Почему магнит притягивает металл: физика магнетизма простым языком

Магнит притягивает железо потому, что его магнитное поле проникает в металл и упорядочивает крошечные области намагниченности внутри него, превращая железо в слабый временный магнит, притягивающийся к постоянному. Этот эффект называется ферромагнетизмом и работает только с несколькими металлами: прежде всего железом, никелем и кобальтом.

Почему одни металлы притягиваются, а другие нет

Алюминий, медь, золото и большинство других металлов магнит почти не притягивает. Причина кроется в строении атома. У железа, никеля и кобальта во внутренней электронной оболочке есть неспаренные электроны. Электрон обладает спином, то есть квантовым свойством, которое порождает крошечное магнитное поле. В большинстве веществ электроны объединяются в пары с противоположными спинами, и их поля взаимно гасятся. У ферромагнитных металлов атомы выстраиваются в кристаллической решётке так, что соседние атомы взаимодействуют особым квантовым образом: обменное взаимодействие заставляет спины соседних атомов выстраиваться параллельно. Результат: внутри куска железа возникают домены. Домен это область размером от нескольких микрон до нескольких миллиметров, внутри которой все атомные магнитные моменты направлены одинаково. В обычном ненамагниченном железе домены ориентированы хаотично, и их поля гасят друг друга.

Что происходит, когда магнит приближается к железу

Когда к куску железа подносят постоянный магнит, его поле пронизывает металл. Под действием этого внешнего поля домены начинают перестраиваться. Домены, намагниченные в направлении, совпадающем с внешним полем, растут за счёт соседних. Границы между доменами смещаются, и через долю секунды большая часть металла оказывается намагниченной в одном направлении. Теперь железо само стало магнитом, и разноимённые полюсы притягиваются. Важный момент: этот процесс обратим. Уберите постоянный магнит, и тепловое движение атомов постепенно разрушит упорядоченность доменов, железо вернётся в ненамагниченное состояние. Именно поэтому обычный гвоздь не остаётся намагниченным после контакта с магнитом, хотя если подержать его в магнитном поле долго или намагнитить многократными движениями, слабая остаточная намагниченность сохранится.

Почему нагрев снимает намагниченность

У каждого ферромагнетика есть точка Кюри: температура, выше которой тепловое движение атомов разрушает упорядоченность доменов. Для железа это 770 градусов Цельсия. При нагреве выше этой температуры железо теряет ферромагнитные свойства и перестаёт притягиваться к магниту. После охлаждения ниже точки Кюри доменная структура восстанавливается. Этот принцип используют в промышленности: при горячей прокатке стали заготовку нагревают выше 1000 градусов Цельсия, и она не взаимодействует с магнитными системами сортировки. Готовый охлаждённый прокат снова ферромагнитен и может удерживаться магнитными захватами кранов на металлургических комбинатах.

Как делают постоянные магниты

Слабые постоянные магниты из феррита бария производят спеканием: порошок смешивают, прессуют в нужную форму в сильном магнитном поле, затем обжигают при 1200 градусах Цельсия. Поле фиксирует ориентацию доменов, и после остывания намагниченность остаётся. Сильные редкоземельные магниты из сплава неодим-железо-бор производят похожим способом, но итоговая намагниченность в 5-10 раз выше, чем у феррита. Такие магниты используются в электродвигателях, ветрогенераторах и жёстких дисках. Россия располагает значительными запасами редкоземельных металлов, в том числе и для производства подобных сплавов, хотя основная добыча и переработка пока ведётся в ограниченных масштабах.