Почему магниты магнитятся, а немагниты – не магнитятся? 🧲 Часть 1

Введение было здесь. А в первой части поговорим о классе магнитно-неупорядоченных веществ.

Диамагнетики – вещества, не имеющие собственного магнитного поля, если их не помещать во внешнее. Электроны в них, по-прежнему, вращаются по орбитам и создают собственные магнитные поля, однако, количество электронов и направление их движения такое, что их магнитные поля компенсируют друг друга. Например, в атоме гелия есть два электрона, которые вращаются по одинаковым орбитам с одинаковой скоростью, но в разных направлениях. Их вектора магнитной индукции будут направлены в разные стороны и в сумме дадут ноль.

Если диамагнетик поместить в магнитное поле, то будет наблюдаться картина, похожая на поднесение проводящего кольца к магниту из школьных опытов. Если помните, там кольцо отталкивается из-за явления электромагнитной индукции, о которой я рассказывал здесь. А дополнительное магнитное поле в атомах диамагнетиков будет направлено в противоположную сторону внешнему. Таким образом, диамагнетик, намагничиваясь, всегда выталкивается из внешнего магнитного поля.

Вообще диамагнетизм является универсальным свойством всех веществ, т.к. в их атомах есть вращающиеся электроны («витки с током»), и независимо от того, скомпенсированы ли у них магнитные поля или нет, во всех них внешнее магнитное поле будет приводит к возникновению хоть какого-то собственного поля, направленного против внешнего. Однако, это очень слабый эффект и часто маскируется другими более сильными магнитными свойствами и может ощутимо наблюдаться только в истинных диамагнетиках, где собственные поля скомпенсированы и больше никаких магнитных свойств нет.

К истинным диамагнетикам, у которых хоть как-то можно заметить его признаки, относятся элементы с заполненными электронными оболочками – инертные газы (гелий, аргон и др.) и благородные металлы (золото, серебро), а также медь, цинк (заполненные d-оболочки) и разные органические и неорганические молекулы со скомпенсированным магнитным моментом.

Парамагнетики ­­– вещества, имеющие собственное магнитное поле за счет движения электронов, которое не компенсируется, как у истинных диамагнетиков, постоянно для каждого вещества и не зависит от внешнего магнитного поля.

Обычно у атомов парамагнетиков, которые, как известно, похожи на витки с током, величина этого собственного поля маленькая, и тепловое хаотическое движение атомов приводит к случайному расположению магнитных моментов каждого атома и не дает им выстроиться в одном направлении, чтобы во всем теле возникло собственное магнитное поле. Но во внешнем магнитном поле магнитные моменты каждого атома, конечно же, начнут выстраиваться в направлении этого поля, и вещество начнет намагничиваться, а каждый атом со своим магнитным моментом внесет вклад в общее дело. Происходит это потому (опять упрощение), что на движущийся по орбите атома электрон действует сила Лоренца во внешнем магнитном поле, которая его отклоняет, изменяет его траекторию движения, и «атомный виток с током» поворачивается.

Но не все так просто, т.к. тепловое движение атомов по-прежнему мешает их магнитным моментам выстраиваться по направлению внешнего поля и происходит конкуренция между двумя этими явлениями. И, конечно же, самым главным арбитром, который решит спор, намагнитится ли в конце концов парамагнетик или нет, является температура. С повышением температуры атомы двигаются быстрее и хаотичнее, поэтому выстраивание магнитных моментов в одном направлении наиболее затруднено и намагниченность проходит вяло. Когда температура снижается, тепловое движение становится медленней, и тогда поворот «атомных витков» происходит легче.

К парамагнетикам относятся, в основном, атомы и молекулы с нечетным числом электронов, т.е. с нескомпенсированным магнитным моментом (например, щелочные металлы, или молекула NO), алюминий.

