Дмитрий Марфунин
"О магнетизме"
25 февраля 2023 года
О магнетизме известно довольно много, до магнетона и магнона. Однако в доступных источниках не обнаруживается конкретного ответа на вопрос, каким образом магнит притягивает к себе различные тела?
Рассмотрим общеизвестные факты, касающиеся магнетизма. Как известно, магнетизм – это форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля; наряду с электричеством, магнетизм – одно из проявлений электромагнитного взаимодействия.
Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц или собственными магнитными моментами частиц. Магнитное поле можно назвать особым видом материи, посредством которого осуществляется взаимодействие с магнитными моментами частиц и тел.
Магнитный момент, магнитный дипольный момент – основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества, то есть способность создавать и воспринимать магнитное поле. Магнитными свойствами обладают элементарные частицы, атомные ядра, электронные оболочки атомов и молекул. Магнитный момент элементарных частиц обусловлен существованием у них собственного механического момента, момента импульса – спина. Простейшим и самым маленьким стержневым магнитом можно считать электрон. То есть, можно считать, что все, что имеет массу, имеет магнитное поле, тогда как безмассовые частицы, фотоны, являющиеся волной возмущения поля, имеют нулевой магнитный момент.
На магнитный диполь, помещенный в неоднородное поле, действует сила, которая стремится повернуть его так, чтобы магнитный момент диполя был сонаправлен с магнитным полем; при частичном упорядочивании направлений магнитных моментов происходит намагничивание.
То есть, от поведения магнитного момента во внешнем переменном магнитном поле зависит, будет ли это тело ферромагнетиком, антиферромагнетиком, ферримагнетиком или парамагнетиком и будет ли оно притягиваться к магниту. Но это не объясняет, каким образом оно будет притягиваться (или отталкиваться).
При характеристике магнита обычно изображают силовые линии магнитного поля. Но не просто линии, а линии со стрелками, которые выходят из одного полюса и входят в другой. Как будто что-то выходит из одного полюса и входит в другой.
Как уже было сказано, самым маленьким магнитом является электрон. Согласно современным представлениям, электрон – это облако, имеющее массу, но не имеющее конкретных размеров и структуры. Получается, что у него тоже что-то выходит с одной стороны и входит с другой?
Для наглядности поле представлено как некая сплошная среда, заполняющая все пространство. Ранее было предположено, что масса является производным поля, а гравитация – это процесс превращения поля в массу (см. «О гравитации»). Если это так, тогда можно предположить, что в результате этого процесса, происходящего со скоростью света (так как скорость света – это свойство поля), появляются и масса, и гравитация, и заряд, и спин, а конфигурация этого «сгущения» проявляется как картина двухполюсного магнитного поля, то есть как магнитный момент.
В таком случае можно думать о том, что в магнитах, где все магнитные моменты упорядочены и направлены в одну сторону, происходит слияние всех потоков поля в один мощный поток, который и воздействует на другие тела, являющиеся производными поля. Возникает вопрос, почему одни тела притягиваются магнитом, а другие нет?
Видимо, потому, что необходимо, чтобы в притягиваемом теле произошло упорядочивание магнитных моментов под действием потока поля магнита, то есть притягиваемое тело также должно превратиться в магнит со своим суммарным потоком поля, которое будет реагировать на поток поля основного магнита, притягиваясь или отталкиваясь. Почему же это упорядочивание происходит не во всех телах?
Как известно, в природе имеется немного элементов, способных к намагничиванию. Наиболее распространенным и в то же время обладающим сильной такой способностью элементом является железо, а также его сплавы и соединения. Чистое железо редко встречается в природе. В основном это его соединения – железные руды. Среди них наиболее магнитным является минерал магнитный железняк или магнетит.
Магнетит имеет формулу FeO ∙ Fe2O3 (Fe3O4), где ионы кислорода образуют гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку, а ионы железа занимают промежуточные участки, все вместе образуют кристаллы кубической сингонии. Магнетит ферромагнитен вследствие упорядочения магнитных моментов, большая часть которых параллельна друг другу. Некоторые магнетиты полярно магнитны (естественные магниты).
Магнетит состоит из ионов железа и кислорода. Железо также имеет обьемно-центрированную кубическую решетку и является ферромагнетиком, но оно не является естественным магнитом. Магнитом оно становится лишь под воздействием внешнего магнитного поля.
Магнетит в окислительном пламени вначале превращается в маггемит, а затем в гематит, теряя магнитные свойства (окислительное пламя – пламя с избыточным количеством кислорода).
Маггемит – магнитная модификация окиси железа Fe2O3, повторяющая кристаллическую решетку магнетита, нестабильна.
Гематит – также минерал железа Fe2O3, но имеющий иную, тригональную, структуру и немагнитен.
Железная окалина также является смесью оксидов Fe3O4, FeO и Fe2O3, образует кристаллы кубической сингонии и обладает ферромагнитными свойствами.
Можно подумать о том, что все дело в кристаллической решетке кубической сингонии. Но в природе встречается множество минералов с решеткой кубической сингонии, не являющихся магнитными.
Интересно, что кислород, как известно, является парамагнетиком и в жидком виде притягивается магнитом. Также известно, что железо в чистом кислороде горит, а в порошке может самовозгораться и на воздухе, то есть реакция окисления железа является экзотермической. Но сколько атомов железа и кислорода вступают в реакцию, такое же количество их присутствует и в продукте сгорания. Очевидно, что при образовании связи между кислородом и железом участвует столь большое количество энергии, что избыток ее теряется в виде тепла и света, то есть в виде квантового излучения или волн возмущения поля.
Можно думать, что магнетит, проявляя свои магнитные свойства, как бы находится под воздействием внешнего магнитного поля, хотя на самом деле никакого внешнего магнитного поля нет. Рассматривая кристаллическую решетку магнетита, можно предположить, что в магнетите проявляется уникальное сочетание железа и кислорода, когда ионы кислорода, как более активные, чем ионы железа, воздействуя на магнитные моменты ионов железа, упорядочивают их, то есть играют роль внешнего магнитного поля.
Выше было высказано предположение, что масса является производным поля. А также что все, что имеет массу, имеет магнитный момент, который является проявлением конфигурации потока поля при формировании этой массы. Все, что имеет массу, реагирует, так или иначе, на поле магнита (естественного или искусственного), но внешне проявляется это лишь при упорядочивании магнитных моментов в этом поле и формировании своего значительного общего потока поля.
Таким образом, складывается впечатление, что магнетизм, по сути – это проявление изменения конфигурации поля в процессе формирования массы.
©Дмитрий Марфунин