Природа магнитных явлений

Все вещества без исключения реагируют при наложении внешнего магнитного поля. Если рассматривать электронную орбиту как контур с током, то при наложении магнитного поля, в соответствии с правилом Ленца, должна индуцироваться э.д.с., которая в свою очередь создаст магнитное поле, направленное против внешнего. Следовательно, внутри материала напряженность магнитного поля будет уменьшаться. Его относительное уменьшение – диамагнитная восприимчивость – величина порядка 10 -8 . Диамагнетизмом обладают все вещества, и его величина почти не зависит от температуры.

Кроме магнитного момента, возникающего благодаря движению электрона по орбите, электрон, обладая собственным спиновым моментом количества движения, имеет спиновой магнитный момент. Поэтому в общем случае атом вещества может иметь собственный результирующий магнитный момент. В отсутствии магнитного поля магнитный момент тела равен нулю вследствие беспорядочного распределения атомных магнитных моментов. Действие магнитного поля будет сводиться к ориентации магнитных моментов атомов в направлении приложенного поля, и внутри материала напряженность магнитного поля будет увеличиваться – парамагнитный эффект.

Парамагнетизм, как и диамагнетизм, сравнительно слабый эффект, и вещества, в которых имеют место только эти эффекты, носят название слабых магнетиков (). При снятии поля оба эффекта устраняются. Температурная зависимость парамагнитного эффекта опи­сывается законом Кюри – Вейса:

где и Θ p – константы, – парамагнитная восприимчивость.

По своей реакции на внешнее магнитное поле от диа- и парамагнетиков резко отличаются вещества, обладающие магнитноупорядоченным состоянием (ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики). Это вещества, в которых независимо от внешнего поля магнитные моменты спинов электронов выстраиваются параллельно друг другу (ферромагнетизм) или антипараллельно (антиферромагнетизм). Магнигоупорядоченное состояние имеет квантово-механическую природу. Вероятностное определение местонахождения "волны – частицы" электрона, даваемое квантовой механикой, позволило понять, что заставляет магнитные моменты выстраиваться параллельно - это так называемая энергия обменного взаимодействия. Можно сказать, чтоэто электростатическая энергия взаимодействия двух электронов, когда первый электрон находится на месте второго, а второй на месте первого. Вероятность такой ситуации в квантовой механике не равна нулю. При определенном расстоянии между взаимодействующими атомами энергия обменного взаимодействия будет минимальна, если магнитные моменты спинов параллельны (ферромагнетизм) или антипараллельны (антиферромагнетизм).

Итак, упорядоченное выстраивание магнитных моментов спинов электронов есть результат взаимодействия электронов. Встает вопрос, а какое направление выберут магнитные моменты спинов в кристаллической решетке? В этом случае необходимо учесть пространственное расположение орбиты электрона в кристаллической решетке. В силу вступает взаимодействие между магнитными моментами орбит и магнитными моментами спинов. Это взаимодействие, обозначаемое как энергия магнитной кристаллографической анизотропии, и определяет направление, в котором выстроятся магнитные моменты спинов, Возникает магнитная кристаллическая анизотропия (различие в направлениях) спонтанного намагничивания в кристаллической решетке. Для железа, например, направлением, в котором выстраиваются магнитные моменты, является ребро куба элементарной ячейки.

Еще за тысячу лет до первых наблюдений электрических явлений, человечество уже начало накапливать знания о магнетизме . И всего четыреста лет тому назад, когда становление физики как науки только началось, исследователи отделили магнитные свойства веществ от их электрических свойств, и только после этого начали изучать их самостоятельно. Так было положено экспериментальное и теоретическое начало, ставшее к середине 19 века фундаментом единой теории электрических и магнитных явлений .

Похоже, что необычные свойства магнитного железняка были известны еще в период бронзового века в Месопотамии. А после начала развития железной металлургии люди заметили, что он притягивает изделия из железа. О причинах этого притяжения задумывался и древнегреческий философ и математик Фалес из города Милет (640−546 гг. до н. э.), он объяснял это притяжение одушевленностью минерала.

Греческие мыслители представляли, как невидимые пары окутывают магнетит и железо, как эти пары влекут вещества друг к другу. Слово «магнит» могло произойти он названия города Магнесии-у-Сипила в Малой Азии, недалеко от которого залегал магнетит. Одна из легенд рассказывает, что пастух Магнис как-то оказался со своими овцами рядом со скалой, которая притянула к себе железный наконечник его посоха и сапоги.

