Какими свойствами обладает магнит

Чтобы понять суть магнетизма и веществ, называемых магнитами, необходимо несколько углубиться в теорию электромагнитного взаимодействия и внутренней структуры твердых веществ. Физиками установлен основополагающий закон: «Вокруг любого движущегося электрического заряда возникает магнитное поле, а магнитное поле действует на любой движущийся заряд». Закон подтвержден экспериментально опытами Эрстеда и Ампера и ему подчиняются все электрические заряды — электроны, протоны, ионизированные атомы и молекулы.

Из курса школьной физики известно, что вся материя состоит из атомов и молекул, представляющих сложную структуру из нуклонов и вращающихся вокруг них электронов. То есть, в каждом физическом теле, независимо от его фазового состояния, находится огромное количество движущихся зарядов. Значит, должно возникать и магнитное поле. Почему же у одних веществ оно есть, у других его нет?

Почему вещества намагничиваются?

Дело в том, что движение электронов по орбитах носит хаотический характер, а магнитное поле имеет направленное действие. Если взять любой магнит, то у него легко заметить два полюса — северный и южный. Магниты взаимодействуют наподобие электрических зарядов «плюс» и «минус». Одноименные притягиваются, разноименные отталкиваются. Так же и магнитные полюса — северный притягивается к южному, но отталкивается от северного, и наоборот.

Внутри обычного вещества вокруг каждого атома возникают магнитные поля с определенной ориентацией силовых линий. Направление их такое же хаотичное, как и вращение электронов. Поля взаимно погашаются и вокруг массивного тела их нет.

Но есть ряд веществ, у которых значительная часть атомов выстраивается в определенном порядке. Атомы образуют пространственные структуры, домены, с ориентированным магнитным полем. Полюса доменов направлены в одну сторону, и вещество превращается в магнит на макроскопическом уровне. Что мы называем магнитом? Предмет, который может притягивать некоторые металлы, действовать на проводник с током, или другой магнит на расстоянии. Магнитное поле, как и электрическое, дистанционно. Для начала взаимодействия тела не должны касаться друг друга, а только находится вблизи. Величина расстояния различна — от нескольких миллиметров, до сотен и тысяч километров.

Виды магнитов

Необходимо отметить, что магнитное поле возникает вокруг любого твердого тела. Но большинство таких полей столь мало по интенсивности, что мы их не обнаруживаем даже при помощи специальных приборов. В то же время в природе есть вещества, у которых расположение атомов в кристаллической решетке отличается определенной направленностью и магнитное поле их окружает постоянно. Одно из таких веществ — магнитных железняк, или магнетит.

В процессе развития техники необходимость в магнитах возрастала. Ученые разработали рецептуры сплавов на основе железа, которые обладали более высокими магнитными свойствами — это стали с содержанием вольфрама, кобальта, хрома, никеля, алюминия, меди. Такие вещества, помещенные в электромагнитное поле, легко намагничиваются, а после отключения поля, сохраняют намагниченность. Изделия из такого материала получило название постоянного магнита. Широкое распространение получили ферритовые магниты на основе оксида железа и окислов бария и стронция.

Неодимовые магниты обладают более сильным полем. Они производятся из сплава железа, неодима и бора. Отличаются небольшими размерами, но очень большой силой сцепления на близком расстоянии.

Электромагниты — класс веществ, у которых магнетизм проявляется только при прохождении тока по катушке, намотанной вокруг сердечника из этого материала. Это так называемые ферромагниты. Они отлично намагничиваются, но не сохраняют остаточного поля после отключения тока. Пример — стали Э1, Э2, Э3, Э4.

Магни́т — тело, обладающее собственным магнитным полем. Возможно, слово происходит от др.-греч. Μαγνῆτις λίθος (Magnētis líthos), «камень из Магнесии» — от названия региона Магнисия и древнего города Магнесия в Малой Азии[1], где в древности были открыты залежи магнетита.[2]

Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон. Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля).

Постоянный магнит — изделие, изготовленное из ферромагнетика, способного сохранять остаточную намагниченность после выключения внешнего магнитного поля. В качестве материалов для постоянных магнитов обычно служат железо, никель, кобальт, некоторые сплавы редкоземельных металлов (как, например, в неодимовых магнитах), а также некоторые естественные минералы, такие как магнетиты. Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля. Свойства магнита определяются характеристиками размагничивающего участка петли магнитного гистерезиса материала магнита: чем выше остаточная индукция Br и коэрцитивная сила Hc, тем выше намагниченность и стабильность магнита. Характерные поля постоянных магнитов — до 1 Тл (10 кГс).

