Любимой забавой детей из девяностых было раскурочить какой-нибудь старый телевизор на свалке и выковырять из его динамика драгоценный магнит. С магнитом можно сделать много всего интересного - прилепить его к чему-то железному, наловить на дне реки какого-нибудь металлического мусора да и просто найти второй такой же и попробовать соединить их, когда они "распрыгивают".
На тот момент нас совсем не интересовала физика работы магнита, а ведь это очень хороший вопрос. Магниты сегодня используются повсеместно и прямо сейчас рядом с вами есть хотя бы один. Например, во всё том же динамике. Логика мало изменилась за столько лет.
Принцип работы магнита хотя и объяснён очень неплохо, но в этом описании есть некоторые пробелы. Давайте разбирать всё поэтапно и выявлять интересные моменты.
Начнём, пожалуй, с того, что магниты бывают постоянные и непостоянные или временные (например, электрические). Интересно разобрать именно электрические, поскольку их механика работы отличается от обычного варианта непостоянного магнитного материала, где намагниченность со временем уменьшается.
UPD: Хотел я уместить в одну статью всё и про постоянные магниты, и про электрические, но начал писать и вижу, что объёмы получаются нечитаемые. Потому начнём с постоянных магнитов, а если вам интересно прочитать про электрические магниты, то так и напишите в комментариях. Если таких вопросов будет много, то сделаю вторую часть материала.
Как работает постоянный магнит?
Чтобы понять суть, нужно, как обычно, заглянуть внутрь атома. Любой атом состоит из ядра и электронов, которые перемещаются рядышком.
Электрон - частица с электрическим зарядом, а любой движущийся заряд создаёт магнитное поле. Получается, что каждый электрон это крошечный магнитик.
Помимо непосредственного движения, у электронов есть ещё одна особенность - так называемый спин.
Это квантовое свойство можно условно представить как вращение электронов вокруг своей оси (хотя на самом деле всё сложнее). Спин делает вклад в формирование магнитных свойств.
Тайна магнитной силы движущегося заряда
Самый главный вопрос, который у вас возникнет после этой фразы - а что такое происходит в системе, что движущийся заряд вдруг создаёт это поле? Тут опять напрашивается целая книга по теме и, пожалуй, про это подробно лучше прочитать в статье на моем канале про несуществование магнитного поля.
Но сейчас ограничимся малым для дальнейшего понимания. По сути да, магнитного поля как такового не существует. Если вы не очень хорошо знакомы со специальной теорией относительности, то по-настоящему объяснить это явление не получится. Лучшее, что можно сделать - это дать вам правила, основанные на таких идеях, как электромагнитное поле и инвариантность относительно преобразований Лоренца. Но это не будет полным объяснением.
Краткое эвристическое описание идеи таково (если напутаю - исправьте в комментариях). Представьте два электрических заряда. Они движутся в некоторой системе отсчёта. Между ними будет действовать электростатическая сила. А теперь привяжем систему отсчёта, например, к одному из зарядов. Заряды окажутся ближе друг к другу, да ещё и движение запустит модификации из теории относительности. В итоге, если опустить рутинные объяснения, окажется нечто из серии:
При некотором раскладе получится, что движущиеся заряды будут действовать друг на друга не совсем пропорционально из-за той же силы Кулона, если перепрыгивать по разным системам отсчёта. Эта "непропорциональность" не вписывается в обычную электростатическую силу и выглядит "как кусок из другого измерения". Этот кусок и именуют магнитной силой движущегося заряда. В целом её нет, но мы её ощущаем. И да, я понимаю, что это звучит жутко.
Это явление и описывает существование магнитного поля у движущегося электрического заряда.
Почему не все материалы тогда магнитят?
Что же тогда, получается, что любой материал магнитит? Ведь электроны есть везде? Нет!
В большинстве материалов эти микромагниты электронов беспорядочно ориентированы и их эффекты взаимно гасятся. Поэтому такие вещества не обладают заметным магнитным полем. Но иногда происходит нечто особенное. Для этого нужен подходящий (магнитный) материал.
