Магнит: физика, свойства, история¶

Магнит — тело, обладающее магнитным полем, то есть создающее в окружающем пространстве силы, действующие на подвижные электрические заряды и другие магниты. Магнитное поле возникает из-за движения зарядов или изменения электрического поля и характеризуется вектором магнитной индукции B. Магниты делятся на постоянные (сохраняющие намагниченность длительное время) и электромагниты (поле которых возникает при прохождении электрического тока).

¶Физическая природа

Магнитные свойства вещества обусловлены орбитальным и спиновым магнитными моментами электронов. В большинстве веществ эти моменты попарно компенсируются, но в некоторых материалах — ферромагнетиках — элементарные магнитные моменты упорядочены даже без внешнего поля. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и ряд их сплавов, а также некоторые оксиды (например, магнетит Fe₃O₄). Ряд материалов (ферриты, самарий-кобальт, неодим-железо-бор) обладают высокой коэрцитивной силой и относятся к постоянным магнитам.

Существуют также вещества с антиферромагнитным и ферримагнитным порядком, а слабые магнитные свойства проявляют парамагнетики и диамагнетики. Диамагнетики (например, висмут, вода) слабо отталкиваются от магнита, парамагнетики (алюминий, платина) — слабо притягиваются.

¶История

Магнитные явления известны с древности. Название «магнит» связывают с областью Магнесия в Малой Азии, где, по преданию, пастухи обнаружили камни, притягивающие железные предметы. Первое письменное упоминание о магнитном камне оставил греческий философ Фалес Милетский (VI век до н. э.).

В Китае компас на основе магнитного камня (малого магнитного стрелочного компаса) был известен к XI веку нашей эры и применялся для гаданий, а затем для навигации. В Европе морской компас появился в XII—XIII веках.

В 1600 году английский врач и физик Уильям Гилберт опубликовал трактат «De Magnete» («О магните»), в котором экспериментально показал, что Земля сама является большим магнитом, и сформулировал учение о земном магнетизме. В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток отклоняет магнитную стрелку, установив связь между электричеством и магнетизмом. В 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, что позволило создать электрические генераторы. В 1931 году Андре Мария Ампер сформулировал математическую теорию взаимодействия токов.

¶Виды магнитов

По происхождению магнитного поля:

• Постоянные магниты — намагниченные ферромагнитные тела, сохраняющие поле длительное время. Изготавливаются из стали, ферритов, сплавов редкоземельных элементов.
• Электромагниты — катушки с током (соленоиды), иногда с сердечником из ферромагнетика. Поле пропорционально силе тока и может быть включено, выключено или изменено.
• Сверхпроводящие магниты — используют сверхпроводники, позволяющие создавать поля до 45 Тл (рекорд стационарных полей, 2019 год, Китай) и выше в импульсных режимах.

По форме: стержневые, кольцевые, дисковые, U-образные, подковообразные. По типу намагниченности: осевые (намагниченность вдоль оси) и радиальные.

¶Основные свойства

У любого магнита есть два полюса — северный (N) и южный (S). Одноимённые полюса отталкиваются, разноимённые — притягиваются. Намагниченность можно ослабить нагревом выше точки Кюри (для железа это 770 °C), ударом, вибрацией или сильным размагничивающим полем.

Магнитное поле замкнуто: силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный, образуя замкнутые контуры. В отличие от электрического поля, монополей (отдельных северных или южных полюсов) в природе не обнаружено — разделение магнита пополам даёт два меньших магнита, каждый с двумя полюсами.

¶Применение

Магниты применяются повсеместно:

• Электротехника — электродвигатели, генераторы, трансформаторы, динамики, реле.
• Электроника — жёсткие диски, датчики Холла, микрофоны, наушники.
• Медицина — магнитно-резонансная томография (МРТ) использует сверхпроводящие магниты с индукцией 1,5–3 Тл.
• Промышленность — магнитные сепараторы, магнитные подъёмники, магнитные муфты.
• Быт — магнитные застёжки, магниты-сувениры, магнитные держатели.
• Наука — циклотроны и токамаки (установки для удержания плазмы).

¶Интересные факты

Земной магнитный полюс не совпадает с географическим: в начале XXI века северный магнитный полюс перемещался из Канадского арктического архипелага в сторону Сибири со скоростью около 40–55 км в год. Магнитное поле Земли ослабевает — за последние 200 лет оно уменьшилось примерно на 10 %.

Самые сильные постоянные магниты из неодима (Nd₂Fe₁₄B) могут поднимать вес, в тысячи раз превышающий их собственный. Сверхпроводящие магниты МРТ создают поле, в десятки тысяч раз превышающее земное.

¶Источники

• Трофимова Т.И. Курс общей физики. — М.: Высшая школа.
• Савельев И.В. Курс общей физики. — М.: АСТ.
• Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона.
• Гилберт У. О магните, магнитных телах и большом магните Земли. — 1600.
• Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия.