В этой главе рассмотрен магнетизм, электромагнетизм и связь между магнетизмом и электричеством.
Слово магнит происходит от слова магнетит, названия минерала, обнаруженного в Магнезии в Малой Азии. Этот минерал — природный магнит. Другим типом магнитов являются искусственные магниты. Они изготовлены из смеси мягкого железа и магнетита. Третьим типом магнитов являются электромагниты. В них магнитное поле создается током, текущим по катушке с проводом.
Магниты имеют различные формы (рис. 9–1). Наиболее часто встречаются подковообразные, а также в виде бруска или кольца.
Рис. 9–1. Магниты имеют различные формы и размеры.
Магниты, сохраняющие свои свойства, называются постоянными магнитами. Магниты, сохраняющие только малую часть своих свойств, называются временными магнитами.
Магниты изготовляют из металлических или керамических материалов. Алнико (алюминий (Аl), никель (Ni) и кобальт (Со)) и Кунифе (медь (Си), никель и железо (Fe)) — это два магнитных сплава, используемых для изготовления магнитов.
Сама Земля является громадным магнитом (рис. 9–2).
Рис. 9–2. Северный и Южный магнитные полюса «Земли расположены близко к географическим Северному и Южному полюсам, но не совпадают с ними.
Северный и Южный магнитные полюсы Земли расположены близко к географическим Северному и Южному полюсам, однако не совпадают с ними. Если подвесить прямоугольный магнит, то он расположится вдоль направления север-юг, одним концом указывая на Северный полюс Земли, а другим на Южный. Принцип этот лежит в основе устройства компаса, поэтому два конца магнита называются Северным и Южным полюсами.
Магнит поворачивается в направлении север-юг благодаря закону, аналогичному для положительных и отрицательных зарядов: одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Магнитные полюса обозначаются цветом: Северный полюс — красным, а Южный полюс — синим.
Природа магнетизма — свойств магнита — имеет в своей основе свойства атома. Электроны, двигаясь по орбитам вокруг ядра атома, вращаются также вокруг своей оси, подобно Земле, двигающейся по орбите вокруг Солнца. Это движение электростатических зарядов создает магнитное поле. Направление магнитного поля зависит от направления вращения электронов. Только железо, никель и кобальт являются природными магнитными элементами.
Каждый из этих материалов имеет по два валентных электрона, которые вращаются в одном и том же направлении.
Электроны в других материалах имеют тенденцию вращаться в противоположных направлениях, что лишает их магнитных свойств.
Ферромагнитными материалами называются материалы, реагирующие на действие магнитных полей. В ферромагнитных материалах атомы объединяются в домены — группы атомов с упорядоченными магнитными полями, вроде микромагнитов. В ненамагниченном материале магнитные домены расположены хаотично, и суммарный магнитный эффект равен нулю (образец не является магнитом) (рис. 9–3).
Рис. 9–3. Домены в ненамагниченном материале ориентированы хаотично и образец не создает магнитного поля.
Если материал намагнитить, то домены выстраиваются в одном направлении, и материал становится магнитом (рис. 9–4).
Рис. 9–4. Когда материал намагничен, все домены ориентируются в одном направлении.
Если намагниченный образец разделить на маленькие кусочки, каждый кусочек станет магнитом со своими собственными полюсами.
Доказательством «доменной теории» является то, что магнит при нагревании или механическом сотрясении теряет свой магнетизм (домены возвращаются в неупорядоченное состояние). Искусственный магнит, оставленный в покое, постепенно теряет свой магнетизм. Для предотвращения этого прямоугольные магниты должны укладываться стопкой противоположными полюсами друг к другу; подковообразные магниты должны быть замкнуты предохранительным бруском (рис. 9–5). Оба метода позволяют сохранить магнитное поле.