Магнетизм и электричество – это отнюдь не два разных явления, как ошибочно считалось долгое время. Их взаимосвязь стала понятна лишь в 1820 г., когда датский ученый Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) показал, что текущий по проводу электрический ток отклоняет стрелку компаса. Где бы ни протекал ток – между облаком и землей в виде молнии или в мышце нашего тела, – он всегда создает магнитное поле. Магнетизм наблюдали и использовали (особенно для целей навигации) за тысячи лет до того, как была выяснена природа электричества и оно нашло практическое применение. Лишь когда стало известно, что вещество состоит из атомов, было наконец установлено, что магнетизм и электричество взаимосвязаны.
Где бы ни наблюдался магнетизм, там всегда должен присутствовать и какой-то электрический ток. Проявление магнитных свойств материалов в отсутствие какого-либо внешнего источника тока определяется движением электронов, создающих электрические токи внутри атомов. Этот тип магнетизма мы и будем здесь рассматривать.
Свойство притягивать железо и железосодержащие материалы наблюдается в природе у минерала магнетита – одного из химических соединений железа. Вероятно, какая-то разновидность магнетита применялась в первых магнитных компасах, изобретенных китайцами. Некоторым материалам, среди которых наиболее известны железо и сталь, относительно просто преднамеренно сообщить магнитные свойства.

Постоянные магниты

Вещества, притягивающие железо, образуют класс так называемых постоянных магнитов, хотя они способны сохранять свои магнитные свойства только в течение ограниченного времени. Постоянный магнит в форме бруска демонстрирует силу земного магнетизма: если он может свободно двигаться, то один его конец всегда поворачивается в направлении Северного полюса Земли, а другой – в направлении Южного. Два конца магнита называются северным и южным полюсами соответственно.
Разноименные магнитные полюсы притягиваются. Притягивая какой-то другой материал, магнит сначала превращает его в слабый магнит. Одноименные полюсы отталкиваются (хотя это не столь очевидно, как притяжение). Испытывая воздействие магнита, железо или сталь сами становятся магнитами, приобретая противоположную полярность; поэтому они притягиваются к магниту. Но если два одинаковых магнита с равными магнитными «зарядами» установить близко навстречу друг к другу одноименными полюсами, то наблюдаемая сила отталкивания будет равна силе притяжения, которая действует между двумя разноименными полюсами, установленными на том же расстоянии друг от друга.
Влиянию магнетизма подвержены не только железосодержащие материалы. Однако магнитные явления легче всего наблюдать в чистых металлах, таких, как железо, никель, кобальт.

Домены

Металлы, обладающие магнитными свойствами, состоят из маленьких магнитиков, расположенных в целом случайным образом внутри вещества. Эти магнитики одинаково ориентированы лишь на малых участках, называемых доменами, которые можно увидеть в электронный микроскоп. В ненамагниченном веществе – поскольку сами домены также ориентированы там в различных направлениях – магнитное поле равно нулю и никакие магнитные свойства не наблюдаются.
Процесс намагничивания состоит в том, что все домены заставляют выстраиваться в одном направлении. Когда они повернуты должным образом, их действия складываются и вещество в целом начинает обнаруживать магнитные свойства. Если все домены выстроились точно в одном направлении, материал достигает предела своих магнитных способностей. Намагниченность материала в конечном счете зависит от намагниченности доменов, а она в свою очередь определяется тем, как расположены внутри доменов отдельные атомы.

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли уже давно точно измерено и описано, однако до сих пор его не удалось полностью объяснить. Очень упрощенно дело можно представить так, как будто между Северным и Южным географическими полюсами расположен некий простой плоский магнит, что и вызывает некоторые из наблюдаемых эффектов. Но это не объясняет ни весьма необычных изменений интенсивности и даже направления магнитных силовых линий над земной поверхностью, ни того, почему миллионы лет назад расположение магнитных полюсов было противоположно нынешнему, ни того, почему магнитные полюсы, хотя и медленно, постоянно движутся.
И земной магнетизм, и магнетизм маленьких кусочков железа легче ооъяснить, предполагая, что магнитный ловые линии (часто именуемые линиями магнитного потока) исходят из северного конца магнита, а входят в южный. Но это весьма произвольное представление, используемое только ради удобства, подобно тому как используются линии широты и долготы, нарисованные на карте.
Силовые линии простого плоского магнита, проходя от одного полюса к другому и охватывая весь магнит, образуют нечто вроде цилиндра. Силовые линии одинакового направления как бы отталкиваются. Они всегда начинаются в полюсе одного типа и оканчиваются в полюсе другого типа и никогда не пересекаются.