В древнекитайском трактате «Весенние и осенние записи мастера Лю» (240 г. до н. э.) упоминается свойство магнетита притягивать к себе железо. Через сто лет китайцы отметили, что магнетит не притягивает ни медь, ни керамику. В 7-8 веках они заметили, что намагниченная железная игла, будучи свободно подвешена, поворачивается по направлению к Полярной звезде.

Так ко второй половине 11 века в Китае начали изготавливать морские компасы, которые европейские мореплаватели освоили лишь через сто лет после китайцев. Тогда китайцы уже обнаружили способность намагниченной иглы отклоняться в направлении восточнее северного, и открыли таким образом магнитное склонение, опередив в этом европейских мореплавателей, пришедших к точно такому выводу только в 15 столетии.

В Европе первым свойства природных магнитов описал философ из Франции Пьер де Марикур, который в 1269 году пребывал на службе в армии сицилийского короля Карла Анжуйского. В период осады одного из итальянских городов, он отправил другу в Пикардию документ, вошедший в историю науки под названием «Письмо о магните», где и рассказал о своих экспериментах с магнитным железняком.

Марикур отметил, что в любом куске магнетита есть две области, которые особенно сильно притягивают к себе железо. Он заметил в этом сходство с полюсами небесной сферы, поэтому позаимствовал их названия для обозначения областей максимума магнитной силы. Оттуда и пошла традиция называть полюса магнитов южным и северным магнитными полюсами.

Марикур писал, что если разбить любой кусок магнетита на две части, то в каждом осколке появятся собственные полюса.

Марикур впервые связал эффект отталкивания и притяжения магнитных полюсов с взаимодействием разноименных (южного и северного), либо одноименных полюсов. Марикур по праву считается пионером европейской экспериментальной научной школы, его заметки о магнетизме воспроизводились в десятках списков, а с появлением книгопечатания издавались в форме брошюры. Их цитировали многие ученые натуралисты вплоть до 17 столетия.

С трудом Марикура был хорошо знаком и английский естествоиспытатель, ученый и врач Уильям Гильберт. В 1600 году он опубликовал труд «О магните, магнитных телах и большом магните - Земле». В этом труде Гильберт привел все известные на тот момент сведения о свойствах природных магнитных материалов и намагниченного железа, а также описал свои собственные опыты с магнитным шаром, в которых воспроизвел модель земного магнетизма.

В частности он опытным путем установил, что на обоих полюсах «маленькой Земли» стрелка компаса поворачивается перпендикулярно ее поверхности, у экватора устанавливается параллельно, а на средних широтах - поворачивается в промежуточное положение. Таким образом Гильберту удалось смоделировать магнитное наклонение, о котором в Европе знали более 50 лет (в 1544 году его описал Георг Хартман, механик из Нюрнберга).

Гильберт воспроизвел также геомагнитное склонение, которое он приписал не идеально гладкой поверхности шара, а в масштабе планеты объяснил этот эффект притяжением между континентами. Он обнаружил, как сильно разогретое железо теряет свои магнитные свойства, а при охлаждении - восстанавливает их. Наконец, Гильберт первым четко различил притяжение магнита и притяжение янтаря, натертого шерстью, которое назвал электрической силой. Это был поистине новаторский труд, оцененный как современниками, так и потомками. Гильберт открыл, что Землю будет правильным считать «большим магнитом».

До самого начала XIX века наука о магнетизме продвинулась очень немного. В 1640 году Бенедетто Кастелли, ученик Галилея, объяснил притяжение магнетита множеством очень маленьких магнитных частиц, входящих в его состав.

В 1778 году Себальд Бругманс, уроженец Голландии, заметил, как висмут и сурьма отталкивали полюса магнитной стрелки, что стало первым примером физического феномена, который позже Фарадей назовет диамагнетизмом .

Шарль-Огюстен Кулон в 1785 году, посредством точных измерений на крутильных весах, доказал, что сила взаимодействия магнитных полюсов между собой обратно пропорциональна квадрату расстояния между полюсами - так же точно, как и сила взаимодействия электрических зарядов.

С 1813 года датский физик Эрстед усердно пытался экспериментально установить связь электричества с магнетизмом. В качестве индикаторов исследователь использовал компасы, но долго не мог достичь цели, ведь он ожидал, что магнитная сила параллельна току, и располагал электрический провод под прямым углом к стрелке компаса. Стрелка никак не реагировала на возникновение тока.

