Египетские пирамиды глазами туриста выглядят похожими на треугольники. На фотографиях со спутника они выглядят как квадраты (см. рис. 1).

Рис. 1. Египетские пирамиды

Объемная фигура – пирамида – это не треугольник и не квадрат, но в разных проекциях она выглядит по-разному. Можно сказать, что это ее разные проявления. Такая ситуация естественна, когда в разных проекциях, с разных ракурсов, в разных системах отсчета один и тот же объект проявляется по-разному.

Например, шестерка с другого ракурса выглядит как девятка. Инженерные чертежи выполняют в трех проекциях. Чертеж детали – это три несвязанных, на первый взгляд, изображения, а слесарь по ним может изготовить эту деталь (см. рис. 2).

Рис. 2. Проекция детали в черчении

Пример из физики: движение (или его отсутствие) зависит от системы отсчета. Когда мы едем в поезде, мы одновременно и движемся, и покоимся. Движемся в системе отсчета, связанной с платформой вокзала, а покоимся относительно вагона. Если в том же поезде со стола падает яблоко, то в системе отсчета, связанной с вагоном, оно падает по прямой вниз без начальной скорости, а в системе отсчета, связанной с платформой, по параболе, как тело, брошенное горизонтально (см. рис. 3).

Рис. 3. Движение в разных системах отсчета

При решении задач мы можем рассматривать отдельно горизонтальное равномерное движение (движение поезда) и вертикальное движение с ускорением свободного падения (свободное падение яблока в вагоне). Это оказалось удобным инструментом, такие задачи мы решали, когда изучали механику.

Поместим в вагон электрический заряд, который будет неподвижен относительно вагона. Мы уже знаем, что заряд проявляется по электромагнитному взаимодействию, которое мы описываем моделью электромагнитного поля. Удобно рассматривать два его проявления: электрическое и магнитное, и они зависят от системы отсчета, в которой рассматривается заряд. В системе отсчета, в которой заряд неподвижен (например, связанной с вагоном), проявляется только электрическая составляющая. В системе отсчета, в которой он движется (связанной с платформой), проявляется магнитная составляющая.

Эти составляющие для решения задач удобно рассматривать отдельно, как мы отдельно рассмотрели две составляющие движения яблока: равноускоренное в вертикальной плоскости и равномерное в горизонтальной. Что значит «магнитное взаимодействие проявляется»? Мы имеем в виду механические силы, поддающиеся измерению, которые возникают при движении электрического заряда. Мы не вводим новой сущности, это все тот же заряд. Да, исторически магнит до некоторых пор считали отдельной сущностью, но в итоге связь нашли.

Связи между составляющими электромагнитного поля изучал в XIX веке английский ученый Максвелл, он увидел в них принципиальное единство электричества и магнетизма и создал теорию электромагнитного поля. А отдельно электрическое и магнитное поля уже описаны с помощью удобных моделей. Мы ими свободно оперируем: магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды, меняющееся магнитное поле создает электрическое поле.

Об истории исследований

Исторически сложилось так, что электрическое и магнитное поля долго изучали раздельно. Человечество проделало долгий путь от наблюдения искр, пробегающих между наэлектризованными шерстью и янтарем, до изготовления электрических приборов. Люди также издавна были знакомы с постоянными магнитами, использовали их в компасах. И только после того как электрические и магнитные явления довольно долго изучались отдельно, постепенно начали узнавать об их связи. Выяснили, что магнитное поле тоже создается электрическим зарядом, только определенным образом движущимся в данной системе отсчета, и что это два проявления одного электромагнитного поля.

Нам, живущим в XXI веке, повезло, что весь этот путь к пониманию уже давно проделан и мы можем сразу говорить об электромагнитном поле. Однако математически описать единое электромагнитное взаимодействие сложно. К тому же для отдельных его проявлений, электрического и магнитного, уже разработаны математические модели, изучены закономерности, которые подходят для решения своих задач. Поэтому мы ими свободно пользуемся и на их базе придумываем новые.

Исследование магнитных явлений позволило решить многие прикладные задачи физики и спроектировать большое количество приборов. Магниты используются в электрических измерительных приборах, электродвигателях, в записывающих устройствах (раньше были популярны аудио- и видеокассеты на магнитной ленте, сейчас она используется кое-где в цифровых хранилищах). Сильные магнитные поля используются в аппаратах МРТ (магнитно-резонансной томографии, одном из способов визуализации мягких тканей организма), в ускорителях элементарных частиц, например в знаменитом Большом адронном коллайдере.

Почему вообще постоянный магнит является магнитом? Он состоит из «элементарных магнитов», которые поворачиваются. Что представляют собой эти элементарные магниты – разберемся чуть позже. А пока логично, что много маленьких магнитиков вместе собираются в один большой. Но из таких маленьких магнитиков состоит любой кусок железа, а ведь не всякий кусок железа – магнит. Почему так? Чтобы магнитное поле маленьких магнитиков «собралось» в сильное магнитное поле большого магнита, они должны быть одинаково ориентированы, в одном направлении. И выстраиваются они под действием внешней силы. Поэтому кусок железа может намагнититься, полежав рядом с другим магнитом, и «размагнититься», когда элементарные магниты становятся ориентированы хаотично.

Вспомним свойства постоянных магнитов. Примеры таких магнитов: стрелка компаса, плоский (полосовой) или подковообразный магниты, сувенирный магнит на холодильнике и т. п. Магниты притягивают железные предметы (гвозди, скрепки и т. п.). Сила притяжения полосового магнита наибольшая у его концов, которые называют полюсами. Оказывается, Земля – это огромный магнит. Если подвесить полосовой магнит за его середину, то он повернется так, что один его конец будет направлен в сторону географического северного полюса Земли, этот конец магнита называют его северным полюсом (обозначили букой N – north), а другой, соответственно, южным (обозначили S – south) (см. рис. 4).

Рис. 4. Компас в магнитном поле Земли и стороны света

Получили простейший магнитный компас, осталось поместить магнит в удобный корпус и добавить разметку. Китайцы уже к XII веку знали о свойствах магнита и пользовались компасом в навигации.

Земля как огромный магнит. Компас

Магнитное поле Земли обнаружили по взаимодействию с магнитной стрелкой. Считается, что магнитное поле генерируют токи в жидком ядре Земли (рис. 5 а). Эти токи вызваны вращением планеты и конвекцией расплавленного металла. Поле достаточно слабое, железные предметы не стягиваются к магнитным полюсам, но его достаточно для поворота стрелки компаса.

Мы назвали северным полюсом магнитной стрелки тот, который указывает в направлении географического севера. Логично. Но мы уже выяснили, что притягиваются противоположные полюса, значит, там находится южный магнитный полюс Земли. А вблизи южного географического полюса находится северный магнитный (рис. 5 б). Для нас, понимающих, как взаимодействуют магниты, противоречия нет.

а

б

Рис. 5. Магнитное поле Земли

Магнитные полюса немного сдвинуты относительно географических, поэтому вблизи полюсов компасом нужно пользоваться осторожно: мы от него ожидаем направления на географические полюса, а он указывает на магнитные. К тому же и магнитный полюс – это не точка, а целая область, и внутри этой области полюс будет «вокруг» исследователя, или под его ногами, поэтому и там показания компаса будут неточными. В остальной части Земли, как раз наиболее заселенной, компас указывает правильные направления (достаточно точные для того, чтобы использовать их для решения практических задач).

В отталкивании и притяжении полюсов разных магнитов мы уловили закономерность и определили, что полюсов два типа. Одноименные полюса разных магнитов отталкиваются друг от друга, разноименные притягиваются. Этим свойством полюса магнитов напоминают положительные и отрицательные электрические заряды. Однако есть важное различие: положительные и отрицательные электрические заряды могут существовать независимо друг от друга, а северный и южный полюсы магнита отделить нельзя. На сколько частей мы бы ни разделили магнит, у каждой части будет два полюса.

До сих пор мы мало касались вопроса, как магнитное поле взаимодействует с разными веществами. Магнитное поле – это составляющая электромагнитного поля заряда, а заряды содержатся в любом атоме вещества. Но структура большинства веществ такова, что магнитные свойства на макроуровне не проявляются, такие вещества можно условно назвать немагнитными.

Одно из веществ с ярко выраженными магнитными свойствами – железо. Как мы уже упоминали, кусок железа (например, гвоздь) можно намагнитить, ударив его магнитом или проведя магнитом по нему. Железо намагничивается, просто пролежав достаточно долго возле магнита. Так естественные магнитные материалы, например магнитный железняк, стали магнитами, потому что долго подвергались действию магнитного поля Земли.

Материалы, названные магнитно-мягкими, такие как железо, легко намагничиваются, но так же легко и теряют магнитные свойства, особенно при нагревании (почему при нагревании – станет ясно чуть позже). Магнитно-мягкие материалы используют в сердечниках трансформаторов, генераторов и электромоторов. Кроме железа, к таким материалам относятся никель, железно-никелевые сплавы и ферриты (смеси оксидов никеля или магния с оксидом железа). Кстати, ферриты не проводят электрический ток, и поэтому их используют в устройствах с высокочастотными токами. Мы в младших классах рассматривали, как при изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле, и к этому вопросу мы еще вернемся. Так как ферриты не проводят ток, то в них это поле не создает паразитных вихревых токов.

Материалы, намагниченность которых стабильно сохраняется, назвали магнитно-твердыми. Такие материалы используют для производства постоянных магнитов. Чаще всего это сплавы железа, кобальта и никеля с добавлением алюминия, меди или других цветных металлов. Добавление редкоземельных элементов самария и неодима позволяет производить очень сильные постоянные магниты. Неодимовые магнитные цилиндры и шары вы могли встречать в детских конструкторах и в довольно тяжелых магнитных сувенирах, навешиваемых на холодильник.

