КАРТА САЙТА

Солнце, магнитные бури, биосфера и человек

А.В. Галанин © 2013

© Галанин А.В. Солнце, магнитные бури, биосфера и человек // Вселенная живая [Электронный ресурс] – Владивосток, 2013. Адрес доступа: http://ukhtoma.ru/dinamic6.htm Введение. Что такое магнитное поле || Магнитное поле и магнитные бури на Солнце. Магнитное поле Земли и магнитные бури на Земле. Магнитная чувствительность живых систем || Александр Леонидович Чижевский – создатель гелиобиологии. Литература

В живом, где грузный пласт космической руды,
Из черной древности звучишь победно ты,
Испепеляя цепь неверных наших хроник, –
И я воскрес – пою. О, в этой вязкой мгле,
Под взглядом вечности ликуй, солнцепоклонник,
Припав к отвергнутой Праматери-Земле.

А.Л. Чижевский

Введение

 

Что такое магнитное поле? Все о нем слышали, все видели, как намагниченная стрелка компаса всегда одним и тем же концом поворачивается в сторону северного магнитного полюса, а другим своим концом – всегда в сторону южного магнитного полюса. Человека от самого умного животного отличает то, что он любопытен, и хочет знать – а почему это так происходит, как это устроено, что так происходит. Именно для объяснения происходящего вокруг него древний человек придумал богов. Духи, боги в сознании людей были факторами, которыми обяснялось все, что человек видел, слышал, от чего зависела удача на охоте и на войне, кто передвигал Солнце по небу, кто устраивал грозу, проливал дождь и сыпал снег, в общем, все сущее, все происходящее. Представьте себе, к дедушке подходит маленький внук, показывает на молнию и спрашивает: что это такое, почему огонь из тучи летит в землю, и кто так громко стучит там в облаках? Если дед отвечал: не знаю, то внук смотрел на него с сожалением и начинал меньше уважать. Но когда дед говорил, что это бог Ярило ездит на колеснице по облакам и огненные стрелы в нехороших людей пускает, внук слушал и еще больше уважал своего деда. Он начинал меньше бояться грома и молнии, так как знал, что он же хороший, поэтому Ярило в него стрелять не станет.

В раннем детстве, когда я начинал шалить, бабушка Анна говорила: "Шурка, смотри, не шали, а то боженька камешком стукнет". И при этом показывала на икону в красном углу на полке-божнице. Я на некоторое время притихал, с опаской посматривал на сурового мужика, нарисованного на доске, но как-то раз усомнился в его способности кидаться камнями. Поставил на лавку табуретку, влез на нее и заглянул на полку за икону. Никаких камушков я там не увидел, и когда бабка стала в очередной раз стращать меня, рассмеялся и заявил: "Никаких камней у него нет, и вообще он нарисованный и кидаться не может. И нечего пугать меня боженькой, я уже не маленький". Вот так же и наш далекий предок когда-то засомневался, что это Ярило по небу катается и стрелы пускает. Вот тогда-то и зародилось рациональное знание, когда люди засомневались во всемогуществе богов. Но чем же они их заменили? А заменили они богов законами природы, и крепко стали верить этим законам. Но там, где законами природы человек объяснить происходящее не может, он оставил место для богов. Именно поэтому религия и наука сосуществуют в обществе до сих пор.

Помню, как старшие приятели показали нам, малышам, фокус. По столу сам по себе двигался положенный на стол железный гвоздь, а парень-фокусник под столом передвигал свою руку. Гвоздь следовал за рукой. Мы удивленно таращили на это глаза и не понимали, почему гвоздь движется. Когда я рассказал матери об этом фокусе, то она разъяснила, что в руке у парня был магнит, который притягивает к себе железо, что парень под столом двигал не просто рукой, а в руке у него был магнит. На тот момент это объяснение удовлетворило мое любопытство, но чуть позже я уже хотел понять, а почему магнит на расстоянии – через доску стола, через слой воздуха – притягивает к себе железо. На этот вопрос ни мама, ни отец мне ответить не смогли. Пришлось ждать до школы. Там на уроке физики учитель объяснил, что магнит действует на железо через магнитное поле, которое создает вокруг себя, что у магнита есть два полюса – северный и южный, что из северного выходят какие-то невидимые магнитные силовые линии, которые дугой изгибаются и входят в южный полюс.

Тогда я впервые задумался: значит, в мире, кроме видимого, слышимого и осязаемого, есть кое-что невидимое и неосязаемое. Тогда я подумал: а что, если бог невидим и неосязаем – как это магнитное поле. Его вроде бы и нет нигде, а он все же существует. А на иконах в виде мужика его так, по глупости, изображают. Не знал я тогда, что до этого еще раньше меня додумался и философ Спиноза, который стал рассматривать Природу и Бога как единое и неразделимое, видимое и невидимое. Природа и есть Бог!

Помню, я пытался представить это магнитное поле, состоящее из силовых линий, и ничего не понимал. Я этих линий не видел и не слышал. Они ничем не пахли, и поверить в то, что вокруг нас может быть что-то, что мы никак не ощущаем, мне тогда было не очень понятно. Железные гвозди и опилки чувствовали магнитное поле и ориентировались и двигались в нем, а я со своими тонкими органами чувств ничего не чувствовал. Эта ущербность меня откровенно угнетала. Но не одного меня. А. Эйнштейн писал о сильном удивлении от увиденных свойств магнита, который ему в детстве подарил на день рождения отец, от того, что он не мог понять, как и почему эти притягательные свойства магнита происходят.

Когда учительница обществоведения уже в 10-м классе познакомила нас с определением материи, данным В.И. Лениным: "материя это то, что существует вокруг нас и дано нам в ощущениях", я возмущенно ее спросил: "а вот магнитное поле мы не ощущаем, а оно существует, оно что – разве не материя?". Да, одних органов чувств недостаточно, чтобы воспринимать все формы материи, требуется еще разум, с помощью которого если мы что-то и не чувствуем – не ощущаем, то понимаем, что оно есть. Поняв это, я решил изучать науки и развивать свой ум, надеясь, что это позволит мне многое понять. Но по мере того как я расширял пространство понятного мне, непонятное не исчезало, а только отодвигалось, и линия горизонта непонятного становилась все длиннее, так как круг познанного увеличивался и длина его окружности, отделяющая понятое моим разумом от непознанного и непонятного, тоже увеличивалась. В этом и состоит главный парадокс познания: чем больше мы узнаем и понимаем, тем больше мы еще не знаем. Об этом ученом незнании писал еще Николай Кузанский, которого почему-то считают философом схоластиком, хотя открытая им истина скорее говорит все же о том, что он был диалектиком.

Первые упоминания о породах, способных притягивать железо, относятся к античным временам. С магнитом связана старинная легенда о пастухе Магнусе, который однажды обнаружил, что его железный посох и сандалии, подбитые железными гвоздями, притягиваются к неведомому камню. С тех пор данный камень стали именовать «камнем Магнуса», или магнитом.

Происхождение и сущность магнитного поля Земли, как и магнитных полей вообще, и по сей день остается загадкой. Существует много гипотез – вариантов объяснения этого феномена, но истина по-прежнему "где-то там". Вот так определяют магнитное поле ученые физики: "Магнитное поле – это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения". И далее: "Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени). Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля". Я бы не сказал, что с логической точки зрения это блестящее определение. Сказать, что магнитное поле – это силовое поле, значит не сказать ничего, это – тавталогия. Ведь гравитационное поле – тоже силовое поле, и поле ядерных сил – силовое! Указание на воздействие магнитного поля на движущиеся электрические заряды кое о чем говорит, это описание одного из свойств магнитного поля. Но непонятно, действует ли магнитное поле непосредственно на частицы, имеющие электрические заряды, или оно действует на магнитные поля, образуемые этими частицами, а те (трансформированные поля частиц) уже в свою очередь действуют на частицы – передают им полученный импульс.

Впервые магнитные явления начал изучать английский врач и физик Уильям Гильберт, написавший работу «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Тогда считали, что электричество и магнетизм не имеют ничего общего. Но в начале XIX в. датский ученый Г.Х. Эрстед в 1820 г. экспериментальным путем доказал, что магнетизм является одной из скрытых форм электричества, и подтвердил это на опыте. Этот опыт повлек за собой лавину новых открытий, имевших огромное значение. Вокруг проводников с электрическим током возникает поле, которое было названо магнитным. Пучок движущихся электронов оказывает действие на магнитную стрелку, аналогичное проводнику с током (опыт Иоффе). Конвекционные токи электрически заряженных частиц по своему действию на магнитную стрелку подобны токам проводимости (опыт Эйхенвальда).

