Введение

Магнетизм – это класс физических явлений, возникающих посредством магнитного поля, которое позволяет объектам притягиваться или отталкиваться друг от друга. Поскольку как электрические токи, так и магнитные моменты элементарных частиц создают магнитное поле, магнетизм является одним из двух аспектов электромагнетизма. Наиболее заметные эффекты наблюдаются в ферромагнитных материалах, которые сильно притягиваются магнитными полями и могут быть намагничены, становясь постоянными магнитами, создающими собственные магнитные поля. Также возможна демагнетизация магнита. Ферромагнитными являются лишь немногие вещества; наиболее распространенными из них являются железо, кобальт и никель и их сплавы. Все вещества проявляют ту или иную форму магнетизма. Магнитные материалы классифицируются в соответствии с их объемной восприимчивостью. Ферромагнетизм обуславливает большинство эффектов магнетизма, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, но на самом деле существует несколько типов магнетизма. Парамагнитные вещества, такие как алюминий и кислород, слабо притягиваются к приложенному магнитному полю; диамагнитные вещества, такие как медь и углерод, слабо отталкиваются; в то время как антиферромагнитные материалы, такие как хром, демонстрируют более сложную зависимость от магнитного поля. Сила, действующая на парамагнитные, диамагнитные и антиферромагнитные материалы, обычно слишком мала, чтобы быть ощутимой, и может быть обнаружена только с помощью лабораторных приборов, поэтому в повседневной жизни эти вещества часто описываются как немагнитные. Интенсивность магнитного поля всегда уменьшается с увеличением расстояния от магнитного источника, хотя точная математическая зависимость между интенсивностью и расстоянием может варьироваться. На магнитное поле объекта могут влиять многие факторы, включая магнитный момент материала, физическую форму объекта, величину и направление любого электрического тока, присутствующего в объекте, и температуру объекта.

Диамагнетизм

Диамагнетизм проявляется во всех материалах и представляет собой тенденцию материала противодействовать приложенному магнитному полю и, следовательно, отталкиваться от него. Однако в материале с парамагнитными свойствами (то есть, с тенденцией к усилению внешнего магнитного поля) парамагнитное поведение преобладает. Таким образом, несмотря на его универсальность, диамагнитное поведение наблюдается только в чисто диамагнитном материале. В диамагнитном материале отсутствуют неспаренные электроны, поэтому собственные магнитные моменты электронов не могут создавать макроскопический эффект. В этих случаях намагниченность возникает из-за орбитальных движений электронов, которые можно классически объяснить следующим образом:

Когда материал помещают в магнитное поле, электроны, вращающиеся вокруг ядра, испытывают, помимо кулоновского притяжения к ядру, силу Лоренца со стороны магнитного поля. В зависимости от направления орбиты электрона, эта сила может увеличивать центростремительную силу, притягивая электроны к ядру, или уменьшать её, отталкивая электроны от ядра. Этот эффект систематически увеличивает орбитальные магнитные моменты, ориентированные против поля, и уменьшает моменты, ориентированные вдоль поля (в соответствии с законом Ленца). Это приводит к небольшому результирующему магнитному моменту, направленному противоположно приложенному полю. Данное описание следует рассматривать лишь как эвристическое; теорема Бора — Ван Леувена показывает, что диамагнетизм невозможен согласно классической физике, и для его правильного понимания необходимо квантовомеханическое описание. Все материалы подвержены этой орбитальной реакции. Однако в парамагнитных и ферромагнитных веществах диамагнитный эффект маскируется гораздо более сильными эффектами, вызванными неспаренными электронами.

Парамагнетизм

В парамагнитном материале присутствуют неспаренные электроны, то есть атомные или молекулярные орбитали, содержащие ровно один электрон. В то время как принцип исключения Паули требует, чтобы магнитные моменты спаренных электронов (собственные, или "спиновые") были направлены в противоположные стороны, что приводит к взаимному гашению их магнитных полей, неспаренный электрон свободен ориентировать свой магнитный момент в любом направлении. При приложении внешнего магнитного поля эти магнитные моменты будут стремиться выстроиться по направлению приложенного поля, тем самым усиливая его.

