Магнітні властивості речовин

Чому шматок заліза притягується до магніту, а мідний дріт — ні? Відповідь на це питання дає гіпотеза Ампера, висунута 1820 року. Андре-Марі Ампер припустив, що магнітні властивості будь-якої речовини зумовлені не зовнішніми джерелами, а внутрішніми коловими струмами, які існують усередині атомів і молекул. Ці струми він назвав молекулярними струмами.

Гіпотеза Ампера: молекулярні струми

Згідно з гіпотезою Ампера, у кожному атомі або молекулі існують замкнені колові струми, утворені рухом електронів. У ненамагніченому тілі ці молекулярні струми орієнтовані хаотично — їхні магнітні поля в середньому компенсують одне одного, тому тіло не створює помітного власного магнітного поля. Коли тіло поміщають у зовнішнє магнітне поле, молекулярні струми починають орієнтуватися впорядковано — їхні магнітні поля додаються до зовнішнього поля. Чим краще впорядковані струми, тим сильніше тіло намагнічується.

Важливо розуміти: молекулярні струми — це не реальні дроти зі струмом, а рух заряджених частинок (електронів) усередині атомів. Сучасна фізика пояснює ці струми орбітальним рухом електронів навколо ядра та їхнім власним спіном. Проте для рівня НМТ достатньо знати, що магнетизм речовини має внутрішню природу.

Магнітна проникність

Намагнічена речовина створює власне магнітне поле, яке додається до зовнішнього. Результуюча індукція магнітного поля в речовині дорівнює:

$$B = \mu B_0$$

де $B_0$ — індукція зовнішнього магнітного поля у вакуумі, а $\mu$ — магнітна проникність речовини. Звідси:

$$\mu = \frac{B}{B_0}$$

Магнітна проникність — безрозмірна величина. Вона показує, у скільки разів індукція магнітного поля в речовині відрізняється від індукції поля у вакуумі. Для вакууму $\mu =1$.

Числові приклади

Уявімо, що у вакуумі індукція поля становить $0,02$ Тл. Якщо внести в це поле зразок деякої речовини, індукція всередині нього стане $0,0200002$ Тл. Тоді магнітна проникність:

$$\mu = \frac{0{,}0200002}{0{,}02} = 1{,}00001$$

Це значення лише трохи більше за 1 — така речовина є парамагнетиком. Для феромагнетиків, як-от залізо, $\mu$ може досягати сотень і навіть тисяч. Наприклад, для чистого заліза $\mu \approx 5000$ — це означає, що поле всередині заліза в 5000 разів сильніше, ніж у вакуумі за того самого зовнішнього поля.

Зверни увагу: у більшості речовин (діамагнетиків і парамагнетиків) $\mu$ відрізняється від 1 не більше ніж на кілька сотих відсотка. Тому в школі їх часто називають «немагнітними» — вони майже не змінюють поле.

За значенням магнітної проникності $\mu$ та поведінкою в магнітному полі всі речовини поділяють на три основні групи: діамагнетики, парамагнетики та феромагнетики. Розглянемо кожну з них.

Діамагнетики

У діамагнетиків магнітна проникність трохи менша за 1: $\mu <1$. Це означає, що речовина трохи послаблює зовнішнє магнітне поле. Діамагнетик слабко виштовхується з областей сильнішого поля. Приклади діамагнетиків: мідь (Cu), срібло (Ag), золото (Au), вода (H₂O), скло, вісмут (Bi).

Діамагнетизм — найслабший вид магнетизму. Він притаманний усім речовинам, але в пара- та феромагнетиків він перекривається сильнішими ефектами. У чистому вигляді діамагнетизм спостерігають у речовин, атоми яких не мають власного магнітного моменту.

Парамагнетики

У парамагнетиків магнітна проникність трохи більша за 1: $\mu >1$. Речовина трохи посилює зовнішнє поле й слабко втягується в область сильнішого поля. Приклади парамагнетиків: алюміній (Al), платина (Pt), кисень (O₂), повітря, марганець (Mn).

Парамагнетизм також слабкий — поле в парамагнетику відрізняється від поля у вакуумі не більше ніж на частки відсотка. Наприклад, для алюмінію $\mu \approx 1,00002$.

Феромагнетики

У феромагнетиків магнітна проникність значно більша за 1: $\mu \gg 1$ (сотні, тисячі й більше). Вони сильно посилюють зовнішнє поле й сильно притягуються до магніту. Приклади феромагнетиків: залізо (Fe), кобальт (Co), нікель (Ni), гадоліній (Gd) та їхні сплави (наприклад, сталь, чавун), а також ферити — сполуки оксиду заліза з оксидами інших металів.

Саме феромагнетики ми називаємо «магнітними металами». Важливо запам'ятати: не всі метали є феромагнетиками. Мідь, алюміній, золото, срібло — метали, але магніт не притягує монету з міді чи алюмінію.

Порівняльна таблиця

Діа- і парамагнетизм настільки слабкі, що в більшості побутових ситуацій їх не помічають. Саме тому мідний дріт, алюмінієву ложку чи склянку з водою називають «немагнітними» — магніт не притягує їх і не відштовхує помітно. Феромагнетики ж дають сильний ефект, який ми спостерігаємо щодня.

Феромагнетики мають унікальні властивості, яких немає в діа- та парамагнетиків. Вони здатні зберігати намагніченість після вимкнення зовнішнього поля, а за високої температури втрачають феромагнітні властивості. Розберімося, чому це відбувається.

Домени

У феромагнетику існують малі ділянки, які самочинно намагнічені до насичення. Ці ділянки називають доменами. У ненамагніченому зразку напрями намагніченості різних доменів хаотичні — їхні поля компенсують одне одного, тому зразок у цілому не створює зовнішнього поля.

Коли феромагнетик поміщають у зовнішнє магнітне поле, домени починають орієнтуватися вздовж цього поля. Межі між доменами зміщуються так, що домени, орієнтовані за полем, зростають за рахунок інших. У результаті зразок сильно намагнічується — саме тому феромагнетики мають величезну магнітну проникність.

Залишкова намагніченість

Після вимкнення зовнішнього поля частина доменів залишається орієнтованою — феромагнетик зберігає залишкову намагніченість. За здатністю зберігати намагніченість феромагнетики поділяють на:

• Магнітом'які матеріали (чисте залізо, електротехнічна сталь) — легко намагнічуються й легко розмагнічуються. Їх використовують для осердь трансформаторів та електромагнітів.

• Магнітотверді матеріали (сталь, сплави заліза з алюмінієм, нікелем, кобальтом) — важко намагнічуються, але довго зберігають намагніченість. З них виготовляють постійні магніти.

Точка Кюрі

Точка Кюрі — це температура, вище за яку феромагнетик втрачає феромагнітні властивості й стає парамагнетиком. Для заліза точка Кюрі становить близько 770 °C, для нікелю — 358 °C, для кобальту — 1130 °C.

Чому це відбувається? За високої температури тепловий рух атомів руйнує впорядкованість доменів — вони перестають орієнтуватися узгоджено. Саме тому, якщо сильно нагріти постійний магніт, він розмагнітиться. Удари та механічні деформації також можуть порушити впорядкованість доменів і частково розмагнітити магніт.

Застосування феромагнетиків

Феромагнетики широко використовують у техніці завдяки їхній здатності сильно посилювати магнітне поле та зберігати намагніченість.

• Осердя трансформаторів — виготовляють із магнітом'якого заліза. Осердя концентрує магнітне поле, створене котушкою, і в сотні разів збільшує індукцію, що підвищує ефективність передачі енергії.

• Електромагніти — котушка зі струмом, усередину якої вставлено залізне осердя. Осердя збільшує індукцію поля в сотні разів порівняно з котушкою без осердя. Електромагніти використовують у підіймальних кранах, реле, електричних дзвінках, магнітних сепараторах.

• Магнітні носії інформації — жорсткі диски, магнітні стрічки, дискети. Інформацію записують, намагнічуючи малі ділянки феромагнітного покриття.

• Постійні магніти — з магнітотвердих матеріалів (ферити, сплави AlNiCo, неодимові магніти). Використовують у динаміках, мікрофонах, двигунах, датчиках.

Розгляньмо типові завдання на магнітні властивості речовин у форматі НМТ.

Приклад 1. Відповідність «речовина — тип магнетика»

Установіть відповідність між речовиною (1–3) і типом магнетика (А–Д).

Розв'язання. Залізо — феромагнетик (μ ≫ 1). Мідь — діамагнетик (μ < 1). Алюміній — парамагнетик (μ > 1). Варіанти «надпровідник» та «ізолятор» — зайві.

Відповідь: 1 — В, 2 — А, 3 — Б.

Чому інші варіанти неправильні? Надпровідник — це стан речовини за дуже низьких температур, а не тип магнетизму. Ізолятор — це характеристика електричної провідності, а не магнітних властивостей.

Приклад 2. Вибір однієї відповіді

Індукція магнітного поля у вакуумі становить 0,5 Тл. Коли в це поле внесли зразок деякої речовини, індукція всередині зразка стала 0,4999 Тл. До якого типу належить ця речовина?

А) Парамагнетик Б) Феромагнетик В) Діамагнетик Г) Непровідник

Розв'язання. Обчислимо магнітну проникність:

$$\mu = \frac{B}{B_0} = \frac{0{,}4999}{0{,}5} = 0{,}9998$$

Оскільки $\mu <1$, речовина є діамагнетиком. Вона трохи послаблює зовнішнє поле.

Відповідь: В) Діамагнетик.

Чому інші варіанти неправильні? Парамагнетик має μ > 1, феромагнетик — μ ≫ 1. Непровідник — це характеристика електричного опору, а не магнетизму.

Приклад 3. Чому магніт втрачає властивості під час нагрівання?

Чому постійний магніт втрачає магнітні властивості, якщо його сильно нагріти?

А) Зникають колові струми в атомах Б) Магніт випаровується В) За температури вище за точку Кюрі порушується впорядкування доменів Г) Збільшується електричний опір

Розв'язання. Коли температура перевищує точку Кюрі, тепловий рух атомів руйнує впорядковану орієнтацію доменів. Феромагнетик стає парамагнетиком — втрачає здатність зберігати намагніченість.

Відповідь: В) За температури вище за точку Кюрі порушується впорядкування доменів.

Чому інші варіанти неправильні? Колові струми в атомах не зникають — вони існують завжди, просто втрачають узгодженість. Магніт не випаровується за типових температур (точка Кюрі заліза 770 °C, а температура плавлення 1538 °C). Збільшення опору не впливає на магнітні властивості постійного магніту.

Приклад 4. Відповідність «пристрій — властивість феромагнетика»

Установіть відповідність між пристроєм (1–3) і властивістю феромагнетика (А–Д), яка забезпечує його роботу.

Розв'язання. Осердя трансформатора безперервно перемагнічується змінним струмом, тому потрібні велика μ і малі втрати енергії на перемагнічування (магнітом'який матеріал) — варіант Б. Жорсткий диск потребує залишкової намагніченості, щоб зберігати записану інформацію — варіант А. Електромагніт підіймального крана має відпускати вантаж, тому після вимкнення струму його осердя повинно майже повністю розмагнічуватися — варіант Г.

Відповідь: 1 — Б, 2 — А, 3 — Г.

Розберімо найпоширеніші помилки, яких припускаються учні під час виконання завдань на магнітні властивості речовин.

• Вважати всі метали феромагнетиками. Це найчастіша помилка. Мідь, алюміній, золото, срібло — метали, але вони не є феромагнетиками. Мідь — діамагнетик, алюміній — парамагнетик. Магніт не притягує мідну монету чи алюмінієву ложку.

• Вважати, що діамагнетиків із μ < 1 не існує, бо «поле в речовині завжди посилюється». Насправді в діамагнетиках поле трохи послаблюється. Це можна перевірити експериментально: зразок вісмуту слабко виштовхується з магнітного поля.

