Магнит: свойства и природы намагниченности¶
Магнит — тело, обладающее свойством притягивать железо, кобальт, никель и некоторые другие вещества, а также создавать вокруг себя магнитное поле. Термин происходит от названия региона Магнезия в Малой Азии, где в древности находили образцы природного минерала магнетита. Магниты бывают природными (кусок магнетита) и искусственными, изготовленными из ферромагнитных материалов.
¶Основные свойства
У магнита всегда есть два полюса — северный (N) и южный (S). При разрезании магнита каждый фрагмент вновь обладает двумя полюсами: разделить один полюс отдельно невозможно. Полюса одного знака отталкиваются, разноимённые — притягиваются.
Ключевые свойства магнита:
- Намагниченность — плотность магнитных моментов атомов в единице объёма, определяющая силу магнитного поля.
- Магнитный момент — векторная величина, характеризующая способность тела создавать магнитное поле.
- Коэрцитивная сила — способность материала сохранять намагниченность после снятия внешнего поля.
- Точка Кюри — температура, при которой ферромагнитный материал теряет намагниченность (для железа ≈ 770 °C).
¶Природа магнетизма
Магнитные свойства вещества обусловлены движением заряженных частиц. На атомном уровне магнитный момент возникает за счёт орбитального движения электронов вокруг ядра и их собственного спина. В большинстве веществ магнитные моменты атомов ориентированы хаотично и взаимно компенсируются. В ферромагнитных материалах (железо, кобальт, никель, гадолиний) атомные моменты в объёмных областях — доменах — выстраиваются параллельно, формируя макроскопическую намагниченность.
Внешнее магнитное поле может упорядочить домены, после снятия которого остаётся остаточная намагниченность. Именно этот эффект лежит в основе изготовления постоянных магнитов.
¶Виды магнитов
По происхождению:
- Природные — кристаллы магнетита (Fe₃O₄), обладающие ферромагнитными свойствами.
- Искусственные — изготовленные из сплавов и соединений.
По типу материала:
- Постоянные — сохраняют намагниченность длительное время (алнико, ферриты, неодимовые — Nd₂Fe₁₄B, самариево-кобальтовые).
- Временные (электромагниты) — намагничиваются только при прохождении электрического тока через обмотку; после отключения тока поле исчезает.
По форме:
- Стержневые — классическая форма с полюсами на концах.
- Кольцевые — полюса расположены на внутренней и наружной сторонах.
- Пластинчатые, подковообразные — применяются в технике и лабораториях.
¶Магнитное поле
Магнитное поле — особый вид материи, посредством которого магниты (и движущиеся заряды) взаимодействуют между собой. Оно характеризуется вектором магнитной индукции B, измеряемым в теслах (Тл). Линии магнитного индукции выходят из северного полюса и входят в южный, замыкаясь внутри тела.
Вблизи поверхности Земли магнитное поле создаётся токами в жидком ядре планеты (динамо-механизм). Земной магнит 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.
¶Применение
Магниты используются в широком спектте областей:
- Электротехника — генераторы, электродвигатели, трансформаторы, реле.
- Электроника — динамики, жёсткие диски, датчики Холла.
- Медицина — магнитно-резонансная томография (МРТ), использующая сверхпроводящие соленоиды с полем 1,5–3 Тл.
- Промышленность — магнитные сепараторы для обогащения руд, магнитные подъёмники.
- Быт — застёжки, магнитные держатели, игрушки.
- Наука — ускорители частиц (синхротроны), термоядерные установки (токамаки), где магнитные поля удерживают плазму.
¶Интересные факты
Магнитное поле Земли защищает биосферу от солнечного ветра, отклоняя заряженные частицы к полюсам, где они образуют полярные сияния. В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил влияние электрического тока на магнитную стрелку, что открыло эпоху электромагнетизма. В 1931 году американский физик Ирвинг Лангмюр ввёл термин «плазма» для ионизированного газа, удерживаемого магнитными полями в экспериментальных установках.