Как работают магниты: полюса, электроны и железо

Магнетизм сводится к электронам, по данным Национальной лаборатории сильных магнитных полей США (National High Magnetic Field Laboratory, MagLab). У каждого магнита есть северный и южный полюса, разноимённые полюса притягиваются, а одноимённые отталкиваются.

1. Что общего у всех магнитов

MagLab перечисляет несколько свойств, общих для всех магнитов:

• У каждого магнита есть северный полюс и южный полюс.
• Разноимённые полюса притягиваются, а одноимённые отталкиваются. Север притягивает юг; север отталкивает север.
• Каждый магнит окружён магнитным полем. По соглашению линии поля идут от северного полюса к южному.

Сама Земля — гигантский магнит. MagLab объясняет, что, по мнению учёных, магнитное поле Земли возникает из-за конвекционных потоков в жидком внешнем ядре планеты, состоящем в основном из железа. Это называется геодинамо.

2. Всё сводится к электронам

По данным MagLab, весь магнетизм сводится к электронам, и это происходит двумя способами:

1. Движущиеся электроны. Электрический ток — поток электронов по проводу — всегда создаёт магнитное поле. Так работают электромагниты.
2. Вращающиеся электроны. В постоянных магнитах, как тот, что висит на вашем холодильнике, магнетизм возникает из спина электронов. Каждый электрон ведёт себя как крошечный магнит со своими северным и южным полюсами, а его ось может указывать в одном из двух возможных направлений.

3. Почему большинство вещей не магнитны

Если каждый электрон — крошечный магнит, почему не всё магнитно?

MagLab объясняет, что в большинстве материалов атомы расположены так, что магнитная ориентация одного электрона гасит ориентацию другого. Все эти крошечные магниты направлены в противоположные стороны, и их действия складываются в нечто, чего невозможно заметить.

4. Что делает железо особенным: магнитные домены

Железо и ещё несколько веществ устроены иначе. Их атомы собираются в небольшие области, называемые магнитными доменами. Внутри каждого домена электроны имеют одинаковую магнитную ориентацию.

Так почему же обычный железный гвоздь — не магнит? Потому что сами домены направлены в разные стороны, и в целом они по-прежнему гасят друг друга.

Поместите этот гвоздь в магнитное поле, и домены начнут выстраиваться в одном направлении. MagLab описывает результат просто: постоянный магнит — это предмет, у которого все домены ориентированы одинаково.

Материалы, которые ведут себя так, называются ферромагнитными. MagLab отмечает, что при комнатной температуре ферромагнитны только четыре элемента, которые можно намагнитить навсегда: железо, никель, кобальт и гадолиний. Пятый, диспрозий, становится ферромагнитным только при низких температурах. Алюминия в этом списке нет, поэтому магнит соскальзывает с алюминиевой банки из-под газировки. А вот дверца холодильника — один из повседневных временных магнитов, которые MagLab перечисляет в своём классном задании.

5. Постоянные и временные магниты

Постоянные магниты сохраняют магнетизм без всякого питания. Выключить их нельзя. MagLab называет керамические магниты и альнико — сплав алюминия, никеля и кобальта — двумя распространёнными типами.

Временные магниты ведут себя как магниты, только пока находятся в магнитном поле. Так ведёт себя мягкое железо, и MagLab отмечает, что поэтому оно используется как временный магнит в таких устройствах, как телефоны и электродвигатели.

Это можно увидеть на скрепках. В классном задании MagLab скрепка, касающаяся магнита, сама становится магнитом и может удержать вторую скрепку. Если осторожно оттянуть две скрепки, они ещё какое-то время держатся друг за друга, потому что их электроны всё ещё упорядочены. Уроните их на стол, и удар нарушит этот порядок, а магнетизм пропадёт.

6. Как магниты теряют силу

«Постоянный» не означает «навсегда». MagLab описывает два основных способа размагнитить магнит:

• Нагрев. Нагрев добавляет энергию, которая нарушает выравнивание. Температура, при которой магнит больше не может удерживать своё поле, называется точкой Кюри.
• Удар. Сильный удар, например молотком, может сбить выстроенные домены.

Срок службы магнита зависит от материала. MagLab отмечает, что чистое железо остаётся намагниченным всего несколько минут, тогда как многие сплавы железа сохраняют магнетизм гораздо дольше.

7. Электромагниты: магниты с выключателем

В 1819 году Ханс Кристиан Эрстед заметил, что стрелка компаса поворачивается рядом с проводом, по которому течёт ток. MagLab объясняет почему: ток всегда создаёт магнитное поле, окружающее провод.

Один прямой провод создаёт слабое поле. MagLab описывает, как сделать его сильнее:

1. Намотайте провод в катушку. Витки объединяют отдельные поля в гораздо более сильное. Такая катушка называется соленоидом, и её поле растёт пропорционально числу витков. Десять витков дают примерно в 10 раз большее поле, чем один.
2. Добавьте железный сердечник. Домены железа выстраиваются по полю катушки и заметно усиливают его, не расходуя больше электричества.
3. Увеличьте ток. Больше мощности в катушке — сильнее поле.

Выключите ток, и поле исчезнет.

8. Насколько силён магнит?

Учёные измеряют напряжённость магнитного поля в теслах и гауссах, причём 1 тесла равна 10 000 гаусс. MagLab приводит несколько сравнений:

Электромагниты могут достигать гораздо больших значений, чем постоянные магниты, поэтому на них полагаются исследовательские лаборатории и больничные МРТ-сканеры (MRI).

9. Главное

• У каждого магнита есть северный и южный полюса; разноимённые полюса притягиваются, а одноимённые отталкиваются.
• Магнетизм возникает из электронов, текущих в виде тока или вращающихся на месте.
• В большинстве материалов магниты электронов гасят друг друга; в железе и нескольких других металлах они выстраиваются в домены.
• Постоянный магнит — это материал, все домены которого направлены в одну сторону; нагрев или сильный удар могут их перемешать.
• Электромагнит — это катушка с током, часто с железным сердечником, и он отключается, когда ток прекращается.