Магнети́зм — форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля. Наряду с электричеством, магнетизм — одно из проявлений электромагнитного взаимодействия. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля).
История
Древнее время
Китай
Существуют различные сведения о первом упоминании магнитов, обычно рассматривающихся в истории Древнего мира в контексте компаса или религиозных культов. Согласно одним оценкам, магнетит или магнитный железняк впервые был открыт в Китае за четыре тысячи лет до н. э. При этом отмечается, что западным исследователям свойственно отдавать приоритет в открытии магнетизма древним грекам. Первые упоминания в летописях о применении магнитных материалов восходят к третьему тысячелетию до н. э., когда легендарный китайский император Хуан-ди использовал компас во время битвы. Однако по иной версии, он использовал так называемые колесницы, указывающие на югМагнитный компас не следует путать с другим китайским изобретением — колесницей, указывающей на юг, в которой использовалась дифференциальная передача (см. ).. Китайские мореплаватели конца второго тысячелетия до н. э. использовали компас для морской навигации. В целом, время его изобретения оценивается между 2637 и 1100 годами до н. э.Приоритет китайцев в изобретении компаса оспаривается некоторыми учёными: один из объектов культуры ольмеков, выглядящий как полированная трубка длиной 3,5 см и датируемая 1400—1000 гг. до н. э. предположительно, является магнитным компасом (см. ; ). Компас в виде ложки на гладкой поверхности (, zhǐ nán zhēn — ложка, смотрящая на юг) использовался в династии Хань (III век до н. э.) для предсказаний. Согласно иной версии, первое упоминание магнита и магнитного компаса было сделано лишь в IV веке до н. э. в «Книге владельца Долины дьявола», а сам компас уже тогда выглядел как использовавшийся век спустя в фэншуе. Притяжение магнитом железа объяснялось с позиции проявления высших сил:
Если ты думаешь, что как магнитный железняк может притягивать железо, ты так же можешь заставить его притянуть куски керамики, то ты заблуждаешься… Магнитный железняк может притягивать железо, но не взаимодействует с медью. Таково движение Дао.
Яков Перельман в «Занимательной физике» отмечал, что китайское название магнита цы-ши () переводится как «любящий камень» за притяжение железа, подобное отношениям между матерью и ребёнком. Однако подобные аналогии воздействия магнита на железо имеются и в других языках.
Индия Плиний Старший в своём труде Naturalis Historia упоминал о горе возле реки Инд (), которая притягивала железо. Индийский врач Сушрута, живший в VI веке до н. э., применял магниты в хирургических целях. Происхождение индийского компаса доподлинно неизвестно, но он упоминался уже в VI веке нашей эры в некоторых тамильских книгах по морской навигации под названием «рыбья машина» (). В военном руководстве, датируемом 1044 годом был описан подобный компас в виде рыбы с головой из намагниченного железа, помещённой плавать в чашу.
Греция Магнетит был хорошо известен древним грекам. Тит Лукреций Кар в своём сочинении «О природе вещей» (, I век до н. э.) писал, что камень, притягивающий железо назывался в Греции магнитом по имени провинции Магнисия в Фессалии. По версии Плиния Старшего, слово «магнит» произошло от имени пастуха Магнеса
гвозди из обуви которого и наконечник его посоха были притянуты магнитным полем, когда он вывел на пастбище своё стадо.
Другое греческое название магнита — «Геркулесов камень».
Первые греческие письменные упоминания магнетита относятся к VIII веку до н. э. Фалес Милетский (VII—VI вв. до н. э.) первым обратил внимание, что он притягивает железо. Различные философские школы объясняли его необычные свойства по-своему. Фалес и Анаксагор считали, что магнетит обладает душой, тянущейся к железу. Современник Анаксагора, Диоген из Аполлонии считал, что железо имеет некую «влажность» и магнит поглощает её. По иным теориям, магниты выделяли некоторые испарения, приводившие к наблюдавшимся результатам. Эмпедокл Акрагантский полагал, что магнитное взаимодействие имеет механическую природу, и для его проявления необходим прямой контакт между магнитом и железом. Эффект появления силы притяжения у железных колец, притянутых к магниту, был отмечен Сократом. Четыре века спустя, Лукреций Кар первым отметил, что магнитные материалы могут отталкиваться.