Магнитное поле создается только движущимися электрическими зарядами или движущимися электрически заряженными телами, а также постоянными магнитами. Этим магнитное поле отличается от электрического поля, которое создают как движущиеся, так и неподвижные электрические заряды.

Линии вектора магнитной индукции (В) всегда замкнуты и охватывают проводник с током, а линии напряженности электрического поля начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах, они разомкнуты. Линии магнитной индукции постоянного магнита выходят из одного полюса, называемого северным (N) и входят в другой – южный (S). Вначале кажется, что здесь наблюдается полная аналогия с линиями напряженности электрического поля (Е). Полюса магнитов играют роль магнитных зарядов. Однако если разрезать магнит, картина сохраняется, получаются более мелкие магниты – но каждый со своими северным и южным полюсами. Магнитные полюса разделить так, что северный полюс будет у одного куска, а южный у другого, невозможно, потому что свободных (дискретных) магнитных зарядов, в отличие от дискретных электрических зарядов, в природе не существует.

Магнитные поля, существующие в природе, разнообразны по масштабам и по вызываемым ими эффектам. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается на расстоянии 70–80 тысяч километров в направлении к Солнцу и на многие миллионы километров в обратном направлении. Происхождение магнитного поля Земли связывают с движениями жидкого вещества, проводящего электрически заряженные частицы в земном ядре. Мощными магнитными полями обладают Юпитер и Сатурн. Магнитное поле Солнца играет важнейшую роль во всех происходящих на Солнце процессах – вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей. Магнитное поле широко применяется в различных отраслях промышленности: при погрузке железного лома, при очистке муки на хлебозаводах от металлических примесей, а также в медицине для лечения больных.

 

Что такое магнитное поле

 

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина). Вообще-то вектор – это величина, имеющая направление в пространстве, следовательно, можно говорить и о направлении магнитной индукции и о ее величине. Но сказать, что магнитное поле – это только направление магнитной индукции, значит, не очень-то и много разъяснить. Есть еще одна характеристика магнитного поля – векторный потенциал. В качестве основной характеристики магнитного поля в вакууме выбирают не вектор магнитной индукции, а вектор напряжённости магнитного поля. В вакууме эти два вектора совпадают, а в веществе нет, но с систематической точки зрения следует считать основной характеристикой магнитного поля именно векторный потенциал.

 

Так вдоль силовых линий распределяются железные опилки в магнитном поле между его полюсами – северным (N) и южным (S).

Электрический ток (I), проходя по проводнику, создаёт магнитное поле (B) вокруг проводника.

 

Магнитное поле можно назвать особым видом материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом. Магнитные поля являются необходимым (в контексте специальной теории относительности) следствием существования электрических полей. Магнитное и электрическое поля вместе образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются, в частности, свет и все другие электромагнитные волны. С точки зрения квантовой теории поля, магнитное взаимодействие – как частный случай электромагнитного взаимодействия – переносится фундаментальным безмассовым  бозоном – фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля), часто (например, во всех случаях статических полей) виртуальным. Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем, или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам).

По-моему, эти определения весьма туманны. Понятно, что магнитное поле – не пустота, а особый вид материи – часть реального мира. Понятно, что магнитное поле неразрывно связано с движением электрических зарядов – электрическим током. А вот как магнитное поле с электрическим полем образуют единое электромагнитное поле, непонятно. Скорее всего, существует некое единое поле, которое в зависимости от обстоятельств проявляет себя то как магнитное поле, то как электрическое. Прямо как гермафродит какой-то, который в определенных обстоятельствах может быть мальчиком, а в других обстоятельствах – девочкой.

Сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу, называется силой Лоренца. Эта сила всегда направлена перпендикулярно к вектору скорости движения частицы – v и векторному потенциалу магнитного поля – B. Эта сила пропорциональна заряду частицы q, ее скорости v, перпендикулярна направлению вектора магнитного поля B и пропорциональна величине индукции магнитного поля B. Поясню тем, кто совсем позабыл школьную физику: сила – это причина, вызывающая ускорение движения тел. Здесь сила действует не на массу частицы, а на ее заряд. Этим сила Лоренца отличается от силы гравитации, которая действует на массу частиц (тел), поскольку масса тела – это его гравитационный заряд.