Весной 1820 года, во время одной из лекций, Эрстед натянул провод параллельно стрелке, причем не ясно, что привело его к этой идее. И вот стрелка качнулась. Эрстед почему-то прекратил эксперименты на несколько месяцев, после чего вернулся к ним и понял, что «магнитное воздействие электрического тока направлено по окружностям, охватывающим этот ток».

Вывод был парадоксальным, ведь раньше вращающиеся силы не проявляли себя ни в механике, ни где-либо еще в физике. Эрстед написал статью, где изложил свои выводы, и больше электромагнетизмом так и не занимался.

Осенью того же года француз Андре-Мари Ампер приступил к опытам. Перво-наперво повторив и подтвердив результаты и выводы Эрстеда, в начале октября он обнаружил притяжение проводников, если токи в них направлены одинаково, и отталкивание, если токи противоположны.

Ампер изучил также взаимодействие между непараллельными проводниками с током, после чего описал его формулой, названой позже законом Ампера. Ученый показал и то, что свернутые в спираль провода с током поворачиваются под действием магнитного поля, как это происходит со стрелкой компаса.

Наконец, он выдвинул гипотезу о молекулярных токах, согласно которой внутри намагниченных материалов имеют место непрерывные микроскопические параллельные друг другу круговые токи, служащие причиной магнитного действия материалов.

В то же время Био и Савар совместно вывели математическую формулу, позволяющую вычислять интенсивность магнитного поля постоянного тока.

И вот, к концу 1821 года Майкл Фарадей, уже работавший в Лондоне, изготовил устройство, в котором проводник с током вращался вокруг магнита, а другой магнит поворачивался вокруг другого проводника.

Фарадей выдвинул предположение, что и магнит, и провод окутаны концентрическими силовыми линиями, которые и обуславливают их механическое воздействие.

Со временем Фарадей уверился в физической реальности силовых магнитных линий. К концу 1830-х ученый уже четко осознавал, что энергия как постоянных магнитов, так и проводников с током, распределена в окружающем их пространстве, которое заполнено силовыми магнитными линиями. В августе 1831 года исследователю удалось заставить магнетизм производить генерацию электрического тока.

Устройство состояло из железного кольца с расположенными на нем двумя противоположными обмотками. Первую обмотку можно было замыкать на электрическую батарею, а вторая соединялась с проводником, помещенным над стрелкой магнитного компаса. Когда по проводу первой катушки тек постоянный ток, стрелка не меняла своего положения, но начинала качаться в моменты его выключения и включения.

Фарадей пришел к заключению, что в эти моменты в проводе второй обмотки возникали электрические импульсы, связанные с исчезновением или возникновением магнитных силовых линий. Он сделал открытие, что причиной возникающей электродвижущей силы является изменение магнитного поля.

В ноябре 1857 года Фарадей написал письмо в Шотландию профессору Максвеллу с просьбой придать математическую форму знаниям об электромагнетизме. Максвелл просьбу выполнил. Понятие электромагнитного поля нашло место в 1864 году в его мемуарах.

Максвелл ввел термин «поле» для обозначения части пространства, которая окружает и содержит тела, пребывающие в магнитном или электрическом состоянии, причем он особо подчеркнул, что само это пространство может быть и пустым и заполненным совершенно любым видом материи, а поле все равно будет иметь место.

В 1873 году Максвелл издал «Трактат об электричестве и магнетизме», где представил систему уравнений, объединяющих электромагнитные явления. Он дал им название общих уравнений электромагнитного поля, и по сей день они зовутся уравнениями Максвелла. По теории Максвелла магнетизм - это взаимодействие особого рода между электрическими токами . Это фундамент, на котором построены все теоретические и экспериментальные работы, относящиеся к магнетизму.

Электронный учебник по физике

КГТУ-КХТИ. Кафедра физики. Старостина И.А., Кондратьева О.И., Бурдова Е.В.

Для перемещения по тексту электронного учебника можно использовать:

1- нажатие клавиш PgDn, PgUp,,  для перемещения по страницам и строкам;

2- нажатие левой клавиши «мыши» по выделенному тексту для перехода в требуемый раздел;

3- нажатие левой клавиши «мыши» по выделенному значку @ для перехода в оглавление.

