 лет назад, но, даже сейчас, несмотря на проработанность теории электромагнетизма, многие электромагнитные явления воспринимаются их изучающими несколько отстранённо, так как лежат за пределами непосредственного опыта, поэтому несложно понять, почему только в последние пару веков люди смогли связать воедино разнородные явления и создать более-менее стройную теорию.

Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой темы. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то недостаточно подробны. В любом случае, надеюсь, что будет интересно!

▍ Поле, волна

Исторически к началу 19 века люди уже знали о зарядах, начала возникать электротехника, ещё несколько десятилетий не имевшая широкого практического применения. Электротехника сама по себе ещё не требовала такого глубокого знания электромагнетизма, которое потребовалось для последующего развития радиотехники, тесно связанной с понятием электромагнитного поля, служащего для переноса энергии в пространстве.

Что же представляет собой электромагнитное поле? Обычно под понятием поля понимают определённые физические характеристики точки в трёхмерной системе координат, — температуру, давление и т.д. Подобно этому, говоря об электрическом поле, можно говорить о сумме сил, воздействующих на трёхмерную точку в пространстве, в которой располагается единичный положительный заряд. Электромагнитное поле может быть исследовано практическим способом, для этого нужно рамку, состоящую из одного витка проволоки, перемещать по пространству, размещая её в разных точках оного, что позволит, благодаря наводящимся в ней токам — практически исследовать измеряемое поле.

С электромагнитным полем неразрывно связано и понятие энергии, где поле, изменяясь, может отдавать свою энергию какому-либо неэлектромагнитному процессу, а также и забирать энергию; электромагнитные поля могут переносить энергию в пространстве.

Поля можно подразделить на три вида:

• электростатическое, то есть это электрическое поле, существующее при наличии неподвижных зарядов;
• магнитостатическое, то есть поле постоянного тока в тех областях, где сам ток отсутствует (в том числе, это поле постоянных магнитов);
• электромагнитное, поле тех областей, где присутствует электрический ток.

Представим следующую ситуацию: допустим, в вакууме расположены две антенны — приёмная и передающая. Передающая антенна излучила некоторое количество электромагнитной энергии, которая после этого существует вне антенны и ещё не достигла приёмной антенны и всё это происходит в вакууме. Что же является носителем электромагнитной энергии в пустоте, в которой ничего нет? Здесь самый простой ответ, — электромагнитное поле, которое является физически реальным и представляет собой одну из форм существования материи.

Бурное развитие радиотехники предоставило широкую базу для проработки теории электромагнетизма и само по себе стало стимулом для дальнейшей проработки теории. Радиотехника привнесла также понятие «радиоволны», представляющей собой электромагнитную волну в радиотехнических системах, а исследование учёными вопросов приёма и передачи радиоволн заложило основу теории антенн, весьма проработанной в данный момент. Во время первых опытов по исследованию радиоволн, работа велась с радиоволнами, имеющими длину, измеряющуюся метрами, но в тоже время, были известны и длинные волны, с длиной, измеряющейся километрами.

Начиная с двадцатых годов XX века, началось исследование возможностей более коротких длин волн, а зародившаяся в военное время радиолокация подстегнула этот процесс и потребовала применения более коротких волн, — вследствие были исследованы и стали в дальнейшем применяться волны дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов (в настоящее время под радиоволной понимаются волны электромагнитного излучения с длиной от нескольких десятков километров до тысяч ангстрем — уже оптического диапазона). Применение таких волн потребовало и соответствующего изменения радиоаппаратуры, — и если раньше размеры излучающих/приёмных элементов радиоаппаратуры были меньше длины волны, то работа на новых длинах потребовала их соответствующего изменения, чтобы новые размеры этих элементов были сравнимы по размерам с длиной требуемой волны.

Длина волны представляет собой расстояние между двумя ближайшими точками в пространстве, где колебания происходят в одной и той же фазе:

График функции волны. Источник картинки: Dicklyon (Richard F. Lyon), www.wikipedia.org

Если мы посмотрим на следующую анимацию, где показано излучение/приём радиоволны антенной, называющейся «полуволновой диполь», то мы увидим, что каждый из усиков антенны, должен быть такого размера, чтобы в его размеры укладывалась соответствующего размера амплитуда принимаемой/излучаемой полуволны:

Анимированная схема приёма радиоволн полуволновым диполем. Источник картинки: www.wikipedia.org

В свою очередь, амплитуда зависит от частоты, а частота зависит от длины волны.

Интересным моментом здесь является тот, что в качестве способа передачи электромагнитной энергии могут быть использованы не только антенны, но и различные полые системы, например, волноводы, резонаторы.

