Как работают магниты: магнитное поле, полюса и магнитный монополь

Начнём с атомов. В каждом атоме есть электроны, и с ними связаны крошечные магнитные поля. У большинства веществ эти поля направлены так, что в значительной степени гасят действие друг друга. Поэтому сам материал не становится сильным магнитом.

У железа, кобальта и никеля ситуация другая. В их атомах действие электронов компенсируется не полностью. Поэтому каждый атом обладает собственным магнитным моментом — то есть может участвовать в создании общего магнитного поля.

Электроны соседних атомов взаимодействуют друг с другом. Законы квантовой физики позволяют этому взаимодействию выстраивать магнитные моменты определённым образом.

К ним относятся железо, кобальт и никель. Поэтому они могут гораздо сильнее реагировать на внешнее магнитное поле.

Есть и вещества, которые реагируют на внешнее поле гораздо слабее. Например, алюминий немного притягивается к области, где поле сильнее, — такое свойство называют парамагнетизмом. А медь, наоборот, очень слабо вытесняется из области сильного поля — это диамагнетизм. В обычной жизни оба эффекта настолько малы, что заметить их без специальных условий трудно.

В предыдущем разделе мы выяснили, что в ферромагнетике магнитные моменты атомов могут упорядочиваться. Но это не значит, что во всём куске железа они направлены одинаково. Материал разделён на множество областей — магнитных доменов. Внутри каждого домена магнитные моменты атомов преимущественно ориентированы в одну сторону. При этом соседние домены могут быть ориентированы по-разному. Поэтому обычный кусок железа сам по себе не обязательно ведёт себя как постоянный магнит. Действие разных доменов во многом компенсируется, и заметного внешнего поля почти нет.

Если поместить железо во внешнее магнитное поле, расположение доменов начинает меняться. Домены с подходящей ориентацией могут увеличиваться, а часть магнитных моментов — менять направление.

У каждого обычного магнита есть два полюса — северный и южный.

Это происходит из-за взаимодействия магнитных полей.

Чтобы представить такое поле, используют силовые линии — это удобный способ показать на рисунке, куда направлено поле в разных точках. Снаружи магнита линии проводят от северного полюса к южному, а внутри — обратно. Получаются замкнутые линии. Если поднести друг к другу два магнита, их поля накладываются и образуют общее поле. В зависимости от того, какими полюсами магниты обращены друг к другу, возникает притяжение или отталкивание.

У замкнутости силовых линий есть ещё одно интересное следствие. Может показаться, что два полюса магнита легко разделить: достаточно разрезать его посередине, чтобы получить одну часть с северным полюсом, а другую — с южным. Но этого не произойдёт. После разрезания получатся два новых магнита, и у каждого снова будут оба полюса. Если разрезать их ещё раз, результат не изменится: каждый фрагмент опять будет иметь северный и южный полюса.

Магнитное поле можно получить разными способами. В одном случае материал сохраняет намагниченность сам, в другом — только на время, а в электромагните поле создаётся электрическим током.

Постоянные и временно намагниченные материалы

Разные материалы по-разному сохраняют намагниченность. Одни могут оставаться намагниченными долго даже после того, как внешнее поле исчезло. Из таких материалов делают постоянные магниты. Другие легко намагничиваются, но затем быстро теряют большую часть приобретённых свойств. Их называют магнитомягкими материалами. Например, железный предмет рядом с сильным источником поля может временно намагнититься, а после его удаления почти вернуться в прежнее состояние.

Для постоянных магнитов используют разные материалы. Один из самых сильных вариантов — сплав неодима, железа и бора, сокращённо NdFeB. Из него можно делать небольшие, но очень сильные магниты. Например, в наушниках они помогают превращать электрический сигнал в звук, а в электродвигателях — электрическую энергию в движение. Их также используют в генераторах, где, наоборот, движение помогает получать электрический ток, и в жёстких дисках компьютеров.

Как работает электромагнит

Электромагнит работает благодаря электрическому току. Когда ток идёт по проводу, вокруг него возникает поле. Чтобы сделать поле сильнее, провод наматывают в катушку. Действие её витков складывается. А сердечник из ферромагнитного материала внутри катушки может усилить поле ещё больше.

