Магниты на самом деле не такие уж и таинственные - основная информация о них известна людям уже на протяжении двух столетий. Магниты являются частью почти каждого ноутбука или настольного компьютера в качестве основного компонента дисковых накопителей. Магниты есть в магнитофонах и на вашем холодильнике. До появления плоских телевизоров, почти в каждом доме был телевизор, внутри которого спрятан мощный магнит.
Хотя физика магнитов довольно хорошо понятна, они удивляют и восхищают, несмотря на то, что являются частью нашей жизни на протяжении веков. Вот некоторые интересные и удивительные факты о магнитах:
Магниты бывают четырех вариантов
Ферромагнетики, включающие в себя железо и никель, состоят из атомов с непарными электронами, спины которых выровнены. Они создают хорошие и постоянные магниты. А в ферримагнетиках некоторые из спинов электронов выровнены.
Однако, большинство химических элементов считаются парамагнитными, то есть они намагничиваются только внутри другого магнитного поля. Парамагнетики также имеют непарные электроны.
А вот если вы захотите, чтобы какой-то предмет левитировал, то вам потребуются диамагнитные материалы, в которых атомы намагничиваются против направления внутреннего магнитного поля. По этому же принципу работают поезда Маглев.
Магнетизм это свет
Почему магниты прилипают? Магниты притягивают друг друга, потому что они обмениваются фотонами - частицами света. Но в отличие от фотонов из вашей настольной лампы или фотонов, отражающихся от всего, что вы видите, эти фотоны являются виртуальными. Ваши глаза, как и любой детектор частиц, не смогут увидеть их. Однако, эти фотоны могут обмениваться импульсом, что позволяет им притягиваться к вещам или отталкиваться от них.
Фотоны являются носителями силы не только для магнитов, но и для электростатических явлений, таких как статическое электричество. Именно поэтому электромагнетизм – это термин, который мы используем для эффектов, создаваемых этими явлениями, включая свет, который является электромагнитной волной.
Магнетизм релятивистский
Всякий раз, когда вы прилепляете магнитик к холодильнику, вы демонстрируете относительность. Обычно отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны в проводе компенсируют друг друга. Но электроны движутся когда ток проходит через провод. С точки зрения любой неподвижной заряженной частицы вне провода, расстояние между электронами уменьшается. Это означает, что в данном пространстве электронов больше, чем протонов, что приводит к внезапному возникновению чистого отрицательного заряда. Поместите любую положительно заряженную частицу или провод рядом с проводом, в котором есть ток, и вы почувствуете магнитную силу притяжения. А поместив отрицательно заряженную частицу, вы уведите, как она отталкивается. Поэтому, если вы запустите ток в противоположных направлениях через два провода, они будут притягивать друг друга, а запустите ток в одном направлении - отталкиваться друг от друга.
То же самое происходит, когда заряженная частица рядом с постоянным магнитом движется через магнитное поле. При этом частица испытывает силу. Но, согласно теории относительности, нельзя сказать, что частица движется, а магнит нет, ведь с точки зрения частицы - он движется. Для стационарного наблюдателя это выглядит, как магнитная сила, а для движущегося - как электростатическая. Эта проблема была основной частью развития Эйнштейном Специальной теории относительности, которая как раз и объясняла это несоответствие.
Самые мощные магниты в мире
Два крупнейших магнита находятся в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико и Университете штата Флорида. В двух лабораториях есть магниты, сила магнитного поля которых достигает 100 и 45 Тл. Для сравнения, на свалках используют магниты около 2 Тл. Лабораторные магниты обладают полем, превосходящим в миллионы раз магнитное поле нашей планеты, но, в миллионы раз меньшим, нежели у нейтронных звезд.
Магнит в Лос-Аламосе предназначен для создания полей, существующих только несколько секунд. А магнит во Флориде может сохранять свои поля до тех пор, пока есть питание. Оба этих магнитов предназначены для проведения разных экспериментов.
Магниты и квантовая механика
Физики Отто Штерн и Уолтер Герлах в 1922 году провели эксперимент - они хотели проверить свои идеи о новых теориях квантовой механики. Использовались два магнита - один поверх другого. Каждый их них создавал длинное асимметричное магнитное поле. Затем они выпустили через поле в мишень незаряженные частицы - атомы серебра. Асимметричное поле немного изменит траекторию атомов серебра. Поскольку атомы будут ориентированы в случайных направлениях, а их угловые моменты также будут случайными, то траектория должна быть различной для каждого атома серебра, но неизвестно, на сколько именно. Мишень должна была показать плавное распределение попаданий с одного конца на другой.
Этого не произошло. Вместо этого физики получили две четкие узкие полосы, как будто луч разделился на два направления с частицами, неспособными отклониться в любую точку между ними. Этим Штерн и Герлах подтвердили предположение о квантовании магнитного момента атомов.
Магниты -это не только металлы
Большинство магнитов, которые мы используем, изготовлены из железа. Но магнит бывает не только из железа - подойдет любой материал с неспаренными электронами. Например многие металлы и сплавы, такие как неодим, используемый в дисководах. Ферримагнитные материалы часто вообще не являются металлами. Среди них - шпинели, герметизирующие дверцу холодильника.
Магнитная медицина
Нет прямых доказательств того, что магниты снимают боль. Несмотря на то, что в нашей крови есть железо, оно в свою очередь состоит из атомов, которые слишком далеки друг от друга и слишком рассеяны, поэтому магнит не влияет на них. Это можно проверить - если порезать палец и пролить кровь рядом с магнитом, то ни кровь, ни сам магнит, не будут притягивать друг друга.
Тем не менее, магниты используют в магнитно-резонансных томографах. В большинстве случаев в МРТ они сверхпроводящие и охлаждаются жидким гелием.
Первый магнитный компас
Древние греки и китайцы заметили, что определенный материал ведет себя интересным образом. Лодстон - это форма оксида железа, которая образуется при медленном остывании магмы. Намагничивался он в следствии удара молнией. Лодстон притягивал другие железоподобные металлы, и намагничивал обычное железо. Когда мелкие кусочки металла намагничивались и подвешивались или плавали в воде, то они выравнивались, согласно магнитному полю Земли, становясь первыми магнитными компасами.
Магниты внутри организма
В телах некоторых животных и бактерий магнетит - удивительный магнитный минерал. Например, магнетит есть в мозге пчелы, а у одного вида моллюсков, существуют кристаллы магнетита прямо в "зубах", покрывающих его язык. Так как магнетит абразивен, то он помогает моллюску очищать водоросли. При этом он может дать магнитное чувство, которое помогает животному ориентироваться в пространстве.
👍 👍 👍
Понравилась статья и хотите больше интересного - подписывайтесь на канал и ставьте лайк!