Магнитное поле действует и на проводник с током. Сила, действующая на проводник с током, называется силой Ампера. Эта сила складывается из сил, действующих на отдельные движущиеся внутри проводника электрические заряды. Это и есть сила тока, измеряемая в амперах.

При взаимодействии двух магнитов их одинаковые полюсы отталкиваются, а противоположные притягиваются. Однако детальный анализ показывает, что на самом деле это не полностью правильное описание явления. Непонятно, почему в рамках такой модели диполи никогда не могут быть разделены. Эксперимент показывает, что никакое изолированное тело на самом деле не обладает магнитным зарядом одного знака. Всякое намагниченное тело имеет два полюса – северный и южный. На магнитный диполь, помещённый в неоднородное магнитное поле, действует сила, которая стремится повернуть его так, чтобы магнитный момент диполя был сонаправлен (совпадал по направлению) с магнитным полем, в которое этот магнитный диполь поместили.

В 1831 г. Майкл Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводнике, если его поместить в изменяющемся магнитном поле, возникает электрический ток. Это явление получило название электромагнитная индукция.

М. Фарадей обнаружил, что электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через часть электрического контура, находящуюся в это магнитное поле. Величина (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока – изменение самого магнитного поля или движение части контура в магнитном поле. Электрический ток, вызванный ЭДС, называется индукционным током. Это открытие позволило создать генераторы электрического тока и создать, по-сути, нашу электрическую цивилизацию. Кто бы мог подумать в 30-е годы XIX в., что открытие М. Фарадея было эпохальным цивилизационным открытием, определившим будущее человечества?

В свою очередь, магнитное поле может создаваться и изменяться (ослабляться или усиливаться) переменным электрическим полем, создаваемым электрическими токами в виде потоков заряженных частиц. Микроскопическая структура вещества, помещенного в переменное магнитное поле, влияет на силу возникающего в нем тока. Одни структуры ослабляют возникающий электрический ток, а другие усиливают его в разной степени. Одно из первых исследований магнитных свойств вещества ваыполнил Пьер Кюри. В связи с этим вещества в отношении их магнитных свойств делятся на две основные группы:

1. Ферромагнетики – вещества, в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов частиц вещества.

2. Антиферромагнетики – вещества, в которых установился антиферромагнитный порядок магнитных моментов частиц вещества – атомов или ионов: магнитные моменты частиц вещества направлены противоположно и равны по силе.

Различают также вещества диамагнетики и вещества парамагнетики.

Диамагнетики – вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля.

Парамагнетики – вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля.

 

Типы упорядочения магнитных моментов атомов в парамагнитных (а), ферромагнитных (б) и антиферромагнитных (в) веществах. Рисунок с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

К перечисленным выше группам веществ в основном относятся обычные твердые, жидкие и газообразные вещества. От них существенно отличаются своим взаимодействием с магнитным полем сверхпроводники и плазмы. Магнитное поле ферромагнетиков (пример – железа) заметно на значительных расстояниях. Магнитные свойства парамагнетиков аналогичны свойствам ферромагнетиков, но выражены гораздо слабее – на меньшем расстоянии. Диамагнетики не притягиваются, а отталкиваются магнитом, сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферромагнетики и парамагнетики. Согласно правилу Ленца, магнитное поле индуцируемого в магнитном поле электрического тока направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего этот ток. Хочу заметить, что взаимодействие переменного магнитного поля и индуцируемого им электрического тока и электрического поля соответствует принципу Ле-Шателье. Это не что иное, как автоторможение процесса, присущее всем процессам, происходящим в реальном мире.

 

Согласно принципу Ле-Шателье, всякий процесс, происходящий в мире, порождает процесс, имеющий противоположное направление и тормозящий процесс, его вызывающий. По-моему, это один из главных законов мироздания, которому почему-то не уделяют должного внимание ни физики, ни философы.

Все вещества в большей или меньшей степени обладают магнитными свойствами. Если два проводника с электрическими токами поместить в какую либо среду, то сила магнитного взаимодействия между токами изменяется. Индукция магнитного поля, создаваемого электрическими токами в веществе, отличается от индукции магнитного поля, создаваемого теми же токами в вакууме. Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью. Максимальной магнитной проницаемостью обладает вакуум.

Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов – электронов, протонов и нейтронов, входящих в состав атомов. Магнитные свойства протонов и нейтронов почти в 1000 раз слабее магнитных свойств электронов. Поэтому магнитные свойства вещества в основном определяются электронами, входящими в состав его атомов.