Электромагнит — устройство, магнитное поле которого создаётся только при протекании электрического тока. Как правило, это катушка-соленоид, со вставленным внутрь ферромагнитным (обычно железным) сердечником с большой магнитной проницаемостью . Характерные поля электромагнитов 1,5—2 Тл определяются так называемым насыщением железа, то есть резким спадом дифференциальной магнитной проницаемости при больших значениях магнитного поля.

История открытия

Старинная легенда рассказывает о пастухе по имени Магнус (у Льва Толстого в рассказе для детей «Магнит» этого пастуха зовут Магнис). Он обнаружил однажды, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к чёрному камню. Этот камень стали называть «камнем Магнуса» или просто «магнитом», по названию местности, где добывали железную руду (холмы Магнезии в Малой Азии). Таким образом, за много веков до нашей эры было известно, что некоторые каменные породы обладают свойством притягивать куски железа. Об этом упоминал в 6 веке до нашей эры греческий физик и философ Фалес. Первое научное изучение свойств магнита было предпринято в 13 веке ученым Петром Перегрином. В 1269 году вышло его сочинение «Книга о магните», где он писал о многих фактах магнетизма: у магнита есть два полюса, которые ученый назвал северным и южным; невозможно отделить полюса друг от друга разламыванием. Перегрин писал и о двух видах взаимодействия полюсов — притяжении и отталкивании. К 12—13 векам нашей эры магнитные компасы уже использовались в навигации в Европе, в Китае и других странах мира[3].

В 1600 году вышло сочинение английского врача Уильяма Гильберта «О магните». К известным уже фактам Гильберт прибавил важные наблюдения: усиление действия магнитных полюсов железной арматурой, потерю магнетизма при нагревании и другие. В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед на лекции попытался продемонстрировать своим студентам отсутствие связи между электричеством и магнетизмом, включив электрический ток вблизи магнитной стрелки. По словам одного из его слушателей, он был буквально «ошарашен», увидев, что магнитная стрелка после включения тока начала совершать колебания. Большой заслугой Эрстеда является то, что он оценил значения своего наблюдения и повторил опыт. Соединив длинным проводом полюса гальванической батареи, Эрстед протянул провод горизонтально и параллельно свободно подвешенной магнитной стрелке. Как только был включён ток, стрелка немедленно отклонилась, стремясь встать перпендикулярно к направлению провода. При изменении направления тока стрелка отклонилась в другую сторону. Вскоре Эрстед доказал, что магнит действует с некоторой силой на провод, по которому идёт ток.

Открытие взаимодействия между электрическим током и магнитом имело огромное значение. Оно стало началом новой эпохи в учении об электричестве и магнетизме. Это взаимодействие сыграло важную роль в развитии техники физического эксперимента.

Узнав об открытии Эрстеда, французский физик Доминик Франсуа Араго начал серию опытов. Он обмотал медной проволокой стеклянную трубку, в которую вставил железный стержень. Как только замкнули электрическую цепь, стержень сильно намагнитился и к его концу крепко прилипли железные ключи; когда выключили ток, ключи отпали. Араго рассматривал проводник, по которому идёт ток, как магнит. Правильное объяснение этого явления было дано после исследования французского физика Андре Ампера, который установил внутреннюю связь между электричеством и магнетизмом. В сентябре 1820 года он сообщил Французской Академии наук о полученных им результатах.

Затем Ампер в своем «станке» заменил раму свободно подвешенным спиральным проводником. Этот провод при пропускании по нему тока приобретал свойство магнита. Ампер назвал его соленоидом. Исходя из магнитных свойств соленоида, Ампер предложил рассматривать магнетизм как явление, обязанное круговым токам. Он считал, что магнит состоит из молекул, в которых имеются круговые токи. Каждая молекула представляет собой маленький магнитик, располагаясь одноимёнными полюсами в одну и ту же сторону, эти маленькие магнитики и образуют магнит. Проводя вдоль стальной полосы магнитом (несколько раз в одну и ту же сторону), мы заставляем молекулы с круговыми токами ориентироваться в пространстве одинаково. Таким образом, стальная пластинка превратится в магнит. Теперь стал понятен и опыт Араго со стеклянной трубкой, обмотанной медным проводом. Вдвинутый в неё железный стержень стал магнитом потому, что вокруг него шёл ток. Это был электромагнит.