Волна может распространяться по среде по-разному, если эта среда анизотропна (отличается, в зависимости от направления). Если среда активна, то может влиять на волну, усиливая её.

▍ Свойства среды и электромагнетизм

Среда характеризуется следующими коэффициентами: диэлектрической проницаемостью (т.е. коэффициентом, выражающим величину, во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше чем в вакууме) и магнитной проницаемостью (во сколько раз индукция магнитного поля в конкретном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме) и эти параметры зависят от конкретной среды.

Если среда является однородной, то есть её свойства одинаковы во всех конкретных точках пространства, то указанные выше коэффициенты не зависят от координат, в случае же, если среда неоднородно, являются функциями координат. Если эти коэффициенты не зависят от поля, то соотношение между индукцией и напряжённостью является линейной, тогда говорят, что среда линейна. Тем не менее идеально линейных сред не существует, но следует отметить, что нелинейности проявляются обычно только при огромной напряжённости поля. Например, что касается электрической нелинейности среды, то она встречается в случае использования мощных лазеров. При слабых же полях нелинейность свойственна ферромагнетикам и сегнетоэлектрикам (рассмотренным подробнее ниже).

Иногда среда бывает анизотропна, то есть её свойства различаются от направления. При этом анизотропию не стоит путать с неоднородностью, так как такая среда, как и изотропная может быть и неоднородной, и однородной. Примером анизотропной среды являются кристаллы. Также, например, в области радиотехники могут использоваться намагниченные ферриты, которые являются анизотропными, если на них воздействует сверхвысокочастотное электромагнитное поле.

Электромагнитные процессы в материальных телах отличаются высокой уравновешенностью, что приводит к отсутствию возможности наблюдения сколько-нибудь значимого электромагнитного поля, но есть и исключения, среди которых можно назвать ферромагнетики, внешние поля которых как раз и обуславливаются внутренними самопроизвольными процессами.

Если на вещество воздействует внешнее поле, то внутренняя уравновешенность нарушается, что связано с элементарными частицами вещества, которые подвержены воздействию этого поля: например, происходит некоторое изменение формы и переориентация атомов и молекул, заряды которых, тем не менее продолжают находиться в состоянии «связанности», то есть, только частично отклоняются. Результатом этого является появление такого внутреннего поля, которое существенно изменяет внешнее поле, накладываясь сверху на него. Такое состояние (для внутренней структуры вещества) называют поляризацией среды, в то время как для внешнего поля — такое состояние называется намагничиванием.

Причём поляризация имеет место во всех случаях, если тело, независимо от того, является ли оно диэлектриком или проводником, — помещается в электрическое поле. При этом существенная разница между первыми и вторыми заключается в том, что внутри проводника заряды могут более или менее свободно перемещаться, поэтому под влиянием воздействия внешнего поля, они уходят на внешнюю поверхность и там образуют полюсы — положительный и отрицательный, а сам проводник, таким образом, начинает представлять собой диполь. В диэлектриках отсутствуют свободно перемещающиеся заряды, однако их атомы и молекулы, под воздействием электрического поля могут стать диполями, и общая картина начинает представлять собой следующую (для диэлектрика): под воздействием электрического поля молекулы, расположенные до появления поля хаотически, с его появлением претерпевают смещение зарядов и молекулы разворачиваются по внешнему полю.

Поляризованность имеет такое же значение, что и электрическая индукция, а намагниченность имеет размер магнитной индукции; сами процессы поляризации и намагничивания являются независимыми, то есть поляризация не зависит от магнитного поля, а намагничивание не зависит от электрического.

В ряде ситуаций среда может быть электрический или магнитно поляризованной, без применения внешнего поля: например, можно поместить в электрическое поле диэлектрик из расплавленной смолы, что приведёт к его поляризации (ориентации молекулярных диполей), после чего сохранить эту поляризацию, после застывания, уже в отсутствие магнитного поля. Подобные среды называют электретами. Впервые способ получения электретов был описан японским физиком Ёгути, где он в 1922 году расплавил смесь из воска и смолы, внёс её в электрическое поле и оставил там застывать. В ходе застывания наведённый электрический момент как-бы «вмёрз» в вещество и стал постоянным. После нарезания такой смеси (являющейся хорошим изолятором) в виде брусков, она стала представлять собой объекты, имеющие положительный заряд на одном конце и отрицательный заряд на другом.

Заряды концов бруска можно было измерить с применением зеркального гальванометра. Такого типа электреты могут храниться годами, только для продолжительного хранения их вставляют в специальные металлические капсулы (видимо, надеваемые на концы бруска, в литературе этот момент подробно не освещается — прим. автора статьи), чтобы предотвратить с течением времени улавливание бруском ионов из воздуха. При этом происходит покрытие концов бруска покровным слоем из ионов противоположного знака, после чего электрический момент бруска становится нейтральным, при попытке измерения снаружи. Повторное расплавление электрета разрушает поляризованную структуру, и, соответственно, разряжает электрет. Электреты могут использоваться в вольтметрах, электрометрах, телефонных аппаратах, для подачи постоянного напряжения на сетки электронных ламп, для целей управления электронным пучком в электронно-лучевых трубках и т.д.

Существует ряд веществ, называемых сегнетоэлектриками, которые обладают свойством самопроизвольной электрической поляризации, из-за асимметрии их кристаллической структуры.

Одним из важнейших представителей сегнетоэлектриков является открытая в 1672 году французским аптекарем П.Сеньетом — «сегнетова соль», Или, другими словами, двойная калиево-натриевая соль винной кислоты. В сегнетовой соли причиной возникновения спонтанной (то есть, в отсутствие внешнего электрического поля) поляризации является ориентация гидроксильных групп ОН, которым присущ дипольный момент; кроме неё подобными свойствами обладает открытый в 1944 году в СССР титанат бария.

Сегнетоэлектрики характеризуются очень большими значениями диэлектрической проницаемости в рамках определённого диапазона температур. Например, сегнетова соль имеет высокую диэлектрическую проницаемость в диапазоне от -20 до +20 градусов Цельсия, в то время как для титаната бария этот диапазон простирается от самых низких температур до +125 градусов Цельсия.

Но гораздо более распространённым и устойчивым является самопроизвольная магнитная поляризация, например, у намагниченных ферромагнетиков, называемых также постоянными магнитами, где сохраняется намагниченность из-за того, что не существует свободных магнитных зарядов, а, следовательно, и соответствующих токов.

Поляризация может происходить и механическим способом, например, известно, что кристаллы состоят из атомов или ионов противоположных зарядов, которые размещаются в узлах пространственной решётки. Если кристалл помещается в электрическое поле, то происходит смещение положительных и отрицательных зарядов этой решётки, что приводит к возникновению на граничных поверхностях кристалла электрических зарядов.

Такой же процесс может происходить и вследствие механического воздействия, например, поверхность кристалла кварца поляризуется, если его подвергнуть деформации с помощью сдавливания, при этом степень поляризации пропорциональна сдавливанию, — такая поляризация носит название пьезоэлектрической.

Причём может наблюдаться и обратный пьезоэлектрический эффект, когда внешнее электрическое поле, приложенное к телу, вызывает упругую деформацию его. Причём этот обратный эффект следует отличать от электрострикции, — деформации диэлектриков под влиянием электрического поля, пропорционального квадрату напряжённости поля и она может наблюдаться для многих диэлектриков — в твёрдом, жидком и газообразном состоянии. Обратный пьезоэлектрический эффект отличается от электрострикции тем, что он на несколько порядков больше её, и может наблюдаться только у диэлектриков, обладающих определённой симметрией. Кроме указанных выше видов поляризации может наблюдаться ещё и температурная поляризация, которая носит название пироэлектрического эффекта, который был впервые открыт в 1756 году петербургским академиком Эпенусом.

Явление пьезоэлектрического эффекта получило широкое применение на практике, например, если к пластинке или бруску кварца приложить переменное электрическое напряжение, то он будет испытывать упругие деформации, с частотой этого напряжения. Если частота тока совпадает с частотой собственных колебаний кристалла, то возникает резонанс и кристалл начинает совершать энергичные колебания, с одной и той же неизменной частотой, по крайней мере, пока температура остаётся постоянной.

Это свойство кварца широко распространено в технике, в качестве средства точного измерения времени, а позже, на основе этого свойства кварца были созданы и кварцевые часы. Пьезоэффект, наблюдаемый у кварца, позволяет генерировать весьма точные колебания, неизменные во времени. Например, был проведён эксперимент с кварцем длиной 9,1 см, с частотой 60000 Гц. Часы на основе этого кварца показали точность от 0,001 до 0,002 секунды, в течение многих месяцев. С помощью замеров с применением кварцевых часов было установлено, что практическая продолжительность суток испытывает колебания +- 0,004 сек. Кроме измерителя времени, кварц служит важную роль также в стабилизации длины волны в радиотехнике.

▍ А в чём же причина?...

Но, всё же, встаёт один очень интересный вопрос: а что всё-таки является источником магнетизма в своей основе?

То, что мы узнали ранее, а именно поляризация, это всего лишь «техническое ухищрение», если его можно так назвать, с помощью которого мы заставили частицы вещества развернуться в одном направлении (в случае принудительной поляризации) или «некий природный казус» (в случае самопроизвольной поляризации), — чем-то это напоминает лазер, с его когерентностью излучения, то есть согласованностью волновых процессов во времени, где с помощью определённых технических ухищрений, мы стали испускать фотоны определённой частоты.

