Магнитное поле: что это и как работает

Помню, в детстве у меня был любимый конструктор: металлическая доска и разноцветные геометрические фигуры из пластмассы на магнитах. Тогда я еще не знала, что такое магнитное поле. Честно говоря, я не до конца понимаю это и сейчас. Давайте разбираться вместе?

В этой статье:

1. Магнитное поле в вопросах и ответах
2. Свойства магнитного поля
3. Магнитные и немагнитные металлы
4. Магнитные полюса
5. Магнитные бури
6. Заключение

Магнитное поле в вопросах и ответах

Все видели, как работают магниты. Они притягивают металлические предметы и притягиваются друг к другу, а иногда — отталкиваются. Изучением магнитных тел занимается целый раздел физики твердого тела.

Что такое магнитное поле?

Говоря простыми словами, это невидимая сила, которая «живет» в предметах. Иногда она настолько огромна, что заставляет их притягиваться друг к другу. 

Также поле называют особым видом материи, благодаря которой частицы вещества взаимодействуют между собой.

Где существует магнитное поле?

Оно есть почти во всем, что нас окружает. Даже в наших телах.

Почему тогда магнитятся только некоторые металлы?

Магнитное поле большинства объектов нашей Вселенной настолько слабое, что никак себя не проявляет. Однако в некоторых металлах, например в железе, этой силы намного больше. И тогда она становится видимой: то есть притягивает к себе другие металлические объекты.

Как работает магнитное поле?

Его можно сравнить с призрачным пузырем, который окружает магнит. Когда к одному магниту на дистанцию действия пузыря приближают другой, они словно бы объединяются и склеиваются.

Но откуда у магнитов берутся эти пузыри?

Основа магнетизма — атомное строение вещества. Атомы — мельчайшие частицы, из которых состоит все вокруг. Каждый атом, говоря максимально упрощенно, представляет собой что-то типа батарейки. Внутри у нее «плюс» — это ядро атома, а снаружи — целая куча «минусов». Это электроны, которые вращаются вокруг ядра. Примерно так же, как планеты — вокруг Солнца.

И у каждого электрона есть свое внутреннее вращение (тоже немножко похоже на то, как планеты крутятся вокруг своей оси). В результате всей этой «карусели» внутри каждого атома возникают микроскопические электротоки. Именно они создают магнитные линии, которые словно бы вылетают наружу из вещества и окружают его невидимым пузырем магнитного поля.

А почему оно где-то сильное, а где-то — слабое?

Мощность магнитного поля зависит от того, как расположены атомы. В магнитных металлах они выстраиваются таким образом, что создают сильное поле. В других веществах, типа дерева или минералов, атомная структура такова, что магнитное поле едва уловимо.

Представьте себе два забора: первый — из плотно пригнанных друг к другу жердин, второй — расхлябанный и покосившийся. 

Если выстрелить в заборы шариком с краской, на первом, плотном, растечется пятно. Во второй забор, где расстояния между жердин большие, шарик либо ударится очень слабо и не лопнет, либо вообще пролетит мимо. Аналогия не вполне точная, но общий принцип понятен.

В некоторых случаях магнитные качества предмета можно усилить. Помните школьный опыт с обрывками бумаги, шерстью и шариковой ручкой? Если о шерсть потереть ручку, она наэлектризуется и станет магнитом для бумажек. Грубо говоря, атомы, из которых состоит ручка, от трения о шерсть превратятся из покосившегося забора в плотный. Правда, ненадолго.

Свойства магнитного поля

Они связаны с его природой, то есть с движением электронов.

1. Магнитное поле материально, хотя и невидимо.
2. Существует вокруг каждого движущегося заряженного тела.
3. Его можно обнаружить по действию, которое оно оказывает на предметы.
4. Распространяется с предельной скоростью, которая равна скорости света в вакууме.

Существование невидимого магнитного поля доказал в начале XIX века датский физик Ханс Эрстед. 

Он провел опыт, в котором замыкал электрическую цепь — после этого стрелка лежащего рядом компаса, которая всегда показывает магнитные полюса земли, меняла направление. То есть под воздействием движущихся электрозарядов возникало локальное магнитное поле.

Открытие Эрстеда дало начало целому направлению в физике — изучению магнетизма. Оно активно развивается до сих пор, и ученые совершают все новые и новые открытия.

Магнитные и немагнитные металлы

Их свойства зависят от атомной структуры. Есть металлы, в которых атомы выстраиваются таким образом, что создают сильное магнитное поле. В других все наоборот.

Основные магнитные металлы:

• железо;
• сталь;
• нержавеющая сталь;
• никель;
• кобальт;
• магнетит;
• редкоземельные (гадолиний, неодим, самарий).

Магнитных металлов в природе намного меньше, чем немагнитных. Часть из них, например, железо или магнетит, магнитятся всегда. 

У других, таких как нержавеющая сталь, магнитные свойства зависят от химического состава, дающего разную атомную структуру.