Одним из важнейших свойств электрона является наличие у него не только электрического, но и магнитного поля. Собственное магнитное поле электрона, возникающее якобы при вращении его вокруг своей оси, называют спиновым полем (spin – вращение). Но электрон создает магнитное поле также и за счет своего движения вокруг ядра атома, которое можно уподобить круговому микротоку. Спиновые поля электронов и магнитные поля, обусловленные их орбитальными движениями, и определяют широкий спектр магнитных свойств веществ.

 

Поведение парамагнетика (1) и диамагнетика (2) в неоднородном магнитном поле. Рисунок с сайта :http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/ paragraph19/theory.html

Вещества крайне разнообразны по своим магнитным свойствам. Например, платина, воздух, алюминий, хлористое железо – парамагнетики, а медь, висмут, вода – диамагнетики. Образцы из парамагнетика и диамагнетика, помещенные в неоднородное магнитное поле между полюсами электромагнита, ведут себя по-разному – парамагнетики втягиваются в область сильного поля, а диамагнетики, наоборот, выталкиваются из него. Пара- и диамагнетизм объясняется поведением электронных орбит во внешнем магнитном поле. У атомов диамагнитных веществ в отсутствие внешнего поля собственные магнитные поля электронов и поля, создаваемые их орбитальным движением, полностью скомпенсированы. Возникновение диамагнетизма связано с действием силы Лоренца на электронные орбиты. Под действием этой силы изменяется характер орбитального движения электронов и нарушается компенсация магнитных полей. Возникающее при этом собственное магнитное поле атома оказывается направленным против направления индукции внешнего поля.

 

В атомах парамагнитных веществ магнитные поля электронов скомпенсированы не полностью, и атом оказывается подобным маленькому круговому току. В отсутствие внешнего поля эти круговые микротоки ориентированы произвольно, так что суммарная магнитная индукция равна нулю. Внешнее магнитное поле оказывает ориентирующее действие – микротоки стремятся сориентироваться так, чтобы их собственные магнитные поля оказались направленными по направлению индукции внешнего поля. Из-за теплового движения атомов ориентация микротоков никогда не бывает полной. При усилении внешнего поля ориентационный эффект возрастает, так что индукция собственного магнитного поля парамагнитного образца растет прямо пропорционально индукции внешнего магнитного поля. Полная индукция магнитного поля в образце складывается из индукции внешнего магнитного поля и индукции собственного магнитного поля, возникшего в процессе намагничивания.

Диамагнитными свойствами обладают атомы любых веществ, но во многих случаях их диамагнетизм маскируется сильным парамагнитным эффектом. Явление диамагнетизма было открыто М. Фарадеем в 1845 г.

Ферромагнетики могут сильно намагничиваться в магнитном поле, их магнитная проницаемость очень велика. К рассматриваемой группе относятся четыре химических элемента: железо, никель, кобальт, гадолиний. Из них наибольшей магнитной проницаемостью обладает железо. Ферромагнетиками могут быть различные сплавы этих элементов, например, керамические ферромагнитные материалы – ферриты.

Для каждого ферромагнетика существует определенная температура (так называемая температура или точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770°C, у кобальта 1130°C, у никеля 360°C.

Ферромагнитные материалы бывают магнито-мягкие и магнито-жесткие. Магнито-мягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю. К магнито-мягким материалам относится, например, чистое железо, электротехническая сталь и некоторые сплавы. Эти материалы применяются в приборах переменного тока, в которых происходит непрерывное перемагничивание, то есть изменение направления магнитного поля (трансформаторы, электродвигатели и т. п.).

Магнито-жесткие материалы в значительной мере сохраняют свою намагниченность и после удаления их из магнитного поля. Примерами магнито-жестких материалов могут служить углеродистая сталь и ряд специальных сплавов. Магнито-жесткие материалы используются в основном для изготовления постоянных магнитов.

Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является гистерезис, то есть зависимость намагничивания от предыстории образца. Кривая намагничивания B (B0) ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса.

 

Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от индукции внешнего магнитного поля. Намагничивается ферромагнетик вначале быстро, но достигнув максимума, намагничивается все медленнее. Рисунок с сайта :http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/ paragraph19/theory.html

Типичная петля гистерезися для магнитно-твердого ферромагнитного материала. В точке 2 достигается магнитное насыщение. Отрезок 1–3 определяет остаточную магнитную индукцию, а отрезок 1–4 – коэрцитивную силу, характеризующую способность образца противостоять размагничиванию. Рисунок с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

 

Природа ферромагнетизма может быть понята на основе квантовых представлений. Ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов. В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация. В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области. Эти области называются доменами. Каждый домен представляет из себя небольшой постоянный магнит.

