Чому магніт притягує, але не витрачає енергію

Магнітне поле і сила притягання: як працює магніт

Магніт – це тіло або матеріал, що має власне магнітне поле і здатний притягувати деякі метали (залізо, нікель, кобальт)[1]. Магнітне поле – невидима область силових ліній, яка створюється навколо магніту. Воно має два полюси – північний (N) і південний (S). Лінії магнітного поля виходять із північного полюса і входять у південний, утворюючи замкнені петлі навколо магніту[4]. Протилежні полюси двох магнітів (N до S) притягуються, тоді як однойменні (N до N або S до S) – відштовхуються[1]. Це означає, що сила притягання магніту залежить від взаємного розташування полюсів.

Магнітне поле постійного магніту, візуалізоване за допомогою залізних ошурок. Лінії виходять з північного полюса (N) і входять в південний (S), показуючи напрям сили магнітного притягання. Зображення: en.m.wikipedia.org

Магнітне поле діє на відстані – наприклад, підковоподібний магніт може притягнути залізний цвях, навіть якщо вони не дотикаються. Це відбувається тому, що магніт створює навколо себе поле, яке впливає на магнітні моменти атомів у металевому предметі, наводячи в ньому власну намагніченість. У результаті цвях сам перетворюється на маленький магніт і притягується до більш сильного магніту. Поле можна уявити у вигляді силових ліній, натягнутих між полюсами магнітів. Коли різнойменні полюси зближуються, їх лінії «зчіплюються» і стягують магніти докупи, створюючи притягальну силу. Навпаки, однойменні полюси мають лінії, що виходять у протилежних напрямках і ніби тіснять одна одну – звідси виникає відштовхування магнітів. Таким чином, магніт притягує феромагнітні матеріали та інші магніти через взаємодію їхніх магнітних полів.

Квантові основи магнетизму: від спінів до фотонів

На рівні атомів магнетизм пояснюється квантовими ефектами. Електрони, протони і нейтрони – всі мають власний магнітний момент, пов’язаний зі спіном (внутрішнім обертанням частинки). У більшості речовин спіни електронів паруються і хаотично орієнтовані, тому їх магнітні поля взаємно компенсуються[1]. Проте в феромагнетиках – напр. в залізі – значна кількість електронів має спіни, орієнтовані в одному напрямку. Така впорядкованість досягається завдяки особливій міжелектронній взаємодії, що називається обмінною взаємодією – це суто квантовий ефект, який змушує спіни сусідніх електронів вирівнюватися паралельно один одному [1]. У результаті атоми утворюють крихітні області – магнітні домени, всередині яких магнітні моменти всіх електронів спрямовані однаково[1]. Кожен домен є міні-магнітом зі своїми полюсами. У не намагніченому шматку заліза домени орієнтовані хаотично і їх поля гасять одне одного. Але під дією зовнішнього магнітного поля домени можуть повертатися і вирівнюватися, складаючись своїми полюсами в одному напрямку – тоді матеріал намагнічується й сам стає магнітом[1].

Схема феромагнітного матеріалу поруч з підковоподібним магнітом. Стрілки показують магнітні домени – області з однаково намагніченими атомами. Під впливом магніту домени в залізному бруску вирівнюються, і брусок притягується магнітом. Зображення: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=32927337

З точки зору квантової електродинаміки (КЕД), магнітна сила – це прояв електромагнітної взаємодії між зарядженими частинками. Електрони в магніті рухаються (обертаються навколо ядра і мають спін), створюючи магнітне поле. У КЕД всі електромагнітні взаємодії передаються за допомогою обміну віртуальними фотонами – квантами електромагнітного поля[3]. Тобто, коли один магніт притягує інший або залізний предмет, між їх частинками на квантовому рівні безперервно «обмінюються» невидимі фотони-посланці, які і передають силу притягання чи відштовхування. Це відбувається настільки швидко і непомітно, що ми сприймаємо дію як миттєву загадкову силу на відстані. Насправді ж, магнетизм об’єднаний з електричними силами в єдине електромагнітне поле – одну з фундаментальних взаємодій природи[4].

Чому магніт притягує без витрати енергії: фізика постійного магніта

Одне з найцікавіших питань – чому постійний магніт не витрачає енергію, коли притягує предмети. Адже магніт може роками тримати прикріпленим до себе металевий об’єкт (наприклад, канцелярську скріпку або інструмент) і при цьому зовсім не «виснажується» і не розряджається, як батарейка. Секрет у тому, що постійний магніт створює стабільне магнітне поле, яке не потребує постійного підживлення енергією. Хоча магнітне поле не є консервативним у строгому фізичному сенсі, у випадку взаємодії з феромагнітними тілами (наприклад, залізом) магніт просто утримує їх без виконання роботи, якщо немає руху.

Коли предмет притягується до магніта, енергія береться не з самого магніта, а з потенціальної енергії системи «магніт–об’єкт», яка виникає завдяки їх взаємодії. Це схоже на гравітаційне поле: якщо підняти тіло, воно має запасену енергію, яка вивільняється під час падіння. Консервативним називають поле, в якому робота сил не залежить від траєкторії, а визначається тільки початковим і кінцевим положенням об’єкта. Іншими словами, по замкнутому шляху сила поля виконує нульову роботу.

Коли магніт притягує залізний предмет, відбувається перетворення енергії, але не витрата «енергії магніту» як такої. Наприклад, якщо піднести сталеву кульку до магніту і відпустити, кулька прискориться і прилипне до магніту – значить, отримала кінетичну енергію. Звідки вона взялася? Її джерелом була потенціальна енергія кульки в магнітному полі. Коли ми тримали кульку віддалено, система «магніт–кулька» мала певну запасену енергію (аналогічно до того, як піднятий над землею предмет має гравітаційну потенційну енергію). При притяганні ця потенціальна енергія перетворюється на кінетичну – кулька рухається до магніту. Але сам магніт при цьому не витрачає своєї внутрішньої енергії. Ба більше, щоб відокремити прилиплу кульку від магніту і повернути систему в початковий стан, нам доведеться затратити таку саму кількість енергії, яку отримала кулька при падінні.

Підковоподібний магніт, виготовлений зі сплаву заліза типу алніко, має спеціальну форму, яка дозволяє максимально наблизити його полюси. Це дає змогу створити потужніше магнітне поле, що особливо корисно для підйому великих залізних об’єктів. Автор: Eurico Zimbres FGEL/UERJ - the author is owner, CC BY-SA 2.0 br, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=333496

Таким чином, енергія в системі зберігається, і магніт діє лише як посередник сили.

Варто підкреслити, що постійні магніти є «автономними джерелами» магнітного поля, тобто не потребують живлення зовнішньою енергією. Їх створення вимагає енергії (магніт виготовляють шляхом намагнічування матеріалу – нагрівають вище точки Кюрі і охолоджують в сильному полі, або пропускають струм через котушку навколо матеріалу). Ця енергія витрачається на впорядкування доменів і надання магніту магнетизму. Після цього магніт може дуже довго зберігати свої властивості без додаткових затрат енергії. Він не виконує роботи доти, доки прикладена сила не переміщує щось у його полі. Якщо магніт просто утримує предмет на місці (наприклад, магніт на холодильнику тримає папірець), то, з точки зору фізики, роботи не виконується – сила є, але переміщення немає, отже витрата енергії дорівнює нулю [3].

Лише в разі, якщо магніт постійно здійснює роботу (наприклад, приводить щось у рух, як у двигуні), його енергія може поступово розсіюватися – здебільшого через нагрівання або демагнітизацію. Проте в типових умовах магніт не «розряджається». Він може частково втрачати силу з часом через зовнішні впливи – нагрівання, сильні удари, інші магнітні поля – що розупорядковують домени. Але це вже необоротне пошкодження магніту, а не витрата енергії на саме притягання [1] .

Отже, магніт не є джерелом енергії, він лише створює силове поле, яке може змінювати траєкторію руху об’єктів і викликати перетворення потенціальної енергії у кінетичну. Хоча магнітне поле не є консервативним у фізичному сенсі, в умовах статичної взаємодії з феромагнетиками воно проявляє себе подібно до консервативного поля, не витрачаючи енергії на притягання і не виконуючи роботи без переміщення.

Історія вивчення магнетизму: від давнини до сучасності

Історія магнетизму налічує понад дві тисячі років. Ще стародавні греки помітили, що природний мінерал магнетит (його ще називали «лідстоун» або «магнітний камінь») здатний притягувати залізні предмети. Про дивовижні «залізо-притягальні» камені згадував у VI ст. до н.е. філософ Фалес Мілетський[1]. У Китаї близько II ст. до н.е. вже був відомий компас на основі магніту – шматок магнетиту, який, вільно підвішений, вказував одним кінцем на північ. Цей ефект згодом пов’язали з полюсами Землі.

Перший науковий трактат про магнетизм склав в 1269 році французький вчений Петро Перегрін (Petrus Peregrinus de Maricourt). У його праці «Книга про магніт» детально описано властивості магнітного каменю: наявність двох полюсів (які він назвав північним і південним), неможливість розділити полюси розламуванням магніту, а також явища притягання і відштовхування між полюсами[1]. Перегрін фактично заклав терміни та поняття, які ми вживаємо й досі.

