Як працюють магніти: полюси, електрони й залізо

Магнетизм зводиться до електронів, за даними Національної лабораторії сильних магнітних полів США (National High Magnetic Field Laboratory, MagLab). Кожен магніт має північний і південний полюси, різнойменні полюси притягуються, а однойменні відштовхуються.

1. Що спільного в усіх магнітів

MagLab наводить кілька властивостей, спільних для всіх магнітів:

• Кожен магніт має північний полюс і південний полюс.
• Різнойменні полюси притягуються, а однойменні відштовхуються. Північ притягує південь; північ відштовхує північ.
• Кожен магніт оточений магнітним полем. За домовленістю лінії поля йдуть від північного полюса до південного.

Сама Земля — гігантський магніт. MagLab пояснює, що, на думку вчених, магнітне поле Землі виникає через конвекційні потоки в рідкому зовнішньому ядрі планети, яке здебільшого складається із заліза. Це називається геодинамо.

2. Усе зводиться до електронів

За даними MagLab, увесь магнетизм зводиться до електронів, і це відбувається двома способами:

1. Електрони, що рухаються. Електричний струм — потік електронів по дроту — завжди створює магнітне поле. Так працюють електромагніти.
2. Електрони, що обертаються. У постійних магнітах, як той, що висить на вашому холодильнику, магнетизм виникає зі спіну електронів. Кожен електрон поводиться як крихітний магніт зі своїми північним і південним полюсами, а його вісь може вказувати в одному з двох можливих напрямків.

3. Чому більшість речей не магнітні

Якщо кожен електрон — крихітний магніт, чому не все магнітне?

MagLab пояснює, що в більшості матеріалів атоми розташовані так, що магнітна орієнтація одного електрона гасить орієнтацію іншого. Усі ці крихітні магніти спрямовані в протилежні боки, і їхні дії складаються в щось, чого неможливо помітити.

4. Чим особливе залізо: магнітні домени

Залізо та ще кілька речовин влаштовані інакше. Їхні атоми збираються в невеликі області, які називають магнітними доменами. Усередині кожного домену електрони мають однакову магнітну орієнтацію.

То чому ж звичайний залізний цвях — не магніт? Бо самі домени спрямовані в різні боки, і загалом вони все одно гасять одне одного.

Помістіть цей цвях у магнітне поле, і домени почнуть вишиковуватися в одному напрямку. MagLab описує результат просто: постійний магніт — це предмет, у якому всі домени орієнтовані однаково.

Матеріали, що поводяться так, називають феромагнітними. MagLab зазначає, що за кімнатної температури феромагнітні лише чотири елементи, які можна намагнітити назавжди: залізо, нікель, кобальт і гадоліній. П'ятий, диспрозій, стає феромагнітним лише за низьких температур. Алюмінію в цьому списку немає, тому магніт зісковзує з алюмінієвої бляшанки з-під газованого напою. А от дверцята холодильника — один із повсякденних тимчасових магнітів, які MagLab перелічує у своєму класному завданні.

5. Постійні та тимчасові магніти

Постійні магніти зберігають магнетизм без жодного живлення. Вимкнути їх не можна. MagLab називає керамічні магніти й альніко — сплав алюмінію, нікелю та кобальту — двома поширеними типами.

Тимчасові магніти поводяться як магніти, лише поки перебувають у магнітному полі. Так поводиться м'яке залізо, і MagLab зазначає, що саме тому його використовують як тимчасовий магніт у таких пристроях, як телефони й електродвигуни.

Це можна побачити на скріпках. У класному завданні MagLab скріпка, що торкається магніта, сама стає магнітом і може втримати другу скріпку. Якщо обережно відтягнути дві скріпки, вони ще якийсь час тримаються одна за одну, бо їхні електрони все ще впорядковані. Упустіть їх на стіл, і удар порушить цей порядок, а магнетизм зникне.

6. Як магніти втрачають силу

«Постійний» не означає «назавжди». MagLab описує два основні способи розмагнітити магніт:

• Нагрівання. Нагрівання додає енергію, яка порушує вирівнювання. Температура, за якої магніт більше не може утримувати своє поле, називається точкою Кюрі.
• Удар. Сильний удар, наприклад молотком, може збити вишикувані домени.

Скільки магніт прослужить, залежить від матеріалу. MagLab зазначає, що чисте залізо лишається намагніченим лише кілька хвилин, тоді як багато сплавів заліза зберігають магнетизм набагато довше.

7. Електромагніти: магніти з вимикачем

У 1819 році Ганс Крістіан Ерстед помітив, що стрілка компаса повертається поряд із дротом, по якому тече струм. MagLab пояснює чому: струм завжди створює магнітне поле, що оточує дріт.

Один прямий дріт створює слабке поле. MagLab описує, як зробити його сильнішим:

1. Намотайте дріт у котушку. Витки об'єднують окремі поля в набагато сильніше. Така котушка називається соленоїдом, і її поле зростає пропорційно кількості витків. Десять витків дають приблизно в 10 разів більше поле, ніж один.
2. Додайте залізне осердя. Домени заліза вишиковуються за полем котушки й помітно підсилюють його, не витрачаючи більше електрики.
3. Збільште струм. Більше потужності в котушці — сильніше поле.

Вимкніть струм, і поле зникне.

8. Наскільки сильний магніт?

Вчені вимірюють напруженість магнітного поля в теслах і гаусах, причому 1 тесла дорівнює 10 000 гаусів. MagLab наводить кілька порівнянь:

Електромагніти можуть досягати набагато більших значень, ніж постійні магніти, тому на них покладаються дослідницькі лабораторії та лікарняні МРТ-сканери (MRI).

9. Головне

• Кожен магніт має північний і південний полюси; різнойменні полюси притягуються, а однойменні відштовхуються.
• Магнетизм виникає з електронів, що течуть у вигляді струму або обертаються на місці.
• У більшості матеріалів магніти електронів гасять одне одного; у залізі та кількох інших металах вони вишиковуються в домени.
• Постійний магніт — це матеріал, усі домени якого спрямовані в один бік; нагрівання або сильний удар можуть їх перемішати.
• Електромагніт — це котушка зі струмом, часто із залізним осердям, і він вимикається, коли струм припиняється.