Магнетизм – раздел физики, изучающий свойства магнитных тел и связанных с ними явлений. Магнитные свойства присущи всем материальным образованиям. Множество явлений окружающего нас мира определяется магнитными силами. Солнце, Земля и другие космические тела представляют собой своеобразные магниты. Звезды создают вокруг себя мощные магнитные поля. Такие поля могут меняться, возбуждая магнитные бури. Солнечные магнитные бури искажают показания компасов, нарушают радиосвязь, оказывают влияние на жизнедеятельность организмов и т. д.
Магнитные свойства вещества определяются характером движения электронов в его атомах или ионах. Во многих веществах, особенно в металлах, электроны совершают сложное движение по всей толще кристалла. Для того чтобы понять природу магнитных свойств вещества, нужно установить законы такого движения. Это стало возможным только после того, как появилась квантовая механика. На основе модели атома, предложенной Н. Бором, удалось объяснить, почему некоторые атомы или ионы обладают магнитным моментом. От упорядоченности и взаимной ориентации этих моментов в основном и зависят магнитные свойства вещества.
Известный советский физик-магнетолог академик С. В. Вонсовский, председатель оргкомитета Международной конференции по магнетизму, проходившей в Москве в 1973 г., подчеркивал, что универсальность магнетизма можно понять исходя из теории атомного строения.
“Как известно, – отмечал он, – атомы имеют электрическую структуру. Они состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов, вращающихся подобно планетам вокруг ядра – Солнца. Кроме того, и электроны и ядра обладают своеобразным внутренним вращением. Их орбитальное и внутреннее движения создают внутриатомные микроскопические электрические токи. Они, так же как и ток, текущий по обычным проводам, создают в окружающем пространстве магнитное поле, определяющее силы притяжения и отталкивания между носителями тока.
Отсюда следует, что каждый электрон и каждое ядро представляет собой атомный магнитик. В силу этого все тела, построенные из атомов, являются источниками магнитного поля, или, как теперь принято говорить, магнетиками. Однако такие вещества не исчерпывают собой всю окружающую нас материю. Существует еще одна важная ее форма – электромагнитная, к которой относятся как видимый свет, так и невидимые излучения -инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Они частично также обладают магнитными свойствами. Таким образом, все в окружающем мире, от элементарных частиц вещества до безграничного космического пространства, заполненного световой материей, имеет магнитную природу.
Конечно, не во всех случаях эти свойства материи достаточно ярки, чтобы их можно было легко обнаружить и измерить. Большинство тел слабомагнитны. Это обусловлено тем, что в обычных условиях все микроскопические атомные магнитики распределены в пространстве хаотически, направления их полей не упорядочены и потому результирующий эффект всего тела оказывается нулевым. И только с помощью внешних воздействий, например магнитного поля от проволочной катушки – соленоида, по которой течет достаточно сильный постоянный электрический ток, можно заставить “зазвучать” магнетизм слабомагнитного тела”.
Те тела, которые намагничиваются вдоль влияющего на них внешнего поля, называют парамагнетиками. Если же намагничивание идет против поля, то это будут диа-магнетики. Существуют вещества, в которых ниже определенной температуры возникает самопроизвольная параллельная ориентация атомных магнитиков. Это ферромагнетики. К ним относятся прежде всего железо, никель, кобальт и многочисленные их соединения. В последнее время ферромагнетизм нашли также в группе редкоземельных элементов. В хроме и марганце, в некоторых лантаноидах и их соединениях обнаружен еще один тип магнитного порядка, при котором соседние атомные магнитики ориентируются строго упорядочение, но антипараллельно друг другу. Это антиферромагнетики. Существуют два типа антиферромагнетиков – в одном наблюдается полная компенсация намагниченности тела, в другом – разностная самопроизвольная намагниченность (ферримагнетики).
Магнитные упорядоченные тела – ферро- и ферри-магнетики – нашли широкое применение в ведущих областях современной техники. Из них изготовляются мягкие и жесткие технические магнитные материалы. Мягкие являются прекрасными проводниками магнитного потока и легко поддаются малейшим внешним влияниям. Жесткие очень слабо поддаются внешним магнитным влияниям и служат хорошим источником постоянных полей, поэтому из них производят постоянные магниты.
