Магниты кажутся чем-то волшебным - они могут поднимать железные предметы, не касаясь их! Но на самом деле это обычное физическое явление. В этой статье мы разберемся, что такое магнит, как он работает и почему притягивает именно железо.
1. Что такое магнит и магнитное поле
Магнит - это объект, который создает вокруг себя магнитное поле. Это поле заставляет двигаться заряженные частицы, такие как электроны. Благодаря магнитному полю магнит может воздействовать на другие объекты, не касаясь их.
Магнитное поле возникает там, где движутся электрические заряды. Например, если по проводу идет электрический ток, то вокруг провода появляется магнитное поле. Оно изображается при помощи силовых линий - невидимых нитей, которые идут от северного полюса магнита к южному.
Магнитные поля есть не только вокруг магнитов, но и в природе:
- Магнитное поле Земли защищает все живое от космической радиации
- У некоторых животных есть внутренний компас - они ориентируются по магнитному полю планеты
- Магнитные бури на Солнце влияют на работу электроприборов на Земле
У любого магнита есть два полюса: северный (N) и южный (S). Они взаимодействуют так:
- Одноименные полюса отталкиваются (N - N, S - S)
- Разноименные полюса притягиваются (N - S)
2. Почему магнит магнитит: строение магнитных материалов
Чтобы понять, почему одни материалы становятся магнитами, а другие нет, нужно разобраться в строении вещества. Все состоит из атомов. Внутри атомов движутся отрицательно заряженные частицы - электроны. Их движение порождает магнитное поле.
У разных материалов электроны в атомах движутся по-разному. Если они хаотично "мечутся" в разные стороны, то магнитные поля гасят друг друга. А если выстраиваются в одном направлении - получается сильный постоянный магнит.
Вещества, у которых получается стабильное упорядоченное движение электронов, называются ферромагнетиками. К ним относится железо и его сплавы, никель, кобальт. Именно из таких материалов делают постоянные магниты.
Другие металлы тоже слабо взаимодействуют с магнитами, но упорядочить их электроны очень сложно. Поэтому они не могут самостоятельно становиться магнитами.
3. Почему магнит притягивает железо
Теперь становится понятно, что железо - особенный металл. У него получается выстраивать движение электронов в едином порядке. Когда железо попадает в магнитное поле постоянного магнита, происходит следующее:
- Магнитное поле воздействует на электроны железа и выстраивает их движение
- Железо само начинает вести себя как магнит - у него появляются собственные полюса N и S
- Полюса железа и магнита притягиваются друг к другу согласно правилу "N - S"
Как только железо убирают из магнитного поля - оно теряет намагниченность. А вот магнит остается магнитом постоянно благодаря особому внутреннему строению.
Другие ферромагнетики, например никель и кобальт, ведут себя аналогично. Но из-за отличий в строении атомов сила их взаимодействия с магнитами немного другая.
Магниты используются вместе с железом повсюду:
- На холодильниках и магнитных досках
- В динамиках и электродвигателях
- Для крепления оборудования при строительстве зданий из металлоконструкций
4. Эксперименты с магнитами
Чтобы лучше понять свойства магнитов, можно провести простые опыты с их участием. Например, в домашних условиях получить собственный магнит из обычного гвоздя.
Для этого возьмите гвоздь и подержите его рядом с большим подковообразным магнитом минут 5-10. Магнитное поле заставит электроны в гвозде выстроиться, и он сам на время превратится в магнит. Это временное явление называется намагничиванием.
Теперь этот гвоздь-магнит сможет поднимать скрепки, мелкие гвозди и другие металлические предметы. Но через некоторое время, когда влияние внешнего магнитного поля пропадет, гвоздь потеряет магнитные свойства.
5. Магнитные свойства веществ
Кроме ферромагнетиков, которые легко намагничиваются, есть и другие группы веществ, по-разному взаимодействующие с магнитами:
- Парамагнетики - слабо притягиваются к магниту
- Диамагнетики - слабо отталкиваются от магнита
Это связано с особенностями движения электронов в их атомах. Хоть пара- и диамагнетики почти не взаимодействуют с бытовыми магнитами, их свойства активно используются в научных исследованиях.
6. Магнитные домены
Внутри ферромагнитных материалов находятся магнитные домены. Это микроскопические области, где магнитные моменты атомов выстроены в одном направлении.
Когда внешнее магнитное поле начинает воздействовать на материал, домены поворачиваются в его направлении. Их объединение и создает видимый макроскопический эффект намагничивания.
7. Интересные факты о магнитах
Магниты удивительным образом связаны с электричеством, поэтому они нашли применение в самых разных областях:
- Сверхсильные магниты используют в ускорителях элементарных частиц
- Магнитная левитация позволяет создать поезд на магнитной подушке
- Ученые изучают магнитные бактерии, способные ориентироваться как живой компас
Также интересно, что магниты притягивает не только к железу, но и друг к другу. Ведь у них тоже есть полюса - северный и южный. Их взаимное притяжение гораздо сильнее, чем к обычным ферромагнетикам.
Это свойство часто используют, чтобы компактно хранить или перевозить магниты - они просто «склеиваются» друг с другом очень прочно. Разделить такие «склеенные» магниты без специальных инструментов практически невозможно!