МАГНЕТИЗМ

МАГНЕТИЗМ

1. ОСНОВЫ МАГНИТОСТАТИКИ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

1.1. Магнитное поле и его характеристики.@

1.2. Закон Ампера.@

1.3. Закон Био – Савара – Лапласа и его применение к расчету магнитного поля. @

1.4. Взаимодействие двух параллельных проводников с током. @

1.5. Действие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу. @

1.6. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме(теорема о циркуляции вектора В). @

1.7. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля. @

1. 8. Рамка с током в однородном магнитном поле. @

2. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ. @

2.1. Магнитные моменты атомов. @

2.2. Атом в магнитном поле. @

2.3. Намагниченность вещества. @

2.4. Виды магнетиков. @

2.5. Диамагнетизм. Диамагнетики. @

2.6. Парамагнетизм. Парамагнетики. @

2.7. Ферромагнетизм. Ферромагнетики. @

2.8. Доменная структура ферромагнетиков. @

2.9. Антиферромагнетики и ферриты. @

3. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. @

3.1. Основной закон электромагнитной индукции. @

3.2. Явление самоиндукции. @

3.3. Явление взаимной индукции. @

3.4. Энергия магнитного поля. @

4. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА. @

4.1. Теория Максвелла для электромагнитного поля. @

4.2. Первое уравнение Максвелла. @

4.3. Ток смещения. @

4.4. Второе уравнение Максвелла. @

4.5. Система уравнений Максвелла в интегральной форме. @

4.6. Электромагнитное поле. Электромагнитные волны. @

МАГНЕТИЗМ

Магнетизм - раздел физики, изучающий взаимодействие между электричес­ки­ми токами, между токами и магнитами (телами с магнитным моментом) и между магнитами.

Долгое время магнетизм считался совершенно независимой от электричества наукой. Однако ряд важнейших открытий 19-20 веков А.Ампера, М.Фарадея и др. доказали связь электрических и магнитных явлений, что позволило считать учение о магнетизме составной частью учения об электричестве.

1. ОСНОВЫ МАГНИТОСТАТИКИ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

1.1. Магнитное поле и его характеристики.@

Впервые магнитные явления были последовательно рассмотрены английским врачом и физиком Уильямом Гильбертом в его работе - «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Тогда казалось, что электричество и магнетизм не имеютничего общего. Лишь в началеXIXвека датский ученый Г.Х.Эрстед выдвинул идею о том, что магнетизм может оказаться одной из скрытых форм электричества, что и подтвердил в 1820 г. на опыте. Этот опыт повлек за собой лавину новых открытий, имевших огромное значение.

Многочисленные опыты начала XIXвека показали, что каждый проводник с током и постоянный магнит способны оказывать силовое воздействие через пространство на другие проводники с током или магниты. Это происходит из-за того, что вокруг проводников с током и магнитов возникает поле, которое было названомагнитным .

Для исследования магнитного поля применяют небольшую магнитную стрелку, подвешенную на нити или уравновешенную на острие (Рис.1.1). В каждой точке магнитного поля стрелка, расположенная произвольно, будет п

Рис.1.1. Направление магнитного поля

оворачиваться в определенном направлении. Это происходит из-за того, что в каждой точке магнитного поля на стрелку действует вращающий момент, который стремится расположить ее ось вдоль магнитного поля. Осью стрелки называется отрезок, соединяющий ее концы.

Рассмотрим ряд опытов, которые позволили установить основные свойства магнитного поля:

На основании данных опытов был сделан вывод о том, что магнитное поле создается только движущимися зарядами или движущимися заряженными телами, а также постоянными магнитами. Этим магнитное поле отличается от электрического поля, которое создается как движущимися, так и неподвижными зарядами и действует как на одни, так и на другие.

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . За направление магнитной индукции в данной точке поля принимают направление, по которому в данной точке располагается ось магнитной стрелки отS к N (рис.1.1). Графически магнитные поля изображаются силовыми линиями магнитной индукции, то есть кривыми, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора В.

Эти силовые линии можно увидеть с помощью железных опилок: например, если рассыпать опилки вокруг длинного прямолинейного проводника и пропустить через него ток, то опилки поведут себя подобно маленьким магнитикам, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля (рис. 1.2).

