Как работает магнит

Магнит создаёт поле, которое действует на железо и другие магниты.

Поднесите обычный магнит к скрепке: она подскочит к нему, даже если между ними нет контакта. Переверните магнит другим концом, и скрепка снова притянется. А вот второй магнит при том же движении может оттолкнуться. Давайте разберём эти три результата по порядку. После этого легче понять, почему одни металлические вещи липнут к магниту, а другие нет, как работает компас и что меняется, когда по катушке пускают ток.

В статье вы узнаете:

• Что происходит со скрепкой и двумя магнитами
• Что такое магнитное поле
• Почему железо притягивается к любому концу магнита
• Какие металлы магнит притягивает
• Почему постоянный магнит не требует батарейки
• Как работает электромагнит
• Почему компас поворачивается
• Три коротких опыта, которые закрепляют объяснение
• Частые вопросы о магнитах

Что происходит со скрепкой и двумя магнитами

Для начала возьмите магнит, стальную скрепку и, если есть, второй магнит. Поднесите первый магнит к скрепке сначала одним концом, потом другим: оба обычно притягивают её. Теперь медленно сближайте два магнита. В одном положении они стремятся соединиться, а если перевернуть один из них, могут сопротивляться сближению. Не нужно давить на них, чтобы почувствовать разницу: дайте одному свободно повернуться или двигаться по гладкому столу.

У этих опытов разные участники. Скрепка из магнитящегося железного сплава обычно не имеет заметного постоянного «северного» и «южного» конца. Рядом с магнитом она временно намагничивается: её ближняя сторона становится противоположным полюсом и притягивается. Два готовых магнита уже имеют собственную устойчивую ориентацию. Если друг к другу обращены разноимённые полюса, они притягиваются; одноимённые отталкиваются.

Полюсами называют области магнита, где его действие снаружи часто заметнее всего. У обычного стержневого магнита это два конца. Их обозначают N и S. Буквы помогают предсказать взаимодействие: N рядом с S тянутся друг к другу, N рядом с N и S рядом с S стремятся разойтись. Но скрепке не надо заранее иметь метку N или S, чтобы магнит её притянул.

Что такое магнитное поле

Вокруг магнита есть область, где на другой магнит или подходящий материал действует магнитная сила. Эту область описывают словом поле. Оно не похоже на невидимый клей, который течёт из одного конца магнита в другой. Ничто не соединяет магнит и скрепку материальной нитью. Если увеличить расстояние, влияние обычно ослабевает; поэтому скрепка может не сдвинуться с места издалека, но резко приблизиться у самого магнита.

Школьные рисунки показывают поле изогнутыми линиями. Их можно увидеть косвенно, если рассыпать железные опилки вокруг магнита под листом бумаги: каждая частица ориентируется по местному полю, и вместе они дают знакомый узор. Сами линии не существуют в воздухе как проволочки. Это карта направлений, похожая на стрелки ветра на карте погоды. Там, где нарисованные линии гуще, схема обычно показывает более сильное поле.

У стержневого магнита внешние линии принято проводить от N к S. Внутри магнита они продолжаются и образуют замкнутые петли. Это помогает понять, почему нельзя достать из него один-единственный изолированный полюс обычным разрезом: у каждого получившегося куска снова будут два конца. Размер и форма нового магнита изменятся, но отдельной «северной половины» без южной не получится.

Почему железо притягивается к любому концу магнита

Внутри железа есть крошечные области, которые физики называют магнитными доменами. Национальная магнитная лаборатория США показывает, как они реагируют на внешнее поле. В каждой области магнитное действие множества атомов направлено примерно одинаково. Если разные домены направлены в разные стороны, их действие снаружи почти взаимно компенсируется. Поэтому обычная скрепка сама по себе не обязательно держит другие скрепки, как готовый магнит.

Поднесите постоянный магнит. Его поле изменяет размеры и ориентацию доменов в ближайшем железе, и их вклад начинает складываться. Скрепка получает наведённую намагниченность: её ближняя сторона ведёт себя как полюс, противоположный поднесённому концу магнита. Поэтому притяжение получается и при N, и при S. Здесь нет особого предпочтения «северной» стороны скрепки, пока она сама не стала постоянным магнитом.

После удаления магнита часть материалов почти теряет наведённую намагниченность, а часть сохраняет её. Это зависит от состава и обработки металла. Скрепка может ненадолго удерживать следующую скрепку, пока первая касается магнита; после разъединения цепочка часто распадается. Стальная игла в других условиях может запомнить направление заметнее. Поэтому одинаковые на вид металлические предметы не всегда ведут себя одинаково.

Какие металлы магнит притягивает

Железо, никель, кобальт и многие их сплавы относятся к материалам с сильной магнитной реакцией при обычных условиях. В быту чаще всего встречается железо в стали. Поэтому скрепка, гвоздь и некоторые дверцы холодильника могут хорошо держаться на магните. Медная проволока и алюминиевая фольга в том же домашнем опыте не будут заметно к нему прилипать. Это не означает, что у них вообще нет магнитных свойств: их реакция просто намного слабее и устроена иначе.

Проверять предмет лучше опытом, а не по блеску. Металл серебристого цвета может оказаться сталью, алюминием или сплавом с разным составом. Некоторые виды нержавеющей стали притягиваются, другие почти нет; по одному слову «нержавейка» нельзя сделать надёжный вывод. Монеты тоже делают из разных металлов и покрытий, поэтому одна партия магнитится, а другая нет.

Представьте кухню: магнит держит записку на дверце холодильника, но не цепляется к алюминиевой кастрюле. Разница не в «мощности» записки или толщине краски. Основа дверцы содержит магнитящийся материал; алюминий не даёт такого же сильного отклика. При этом толстый слой бумаги между магнитом и дверцей может всё-таки ослабить удержание: с ростом расстояния поле у поверхности становится слабее. Так один опыт отделяет состав материала от расстояния до него.

Почему постоянный магнит не требует батарейки

У постоянного магнита много магнитных областей сохраняют согласованное направление без внешнего питания. Он не расходует энергию как батарейка каждый раз, когда держит бумагу на холодильнике. Когда скрепка движется к магниту, меняется энергия их взаимодействия; после соединения они могут оставаться неподвижными без непрерывной электрической подпитки.

Но «постоянный» не означает вечный при любых условиях. Сильное нагревание может разрушить магнитный порядок; удары и действие другого достаточно сильного поля тоже способны ослабить некоторые магниты. Конкретная температура и стойкость зависят от материала. Обычное тепло комнаты не равно нагреванию до температуры, при которой магнит теряет свойства. Если магнит на холодильнике падает, чаще сначала проверьте расстояние, площадь контакта, покрытие дверцы и вес удерживаемого предмета.

Можно ли сделать магнит из куска железа? В некоторых материалах направление доменов удаётся частично упорядочить внешним полем. Но способ и срок сохранения зависят от вещества. Простая скрепка рядом с магнитом обычно ведёт себя как временный магнит, а специальный материал постоянного магнита удерживает направление гораздо надёжнее.

Как работает электромагнит

Магнитное поле создаёт и электрический ток. Если намотать провод витками, поля отдельных витков складываются, и получается катушка. Пока по ней идёт ток, она действует как магнит с двумя сторонами. Поменяйте направление тока, и направление поля поменяется. В устройствах это удобно: поле можно создавать, менять и убирать управлением током.

Железный сердечник внутри катушки может заметно усилить поле, потому что сам намагничивается. Но он же усложняет расчёт: его свойства зависят от материала и силы поля, а после выключения может сохраняться остаточная намагниченность. Поэтому фраза «выключили ток, и любой электромагнит мгновенно стал совсем немагнитным» слишком сильна. Для простой модели удобнее сначала рассмотреть воздушную катушку без железа.

В калькуляторе поля соленоида можно ввести число витков, ток и длину намотки. Например, 1000 витков, 1 А и 50 см дают около 2,51 мТл в центральной части длинной воздушной катушки. Если при прежней геометрии увеличить ток до 2 А, модель даст около 5,03 мТл. Это наглядная проверка: удвоили ток, удвоилось рассчитанное поле. Калькулятор не говорит, насколько сильно катушка притянет конкретную скрепку: для силы нужны ещё положение предмета, форма поля и свойства материала.

Из этого не следует, что ток можно увеличивать без конца. Провод нагревается, источник питания имеет ограничения, а катушка с сердечником может войти в режим, где прибавка тока уже не даёт такой простой прибавки поля. Для домашнего объяснения достаточно безопасного сравнения в калькуляторе; собирать мощную катушку и подключать её к сети ради проверки не нужно.

