СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

Известна железная руда — магнитный железняк. Ку­ски магнитного железняка обладают замечательным свойством притягивать к себе железные и стальные пред­меты. Это — естественные магниты. Лёгкая стрелка, сде­ланная из магнитного железняка, всегда поворачивается одним и тем же концом к северному полюсу Земли. Этот конец магнита условились считать северным полюсом, а противоположный ему — южным.

Если железный или стальной стержень привести в со­прикосновение с магнитом, стержень сам становится маг­нитом, сам будет притягивать железные опилки, стальные гвозди. Говорят, что стержень намагничивается.

Намагничиваться способны все металлы, но в разной степени. Очень сильно намагничиваются только четыре чистых металла — железо, кобальт, никель и редкий ме­талл гадолиний. Хорошо намагничиваются также сталь, чугун и некоторые сплавы, не содержащие в своём со­ставе железа, например сплав никеля и кобальта. Все эти металлы и сплавы называют ферромагнитными (от латинского слова «феррум» — железо).

Совсем слабо притягиваются к магниту алюминий, платина, хром, титан, ванадий, марганец. Намагничи­ваются они так незначительно, что без специальных при­боров обнаружить их магнитные свойства нельзя. Эти металлы получили название парамагнитных (гре­ческое слово «пара» означает около, возле).

Висмут, олово, свинец, медь, серебро, золото намагни­чиваются тоже очень слабо, но они не притягиваются маг­нитом, а наоборот, очень слабо отталкиваются от него и называются поэтому диамагнитными («диа» по - гречески значит поперёк).

Почему же одни металлы намагничиваются сильно, а другие — слабо?

Поднесём к медной проволоке, по которой течёт ток от батареи, несколько магнитных стрелок. Стрелки рас­положатся так, как показано на рисунке 13. Это значит, что на стрелки действуют магнитные силы; другими словами — вблизи проводни­ка с током возникает магнит­ное поле. Возникновение маг­нитного поля есть результат движения электрических за­рядов — электронов.

Теперь вспомним об ато­ме. Вокруг центральной ча­сти атома — ядра — дви­жутся электроны. Каждый электрон, кроме того, вра­щается и вокруг собственной оси. Каждый электрон также создаёт на своём пути маг­нитное поле.

В атомах висмута, олова и других диамагнитных ме­таллов магнитые поля отдельных электронов направлены навстречу друг другу, и действие одного поля уничто­жается действием другого. Таким образом, атомы диа­магнитного металла не имеют магнитных свойств. Но диамагнитные тела слабо отталкиваются от магнита. Почему же это происходит?

Если какое-нибудь вещество внести в поле магнита, то атомы этого вещества будут равномерно вращаться в маг­нитном поле; вращение приводит к тому, что атомы по­лучают магнитные свойства, становятся как бы малень­кими, очень слабыми магнитиками. Учёные точно рассчи­тали, что северный полюс каждого атома-магнитика ока­зывается при этом против северного полюса магнита (рис. 14). А так как одноимённые магнитные полюса от­
талкиваются, атом должен отталкиваться магнитом. Именно такой и только такой магнетизм обнаруживается у диамагнитных металлов.

Иное дело — парамагнитные и ферромаг­нитные металлы. Атомы этих металлов построены так, что отдельные магнитные поля электронов усиливают

И &

Ферромагнитные металлы

Рис. 14. Схема намагничения разных металлов.

О> о> о»

Друг друга и каждый атом уже является ма­леньким магнитиком с двумя полюсами. В чём же разница между этими двумя группами металлов?

