Магнетизм как физическое явление¶

Магнетизм — форма взаимодействия между движущимися электрическими зарядами и телами, обладающими магнитным моментом, проявляющаяся в притяжении или отталкивании объектов и в действии магнитного поля на проводники с током. Наряду с электричеством магнетизм составляет единое электромагнитное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий природы. Магнитные явления наблюдаются на масштабах от элементарных частиц до галактик и лежат в основе работы электродвигателей, генераторов, трансформаторов и устройств магнитной записи информации.

¶История изучения

Первые наблюдения магнетизма связаны с природным магнетитом — минералом на основе оксида железа Fe₃O₄, притягивающим железные предметы. Свойство магнетита ориентироваться в направлении север — юг привело к созданию компаса, известного в Китае с первых веков нашей эры, а в Европе — примерно с XII века. Термин происходит от греческого названия области Магнесия в Малой Азии, где добывали этот минерал.

Систематическое изучение началось в XVI–XVII веках: Уильям Гильберт в трактате «О магните» (1600) описал Землю как большой магнит. В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил отклонение магнитной стрелки вблизи проводника с током, что положило начало электромагнетизму. Андре Мари Ампер установил связь тока с магнитным полем, а Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию (1831) и ввёл понятие силовых линий. Джеймс Клерк Максвелл в 1860-х годах объединил электричество и магнетизм в систему уравнений, предсказавшую электромагнитные волны.

¶Природа явления

Источником магнетизма служат движущиеся заряды и собственные магнитные моменты частиц. Согласно классической электродинамике, любой электрический ток создаёт вокруг себя магнитное поле. В веществе магнетизм обусловлен главным образом спиновыми магнитными моментами электронов, а также их орбитальным движением в атомах.

Магнитное поле описывается векторной величиной — магнитной индукцией B (измеряется в теслах) и напряжённостью поля H (ампер на метр). Сила, действующая на проводник с током, определяется законом Ампера, а на движущуюся заряженную частицу — силой Лоренца. Магнитное поле не совершает работы над зарядом, поскольку сила перпендикулярна скорости, но меняет направление движения частицы.

¶Классификация магнитных материалов

По реакции на внешнее магнитное поле вещества делят на несколько групп:

Ферромагнетизм объясняется обменным взаимодействием, выстраивающим спины электронов параллельно в пределах областей — доменов. При нагреве выше точки Кюри (для железа около 770 °C) ферромагнитные свойства исчезают. Способность материала сохранять намагниченность после снятия поля называется остаточной индукцией и используется в постоянных магнитах.

¶Магнитное поле Земли

Земля обладает собственным магнитным полем, создаваемым движением расплавленного железа во внешнем ядре (гидромагнитное динамо). Магнитные полюса не совпадают с географическими и постепенно смещаются; за геологическую историю поле неоднократно меняло полярность, что фиксируется в намагниченности горных пород. Магнитосфера защищает биосферу от потоков заряженных частиц солнечного ветра, а её возмущения вызывают полярные сияния и магнитные бури, влияющие на радиосвязь и работу электросетей.

¶Применение

Магнетизм лежит в основе множества технологий:

• Электротехника: электродвигатели, генераторы, трансформаторы, реле.
• Измерительные приборы: компасы, гальванометры, датчики Холла.
• Накопители информации: жёсткие диски, магнитные ленты.
• Медицина: магнитно-резонансная томография, магнитная стимуляция.
• Транспорт: поезда на магнитной подвеске, магнитные тормоза.
• Наука: ускорители частиц, установки для термоядерного синтеза (токамаки).

В России исследования магнетизма ведутся в институтах Российской академии наук, в том числе в области магнитных материалов и геомагнетизма; магнитные явления изучаются в курсах физики технических вузов.

¶Магнетизм в природе и технике

Помимо технических приложений, магнетизм проявляется в поведении ряда живых организмов: некоторые бактерии содержат магнетосомы — частицы магнетита, помогающие ориентироваться в пространстве; перелётные птицы, по данным исследований, могут использовать геомагнитное поле для навигации. В астрофизике магнитные поля определяют структуру солнечных пятен, динамику плазмы в звёздах и поведение межзвёздной среды.

¶Современные направления

Активно развиваются спинтроника, использующая спин электрона для передачи и хранения информации, исследования магнитных наноструктур и сверхпроводящих магнитов. Открытие гигантского магнетосопротивления (1988) привело к созданию высокочувствительных считывающих головок и развитию магниторезистивной памяти. Магнитные материалы остаются ключевым элементом современной электроники и энергетики.

Источники: учебники по общей физике (И. В. Савельев, Д. В. Сивухин), труды У. Гильберта, Дж. К. Максвелла, М. Фарадея, материалы по геомагнетизму и физике магнитных явлений.