Учебник | Магнетизм

Определение
История магнетизма
Естественные и искусственные магниты
Магнитные свойства. Классы веществ
Магнетизм в природе
Использование магнетизма

Определение

Магнетизм - форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, которая осуществляется на расстоянии посредством магнитного поля. Как и электричество, магнетизм — одно из проявлений электромагнитного 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.

История магнетизма

Наиболее характерное магнитное явление - притяжение магнитом кусков железа - известно со времен глубокой древности. Существуют различные сведения о первом упоминании магнитов, обычно рассматривающихся в истории Древнего мира в контексте компаса или религиозных культов. Кратко пройдёмся по древним цивилизациям, которые внесли свой вклад науку о магнетизме, ибо точно сказать кем были открыты магнитные свойства, всё-таки нельзя. Западные учёные отдают приоритет в открытии магнетизма древним грекам, что, в принципе, понятно. Китай склонен утверждать, что именно его народ в древности, в этом преуспел раньше других. Рассмотрим каждого.

Китай

Разумеется, многие наслышаны о китайском фарфоре и порохе. Согласно некоторым оценкам магнетит (минерал, получивший название от античного города Магнесия в Малой Азии) был впервые открыт в Китае за 4 тысячи до нашей эры. Первые упоминания в летописях о применении магнитов относят к третьему тысячелетию до нашей эры, когда китайский император Хуан-ди использовал компас во время одной из битв, которых на территории древнего Китая было бесчисленное множество. По другой версии, он использовал колесницы, указывающие на юг: на колеснице была смонтирована фигурка человека, которая независимо от направления движения самой колесницы указывала вытянутой рукой на юг.

Китайские мореплаватели конца второго тысячелетия до нашей эры уже использовали компас для навигации в море. Компас в виде ложки на гладкой поверхности (или как зовут его китайцы «ложка, смотрящая на юг») использовался для предсказаний. Альтернативная версия гласит, что первое упоминание магнита или магнитного компаса было сделано лишь за 4 сотни лет до нашей эры. Понятное дело, что в те времена действие магнита объясняли действием высших сил и никак иначе.

Греция

Древние греки хорошо знали о свойствах магнетита. Римский поэт и философ Тит Лукреций Кар в своём сочинении «О природе вещей» писал, что камень, притягивающий железо получил название магнита по имени провинции Магнисия в Фессалии (исторический регион Греции на побережье Эгейского моря). По другим данным, название магнит произошло от названия города Магнезия в Лидии (в древности страна в Малой Азии, по другой берег Эгейского моря, современная Турция), около которого находились большие залежи этой руды. Существует также версия Плиния Старшего, согласно которой слово «магнит» произошло от имени пастуха Магнеса, «гвозди из обуви которого и наконечник его посоха были притянуты магнитным полем, когда он вывел на пастбище своё стадо». Греки также называли магнит «Геркулесов камень».

Первые письменные упоминание магнетита в Греции относят к 8 веку до нашей эры. Древнегреческий философ и математик из Милета по имени Фалес (7 – 6 века до нашей эры) первым обратил внимание что магнетит притягивает железо. Философские школы по-разному объясняли необычные свойства материала: Фалес и Анаксагор (древнегреческий философ, математик и астроном. Основоположник афинской философской школы) считали, что магнетит обладает душой, тянущейся к железу. Другие их современники полагали, что магнит выделяет некие испарения, приводившие к наблюдаемым результатам, или что магнитное взаимодействие имеет механическую природу и для его проведения необходим прямой контакт между магнитом и железом. Сократ, в своё время, отметил силу притяжения колец. А четыре века спустя, после того как покинули наш мир вышеупомянутые лица, всё тот же Тит Лукреций Кар первым отметил отталкивание магнитных материалов.

Индия

Нельзя не упомянуть о ещё одной древней цивилизации – Индии. Плиний Старший упоминал в своих трудах о горе возле реки Инд, которая притягивала железо. Индийский врач Сушрута (автор важнейшего и древнейшего индийского медицинского трактата, основатель индийской медицинской школы) живший в 6 веке до нашей эры, применял магниты в хирургии. Как и когда появился индийский компас доподлинно неизвестно, но первые упоминания о нём относят к 6 веку нашей эры.

Средневековье

В ХII столетии усилиями арабов в Европу стали проникать сведения об искусственных стальных магнитах, а также об их способности поворачиваться всегда одним своим концом к северу, когда какой-либо из таких магнитов помещается на поплавке, плавающем на поверхности воды (впервые упоминается об этом в научных трудах 12 века). Об искусственных стальных магнитах, о пользовании ими при путешествиях как по земле, так и по воде в качестве компасов (т. е. в качестве указателей стран света), знали в Китае уже за 2000 лет до нашей эры, как упоминается выше. Но это в далёкой Азии, в то время как в Европе, только в 12 веке стало известно, что магнит испытывает особое действие Земли. Будучи помещенным на поплавке, на острие или подвешенным на незакрученной нити, причём так, чтобы была горизонтальная (или почти горизонтальная) прямая линия, соединяющая две точки поверхности магнита, в которых наблюдается наиболее сильное притяжение кусков железа (так называемая магнитная ось магнита), магнит принимает вполне определенное положение, если поблизости к нему не имеется масс железа или других каких-либо магнитов.

