Магнетизм: физическое явление и свойства¶

Магнетизм — это совокупность физических явлений, связанных с действием магнитных полей, проявлением магнитных свойств вещества и взаимодействием магнитных диполей. Термин происходит от названия региона Магнезия в Малой Азии, где в древности обнаруживались природные образцы магнитного железняка. Магнетизм изучается в рамках электродинамики и физики конденсированного состояния.

¶История

Первые упоминания о магнитных свойствах вещества относятся к античности. Древнегреческий философ Фалес Милетский (VII—VI века до н. э.) описал притяжение железа к магнитному железняку. В китайских источниках IV века до н. э. содержатся сведения о стрелках компаса, изготовленных из намагниченного железа. В Европе компас стал известен примерно в XII веке.

В 1600 году английский врач и физик Уильям Гилберт опубликовал трактат «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле», в котором сформулировал идею о том, что Земля является гигантским магнитом, и привёл обширные экспериментальные данные о магнитных свойствах различных материалов.

В XIX веке произошёл ключевой синтез электричества и магнетизма. В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил отклонение магнитной стрелки рядом с проводником с током. Вскоре Андре-Мари Ампер математически описал взаимодействие токов. В 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, показав обратное: переменное магнитное поле порождает электрическое поле. В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл сформулировал уравнения, объединившие электрические и магнитные явления в единую теорию электромагнитного поля.

¶Физическая природа

Магнитное поле возникает при движении электрических зарядов и является одной из составляющих электромагнитного поля. Оно описывается вектором магнитной индукции B, измеряемым в теслах (Тл) в системе СИ. В отличие от электрического поля, линии магнитного индукции замкнуты — они не начинаются и не заканчиваются на зарядах.

На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца, перпендикулярная как скорости частицы, так и вектору B. Эта сила не совершает работы, а лишь изменяет направление движения частицы.

Магнитный диполь — простейшая модель магнита — характеризуется магнитным моментом. В макроскопических телах магнитный момент создаётся орбитальным и спиновым движением электронов в атомах, а также токами в сверхпроводниках.

¶Магнетизм в веществе

Вещества по-разному реагируют на внешнее магнитное поле:

• Диамагнетики — слабо отталкиваются от полюсов магнита (магнитная восприимчивость отрицательна). Примеры: висмут, медь, вода, большинство органических соединений.
• Парамагнетики — слабо притягиваются (положительная восприимчивость). Примеры: алюминий, кислород, соли железа.
• Ферромагнетики — способны к самопроизвольной намагниченности и образуют постоянные магниты. Примеры: железо, кобальт, никель и их сплавы.
• Ферримагнетики — подобны ферромагнетикам, но магнитные моменты подрешётки частично компенсируются. Пример: магнетит (Fe₃O₄).
• Антимагнетики — магнитные моменты атомов упорядочены антипараллельно, суммарный момент равен нулю. Пример: хром.

¶Явления и эффекты

¶Сверхпроводимость и эффект Мейснера

При охлаждении ниже критической температуры некоторые материалы переходят в сверхпроводящее состояние, полностью вытесняя магнитное поле из объёма (эффект Мейснера — Оксенфельда, 1933). Это явление лежит в основе создания сверхпроводящих магнитов, применяемых в МРТ-аппаратах и ускорителях частиц.

¶Джозефсоновский эффект и квантовый магнетизм

В ультратонких слоях сверхпроводников проявляются квантовые магнитные эффекты, изучаются магнитные квантовые числа атомов в сильных полях.

¶Земной магнетизм

Земля обладает собственным магнитным полем с индукцией около 25—65 мкТл на поверхности. Его источник — конвективные токи жидкой внешней ядра планеты (динамо-механизм). Магнитное поле Земли отклоняет заряженные частицы солнечного ветра, формируя магнитосферу и защищая биосферу от жёсткого излучения. Полярные сияния — результат взаимодействия солнечного ветра с верхними слоями атмосферы вблизи магнитных полюсов.

¶Применение

Магнитные явления используются в широком спектре технологий:

• электродвигатели и генераторы;
• трансформаторы и индуктивные элементы;
• магнитные накопители информации (жёсткие диски, магнитные ленты);
• МРТ (магнитно-резонансная томография);
• компасы и магнитные датчики (датчики Холла);
• магнитно-цикловые методы обогащения руд;
• левитация на сверхпроводниках.

¶Магнетизм в России

В России исследования магнетизма имеют давнюю традицию. В 1831 году в Санкт-Петербургском университете была открыта первая в стране кафедра физики. В XX веке крупный вклад в теорию магнитных явлений внесли Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Я. Г. Дорфман, В. Г. Веселаго. Институт физики твёрдого тела РАН ведёт работы по магнитным материалам и спинтронике.

Источники:

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Электродинамика сплошных сред»
• Гилберт У. «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600)
• Киттель Ч. «Введение в физику твёрдого тела»
• Беклемишев А. Н. «Курс магнетизма»
• Энциклопедия «Британника», статья «Magnetism»