Почему магниты притягиваются и отталкиваются: силы, которые мы не видим

Магнит — один из тех редких предметов, который можно дать в руки ребёнку, и он сразу поймёт: это что-то особенное. Без слов.

Просто притяжение. Или отталкивание. В Средние века это считали магией. Но за этой магией — наука, довольно простая, если рассказать её понятным языком. Сегодня мы раскроем тайну магнитов: почему они прилипают друг к другу. И почему с одними металлами они магнитятся, а другие — упорно игнорируют.

Почему магниты притягиваются и отталкиваются

У каждого магнита есть два полюса: северный и южный. И вокруг магнита есть свое магнитное поле.

Вот, как видно на этой классической диаграмме из школьного учебника, магнитные силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный.

Когда вы подносите разные полюса, получается, что их магнитные поля гармонично расположены друг другу. И силовые линии одного магнита «входят» в другой.

Очень грубая аналогия, но весьма наглядная — как батон, переломленный пополам. Складывается легко.

Силовые поля сливаются. Получается общее магнитное поле, более сильное, чем было у каждого по отдельности. Вот они и притягиваются.

А вот у одинаковых полюсов магнитные поля направлены в одну стороны. И силовые линии как бы давят друг на друга. Магниты начинают отталкиваться, чтобы их поля не мешали друг другу.

Что происходит внутри магнита

Магнит — очень организованный на атомарном уровне материал. Каждый атом содержит электроны, а каждый электрон создаёт своё собственное магнитное поле.

В большинстве веществ электроны бегают кто в лес, кто по дрова. И всё магнитное поле нейтрализуется.

Представьте себе огромную футбольную команду, скажем, человек на 100, которые бегают вразнобой по футбольному полю и пинают мячи каждый как захочет. Будет ли результат? Сколько мячей попадет именно в ворота?

Внутри магнитов электроны бегают в одну вполне определенную сторону, создавая участки — домены, в которых магнитные поля складываются.

Когда домены выстроены в определенном порядке — получается постоянный магнит. А если они ориентированы вразнобой — магнит ведёт себя как обычный металл, ничего не примагничивая.

Когда вы подносите такой материал к другому магниту, он «перевоспитывает» домены, выстраивая их по себе — и тот временно становится магнитом тоже.

Вот почему магниты притягивают железо: оно поддаётся влиянию и выравнивает свои домены.

Почему магниты не притягивают все подряд

Почему же магниты избирают только некоторые металлы? И медь, и алюминий, и золото вызывает у магнита ноль эмоций. Почему?

Всё упирается в ту же самую структуру. Только ферромагнитные материалы могут уверенно взаимодействовать с магнитами. Это:

• железо,
• никель,
• кобальт,
• а также их некоторые сплавы.

А вот алюминий, медь, золото, серебро — не обладают нужной доменной структурой.

Почему магнит со временем слабеет

Да, магниты со временем теряют свои свойства.

Вот причины:

Нагрев выше так называемой температуры Кюри — и магнит теряет все свойства. Электроны начинают болтаться, как попало. А мы с вами помним, что своими свойствами магнит обязан именно целенаправленному движению электронов в одну сторону.

Температура Кюри для железа составляет примерно 770 °C. Если нагреть железный магнит выше этой температуры, то больше он притягивать не сможет. Многие магниты теряют свойство уже при +330 градусах.

Также доменные структуры можно разрушить сильным ударом или коррозией.

Сильное внешнее магнитное поле также может размагнитить материал.

И, конечно, время: потихоньку, по чуть-чуть, но магниты стареют, как и всё на свете. Даже при идеальных условиях неодимовый магнит теряет около 1% силы за 10 лет. А неодимовые магниты используются в электронике, в частности — в жестких дисках. Поэтому со временем вся электроника неизбежно требует обновления.

Можно ли размагнитить магнит в микроволновке?

Технически — да. Но вы не просто рискуете испортить магнит, а ещё и угробить микроволновку. А еще и пожар в доме устроить, ведь металл в микроволновке может искриться.

Как сделать магнит своими руками

А теперь — лайфхак. Как сделать магнит дома? На кухне, без лабораторий и Нобелевки.

Берём:

• железный гвоздь,
• медную проволоку,
• батарейку.

Наматываем провод на гвоздь (витков 300 хотя бы), подключаем к батарейке — и вуаля! Получился электромагнит. Пока идёт ток — гвоздь магнитит. Как только отключаете — всё, сказка закончилась.

Это и есть суть работы электромагнита — создается временное магнитное поле, созданное током. Кстати, принцип действия электромагнита используется повсюду — от старых дверных звонков до промышленных подъёмных кранов.

С его помощью на заводах передвигают огромные железные конструкции.

А можно ли сделать магнит с одним полюсом

Логичный вопрос: если есть северный и южный полюса, может, получится сделать магнит только с одним? Ну, знаете, чтобы прилипал, но не отталкивал.

Увы — магнит с одним полюсом, или как его называют — магнитный монополь, в природе не встречается. Почему?

Потому что линии магнитного поля не идут по прямой, как у отрезка — из точки А в точку В. А эти линии всегда замыкаются. Примерно, как траектория поезда метро на кольцевой линии.

Если вы даже разрежете магнит на две части, у вас не получится отдельно «северного» и «южного» магнитов. А у каждого снова будут два полюса.

Теоретически магнитные монополи предсказаны в некоторых серьёзных моделях физики. Но пока это лишь гипотезы.

Что такое магнитное поле Земли и почему компас указывает на север

Наша планета — тоже большой мощный магнит со своими северным и южным полюсами. У Земли есть магнитное поле. Возникает оно из-за движения расплавленного железа внутри планеты.

Именно по этой причине компас показывает на север. Его стрелка просто выравнивается вдоль силовых линий поля.

Северное сияние — самое зрелищное проявление магнитного поля Земли. Магнитное поле отклоняет заряженные частицы, идущие от Солнца, к полюсам нашей планеты. Там они сталкиваются с молекулами воздуха и возникает красивое свечение. Поэтому северное сияние обычно и наблюдают именно в полярных зонах.

Можно ли «увидеть» магнитное поле?

Да! Есть несколько способов:

Железные опилки: школьный эксперимент, где опилки выстраиваются вдоль силовых линий. Просто, зрелищно, красиво — как на заглавном фото в этой статье.

Магнитооптические плёнки: реагируют на поле, меняя цвет или прозрачность.

Датчики Холла: используются в электронике — фиксируют напряжённость поля.

Магнитометры: профессиональные приборы, измеряют поле в теслах или гауссах.