Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
объясняется тем, что в ферромагнетиках все атомы делятся на группы — так
называемые домены. Каждый из доменов, видимый невооруженным глазом, содержит
миллиарды атомов, ориентированных в одном направлении, и, таким образом, имеет
солидный суммарный магнитный момент. Однако тело в целом магнитным моментом не
обладает, поскольку домены в теле расположены хаотично.
Помещая тело в магнитное поле, мы способствуем тому, что все домены постепенно
ориентируются в направлении внешнего магнитного поля и их магнитные свойства
суммируются. Сняв внешнее магнитное поле, получим новый магнит — ферромагнитное
тело, в котором все домены намагничены в одном направлении. Если мы хотим в
течение длительного времени сохранить магнитные свойства "рукотворного магнита",
нужно приложить усилия к тому, чтобы домены не вернулись к прежнему хаотическому
расположению. Для этого магнит не нужно трясти и нагревать.
Почему же намагниченные тела притягиваются? Теория утверждает, что всякая
система пытается принять такое положение, в котором ее энергия минимальна.
Почему камень падает на землю? Он падает на землю потому, что стремится занять
такое положение, в котором его потенциальная энергия будет минимальной. Другими
словами, камень стремится занять энергетически наиболее низкое положение и
поэтому падает.
Существуют громоздкие математические формулы, говорящие о том, что суммарная
энергия двух магнитов, касающихся один другого, меньше, чем энергия магнитов,
разнесенных на некоторое расстояние. Поскольку система должна занять
энергетически наиболее "низкое" положение, магниты притягиваются. То же самое
можно сказать о магните и куске железа.
Такое объяснение универсально и просто. Если оно вас удовлетворяет, можете
считать загадку магнита решенной.
Нужно отметить, однако, что поскольку современное объяснение магнетизма следует
из категорий квантовой физики, полная разгадка тайны магнита наступит тогда,
когда мы полностью поймем суть пока еще таинственных процессов, происходящих в
микромире.
Рукотворные магниты
В этой главе, начинающейся историей флюгера Оксфордского собора, говорится о тех
магнитах, которые сделаны людьми с помощью других магнитов.
Из железа изготовляют множество чрезвычайно полезных вещей. Так, англичанин
Вильям Гильберт четыре столетия назад писал:
"Иное железо пригодно для панцирей, иное против выстрелов метательных орудий,
иное против мечей и против стали кривых сабель (обычно называемой
"цементированной сталью"); одно служит для мечей, другое нужно для лошадиных
копыт. Из него делаются гвозди, крюки, задвижки, пилы, ключи, решетки, двери,
створки, лопаты, палочки, подпорки, рыболовные и прочие крючки, трезубцы,
горшки, треножники, наковальни, молоты, клинья, цепи, ручные и ножные оковы,
кирки, сечки, серпы, корзинки, заступы, мотыги, струги, грабли, сошники, вилы,
чаши, чашечки, ложечки, ложки, вертелы, ножи, кинжалы, мечи, секиры, копья,
дротики, пики, обоюдоострые мечи, якори и множество нужных для мореходства
предметов; кроме того, ядра, короткие копья, шины, панцири, шлемы, нагрудники,
конские подковы, ножи, проволоки, струны для музыкантов, кресла, опускные
решетки, луки, баллисты и гибельные для человеческого рода бомбарды, пули и
пушечные ядра и бесконечное множество неизвестных латинянам орудий".
К этому очень полному списку нужно, по-видимому, добавить, по крайней мере, еще
один важнейший пункт — из железа делают магниты.
Говорят, настоятель Оксфордского собора никак не мог взять в толк, что от него
хочет этот знаменитый Фарадей. Он пришел просить, чтобы ему отдали на
исследование железную палку флюгера собора.
— И зачем вам такая старая проржавевшая палка? Того и гляди, флюгер-петух
свалится с нее! Ведь она стоит на верхушке собора, наверное, уже лет триста!
— Вот и отлично, — так, надо полагать, ответил Фарадей, — нам как раз и нужна
эта заржавевшая развалина. Проследите, пожалуйста, только за тем, чтобы, пока ее
снимают и спускают вниз, не меняли бы ее вертикального положения!