Если, например, в куске железа большинство электронов сориентируются одинаково, возникает общее магнитное поле, и сам металл превращается в магнит. Такое упорядочение называется ферромагнетизмом.
Но в обычном куске железа электроны разбиты на области или домены. В каждом домене они ориентированы одинаково, но разные домены смотрят в разные стороны. Снаружи это поле взаимно уничтожается, и металл ведёт себя как «немагнитный». Чтобы железо стало магнитом, домены нужно «заставить» повернуться в одном направлении. Это происходит, когда металл помещают в сильное внешнее магнитное поле - например, рядом с другим магнитом. Тогда домены выстраиваются, и материал приобретает собственное магнитное поле.
Как вообще формируются эти ваши домены?
Справедливый вопрос - а как вообще всё это существует? какие такие домены внутри структуры и почему где-то так, а где-то иначе.
Тут мы исходим из знаний о строении современного атома и о формировании кристаллических материалов. Для того, чтобы атомы объединились, нужно, чтобы сработала сила взаимного притяжения. Это не новость. И так получается, что сами атомы не имеют конкретной формы, но имеют характерные точки проявления электронов в облаке.
Это значит, что атом, в общем-то, можно нарисовать, как, например, гантели. Теперь вспомним, что притяжение атомов в кристаллическом материале обусловлено всё той же силой Кулона. Электрон "хватается" за ближайший протон и тянется к нему до возникновения отталкивания. Про это я очень подробно рассказывал тут.
И так уж получается, что странная форма атомов заставляет объединяться их не менее странным образом. Ориентация атомов определяет и направления движения принадлежащих им электронов. Получается, что, образно говоря, слепились две гантели и получилось сонаправленное движение электронов. Ну а это, как мы уже знаем, приводит к формированию магнитного поля. Когда это изначально так, то получается природный постоянный магнит.
Если же для упорядочивания требуется внешняя сила, то там электроны насильственно перемещают в нужное положение и это инициирует на некоторое время магнитные свойства их общей группы.
И самое главное - да, это чистой воды комбинаторика. Удачное расположение, чтобы максимизировать эффект, попав с сонаправленным движением. Это может произойти естественным путем при формировании материала в природе, а может требовать внешнего воздействия.
Почему постоянные магниты держат силу?
Отсюда следует и способность удерживать силу. Обычный кусок железа можно намагнитить, но он легко теряет свою «силу», если нагреть его или ударить. Вы теперь понимаете почему - махинации с перемещениями электронов. А вот постоянные магниты (например, из сплава железа с редкоземельными элементами, как неодимовые магниты) сохраняют ориентацию электронов надолго. Впрочем, и там можно поиграться и догнать такой магнит до точки Кюри.
Это температура, при которой интенсивность теплового движения атомов разрушает самопроизвольную намагниченность («магнитный порядок») и изменяет симметрию, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком (немагнитит короче). Такая точка есть у каждого магнита.
Причина в том, что атомы в таких кристаллических решётках «запирают» домены, не давая им развернуться обратно. Это как если бы стрелки тысяч компасов зафиксировали клеем или что-то такое.
Про притяжение и отталкивание
Почему один магнит тянется к другому? Всё дело в полях. Магнитное поле — это невидимая «структура» вокруг магнита, которую можно наблюдать, если посыпать железные опилки: они выстраиваются в красивые дуги.
У магнита есть два полюса — северный и южный. Их можно сравнить с положительным и отрицательным зарядами у электричества. Разные полюса притягиваются, одинаковые — отталкиваются. Всё как с электричеством и, кстати, вы теперь знаете почему так. Вспомним, что магнитного поля в общем физическом смысле нет.
Когда вы подносите магнит к железке, поле перестраивает домены в железе так, что ближайшая часть превращается во «временный магнит» с противоположным полюсом. Вот почему кусок железа начинает притягиваться к магниту.
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram!
Хочется помочь проекту? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями