Как работает магнит: магнитное поле, полюса, электромагнит и компас

Из чего состоит магнит

Магнит — тело, которое притягивает железные предметы и другие магниты. Самый простой магнит — брусок или подкова из стали. Внутри него нет ни пружин, ни механизмов. Всё дело в веществе.

Понятие	Что это
Полюс	место, где магнит действует сильнее всего; у каждого магнита их два
Северный и южный полюс	названия двух полюсов; северный обычно окрашивают синим, южный красным
Магнитное поле	область вокруг магнита, где чувствуется его действие
Силовые линии	воображаемые линии, показывающие направление поля; идут от северного полюса к южному
Домен	крошечная область вещества, где «стрелочки» атомов направлены одинаково

Магнитные силы видны: посыпьте железные опилки на лист картона над магнитом, и они выстроятся дугами между полюсами, вдоль силовых линий.

Откуда берётся поле

Магнитное поле рождает электрический ток, движение заряженных частиц. У каждого электрона в атоме есть собственное крошечное магнитное поле: электрон как будто маленький магнитик со «стрелкой». В большинстве веществ такие магнитики смотрят в разные стороны, и их поля гасят друг друга. Поэтому вокруг куска дерева или стекла никакого поля нет.

У железа, никеля и кобальта устроено иначе. Их атомы так взаимодействуют, что электронные «стрелки» соседей выстраиваются в одну сторону сами. Так возникают домены, небольшие области, где всё направлено одинаково. Вещества с такими свойствами называют ферромагнетиками. О том, как устроены атомы и их электроны, рассказано в статье о строении атома.

В обычном куске железа домены смотрят вразнобой, и общее поле равно нулю. Если поднести к нему магнит, домены разворачиваются в одну сторону, и железо само становится магнитом. Стальной прут можно намагнитить навсегда, потерев его о магнит: домены остаются выстроенными.

Как это работает: как магнит притягивает гвоздь

1. Магнит создаёт поле. Домены выстроены в одном направлении, и их поля складываются в общее магнитное поле вокруг.
2. Гвоздь попадает в поле. В гвозде из железа домены до этого смотрели в разные стороны.
3. Домены разворачиваются. Поле магнита поворачивает домены гвоздя, они выстраиваются вдоль поля.
4. Гвоздь становится магнитом. У него появляется свой северный и южный полюс, причём ближний к магниту полюс гвоздя оказывается противоположным.
5. Разноимённые полюса притягиваются. Гвоздь прыгает к магниту и прилипает.
6. Магнит убран — порядок нарушается. У мягкого железа домены быстро возвращаются в беспорядок, и гвоздь перестаёт быть магнитным.

Почему железо притягивается, а алюминий нет

Все вещества реагируют на магнитное поле, но по-разному.

Тип	Что делают	Примеры	Реакция на магнит
Ферромагнетики	домены выстраиваются, поле усиливается	железо, никель, кобальт, сталь	сильно притягиваются
Парамагнетики	слабо притягиваются	алюминий, платина	почти незаметно
Диамагнетики	слабо отталкиваются	медь, вода, стекло, золото	почти незаметно

Алюминий и медь не притягиваются, потому что у них нет доменов: атомные «стрелки» не выстраиваются сами. Поэтому банка из алюминия не липнет к магниту, а стальная банка липнет. Это удобно для сортировки мусора: магнит вытаскивает железо из общей кучи. Есть и хитрость: если быстро двигать сильный магнит около медной трубки, он замедлится, потому что в меди возникают токи, которые сопротивляются его движению. Но это уже связь магнетизма и электричества.

Электромагнит

Связь открыл датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1820 году: провод с током отклоняет стрелку компаса. Значит, ток создаёт магнитное поле. Из этого открытия выросла вся электротехника.

Электромагнит — катушка из проволоки с железным сердечником внутри. Когда по проволоке идёт ток, катушка становится магнитом, а сердечник усиливает поле в сотни раз. Выключили ток — магнит исчез.