Во времена средневековья сбор новых знаний и теорий о природе магнетизма практически отсутствовал. Только монахи высказывали некоторые теологические предположения. Тем не менее в народном творчестве различных стран (европейских, арабских) иногда упоминались магнитные горы или острова, способные притягивать металлические предметы вокруг.

В Европе ходит легенда, согласно которой магнитный компас изобрел бедный ювелир Флавио Джойя, чтобы жениться на дочери богатого рыбака Доменико. Отец отнюдь не горел желанием видеть такого зятя и поставил условие научиться плавать по прямой линии в тумане ночью. Находчивый ювелир заметил, что пробка, на которой лежал магнитный камень, помещенная в чашку с водой, всегда ориентируется в одну сторону, и сумел выполнить сложное задание. В действительности же, «ювелиром» был папский секретарь Флавио Бьондо, в 1450 году описавший знание жителей Амальфи о компасе.

Впервые в Европе компас был упомянут в 1187 году английским писателем и энциклопедистом Александром Неккамом в научном труде под названием «О природе вещей».

Спустя почти 300 лет Христофор Колумб установил, что магнитное склонение (угол, на который отклоняется магнитная стрелка от направления север-юг) зависит от географических координат. Данное открытие послужило значительным толчком к исследованию этого свойства магнитного поля Земли.

Многие накопленные к началу XVII века сведения о магнитах подытожили в 1589 году книгой «Естественная магия» Ион Баптиста Порта. В 1600 г. вышел в свет труд английского ученого Уильяма Гильберта «О магните, магнитных телах и о великом магните Земли», представляющий собой итог довольно обширных экспериментальных исследований. Гильберт формулирует следующие важные свойства магнита:

Магнит обладает в различных частях различной притягательной силой; на полюсах эта сила наиболее заметна.
Магнит имеет два полюса: северный и южный, они различны по своим свойствам.
Разноименные полюсы притягиваются, одноименные отталкиваются.
Магнит, подвешенный на нитке, располагается определенным образом в пространстве, указывая север и юг.
Невозможно получить магнит с одним полюсом.
Земной шар – большой магнит.

Эти и многие другие учёные тех времён приписывали магнитным силам духовное происхождение. Русский ученый М. В. Ломоносов в 1759 г. в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса. Для изучения земного магнетизма М. В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитных обсерваторий была воплощена в жизнь в России лишь спустя 60 лет.

Первую подробную материалистическую теорию магнетизма составил Р. Декарт. Теорией магнетизма также занимались многие учёные умы, включая Ф. У. Т. Эпинуса, Ш. Кулона, который в 1788 году обобщил закон Кулона на случай взаимодействия точечных полюсов магнита, и А. Бургманс, которому принадлежит открытие притяжения и отталкивания слабомагнитных веществ (названных М. Фарадеем в 1845 году диа- и парамагнетиками), и другие учёные.

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что электрический ток действует на магнитную стрелку. Этим открытием было положено начало новой главы физики- учению об электромагнетизме. Само явление заключается в том, что магнитная стрелка, помещенная вблизи проводника с током, отклоняется от плоскости магнитного меридиана и уже, как правило, не указывает с севера на юг. Это означает, что вблизи проводника с током создается магнитное поле. Для изучения конфигурации магнитного поля, создаваемого током, можно использовать описанный выше способ железных опилок. Если через отверстие в картонной пластинке пропустить прямолинейный проводник достаточной длины и затем насыпать на картон железные опилки и пропустить по проводнику электрический ток, то опилки расположатся в виде концентрических окружностей с центром на оси проводника. Силовые линии магнитного поля прямолинейного тока лежат в плоскости, перпендикулярной току, и представляют собой концентрические окружности с центром на оси тока. В 1831 г. английским полярным исследователем Джоном Россом в Канадском архипелаге был открыт магнитный полюс — область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, то есть наклонение равно 90°. Десять лет спустя племянник Джона Росса, Джеймс Росс, достиг другого магнитного полюса Земли, находящегося в Антарктиде.

В 1831 году Майкл Фарадей открывает знаменитый закон электромагнитной индукции и впервые вводит в обращение термин «магнитное поле», о котором речь шла в начале статьи.

В 1834 году русский академик Эмилий Христианович Ленц установил правило о направлении индукционного тока и связанного с ним магнитного поля.

В 1873 году начало современной электродинамике положило опубликование «Трактата об электричестве и магнетизме» Джеймса Максвелла и экспериментальное обнаружение в 1888 году Генрихом Герцем предсказанных в этом трактате электромагнитных волн. Взаимодействия электромагнитного поля с веществом рассматривал Хендрик Лоренц, создавший электронную теорию магнитных свойств и объяснивший в её рамках открытый в 1896 году эффект Зеемана.

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.

Магнит, подвешенный на нити

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, CD-MO), также магниты используются в жёстких дисках.

Магниты используются в проездных и пропускных билетах, и кстати, раз уж заговорили о транспорте, наверняка многие слышали про поезда на магнитной подушке, который ходит, например, в Китае между Пекином и Шанхаем?

Ещё магниты используются в системах «открыть-закрыть», т.е. в дверях/воротах (вспомнить хотя бы наши родные магнитные ключи от подъезда), «взять-перенести», в грузчиках и разного рода служебных машинах.

В начало

Учебник | Магнетизм

ВКонтакте

Facebook