Рукотворные магниты

В этой главе, начинающейся с флюгера Оксфордского собора,, говорится о тех магнитах, которые были сделаны людьми с помощью других магнитов.

Рукотворные магниты

Из железа изготовляют множество чрезвычайно полезных вещей. Так, Вильям Гильберт четыре столетия назад писал:

"Иное железо пригодно для панцирей, иное против выстрелов метательных орудий, иное против мечей и против стали кривых сабель (обычно называемой "цементированной сталью"); одно служит для мечей, другое нужно для лошадиных копыт. Из него делаются гвозди, крюки, задвижки, пилы, ключи, решетки, двери, створки, лопаты, палочки, подпорки, рыболовные и прочие крючки, трезубцы, горшки, треножники, наковальни, молоты, клины, цепи, ручные и ножные оковы, кирки, сечки, серпы, корзинки, заступы, мотыги, струги, грабли, сошники, вилы, чаши, чашечки, ложечки, ложки, вертелы, ножи, кинжалы, мечи, секиры, копья, дротики, пики, обоюдоострые мечи, якоря и множество нужных для мореходства предметов; кроме того, ядра, короткие копья, шипы, панцири, шлемы, нагрудники, конские подковы, поножи, проволоки, струны для музыкантов, кресла, опускные решетки, луки, баллисты и гибельные для человеческого рода бомбарды, пули и пушечные ядра и бесконечное множество неизвестных латинянам орудий".

К этому очень полному списку нужно, по-видимому, добавить, по крайней мере, еще один важнейший пункт - из железа делают магниты...

...Настоятель Оксфордского собора никак не мог понять, что от него нужно этому знаменитому Фарадею. Пришел и просит, чтобы ему отдали на исследование железную палку флюгера собора.

- И зачем вам такая старая проржавевшая палка? Того и гляди, флюгер-петух свалится с нее! Стоит, наверное на верхушке собора уже лет триста!

- Вот и хорошо,- смеясь, ответил Фарадей,- нам как раз и нужна эта заржавевшая развалина. Проследите, пожалуйста, только, чтобы, пока ее снимали и спускали вниз, не меняли бы ее вертикального положения!

Когда палку сняли и поставили вертикально во дворе собора. Фарадей с учениками поднесли к ее верхнему и нижнему концу компас. Палка флюгера оказалась магнитом - ее нижний конец был южным полюсом, верхний - северным.

В средние века было открыто, что, располагая при ковке кусок железа в направлении 'север - юг', можно намагнитить его

Еще раньше, задолго до этих событий, Гильберт заметил, что все железные колонны, стоящие вертикально в Ирландии, сами но себе становятся магнитами, причем нижний их конец - всегда южный.

Путешественники, побывавшие в Австралии, рассказывали, что там происходит то же самое - железные колонны всегда становятся магнитами. Только южный полюс у них - всегда наверху.

Точно так же, расположив железный стержень в направлении север - юг, можно через некоторое время заметить, что стержень намагничивается - конец, обращенный к югу, приобретает северную полярность и наоборот.

Корабли, стоящие на стапелях, во время постройки приобретают намагниченность за счет магнитного поля Земли и становятся таким образом гигантскими плавающими магнитами.

Все эти случаи - проявления так называемого магнетизма положения. Этот магнетизм приобретают все железные и стальные предметы, длительно лежащие в магнитном поле - будь то поле Земли или поле другого магнита. Магнетизмом положения еще в древние века пользовались кузнецы - первые люди, получавшие магниты искусственным путем, из обыкновенного железа.

Магнетизм положения является частным проявлением более общего случая. Известно, что любое железное или стальное тело, внесенное в поле магнита, само становится магнитом. К гвоздю, притянутому подковообразным школьным магнитом, притягивается бритва, к ней - скрепка и так далее.

На этом принципе основан очень полезный инструмент, применяемый сейчас некоторыми врачами, извлекающими из желудка рассеянных пациентов иглы, булавки и другие железные предметы. Этот инструмент, называемый магнитным зондом, опускается в желудок пациента. За операцией следят на рентгеновском аппарате. Секрет зонда, с помощью которого можно вынуть из желудка даже раскрытую булавку, заключается в том, что железный наконечник его является магнитом не всегда, а лишь в необходимый момент. Это происходит за счет того, что внутри зонда пропущен гибкий стальной стержень. При необходимости "включить" магнит наружный конец стержня, торчащий изо рта, подсоединяется к постоянному магниту. Стержень намагничивается и притягивает к себе застрявший предмет.