Ферромагнетизм

Ферромагнетик, как и парамагнитное вещество, содержит неспаренные электроны. Однако, помимо тенденции собственного магнитного момента электронов ориентироваться параллельно приложенному полю, в этих материалах также существует тенденция к тому, чтобы эти магнитные моменты ориентировались параллельно друг другу для поддержания состояния с более низкой энергией. Таким образом, даже в отсутствие приложенного поля магнитные моменты электронов в материале спонтанно выстраиваются параллельно друг другу. Каждое ферромагнитное вещество характеризуется своей индивидуальной температурой, называемой температурой Кюри или точкой Кюри, выше которой оно теряет свои ферромагнитные свойства. Это происходит потому, что тепловое стремление к беспорядку подавляет понижение энергии, обусловленное ферромагнитным упорядочением. Ферромагнетизм наблюдается лишь в небольшом числе веществ; к распространенным относятся железо, никель, кобальт, их сплавы и некоторые сплавы редкоземельных металлов.

Магнитные области

Магнитные моменты атомов в ферромагнитном материале заставляют их вести себя подобно крошечным постоянным магнитам. Они притягиваются друг к другу и выстраиваются в небольшие области более или менее однородного выравнивания, называемые магнитными доменами или доменами Вайсса. Магнитные домены можно наблюдать с помощью магнитно-силового микроскопа, чтобы увидеть границы магнитных доменов, напоминающие белые линии на схеме. Существует множество научных экспериментов, позволяющих физически продемонстрировать магнитные поля. Когда домен содержит слишком много молекул, он становится нестабильным и разделяется на два домена, выровненных в противоположных направлениях, чтобы обеспечить более стабильное соединение. Под воздействием магнитного поля границы доменов перемещаются, в результате чего домены, выровненные по направлению магнитного поля, растут и доминируют в структуре (пунктирная жёлтая область), как показано слева. При снятии намагничивающего поля домены могут не вернуться в не намагниченное состояние. Это приводит к тому, что ферромагнитный материал намагничивается, образуя постоянный магнит. При достаточно сильном намагничивании, когда преобладающий домен захватывает все остальные, образуется единственный домен, и материал достигает магнитного насыщения. При нагревании намагниченного ферромагнитного материала до температуры точки Кюри молекулы приходят в такое возбуждённое состояние, что магнитные домены теряют свою упорядоченность, и вызванные ими магнитные свойства исчезают. При охлаждении эта структура выравнивания доменов спонтанно восстанавливается, подобно тому, как жидкость может замерзнуть, образуя кристаллическое твёрдое тело.

Антиферромагнетизм

В антиферромагнетике, в отличие от ферромагнетика, наблюдается тенденция к тому, чтобы собственные магнитные моменты соседних валентных электронов были направлены в противоположные стороны. Когда все атомы в веществе расположены таким образом, что каждый сосед ориентирован антипараллельно, вещество является антиферромагнитным. Антиферромагнетики характеризуются нулевым результирующим магнитным моментом, поскольку смежные противоположно направленные моменты взаимно компенсируются, что означает отсутствие создаваемого ими магнитного поля. Антиферромагнетики встречаются реже, чем другие типы магнитного поведения, и обычно наблюдаются при низких температурах. При изменении температуры антиферромагнетики могут проявлять диамагнитные и ферромагнитные свойства. В некоторых материалах соседние электроны предпочитают ориентироваться в противоположных направлениях, однако не существует геометрической структуры, в которой каждая пара соседей была бы антипараллельно выровнена. Это явление называется антиферромагнетиком с наклоном или спиновым льдом и является примером геометрической фрустрации.