• Плутати магнітну проникність μ (безрозмірна величина) з магнітною сталою μ₀ (4π·10⁻⁷ Гн/м) або з одиницею тесла (Тл). μ — це просто число, яке показує, у скільки разів поле в речовині відрізняється від поля у вакуумі.

• Думати, що точка Кюрі — це температура плавлення магніту. Насправді точка Кюрі значно нижча за температуру плавлення. Для заліза точка Кюрі ≈ 770 °C, а плавиться залізо за 1538 °C. Вище за точку Кюрі магніт просто стає парамагнетиком, але не плавиться.

• Вважати, що парамагнетики намагнічуються так само сильно, як феромагнетики. Парамагнетики дають лише мізерне посилення поля (μ ≈ 1,00001–1,001), тоді як феромагнетики — у сотні й тисячі разів.

• Твердити, що гіпотеза Ампера вимагає в магніті реальних дротів зі струмом. Насправді йдеться про рух зарядів усередині атомів і молекул — молекулярні струми. Це не макроскопічні провідники, а мікроскопічні рухи електронів.

Розділ «Магнітні властивості речовин» входить до теми 3.4 програми НМТ з фізики. Програма вимагає розрізняти види магнетиків (діа-, пара-, феромагнетики), знати означення магнітної проникності та розуміти фізичні основи феромагнетизму.

Формат завдань

Цю тему можуть перевіряти, зокрема, завданнями на відповідність (логічні пари). У тесті НМТ це номери 15–16: ліворуч три об'єкти (цифри 1–3), праворуч п'ять варіантів (букви А–Д), два з яких зайві. За правильно встановлені три пари нараховують 3 бали, за дві — 2 бали, за одну — 1 бал, за жодної — 0 балів.

У демонстраційному варіанті 2026 року ці номери були відведені під інші теми, але формат завдань на відповідність залишається незмінним. Тому тренуватися розв'язувати такі завдання варто на будь-якому матеріалі.

Довідкові матеріали

Формули $\mu =B/B_0$ у довідкових матеріалах НМТ немає — її треба знати напам'ять. Таблиці значень магнітної проникності чи переліку речовин у довідці теж немає. Усі необхідні дані (числові значення індукції, назви речовин) наводять в умові завдання.

Стратегія виконання

Для кожної речовини в завданні:

1. Визнач, чи дано числові значення B і B₀. Якщо так — обчисли μ = B/B₀.

2. За значенням μ визнач тип: μ < 1 → діамагнетик; μ > 1, але близьке до 1 → парамагнетик; μ ≫ 1 → феромагнетик.

3. Якщо числових даних немає, скористайся знанням прикладів: мідь — діамагнетик, алюміній — парамагнетик, залізо — феромагнетик.

4. Пов'яжи тип із поведінкою в полі: діамагнетик послаблює поле, парамагнетик трохи посилює, феромагнетик сильно посилює.

• Магнетизм речовин зумовлений коловими (молекулярними) струмами в атомах і молекулах — це гіпотеза Ампера.

• Магнітна проникність μ = B/B₀ — безрозмірна величина, що показує, у скільки разів індукція поля в речовині відрізняється від індукції у вакуумі.

• Діамагнетики: μ < 1 (трохи менша за 1), послаблюють поле. Приклади: мідь, срібло, золото, вода, скло, вісмут.

• Парамагнетики: μ > 1 (трохи більша за 1), посилюють поле. Приклади: алюміній, платина, кисень, повітря.

• Феромагнетики: μ ≫ 1 (сотні–тисячі), сильно посилюють поле. Приклади: залізо, кобальт, нікель, гадоліній, сталь.

• Феромагнетики мають домени — ділянки самочинної намагніченості. У зовнішньому полі домени орієнтуються вздовж поля.

• Залишкова намагніченість — здатність феромагнетика зберігати частину намагніченості після вимкнення поля.

• Точка Кюрі — температура, вище за яку феромагнетик стає парамагнетиком (для заліза ≈ 770 °C).

• Застосування феромагнетиків: осердя трансформаторів, електромагніти, магнітні носії інформації, постійні магніти.