Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Возникает вопрос, почему одни материалы ферромагнитны, а другие — нет. Если магнитные силы — свойства всей материи (а так оно и есть), почему микроскопические магниты чистой меди или чистого алюминия, например, не могут выстраиваться под воздействием имеющегося магнита? Очевидно, это выравнивание не может быть введено извне, без помощи, так сказать, самого вещества.

В ферромагнитных веществах (но даже в них только при определенных условиях) уже присутствует большая часть выравнивания в естественном состоянии. Микроскопические магниты стремятся сориентироваться параллельно миллиардами миллиардов, приводя к появлению концентраций на северном и южном полюсах то тут, то там внутри железа. Области, где таким образом сконцентрированы магнитные силы, называются магнитными областями.

Железо и другие ферромагнитные вещества состоят из таких магнитных областей, каждая из которых почти заметна. Хорошо размельченный порошок магнитного оксида железа, если его рассыпать по железу, будет проявлять тенденцию к тому, чтобы собираться на границах между смежными областями и делать их видимыми глазу.

Несмотря на присутствие этих областей, железо обычно не является магнитом. Это потому, что сами области сориентированы случайным образом, так что магнитная сила одних нейтрализуется магнитной силой соседних. Следовательно, контакт с обычным магнитом не ориентирует сами микроскопические магниты (это превыше его сил) — он просто ориентирует эти области. Так, ферромагнитный материал уже проделал почти всю работу по выравниванию и остается сделать только последний шаг для выравнивания, незначительный по сравнению с тем, что уже сделано для того, чтобы получить магнит.

Если ферромагнитное вещество разбить на части меньше отдельных составляющих его областей, то каждая такая часть будет представлять собой отдельную область или часть области. Микроскопические магниты в каждой из них будут полностью выровнены. Если такой порошок растворить в жидком пластике, области эти легко и с большой точностью могут быть выровнены под воздействием магнита в то время, когда эти частицы будут вращаться, преодолевая малое сопротивление жидкости (в отличие от гораздо большего сопротивления самого железа в твердом состоянии).

Если дать пластику затвердеть в то время, когда система все еще находится под действием магнита, области будут выровнены навсегда, и сформируется особо сильный магнит. Более того, таким магнитам можно придать любую форму и можно легко переделать в другую форму.

Все, что может нарушить выравнивание областей, ослабит или разрушит магнитную силу даже «постоянного» магнита. Если два магнита положить рядом, севером к северу и югом к югу, то магнитное отталкивание приведет к тому, что области постепенно будут отодвигаться друг от друга, — это разрушит выравнивание и ослабит магнитную силу (именно поэтому магниты всегда следует складывать севером к югу). С механической точки зрения, если магнит ударить молотком, то вибрация разрушит выравнивание и ослабит магнитную силу.

В особенности магнитные области разрушает возрастающая вибрация атомов, вызванная повышением температуры (см. ч. I). Фактически для каждого ферромагнитного вещества есть характеризующая его температура, выше которой выравнивание областей разрушается и при нагревании выше которой вещество соответственно теряет свои ферромагнитные свойства.

Впервые это было продемонстрировано французским физиком Пьером Кюри (1859–1906) в 1895 году, и поэтому пороговое значение температуры называется точкой Кюри. Точка Кюри обычно находится ниже точки таяния жидкости, поэтому жидкости, как правило, не ферромагнитны. Например, точка Кюри для железа — 760 C°, в то время как его точка плавления — 1539 °С. Для кобальта точка Кюри сравнительно высока — 1130 °С, в то время как для гадолиния сравнительно низка — 16 °С. Гадолиний ферромагнитен только при температурах ниже комнатной. Точка Кюри может располагаться на действительно низких температурах. Для металла диспрозия ее значение около –188 °С (85 °К), так что в диспрозии области формируются только при температурах жидкого воздуха и только тогда он становится ферромагнитным.

В некоторых веществах микроскопические магниты сами собой выравниваются, но не таким образом, что северные полюса указывают все в одном направлении. Вместо этого магниты действительно выравниваются параллельным образом, но так, что в половине случаев северные полюса указывают в одном направлении, а в половине — в другом. Такие вещества называют антиферромагнитными, и из-за того, что магнитные силы одного выравнивания аннулируются магнитными силами другого, общее магнитное поле равняется нулю. Однако может оказаться, что структура вещества будет такой, что магниты с северными полюсами в одном направлении окажутся сильнее, чем магниты с северными полюсами в другом. В этом случае будет сравнительно устойчивое магнитное поле, и такие вещества называют ферримагнитными (обратите внимание на разницу в гласной!).

Примерами ферримагнитных материалов являются ферриты. Естественно, ферримагнитный материал не может быть таким сильным магнитом, как ферромагнитный, поскольку в последнем в идеальном случае все области сориентированы в одном направлении, в то время как в первом имеет место значительная нейтрализация. Так, ферриты представляют магниты в лучшем случае в три раза слабее стального.

Ранних физиков сводил с ума поиск причины, по которой стрелка компаса показывает на север и юг. Некоторые выдумывали, что якобы на Крайнем Севере существует огромная железная гора, к которой притягивается намагниченная стрелка. В 1600 году английский физик Уильям Гильберт (1544–1603) поведал о целенаправленном эксперименте, который привел к более правдоподобному решению.

Стрелка компаса, вращаясь обычным образом, может вращаться только вокруг вертикальной оси и вынуждена оставаться совершенно горизонтальной. А если ее насадить на горизонтальную ось так, что условия позволили бы ей указывать вверх или вниз? Таким образом закрепленная стрелка (в Северном полушарии) действительно показывала север на несколько градусов ниже горизонта, в земле. Это назвали магнитным погружением.

Гильберт сделал шар из магнитного железняка и принял его за модель Земли. Он разметил полюса и принял его южный полюс, притягивавший северный полюс стрелки компаса, за арктическую область Земли, а другой — за антарктическую.

Северный полюс стрелки компаса, помещенной рядом с этим шаром из магнитного железняка, как и ожидалось, показывал «север». Однако в «северном полушарии» этого шара северный конец стрелки компаса, закрепленной соответствующим образом, тоже показывал магнитное погружение, поворачиваясь к телу сферы. Над южным полюсом «арктической области» сферы северный полюс стрелки компаса показывал прямо вниз. В «южном полушарии» сферы южный полюс стрелки компаса указывал вверх, удаляясь от тела сферы, и над «антарктической областью» указывал прямо вверх.