Ферримагнетизм

Как и ферромагнетики, ферримагнетики сохраняют свою намагниченность в отсутствие внешнего поля. Однако, подобно антиферромагнетикам, соседние пары электронных спинов стремятся быть ориентированными в противоположных направлениях. Эти два свойства не противоречат друг другу, поскольку при оптимальной геометрической конфигурации магнитный момент подрешетки электронов, ориентированных в одном направлении, больше, чем магнитный момент подрешетки, ориентированной в противоположном направлении. Большинство ферритов являются ферримагнитными материалами. Первое открытое магнитное вещество, магнетит, является ферритом и изначально считалось ферромагнетиком; однако Луи Нель опроверг это после открытия ферримагнетизма.

Суперпарамагнетизм

Когда ферромагнит или ферримагнит достигает достаточно малых размеров, он ведёт себя как единый магнитный момент, подверженный броуновскому движению. Его отклик на магнитное поле качественно аналогичен отклику парамагнетика, но значительно сильнее.

Магнетизм Нагаоки

Японский физик Йосуке Нагаока теоретически предсказал тип магнетизма в квадратной двумерной решетке, где каждый узел решетки содержит один электрон. Удаление одного электрона при определенных условиях приводило к минимальной энергии решетки только при параллельном ориентировании спинов всех электронов. Экспериментальная реализация этого была достигнута путем организации атомов в треугольную решетку моаре, состоящую из монослоев диселенида молибдена и дисульфида вольфрама. Приложение слабого магнитного поля и напряжения приводило к ферромагнитному поведению при концентрации электронов на 100–150% превышающей количество узлов решетки. Избыточные электроны делокализовались и образовывали пары с электронами решетки, формируя дублоны. Делокализация подавлялась, если спины электронов решетки были выровнены. Таким образом, образовавшиеся дублоны создавали локализованные ферромагнитные области. Наблюдение этого явления произошло при температуре 140 милликельвинов.

Электромагнит

Электромагнит – это тип магнита, в котором магнитное поле создается электрическим током. Магнитное поле исчезает при отключении тока. Электромагниты обычно состоят из большого количества плотно расположенных витков провода, создающих магнитное поле. Эти витки часто наматываются на магнитный сердечник из ферромагнитного или ферримагнитного материала, такого как железо; магнитный сердечник концентрирует магнитный поток и усиливает магнитное поле. Главное преимущество электромагнита перед постоянным магнитом заключается в возможности быстро изменять магнитное поле, регулируя силу электрического тока в обмотке. Однако, в отличие от постоянного магнита, не требующего источника питания, электромагнит нуждается в постоянной подаче тока для поддержания магнитного поля. Электромагниты широко используются в качестве компонентов других электрических устройств, таких как двигатели, генераторы, реле, соленоиды, громкоговорители, жесткие диски, аппараты МРТ, научные приборы и оборудование для магнитной сепарации. Электромагниты также применяются в промышленности для подъема и перемещения тяжелых железных объектов, например, металлолома и стали. Электромагнетизм был открыт в 1820 году.

Магнетизм, электричество и специальная теория относительности

В результате теории специальной относительности Эйнштейна, электричество и магнетизм фундаментально взаимосвязаны. Как магнетизм без электричества, так и электричество без магнетизма, не согласуются со специальной теорией относительности из-за таких эффектов, как сокращение длины, замедление времени и зависимость магнитной силы от скорости. Однако, при одновременном рассмотрении электричества и магнетизма, результирующая теория (электромагнетизм) полностью соответствует специальной теории относительности. В частности, явление, которое одному наблюдателю представляется чисто электрическим или чисто магнитным, для другого может оказаться их смесью, или, в более общем смысле, относительный вклад электричества и магнетизма зависит от системы отсчета. Таким образом, специальная теория относительности "объединяет" электричество и магнетизм в единое, неразделимое явление, называемое электромагнетизмом, подобно тому, как общая теория относительности "объединяет" пространство и время в пространство-время. Все наблюдения в области электромагнетизма применимы и к тому, что можно рассматривать как преимущественно магнитные явления, например, возмущения в магнитном поле неизбежно сопровождаются ненулевым электрическим полем и распространяются со скоростью света.