Полем электромагнита можно управлять с помощью тока: меняется ток — меняется и поле. Правда, происходит это не мгновенно. Катушка препятствует резкому изменению тока — это явление называют самоиндукцией.

Электромагниты используются, например, в аппаратах МРТ. Сильное основное поле помогает аппарату получать информацию о том, что находится внутри тела человека. Дополнительные, более слабые поля быстро меняются и позволяют определить, из какой именно области тела поступает сигнал. Затем на основе этих сигналов аппарат создаёт подробные изображения внутренних органов и тканей.

Если сильно нагреть магнит, он может потерять намагниченность. При нагреве частицы вещества движутся всё активнее, и прежний порядок магнитных моментов атомов начинает нарушаться.

Есть температура, при которой этот порядок разрушается. Её называют температурой Кюри. Для железа это около 770 °C, а для никеля — примерно 355 °C.

После охлаждения материал снова может проявлять свойства ферромагнетика. Но прежняя намагниченность не обязательно вернётся сама: для этого материал может потребоваться намагнитить заново.

Это важно учитывать в технике, где детали могут сильно нагреваться. Например, в электродвигателях и генераторах высокая температура может ослабить намагниченность и ухудшить работу устройства. Поэтому при выборе материалов учитывают, до какой температуры они могут нагреваться без заметной потери магнитных свойств.

У Земли тоже есть собственное магнитное поле. Но наша планета устроена не как огромный постоянный магнит: источник её поля находится глубоко внутри, в жидком внешнем ядре. Оно состоит в основном из железа и проводит электрический ток. Его вещество постоянно движется. Это движение приводит к возникновению электрических токов, которые, в свою очередь, создают магнитное поле. Такой процесс называют геодинамо.

Земное поле действует далеко за пределами планеты и формирует вокруг неё магнитосферу. Она отклоняет значительную часть заряженных частиц, которые летят от Солнца вместе с солнечным ветром. Почему это имеет значение, хорошо показывает пример Марса. Эта планета лишилась глобального собственного магнитного поля. Солнечный ветер и излучение сыграли важную роль в постепенной потере значительной части её древней атмосферы.

Мы уже выяснили, что внутри Земли возникает магнитное поле, которое распространяется далеко за пределы планеты. Но действует оно и прямо у её поверхности — именно благодаря этому работает компас.

Стрелка компаса — маленький магнит, который может свободно поворачиваться. Земное поле действует на неё и разворачивает вдоль своего направления. Поэтому северный конец стрелки в большинстве мест показывает примерно в сторону географического севера.

При этом направление поля не везде точно совпадает с направлением на географический Северный полюс. Между ними может быть небольшой угол — его называют магнитным склонением. Поэтому показания компаса могут немного отличаться от точного направления на север.

У обычного магнита два полюса — северный и южный. Если разрезать его пополам, отдельно «северную» и «южную» половинки получить не удастся: появятся два маленьких магнита, и у каждого снова будут оба полюса.

А теперь представим частицу, у которой есть только один магнитный полюс — например, северный без южного.

Чем-то похожим обладает электрический заряд: например, электрон имеет отрицательный заряд, и ему не нужен одновременно положительный.

В 1931 году физик Поль Дирак показал, что существование хотя бы одного монополя могло бы помочь объяснить, почему электрические заряды частиц принимают определённые значения, а не могут быть какими угодно. Позже монополи появились и в некоторых других физических теориях.

Но теория — ещё не доказательство. Поэтому такие частицы ищут экспериментально, в том числе на Большом адронном коллайдере. Поиски ведут эксперименты MoEDAL и ATLAS, однако фундаментальный магнитный монополь пока не обнаружен.

Магнетизм проявляется очень по-разному: одни материалы способны долго сохранять намагниченность, другие реагируют на внешнее поле лишь слабо, а электромагниты создают поле с помощью электрического тока. В основе всех этих явлений лежат процессы, происходящие на уровне атомов и электронов.

При этом у обычного магнита всегда есть два полюса — северный и южный. Разделить их разрезанием невозможно: каждый новый фрагмент снова будет иметь оба полюса. Но вопрос об отдельном магнитном полюсе остаётся открытым. Некоторые физические теории допускают существование магнитных монополей, и учёные продолжают их искать.