А ответ заключается здесь вот в чём: согласно теории Ампера, источником магнетизма являются существующие круговые токи в атомах вещества, а магнитные диполи в веществе — могут рассматриваться как своеобразные волчки. Под диполем здесь понимается система из ядра атома и электронов, где ядро заряжено положительно, вокруг которого летают электроны, заряженные отрицательно и создающие своим движением магнитное поле.

Подтверждением этого представления стало явление Барнета, открытое в 1909 году и получившее имя своего первооткрывателя.

Если вещество не намагничено, то диполи в нём расположены хаотически, поэтому вне вещества — их магнитные свойства не обнаруживаются (взаимно компенсируются, т.к. хаотичны). Однако если такому веществу придать вращательное движение, то каждый диполь в нём получит дополнительный импульс вокруг оси вращения, и его круговой ток получит приращение, в виде прироста компоненты кругового тока вокруг этой оси. Следствием этого является появление дополнительных магнитных моментов, которые суммируются и имеют направленность вдоль оси вращения и могут быть измерены вовне вещества, при этом само тело намагничивается. Только нужно иметь в виду, что если этот эксперимент проделывается с ферромагнетиками, то вращение должно быть очень быстрым, чтобы вызвать измеримые изменения.

При этом можно легко обнаружить, что же является источником магнитного момента: образованы ли круговые токи положительными или отрицательными зарядами (если положительным, то причина — ядро атома, если отрицательными, — то электроны атома).

Практические эксперименты Барнета показали, что источником являются носители отрицательного заряда, то есть электроны. Тем не менее эксперимент показал расхождение показателей с теорией, объясняющей появление такого момента быстрым движением электронов по своим орбитам, но, в дальнейшем, ответ на этот вопрос дала квантовая механика, которая открыла, что причиной явления Барнета являются не отрицательные моменты электронов, а их спин.

А в 1915 году был открыт обратный эффект, который получил название явление Эйнштейна-де Гааза. Внутри вертикально установленной катушки (S) была подвешена с помощью тонкой стеклянной нитки (a) — железная проволочка (bc).

Картинка: Н.В.Кашин – «Электричество и магнетизм, колебания и волны»

По катушке пускался электрический ток и при изменении направления тока в катушке, железная проволочка перемагничивалась. Если прикрепить к проволочке небольшое зеркальце, то можно было визуально наблюдать, что проволочка совершает поворот вокруг своей вертикальной оси, согласно отрицательному знаку элементарного заряда. Для увеличения наглядности, Эйнштейн и де-Гааз пускали по катушке переменный ток, с таким же периодом, как их период вращения стеклянной нитки с проволочкой.

В самом начале, так как вещество проволочки было ненамагничено, диполи были расположены хаотично, равно как и направления их вращательных импульсов, что приводило к их взаимному уравновешиванию. Проходящий в катушке ток намагничивал проволочку, что приводило к переориентации диполей в направлении силовых линий поля, то есть в направлении оси проволочки (это же относится и к вращательным импульсам диполей). Это, в свою очередь, приводило к тому, что векторная сумма вращательных моментов диполей было уже не равна нулю, а имела некое значение, что, в свою очередь, так как изначально проволочка не имела никакого вращения (с которым мог бы сложиться или обнулиться возникший импульс), — приводило к отталкиванию от текущего положения и отклонения вокруг вертикальной оси. Чем-то это напоминает создание импульса, когда дети раскачиваются на качелях:-) Направление вращения позволило экспериментально убедиться в отрицательном знаке элементарного заряда.

Кстати говоря, некоторое подобие описанного выше явления Барнета, с физическим раскручиваем ферромагнетика (не его самого, а опыт с физическим воздействием и намагничиванием), в некоторой степени может повторить каждый, например вот здесь, в одной из предыдущих статей, рассмотрен простой способ, как можно обычным физическим ударом намагнитить железо!

Подытоживая рассказ, можно сказать, что детальное изучение структуры вещества, взаимодействий, является весьма увлекательным процессом, что может дать множество пищи для размышлений, и, может статься, даже стать источником идей для каких-то изобретений…

▍ Список использованных источников

1. Н.В.Кашин – «Электричество и магнетизм, колебания и волны»
2. Г.С.Кринчик – «Физика магнитных явлений»
3. А.И.Ахиезер, И.А.Ахиезер – «Электромагнетизм и электромагнитные волны»
4. В.В.Никольский – «Электродинамика и распространение радиоволн»

Узнавайте о новых акциях и промокодах первыми из нашего Telegram-канала ????