Как формируются магниты?

Почти каждый знаком с обычным магнитом и с тем, что он делает или может делать. Маленький ребенок, если уделит несколько минут игры и правильное сочетание материалов, быстро распознает это определенное какие-то предметы (которые ребенок позже определит как металлы) притягиваются к магниту, в то время как другие остаются неизменными этим. А если ребенку дать для игры больше одного магнита, эксперименты быстро станут еще интереснее.

Магнетизм - это слово, охватывающее ряд известных взаимодействий в физическом мире, которые не видны невооруженным глазом. Два основных типа магнитов: ферромагнетики, которые создают вокруг себя постоянные магнитные поля, и электромагниты, которые представляют собой материалы, в которых может быть временно индуцирован магнетизм, когда они помещаются в электрическое поле, например, создаваемое катушкой с токоведущим проводом.

Если кто-то спросит вас Опасностьвопрос в стиле "Из какого материала сделан магнит?" тогда можете быть уверены, что однозначного ответа нет - и вооружившись имеющейся информации, вы даже сможете объяснить своему собеседнику все полезные детали, включая то, как магнит сформирован.

Как и многое другое в физике - например, гравитация, звук и свет - магнетизм всегда «присутствовал», но способность человечества к описывать его и делать прогнозы на основе экспериментов, а полученные модели и структуры развивались на протяжении всего периода веков. Целая отрасль физики возникла вокруг связанных понятий электричества и магнетизма, обычно называемых электромагнетизмом.

Древние культуры знали, что магнит, редкий тип железо-кислородсодержащего минерала магнетита (химическая формула: Fe₃О₄), могли притягивать куски металла. К XI веку китайцы узнали, что такой камень, который оказался длинным и тонким, будет ориентироваться вдоль оси север-юг, если подвешен в воздухе, открывая путь для компас.

Европейские путешественники, пользующиеся компасом, заметили, что направление, указывающее на север, незначительно менялось во время трансатлантических путешествий. Это привело к осознанию того, что Земля сама по себе является массивным магнитом, причем «магнитный север» и «истинный север» немного отличаются, и различаются в разной степени по всему миру. (То же самое относится к истинному и магнитному югу.)

Ограниченное количество материалов, включая железо, кобальт, никель и гадолиний, сами по себе проявляют сильные магнитные эффекты. Все магнитные поля возникают в результате движения электрических зарядов друг относительно друга. Индукция магнетизма в электромагните, помещая его рядом с катушкой с токоведущим проводом, была исследована. упоминалось, но даже ферромагнетики обладают магнетизмом только из-за крошечных токов, генерируемых на атомных нейтронах. уровень.

Если постоянный магнит поднести к ферромагнитному материалу, компоненты отдельных атомов железа, кобальта или любого другого материала совмещаются с воображаемыми линиями влияния магнита, расходящимися веером от его северного и южного полюсов, которые называются магнитными. поле. Если вещество нагреть и охладить, намагничивание можно сделать постоянным, хотя оно может возникать и спонтанно; это намагничивание может быть отменено сильным нагревом или физическим разрушением.

Магнитного монополя не существует; то есть не существует такой вещи, как «точечный магнит», как это происходит с точечными электрическими зарядами. Вместо этого у магнитов есть магнитные диполи, и их силовые линии магнитного поля берут начало на северном магнитном полюсе и расширяются, прежде чем вернуться к южному полюсу. Помните, что эти «линии» - всего лишь инструменты, используемые для описания поведения атомов и частиц!

Как подчеркивалось ранее, магнитные поля создаются токами. В постоянных магнитах крошечные токи создаются двумя типами движения электронов в атомах этих магнитов: их орбитой вокруг центрального протона атома и их вращением, или вращение.

В большинстве материалов небольшие магнитные моменты создаваемые движением отдельных электронов данного атома нейтрализуют друг друга. Когда они этого не делают, сам атом действует как крошечный магнит. В ферромагнитных материалах магнитные моменты не только не компенсируются, но и выравниваются в в том же направлении и сдвинуть так, чтобы быть выровненными в том же направлении, что и линии приложенного внешнего магнитного поля. поле.

У некоторых материалов есть атомы, которые ведут себя таким образом, что позволяют им намагничиваться в различной степени под действием приложенного магнитного поля. (Помните, вам не всегда нужен магнит для присутствия магнитного поля; достаточно значительного электрического тока.) Как вы увидите, некоторые из этих материалов не нуждаются в длительном магнетизме, тогда как другие ведут себя более задумчиво.

Список магнитных материалов, в котором приводятся только названия металлов, проявляющих магнетизм, был бы не так полезен, как список магнитных материалов, упорядоченный по поведению их магнитных полей и тому, как все работает на микроскопическом уровне. уровень. Такая система классификации существует, и она разделяет магнитное поведение на пять типов.

• Диамагнетизм: Большинство материалов демонстрируют это свойство, при котором магнитные моменты атомов, помещенных во внешнее магнитное поле, выстраиваются в направлении, противоположном направлению приложенного поля. Соответственно, возникающее магнитное поле противостоит приложенному полю. Однако это «реактивное» поле очень слабое. Поскольку материалы с этим свойством не являются магнитными в каком-либо значимом смысле, сила магнетизма не зависит от температуры.
  
• Парамагнетизм: Материалы с этим свойством, такие как алюминий, имеют отдельные атомы с положительным суммарным дипольным моментом. Однако дипольные моменты соседних атомов обычно нейтрализуют друг друга, оставляя материал в целом не намагниченным. Когда приложено магнитное поле, а не прямо противоположно полю, магнитные диполи атомы не полностью выравниваются с приложенным полем, что приводит к слабому намагничиванию материал.
  
• Ферромагнетизм: Этим мощным свойством обладают такие материалы, как железо, никель и магнетит (магнитный камень). Как уже упоминалось, дипольные моменты соседних атомов выравниваются даже в отсутствие магнитного поля. Их взаимодействие может привести к магнитному полю величиной до 1000 тесла или Т (единица измерения напряженности магнитного поля в системе СИ; не сила, а что-то вроде). Для сравнения: магнитное поле самой Земли в 100 миллионов раз слабее!
  
• Ферримагнетизм: Обратите внимание на отличие одиночной гласной от предыдущего класса материалов. Эти материалы обычно представляют собой оксиды, и их уникальные магнитные взаимодействия проистекают из того факта, что атомы в этих оксидах расположены в структуре кристаллической решетки. Поведение ферримагнетиков очень похоже на поведение ферромагнетиков, но упорядочение магнитные элементы в космосе разные, что приводит к разным уровням температурной чувствительности и другим различия.
  
• Антиферромагнетизм: Этот класс материалов отличается особой температурной чувствительностью. Выше заданной температуры, называемой Температура Нееля или T_N, материал ведет себя как парамагнитный материал. Одним из примеров такого материала является гематит. Эти материалы также являются кристаллами, но, как следует из их названия, решетки организованы следующим образом: что магнитные дипольные взаимодействия полностью отменяются, когда внешнее магнитное поле отсутствует. настоящее время.