Как работает магнит: полюса, линии поля, домены и почему магнит прилипает к железу
Магнит работает потому, что вокруг него есть магнитное поле, которое притягивает железо и другие магниты. В железе крошечные магнитные поля атомов выстраиваются в областях, называемых доменами, и их действие складывается, а не гасится. Разноимённые полюса притягиваются, одноимённые отталкиваются. Магнитик на холодильнике создаёт у поверхности около 5 мТл, примерно в 100 раз больше поля Земли в 50 мкТл, но лишь на расстоянии нескольких сантиметров.
Магниты словно тянут предметы сквозь пустоту, и к этому легко привыкнуть. В этом руководстве объяснено, как это устроено: что такое полюса и невидимые линии поля, почему магнит прилипает к стальной двери холодильника, но не к дереву, что происходит внутри куска железа и почему вся Земля ведёт себя как огромный магнит, поворачивающий стрелку компаса. Посчитаны числа, от магнитика на холодильнике до курса по компасу, а в конце — живая глава учебника, где можно самому увидеть линии поля.
Главные идеи
- У любого магнита два полюса: разноимённые притягиваются, одноимённые отталкиваются. Разрежьте магнит пополам — получатся два меньших магнита, у каждого оба полюса; одиночный полюс никто не находил.
- Магнетизм создаётся движущимся электрическим зарядом. В железе спин электронов делает каждый атом крошечным магнитом, а в магните они выстроены в областях, называемых доменами.
- Железо, никель и кобальт сильно притягиваются магнитом, а медь, алюминий, дерево и пластик — нет. Выше точки Кюри, около 770 °C для железа, оно перестаёт быть магнитом.
- Земля — огромный магнит с полем около 50 мкТл у поверхности (примерно от 25 до 65 мкТл), которое создаёт движущееся жидкое железо в ядре. Компас указывает на магнитный север, а он не совпадает точно с географическим.
Полюса и линии поля
Кусок магнитного железняка, природного магнита из минерала магнетита, лежит на листе бумаги. Посыпьте вокруг него железные опилки, и они выстроятся кривыми, которые идут от одного конца, северного полюса, к другому, южному. Эти кривые — линии поля, и поле сильнее всего там, где они сгущаются. Разрежьте магнит пополам — вы не получите одинокий северный и одинокий южный полюс, а получите два меньших магнита, у каждого оба полюса. Одиночный магнитный полюс никогда не наблюдали.
Любое магнитное поле создаёт движущийся электрический заряд. В электромагните это ток в катушке провода. В постоянном магните «ток» — это спин электронов внутри атомов железа, и каждый из них действует как крошечный магнит. В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед заметил, что ток в проводе отклоняет стрелку компаса, и это стало первым ясным признаком того, что электричество и магнетизм — две стороны одной силы.
Почему магниты притягиваются, отталкиваются и липнут к железу
Сблизьте два магнита. Север с севером отталкивается, север с югом притягивается: одноимённые полюса отталкиваются, разноимённые притягиваются. Типичный магнитик на холодильник создаёт у поверхности поле около 5 мТл, а поле Земли у поверхности — около 50 мкТл. Поделим: 5 × 10⁻³ / 50 × 10⁻⁶ = 100, то есть у своей поверхности магнитик в сто раз сильнее планеты. Поле быстро слабеет с расстоянием. Далеко за пределами размеров небольшого магнита оно убывает как куб расстояния, так что на вдвое большем расстоянии остаётся одна восьмая.
Магнит прилипает к стальной двери, потому что его поле выстраивает домены в соседнем железе, и железо становится временным магнитом, обращённым к магниту противоположным полюсом. Они притягиваются. Так сильно откликаются железо, никель и кобальт и многие их сплавы. Медь, алюминий, дерево, стекло и пластик в быту не притягиваются, а нержавеющая сталь зависит от сплава: одни её виды магнитны, а другие нет.
Внутри железа: домены, нагрев и самодельный компас
Если заглянуть в железо, там обнаружатся крошечные области — домены, и в каждой толпа атомов, чьи маленькие магниты смотрят в одну сторону. В обычном гвозде домены направлены кто куда и гасят друг друга. Магнит — это железо, у которого домены выстроились. Удары молотком и нагрев сбивают их. Выше точки Кюри, которую изучал Пьер Кюри в 1890-х годах, железо перестаёт быть магнитным. Для железа это около 770 °C, то есть 770 + 273,15 ≈ 1043 К. После остывания домены обычно сами не выстраиваются снова.
Выстроить домены можно самому. Попросите помощи у взрослого и проведите стальной швейной иглой около 50 раз в одном направлении вдоль одного конца магнита, каждый раз отрывая её в конце движения. Положите иглу на кусочек пробки или листик в миске со стоячей водой — она медленно повернётся и укажет примерно на север и юг. Осторожно с острым концом и берите только небольшие магниты.