Как определить направление вектора около проводника с током? Это можно сделать с помощью правила правой руки, которое иллюстрируется рис. 1.2. Большой палец правой руки ориентируют в направлении тока, тогда остальные пальцы в согнутом положении указывают направление силовых линий магнитного поля. В случае, изображенном на рис.1.2, линиипредставляют собой концентрические окружности. Линии вектора магнитной индукции всегдазамкнуты и охватывают проводник с током. Этим они отличаются от линий напряженности электрического поля, которые начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах, т.еразомкнуты . Линии магнитной индукции постоянного магнита выходят из одного полюса, называемого северным (N) и входят в другой - южный (S) (рис. 1.3а). Вначале кажется, что здесь наблюдается полная аналогия с линиями напряженности электрического поля Е, причем полюса магнитов играют роль магнитных зарядов. Однако если разрезать магнит, картина сохраняется, получаются более мелкие магниты со своими северными и южными полюсами, т.е. полюса разделить невозможно, потому что свободных магнитных зарядов, в отличие от электрических зарядов, в природе не существует. Было установлено, что внутри магнитов имеется магнитное поле и линии магнитной индукции этого поля являются продолжением линий магнитной индукции вне магнита, т.е. замыкают их. Подобно постоянному магниту магнитное поле соленоида – катушки из тонкой изолированной проволоки с длиной намного больше диаметра, по которой течет ток (рис.1.3б). Конец соленоида, из которого ток в витке виден идущим против часовой стрелки, совпадает с северным полюсом магнита, другой – с южным. Магнитная индукцияв системе СИ измеряется в Н/(А∙м), этой величине присвоено специальное наименование – тесла .

Согласно предположению французского физика А.Ампера,намагниченное железо (в частности, стрелки компаса) содержит непрерывно движущиеся заряды, т.е. электрические токи в атомном масштабе. Такие микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах, существуют в любом теле. Эти микротоки создают свое магнитное поле и могут сами поворачиваться во внешних полях, создаваемых проводниками с током.Например, если вблизи какого-либо тела поместить проводник с током, то под действием его магнитного поля микротоки во всех атомах определенным образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле. О природе и характере этих микротоков Ампер в то время ничего не мог сказать, так как учение о строении вещества находилось еще в самой начальной стадии. Гипотеза Ампера была блестяще подтверждена лишь спустя 100 лет, после открытия электрона и выяснения строения атомов и молекул.

Магнитные поля, существующие в природе, разнообразны по масштабам и по вызываемым эффектам. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается на расстоянии 70 – 80 тысяч км в направлении к Солнцу и на многие миллионы километров в обратном направлении. В околоземном пространстве магнитное поле образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий. Происхождение магнитного поля Земли связывают с движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и Сатурн обладают заметными магнитными полями. Магнитное поле Солнца играет важнейшую роль во всех происходящих на Солнце процессах – вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей.

Магнитное поле широко применяется в различных отраслях промышленности, в частности при очистке муки на хлебозаводах от металлических примесей. Специальные просеиватели муки снабжены магнитами, которые притягивают к себе мелкие кусочки железа и его соединений, которые могут содержаться в муке.

Взаимодействия.

Магнитное взаимодействие между железом и магнитом или между магнитами происходит не только при непосредственном их соприкосновении, но и на расстоянии. С увеличением расстояния сила взаимодействия уменьшается, и при достаточно большом расстоянии она перестает быть заметной. Следовательно, свойства части пространства вблизи магнита отличаются от свойств той части пространства, где магнитные силы не проявляются. В пространстве, где проявляются магнитные силы, имеется магнитное поле.

Если магнитную стрелку внести в магнитное поле, то она установится вполне определенным образом, причем в различных местах поля она будет устанавливаться по-разному.

В 1905 году Поль Ланжевен на основе теоремы Лармора и электронной теории Лоренца развил классическую трактовку теории диа- и парамагнетизма.

Естественные и искусственные магниты

Магнетит (магнитный железняк) – камень, притягивающий железо, был описан ещё древними учеными. Он представляет собой так называемый естественный магнит, встречающийся в природе довольно часто. Это широко распространенный минерал состава: 31% FeO и 69% Fe2O3, содержащий 72,4% железа.

Если вырезать из такого материала полоску и подвесить ее на нить, то она будет устанавливаться в пространстве вполне определенным образом: вдоль прямой, проходящей с севера на юг. Если вывести полоску из этого состояния, т. е. отклонить от направления, в котором она находилась, а затем снова предоставить самой себе, то полоска, совершив несколько колебаний, займет прежнее положение, установившись в направлении с севера на юг.

Если погрузить эту полоску в железные опилки, то они притянутся к полоске не везде одинаково. Наибольшая сила притяжения будет на концах полоски, которые были обращены к северу и югу.

Эти места полоски, на которых обнаруживается наибольшая сила притяжения, носят название магнитных полюсов. Полюс, направленный к северу, получил название северного полюса магнита (или положительного) и обозначается буквой N (или С); полюс, направленный к югу» получил название южного полюса (или отрицательного) и обозначается буквой S (или Ю). Взаимодействие полюсов магнита можно изучить следующим образом. Возьмем две полоски из магнетита и одну из них подвесим на нити, как уже указывалось выше. Держа вторую полоску в руке, будем подносить ее к первой разными полюсами.

Окажется, что если, к северному полюсу одной полоски приближать южный полюс другой, то возникнут силы притяжения между полюсами, и подвешенная на нити полоска притянется. Если к северному полюсу подвешенной полоски поднести вторую полоску также северным полюсом, то подвешенная полоска будет отталкиваться.

Проводя такие опыты, можно убедиться в справедливости установленной Гильбертом закономерности о взаимодействии магнитных полюсов: одноименные полюсы отталкиваются, разноименные притягиваются.

Если бы мы захотели разделить магнит пополам, чтобы отделить северный магнитный полюс от южного, то, оказывается, нам не удалось бы сделать этого. Разрезав магнит пополам, мы получим два магнита, причем каждый с двумя полюсами. Если мы продолжали бы этот процесс и дальше, то, как показывает опыт, нам никогда не удастся получить магнит с одним полюсом. Этот опыт убеждает нас, что полюсы, магнита не существуют раздельно, подобно тому как раздельно существуют отрицательные и положительные электрические заряды. Следовательно, и элементарные носители магнетизма, или, как их называют, элементарные магнитики, также должны обладать двумя полюсами.

Описанные выше естественные магниты в.настоящее время практически не используются. Гораздо более сильными и более удобными оказываются искусственные постоянные магниты. Постоянный искусственный магнит проще всего изготовить из стальной полоски, если натирать ее от центра к концам противоположными полюсами естественных или других искусственных магнитов. Магниты, имеющие форму полоски, носят название полосовых магнитов. Часто удобнее бывает пользоваться магнитом, напоминающим по форме подкову. Такой магнит носит название подковообразного магнита.

Искусственные магниты обычно изготовляются так, что на их концах создаются противоположные магнитные полюса. Однако это совсем не обязательно. Можно изготовить такой магнит, у которого оба конца будут иметь один и тот же полюс, например, северный. Изготовить такой магнит можно, натирая от середины к концам стальную полоску одинаковыми полюсами.

Однако северный и южный полюсы и у такого магнита неотделимы. Действительно, если его погрузить в опилки, то они сильно притянутся не только по краям магнита, но и к его середине. Легко проверить, что по краям расположены северные полюсы, а южный – посередине.

Магнитные свойства. Классы веществ

Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества. По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики , парамагнетики и диамагнетики . Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков - антиферромагнетики и ферримагнетики . В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.

Ферромагнетики

Некоторые вещества и сплавы (прежде всего, следует отметить железо, никель и кобальт) при температуре ниже точки Кюри приобретают свойство выстраивать свою кристаллическую решетку таким образом, что магнитные поля атомов оказываются однонаправленными и усиливают друг друга, благодаря чему возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материла. Из таких материалов получаются вышеупомянутые постоянные магниты. На самом деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain - «область»). При остывании железа ниже точки Кюри формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Тогда мы получаем настоящий магнит - тело, обладающее ярко выраженным внешним магнитным полем. Именно так устроены постоянные магниты.

Парамагнетики

В большинстве материалов внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких материалов нет. Однако при помещении такого материала в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого материла. Материалы, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако, убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть, парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.

Диамагнетики

В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше - на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока. Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.

Магнетизм в природе

Множество явлений природы определяется именно магнитными силами. Они являются источником многих явлений микромира: поведения атомов, молекул, атомных ядер и элементарных частиц – электронов, протонов, нейтронов и др. Кроме того, магнитные явления характерны и для огромных небесных тел: Солнце и Земля – это огромные магниты. Половина энергии электромагнитных волн (радиоволн, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения, рентгеновых и гамма-лучей) является магнитной. Магнитное поле Земли проявляется в целом ряде явлений и оказывается, в частности, одной из причин возникновения полярных сияний.

Немагнитных веществ, в принципе, не существует. Любое вещество всегда «магнитно», т. е. изменяет свои свойства в магнитном поле. Иногда эти изменения совсем небольшие и обнаружить их можно только с помощью специальной аппаратуры; иногда они довольно значительны и обнаруживаются без особого труда с помощью весьма простых средств. К слабомагнитным веществам можно отнести алюминий, медь, воду, ртуть и др., к сильномагнитным или просто магнитным (при обычных температурах) – железо, никель, кобальт, некоторые сплавы.