Немагнитные металлы:

• медь;
• алюминий;
• серебро;
• золото;
• цинк;
• магний;
• платина;
• хром;
• висмут и многие другие.

При этом часть немагнитных металлов, такие как медь или золото, не намагничиваются вообще никогда. Это называется «отрицательная магнитная восприимчивость», а металлы отнесены к группе диамагнетиков.

Другая группа — парамагнетики. В нее входят алюминий, магний, хром и другие. При определенных условиях они могут стать магнитными, что используют в аппаратах МРТ или в электромагнитных устройствах вроде трансформаторов или катушек индуктивности.

В быту магнитные свойства помогают определить подлинность металла. Это может пригодиться — к примеру, вам продают якобы серебряное изделие. Берем магнит и проверяем.

Если он прилип к предмету, значит, продавец вводит покупателей в заблуждение и вещь на самом деле сделана из железа и только покрыта тонким слоем цветного металла. Я таким образом обычно тестирую бижутерию.

Магнитные полюса

Они есть у каждого магнита и у всей Земли в целом. Снова вернусь в свое детство к любимому конструктору. 

Однажды я обнаружила, что некоторые фигурки в наборе не притягиваются друг к другу, как основная масса, а, напротив, яростно «отпихиваются». Даже если мне удавалось, вопреки упорному сопротивлению «неправильных» магнитов, силой удержать их вместе, стоило лишь ослабить хватку — они в тот же миг разлетались куда подальше.

Это происходит из-за того, что у магнитов два полюса. Их условились называть северным и южным. Многие магниты для удобства даже выкрашены в два цвета: синий — север и красный — юг.

Противоположные полюса притягиваются, одноименные — отталкиваются. Расположение полюсов зависит от траектории магнитных линий, как бы опоясывающих магнит. Линии всегда непрерывны и замкнуты, наподобие параллелей и меридианов на глобусе.

Полюса магнита представляют собой точки вхождения и выхода магнитных линий. Чтобы понять, как это все устроено на уровне атомной структуры, надо закончить физфак.

Запомните главное — магнитные линии постоянны. Если сломать красно-синий магнит пополам, каждый обломок сохранит северный и южный полюс. Линии просто изменят точки входа-выхода, но останутся непрерывными. Еще раз пополам — будет то же самое, и так вплоть до мельчайших кусочков.

Однако размеры полюсов — не какая-то четкая величина, они могут различаться. Именно поэтому в моем детском конструкторе были «пихающиеся» фигурки. В каждой было больше какого-то одного полюса. И они отталкивались друг от друга.

Если хотите увидеть магнитные линии, положите магнит (лучше подковообразный) на белый лист бумаги и насыпьте железных опилок. Они образуют вокруг подковы круговую структуру — траекторию линий.

Магнитные полюса Земли — это тоже условность. Люди договорились называть так те точки, где магнитные линии идут под прямым углом к поверхности планеты.

Вся Земля — это один огромный магнит со своим магнитным полем. Оно возникает из-за строения земного ядра, которое окружено магнитными металлами — железом и никелем в расплавленном состоянии. Другие планеты, включая Солнце, — тоже гигантские магниты со своими полюсами.

Магнитные бури

«Не пойду на работу… Мне плохо! Магнитная буря, пятна на Солнце», — каждому знакомы эти фразы. На самом деле влияние магнитных бурь на человека сильно преувеличено.

Что такое магнитная буря? Возмущение магнитного поля нашей планеты, вызванное избыточной солнечной активностью. Иногда на светиле возникают пятна — районы, где температура сильно снижается. Из-за этого там образуются облака с магнитными частицами, которые Солнце выбрасывает, и они летят в сторону Земли, где вызывают возмущение уже нашего магнитного поля.

Обычно это явление не представляет особенной опасности, хотя порой возмущение бывает достаточно серьезным, чтобы повредить работе сложных приборов, в которых есть электромагниты.

На людей сильные бури тоже могут подействовать, но влияние на здорового человека будет крайне слабым. В относительной зоне риска только больные сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Инвестиции в здоровье — отличная стратегия для того, кто заботится о своем будущем и бережет своих близких. С картой «Халва» от Совкомбанка вы получаете беспроцентную рассрочку* на медицинские расходы, а также выгодный кешбэк за покупки и проценты на остаток. Халва — ваш магнит для здоровья и хорошего настроения!

Заключение

Магнитное поле — это фундаментальная сила, которая влияет на всю Вселенную. Физика магнетизма была и остается перспективной областью фундаментальной науки, где до сих пор делают важные открытия. Так, свойства магнитного поля помогли создать множество электроприборов, которыми мы постоянно пользуемся. 

Так что теперь, приклеивая на холодильник очередной магнитик, вспомните о том, что вы держите в руках маленький кусочек одного из чудес мира, которое помогает нам комфортно жить каждый день.