Земля как магнит и компас с числами
Сама Земля — магнит, и учёные считают, что её поле создаёт движущееся жидкое железо во внешнем ядре. Намагниченная игла на оси поворачивается примерно на север. Китайские авторы описывают намагниченные иглы в XI веке, а в труде Шэнь Ко «Мэнси битань» около 1088 года отмечено, что такая игла показывает не точно север и юг. Компас находит магнитный север, который не совпадает с географическим севером оси вращения. Угол между ними называют магнитным склонением: при 10° переход на 5 км по курсу компаса уводит в сторону от истинной линии на 5 × tg 10° ≈ 0,9 км.
Поле Земли простирается далеко в космос и образует магнитосферу. Она отклоняет заряженные частицы солнечного ветра вокруг планеты, а часть из них спиралью спускается вдоль линий поля у полюсов к тонкому верхнему слою воздуха, где рождает светящиеся завесы полярного сияния. Горные породы тоже помнят поле: лава, остывающая на морском дне, фиксирует его направление. Полосы чередующегося направления по обе стороны срединно-океанических хребтов показывают, что поле много раз менялось на обратное, последний раз около 780 000 лет назад.
Посмотрите поле магнита в VJOURNAL SMART BOOK
Глава «Магниты и поле Земли» учебника физики VJOURNAL SMART BOOK (том II) на VITON13 SCHOOL ставит рядом с каждым абзацем живую 3D-сцену: магнитный железняк, вокруг которого опилки ложатся в линии поля, два магнита, которые отталкиваются или притягиваются, стрелка компаса, поворачивающаяся на север, увеличенное железо, где домены выстраиваются или рассыпаются от нагрева, и поле Земли, обернувшее глобус, с потоком солнечных частиц рядом. Под рисунком песочница с компасом показывает, как стрелка следует за полем.
Используйте её как проверку этого руководства: найдите блок, где магнитик на холодильнике сравнивается с планетой, и поделите числа сами. Всё в главе происходит на странице. Следующие главы показывают, как ток создаёт магнит и как движущийся магнит создаёт ток, а на этом устроены моторы и генераторы.
Простыми словами
Представьте железо как толпу крошечных стрелок компаса. В обычном гвозде они смотрят кто куда, и ничего не складывается. В магните большинство смотрит в одну сторону, и их притяжения складываются в одно сильное поле с северным и южным концом.
Попробуйте сами
В главе о магнитах найдите блок, где магнитик на холодильнике сравнивается с полем Земли. Поделите два числа, 5 мТл на 50 мкТл, а затем посмотрите, как опилки и стрелка компаса следуют за полем.
Ожидаемый результат
5 × 10⁻³ / 50 × 10⁻⁶ = 100: у своей поверхности магнитик примерно в сто раз сильнее поля Земли.
Проверьте себя: Склонение компаса равно 8°. Вы идёте 10 км по его курсу. На сколько вы окажетесь в стороне от истинной линии?
10 × tg 8° ≈ 10 × 0,141 ≈ 1,4 км.
Вопросы и ответы
Как работает магнит простыми словами?
Вокруг магнита есть магнитное поле. В железе крошечные магнитные поля атомов направлены одинаково в областях, называемых доменами, поэтому они складываются. Поле притягивает железо и другие магниты: разноимённые полюса притягиваются, одноимённые отталкиваются.
Почему магниты притягиваются и отталкиваются?
У каждого магнита есть северный и южный полюс, а линии его поля идут от севера к югу. Разноимённые полюса соединяют линии двух магнитов в одну петлю и тянутся друг к другу; одноимённые расталкивают линии и отталкиваются.
Почему магниты липнут к железу, но не к дереву и алюминию?
У железа, никеля и кобальта домены выстраиваются во внешнем поле, поэтому они становятся временными магнитами и притягиваются. У дерева, пластика, стекла, меди и алюминия таких доменов нет, и притяжение почти не заметно.
Почему нагрев разрушает магнит?
Тепло сбивает домены. Выше точки Кюри, около 770 °C для железа, порядок теряется полностью, и железо перестаёт быть магнитом. Ослабить магнит могут даже удары молотком и сильная тряска.
Как работает компас?
Намагниченная игла на оси выстраивается вдоль магнитного поля Земли и показывает на магнитный север. От географического севера он отличается на склонение, которое зависит от места и может составлять несколько градусов.
Опасны ли сильные магниты?
Маленькие сильные магниты опасны, если их проглотить: два и больше могут притянуться друг к другу через стенки кишечника и нанести тяжёлую травму, поэтому храните их вдали от маленьких детей. Врачебные организации советуют также держать сильные магниты примерно в 15 см (6 дюймах) от кардиостимуляторов и других имплантов.
Скажите одной фразой: магнит — это железо, у которого крошечные магнитики смотрят в одну сторону. Затем откройте главу о магнитах, посмотрите, как опилки рисуют поле, и сами поделите 5 мТл на 50 мкТл.
Источники и дальнейшее чтение
- HyperPhysics: Magnetic field ↗Источники проверены:
- HyperPhysics: Ferromagnetism ↗Источники проверены:
- NOAA National Ocean Service: Magnetic poles ↗Источники проверены:
- OpenStax University Physics Volume 2: Magnetism and its historical discoveries ↗Источники проверены: