Включите электрический ток, и все магнитные свойства у спирали исчезают. Увеличивая или уменьшая силу тока, можно изменять силу магнитного притяжения в электромагните. Если в спираль поместить железный сердечник, то при включении тока он становится также магнитом, сила электромагнита значительно возрастает.
Уже через пять лет после открытия Эрстеда, в 1825 году английский электротехник-изобретатель У. Стерджен показал ученому миру небольшой электромагнит, весом двести граммов, который держал своими невидимыми руками груз в восемнадцать раз более тяжелый. Такой силе мог позавидовать любой природный магнит. Через пятнадцать лет Стерджен, продолжавший совершенствовать свое детище, создал электромагнит, который поднимал пятьсот пятьдесят килограммов. Сконструированный в том же году Джоулем (именем которого названа единица энергии) электромагнит поднимал груз уже весом в одну тысячу триста килограммов. А затем пошли совсем сказочные цифры. В XX столетии появились электромагниты, способные удержать в своих мощных «щупальцах» десятки тонн груза!
Чтобы яснее представить себе магнитное чудо современной техники, достаточно сказать, что они способны генерировать мгновенные магнитные поля, превосходящие земное в десятки миллионов раз. Такие сверхсильные поля позволяют исследователям проникать в самые глубинные тайны материи. Магниты-гиганты дали путевку в жизнь науке о сверхпроводимости. Они пишут сейчас новую главу в истории энергетики. Великое множество больших и малых магнитов трудится ныне на Земле и в космосе — в приборах, аппаратах, машинах — всюду, где есть техника.
С помощью электромагнита врач извлекает попавшие в глаз металлические соринки. В цеху «магнитные руки» легко переносят по воздуху многотонные заготовки металла. Без магнитов замолчат телефонная трубка, радиоприемник, телевизор… В лабораторию поступила только что изготовленная лопатка для турбины. Если в ней есть хотя бы самые ничтожные трещинки или пустоты, при работе турбины лопатка может выйти из строя. Необходима тщательная проверка.
Лопатку намагничивают при помощи сильного электрического тока и поливают керосином, смешанным с мелкими железными опилками. Если в детали имеются раковины или трещины, они будут сразу же обнаружены: железные опилки прильнут к ним и точно укажут, где находятся дефекты, каков их вид.
Низко над землей летит самолет-разведчик. На борту работает магнитный прибор, способный «видеть» под землей. Перо прибора записывает на движущейся бумажной ленте кривую линию, отмечая малейшие изменения магнитного поля участков земли, над которым пролетает самолет. Равномерно вращается небольшой барабан, на который наматывается бумажная лента, на ней тянется извивающаяся линия. Но вот перо магнитометра делает резкий скачок, один другой… На бумаге появляется ломаная, зигзагообразная линия. Значит, где-то недалеко в том районе, над которым летит самолет, находятся залежи магнитных руд… Как уже говорили, в старинных хрониках Китая писали о магнитных воротах, не пропускавших вооруженных людей. Трудно поверить (и тем более нельзя проверить) в существование столь бдительного стража. Природные магниты обладают ограниченными возможностями. Иное дело — современные магнитные приборы. Теперь во многих международных аэропортах «магнитные стражи» действительно следят за тем, не проносит ли кто с собой спрятанное под одеждой оружие. Преданья старины глубокой приписывали магнитам способность помогать ворам-взломщикам. Этот вымысел невольно вспоминаешь, знакомясь, как в наши дни магнит помогает изобличать преступников. Известно, что в поисках человека, совершившего преступление, большую помощь оказывают оставшиеся следы, в частности, отпечатки пальцев. Однако на практике часто эти отпечатки очень слабы. Криминалист В. Сорокин предложил вместо давно известного способа опыления оставленных следов цветными порошками использовать некое подобие магнитной кисти. Это небольшой магнит, полюс которого перед опознанием следов опускают в железные опилки и затем как бы раскрашивают ими исследуемую поверхность: притянутые к полюсу мельчайшие опилки металла прилипают к потожировым отпечаткам пальцев преступника и след их становится достаточно контрастным для дактилоскопического исследования.
Что же это такое?
Какова природа магнетизма? Согласитесь, что вряд ли можно удовлетвориться ответом: «Магнетизм — одно из основных свойств материи». Конечно, мы уже знаем многое об этом универсальном свойстве природы. Однако сама сущность его — ответ на главный вопрос, почему магнит притягивает, — остается все еще вопросом.
Каждый магнит имеет два полюса магнитных сил — северный и южный. Этот факт наводил на мысль, что в полюсах магнита скапливается особое «магнитное вещество», на одном конце — вещество южного магнетизма, на другом — северного. Однако совсем несложные опыты отвергают такой вывод. Если предположить, что в полюсах находится какое-то «магнитное вещество», то, разрезав магнит пополам, мы можем разделить вещество южного и северного магнетизма, получить один магнит с северным магнитным полюсом, а другой — с южным. Но сколько бы мы ни разрезали магнит, у каждой даже самой маленькой его частички снова появляются два полюса.
Заметим попутно, что многие физики не оставляют надежды обнаружить в природе или получить в эксперименте одиночный магнитный полюс — монополь. Об этом писал еще в 1931 году известный английский физик-теоретик П. А. М. Дирак. Подобно электрону — носителю электрического заряда, в природе, утверждал он, должна существовать элементарная частица магнитного заряда. В 1975 году американские физики как будто обнаружили в космических лучах след такой частицы. Дальнейшая проверка не подтвердила этого. Между тем открытие магнитного монополя несомненно стало бы сенсацией в физике. «Двухполюсность» магнетизма прослеживается и на молекулярном уровне. Каждый атом, каждая молекула по сущности — микромагнитик. Чаще всего эти элементарные диполи располагаются хаотически — северные и южные полюсы у них направлены в разные стороны, и магнитные силы этих магнитиков как бы уничтожают друг друга. Но бывает так, что все элементарные магнитики в веществе выстраиваются в относительном порядке — северные полюсы предпочтительно в одну сторону, южные — в другую. Вот тогда в пространстве, окружающем тело, и возникает магнитное силовое поле.
Перед нами — магнит. Поднесем к нему железный гвоздь. Под действием поля частицы железа, расположенные прежде беспорядочно, повернутся параллельно друг к другу, и гвоздь сам становится магнитом. Против южного полюса у него возникает северный магнитный полюс, а против северного — южный. Разноименные магнитные полюсы, как мы уже знаем, притягиваются. Вот почему железный гвоздь и притягивается магнитом. Исследования, проведенные учеными, показали, что намагничиваются все тела — твердые, жидкие и газообразные. Но у большинства веществ степень намагничивания очень невелика — их магнитные свойства можно заметить только при помощи приборов. Скажем, олово, титан, платина притягиваются к магниту, но сила их притяжения в сотни тысяч раз меньше, чем у железа или стали. В чем же секрет?
В том, что далеко не у всех веществ атомы обнаруживают свои магнитные свойства. Атом тоже сложная частица материи: вокруг центрального тяжелого ядра в нем вращаются элементарные электрические заряды — электроны.
Все составляющие атома, находясь в движении, создают вокруг себя магнитное поле, или, как говорят, обладают определенным магнитным моментом. Складываясь, отдельные поля образуют общий магнитный момент атома, который, однако, у разных атомов различен. Если у ферромагнетиков, к которым относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, каждый атом — магнит в миниатюре, то у других веществ магнитные моменты атомов близки или почти равны нулю. Взаимодействия атомов-магнитиков в различных веществах также различны. Отсюда — разнообразие в магнитных свойствах у разных тел.
Кроме того, у ферромагнетиков независимо от внешнего магнитного поля отдельные атомы объединены в большие группы — домены — с одинаковым направлением магнитных моментов. Другими словами, в ферромагнитных веществах всегда существуют намагниченные участки. Их называют также областями самопроизвольной намагниченности. В каждой такой области — миллиарды атомов.