Магнитные диполи

Очень распространенным источником магнитного поля в природе является диполь, имеющий "южный полюс" и "северный полюс" – термины, восходящие к использованию магнитов в качестве компасов, взаимодействующих с магнитным полем Земли для указания направлений на север и юг. Поскольку противоположные полюса магнитов притягиваются, северный полюс магнита притягивается к южному полюсу другого магнита. Северный магнитный полюс Земли (в настоящее время расположен в Северном Ледовитом океане к северу от Канады) физически является южным полюсом, так как он притягивает северный полюс компаса. Магнитное поле содержит энергию, и физические системы стремятся к конфигурациям с более низкой энергией. При помещении диамагнитного материала в магнитное поле магнитный диполь стремится выровняться противоположно направлению поля, тем самым уменьшая общую напряженность поля. При помещении ферромагнитного материала в магнитное поле магнитные диполи выстраиваются по направлению приложенного поля, что приводит к расширению границ магнитных доменов.

Магнитные монополи

Поскольку постоянный магнит получает свой ферромагнетизм от электронов, равномерно распределенных по всему магниту, при разрезании постоянного магнита пополам каждая из полученных частей становится меньшим постоянным магнитом. Хотя говорят, что у магнита есть северный и южный полюса, эти два полюса нельзя разделить друг от друга. Монополь – если такая частица существует – был бы новым и принципиально иным типом магнитного объекта. Он действовал бы как изолированный северный полюс, не связанный с южным полюсом, или наоборот. Монополи несли бы «магнитный заряд», аналогичный электрическому заряду. Несмотря на систематические поиски, начатые в 1931 году, по состоянию на 2010 год они так и не были обнаружены и вполне могут не существовать. Тем не менее, некоторые теоретические физические модели предсказывают существование этих магнитных монополей. Пол Дирак в 1931 году заметил, что поскольку электричество и магнетизм проявляют определенную симметрию, подобно тому, как квантовая теория предсказывает, что отдельные положительные или отрицательные электрические заряды могут наблюдаться без противоположного заряда, изолированные южные или северные магнитные полюса должны быть наблюдаемыми. Используя квантовую теорию, Дирак показал, что если магнитные монополи существуют, то можно объяснить квантование электрического заряда, то есть, почему наблюдаемые элементарные частицы несут заряды, кратные заряду электрона. Некоторые великие объединяющие теории предсказывают существование монополей, которые, в отличие от элементарных частиц, являются солитонами (локализованными энергетическими пакетами). Первоначальные результаты использования этих моделей для оценки количества монополей, образовавшихся при Большом взрыве, противоречили космологическим наблюдениям – монополей было бы настолько много и они были бы настолько массивными, что давно остановили бы расширение Вселенной. Однако идея инфляции (которая частично мотивировалась этой проблемой) успешно решила ее, создав модели, в которых монополи существуют, но их количество достаточно мало, чтобы соответствовать современным наблюдениям.

Живые существа

Некоторые организмы способны обнаруживать магнитные поля, явление, известное как магнитоцепция. Некоторые материалы в живых организмах являются ферромагнитными, однако неясно, служат ли магнитные свойства какой-либо особой цели или являются лишь побочным продуктом содержания железа. Например, хитоны, вид морских моллюсков, производят магнетит для укрепления своих зубов, и даже у людей магнетит образуется в тканях организма. Магнитобиология изучает воздействие магнитных полей на живые организмы; поля, генерируемые самими организмами, называются биомагнетизмом. Поскольку многие биологические организмы в основном состоят из воды, а вода является диамагнетиком, чрезвычайно сильные магнитные поля могут отталкивать эти живые существа.