ЧТО ТАКОЕ МАГНЕТИЗМ

ПОЧЕМУ ТЕЛА НАМАГНИЧИВАЮТСЯ

Мы уже видели, что предмет из мягкого железа, при­тягиваясь к магниту, сам приобретает свойства магнита. По удалении постоянного магнита магнетизм железных предметов почти полностью пропадает. Стержень из мяг­кого железа, помещённый внутрь катушки с током, тоже становится магнитным: он притягивает к себе железные предметы. Но после выключения электрического тока он также почти полностью теряет свойства магнита. Возни­кает вопрос, что происходит внутри мягкого железа? Почему в магнитном поле оно приобретает свойства маг­нита? Иными словами, в чём причина намагничивания?

Причина этого в том, что атомы железа обладают маг­нитными свойствами. Вспомним, как устроен атом. Он состоит из положительно заряженного ядра, вокруг кото­рого вращаются электроны. Чем сложнее атом, тем больше заряд ядра и количество электронов.

Рассмотрим сначала простейший атом, состоящий из ядра и одного электрона — атом водорода (рис. И). Можно представить себе, что электрон, вращаясь по кру­говой орбите, создаёт как бы круговой электрический ток и, следовательно, подобен магнитику, т. е., иными словами, обладает магнитным моментом. В действительности дело обстоит, однако, не так просто. Учёные выяснили, что электрон вращается не только вокруг ядра, но и вокруг собственной оси, подобно тому, как Земля движется во­круг Солнца. Это осевое вращение электрона мы также
можем рассматривать как круговой электрический ток, который создаёт дополнительный магнитный момент. Сло­жив магнитные моменты, создаваемые обоими движе­ниями электронов (учитывая их направления), мы полу­чим общий магнитный момент атома. Таким образом, мы можем представить себе, что атом является как бы магнитиком — элементарным источником магнитного поля.

Ядро атома, как было установлено учёными, также имеет некоторый магнитный момент. Однако создаваемый

Ядром магнитный момент весьма мал по сравнению с маг­нитными моментами электронов. Поэтому ядерные магнит­ные моменты не оказывают заметного влияния на магнит­ные свойства атома (но изучению магнитных свойств ядра в последнее время уделяется очень большое внимание, так как это даёт возможность получить более подробные све­дения о строении ядра).

Рассмотрим теперь атомы, у которых не один, а не­сколько электронов. Исследования показали, что магнит­ные моменты, создаваемые движением по орбите и осевым вращением электронов, могут быть направлены как в одну, так и в разные стороны. В результате может слу­читься так, что магнитный момент атома в целом окажется равен нулю. Действительно, есть много таких веществ, атомы которых не обладают магнитными моментами. Таковы, например, газы гелий и неон, металлы медь, висмут, сурьма и пр. В других веществах магнитные мо­менты, создаваемые отдельными электронами, полностью
не уравновешиваются, и атомы являются элементарными магнитиками. При этом часто бывает так, что магнитные моменты, обусловленные движением электронов вокруг ядра, почти полностью уравновешивают друг друга, и атомный магнитик образуется главным образом из магнит­ных моментов, создаваемых осевым движением электро­нов. К таким веществам относятся железо, никель, кобальт, марганец и др. В «создании» элементарных магнитиков в этих веществах принимают участие не все электроны, а только те из них, которые расположены на внешних орбитах атомов.

Исследования показали, что и атомы, сами по себе не обладающие магнитным моментом, приобретают его в ре­зультате действия внешнего магнитного поля. Почему это происходит?

Если поместить такой атом в магнитное поле, то, как показывают исследования, он начнёт вращаться вокруг силовых линий подобно волчку. Это вращение равносильно возникновению дополнительного кругового электрического тока и, следовательно, вызывает появление магнитного момента. Характер вращения здесь таков, что возникаю­щий магнитный момент атома имеет направление, проти­воположное направлению внешнего поля. Это напоминает явление, обнаруженное Ленцем. Поэтому такой маг­нитный момент называется наведённым, или индуциро­ванным.

Атомы, имеющие собственный магнитный момент, также начинают вращаться во внешнем поле. Таким обра­зом, любой атом, независимо от того, уравновешиваются ли магнитные моменты электронов внутри него или нет, в магнитном поле приобретает индуцированный магнит­ный момент.

Теперь, когда вы познакомились с магнитными свой­ствами атомов, уже нетрудно понять, почему тела, состоя­щие из множества атомов, намагничиваются. В магнитном поле элементарные магнитики вещества (атомы и моле­кулы) , как собственные, так и наведённые, стремятся уста­новиться вдоль силовых линий. При этом магнитные мо­менты отдельных атомов суммируются, образуя общий магнитный момент тела. В этом и состоит сущность намаг­ничивания.

Чтобы охарактеризовать магнитные свойства различ­ных веществ, обычно вычисляют суммарный магнитный момент для единицы объёма вещества, например для одного кубического сантиметра. Эту величину называют намагниченностью.