В 1825 году английский инженер Уильям Стёрджен изготовил первый электромагнит, представляющий собой согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки. Для изолирования от обмотки стержень был покрыт лаком. При пропускании тока железный стержень приобретал свойства сильного магнита, но при прерывании тока он мгновенно их терял. Именно эта особенность электромагнитов позволила широко применять их в технике.

Магнитные материалы

Термин «магнит», как правило, используется в отношении объектов, которые имеют собственное магнитное поле даже в отсутствие приложенного магнитного поля. Такое возможно лишь в некоторых классах материалов. В большинстве же материалов магнитное поле появляется в связи с приложенным внешним магнитным полем; это явление известно как магнетизм. Существует несколько типов магнетизма, и каждый материал имеет, по крайней мере, один из них.

В целом поведение магнитного материала может значительно варьироваться в зависимости от структуры материала и, не в последнюю очередь, его электронной конфигурации. Существует несколько типов взаимодействия материалов с магнитным полем, в том числе:

• Ферромагнетики и ферримагнетики — материалы, которые обычно и считаются магнитными. Они притягиваются к магниту достаточно сильно — так, что притяжение ощущается. Только эти материалы могут сохранять намагниченность и стать постоянными магнитами. Ферримагнетики сходны с ферромагнетиками, но слабее них. Различия между ферро- и ферримагнитными материалами связаны с их микроскопической структурой.
• Парамагнетики — такие вещества, как платина, алюминий и кислород, которые слабо притягиваются к магниту. Этот эффект в сотни тысяч раз слабее, чем притяжение ферромагнитных материалов, поэтому он может быть обнаружен только с помощью чувствительных инструментов или очень сильных магнитов.
• Диамагнетики — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. Диамагнитные, по сравнению с пара- и ферромагнитными, вещества, такие как углерод, медь, вода и пластики, отталкиваются от магнита. Все вещества, не обладающие одним из других типов магнетизма, являются диамагнитными; к ним относится большинство веществ. Силы, действующие на диамагнитные объекты от обычного магнита, слишком слабы, однако в сильных магнитных полях сверхпроводящих магнитов диамагнитные материалы, например кусочки свинца, могут пари́ть, а поскольку углерод и вода являются веществами диамагнитными, в мощном магнитном поле могут пари́ть даже органические объекты, например живые лягушки и мыши[4].

Также существуют и другие виды магнетизма, например спиновые стёкла, суперпарамагнетизм, супердиамагнетизм и метамагнетизм.

Единицы измерения

В системе СИ единицей магнитного потока является вебер (Вб), магнитной проницаемости — генри на метр (Гн/м), напряжённости магнитного поля — ампер на метр (А/м), индукции магнитного поля — тесла.

Вебер — магнитный поток, при убывании которого до нуля в сцепленном с ним контуре сопротивлением 1 ом проходит количество электричества 1 кулон.

Генри — международная единица индуктивности и взаимной индукции. Если проводник обладает индуктивностью в 1 Гн и ток в нём равномерно изменяется на 1 А в секунду, то на его концах индуктируется ЭДС в 1 вольт. 1 генри = 1,00052 · 109 абсолютных электромагнитных единиц индуктивности.

Тесла — единица измерения индукции магнитного поля в СИ, численно равная индукции такого однородного магнитного поля, в котором на 1 метр длины прямого проводника, перпендикулярного вектору магнитной индукции, с током силой 1 ампер действует сила 1 ньютон.

