Магнетизм — это проявление того, как движущиеся электрические заряды создают вокруг себя особую область — магнитное поле. Когда электроны (элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом) внутри вещества движутся определённым образом, вещество начинает вести себя как магнит.
В каждом атоме электроны вращаются и вокруг ядра, и вокруг собственной оси. Это вращение создаёт маленькие «микромагниты». В большинстве материалов эти микромагниты ориентированы хаотично и взаимно гасят друг друга. Но в некоторых веществах — например, железе — они могут выстраиваться в одном направлении. Тогда возникает макроскопический магнит.
Магнитное поле действует на другие движущиеся заряды и токи. Именно поэтому проводник с током может притягиваться или отталкиваться от магнита. Это описывается силой Лоренца — фундаментальным законом, который связывает заряд, скорость и магнитное поле.
Магнетизм тесно связан с электричеством: изменение магнитного поля способно создавать электрический ток. Это явление лежит в основе работы генераторов и описывается законом Фарадея. А взаимодействие токов и магнитных полей — основа электродвигателей, что связано с законом Ампера.
Магнетизм можно наблюдать повсюду: в работе компаса, в магнитных замках, в жёстких дисках, в электродвигателях, в МРТ. Даже Земля — в определенном смысле огромный магнит, и её магнитное поле защищает нас от солнечного ветра.
Как работает магнит
Магнит работает благодаря тому, что в некоторых веществах — например, железе, кобальте, никеле — электроны внутри атомов имеют несбалансированные магнитные моменты (Ситуации, когда в материале магнитные поля атомов, ионов или электронов не полностью компенсируют друг друга).
В ферромагнетиках существуют области — домены, где миллиарды атомов выстроены одинаково. Когда внешнее магнитное поле заставляет магнитное поле частиц повернуться в одном направлении, вещество становится магнитом.
Почему Земля — магнит
Земля — «гигантский магнит» из-за процессов в её ядре. Внутреннее ядро твёрдое, а внешнее — жидкое и состоит в основном из расплавленного железа и никеля.
Когда жидкий металл движется, он переносит электрические заряды. Движение заряженной проводящей жидкости создаёт магнитное поле — это называется геодинамо.
Потоки расплава закручиваются из-за вращения Земли (эффект Кориолиса), образуя огромные вихри. Эти вихри поддерживают магнитное поле, которое простирается далеко в космос и защищает нас от солнечного ветра
Геодинамо — это механизм, благодаря которому внешнее жидкое ядро Земли создаёт её магнитное поле. Это один из самых мощных процессов в планетарной физике.
Геодинамо работает, потому что во внешнем ядре Земли находится расплавленное железо и никель, которые ведут себя как электропроводящая жидкость. Когда такая жидкость движется, она переносит электрические заряды. А движение зарядов создаёт магнитное поле. Но чтобы это поле было устойчивым и огромным, как у Земли, нужны три ключевых условия.
Первое — источник энергии для движения расплава. Когда железо в ядре затвердевает, оно выталкивает лёгкие элементы (например, серу, кислород) во внешнее ядро. Это создаёт мощные конвекционные потоки: горячее вещество поднимается вверх, холодное опускается вниз. Эти потоки — двигатель геодинамо.
Второе — вращение планеты. Из-за вращения возникает эффект Кориолиса, который закручивает конвекционные потоки в спирали. В результате жидкое железо движется не хаотично, а организованно — формируются огромные вихри, похожие на торнадо, только из металла. Именно эта упорядоченность позволяет магнитному полю не распадаться.
Третье — самоподдерживающийся характер процесса. Как только в ядре появляется слабое магнитное поле (даже случайное), движущаяся жидкость усиливает его. Это называется эффектом динамо: движение проводника в магнитном поле создаёт ток, а ток создаёт новое магнитное поле. Получается замкнутый цикл, который может существовать миллиарды лет. Это поле в значительной степени защищает Землю от солнечного ветра, космической радиации и помогает удерживать атмосферу.
Как создают постоянные магниты
Чтобы сделать постоянный магнит, берут ферромагнитный материал и помещают его в очень сильное внешнее магнитное поле.
Это поле заставляет магнитные поля частиц материалов выстроиться одинаково. Затем материал охлаждают или фиксируют так, чтобы домены не смогли вернуться в хаос. Чем «жёстче» структура кристаллической решётки, тем лучше она удерживает ориентацию доменов — поэтому неодимовые магниты такие сильные.
Процесс обычно включает:
- плавку сплава,
- прессование порошка в магнитном поле,
- спекание,
- окончательную намагниченность в сверхсильном поле.
Так получают магниты, которые могут сохранять свойства десятилетиями.