Если соединить два куска дерева... ничего особенного не произойдет. С камнями история не меняется. Но объедините два куска железа, и появится настоящее волшебство — или, вернее, магнетизм! Магнитные предметы обладают уникальной способностью притягивать друг друга на расстоянии. Но откуда берется это магическое притяжение? Все дело в электричестве. Электричество и магнетизм — две стороны одной медали, которые могут превращаться друг в друга, особенно когда заряженные частицы начинают двигаться.
Когда по проводу проходит электрический ток, это может повлиять на положение стрелки компаса. Аналогично, движущиеся заряженные частицы в земной коре создают геомагнитное поле нашей планеты. Но как можно объяснить магнитные свойства обычного магнита или стрелки компаса, где нет видимого движения электронов?
Может ли там действительно не быть тока? Ведь на микроуровне у нас есть электроны, "мчащиеся"* вокруг атомов и молекул. Именно это микроскопическое движение и определяет магнитное поведение объектов. Явления, которые мы видим, являются результатом действий отдельных частиц, атомов и их агрегаций.
Эти постоянные магниты – на самом деле квантовые явления. Подобно тому как у частиц есть свои основные свойства, такие как масса и заряд, у них также есть и "внутренний магнитный момент". Это по сути означает, что заряженные частицы также являются магнитами.
Но почему они являются магнитами? Это такой же вопрос, как и почему у частиц есть заряд или почему объекты с энергией притягиваются гравитацией. Некоторые вещи остаются тайной.
Эти законы Вселенной – нечто, что мы просто принимаем как данность. Уже с 1920-х годов мы осознали, что каждый электрон или протон – это своеобразный "мини-магнит". Представьте атом как сборище положительно заряженных протонов, вокруг которых "вертятся" отрицательные электроны.
*
Описание электронов, "мчащихся" вокруг атомов, является упрощенным и немного устаревшим представлением, основанным на модели атома Бора, предложенной в начале 20 века. В этой модели электроны представляются двигающимися по орбитам вокруг ядра.
Современное понимание атомной структуры основано на квантовой механике. В квантовой механике электроны не описываются как частицы, двигающиеся по четко определенным траекториям (как планеты вокруг Солнца), а скорее как волновые функции, представляющие вероятности нахождения электрона в том или ином месте вокруг ядра. Эти вероятностные области, или облака, определяют регионы вокруг ядра, где электрон наиболее вероятно присутствует, и они называются орбиталями.
Интересный факт: магнитные свойства протонов в 1000 раз слабее электронов. Это значит, что ядро атома практически не влияет на его магнитные характеристики. Можно предположить, что постоянно двигающиеся электроны создают магнитное поле, подобно току в проводе. И это так! Но большинство из этих "орбитальных" магнитных полей на практике не влияют на магнетизм атома. Электроны в атоме двигаются сложными путями, определенными квантовой механикой. Если углубиться в эту тему, становится понятно, что магнитные поля электронов внутри атома в большинстве случаев компенсируют друг друга.
Электроны в атомах образуют пары, их маленькие магниты указывают в противоположные стороны, нейтрализуя друг друга. Но в полузаполненной оболочке атома электроны остаются непарными, и их магниты указывают в одном направлении, усиливая магнитное поле атома. Именно такое строение часто встречается у атомов из середины блоков Периодической таблицы Менделеева: например, у никеля, кобальта или железа.
Однако, интересный момент: не каждое вещество, состоящее из магнитных атомов, обладает магнитными свойствами. Как атомы взаимодействуют на уровне кристаллической структуры? Они могут выровнять свои магнитные поля, либо в одном направлении, либо в противоположных, в зависимости от того, какой вариант "дешевле" с энергетической точки зрения.
Хром, на атомном уровне, обладает высокими магнитными свойствами. Однако в твердом состоянии эти свойства не так очевидны из-за его антиферромагнитных характеристик. С другой стороны, железо является ярким примером ферромагнитного материала.
Однако, даже в магнитных материалах, где магнитные поля атомов выстроены вместе, может существовать интересное разнообразие в их ориентации. Это происходит из-за того, что материал разделен на множество магнитных доменов. В каждом из этих доменов атомы могут быть ориентированы в определенном направлении, и все эти домены соседствуют друг с другом внутри материала.
Представьте каждый домен как миниатюрное "магнитное королевство". Если каждое такое королевство имеет одинаковую силу и размер, то общее магнитное поле материала может остаться неопределенным. Однако при наложении внешнего магнитного поля возможно усилить один из доменов, позволяя ему доминировать и расширять свое влияние на соседние домены. Этот процесс может привести к тому, что все домены будут выстроены в одном направлении, придавая материалу сильные магнитные свойства. Таким образом, магнитный материал, такой как железо, может усилить свои магнитные свойства при правильном внешнем воздействии.
Магнетизм — это поразительное свойство материи, которое дает нам возможность наблюдать квантовую механику в действии в нашем окружающем мире. Каждый постоянный магнит — это свидетельство того, что квантовые явления не ограничиваются только микроскопическим миром.
Чтобы материал обладал магнитными свойствами, его магнитные домены должны быть ориентированы в определенном порядке. Эти домены представляют собой участки, в которых атомы выстроены так, что их магнитные моменты усиливают друг друга. Важным условием для магнетизма на атомном уровне является наличие непарных электронов во внешних оболочках атомов. Именно эти непарные электроны и создают общий магнитный момент атома.
Тем не менее, не все материалы с такими атомами являются магнитами. Многие факторы, такие как взаимодействие между атомами и особенности кристаллической структуры, определяют общие магнитные свойства материала.
Интересный факт: создать магнитное поле можно и другим способом — пропустив ток через проводник. Откуда берется это магнитное поле и как оно связано с электричеством, теорией относительности и скоростью света — это тема для глубокого исследования, о которой мы расскажем в следующих статьях.
Мы погрузились в удивительный мир магнетизма, находя на своем пути загадочные связи между атомами, квантовой механикой и даже Вселенной. Эта тема, несомненно, заслуживает внимания и изучения. Если вам понравилась наша статья, подписывайтесь на наш канал! Это мотивирует нас продолжать делиться с вами интересными и увлекательными исследованиями ученых. Не забудьте поставить лайк, если статья была для вас полезной, и делитесь ей с друзьями. Ваша поддержка вдохновляет нас на создание новых статей и материалов. Спасибо за чтение, и до новых встреч!