 

Иллюстрация процесса намагничивания ферромагнитного образца: а – вещество в отсутствие внешнего магнитного поля: его отдельные атомы, являющиеся маленькими магнитами, расположены хаотически; б – намагниченное вещество: под действием внешнего поля атомы ориентируются относительно друг друга в определенном порядке в соответствии с направлением внешнего поля. Рис. с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

Домены в теории магнетизма – это малые намагниченные области материала, в которых моменты магнтного поля атомов ориентированы параллельно друг другу. Домены отделены друг от друга переходными слоями, называемыми блоховскими стенками. На рисунке показаны два домена с противоположной магнитной ориентацией и блоховская стенка между ними с промежуточной ориентацией. Рисунок с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей в различных доменах ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл оказывается ненамагниченным. При наложении же внешнего магнитного поля происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. В очень сильном магнитном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение.

 

Следует однако помнить, что все эти рисунки и изображенные на них домены и атомы – всего лишь схемы или модели реальных явлений магнетизма, но не сами явления. Ими пользуются до тех пор, пока они не противоречат наблюдаемым фактам.

 

Простой электромагнит, предназначенный для захвата грузов. Источником энергии служит аккумуляторная батарея постоянного тока. Показаны также силовые линии поля электромагнита, которые можно выявить обычным методом железных опилок. Рисунок с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.htmll

Возникновение магнитного поля в окрестностях проводника, по которому пропущен постоянный электрический ток, иллюстрирует электромагнит. Ток проходит по проводу, который намотан на стержень из ферромагнетика. Намагничивающая сила в этом случае равна произведению величины электрического тока в катушке на число витков в ней. Эта сила измеряется в амперах. Напряженность магнитного поля Н равна намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины катушки. Таким образом, величина Н измеряется в амперах на метр; ею определяется намагниченность, приобретаемая материалом внутри катушки. В вакууме магнитная индукция B пропорциональна напряженности магнитного поля Н. Индукция магнитного поля – это векторная величина, которая является силовой характеристикой магнитного поля. Направление магнитной индукции совпадает с направлением, который указывает магнитная стрелка в магнитном поле, а модуль данного вектора равен отношению модуля магнитной силы, которая действует на движущуюся перпендикулярно заряженную частицу, к модулю скорости и заряда этой частицы. Магнитная индукция согласно СИ измеряется в теслах (Тл). В системе СГС магнитная индукция измеряется в гауссах (Гс). При этом 1 Тл = 104 Гс.

 

Крупные электромагниты с железными сердечниками и очень большим числом витков, работающие в непрерывном режиме, обладают большой намагничивающей силой. Они создают магнитную индукцию в промежутке между полюсами до 6 теслов (Тл). Величина индукции ограничивается механическими напряжениями, нагреванием катушек и магнитным насыщением сердечника.

Ряд гигантских электромагнитов (без сердечника) с водяным охлаждением, и установок для создания импульсных магнитных полей был сконструирован П.Л. Капицей в Кембридже и в Институте физических проблем АН СССР, а также Ф. Биттером в Массачусетском технологическом институте. На таких магнитах удавалось достичь индукции до 50 Тл. Сравнительно небольшой электромагнит, создающий поля до 6,2 Тл, потребляющий электрическую мощность 15 кВт и охлаждаемый жидким водородом, был разработан в Лосаламосской национальной лаборатории. Подобные магнитные поля получают при очень низких температурах.

