Магниты и магнетизм. Магнитное поле земли

Магнетизм и электричество - это отнюдь не два разных явления, как ошибочно считалось долгое время. Их взаимосвязь стала понятна лишь в 1820 г., когда датский ученый Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) показал, что текущий по проводу электрический ток отклоняет стрелку компаса. Где бы ни протекал ток-между облаком и землей в виде молнии или в мышце нашего тела,-он всегда создает магнитное поле. Магнетизм наблюдали и использовали (особенно для целей навигации) за тысячи лет до того, как была выяснена природа электричества и оно нашло практическое применение. Лишь когда стало известно, что вещество состоит из атомов, было наконец установлено, что магнетизм и электричество взаимосвязаны.

Где бы ни наблюдался магнетизм, там всегда должен присутствовать и какой-то электрический ток. Проявление магнитных свойств материалов в отсутствие какого-либо внешнего источника тока определяется движением электронов, создающих электрические токи внутри атомов. Этот тип магнетизма мы и будем здесь рассматривать.

Свойство притягивать железо и железосодержащие материалы наблюдается в природе у минерала магнетита-одного из химических соединений железа. Вероятно, какая-то разновидность магнетита применялась в первых магнитных компасах, изобретенных китайцами. Некоторым материалам, среди которых наиболее известны железо и сталь, относительно просто преднамеренно сообщить магнитные свойства.

1. Вероятно, китайцы первыми непосредственно использовали свойства магнитных материалов, сконструировав компас. Начиная с XII в. магнитные компасы стали использоваться и в Европе.

Этот компас, изготовленный в XIII в., содержит диск из магнитного железняка (называемого «путевым камнем»), на котором указаны страны света. Диск установлен на деревянной дощечке и плавает в воде.

2. Упрощенную модель магнитного поля Земли можно создать, представив в центре Земли длинный плоский магнит. Магнитные вещества на поверхности земного шара располагаются так, чтобы их полюс, указывающий север, повернулся в ту сторону, которую мы называем северной (в действительности к южному полюсу воображаемого магнита), а другой полюс - на юг (северный полюс магнита).

Постоянные магниты. Вещества, притягивающие железо, образуют класс так называемых постоянных магнитов, хотя они способны сохранять свои магнитные свойства только в течение ограниченного времени. Постоянный магнит в форме бруска демонстрирует силу земного магнетизма: если он может свободно двигаться, то один его конец всегда поворачивается в направлении Северного полюса Земли, а другой-в направлении Южного. Два конца магнита называются северным и южным полюсами соответственно.

Разноименные магнитные полюсы притягиваются. Притягивая какой-то другой материал, магнит сначала превращает его в слабый магнит. Одноименные полюсы отталкиваются (хотя это не столь очевидно, как притяжение). Испытывая воздействие магнита, железо или сталь сами становятся магнитами, приобретая противоположную полярность; поэтому они притягиваются к магниту. Но если два одинаковых магнита с равными магнитными «зарядами» установить близко навстречу друг к другу одноименными полюсами, то наблюдаемая сила отталкивания будет равна силе притяжения, которая действует между двумя, разноименными полюсами, установленными на том же расстоянии друг от друга.

Влиянию магнетизма подвержены не только железосодержащие материалы. Однако магнитные явления легче всего наблюдать в чистых металлах, таких, как железо, никель, кобальт.

3. Для усиления магнитных свойств первых «магнитов» куски руды (магнетита) помещали внутрь конструкций из мягкого железа (А). Магнитные силовые линии магнетита стремились найти путь наименьшего «сопротивления», что и приводило к концентрации магнитных силовых линий. Сила магнитного притяжения пропорциональна квадрату плотности силовых линий, так что, направив их через небольшое сечение, можно увеличить «подъемную силу» магнетита. В дальнейшем на полюсах стали устанавливать железные наконечники (Б).

4. Наиболее просто намагнитить материалы, подобные железу и его сплавам, проведя по нему плоским магнитом (А). Это заставляет магнитные моменты доменов выстраиваться вдоль поля, при этом они взаимно усиливают действие друг друга. Южные полюсы доменов стремятся следовать за движением северного полюса плоского магнита, так что соответствующий конец нового магнита становится южным полюсом. Домены располагаются южным полюсом направо, а северным-налево. Другой способ намагнитить брусок подходящего материала-эго просто ударить по нему (Б). Домены при этом испытывают механическое сотрясение, и магнитное поле Земли ориентирует их определенным образом. Видоизменяя метод, показанный на рис. А, можно с помощью двух магнитов сделать плоский магнит из подходящего материала. В этом случае правая сторона станет южным полюсом, а левая – северным.

Домены. Металлы, обладающие магнитными свойствами, состоят из маленьких магнитиков, расположенных в целом случайным образом внутри вещества. Эти магнитики одинаково ориентированы лишь на малых участках, называемых доменами (6), которые можно увидеть в электронный микроскоп. В ненамагниченном веществе-поскольку сами домены также ориентированы там в различных направлениях-магнитное поле равно нулю и никакие магнитные свойства не наблюдаются.

Процесс намагничивания состоит в том, что все домены заставляют выстраиваться в одном направлении. Когда они повернуты должным образом, их действия складываются и вещество в целом начинает обнаруживать магнитные свойства. Если все домены выстроились точно в одном направлении, материал достигает предела своих магнитных способностей. Намагниченность материала в конечном счете зависит от намагниченности доменов, а она в свою очередь определяется тем, как расположены внутри доменов отдельные атомы.

6. Случайное расположение магнитных моментов доменов в ненамагниченных материалах (А) заменяется строго упорядоченным в сильном внешнем магнитном поле (Б). При снятии поля некоторая упорядоченность по-прежнему сохраняется (В). Поскольку домены имеются во всем объеме магнита, любой магнит можно разрезать на небольшие «полноценные» магниты (Г). При повышении напряженности поля Н выше определенного предела (Д) происходит «насыщение». Различные материалы характеризуются кривыми намагниченности типа 1 и 2. При выключении поля материал остается частично намагниченным (Е)

Магнитное поле Земли. Магнитное поле Земли уже давно точно измерено и описано, однако до сих пор его не удалось полностью объяснить. Очень упрощенно дело можно представить так, как будто между Северным и Южным географическими полюсами расположен некий простой плоский магнит, что и вызывает некоторые из наблюдаемых эффектов. Но это не объясняет ни весьма необычных изменений интенсивности и даже направления магнитных силовых линий над земной поверхностью, ни того, почему миллионы лет назад расположение магнитных полюсов было противоположно нынешнему, ни того, почему магнитные полюсы, хотя и медленно, постоянно движутся.

И земной магнетизм, и магнетизм маленьких кусочков железа легче объяснить, предполагая, что магнитные силовые линии (часто именуемые линиями магнитного потока) исходят из северного конца магнита, а входят в южный. Но это весьма произвольное представление, используемое только ради удобства, подобно тому как используются линии широты и долготы, нарисованные на карте.

Силовые линии простого плоского магнита, проходя от одного полюса к другому и охватывая весь магнит, образуют нечто вроде цилиндра. Силовые линии одинакового направления как бы отталкиваются. Они всегда начинаются в полюсе одного типа и оканчиваются в полюсе другого типа и никогда не пересекаются.

Железные опилки, помещенные в магнитное поле, показывают распределение магнитных силовых линий. Линии никогда не пересекаются и взаимное отталкивание отодвигает их друг от друга

7. Магниты могут иметь практически любую форму: бруска (А), подковы (Б), кольца (В) или более сложную (Г). Они используются в электроизмерительных приборах. Полюсы магнитов обозначают N (северный) и S (южный)