МАГНЕТ'ИЗМ, магнетизма, мн. нет, ·муж. (от ·греч. magnetis - магнит).

1. Свойство магнита
(в 1 ·знач.; физ.).

2. Учение о магнитных явлениях (физ.).

3. То же, что животный магнетизм (·устар.; см. ниже
). "Силой магнетизма стихов российских механизма едва в то время не постиг мой бестолковый ученик." Пушкин.

• Животный магнетизм (·устар.) - гипнотическое внушение. Земной магнетизм (физ.) - магнитные свойства земного шара.

проявляется в макромасштабах как взаимодействие между электрическими токами, между токами и магнитами (то есть телами с магнитным моментом (См. Магнитный момент)) и между магнитами. В наиболее общем виде М. можно определить как особую форму материальных взаимодействий, возникающих между движущимися электрически заряженными частицами. Передача магнитного взаимодействия, реализующая связь между пространственно-разделёнными телами, осуществляется особым материальным носителем - магнитным полем (См. Магнитное поле). Оно представляет собой наряду с электрическим полем одно из проявлений электромагнитной формы движения материи (см. Электромагнитное поле). Между магнитным и электрическим полями нет полной симметрии. Источниками электрического поля являются электрические заряды, которыми обладают элементарные частицы - электроны, протоны, мезоны и другие. Аналогичных магнитных зарядов пока не наблюдали в природе, хотя гипотезы об их существовании высказывались (см. Магнитный монополь).

Источником магнитного поля является движущийся электрический заряд, то есть Электрический ток. В атомных масштабах для электронов и нуклонов (протонов, нейтронов) имеются два типа микроскопических токов - орбитальные, связанные с переносным движением центра тяжести этих частиц, и спиновые (см. Спин), связанные с внутренними степенями свободы их движения.

Количественной характеристикой М. частиц являются их орбитальный и спиновый магнитные моменты (обозначаются М). Поскольку все микроструктурные элементы веществ - электроны, протоны и нейтроны - обладают магнитными моментами, то и любые их комбинации - атомные ядра и электронные оболочки - и комбинации их комбинаций, то есть атомы, молекулы и макроскопические тела, могут в принципе быть источниками магнетизма. Таким образом, М. веществ имеет универсальный характер.

Известны два основных эффекта воздействия внешнего магнитного поля на вещества. Во-первых, диамагнитный эффект, являющийся следствием закона индукции Фарадея (см. Индукция электромагнитная): внешнее магнитное поле всегда создаёт в веществе такой индукционный ток, магнитное поле которого направлено против начального поля (Ленца правило). Поэтому создаваемый внешним полем диамагнитный момент вещества всегда отрицателен по отношению к этому полю.

Во-вторых, если атом обладает отличным от нуля магнитным моментом (спиновым, орбитальным или тем и другим), то внешнее поле будет стремиться ориентировать его вдоль своего направления. В результате возникает параллельный полю положительный момент, который называют парамагнитным.

Существенное влияние на магнитные свойства вещества могут оказать также внутренние взаимодействия (электрической и магнитной природы) между атомными магнитными моментами. В некоторых случаях благодаря этим взаимодействиям оказывается энергетически выгоднее, чтобы в веществе существовал самопроизвольный (не зависящий от внешнего поля) атомный магнитный порядок. Вещества, в которых атомные магнитные моменты расположены параллельно друг другу, называются ферромагнетиками (См. Ферромагнетики); соответственно Антиферромагнетиками называются вещества, в которых соседние атомные моменты расположены антипараллельно. Сложность атомной структуры веществ, построенных из огромного числа атомов, приводит к практически неисчерпаемому разнообразию их магнитных свойств. При рассмотрении магнитных свойств веществ для последних употребляют общий термин - "магнетики". Взаимосвязь магнитных свойств веществ с их немагнитными свойствами (электрическими, механическими, оптическими и т.д.) позволяет очень часто использовать исследования магнитных свойств как источник информации о внутренней структуре микрочастиц и тел макроскопических размеров. Широкий диапазон явлений М., простирающийся от М. элементарных частиц до М. космических тел (Земли, Солнца, звёзд и других), обусловливает большую роль М. в явлениях природы, в науке и технике.