Использование магнетизма

Современная электротехника очень широко использует магнитные свойства вещества для получения электрической энергии, для ее превращения в различные другие виды энергии. В аппаратах проволочной и беспроволочной связи, в телевидении, автоматике и телемеханике употребляются материалы с определенными магнитными свойствами. Магнитные явления играют существенную роль также в живой природе.

Необычайная общность магнитных явлений, их огромная практическая значимость, естественно, приводят к тому, что учение о магнетизме является одним из важнейших разделов современной физики.

Магнетизм также неотъемлемая часть компьютерного мира: до 2010-х годов в мире были очень распространены магнитные носители информации (компакт-кассеты , дискеты и др), однако ещё «котируются» магнитооптические носители (DVD-RAM

О природе земного магнетизма

Было время, когда люди, пытаясь объяснить, почему магнитная стрелка всегда одним своим концом показывает на север, полагали, что земной магнетизм находится на небе, что стрелку компаса направляют магнитные силы, исходящие из Полярной звезды. О том, что сама Земля представляет собой большой шарообразный магнит, с полюсами и с внешним магнитным полем, которое действует на стрелку компаса, люди узнали сравнительно недавно, около 350 лет назад. Великий русский ученый М. В. Ломоносов, придавая важное значение наблюдениям за компасной стрелкой, еще в 1759 году предложил построить самопишущий компас, который мог бы записывать эти наблюдения во время движения корабля.
По мере исследования земного магнетизма постепенно раскрывались различные его свойства. Прежде всего было доказано, что географические меридианы не совпадают с магнитными, направление которых на поверхности Земли указывает компасная стрелка, и что, таким образом, магнитная ось Земли не совпадает с ее осью вращения. Ученые установили, что направление земного магнитного поля соответствует такому, которое получилось бы, если бы около центра Земли поместить магнит, ось которого составляет с осью вращения нашей планеты угол около 11,5°.
Магнитное поле характеризуется в каждой точке пространства не только направлением, но и величиной напряженности. На поверхности Земли эта напряженность сравнительно небольшая приблизительно такая, какую имеет обычный школьный магнит на расстоянии 10 - 15 см от его концов. Напряженность земного магнитного поля можно представить как равнодействующую двух составляющих: вертикальной и горизонтальной. Последняя направляет компасную стрелку по магнитному меридиану.
Если передвигаться с компасом в руке вдоль какой-нибудь широты вокруг земного шара, то окажется, что направление магнитного меридиана в редких случаях совпадает с географическим; между этими направлениями почти всегда имеется некоторый угол, который называется магнитным склонением. Направление стрелки компаса может отклоняться от географического меридиана к востоку или к западу. Магнитное склонение находят для всех мест земного шара и составляют кар ты распределения этого склонения. Если известно в данном месте склонение компаса, то можно определить и направление географического меридиана. Это дает возможность установить местоположение корабля на море или самолета над земной поверхностью.
Но магнитное поле Земли медленно меняется во времени, вследствие этого меняется и склонение магнитной стрелки. Поэтому приходится периодически составлять заново карты, на которых показано распределение магнитного склонения.
Россия одной из первых учредила в начале XIX века магнитные обсерватории. Однако только в ХХ веке путем генеральной магнитной съемки были созданы детальные карты распределения магнитного поля на всей территории страны; это дает возможность строить и карты магнитного склонения, необходимые для штурманской службы.
Медленные (вековые) изменения земного магнитного поля имеют повидимому почти периодический характер: в течение 400-600 лет напряженность геомагнитного поля меняется на 1-2% своей величины. Однако для разных мест поверхности Земли эта периодичность выражается различно.
Около двухсот лет назад было обнаружено, что наряду с медленными изменениями земного магнетизма имеют место сравнительно быстрые - как правильные, так и неправильные - колебания напряженности земного магнитного поля. Правильные колебания совпадают с некоторыми астрономическими периодами: суточным обращением Земли около своей оси, лунными сутками и годичным обращением Земли в круг Солнца. Размах этих колебаний невелик: суточные колебания магнитного поля составляют около 0.05% полной напряженности геомагнитного поля, причем летом они больше, чем зимой; колебания в течение лунных суток и того меньше - около 0,005%; годичные колебания напряженности также составляют несколько сотых процента напряженности поля.
Кроме того, наблюдаются неправильные изменения земного магнитного поля, так называемые магнитные бури, которые наступают внезапно и продолжаются от нескольких часов до нескольких суток. Во время бурь изменение напряженности магнитного поля достигает нескольких процентов. Большей частью магнитные бури совпадают с северными сияниями и тесно связаны с явлениями, наблюдаемыми на Солнце, в частности с солнечными пятнами.
Геомагнитное поле нерегулярно изменяется не только во времени, но и в пространстве при передвижении по поверхности Земли. Существуют места, где напряженность магнитного поля значительно больше (а иногда и меньше), чем в окружающем районе. Такие изменения земного поля называются магнитными аномалиями. Мировую известность имеет, например, район Курской магнитной аномалии, где напряженность магнитного поля в три-четыре раза превосходит нормальную напряженность окружающего района. Сильные магнитные аномалии обычно имеют место над теми районами земной коры, которые содержат в себе большие количества железной руды - магнетита.
Как же объясняются основные особенности магнитного поля Земли? Самой трудной оказалась для науки проблема происхождения главного геомагнитного поля, которое в течение последних миллионов лет остается почти постоянным, подвергаясь лишь небольшим изменениям. По этому вопросу были высказаны самые различные предположения. Одни ученые утверждали, что Земля полечила свой магнетизм в магнитном поле Солнца. Дальнейшие исследование, однако, не подтвердили это предположение. Хотя и возникают иногда сильные магнитные поля в районе так называемых солнечных пятен, но в целом Солнце не имеет заметного магнитного поля на расстоянии радиуса орбиты Земли. Не подтвердилась также другая гипотеза, согласно которой Земля, имеющая постоянный электрический заряд, вследствие своего суточного вращения должна образовать вокруг себя магнитное поле. Расчеты показывают, что поверхностный заряд Земли в общем невелик и может при вращении Земли образовать лишь ничтожно малое магнитное поле.
В последнее время выдвинута гипотеза о происхождении земного магнетизма, которая объясняет его возникновение вращением массы Земли. По этой теории всякая вращающаяся масса создает магнетизм вне зависимости от электрического состояния этой массы. Еще наш великий ученый П. Н. Лебедев хотел на опыте проверить такое предположение: он подвергал очень быстрому вращению различные тела, но возникновение магнетизма у них не было обнаружено.
Наконец, некоторые ученые полагают, что источники магнитного поля сосредоточены где-то значительно ниже поверхности Земли.

