Как работает магнит¶

Магнит — это объект, создающий вокруг себя магнитное поле и обладающий свойством притягивать ферромагнитные материалы (железо, никель, кобальт и их сплавы). Магнитное поле возникает из-за движения электрических зарядов: у постоянных магнитов это обусловлено орбитальным и спиновым движением электронов в атомах вещества, у электромагнитов — прохождением электрического тока по обмотке. Магнитное поле — это физическое поле, действующее на движущиеся заряженные частицы силой, перпендикулярной направлению их движения.

¶Микроскопическая природа магнетизма

В основе магнитных свойств вещества лежит квантово-механическое явление — спин электрона. Электрон обладает собственным моментом количества движения (спином), который эквивалентен крошечному круговому току и порождает собственное магнитное поле. Дополнительно электрон, вращаясь вокруг ядра атома, создаёт орбитальный магнитный момент. В большинстве веществ магнитные моменты соседних атомов ориентированы хаотично или компенсируют друг друга попарно, поэтому суммарный магнитный момент равен нулю.

В ферромагнитных материалах между атомами действует квантовомеханическое обменное взаимодействие, которое заставляет соседние магнитные моменты выстраиваться параллельно. Это взаимодействие возникает из-за принципа Паули и кулоновского отталкивания электронов и не сводится к классическому взаимодействию двух магнитных диполей. Области вещества, внутри которых магнитные моменты ориентированы одинаково, называются доменами (областями Блоха). Размер домена составляет от долей микрометра до нескольких микрометров.

¶Как образуется постоянный магнит

В обычном куске железа домены ориентированы произвольно, и суммарное поле равно нулю. Если поместить материал во внешнее магнитное поле (например, рядом с сильным электромагнитом), домены, чьи моменты совпадают с направлением внешнего поля, начинают расти за счёт соседних. После прекращения действия внешнего поля часть доменов сохраняет ориентацию — материал становится постоянным магнитом.

Для изготовления постоянных магнитов применяют материалы с высокой коэрцитивной силой — способностью удерживать намагниченность. К ним относятся:

• Альнико — сплав алюминия, никеля, кобальта и железа, разработан в СССР в 1930-х годах;
• Ферриты — керамические оксидные материалы на основе оксида железа;
• Самариево-кобальтовые и неодимовые (NdFeB) магниты — редкоземельные соединения, обладающие наиболее высокой магнитной энергией.

Неодимовые магниты, созданные в 1980-х годах, на данный момент являются самыми мощными постоянными магнитами и применяются в электродвигателях, громкоговорителях, винчестерах и медицинском оборудовании.

¶Электромагниты

Электромагнит работает по иному принципу: магнитное поле создаётся электрическим током. Проводник, по которому проходит ток, генерирует вокруг себя магнитное поле по правилу Био — Савара — Лапласа. Если проводник свить в катушку (соленоид), магнитные поля отдельных витков сложатся, и внутри катушки возникнет практически однородное поле, сходнее с полем стержневого магнита.

Направление поля определяется правилом правого винта (правило Ампера): если винт вворачивается в направлении тока, его вращение указывает на направление магнитных линий. Мощность электромагнита можно регулировать силой тока, числом витков и формой сердечника. В качестве сердечника применяют мягкие ферромагнитные материалы с низкой коэрцитивной силой — они сильно намагничиваются в поле тока и почти полностью теряют намагниченность после его выключения. Это свойство позволяет создавать управляемые магниты, используемые в реле, подъёмных кранах, магнитных пускателях и медицинских томографах.

¶Свойства магнитного поля

Магнитное поле описывается вектором магнитной индукции B, измеряемым в теслах (Тл). Основные свойства:

• Магнитные линии замкнуты — в отличие от линий электрического поля, они не начинаются и не заканчиваются на зарядах;
• Поле не совершает работы по перемещению заряда вдоль линии поля;
• Внутри постоянного магнита направление поля противоположно направлению снаружи — от южного полюса к северному.

Полюса магнита условно обозначают как северный (N) и южный (S). Одноимённые полюса отталкиваются, разноимённые — притягиваются. Земля сама является гигантским магнитом: её магнитное поле создаётся токами в жидком ядре (механизм геодинамо) и отклоняет стрелку компаса, указывая на магнитные полюса, расположенные вблизи географических полюсов.

¶Применение

Магнитные явления лежат в основе работы электродвигателей и генераторов, трансформаторов, жёстких дисков, магнитно-резонансной томографии, магнитной левитации. В промышленности электромагнитные сепараторы разделяют ферромагнитные компоненты в потоках сырья. Постоянные магниты применяются в датчиках Холла, наушниках, микрофонах и малых электродвигателях бытовой техники.

¶Интересные факты

Земное магнитное поле имеет индукцию около 25—65 мкТл — на порядки меньше поля постоянного магнита, однако именно оно защищает поверхность планеты от солнечного ветра, отклоняя заряженные частицы вдоль силовых линий к полюсам. Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой порождает сияния — полярные сияния, наблюдаемые в высоких широтах.

История изучения магнетизма начинается с древности: первые упоминания о магнитном камне (магнетите) встречаются в трудах древнегреческих авторов. В 1600 году английский учёный Уильям Гилберт опубликовал трактат «О магните», в котором обосновал земной магнетизм и ввёл понятие магнитного полюса. В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед экспериментально обнаружил воздействие электрического тока на магнитную стрелку, а в 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, связав электрические и магнитные явления.

Источники:

• Дж. Р. Фицпатрик. «Классическая электродинамика»
• Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. «Электродинамика сплошных сред»
• А. А. Слободкин. «Курс общей физики»
• Britannica: Magnetism
• HyperPhysics (Georgia State University): Magnetic Fields