Магнитные явления и материалы¶

Магнитные явления — совокупность физических эффектов, связанных с взаимодействием движущихся электрических зарядов, элементарных частиц и тел, обладающих магнитным моментом. Магнетизм представляет собой одно из фундаментальных проявлений электромагнитного взаимодействия и наблюдается в широком диапазоне масштабов — от атомных ядер до галактик. В физике магнетизм описывается классической электродинамикой и квантовой теорией, а в технике лежит в основе работы электродвигателей, генераторов, трансформаторов, накопителей информации и множества измерительных приборов.

¶История изучения

Первые наблюдения магнитных явлений связаны с природными постоянными магнитами — кусками магнитного железняка (магнетита), притягивающими железо. В античности свойства магнетита описывали греческие и римские авторы, а в Китае с XI века компас использовался для навигации. Термин «магнит» связывают с названием области Магнесия в Малой Азии, где добывали минерал.

Систематическое изучение началось в эпоху Возрождения. Уильям Гильберт в 1600 году опубликовал трактат «О магните», где разделил электрические и магнитные явления и предположил, что Земля сама является большим магнитом. В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил отклонение магнитной стрелки возле проводника с током, что связало электричество и магнетизм. Андре-Мари Ампер установил закон взаимодействия токов, а Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию и ввёл понятие силовых линий. Джеймс Клерк Максвелл в 1860-х годах объединил эти результаты в систему уравнений электромагнитного поля.

В XX веке квантовая механика объяснила природу magnetism на микроуровне: спин электрона и орбитальное движение электронов в атомах создают магнитные моменты, а обменное взаимодействие отвечает за ферромагнетизм. В России значительный вклад внесли физики школы Ландау, а также исследователи магнитных материалов в институтах Академии наук.

¶Классификация магнитных материалов

По реакции на внешнее магнитное поле вещества делят на несколько классов.

Ферромагнетизм существует лишь ниже определённой температуры — точки Кюри, при которой материал переходит в парамагнитное состояние. Для железа она составляет около 770 °C.

¶Основные характеристики

Ключевыми величинами при описании магнитных явлений служат:

• Магнитная индукция — векторная величина, характеризующая силу действия поля на движущийся заряд; измеряется в теслах.
• Напряжённость магнитного поля — величина, связанная с индукцией через магнитную проницаемость среды; измеряется в амперах на метр.
• Магнитный поток — поток вектора индукции через поверхность; измеряется в веберах.
• Магнитная проницаемость — отношение индукции к напряжённости, показывающее, во сколько раз среда усиливает поле.
• Коэрцитивная сила — напряжённость поля, необходимая для полного размагничивания материала.

По коэрцитивной силе различают магнитомягкие материалы (легко перемагничиваются, применяются в трансформаторах и электромагнитах) и магнитотвёрдые (сохраняют намагниченность, используются для постоянных магнитов).

¶Применение

Магнитные явления лежат в основе множества технологий.

Электротехника. Электродвигатели и генераторы преобразуют энергию за счёт взаимодействия магнитных полей с токами в обмотках. Трансформаторы используют переменное магнитное поле для изменения напряжения.

Постоянные магниты. Современные неодимовые магниты на основе сплава неодим — железо — бор обеспечивают сильные поля при малых размерах. Они применяются в динамиках, датчиках, медицинской технике, ветрогенераторах.

Хранение информации. Жёсткие диски записывают данные путём намагничивания участков магнитного слоя; магнитная лента долгое время служила основным носителем звука и данных.

Медицина. Магнитно-резонансная томография основана на поведении ядер водорода в сильном магнитном поле и позволяет получать изображения внутренних органов без ионизирующего излучения.

Транспорт. Магнитная левитация используется в поездах на магнитном подвесе, развивающих высокие скорости.

Наука и измерения. Магнитометры применяются в геофизике для разведки полезных ископаемых, в археологии и в навигации. Магнитное поле Земли защищает биосферу от заряженных частиц солнечного ветра.

¶Магнитное поле Земли

Планета обладает собственным магнитным полем, создаваемым движением расплавленного железа во внешнем ядре. Магнитные полюса не совпадают с географическими и постепенно смещаются; в истории Земли происходили инверсии полярности, зафиксированные в намагниченности горных пород. Магнитное поле образует магнитосферу, отклоняющую солнечный ветер, и служит ориентиром для мигрирующих животных и для навигационных приборов.

¶Магнитные явления в России

В России исследования магнетизма велись с XVIII века: в 1830-х годах в Петербурге работала магнитная обсерватория. В советский и постсоветский период развивались школы физики магнитных явлений, создавались материалы для радиотехники и энергетики. Российские предприятия выпускают электротехническую сталь, постоянные магниты и ферритовые изделия, применяемые в промышленности и бытовой технике.

¶Перспективы

Активно исследуются спинтроника, использующая спин электрона наряду с зарядом, магнитные наноматериалы и материалы с гигантским магнитным сопротивлением. Эти направления важны для создания энергонезависимой памяти, сенсоров и квантовых устройств. Отдельное направление — сверхпроводящие магниты для ускорителей, термоядерных установок и медицинской диагностики.

Источники: учебники по общей физике, справочники по магнитным материалам, публикации по геофизике и истории физики.