Все высказывавшиеся до сих пор предположения о происхождении земного магнетизма не являются общепринятыми в науке. Вероятно, явление главного магнитного поля Земли представляет собой сложную комбинацию двух основных процессов: системы замкнутых электрических токов с магнитной осью, смещенной по отношению к оси вращения Земли, и остаточного намагничения горных пород, богатых магнетитом, в верхних слоях земной коры. Первый процесс является устойчивым, создающим основную величину напряженности главного магнитного поля. К нему присоединяется поле остаточного намагничивания земной коры. Оно могло образоваться под действием радиоактивного тепла в процессе разогревания и остывания в земном магнитном поле горных пород, содержащих магнетит. Что касается временных изменений главного магнитного поля, то их объясняют следующим образом. Вековые изменения объясняются с помощью колебаний температуры в нижележащих слоях земной коры; повышение или понижение температуры изменяет намагниченность горных пород и вызывает колебания магнитного поля на поверхности Земли.
Суточные вариации геомагнитного поля определяются движением ионизированных масс воздуха в высоких слоях атмосферы, в так называемой ионосфере. Ионизация же воздуха происходит под действием солнечных лучей, поскольку интенсивность солнечного излучения больше около полудня и особенно в летние дни, то и суточные вариации геомагнитного поля принимают в это время наибольшее значение. Магнитные бури объясняются тем, что Земля попадает в потоки солнечного корпускулярного излучения. На Солнце происходят процессы извержения отдельных частиц, которые иногда выбрасываются далеко за пределы орбиты Земли. Эти частицы обладают большой ионизирующей способностью и быстро увеличивают количество электрических зарядов в ионосфере. Движение этих зарядов создает магнитное поле, которое и воспринимается на Земле как магнитная буря.
Таким образом, земной магнетизм представляет собой весьма сложное явление: в создании его участвуют различные части Земли и разнообразные физические процессы. Несомненно, что дальнейшие успехи российской геофизики, астрономии и других наук позволят в ближайшее время найти новые данные о происхождении, земного магнетизма, которые правильно объяснят одно из интереснейших явлений природы.