Чем можно объяснить магнитные свойства веществ? Магнитное проявление электромагнитного поля наблюдается в системах отсчета, в которых заряд движется. Но магнитные свойства постоянного магнита мы наблюдаем независимо от того, движется он или нет. Как это объяснить? В постоянном магните много зарядов, и нет такой системы отсчета, в которой бы все заряды покоились. Они в любом случае подвижны, поэтому будет проявляться магнитное поле (см. рис. 6).

Рис. 6. Структура вещества

Проследить движение одного электрона, а тем более огромного количества электронов, невозможно. Поэтому придумали модель – спин электрона как характеристику собственного вращения. Это понятие используют в квантовой механике, нам же сейчас важно, что им описывают собственное магнитное поле, создаваемое электроном. Орбитальные электроны атома обычно образуют пары с противоположными спинами, так что магнитные поля электронов такой пары уничтожают друг друга. Поэтому большинство веществ не являются магнитами.

Но у атомов некоторых веществ не все электроны создают пары с противоположными спинами и суммарное магнитное поле электронов атома не равно нулю. Такие вещества называют ферромагнетиками. Расположенные близко друг к другу атомы ферромагнетика стремятся ориентироваться так, чтобы их магнитные поля были параллельны (подобно тому как стрелка компаса поворачивается параллельно земному магнитному полю) (см. рис. 7).

Рис. 7. Расположение магнитных моментов атомов у ферромагнетиков

Так образуются небольшие области (от 10^-4 до 0,1 см в поперечнике), которые являются микроскопическими магнитами – мы уже упоминали, что из них состоит постоянный магнит. Эти области назвали доменами – в переводе с французского это «владение» (в Средневековье – феодальное), а истоки слова ведут к праиндоевропейскому «дом». Если домены ориентированы случайно, собственное магнитное поле вещества близко к нулю. Если приложено магнитное поле, его может оказаться достаточно, чтобы магнитные домены ориентировали свои магнитные поля в направлении внешнего поля. Ферромагнетик магнетизируется (см. рис. 8).

Рис. 8. Ориентация доменов в ферромагнетиках

В магнитно-твердых материалах такая упорядоченность доменов сохраняется и после удаления внешнего поля. Так образуются постоянные магниты. В магнитно-мягких материалах упорядоченность нарушается, например из-за теплового движения в доменах – помните, мы говорили, что намагниченность особенно быстро пропадает при нагревании? Не все вещества, проявляющие магнитные свойства, повторяют свойства ферромагнетиков. Выделяют еще много типов веществ в зависимости от решаемых задач – об этих веществах подробнее в ответвлении.

Типы магнитных веществ

В упрощенной классификации вещества можно разделить на те, которые не взаимодействуют с магнитами, и те, которые взаимодействуют. Взаимодействуют – имеем в виду, притягиваются к магниту, намагничиваются и сохраняют собственное магнитное поле. Эту группу веществ выделили как ферромагнетики, а в зависимости от того, насколько стабильно они сохраняют собственное магнитное поле, разделили на магнитно-мягкие и магнитно-твердые. Остальные вещества, можно считать, с магнитами практически не взаимодействуют, и их можно объединить в группу немагнитных веществ.

Часто такой классификации бывает достаточно. Оказывается, многие вещества, которые мы договорились считать немагнитными, все же немного намагничиваются, только против внешнего магнитного поля.

Рис. 9. Диамагнетики

То есть в них возникает магнитное поле, ориентированное противоположно внешнему магнитному полю, и такие вещества отталкиваются от магнитов, их объединили в группу диамагнетиков (см. рис. 9). Такими свойствами обладает большинство всех материалов, от инертных газов до биологической ткани человека. Это отталкивание очень слабое, но в сильном внешнем поле оно проявляется.

Можно выделить вещества, которые намагничиваются вдоль внешнего магнитного поля, как ферромагнетики, но намагничиваются очень слабо, как диамагнетики. При решении ряда задач бывает важно, как эти свойства объясняются структурой вещества. Атомы некоторых веществ, таких как алюминий, платина, хлорное железо, обладают небольшими магнитными моментами, которые ориентированы хаотично, а при наличии внешнего поля выстраиваются вдоль этого поля. Такие вещества назвали парамагнетиками. В некоторых других веществах, например сульфатах, карбонатах и фторидах железа, марганца, никеля магнитные моменты направлены не хаотично, они четко структурированы. Но при этом магнитные моменты соседних атомов направлены антипараллельно, поэтому такие вещества также намагничиваются очень слабо. Их назвали антиферромагнетиками (см. рис. 10).

Рис. 10. Ориентация магнитных моментов атомов в других типах магнтитных веществ

Таких типов можно выделить еще много, и эта классификация условна. Она зависит от того, на какие свойства вещества мы обращаем внимание и в каких частных случаях их проявление мы считаем важным.