Большинство людей знает, что железо притягивается магнитом, в то время как некоторые другие металлы, например, медь, серебро или золото, с ним не взаимодействуют. Тем не менее немногие способны объяснить, что заставляет магнит притягивать, и почему его силе подвластно именно железо. Чтобы получить ответ, необходимо исследовать явление на атомарном уровне.
Природа явления
Магнетизм — физическое свойство материалов притягиваться или отталкиваться друг от друга под воздействием силовых полей электрической природы. Вокруг каждого из атомов вращающиеся электроны создают магнитное поле. В обычных материалах направления этих полей хаотичны, и их взаимодействие нейтрализует друг друга. В некоторых материалах образуются макроскопические области, известные как домены, атомы в них структуризированы так, что весь рассматриваемый участок материала имеет чётко выраженные полюса.
В магнитах большинство доменов сориентированы полюсами в одном направлении. Чем большее их количество имеет однородную направленность, тем сильнее производимое ими поле. Это объясняет, почему из разбитого пополам магнита образуются два с северными и южными полюсами.
Чтобы получить постоянный магнит, необходимо принудительно структурировать домены в материале однонаправленно.
Долговечность и постоянство полученного результата зависит от количества силы, приложенной для организации доменов. Трудно намагничиваемые вещества надолго сохраняют свои качества и наоборот. Намагниченные материалы можно принудительно лишить их свойств двумя способами:
- Подвергнуть воздействию сильного поля в обратном направлении.
- Нагреть материал выше температуры Кюри — тепло меняет структуру вещества и, как следствие, домены теряют свою упорядоченность.
Хотя отдельные атомы любого вещества обладают полем, это не означает, что само вещество может приобрести магнитные свойства. В большинстве твёрдых тел электроны выстраиваются в пары так, что их магнитные поля взаимно компенсируются. Исключения составляют материалы с неспаренными электронами, какая-то часть из них способна взаимодействовать с магнитами, перестраивая в их присутствии полюса доменов. Объяснение некоторых деталей, почему эта качество встречается не так часто, относится к области, довольно сложной для людей, не знакомых глубоко с физикой. К широко известным магнитным материалам относят:
- железо;
- никель;
- кобальт.
История открытия и применения
Магнетизм для людей в глубоком прошлом, скорее всего, должен был казаться волшебством. Ещё древние греки и китайцы обнаруживали осколки метеоритного железа или природные материалы, которые использовали как стрелку компаса для определения направления. Тем не менее первые искусственные магниты были изготовлены лишь в XVIII веке, и даже дальнейший прогресс в создании материалов с сильно выраженными свойствами был медленным. Основные даты открытий выглядят так:
- 1740 г. — Говин Найт разработал процесс производства намагниченной стали.
- 1750 г. — Джон Мичелл опубликовал в Кембридже восемьдесят страниц своего трактата, посвящённого теоретическим основам создания материалов со структурированными доменами.
- 1820 г. — описание Андре Мари Ампером явления электромагнетизма.
- 1855 г. — публикация Майклом Фарадеем теории электромагнитной индукции.
- 1920-е гг. — сформулированы принципы создания сильномагнитных сплавов.
- Середина XX в. — разработаны современные технологии изготовления ферритов.
- 1970-е гг. — начало производства редкоземельных магнитов.
Виды и особенности магнитов
Магниты также могут быть созданы с помощью электричества. Если намотать провод на железный сердечник и пустить по виткам электрический ток, появится магнитное поле. Такое явление называется электромагнетизмом, для него характерна возможность создавать очень сильные поля.
Самые выраженные свойства можно наблюдать у катушек из сверхпроводников. Подобные устройства не нуждаются в сердечниках и требуют для своей работы крайне низких температур.
Среди веществ, обладающих способностями к притяжению без помощи электричества, наиболее выраженными являются материалы на основе редкоземельных металлов. Известны своей выдающейся мощностью неодимовые изделия. Поскольку некоторые магниты создают весьма сильные поля, существуют правила хранения и обращения с ними:
- Всегда проявлять большую осторожность при общении с сильными магнитами. Они могут травмировать людей, притягиваясь или отталкиваясь друг от друга.
- Держать их на расстоянии от чувствительных носителей информации, таких как дискеты, кредитные карты, жёсткие диски.
- Хранит желательно в закрытых контейнерах.
- Складировать в состоянии притяжения друг к другу.
- С целью предотвратить размагничивание слабоустойчивых магнитов хранить в комплекте с железными пластинами, соединяющими полюса.
- Исключить попадание в пищевой тракт из-за их способности склеиваться через стенки кишечника и блокировать кровообращение тканей. Извлечение чаще всего требует хирургического вмешательства.
Самым сильный из доступных наблюдению магнитов — наша планета. В центре Земли вращается жидкое ядро, состоящее из металлического железа. Обычные материалы теряют магнитные свойства при нагреве, сохранение их в жидком состоянии — редкое исключение. Но если расплавленный металл находится в постоянном вращении, атомы могут споляризироваться в одном направлении.
Таким образом, ядро Земли превращает планету в гигантский магнит с полюсами на севере и юге. Наиболее важной его особенностью является защита от солнечного ветра всего живого с помощью создаваемого мощного поля. Кроме того, трудно переоценить значение постоянных полюсов для ориентации многих видов животных, птиц и, конечно, людей.
Сфера применения магнитов человечеством крайне широка — от электроники до медицины. Любой электрический двигатель или генератор работает на принципе электромагнитной индукции.
Несмотря на долгое знакомство с явлением, его действие на организм до конца не изучено, а эксперименты с новыми материалами обещают ещё немало полезных открытий.