Многие дети, да и взрослые, любят играть с магнитиками. Тут и магнитные конструкторы, и магниты на холодильник. Я тоже часто играю с сынишкой в магнитный конструктор, и задумываюсь о магнетизме вообще.
Магнетизм известен людям с самых древних времён, но построить его теорию смогли только в 19 веке такие великие физики, как Эрстед, Ампер, Лоренц, Фарадей, Максвелл. Связь магнетизма с электричеством была доказана с восхитительной красотой и ясностью. В школе проходят магнитные силы (Ампера и Лоренца), электромагнитную индукцию, а также классификацию веществ по магнитным свойствам.
Если говорить о магнитных свойствах вещества, то они объяснялись гипотезой молекулярных токов Ампера, которая заключается, если упрощать, в следующем. Электроны в атомах вращаются по орбитам, а движение заряда - это ток, который создаёт магнитный момент. Эти магнитные моменты во внешнем магнитном поле упорядочиваются так, чтобы смотреть в одну сторону - в сторону поля, таким образом создаётся намагниченность всего объема. Однако эта теория никак не могла объяснить состояние ферромагнетиков - постоянных магнитов. В ферромагнетиках магнитные моменты соседних атомов направлены в одну сторону, несмотря на то, что их собственное магнитное поле стремится развернуть их в противоположных направлениях. В этом может убедиться на опыте каждый человек, у которого есть магнитный конструктор - палочки (как у меня на картинке) - при попытке поставить рядом палочки они будут разворачиваться так, чтобы соединяться противоположными полюсами. Чтобы удержать рядом одноименные полюса, потребуется дополнительная сила.
Что это за сила? На самом деле, эта сила имеет не магнитную природу, и вообще не объясняется классической физикой, которую проходят в школе. Взаимодействие, которое обуславливает магнитный порядок в веществе, называется обменным взаимодействием. Классическое представление о том, что электроны движутся по какой-то траектории внутри вещества, является ошибочным, состояние электрона описывается так называемой волновой функцией. Когда электроны между собой взаимодействуют, то получается общая волновая функция, которая должна обладать определенными свойствами симметрии. Откуда берется эта симметрия? Из принципа тождественности микрочастиц - элементарные частицы неразличимы, и при перестановке их местами не должны меняться никакие измеряемые параметры. Квадрат волновой функции (то есть плотность вероятности нахождения частицы в данной точке) должен остаться неизменным при перестановке двух частиц, это значит, что при перестановке волновая функция может либо остаться прежней, либо поменять знак. На картинке - соответствующие формулы.
Соответственно, для системы взаимодействующих частиц симметрийные свойства волновой функции проявляются как некоторая физическая сила, которая приводит волновую функцию (а значит, и вероятности нахождения частиц) к нужному виду. Это взаимодействие как раз и называется обменным взаимодействием (частицы как бы меняются местами). Обменное взаимодействие играет определяющую роль не только в магнетизме, но и в самом формировании атомов, да и вообще без него сложно представить возможность существования Вселенной.
Но вернемся к нашим магнитикам. В ферромагнетике формируется коллективная волновая функция для электронов, при этом магнитные моменты электронов, находящихся на внешней оболочке соседних атомов, стремятся смотреть в одну сторону. Но такая конфигурация создает большое внутреннее магнитное поле, которое энергетически невыгодно (как мы помним, обычное магнитостатическое взаимодействие стремится выстроить магнитные моменты в противоположном направлении). Поэтому в отсутствии внешнего поля вещество разбивается на домены - области однородной намагниченности, размер и форма которых определяется балансом обменного и магнитостатического взаимодействия.
Благодаря доменам, обычное железо может быть не намагниченным - намагниченности доменов компенсируют друг друга. Но если такую структуру поместить во внешнее магнитное поле, то те домены, у которых намагниченность сонаправлена с ним, будут разрастаться, а другие - схлопываться. В мире доменов будет происходить нешуточная борьба! Если внешнее поле достаточно велико, то "победит" один домен, и все вещество будет намагничено. А дальше, при снятии поля, намагниченность так и останется, другие домены просто не зародятся! Таким образом получаются постоянные магниты.
Знание механизмов намагничивания позволяет создавать материалы, обладающие необходимыми для технических нужд магнитными свойствами. В сынишкином магнитном конструкторе не просто железяки, а сильные магниты - я так думаю, что NdFeB (неодим-феррум-бор), а может, и что-то еще (производители не открывают коммерческих тайн)
Вообще механизмы намагничивания и свойства магнитных материалов до сих пор остаются одной из "горячих" тем в науке, и конечно, в короткой заметке не охватить и малой части этих исследований. А мы на этом заканчиваем, всем спасибо за внимание!
Здесь вы можете прочитать первую статью из серии: Квантовая физика в детсадовских опытах. Часть 1
