Магниты издавна притягивают наше внимание своими удивительными свойствами. Однако не все знают, почему иногда они не притягивают, а отталкивают друг друга. В статье мы разберемся в причинах этого явления и ответим на главный вопрос - почему отталкиваются магниты друг от друга. Узнаете, как устроены магниты, что такое полюса и магнитные поля и как они взаимодействуют.
Устройство магнита и его свойства
Магнит - это тело, обладающее свойством намагниченности, то есть способностью создавать вокруг себя магнитное поле. Существует несколько видов магнитов:
- Постоянные магниты из ферромагнитных материалов (железо, кобальт, никель и их сплавы), которые сохраняют намагниченность длительное время
- Электромагниты, в которых магнитное поле создается при протекании электрического тока в катушке
- Сверхпроводящие и редкоземельные магниты с очень сильным магнитным полем
У каждого магнита есть два полюса - Северный и Южный. Вокруг них существует магнитное поле - область пространства, где действуют магнитные силы. Оно невидимо, но его можно обнаружить, поднеся металлические предметы или другие магниты. Сила магнитного поля максимальна у полюсов и слабеет при удалении от них.
Причины магнетизма
Причина возникновения магнитных свойств веществ кроется в движении электрических зарядов - электронов, вращающихся вокруг атомных ядер. Электроны имеют отрицательный заряд, и их движение порождает магнитное поле. Направление этого поля зависит от направления вращения электронов.
Когда большинство электронов внутри материала вращаются синхронно в одну сторону, их магнитные поля складываются и усиливают друг друга. Так возникает интенсивное магнитное поле, характерное для магнитных материалов, например, магнетита.
Магнетизм, как научное явление, вызывается перемещением электронов. Вещества и предметы состоят из мельчайших атомов, эта физическая единица представляет собой ядро и движущиеся вокруг него электроны.
В других материалах электроны часто движутся хаотично в разных направлениях, поэтому их магнитные поля взаимно гасят друг друга. Такие вещества не проявляют магнитных свойств.
Полюса магнитов и их взаимодействие
Из-за особенностей движения электронов в магнитных материалах у них появляются полюса - области, где магнитное поле проявляется наиболее сильно. Это северный полюс (N) и южный полюс (S). Между ними располагается зона наименьшей напряженности магнитного поля.
Когда два магнита находятся близко друг от друга, их магнитные поля начинают взаимодействовать. Это взаимодействие проявляется либо как притяжение, либо как отталкивание магнитов.
В частности, разноименные полюса (например, S и N) всегда притягиваются, так как их магнитные поля направлены навстречу друг другу и усиливаются. А вот одноименные полюсы (N и N или S и S) отталкиваются, потому что их одинаково направленные магнитные поля вытесняют друг друга, ослабляя общее поле.
Это фундаментальное свойство магнитов лежит в основе их притяжения к ферромагнитным металлам и используется во многих технических устройствах.
Притяжение и отталкивание магнитов
Как уже было сказано, магниты могут либо притягивать, либо отталкивать другие магниты или ферромагнитные материалы. Почему именно так происходит?
Почему отталкиваются магниты друг от друга при сближении одноименных полюсов, мы уже выяснили - из-за взаимного вытеснения одинаково направленных магнитных полей. Но давайте рассмотрим подробнее, как ведут себя магниты по отношению к разным материалам.
Притяжение магнитов к металлам
Как правило, магниты хорошо притягивают железо, никель, кобальт и их сплавы. Это объясняется наличием в этих материалах большого числа свободных электронов, которые под действием внешнего магнитного поля начинают двигаться синхронно, создавая собственное магнитное поле.
Однако есть металлы и сплавы - золото, серебро, медь, олово и др., которые отталкиваются или почти не притягиваются магнитами. У них меньше свободных электронов, и их движение более хаотично.
Почему магниты притягивают железо
Железо обладает уникальной кристаллической решеткой, позволяющей электронам легко выстраиваться в упорядоченные цепочки под воздействием магнитного поля. Кроме того, в атомах железа есть неспаренные электроны, которые и определяют его ферромагнитные свойства.
Магнит притягивается с разной силой к различным металлам. К примеру, к никелю, железу и другим сплавам магнит притягивается очень прочно.
Расчет силы отталкивания магнитов
Ранее мы выяснили причины, почему отталкиваются магниты друг от друга. Но как рассчитать величину силы этого отталкивания?
Согласно законам электромагнетизма, сила отталкивания двух магнитов равна силе их притяжения (при идеальных условиях). То есть, если известна сила, с которой данные магниты притягиваются разноименными полюсами, можно вычислить и силу отталкивания одноименных полюсов.
Магнитное поле Земли
Помимо создаваемого магнитами искусственного магнитного поля, существует также магнитное поле Земли, которое тоже влияет на работу компасов и некоторых приборов.
Оно вызвано движениями расплавленного железа во внешнем ядре планеты и имеет вид магнитного диполя с Северным магнитным полюсом вблизи географического Южного полюса и наоборот.