Этот материал требует немного знаний физики. Надеюсь, вы справитесь с пониманием. Пишите в комментариях вопросы, если где-то непонятно. Во второй части будет самое интересное. Выложу, как только наберем 40 реакций

Как не спалить себе жилище?

Конечно же, не нужно давать детям играть со спичками, не курить в квартире и не размахивать руками, когда устраиваете со своей второй половинкой ужин при свечах. Однако, есть и еще один фактор, который не всегда напрямую зависит от обитателя помещения – то, как в нем устроена электрика.

Как многие уже догадались, сегодня поговорим об устройствах электрической защиты от короткого замыкания и перегрева. Давненько здесь не было рассказов про устройства приборов.

Здесь стоит немного пояснить, что короткое замыкание – это когда резко падает сопротивление нагрузки цепи и, по закону Ома, резко растет ток. А большой ток, как мы знаем, приводит к очень сильному нагреву проводников (вспоминаем закон Джоуля-Ленца по которому тепло, выделившееся в проводнике, пропорционально квадрату силы тока). Такое количество тепла запросто может сначала расплавить изоляцию проводов, а, затем, и сами провода, что легко может привести к возгоранию других вещей вокруг.

Человек, живущий в квартире не всегда напрямую виноват в случившемся. Ему могли плохо сделать проводку, и изоляция проводов со временем стерлась, могли плохо собрать на заводе прибор, который он купил. Однако, бывает и прямое влияние. Например, если вы захотели повесить полку и вслепую сверлите перфоратором стену, не зная, где проходят провода. Или залили водой бытовой прибор, включенный в цепь.

Многим людям постарше знакомы выражения «пробки перегорели». Действительно, первыми устройствами защиты от короткого замыкания были приборы, работающие по принципу плавких предохранителей. После перегорания их нужно было выбрасывать и ставить новые. На смену пробкам пришли многоразовые и более сложные устройства – автоматические выключатели (в простонародье – автоматы). На рисунке привел максимально упрощенную, но показывающую реальное устройство, схему. Автомат имеет два вида защиты – тепловую (от перегрева) и электромагнитную (от короткого замыкания), и работают они по разному принципу.

Тепловая защита исполнена биметаллической пластиной – сэндвича из двух сваренных металлов с разным коэффициентом термического расширения. При нагреве одна пластина расширяется быстрее другой, и не может свободно удлиниться из-за жесткого контакта, поэтому вся конструкция начинает изгибаться, и цепь размыкается. Это как со старыми рельсами, у которых если не сделать зазоры, посмотрите в интернете, какими извилистыми они становятся от перепада температур.

Электромагнитная защита более совершенна для защиты от короткого замыкания, чем плавкий предохранитель, но работает она не по такому уж и сложному принципу. Она состоит из катушки, подключенной к общей цепи, и сердечника вблизи нее, связанного с выключателем и удерживаемого пружиной. При коротком замыкании сильно возрастает ток через катушку, а, вместе с ним, и создаваемое током магнитное поле внутри нее. Пропорциональность магнитного поля току, который это поле создает, описывается в так называемом законе Био-Савара-Лапласа. Сильное магнитное поле, созданное катушкой, втягивает железный сердечник внутрь нее (железо ведь ферромагнетик, а мы уже знаем, что это такое). Как будто бы большой магнит поднесли к сердечнику. А так как к сердечнику привязана клемма выключателя, переместившись внутрь катушки, он тянет за собой эту клемму и размыкает цепь. Стоит отметит, что магнитное поле и до короткого замыкания создавалось в катушке, ведь ток через нее все равно шел. Но оно было достаточно мало, и сила втягивания ферромагнетика в это поле не превышало силу упругости пружины, которой удерживался сердечник так, чтобы цепь была замкнута. Вот такое гениально простое инженерное решение.

Кстати, в этом устройстве есть еще один интересный элемент – камера гашения дуги и отвода газов. При коротком замыкании ток настолько сильный, что при моментальном срабатывании электромагнитной защиты и размыкания контактов, между ними в слое воздуха образуется пробой в виде дугового разряда. Да, практически по такому же принципу, как в молнии, сварке и других примерах электрического тока в газах.

