Магниты: как они работают
Магниты создают магнитное поле, которое действует на другие магниты, электрические токи и некоторые материалы. У постоянного магнита это поле связано с упорядочением магнитных свойств частиц внутри вещества.
1Притяжение без прикосновения
Небольшой магнит удерживает записку на металлической дверце. Для этого ему не нужны клей или видимый крючок. Между магнитом и поверхностью действует сила, связанная с магнитным полем. Но стоит заменить железную поверхность стеклом, и привычный способ крепления перестанет работать.
Магнитное поле существует в пространстве вокруг магнита и внутри него. Оно может действовать на другой магнит, на электрический ток и на вещества с подходящими магнитными свойствами. Само поле невидимо, однако его действие обнаруживается по движению предметов и работе приборов.
Частая ошибка — считать, что магнит притягивает любой металл. Железо действительно хорошо реагирует на обычный магнит, а медь или алюминий не притягиваются так же заметно в повседневных условиях. Магнитные свойства зависят от внутреннего устройства вещества, а не только от металлического блеска.
Даже материалы, которые кажутся немагнитными, могут слабо взаимодействовать с полем. Но для знакомого сильного притяжения важны особые свойства некоторых веществ. К ним относятся железо, никель, кобальт и определённые сплавы. Разные стали также могут вести себя по-разному.
2Два полюса одного магнита
У обычного магнита выделяют северный и южный полюса. Одинаковые полюса двух магнитов отталкиваются, противоположные притягиваются. Эти названия связаны с поведением свободно поворачивающейся магнитной стрелки, один конец которой ориентируется примерно в направлении географического севера.
Полюса не похожи на отдельные порции вещества, которые можно вынуть из магнита. Если разделить обычный стержневой магнит на части, каждая часть будет иметь собственные северный и южный полюса. Разрез не оставляет в одной половине только север, а в другой только юг.
Поле часто изображают линиями. Снаружи магнита их условное направление идёт от северного полюса к южному, а внутри — обратно. Линии образуют замкнутую картину. Это способ описания поля, а не настоящие нити, натянутые в воздухе.
Там, где на рисунке линии расположены гуще, обычно показывают более сильное поле. В реальном пространстве оно меняется непрерывно. Поэтому небольшой предмет ощущает действие в зависимости от места, ориентации и собственных свойств, а не только от расстояния до геометрического центра магнита.
3Порядок внутри вещества
Истоки магнетизма связаны с электрическими зарядами и свойствами электронов. Электрон обладает собственным магнитным моментом. Его иногда сравнивают с крошечным магнитом, но это только образ: электрон нельзя буквально считать маленьким стержнем с окрашенными концами.
В большинстве веществ магнитные вклады частиц во многом компенсируют друг друга. У материалов с сильными магнитными свойствами взаимодействия позволяют многим таким вкладам согласовываться. Возникают области упорядоченного направления, которые называют магнитными доменами.
В ненамагниченном образце направления разных доменов могут различаться, и общая внешняя картина оказывается слабой. При намагничивании меняются размеры и направления доменов. Если значительная часть их вкладов согласована, образец создаёт заметное поле вокруг себя.
Одни материалы легко намагничиваются, но столь же легко теряют значительную часть намагниченности. Другие лучше сохраняют её после удаления внешнего поля. Для постоянных магнитов нужны именно свойства, позволяющие удерживать внутреннее состояние, хотя оно тоже может изменяться под внешним воздействием.
Когда магнит приближают к подходящему железному предмету, поле меняет его магнитное состояние. Возникает притяжение. Это помогает понять, почему скрепка может временно вести себя как магнит и притягивать следующую скрепку, хотя до этого она не была постоянным магнитом.
4Когда поле создаёт ток
Магнитное поле возникает не только у постоянных магнитов. Его создаёт электрический ток. Если провод свернуть в катушку, поля отдельных витков складываются. Катушка становится источником поля, форму и силу которого можно изменять устройством обмотки и величиной тока.
Сердечник из подходящего материала способен усилить поле катушки. Такое устройство называют электромагнитом. В отличие от постоянного магнита, его работу можно связывать с подачей электрического тока. После отключения тока поле обычно значительно ослабевает, хотя сердечник может сохранять остаточную намагниченность.
Таблица: Два способа получить магнитное поле
| Признак | Постоянный магнит | Электромагнит |
|---|---|---|
| Основной источник поля | Сохранённая намагниченность материала | Электрический ток в обмотке |
| Управление силой поля | Зависит от материала и устройства | Возможно изменением тока |
| Работа без внешнего питания | Обычно сохраняет поле | Рабочее поле требует тока |
| Типичное применение | Крепления и магнитные датчики | Реле и подъёмные устройства |
Связь электричества и магнетизма работает в обе стороны. Изменение магнитного потока через проводящий контур может создавать электрическое напряжение. Это явление лежит в основе работы генераторов. В электродвигателе, наоборот, взаимодействие поля и токов помогает получить движение.
Наличие постоянного поля само по себе не означает непрерывного получения электрической энергии. Для работы генератора необходимо изменение потока и источник энергии, который поддерживает процесс. Магнит участвует в преобразовании, но не служит неисчерпаемым запасом энергии.
5Компас и повседневные приборы
Земля обладает магнитным полем. Стрелка компаса поворачивается под его действием, поэтому прибор помогает определять направление. При этом магнитное направление не всегда совпадает с географическим севером. Разница зависит от места, а само поле планеты изменяется со временем.
Рядом с магнитом или проводником с током стрелка может отклоняться. Она реагирует на суммарное поле в своём месте, а не распознаёт отдельно поле Земли. Поэтому движение стрелки показывает местную физическую картину, которую способны изменить окружающие предметы.
В громкоговорителях взаимодействие магнитного поля и тока приводит в движение катушку и связанную с ней мембрану. Мембрана колеблет воздух, создавая звук. Так незаметное действие поля превращается в слышимую речь или музыку.
Магниты встречаются и в защёлках, датчиках положения, измерительных приборах. За разными устройствами стоят общие закономерности: поле действует на подходящие материалы и токи, а его форма зависит от расположения источников. Знакомое притяжение скрепки оказывается частью гораздо более широкой связи явлений.