 

Вектор магнитной индукции считается одной из физических величин, которая является фундаментальной в теории электромагнетизма, его можно встретить в огромном множестве уравнений, в каких-то случаях непосредственно, а иногда через напряженность магнитного поля, связанную с ним. Еединственной областью в классической теории электромагнетизма, в которой отсутствует вектор магнитной индукции, является, пожалуй, только чистая электростатика. Формула с сайта: http://www.e-scientist.ru

Ампер в 1825 г. предположил, что в магните в каждом его атоме циркулируют электрические микротоки. Но электрон был открыт лишь в 1897 г., а модель внутренней структуры атома – в 1913 г., почти 100 лет после гениальной догадки Ампера. В 1852 г. В. Вебер предположил, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнитный диполь. Предельная или полная намагниченность вещества достигается тогда, когда все отдельные атомные магнитики оказываются выстроенными в определенном порядке. Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное «трение». Его теория объясняла намагничивание тел при их соприкосновении с магнитом и их размагничивание при ударе или нагреве. Объяснялось и «размножение» магнитов при разрезании намагниченного куска или магнитного стержня на части, когда у каждой части всегда появлялось два полюса. Однако эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явление гистерезиса. В 1890 г. теория Вебера была усвершенствована Дж. Эвингом, заменившим гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые и составляют постоянный магнит.

 

В 1905 г. П. Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее магнитное поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Ланжевен ввел понятие магнитного момента атомного магнита, равное произведению «магнитного заряда» на расстояние между полюсами. Согласно этой теории, слабый магнетизм парамагнитных материалов объясняется слабым суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами.

В 1907 г. П. Вейс ввел понятие «домена», ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм. Домены разделены между собой так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. Такие стенки представляют собой «переходные слои», или микроградиенты в магнитной наноструктуре вещества, в которых происходит изменение направления намагниченности доменов. Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. В 1919 г. Г. Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур, на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (окись железа). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля – на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Разработан метод изучения магнитного поля, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал.

В свободном атоме железа две его оболочки (K и L), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй – восемь электронов. В K-оболочке спин одного из электронов положителен, а другого – отрицателен. В L-оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех – отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент атома равен нулю. В M-оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направленные в одну сторону, и лишь шестой – в другую. В результате остаются четыре нескомпенсированных спина, чем и обусловлены магнитные свойства атома железа. Во внешней N-оболочке всего два валентных электрона, которые не дают вклада в магнетизм атома железа. Сходным образом объясняется магнетизм и других ферромагнетиков, например никеля и кобальта.

Но поскольку соседние атомы в образце железа сильно взаимодействуют друг с другом, их электроны частично коллективизируются, – такое объяснение следует рассматривать лишь как наглядную, но весьма упрощенную схему реальной ситуации. Теорию атомного магнетизма, основанную на учете спина электрона, подкрепляют два эксперимента, один из которых был проведен А. Эйнштейном и В. де Гаазом, а другой – С. Барнеттом. В первом из этих экспериментов цилиндрик из ферромагнитного материала подвешивался так, как показано на рисунке. Если по проводу обмотки пропускали ток, то цилиндрик поворачивается вокруг своей оси. При изменении направления тока (а следовательно, и магнитного поля) он поворачивался в обратном направлении. В обоих случаях вращение цилиндрика обусловлено упорядочением электронных спинов. В эксперименте Барнетта подвешенный так же цилиндрик резко приводится в состояние вращения, и в отсутствие магнитного поля намагничивается. Этот эффект объясняется тем, что при вращении магнетика создается гироскопический момент, стремящийся повернуть спиновые моменты по направлению собственной оси вращения.

 

Схема строения атома железа. Изображены оболочки и подоболочки свободного атома, имеющего четыре нескомпенсированных электронных спина в 3d-подоболочке М-оболочки, которыми и обусловлены магнитные свойства железа. Рисунок с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_ and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

Схема эксперимента Эйнштейна – де Гааза. При пропускании тока по обмотке, охватывающей ферромагнитный цилиндрик, последний поворачивается в направлении стрелки. Если изменить направление тока, то цилиндрик поворачивается в другую сторону. Рисунок с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

 

За более полным объяснением природы и происхождения короткодействующих сил, упорядочивающих соседние атомные магнитики и противодействующих разупорядочивающему влиянию теплового движения, следует обратиться к квантовой механике. Квантово-механическое объяснение природы этих сил было предложено в 1928 г. В. Гейзенбергом, который постулировал существование обменных взаимодействий между соседними атомами. Позднее Г. Бете и Дж. Слэтер показали, что обменные силы существенно возрастают с уменьшением расстояния между атомами, но по достижении некоторого минимального межатомного расстояния они снижаются до нуля.

Магнитные свойства вещества весьма сложны, и для их глубокого понимания необходим тщательный анализ строения атомов, их взаимодействий в молекулах, их столкновений в газах и их взаимного влияния в твердых телах и жидкостях; магнитные свойства жидкостей пока наименее изучены.