Макроскопическое описание магнитных свойств веществ обычно проводится в рамках теории электромагнитного поля (см. Максвелла уравнения), термодинамики (См. Термодинамика) и статистической физики (См. Статистическая физика). Одной из основных макроскопических характеристик магнетика, определяющих его термодинамическое состояние, является вектор намагниченности (См. Намагниченность) J (суммарный магнитный момент единицы объёма магнетика). Опыт показывает, что вектор J есть функция напряжённости магнитного поля Н. Графически зависимость J (Н) изображается кривой намагничивания, имеющей различный вид у разных магнетиков. В ряде веществ между J и Н существует линейная зависимость J = χН, где χ - Магнитная восприимчивость (у диамагнетиков χ < 0, у парамагнетиков χ > 0). У ферромагнетиков χ связано с Н нелинейно; у них восприимчивость зависит не только от температуры Т и свойств вещества, но и от поля Н.

Термодинамически намагниченность J магнетика определяется через потенциал термодинамический (См. Потенциалы термодинамические) Ф (Н, Т, р) по формуле

(здесь р - давление). В свою очередь, расчёт Ф (Н, Т, р) основан на соотношении Гиббса - Богуславского Ф = - kT lnZ (H, T), где k - Больцмана постоянная, Z (Н, Т) - Статистическая сумма.

Из общих положений классической статистической физики следует, что электронные системы (без учёта их квантовых свойств) не могут обладать термодинамически устойчивым магнитным моментом (теорема Бора - Ван-Левен - Терлецкого), но это противоречит опыту. Квантовая механика, объяснившая устойчивость атома, дала объяснение и М. атомов и макроскопических тел.

М. атомов и молекул обусловлен спиновыми магнитными моментами их электронов, движением электронов в оболочках атомов и молекул (так называемым орбитальным М.), спиновым и орбитальным М. нуклонов ядер. В многоэлектронных атомах сложение орбитальных и спиновых магнитных моментов производится по законам пространственного квантования: результирующий магнитный момент определяется полным угловым квантовым числом (См. Квантовые числа) j и равен

где g_i - множитель Ланде, μ_в - Бора магнетон (см. Магнитный момент).

Магнитные свойства веществ определяются природой атомных носителей М. и характером их взаимодействий. О существенном влиянии этих взаимодействий на магнитные свойства говорит, в частности, сравнение магнитных свойств изолированных атомов различных элементов. Так, у атомов инертных газов (Не, Ar, Ne и других) электронные оболочки магнитно нейтральны (их суммарный магнитный момент равен нулю). Во внешнем магнитном поле инертные газы проявляют диамагнитные свойства (см. Диамагнетизм). Электронная оболочка атомов щелочных металлов (Li, Na, К и других) обладает лишь спиновым магнитным моментом валентного электрона, орбитальный момент этих атомов равен нулю. Пары щелочных металлов парамагнитны (см. Парамагнетизм). У атомов переходных металлов (Fe, Со, Ni и других) наблюдаются, как правило, большие спиновые и орбитальные магнитные моменты, обусловленные недостроенными d- и f- слоями их электронной оболочки (см. Атом).

Сильная зависимость М. веществ от характера связи между микрочастицами (носителями магнитного момента) приводит к тому, что вещество неизменного химического состава в зависимости от внешних условий, а также кристаллической или фазовой структуры (например, степени упорядочения атомов в сплавах и т.п.) может обладать различными магнитными свойствами. Например, Fe, Со, Ni в кристаллическом состоянии ниже определённой температуры (Кюри точки (См. Кюри точка)) обладают ферромагнитными свойствами; выше точки Кюри они эти свойства теряют (см. Ферромагнетизм).