Когда палку сняли и поставили вертикально во дворе собора, Фарадей с помощником
поднесли поочередно к ее верхнему и нижнему концам компас. Палка флюгера
оказалась слабым магнитом — ее нижний конец был южным полюсом, верхний —
северным.
Еще раньше, задолго до этих событий, Гильберт заметил, что все железные колонны,
стоящие вертикально в Ирландии, сами по себе становятся магнитами, причем нижний
их конец всегда южный.
Путешественники, побывавшие в Австралии, рассказывали, что там происходит то же
самое — железные колонны всегда становятся магнитами. Только южный полюс у них —
наверху.
Точно так же, расположив железный стержень в направлении север — юг, можно
заметить, что стержень намагничивается: конец, обращенный к югу, приобретает
северную полярность, и наоборот.
Стальные корпуса кораблей, стоящих на стапелях, во время постройки приобретают
намагниченность за счет магнитного поля Земли и становятся таким образом
гигантскими плавающими магнитами.
Естественные магниты вытачивали из кусков магнитного железняка, и они достигали
подчас довольно значительных размеров. По сей день в Тартусском университете
находится самый крупный известный естественный магнит. Его масса 13 кг, а
подъемная сила 40 кг (в арматуре).
Такие магниты в медной оправе с железными накладками в изобилии выпускались
уральскими заводами. Их использовали горные офицеры, моряки, изготовители
компасов, исследователи. Такие магниты заказывали и богатые любители курьезов.
Обычно оправой магнитов служила красиво отделанная медная коробка, наверху
крепилась подвижная ручка, снизу подвешивалось "ярмо" с фигурно вырезанной
рамкой и крючком для подвески груза. Эти магниты поднимали груз, превышающий по
массе сам магнит раз в десять.
Один из самых сильных естественных магнитов был, по преданию, у Ньютона — в его
перстень был вставлен магнит, поднимавший предметы, масса которых была в 50 (!)
раз больше массы самого магнита.
Искусственные магниты, полученные методом натирания, стали изготовлять в Англии
еще в XVIII веке. При изготовлении магнитов не все сорта железа вели себя
одинаково — в одном случае быстро получали желаемый результат, в другом —
намагниченность была ничтожной. Легконамагничивающиеся вещества, как правило,
так же легко и размагничиваются (чистое железо); труднонамагничивающиеся
вещества (сталь) остаются сильнонамагниченными и после удаления внешнего
магнитного поля. Первые вещества обычно называют магнитомягкими, вторые —
магнитожесткими.
В конце прошлого века заметили, что добавка к железу 3 % вольфрама примерно в 3
раза улучшает свойства искусственных магнитов. Добавка кобальта улучшает
свойства еще в 3 раза.
Лучшим предвоенным магнитным сплавом был сплав альнико на базе алюминия, никеля
и кобальта. С помощью магнитов из альнико можно было поднимать железные предметы
массой, в 500 раз превышающей массу самого магнита. При измененной технологии
(при спекании порошкообразного альнико) удалось поднять предмет, масса которого
превосходила массу магнита в 4450 раз.
Еще более сильные магниты изготовляют из сплава магнико, в состав которого
входят железо, кобальт, никель и некоторые другие добавки. Созданные на основе
этого сплава "порошковые" магниты могут поднимать груз железа массой, более чем
в 5000 раз превышающей их собственную.
Еще более сильными являются так называемые оксидно-бариевые магниты.
Неисчислимы примеры применения магнитных материалов. Постоянные магниты являются
очень важной частью многих устройств, применяемых в нашей повседневной жизни. Их
можно встретить в головке звукоснимателя, в громкоговорителе, электрогитаре,
электрогенераторе автомобиля, в небольших моторчиках магнитофонов, в
радиомикрофоне, электросчетчиках и прочих устройствах. Изготовляют даже
"магнитные челюсти", т. е. сильно намагниченные стальные челюсти, взаимно
отталкивающиеся и вследствие этого не нуждающиеся в креплениях. Магниты широко
применяют и в современной науке. Магнитные материалы нужны для работы в СВЧ-
диапазонах, для магнитозаписи и воспроизведения, создания магнитных запоминающих