Средние века и эпоха Великих географических открытий Во времена средневековья накопление новых знаний и теорий о природе магнетизма практически отсутствовало. Лишь некоторые западноевропейские католические монахи высказывали определенные теологические предположения. Но в народном творчестве различных стран (не только европейских, но и арабских: см. «Тысяча и одна ночь») иногда упоминались магнитные горы или острова, способные притягивать все металлические предметы вокруг.
Согласно одной из европейских легенд, магнитный компас изобрёл бедный ювелир Флавио Джойя, чтобы жениться на дочери богатого рыбака Доменико. Отец не желал себе такого зятя и поставил условие научиться плавать по прямой линии в тумане ночью. Находчивый ювелир заметил, что пробка с лежащим на ней магнитным камнем, помещённая в чашку с водой всегда ориентируется в одну сторону, и сумел выполнить сложное задание. В действительности же, «ювелиром» был папский секретарь Флавио Бьондо, в 1450 году описавший знание жителей Амальфи о компасе.
Впервые в Европе компас был упомянут в 1187 году англичанином Александром Неккамом в своих трудах De utensilibus и De naturis rerum.
Развитие магнетизма как науки
Угол, на который отклоняется магнитная стрелка от направления север — юг, называют магнитным склонением. Христофор Колумб установил, что магнитное склонение зависит от географических координат, что послужило толчком к исследованию этого нового свойства магнитного поля Земли.
Одним из первых эксперименты с магнитами начал проводить иезуит Леонардо Гарцони еще в XVI в. Практически все накопленные к началу XVII века сведения о магнитах подытожили в 1589 году книгой «Естественная магия» Джамбаттиста делла Порта и в 1600 году Уильям Гильберт своим трудом «». Магнитным силам эти учёные приписывали духовное происхождение.
Русский учёный М. В. Ломоносов в 1759 г. в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса. Для изучения земного магнетизма М. В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитных обсерваторий была осуществлена лишь спустя 60 лет в России.
Первую подробную естественнонаучную теорию магнетизма составил Р. Декарт. Теорию магнетизма разрабатывали также Ф. У. Т. Эпинус, Ш. Кулон, в 1788 году обобщивший закон Кулона на случай взаимодействия точечных полюсов магнита, А. Бургманс, которому принадлежит открытие притяжения и отталкивания слабомагнитных веществ (названных М. Фарадеем в 1845 году диа- и парамагнетиками), и другие учёные.
Одной из важнейших вех в истории физики магнитных явлений стало осуществление в 1820 году опыта Эрстеда с магнитной стрелкой, фактически подтолкнувшего учёных к созданию единой теории электромагнитных взаимодействий. В том же году А. М. Ампер высказал гипотезу молекулярных токов, которая конкурировала с гипотезой элементарных магнитиков — магнитных диполей, детально разработанной В. Э. Вебером и развитой позднее Дж. А. Юингом.
В 1831 г. английский полярный исследователь Джон Росс вместе с племянником, Джеймсом Россом, открыли в Канадском архипелаге северный магнитный полюс Земли — область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, то есть наклонение равно 90°. В 1909 г. экспедиция во главе с Амундсеном вновь достигла северный магнитный полюс, обнаружив его дрейф. В 1838 г. попытку обнаружить южный магнитный полюс Земли на основании вычислений Карла Гаусса сделали Жюль Дюмон-Дюрвиль, а в 1940 г. — Чарльз Уилкс, но тяжелые ледовые условия помешали им продвинуться далеко на юг. В 1841-1842 гг. Джеймс Росс вычислил более точное положение южного магнитного полюса Земли, находившегося в Антарктиде, но также не смог достичь его. Это удалось в 1909 г. экспедиции Эрнеста Шеклтона.