Почему компас поворачивается

Стрелка компаса сама является маленьким магнитом, которому дали возможность свободно поворачиваться. Геологическая служба США объясняет, как её ориентирует земное поле. Земля тоже создаёт магнитное поле, и стрелка выстраивается примерно вдоль него. Это не невидимая нитка от стрелки до Северного полюса. Она реагирует на поле в том месте, где находится компас.

Северный конец стрелки выстраивается вдоль горизонтальной части местного магнитного поля, поэтому показывает направление примерно к магнитному северу. Он не обязан указывать точно на географический Северный полюс: положения магнитного и географического направлений различаются, а угол между ними меняется в зависимости от места и времени. Рядом с крупным металлическим предметом, магнитом или работающим электрическим устройством показание тоже может измениться. Поэтому компас проверяют вдали от них.

Поле Земли не следует объяснять как поле огромного неподвижного стержневого магнита, спрятанного в ядре. Эта картинка полезна только для грубого представления направления. Реальное земное поле связано с движением проводящего вещества внутри планеты и меняется со временем. Наш домашний магнит и компас взаимодействуют с полем, но не раскрывают всю геофизику его происхождения.

Три коротких опыта, которые закрепляют объяснение

Опыт 1: оба конца и скрепка. Положите скрепку на стол и поднесите к ней один конец стержневого магнита, не касаясь. Запомните расстояние, при котором она сдвинулась. Повторите с другим концом. Оба конца притягивают железный предмет, хотя два магнита при некоторых ориентациях отталкиваются. Это проверяет разницу между готовыми полюсами и наведённой намагниченностью скрепки.

Опыт 2: расстояние и материал. Попробуйте притянуть скрепку через один лист бумаги, затем через несколько листов. Увеличение зазора обычно затрудняет удержание. Потом замените скрепку кусочком алюминиевой фольги. Если фольга не сдвинулась, дело уже в материале, а не просто в расстоянии. Используйте один и тот же магнит и примерно одинаковые размеры предметов, чтобы не путать причины.

Опыт 3: направления полюсов. Возьмите два небольших магнита и медленно подносите их друг к другу разными концами. Если одному дать свободно вращаться, он может повернуться и притянуться. Чтобы заметить отталкивание, удерживайте оба магнита так, чтобы они не могли развернуться, и осторожно сближайте одноимённые концы. Сила магнитов растёт по мере сближения; не используйте крупные сильные магниты, которыми легко прищемить пальцы.

После опытов мысленно замените магнит на катушку. При включённом токе она тоже создаёт поле, но его величиной можно управлять. В этом и состоит общая идея: разные источники создают магнитное поле, а предметы в нём отвечают по-разному. Железо может намагнититься и притянуться, второй магнит может притянуться или оттолкнуться, свободная стрелка компаса поворачивается.

Частые вопросы о магнитах

Магнит притягивает любой металл? Нет. Обычный бытовой магнит заметно притягивает прежде всего железо и некоторые другие ферромагнитные материалы. Алюминий и медь в таком опыте не липнут, хотя более тонкие магнитные эффекты у них существуют.

Если сломать магнит, получится отдельный N и отдельный S? Нет. У каждого куска обычного магнита снова появятся северный и южный полюса. Разрез изменит форму поля и может ослабить полезное удержание, но не отделит один полюс как самостоятельный предмет.

Почему два магнита иногда сами поворачиваются и притягиваются, хотя я хотел показать отталкивание? Если им можно вращаться, они меняют ориентацию так, что ближними оказываются разноимённые полюса. Для демонстрации отталкивания надо удерживать положение одного магнита и дать другому двигаться без свободного разворота.

Закончится ли магнитная сила, если долго держать скрепку? От самого удержания магнит не «разряжается». Его свойства могут измениться от температуры, ударов, сильного внешнего поля и старения материала, но это другие процессы.

Главное в магните не красная и синяя краска на корпусе, а поле вокруг него и магнитный порядок внутри. Скрепка намагничивается и притягивается; два готовых магнита сравнивают направления своих полюсов; катушка создаёт похожее поле, когда через неё идёт ток. Если предмет ведёт себя неожиданно, сначала выясните три вещи: из чего он сделан, какие полюса обращены друг к другу и насколько велико расстояние между ними.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.