§ 50. Постоянные магниты

ЧТО ТАКОЕ ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ И ИХ ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Каждый человек с детства сталкивается с удивительным свойством магнитов. Магнитные полоски надёжно удерживают в закрытом положении дверцы холодильников и кухонных шкафов, магнитные держатели на письменном столе собирают металлические скрепки, а в промышленности мощные магниты применяются в электродвигателях, генераторах и подъёмных кранах на металлургических заводах.

Постоянными магнитами (или просто магнитами) называют тела, способные длительное время сохранять намагниченность и притягивать к себе предметы из железа, стали, никеля, кобальта и некоторых специальных сплавов.

Само слово «магнит» имеет глубокие исторические корни. Оно происходит от названия древней области Магнисия в Фессалии (исторический регион в Центральной Греции). В античные времена там находились богатые залежи необычной чёрной руды, куски которой обладали естественной способностью притягивать железные наконечники копий, ножи и гвозди. Этот минерал представляет собой оксид железа (магнитный железняк, или магнетит с химической формулой Fe₃O₄). Подобные залегающие в земной коре минералы называют природными (естественными) магнитами (рис. 116).

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ МАГНИТЫ: СТАЛЬ И ЖЕЛЕЗО

Природные магниты обычно обладают сравнительно слабым магнитным действием, а их форме трудно придать точные размеры. Поэтому с развитием науки и техники люди научились создавать искусственные магниты, многократно превосходящие природный камень по силе притяжения.

Если обычную стальную спицу, полоску или иглу положить на постоянный магнит или несколько раз провести по ней магнитом в одном направлении, спица сама превратится в магнит — как говорят в физике, намагнитится. Она начинает притягивать мелкие железные опилки, булавки и гвоздики.

Интересно проследить, как по-разному ведут себя при намагничивании различные материалы. Если взять два внешне одинаковых стержня — один из чистого (магнитомягкого) железа, а второй из углеродистой стали — и поднести их к сильному магниту, оба стержня намагнитятся и начнут притягивать к себе гвозди. Но если убрать внешний магнит, результат окажется принципиально разным:

• Железный стержень практически мгновенно потеряет свои магнитные свойства (полностью размагнитится);
• Стальной стержень сохранит приобретённые магнитные свойства на долгие месяцы и годы.

Именно поэтому для изготовления постоянных магнитов используют не мягкое железо, а специальные сорта закалённой стали и сложные металлокерамические сплавы (соединения железа с никелем, кобальтом, алюминием, а также современные сплавы неодима, железа и бора). Мягкое железо, напротив, находит применение там, где требуется быстрое намагничивание и мгновенное размагничивание — например, в сердечниках электромагнитов и трансформаторов.

В учебных лабораториях и технике постоянным магнитам чаще всего придают форму прямых брусков — полосовые магниты, либо изогнутую форму подковы — дугообразные (подковообразные) магниты (рис. 117). Подковообразная форма удобна тем, что позволяет подвести оба полюса магнита близко к притягиваемой детали, существенно увеличивая силу сцепления.

ПОЛЮСЫ МАГНИТА И МАГНИТНАЯ СТРЕЛКА

Если опустить полосовой магнит в коробку со стальными опилками или мелкими гвоздиками, можно заметить важную особенность: опилки густо облепляют только концы магнита, тогда как к его середине практически ничего не прилипает (рис. 118).

Те места магнита, вблизи которых обнаруживается наиболее сильное магнитное действие, называют полюсами магнита. Участок посередине магнита, где магнитное притяжение отсутствует, называют нейтральной зоной.

Каждый постоянный магнит обязательно имеет два противоположных полюса:

• Северный магнитный полюс: обозначается латинской буквой N (от английского слова North — север) и в учебных приборах традиционно окрашивается в синий цвет.
• Южный магнитный полюс: обозначается латинской буквой S (от английского слова South — юг) и традиционно окрашивается в красный цвет.

Названия полюсов напрямую связаны с их поведением в пространстве. Если подвесить прямой полосовой магнит за середину на тонкой незакрученной нити, он начнёт свободно вращаться в горизонтальной плоскости и в конце концов обязательно установится вдоль линии север — юг. Тот полюс магнита, который самопроизвольно разворачивается в сторону географического севера, назвали северным полюсом, а противоположный полюс — южным полюсом.

Знакомая каждому магнитная стрелка компаса представляет собой не что иное, как лёгкий миниатюрный полосовой магнит продолговатой формы, насаженный центром тяжести на остриё тонкой иглы. Она свободно вращается и указывает направление магнитных линий.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЮСОВ

Если поднести магнитную стрелку к другой такой же магнитной стрелке или приблизить два полосовых магнита друг к другу, обнаруживается фундаментальная закономерность магнитного взаимодействия (рис. 119):

• Одноимённые полюсы магнитов отталкиваются: северный полюс отталкивает северный (N отталкивает N), а южный отталкивает южный (S отталкивает S).
• Разноимённые полюсы магнитов притягиваются: северный полюс с силой притягивает к себе южный полюс другого магнита (N притягивает S).

Сила взаимодействия магнитов подчиняется строгому пространственному правилу: она максимальна при непосредственном сближении полюсов и стремительно убывает по мере увеличения расстояния между ними.

НЕДЕЛИМОСТЬ ПОЛЮСОВ И МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

Внешне взаимодействие магнитных полюсов напоминает взаимодействие наэлектризованных тел: одноимённые заряды также отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Однако между электрическими зарядами и магнитными полюсами существует глубокое фундаментальное различие:

• Электрические заряды легко отделить друг от друга: например, при трении стеклянной палочки о шёлк положительный заряд остаётся на стекле, а отрицательные электроны переходят на ткань. Можно изолировать тело с чисто положительным или чисто отрицательным зарядом.
• Магнитные полюсы разделить невозможно! В природе принципиально не существует магнита с одним-единственным полюсом (не существует изолированных магнитных монополей).

Если взять длинный полосовой магнит и аккуратно распилить его ровно посередине (по нейтральной зоне), мы не получим отдельно «чистый северный полюс» и отдельно «чистый южный полюс». В месте распила моментально возникнут новые полюсы: на месте разреза северной половины появится новый южный полюс, а на месте разреза южной — новый северный. В руках окажутся два совершенно полноценных самостоятельных магнита, каждый из которых обладает и северным, и южным полюсом. Этот процесс деления можно продолжать вплоть до молекул и атомов вещества: мельчайшие элементарные частицы материи всегда обладают собственным неразрывным магнитным моментом.

Земля как гигантский магнит:

Причина, по которой подвешенный магнит или стрелка компаса всегда ориентируются в направлении север — юг, заключается в том, что весь наш земной шар представляет собой колоссальный естественный магнит. Вокруг Земли существует постоянное магнитное поле, защищающее биосферу от губительного потока космической радиации и солнечного ветра.

Поскольку разноимённые полюсы притягиваются, а северный конец стрелки компаса (N) указывает в сторону географической Арктики, это означает, что вблизи Северного географического полюса Земли расположен её Южный магнитный полюс! И наоборот: вблизи Южного географического полюса (в Антарктиде) находится Северный магнитный полюс нашей планеты.