Без магнитных материалов не было бы электротехнического машиностроения. Главные части каждого генератора, электромотора и трансформатора делают из мягких магнитных материалов – динамного и трансформаторного железа. В аппаратуре связи в качестве важнейших конструкционных элементов используются разнообразные магнитные материалы. Без них не было бы электронной вычислительной техники, магнитной звукозаписи и т. п.
Перед наукой стоит множество проблем по раскрытию неизвестных закономерностей, явлений и свойств объектов природы, обладающих магнетизмом. Большие задачи предстоит решить в области космического ‘магнетизма (происхождение магнитных полей звезд, природа магнитных полей межзвездных пространств и т. д.).
Среди небесных тел земной группы, куда входят Венера, Марс, Меркурий и куда можно отнести и спутницу нашей планеты Луну, Земля выделяется прежде всего сравнительно сильным магнитным полем. Многие считают, что благодаря этому на Земле и возникла жизнь. “Магнитный щит” ограждает нашу планету от губительных потоков заряженных космических частиц. По современным представлениям, магнитное поле Земли существует за счет движения в ее жидком ядре и ее вращения.
В настоящее время большое значение придается проблеме получения сильных и сверхсильных магнитных полей (106-108Э). Это одна из важнейших задач не только магнетизма, но и всей физики твердого тела. Coздание таких полей поможет разобраться в явлениях квантового магнетизма электронных систем твердых тел. Это, в свою очередь, сулит открытие новых перспектив для квантовой радиоэлектроники. И позволит коренным образом изменить технику мощных ускорителей и установок по созданию управляемых процессов в термоядерной плазме и т. п.
Получение сверхсильных магнитных полей сопряжено с большими трудностями. Железные сердечники, применяемые обычно для усиления магнитного поля в катушках, здесь бесполезны. Остается увеличивать ток, пропускаемый через катушки. При этом приходится сооружать систему охлаждения. Кроме того, резко возрастает механическое напряжение в витках катушки. Однако коллектив специалистов под руководством академика А. М. Прохорова создал установку “Соленоид”, предназначенную для генерирования постоянных магнитных полей силой до 150 тыс. Э. А сотрудниками Института атомной энергии имени И. В. Курчатова и Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры имени Д. В. Ефремова в содружестве со специалистами организаций Государственного комитета СССР по использованию атомной энергии удалось создать магнитную систему, на которой впервые в мире получено стационарное магнитное поле напряженностью 250 тыс. Э.
Интересные планы связаны с развитием квантовой магнетооптики. Они охватывают, в частности, методы использования магнитных веществ в качестве рабочих тел для оптических квантовых генераторов. Широкие возможности открываются на стыке магнетизма и сверхпроводимости. Можно ожидать фундаментальных открытий новых магнитных свойств сверхпроводников.
Наука о магнетизме позволяет поднять на новый уровень службу контроля. Такие важные свойства металлов, как прочность, пластичность и долговечность, находятся в прямой зависимости от структуры сплава. Малейшие изменения этой структуры вызывают изменение магнитных свойств металлов. Располагая информацией о магнитных свойствах металла, можно предсказать судьбу детали, изготовленной из определенного сплава.
Заведующий кафедрой магнетизма МГУ, профессор, доктор физико-математических наук Е. И. Кондорский, рассказывая о творческом содружестве кафедры с лабораторией физических методов исследований ЗИЛа в десятой пятилетке, отмечал:
“Совместно мы будем составлять важный для производственников атлас. Он раскроет связь магнитных и механических свойств сталей разных марок. А так же послужит ключом к расшифровке структур металлов. И подскажет путь изменения технологических циклов, позволяющий существенно улучшить качество изделий”.
Развитие магнетохимических исследований слабомагнитных веществ открывает перспективы для постановки широких исследований магнитных свойств биологических веществ. Есть все основания полагать, что в ближайшие годы магнитобиология станет одним из важнейших разделов биофизики.
Зная свойства магнита, можно будет совершить переворот в технике железнодорожного транспорта. Появятся транспортные средства с бесконтактным подвешиванием над путевым устройством, использующие эффект магнитной подушки. Они будут развивать скорость до 600 км/ч. Ряд научных организаций Москвы, Киева, Ростова и других городов ведет разработку системы высокоскоростного наземного транспорта на магнитной подвеске.
Предыдущая статья Следующая