Испытание магнитной обуви

Намагничивание железных предметов от находящегося поблизости магнита доставляет и по сей день неприятности людям, по долгу службы имеющим дело с мощными магнитами и носящим золотые часы. В таких часах все железные части намагничиваются и к силе пружинки в них добавляются силы притяжения, искажающие ход часов до такой степени, что ими становится невозможно пользоваться. В конце XIX века эта проблема приобрела столь крупные масштабы, что понадобилась разработка прибора для размагничивания часов; в этом приборе использовался принцип "вышибания клина клином" - часы снова помещаются в магнитное поле, но противоположного направления.

Предприимчивая часовая компания "Валтхам", в свою очередь, выпустила в 1888 году часы, которые абсолютно не боялись никаких магнитных полей. Для испытания эти часы поместили на 15 минут у самого жерла гигантской пушки - магнита майора Кинга. На фотографии того времени можно видеть, как служащий компании держит у жерла пушки свои патентованные часы. Секрет фирмы оказался очень прост. Самым надежным экраном для предохранения железных частей механизма - пружинки, балансира - от намагничивания является само железо. Корпус часов "Валтхама" был изготовлен из обычной магнитной стали.

Искусственные магниты можно также получить, натирая куском магнитного железняка в одном направлении железные бруски. Интересно, что этим способом можно получить искусственные магниты гораздо более сильные, чем исходные.

Кстати, об естественных магнитах. Их вытачивали из кусков-магнитного железняка, и они подчас достигали значительных размеров. Самый крупный известный естественный магнит находится по сей день в Тартуском университете. Его вес 13 килограммов, а подъемная сила - 40 килограммов (в арматуре).

Испытание магнитной обуви

Одним из самых сильных естественных магнитов обладал, по преданию, Ньютон - в его перстень был вставлен магнит, поднимавший предметы, вес которых был в 50 раз больше веса магнитика.

Искусственные магниты, полученные методом натирания, стали изготавливаться в Англии еще в XVIII веке,

При изготовлении искусственных магнитов не все сорта стали вели себя одинаково - при натирании одного куска быстро получался желаемый результат, при натирании другого - намагниченность получалась ничтожной. Хорошо намагничивающиеся вещества, как правило, так же легко и размагничиваются (чистое железо); трудно намагничивающиеся вещества (сталь) остаются сильно намагниченными и после удаления внешнего магнитного поля. Первые вещества обычно называют "мягкими", вторые - "жесткими". Жесткость характеризуется "коэртцитивной силой", то есть напряженностью магнитного поля, создаваемого в пространстве намагниченным веществом, когда внешнее магнитное поле убрано.

В конце прошлого века заметили, что трехпроцентная добавка вольфрама примерно в три раза улучшает свойства искусственных магнитов. Добавка кобальта улучшает свойства еще в три раза.

Самый лучший для того времени сплав изобрели японцы в 1921 году. Металлурги Хода и Сасю предложили сплав, в который, кроме железа, входили хром, углерод, кобальт, вольфрам.

Лучшим предвоенным магнитным сплавом явился сплав "альнико" на базе алюминия, никеля и кобальта. С помощью магнитов из "альнико" можно было поднимать предметы, в 500 раз превышающие магнит по весу. При измененной технологии - при спекании порошкообразного "альнико" удалось поднять вес, превосходящий вес магнита в 4450 раз.

Еще более сильные магниты изготавливаются из сплава "магнико", в состав которого входят железо, кобальт, никель и некоторые другие добавки. Этот сплав разработан группой советских специалистов под руководством А. С. Займовского. Созданные на основе этого сплава "порошковые" магниты могут поднимать груз, более чем в 5000 раз превышающий их собственный вес.

Сравнительные размеры современных постоянных магнитов одинаковой силы. Буквы снизу обозначают марку сплава, из которого изготовлен магнит

Еще более сильными являются так называемые оксидно-бариевые магниты.

Очень интересный магнитный сплав создан недавно в Англии на базе хлорсульфированного полиэтилена, смешанного с магнитным материалом. Этот магнит - эластичный, гибкий.

Где применяются постоянные магниты? Они являются очень важной частью многих хорошо знакомых нам устройств повседневной жизни. Их можно встретить в головке звукоснимателя, громкоговорителе, электрогитаре, автомобильном электрогенераторе, в небольших моторчиках магнитофонов, в радиомикрофоне, электросчетчиках и прочих устройствах. В некоторых странах выпускаются даже "магнитные челюсти", то есть сильно намагниченные стальные челюсти, отталкивающиеся друг от друга и за счет этого не нуждающиеся в креплениях. Магниты широко применяются и в современной науке.

Самый большой в мире постоянный магнит весит 2 тонны. С помощью этого мощного магнита создается магнитное поле напряженностью 1100 эрстед в объеме примерно 10 литров. Этот магнит используется во вспомогательном оборудовании атомного реактора Чикагского университета и является частью установки для перекачивания жидких металлов.

Если в использовании постоянных магнитов существует несомненный прогресс, то теорию магнетизма и сейчас нельзя еще назвать полностью разработанной. И сейчас, хотя мы очень многое знаем о природе магнетизма и благодаря этим знаниям сумели создать ряд исключительно важных магнитных материалов, еще остаются, к сожалению, справедливыми слова великого Гильберта:

"Скорбите и плачьте, ученые, по поводу того, что ни прежние перипатетики, ни сами вульгарные философы, ни Иоанн Костей, высмеивающий все это, не могли постичь этой столь благородной и замечательной природы".

Почему же магнит притягивает? В чем сущность магнитного притяжения? Вопрос этот волнует людей уже много тысяч лет.

Тысячи лет назад кабиры - так называли бродячих фокусников Древней Греции - странствовали по своей земле и давали в тени олив удивительные представления. Одно из них всегда приковывало внимание обитателей окрестных селений. То, что делали кабиры, внушало благоговейное почтение к их тайному могуществу.

Несколько тяжелых железных колец висели, ничем не связанные друг с другом, одно под другим, не падая и не отрываясь. Казалось, могущественный Зевс, сильный и невидимый, неслышно поддерживает ладонями на весу эти кольца.

Секрет кабиров заключался в том, что кольца эти были сделаны из "геркулесова камня", добывавшегося где-то в Маниссе.

Уникальная способность магнита притягивать железные предметы ассоциировалась в воображении древних с плотской любовью, и поэтому первые объяснения притягивающего действия магнита были связаны с приписыванием магниту женского, а железу - мужского начала. Иногда считали и наоборот. Это, конечно, дела нисколько не меняло. Суть сводилась к тому, что любое "притяжение", в том числе и притяжение магнита, было механически приравнено друг к другу. Стремление пылинок к потертому янтарю, металлических колец - к магниту, мужчины - к женщине считалось явлениями одного порядка. В обширную за счет этого семью "магнитов" попали многие, весьма странные с современной точки зрения магниты. Так, в свое время писалось о "креагическом", или "мясном" магните, поскольку некоторые ученые видели, как куски мяса пристают к губе. Гильберт когда-то писал: "Пламя серы притягивает, так как оно похищает некоторые металлы, благодаря своей способности проникать внутрь их. Так, белая нефть привлекает пламя, так как она испускает и испаряет воспламеняющийся газ, почему она на некотором расстоянии и воспламеняется; таким же образом дым только что потушенной свечи воспринимает пламя от другого пламени: ведь огонь ползет к огню сквозь воспламеняющуюся среду..."

тандартный современный исследовательский электромагнит

В семейство "магнитов" попала также рыба-прилипала, морские моллюски, присосавшиеся к днищу корабля, камень "сагдон", к которому якобы притягиваются деревья, причем с такой силой, что оторвать их можно только обрубая сучья и ветви, камень "катохит", притягивающий к себе мясо (как впоследствии выяснилось, этот камень "от его липкости и присущего ему клея" пристает к теплым рукам), животные, втягивающие внутрь себя пищу.

Воображением и наблюдательностью наших предков было образовано и семейство "антимагнитов", то есть семейство существ и веществ, "отталкивающих" друг друга. В это семейство попали и антипатичные друг другу люди, и пламя свечи, отталкивающееся от магнита, и масло, отталкивающее воду, и огурец, соскальзывающий, если под него подлить растительное масло.

"...Плиний, выдающийся человек и лучший из тех, кто делал выписки (ведь он передает потомству не всегда и не преимущественно то, что он видел и открыл сам, а чужое), списал у других сказку, ставшую в новое время благодаря частым пересказам общеизвестной: в Индии, у реки Инда, есть две горы; природа одной, состоящей из магнита, такова, что она задерживает всякое железо; другая, состоящая из феамеда, отталкивает железо. Так, если в обуви имеются железные гвозди, то нет возможности оторвать подошв от одной из этих гор, а на другую нет возможности ступить. Альберт Великий пишет, что в его время был найден магнит, который одной своей стороной притягивал к себе железо, а другой, противоположной, отталкивал его",- писал Гильберт, человек, на долю которого выпало разделить все эти явления "притяжения и отталкивания" на соответствующие категории и выделить из них лишь то, что непосредственно касается магнита. Гильберт отверг всякие рассуждения о феамеде - веществе, отталкивающемся от железа. Может быть, это была ошибка Гильберта.

Сейчас хорошо известно, что есть материалы, которые магнитом отталкиваются. К их числу, например, принадлежит медь. Правда, это отталкивание очень слабо, но кто знает - не могли ли древние каким-либо образом заметить его и создать свое учение о феамеде - антимагните?

Сейчас такие вещества называют диамагнетиками.

Вещества, притягивающиеся к магниту, называют парамагнетиками и ферромагнетиками. Свойство притяжения в наибольшей степени присуще ферромагнетикам, и в первую очередь - большой тройке - железу, никелю и кобальту.

Причиной магнитных свойств сейчас единодушно считают вращение заряженных электронов вокруг ядра атома. Ведь всякое движение заряда - это электрический ток, а каждый ток создает магнитное поле.

Магнитные свойства атомов так же, как и все их свойства, подчинены периодической системе элементов Д. И. Менделеева. С изменением номера элемента в таблице Менделеева меняется и структура электронных оболочек атома. Структуры оболочек ферромагнитных атомов таковы, что все электроны, грубо говоря, вращаются в одну сторону, создавая сильный суммирующий магнитный момент. В неферромагнитных же атомах магнитные моменты электронов направлены в разные стороны, что приводит к их взаимной компенсации.

Исследовательский электромагнит для проведения экспериментов в сильных магнитных полях и при больших давлениях

В ненамагниченном ферромагнетике магнитный момент тела в целом равен нулю. Это объясняется тем, что в ферромагнетиках все атомы делятся на группы - так называемые домены. Каждый из доменов, видимый невооруженным глазом, содержит миллиарды атомов, намагниченных в одном направлении, и, таким образом, имеет солидный суммарный магнитный момент. Однако тело в целом магнитным моментом не обладает, поскольку домены в теле расположены хаотично.

Помещая тело в магнитное поле, мы приводим к тому, что все домены постепенно ориентируются в направлении внешнего магнитного поля и их магнитные свойства суммируются. Сняв внешнее магнитное поле, получим новый магнит - ферромагнитное тело, в котором все домены намагничены в одном направлении. Если мы хотим в течение длительного времени сохранить магнитные свойства "рукотворного магнита", нужно приложить усилия к тому, чтобы домены не приобрели прежнего хаотического расположения. Для этого магнит не нужно трясти и нагревать.

Почему же два намагниченных тела стремятся друг к другу? Теория говорит о том, что всякая система пытается принять такое положение, в котором ее энергия минимальна.

Почему камень падает на землю? Он падает на землю потому, что стремится занять такое положение, в котором его потенциальная энергия будет минимальна. Другими словами, камень стремится занять наиболее низкое положение и поэтому падает.

Существуют громоздкие математические формулы, говорящие о том, что суммарная энергия двух магнитов, касающихся друг друга, меньше, чем энергия магнитов, разнесенных на некоторое расстояние. Поскольку система должна занять энергетически наиболее низкое положение, магниты притягиваются друг к другу. То же самое можно сказать о магните и куске железа.

Такое объяснение универсально и просто. Если оно вас удовлетворяет, можете считать загадку магнита решенной.

Нужно отметить, однако, что поскольку современное объяснение магнетизма следует из категорий квантовой физики, то очевидно, что полная разгадка притяжения магнита наступит тогда, когда мы полностью разберемся со всеми теми процессами, которые происходят в микромире, в частности в электроне,

А электрон неисчерпаем...