Рисунок🔽

Как защититься от удара током?

Продолжаем изучать устройства приборов для электрической безопасности. О принципе работе автоматического выключателя («автомата»), спасающего квартиру от пожара, я рассказывал здесь. А сегодня поговорим о приборе, спасающим жизни и защищающем от удара током – устройство защитного отключения или УЗО.

Для начала разберемся, по каким причинам и когда может быть удар током при прикосновении к электроприбору или элементу проводки.

Самый банальный пример – засунуть пальцы в розетку. Мы ведь знаем, что земля несет в себе огромный электрический заряд, который забирает на себя всех носителей электричества. Розетка – это оголенный контакт, пусть даже и находящийся в стене, на который подано напряжение. Между землей и розеткой возникает разность потенциалов – движущая сила для тока. Засовывая в розетку пальцы, вы рискуете стать тем самым соединительным мостиком, по которому благополучно пробежит ток, ведь человеческое тело на большую часть состоит из воды, которая хорошо его проводит.

Еще один пример – замыкание проводки прибора на корпус. В простой электрической цепи квартиры есть два провода – фаза (L) и ноль (N). Фаза – это провод, который заходит к вам в квартиру от внешнего источника и приносит в нее электричество, а ноль – провод, который выходит из квартиры к внешнему источнику. Таким образом, образуется замкнутая цепь «фаза-прибор-ноль» с источником тока снаружи дома. Замыкание прибора на корпус происходит при повреждении изоляции проводов внутри него и прикосновении оголенного провода к металлическому корпусу прибора (например, стиральной машины). Так весь прибор становится, по сути, контактом под напряжением, прикоснувшись к которому произойдет то же, что я описывал выше. Защитой от замыкания на корпус, помимо прибора, о котором мы сейчас поговорим, может стать заземление. К металлическому корпусу подсоединяется провод, который другим концом соединен с землей. При образовании заряда на корпусе, он сразу же благополучно стекает в землю, прежде чем успеет это сделать через наше тело.

Когда через нас проходит ток, говорят, что происходит утечка, т.е. ток, который зашел на входе перестает быть равным току на выходе, т.к. часть заряда ушла в землю. УЗО распознает эту утечку и сразу размыкает цепь. На самом деле небольшая утечка есть всегда, т.к. идеальная электрическая цепь может быть только в школьных учебниках. Поэтому УЗО размыкает цепь при достижении определенной величины этой утечки.

Главные элементы УЗО – три катушки, намотанные на магнитный сердечник в виде тора (бублика). Две из них намотаны с противоположных концов (рисунок ниже), и к ним подключаются провода фазы и нуля. Токи, проходящие по этим катушкам, как мы знаем, создают магнитные поля. Когда токи на фазе и нуле равны (утечки нет), магнитные поля двух этих катушек равны по величине и противоположны по направлению (как, собственно, и токи), т.е. компенсируют друг друга, и суммарное магнитное поле в сердечнике отсутствует. Если происходит утечка, то проходящий через фазу ток (на входе) не равен току через ноль (на выходе). Возникает, так называемый дифференциальный ток, равный их разности. А если токи не равны, то не равны и магнитные поля, создаваемые в двух катушках, а, значит, в сердечнике возникает отличное от нуля магнитное поле, пропорциональное дифференциальному току.

И тут вступает в игру третья катушка, намотанная между первыми двумя (см. рисунок). Дальше возникает следующая цепочка, основанная на законе электромагнитной индукции: возникшее в сердечнике переменное магнитное поле во время утечки, порождает индукционный ток в третьей катушке, которая соединена с еще одной катушкой-расцепителем, ток в которой также возбуждает магнитное поле, и оно уже механически втягивает защелку и размыкает цепь.

Рисунок🔽