Использование магнитов

• Магнитные носители информации: магнитофонные катушки (бобины), компакт-кассеты, VHS кассеты и т.д. содержат магнитную ленту. Звуковая (звуковая и видео) информация кодируется на магнитном покрытии ленты. Также в компьютерных дискетах и жёстких дисках запись данных происходит на тонком магнитном покрытии. Однако носители информации не являются магнитами в строгом смысле, так как они не притягивают предметы. Магниты в жёстких дисках используются в ходовом и позиционирующем электродвигателях.
• Пластиковые карты (кредитные, дебетовые, ATM карты и т.д.) — ранние модели всех этих карт имеют магнитную полосу на одной стороне (магнитные полосы постепенно вытесняются микросхемами cмарт-карт). Эта полоса кодирует информацию, необходимую для соединения с финансовым учреждением и связи с их счетами.
• Обычные ЭЛТ телевизоры и компьютерные мониторы: такие телевизоры и компьютерные мониторы используют электромагниты для управления пучком электронов и формирования изображения на экране. Плазменные панели и ЖК-дисплеи используют другие технологии.
• Громкоговорители и динамические микрофоны: в большинстве громкоговорителей используется постоянный магнит и токовая катушка для преобразования электрической энергии (сигнала) в механическую энергию (движение, которое создает звук). Обмотка катушки, прикрепляется к диффузору и по ней протекает переменный ток, который взаимодействует с полем постоянного магнита. Мембрана динамического микрофона с прикреплённой к ней катушкой индуктивности под воздействием звуковых волн движется в поле постоянного магнита, в результате чего в обмотке этой катушки наводится ЭДС, пропорциональная звуковому сигналу.
• Основным элементом звукоснимателя электрогитары является магнит.
• Другой пример использования постоянных магнитов в звукотехнике — в головке звукоснимателя электрофона и в простейших магнитофонах в качестве экономичной стирающей головки.

• Электродвигатели и генераторы: некоторые электрические двигатели (так же, как громкоговорители) основываются на комбинации электромагнита и постоянного магнита. Они преобразовывают электрическую энергию в механическую энергию. Генератор, наоборот, преобразует механическую энергию в электрическую энергию путём перемещения проводника через магнитное поле.
• Трансформаторы (автотрансформаторы): устройства передачи электрической энергии между двумя обмотками (двумя цепями) через магнитное поле.
• Магниты используются в поляризованных реле. Такие устройства «запоминают» своё состояние на время выключения питания.
• Компасы: компас (или морской компас) является намагниченным указателем, который может свободно вращаться и ориентируется на направление магнитного поля, чаще всего магнитного поля Земли.
• Искусство: виниловые магнитные листы могут быть прикрепленены к рисункам, фотографиям и другим декоративным изделиям, что позволяет присоединять их к холодильникам и другим металлическим поверхностям.

• Игрушки: учитывая способность магнитов противостоять силе тяжести на близком расстоянии, их часто используют в детских игрушках с забавными эффектами.
• Магниты могут использоваться для производства ювелирных изделий. Ожерелья и браслеты могут иметь магнитную застёжку, или могут быть изготовлены полностью из серии связанных магнитов и чёрных бусин.
• Магниты встречаются в сумках в виде вставленной внутрь закрывающей сумку кнопки намагниченной железной пластины; магниты также вшивают внутрь верхней одежды для закрывания клапана одежды элегантной, невидимой глазу застёжкой.
• Ряд современных гаджетов (смартфоны, смарт-часы) используют магнитную фиксацию для подключения к ним разъёма зарядного устройства.
• Магниты могут поднимать магнитные предметы (железные гвозди, скобы, кнопки, скрепки), которые либо являются слишком мелкими, либо их трудно достать или они слишком тонкие чтобы держать их пальцами. Некоторые отвёртки специально намагничиваются для этой цели.
• Магниты могут использоваться при обработке металлолома для отделения магнитных металлов (железа, стали и никеля) от немагнитных (алюминия, цветных сплавов и т. д.). Та же идея может быть использована в рамках так называемого «Магнитного испытания», в которой кузов автомобиля обследуется с магнитом для выявления областей, отремонтированных с использованием стекловолокна или пластиковой шпатлевки.
• Маглев: поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является лишь сила аэродинамического сопротивления.
• Магниты используются в фиксаторах мебельных дверей.
• Электромагниты применяются в замках домофонных дверей.
• Если магниты поместить в губки, то эти губки можно использовать для мытья тонких листовых немагнитных материалов сразу с обеих сторон, причём одна сторона может быть труднодоступной. Это могут быть, например, стёкла аквариума или балкона.
• Магниты используются для передачи вращающего момента «сквозь» стенку, которой может являться, например, герметичный контейнер электродвигателя. Так была устроена игрушка ГДР «Подводная лодка». Таким же образом в бытовых счётчиках ра