В 1831 году М. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции и впервые ввёл в обращение термин «магнитное поле». В 1834 году русский академик Э. Х. Ленц установил правило о направлении индукционного тока и связанного с ним магнитного поля. В 1873 году начало современной электродинамике положило опубликование «Трактата об электричестве и магнетизме» Дж. К. Максвелла и экспериментальное обнаружение в 1888 году Г. Р. Герцем предсказанных в этом трактате электромагнитных волн. Взаимодействия электромагнитного поля с веществом рассматривал Х. А. Лоренц, создавший электронную теорию магнитных свойств и объяснивший в её рамках открытый в 1896 году эффект Зеемана.
В 1905 году П. Ланжевен на основе теоремы Лармора и электронной теории Лорентца развил классическую трактовку теории диа- и парамагнетизма.
Количественные характеристики Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции. В среде вводится также вектор напряжённости магнитного поля.
В таблице ниже приведены размерности и единицы измерения магнитных величин, отнесённых к системе СИ. Колонка с обозначениями может содержать несколько вариантов, если они достаточно распространены в литературе. Используются следующие обозначения: c — скорость света M — единица массы L — единица длины T — единица времени I — единица силы тока ВеличинаОбозначениеРазмерность СИ Гауссова СГС СГСМ СГСЭ Магнитный дипольный момент p, m, μ IL2 1 А·м2 103 эрг/Гс 103 Би·см2 105c Фр·см2 Индукция магнитного поля B MT−2I−1 1 Тл 104 Гс 104 Гс 100/c СГСЭ Напряжённость магнитного поля H IL−1 1 А·м−1 4π Э 4π Э 4πc СГСЭ Намагниченность M, J IL−1 1 А·м−1 10−3 Э 4π Э 4πc СГСЭ Магнитная восприимчивость χ 1 1 4π 4π 4π Магнитная проницаемость (размерная, ) μ MLT−2I−2 1 Гн·м−1 107/4π Гс/Э 107/4π Гс/Э 1000/4πc2 СГСЭ Магнитный поток Φ ML2T−2I−1 1 Вб 108 Мкс2 108 Мкс 1/10c СГСЭ Векторный потенциал A MLT−2I−1 1 Вб·м−1 106 Гс·см 106 Мкс·см−1 1/c СГСЭ Индуктивность L ML2T−2I−2 1 Гн 109 абгенри 109 абгенри 105/c2 СГСЭ Магнитодвижущая сила F I 1 А 4π Гб 4π Гб 4πc СГСЭ
Основные уравнения и законы Современная теория магнетизма базируется на следующих основных уравнениях и законах: Закон электромагнитной индукции Фарадея Закон Ампера Закон Био — Савара — Лапласа Сила Лоренца Теорема о циркуляции магнитного поля
Магнитные явления в материальных средах
Постоянное магнитное поле в веществах
Микроскопические уравнения На микроскопическом уровне электромагнитные поля задаются уравнениями Лоренца — Максвелла (так называемые, микроскопические уравнения). Магнитное поле с микроскопической напряжённостью h описывается системой из двух уравнений (СГС):
где e — микроскопическая напряжённость электрического поля, а произведение плотности электрических зарядов на их скорость соответствует плотности тока. Микроскопические поля являются истинными, то есть возбуждаемыми движением элементарных зарядов в атомах, и оно сильно зависит от координат. Здесь ток ассоциируется с орбитальным и спиновым движением внутри атомов (молекулярные токи, концепцию которых предложил Ампер). Переход к макроскопическим уравнениям происходит путём усреднения уравнений Лоренца — Максвелла. При этом среднюю напряжённость микроскопического магнитного поля называют магнитной индукциейДля макроскопических величин по историческим причинам прижились названия магнитная индукция для основной характеристики магнитного поля (аналога электрической напряжённости) и магнитная напряжённость для вспомогательной (аналог индукции электрического поля).: