Магнетизм

Магнитные свойства некоторых материалов были известны в очень древние вре­мена. Фактически, это произошло тогда, когда были добыты образцы минерала железной руды, получившие название магнетита (Fe₃0₄). Было обнаружено, что кусочки мягкого железа после соприкосновения с магнитными материалами тоже начинают вести себя как магниты (например, притягивать другие магниты или кусочки железа).

(Б)

Рис. 3.10 А — поведение тестового магнита в магнитном поле, Б — стрелка ком­паса вращается в соответствии с направлением электрического тока

стержня или иглы, можно убедиться в том, что магнитное поле обладает определенной направ­ленностью. По определению направление маг­нитного поля в любой точке задается направле­нием силы, действующей на очень маленький (единичный) северный полюс. Согласно этому определению, силовые линии поля идут с севера на юг. На рис. 3.10А при помощи стрелок показа­ны направления силовых линий магнитного поля. Крошечный тестовый магнит, внесенный в поле, будет перемещаться в направлении вектора силы F. Естественно, что на южный полюс тестового магнита будет действовать почти такая же, но имеющая противоположное направление сила.

Вышеприведенное описание магнитного поля соответствует постоянному магниту. Однако маг­нитное поле не меняет своих свойств, если генери­руется другими устройствами (например, при протекании электрического поля через проводник). Первым ученым, обнаружившим в 1820 году тот факт, что магнитное поле может существовать даже при отсутствии магнитов, был датский профессор физики Ганс Христиан Эрстед. Он проводил серию экспериментов, где ему требовался очень большой ток, для чего он использовал огромную батарею. Неожиданно ученый обна­ружил, что стрелка компаса вблизи этого источника тока ведет себя очень странно. Дальнейшие исследования показали, что стрелка компаса всегда располагается под прямым углом по отношению к проводнику с током и меняет свою ориентацию на противоположную в двух ситуациях: либо когда ток начинает течь в другую сторону, либо компас располагается не под проводником, а над ним (рис. 3.10Б). Стационарные электрические заряды не оказывают никакого влияния на магнитный компас (в этом эксперименте роль тестового магнита выполняла стрелка компаса). Очевидно, что по­явление магнитного поля вызывают движущиеся электрические заряды. Можно пока­зать, что линии магнитного поля вокруг проводника с током являются круговыми, а их направление зависит от направления электрического тока, т.е. от движения электро­нов (рис. 3.11). С двух сторон провода линии магнитного поля имеют противополож­ные направления. Именно поэтому стрелка компаса переворачивается, когда помеща­ется снизу проводника.

Возникновение магнитного поля вокруг движущихся электрических зарядов (проводника с электрическим током) является основным свойством магнетизма. Зная это, стало возможным объяснить природу постоянных магнитов. На рис. 3.12А показана упрощенная модель процесса зарождения магнитного поля. Элек­трон находится в постоянном вихревом вращении внутри атома. Движение элек­трона создает круговой ток вокруг ядра атома, который является причиной возник­новения очень маленького магнитного поля. Другими словами, вращающийся элек­трон формирует на атомном уровне постоянный магнит. Теперь представим себе ситуацию, при которой много таких атомных магнитов выстроятся в одном направ­лении (рис. 3.12Б). Это приведет к тому, что их магнитные поля сложатся, форми­руя одно большое магнитное поле. После таких рассуждений процесс магнетизма становится более понятным: ничего не привносится извне, ничего не удаляется из материала, только происходит переориентация атомов. В некоторых материалах атомные магниты всегда имеют одинаковую ориентацию. Такие материалы, как правило, обладают кристаллической структурой и определенным химическим со-

ставом и называются ферромагнетиками.

Рис. 3.12 А — движение электрона порождает магнитное поле, Б — сложение атомных магнитных полей приводит к образованию магнитного поля постоянного магнита