Электромагниты работают повсюду: в электрозвонках, реле, динамиках, кранах для перемещения металлолома, где включённый магнит поднимает тонны железа, а выключенный отпускает груз. Электромагнит есть и в электродвигателях: вращение создают притяжение и отталкивание катушек. Обратный принцип, когда вращение магнита порождает ток, использует генератор, о нём рассказано в статье об устройстве генератора автомобиля.

Земля как магнит и компас

Земля тоже огромный магнит. Магнитное поле планеты создаёт движение жидкого железа во внешнем ядре: раскалённый металл течёт, как проводник с током. О строении недр Земли рассказано в статье о строении Земли.

Стрелка компаса — маленький магнит, который свободно вращается. Она выстраивается вдоль магнитного поля Земли. Один её конец показывает примерно на север. Здесь есть тонкость: тот конец стрелки, который смотрит на север, — северный полюс стрелки, а притягивается он к южному магнитному полюсу Земли, ведь разноимённые притягиваются. Этот полюс Земли находится недалеко от Северного географического полюса. Поэтому магнитные и географические полюса не совпадают и постепенно смещаются.

Поле Земли защищает нас: оно отклоняет заряженные частицы солнечного ветра. Без него потоки этих частиц гораздо сильнее воздействовали бы на атмосферу и на всё живое.

Опыт: свой компас

Возьмите швейную иголку и сильный магнит. Проведите иголкой по магниту в одном направлении двадцать-тридцать раз, всегда от одного полюса к другому и никогда туда-обратно. Домены в стали выстроятся, и иголка станет слабым магнитом. Теперь положите её на кусочек пробки или пенопласта и опустите в миску с водой. Иголка медленно повернётся и замрёт, указывая вдоль магнитного поля Земли: один её конец покажет на север. Можно проверить себя обычным компасом. Если иголку сильно ударить молотком или раскалить, намагниченность пропадёт: так видно, как хрупок порядок в доменах.

Где ещё работают магниты

Магниты спрятаны в предметах, которых мы не замечаем. В динамиках и наушниках электромагнит колеблет мембрану и создаёт звук; как это устроено, рассказано в статье о том, как работает динамик. В электродвигателях и генераторах магниты вращают вал или порождают ток. В жёстких дисках информацию записывают крошечными намагниченными участками пластины. В медицинском томографе работает мощный магнит, который создаёт поле для получения изображений внутренних органов. Есть и поезда на магнитной подушке: сильные магниты поднимают вагон над рельсом, и трение почти исчезает. А в обычных дверцах шкафов магнитные защёлки держат створки без замков. Во всех этих приборах работает один принцип: магнитное поле действует на заряды и токи, а токи создают магнитное поле.

Проверить, что предмет ферромагнитный, просто: поднесите магнит. Стальная скрепка, гвоздь и ключ отзовутся, а алюминиевая фольга нет. С монетами по-разному: медные и латунные не притягиваются, а стальные с покрытием притягиваются, потому что реакция зависит от состава. Так одно и то же слово «металл» скрывает очень разные магнитные свойства.

Чем отличается от похожего

Постоянный магнит и электромагнит. Постоянный сохраняет поле сам, электромагниту нужен ток.

Магнитный и географический полюс. Географические — точки, где ось вращения Земли выходит на поверхность. Магнитные — там, где линии поля уходят в землю. Они рядом, но не одно и то же.

Магнетизм и статическое электричество. Расчёска, натёртая о волосы, притягивает бумажки, но это электрические заряды. Магнит бумажки не притягивает.

Магнит и «намагниченное» железо. У мягкого железа магнитные свойства временные, у стали и специальных сплавов постоянные.

Интересные факты

Температура, при которой магнит сдаётся. Железо теряет магнитные свойства при нагреве примерно до 770 градусов. Эту границу называют точкой Кюри. Когда железо остывает, оно снова может намагничиваться, но старая намагниченность исчезнет.

Магнит на холодильнике. Он держится не «на клею», а на притяжении к стальной дверце. Тонкий слой бумаги под ним ничего не меняет, а вот толстая стопка ослабит притяжение, потому что расстояние ослабляет поле.

Живые компасы. Некоторые птицы, морские черепахи и даже бактерии, по данным исследований, чувствуют магнитное поле Земли и используют его для навигации. Как именно они это делают, учёные до конца не выяснили.