В парамагнитных металлах атомы-магнитики распо­ложены совершенно беспорядочно (рис. 14). В магнитном поле атомы тоже начинают вращаться (это общее для всех атомов свойство), и вращение приводит к тому же, что и у диамагнитных металлов. Но диамагнетизм здесь обнаружить не удаётся, так как у парамагнитных атомов есть гораздо более сильные «собственные» магнитные по­люса (результаты наложения друг на друга магнитных полей отдельных электронов) и эти полюса будут вести себя обычным образом: северный полюс будет стремиться к южному полюсу магнита, а южный — к северному. Если
бы атомы не совершали теплового движения, они бы­стро установились бы в полном порядке (северными по­люсами к южному полюсу магнита) и парамагнитный металл можно было бы намагнитить так же сильно, как и ферромагнитный. Но при обычных температурах этого не происходит: тепловое движение всё время расшаты­вает строй атомов, и металл намагничивается очень слабо.

Иная картина наблюдается в ферромагнитных металлах.

Учёные предполагают, что ме­жду атомами ферромагнитных тел действуют особые мощные электрические силы. Благодаря наличию этих сил атомы - магнитики в опреде­лённых участках кри­сталла выстраиваются в строгом порядке и сохраняют свое расположение (рис. 14). Поэтому в кристаллах железа, кобальта, ни­келя и гадолиния есть отдельные скопления атомов, сотни миллиардов атомов, магнитные полюса которых располо­жены одинаково. Такие самопроизвольно намагниченные скопления называются доменами. Границы их можно видеть в микроскоп, если на поверхность ненамагничен - ного металла навести очень тонкую железную пыль. Пы­линки собираются у границ доменов, у полюсов (рис. 15).

Когда железо или другой ферромагнитный металл вносится в магнитное поле, полюса отдельных скоплений постепенно смещаются, пока северные полюса доменов не станут против южного полюса магнита.

Большая заслуга в развитии наших знаний о ферро­магнитных явлениях принадлежит советским учёным Н. С. Акулову, Е. И. Кондорскому и другим.

Мы уже отмечали, что тепловое движение мешает атомам-магнитикам выстраиваться в магнитном поле даже при обычных температурах. При нагревании эти «помехи» усиливаются, и чем выше температура, тем труднее намагнитить металл. Для каждого ферромаг­нитного металла существует определённая температура, при которой он уже становится парамагнитным. Эти температуры в честь открывшего их физика Пьера Кюри названы точками Кюри. Для кобальта точка

Кюри — около 1000°, для железа — примерно 750°, а для никеля — 360°.

Ферромагнитный металл намагничивается в магнитном поле. Это не значит, что для получения магнита обяза­тельно нужен естественный магнит. Получить магнит можно и с помощью электрического тока. Если железный стержень обмотать изолированной проволокой, а затем пропускать по ней ток, стержень (сердеч­ник) намагнитится (рис. 16). Полученный таким путём магнит называют электро­магнитом. Как только ток в прово­локе прекращается, электромагнит теряет свою силу — железо почти полностью размагничивается. Это свойство электро­магнита весьма денно в тех случаях, ко­гда действие магнитной силы необходимо лишь на определённое время.

Электромагниты применяются очень широко. Электромагнит — необходимая деталь телеграфного аппарата, телефона, электрического звонка, динамомашины, электромотора, электромагнитного подъ­ёмного крана.

Если сердечник электромагнита сде­лать не из железа, а из стали, то после выключения тока магнитные свойства не исчезнут, сталь не размагнитится: строе­ние этого сплава неоднородно, и поэтому восстановление прежнего беспорядка в расположении полюсов отдельных доменов затруднено. Железо легче намагнитить, чем сталь, легче его и размагнитить. Поэтому сердечники электро­магнитов делаются именно из железа, а на изготовление постоянных магнитов идёт сталь.

Постоянные магниты необходимы для изготовления компасов, радиорепродукторов, различных измеритель­ных электроприборов и т. д. Они делаются обычно из высокоуглеродистой стали. Теперь начинают приме­няться постоянные магниты из нового сильно намагничи­вающегося сплава м а г н и к о, который состоит из ко­бальта, никеля, меди, алюминия и железа. Магнико со­здан советскими металловедами А. С. Займовским и Б. Г. Лившицем.