Нову еру в науці про магнетизм відкрив англієць Вільям Гільберт. 1600 року він опублікував працю «De Magnete» («Про магніт»)[1], в якій узагальнив знання про магніти та провів ряд експериментів. Гільберт встановив, що Земля сама є велетенським магнітом – саме тому стрілка компаса постійно вказує на північ. Він запровадив поняття магнітних полюсів Землі і припустив, що всередині планети міститься магнітне ядро. Також Гільберт помітив, що нагрівання призводить до втрати магнітних властивостей (сьогодні відомо, що при перевищенні температури Кюрі феромагнетик розмагнічується). Праця Гільберта стала фундаментальною – за свої дослідження його називають «батьком магнетизму».

Наша планета Земля має власне магнітне поле, подібне до поля велетенського стрижневого магніту. Лінії магнітного поля Землі виходять поблизу її південного географічного полюсу і входять біля північного, утворюючи магнітосферу планети. Це відкриття зробив Вільям Гільберт у 1600 році, описавши Землю як «великий магніт» (Зображення: NASA)

На початку XIX століття було зроблено прорив у розумінні зв’язку між електрикою та магнетизмом. У 1820 році данський фізик Ганс Крістіан Ерстед випадково виявив, що електричний струм у провіднику змушує стрілку компаса відхилятися – тобто струм створює навколо себе магнітне поле[1]. Цей дослід шокував сучасників і поклав початок електромагнетизму як науки. Надихнувшись відкриттям Ерстеда, французький вчений Андре-Марі Ампер провів серію експериментів і в тому ж 1820 році сформулював закон взаємодії струмів: два паралельні провідники зі струмом притягуються або відштовхуються залежно від напрямку струмів. Ампер запропонував революційну ідею: магнетизм зумовлений замкнутими коловими електричними струмами всередині речовини[1]. По суті, він припустив, що кожна молекула містить мікроскопічний круговий струм (або «маленький магнітик»), і в намагніченому матеріалі всі такі струми (або спіни електронів, як ми тепер знаємо) вирівнюються в одному напрямку. Це дуже близько підходить до сучасного розуміння магнітних доменів і електронних спінів.

У 1831 році англійський фізик Майкл Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції: зміна магнітного поля породжує електричний струм у провіднику. Це відкриття показало, що магнітне і електричне поля взаємопов’язані і можуть переходити одне в одне. Дещо пізніше, в 1860-х роках, шотландський теоретик Джеймс Клерк Максвелл об’єднав усі розрізнені закони електрики і магнетизму в єдину математичну систему – рівняння Максвелла. Він продемонстрував, що електричні та магнітні поля – це два аспекти єдиного електромагнітного поля, а світло є електромагнітною хвилею. Робота Максвелла стала тріумфом класичної фізики: магнетизм перестав бути ізольованим феноменом і посів належне місце в загальній картині сил природи.

Подальший розвиток розуміння магнетизму пов’язаний із квантовою революцією початку XX століття. У 1905 р. Айнштайн, створюючи спеціальну теорію відносності, використав рівняння Максвелла і показав, що магнітні та електричні ефекти залежать від систем відліку – рухомий заряд створює магнітне поле, яке в іншій системі виглядає як електричне, і навпаки [2]. У 1920-х роках було відкрито квантовий спін електрона (Г. Уленбек і С. Гаудсміт, 1925) і сформульовано принцип Паулі, що пояснив, чому електрони групуються по парах з протилежними спінами. Вернер Гайзенберг у 1928 році застосував квантову механіку для пояснення феромагнетизму – через обмінну взаємодію спінів. Так народилася сучасна теорія магнетизму, яка враховує квантову природу матерії.

Сьогодні вчені продовжують досліджувати магнетизм у різних аспектах – від створення надпотужних неодимових магнітів для техніки до вивчення магнітних властивостей елементарних частинок. Магнетизм залишається одним із найцікавіших явищ фізики, що поєднує класичну інтуїтивність (ми легко відчуваємо силу магніту) з глибиною квантових законів природи. І хоча магніти не дають «дармової» енергії, вони широко застосовуються людством: в електродвигунах, генераторах, магнітних замках, медичних приладах (МРТ) і навіть у космічних технологіях – всюди, де потрібні безконтактні сили та невичерпне магнітне поле[2].

Список джерел:

1. Магніт – Вікіпедія [Електронний ресурс] – Режим доступу: https://uk.wikipedia.org/wiki/Магніт

2. Магнетизм – Вікіпедія [Електронний ресурс] – Режим доступу: https://uk.wikipedia.org/wiki/Магнетизм

3. Квантова електродинаміка – Вікіпедія [Електронний ресурс] – Режим доступу: https://uk.wikipedia.org/wiki/Квантова_електродинаміка

4. Wilson, T. V., Pollette, C. How Magnets Work [Електронний ресурс] / Tracy V. Wilson & Chris Pollette // HowStuffWorks. – Оновлено: 20 вересня 2022 р. – Режим доступу: https://science.howstuffworks.com/magnet.htm