Количественно взаимодействие между атомными носителями М. в веществе можно охарактеризовать величиной энергии ε_вз этого взаимодействия, рассчитанной на отдельную пару частиц - носителей магнитного момента. Энергию ε_вз, обусловленную электрическим и магнитным взаимодействием микрочастиц и зависящую от их магнитных моментов, можно сопоставить с величинами энергий других атомных взаимодействий: с энергией магнитного момента μ_в в некотором эффективном магнитном поле Н_эфф, то есть с ε_н = μ_вН_эфф, и со средней энергией теплового движения частиц при некоторой эффективной критической температуре T_k, то есть с ε_Т = kT_k. При значениях напряжённости внешнего поля Н < Н_эфф или при температурах Т < Т_к будут сильно проявляться магнитные свойства вещества, обусловленные ε_вз - внутренними взаимодействиями атомных носителей М. (так называемый "сильный" М. веществ). Наоборот, в областях Н >> Н_эфф или Т >> Т_к будут доминировать внешние факторы - температура или поле, подавляющие эффекты внутреннего взаимодействия ("слабый" М. веществ). Эта классификация формальна, так как не вскрывает физической природы Н_эфф и T_k. для полного выяснения физической природы магнитных свойств вещества необходимо знать не только величину энергии ε_вз по сравнению с ε_Т или ε_Н, но также и её физическое происхождение и характер магнитного момента носителей (орбитальный или спиновый). Если исключить случай ядерного М., в котором проявляется эффект ядерных взаимодействий, то в электронных оболочках атомов и молекул, а также в электронной системе конденсированных веществ (жидкости, кристаллы) действуют 2 типа сил - электрические и магнитные. Мерой электрического взаимодействия может служить электростатическая энергия ε_эл двух электронов, находящихся на атомном расстоянии (а = 10^-8 см): ε_эл Магнетизм е²/a Магнетизм 10^-12 эрг (здесь е - заряд электрона). Мерой магнитного взаимодействия служит энергия связи двух микрочастиц, обладающих магнитными моментами μв и находящихся на расстоянии а, то есть ε_магн Магнетизм μ²_в/а³ Магнетизм 10^-16 эрг. Таким образом, ε_эл превосходит энергию ε_магн по крайней мере на три порядка.

В связи с этим сохранение намагниченности ферромагнетиками (Fe, Со, Ni) до температур Т Магнетизм 1000 К может быть обусловлено только электрическим взаимодействием, так как при энергии ε_магн Магнетизм 10^-16 эрг тепловое движение разрушило бы ориентирующее действие магнитных сил уже при 1 К. На основе квантовой механики было показано, что наряду с кулоновским электростатическим взаимодействием заряженных частиц существует также чисто квантовое электростатическое Обменное взаимодействие, зависящее от взаимной ориентации магнитных моментов электронов. Таким образом, эта часть электрического по своей природе взаимодействия оказывает существенное влияние на магнитное состояние электронных систем. В частности, это взаимодействие благоприятствует упорядоченной ориентации магнитных моментов атомных носителей М. Верхний предел энергии обменного взаимодействия ε_об Магнетизм 10^-13 эрг.

Значение ε_об > 0 соответствует параллельной ориентации атомных магнитных моментов, то есть самопроизвольной (спонтанной) намагниченности тел (ферромагнетиков). При ε_об < 0 имеет место тенденция к антипараллельной ориентации соседних магнитных моментов, характерной для атомной магнитной структуры антиферромагнетиков. Изложенное позволяет провести следующую физическую классификацию М. веществ.

I. Магнетизм слабовзаимодействующих частиц (ε_вз << μ_вН или ε_вз << кТ)

А. Преобладание диамагнетизма. К веществам с диамагнитными свойствами относятся: а) все инертные газы, а также газы, атомы или молекулы которых не имеют собственного результирующего магнитного момента. Их магнитная восприимчивость отрицательна и очень мала по абсолютной величине [молярная восприимчивость χ Магнетизм -(10^-7-10^-5)]; от температуры она практически не зависит; б) органические соединения с неполярной связью, в которых молекулы или радикалы либо не имеют магнитного момента, либо парамагнитный эффект в них подавлен диамагнитным; у этих соединений χ Магнетизм -10^-6 и также практически не зависит от температуры, но обладает заметной анизотропией (см. Магнитная анизотропия); в) вещества в конденсированных фазах - жидкой и кристаллической: некоторые металлы (Zn, Au, Hg и другие); растворы, сплавы и химические соединения (например, галоиды) с преобладанием диамагнетизма ионных остовов (ионы, подобные атомам инертных газов, - Li⁺, Be²⁺, A1³⁺, Cl^- и т.п.). М. этой группы веществ похож на М. "классических" диамагнитных газов.

Б. Преобладание парамагнетизма характерно: а) для свободных атомов, ионов и молекул, обладающих результирующим магнитным моментом. Парамагнитны газы O₂, NO, пары щелочных и переходных металлов. Восприимчивость их χ> 0 мала по величине (Магнетизм 10^-3-10^-5) и при не очень низких температурах и не очень сильных магнитных полях (μ_вН/кТ << 1) не зависит от поля, но существенно зависит от температуры, для χ имеет место Кюри закон χ = С/Т, где С - постоянная Кюри; б) для ионов переходных элементов в жидких растворах, а также в кристаллах при условии, что магнитно-активные ионы слабо взаимодействуют друг с другом и их ближайшее окружение в конденсированной фазе слабо влияет на их парамагнетизм. При условии μ_вН/кТ << 1 их восприимчивость не зависит от Н, но зависит от Т - имеет место Кюри - Вейса закон χ = C'/(T - Δ), где C' и Δ - константы вещества; в) для ферро- и антиферромагнитных веществ выше точки Кюри θ.

II. Магнетизм электронов проводимости в металлах и полупроводниках

А. Парамагнетизм электронов проводимости в металлах (спиновый парамагнетизм) наблюдается у щелочных (Li, К, Na и другие), щёлочноземельных (Ca, Sr, Ba, Ra) и переходных металлов (Pd, Pt), а также у металлов Sc, Ti, V. Восприимчивость их мала (χ Магнетизм 10^-5), не зависит от поля и слабо меняется с температурой. У ряда металлов (Cu, Ag, Au и других) этот парамагнетизм маскируется более сильным диамагнетизмом ионных остовов.

Б. Диамагнетизм электронов проводимости в металлах (Ландау диамагнетизм) присущ всем металлам, но, как правило, его маскирует либо более сильный спиновый электронный парамагнетизм, либо диа- или парамагнетизм ионных остовов.

В. Пара- и диамагнетизм электронов проводимости в полупроводниках. По сравнению с металлами в полупроводниках мало электронов проводимости, но число их растет с повышением температуры; χ в этом случае также зависит от Т.

Г. М. сверхпроводников обусловлен электрическими токами, текущими в тонком поверхностном слое толщиной Магнетизм10^-5 см. Эти токи экранируют толщу сверхпроводника от внешних магнитных полей, поэтому в массивном сверхпроводнике при Т< T_k магнитное поле равно нулю (Мейснера эффект).

III. Магнетизм веществ с атомным магнитным порядком (ε_вз >> μ_вН или ε_вз >> кТ)

А. Ферромагнетизм имеет место в веществах с положительной обменной энергией (ε_об > 0): кристаллах Fe, Со, Ni, ряде редкоземельных металлов (Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Yb), сплавах и соединениях с участием этих элементов, а также в сплавах Сг, Mn и в соединениях урана. Для ферромагнетизма характерна самопроизвольная намагниченность при температурах ниже точки Кюри θ, при T > θ ферромагнетики переходят либо в парамагнитное, либо в антиферромагнитное состояние (последний случай наблюдается, например, в некоторых редкоземельных металлах). Однако из опыта известно, что в отсутствии внешнего поля ферромагнитные тела не обладают результирующей намагниченностью (если исключить вторичное явление остаточной намагниченности). Это объясняется тем, что при Н = 0 ферромагнетик разбивается на большое число микроскопических областей самопроизвольного намагничивания (доменов (См. Домены)). Векторы намагниченности отдельных доменов ориентированы так, что суммарная намагниченность ферромагнетика равна нулю. Во внешнем поле доменная структура изменяется, ферромагнитный образец приобретает результирующую намагниченность (см. Намагничивание).

Б. Антиферромагнетизм имеет место в веществах с отрицательной обменной энергией (ε_об < 0): кристаллах Cr и Mn, ряде редкоземельных металлов (Ce, Рг, Nd, Sm, Eu), а также в многочисленных соединениях и сплавах с участием элементов переходных групп.

В магнитном отношении кристаллическая решётка этих веществ разбивается на так называемые магнитные подрешётки, векторы самопроизвольной намагниченности J_ki которых либо антипараллельны (коллинеарная антиферромагнитная связь), либо направлены друг к другу под углами, отличными от 0° и 180° (неколлинеарная связь, см. Магнитная структура). Если суммарный момент всех магнитных подрешёток в антиферромагнетике равен нулю, то имеет место скомпенсированный антиферромагнетизм; если же имеется отличная от нуля разностная самопроизвольная намагниченность, то наблюдается нескомпенсированный антиферромагнетизм, или Ферримагнетизм, который реализуется главным образом в кристаллах окислов металлов с кристаллической решёткой типа Шпинели, Граната, Перовскита и других минералов (их называют ферритами (См. Ферриты)). Эти тела (обычно полупроводники и изоляторы) по магнитным свойствам похожи на обычные ферромагнетики. При нарушении компенсации магнитных моментов в антиферромагнетиках из-за слабого взаимодействия между атомными носителями М. возникает очень малая самопроизвольная намагниченность веществ (Магнетизм 0,1\% от обычных значений для ферро- и ферримагнетиков). Такие вещества называются слабыми ферромагнетиками (например, гематит α-Fe₂O₃, карбонаты ряда металлов, ортоферриты и др.).

Магнитное состояние ферро- или антиферромагнетика во внешнем магнитном поле Н определяется, помимо величины поля, ещё и предшествующими состояниями магнетика (магнитной предысторией образца). Это явление называется Гистерезисом. Магнитный гистерезис проявляется в неоднозначности зависимости J от Н (в наличии петли гистерезиса). Благодаря гистерезису для размагничивания образца оказывается недостаточным устранить внешнее поле, при Н = 0 образец сохранит остаточную намагниченность J_r. Для размагничивания образца нужно приложить обратное магнитное поле H_c, которое называется коэрцитивной силой (См. Коэрцитивная сила). В зависимости от значения H_c различают магнитно-мягкие материалы (H_c < 800 а/м, или 10 э) и магнитно-твёрдые, или высококоэрцитивные, материалы (H_c > 4 ка/м, или 50 э). J_r и H_c зависят от температуры и, как правило, убывают с её повышением, стремясь к нулю с приближением Т к θ.

Кроме М. атомных частиц и веществ, современное учение о магнитных явлениях включает М. небесных тел и космической среды. Рассмотрению связанных с этим вопросов посвящены статьи: Земной магнетизм, Солнечный магнетизм, Магнитные звёзды, Межзвёздное магнитное поле, Космические лучи, а также Магнитное поле, Магнитная гидродинамика и другие.

Магнетизм в науке и технике. Основными научными проблемами современного учения о М. является выяснение природы обменного взаимодействия и взаимодействий, обусловливающих анизотропию в различных типах магнитоупорядоченных кристаллов; спектров элементарных магнитных возбуждений (Магнонов) и механизмов их взаимодействия между собой, а также с Фононами (квантами колебаний кристаллической решётки). Важной проблемой остаётся создание теории перехода из парамагнитного в ферромагнитное состояние. Исследование М. веществ широко применяется в различных областях науки как средство изучения химических связей и структуры молекул (Магнетохимия). Изучение диа- и парамагнитных свойств газов, жидкостей, растворов, соединений в твёрдой фазе позволяет разобраться в деталях физических и химических процессов, протекающих в этих телах, и в их структуре. Изучение магнитных динамических характеристик (пара-, диа- и ферромагнитный, электронный и ядерный резонансы и релаксации) помогает понять кинетику многих физических и физико-химических процессов в различных веществах (см. Магнитный резонанс). Интенсивно развивается Магнитобиология.

К важнейшим проблемам М. космических тел относятся: выяснение происхождения магнитных полей Земли, планет, Солнца, звёзд (в частности, пульсаров (См. Пульсары)), внегалактических радиоисточников (радиогалактик (См. Радиогалактики), квазаров (См. Квазары) и др.), а также роли магнитных полей в космических процессах.

Основные технические применения М. находит в электротехнике, радиотехнике, электронике, приборостроении, электронных счётно-решающих устройствах, морской, авиационной и космической навигации, геофизических методах разведки полезных ископаемых, автоматике и телемеханике. В технике широкое применение нашли также магнитная Дефектоскопия и магнитные методы контроля. Магнитные материалы идут на изготовление магнитопроводов генераторов, моторов, трансформаторов, реле, магнитных усилителей, элементов магнитной памяти, стрелок компасов, лент магнитной записи и так далее.

История учения о магнетизме. Первые письменные свидетельства о М. (Китай) имеют более чем двухтысячелетнюю давность. В них упоминается о применении естественных постоянных магнитов в качестве компаса. В работах древнегреческих и римских учёных есть упоминание о притяжении и отталкивании естественных магнитов и о намагничивании в присутствии магнита железных опилок (например, у Лукреция (См. Лукреций) в поэме "О природе вещей", 1 век до н. э.). В эпоху средневековья в Европе стал широко применяться магнитный компас (с 12 века), были предприняты попытки экспериментального изучения взаимодействия магнитов разной формы (Пьер Перегрин де Марикур, 1269). Результаты исследований М. в эпоху Возрождения были обобщены в труде У. Гильберта "О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле" (1600). Гильберт показал, в частности, что Земля - магнитный Диполь, и доказал невозможность разъединения двух разноимённых полюсов магнита. Далее учение о М. развивалось в работах Р. Декарта, Ф. Эпинуса, Ш. Кулона. Декарт был автором первой подробной метафизической теории М. и геомагнетизма ("Начала философии", часть 4, 1644); он исходил из существования особой магнитной субстанции, обусловливающей своим присутствием и движением М. тел.

В трактате "Опыт теории электричества и магнетизма" (1759) Эпинус подчеркнул тесную аналогию между электрическими и магнитными явлениями. Эта аналогия, как показал Кулон (1785-1789), имеет определённое количественное выражение: взаимодействие точечных магнитных полюсов подчиняется тому же закону, что и взаимодействие точечных электрических зарядов (Кулона закон). В 1820 Х. Эрстед открыл магнитное поле электрического тока.

В том же году А. Ампер установил законы магнитного взаимодействия токов, эквивалентность магнитных свойств кругового тока и тонкого плоского магнита; М. он объяснял существованием молекулярных токов. В 30-х годах 19 века К. Гаусс и В. Вебер развили математическую теорию геомагнетизма и разработали методы магнитных измерений.

Новый этап в изучении М. начинается с работ М. Фарадея (См. Фарадей), который дал последовательную трактовку явлений М. на основе представлений о реальности электро-магнитного поля. Ряд важнейших открытий в области электромагнетизма (электромагнитная индукция - Фарадей, 1831; правило Ленца - Э. Х. Ленц, 1833, и др.), обобщение открытых электромагнитных явлений в трудах Дж. К. Максвелла (1872), систематическое изучение свойств ферромагнетиков и парамагнетиков (А. Г. Столетов, 1872; П. Кюри, 1895, и другие) заложили основы современной макроскопической теории М.

Микроскопический подход к изучению М. стал возможен после открытия электронно-ядерной структуры атомов. На основе классической электронной теории Х. А. Лоренца П. Ланжевен в 1905 построил теорию диамагнетизма (он создал также квазиклассическую теорию парамагнетизма). В 1892 Б. Л. Розинг и в 1907 П. Вейс высказали идею о существовании внутреннего молекулярного поля, обусловливающего свойства ферромагнетиков. Открытие электронного спина и его магнетизма (С. Гаудсмит, Дж. Ю. Уленбек, 1925), создание последовательной теории микроскопических явлений - квантовой механики - привело к развитию квантовой теории диа-, пара- и ферромагнетизма. На основе квантовомеханических представлений (пространственного квантования) Л. Бриллюэн в 1926 нашёл зависимость намагниченности парамагнетиков от внешнего магнитного поля и температуры. Ф. Хунд в 1927 провёл сравнение экспериментальных и теоретических значений эффективных магнитных моментов ионов в различных парамагнитных солях, что привело к выяснению влияния электрических полей парамагнитного кристалла на "замораживание" орбитальных моментов ионов - как было установлено, намагниченность кристалла определяется почти исключительно спиновыми моментами (В. Пенни и Р. Шлепп; Дж. Ван Флек, 1932). В 30-х годах была построена квантомеханическая теория магнитных свойств свободных электронов (Парамагнетизм Паули, 1927; Ландау диамагнетизм, 1930). Существенное значение для дальнейшего развития теории парамагнетизма имело предсказанное Я. Г. Дорфманом (1923) и затем открытое Е. К. Завойским (См. Завойский) (1944) явление электронного парамагнитного резонанса (См. Электронный парамагнитный резонанс) (ЭПР).

Созданию квантовой теории ферромагнетизма предшествовали работы немецкого физика Э. Изинга (1925, двумерная модель ферромагнетиков), Дорфмана (1927, им была доказана немагнитная природа молекулярного поля), В. Гейзенберга (1926, квантовомеханический расчёт атома гелия), В. Гейтлера и Ф. Лондона (1927, расчёт молекулы водорода). В двух последних работах был использован открытый в квантовой механике эффект обменного (электростатического) взаимодействия электронов (П. Дирак, 1926) в оболочке атомов и молекул и установлена его связь с магнитными свойствами электронных систем, подчиняющихся Ферми - Дирака статистике (Паули принципу). Квантовая теория ферромагнетизма была начата работами Я. И. Френкеля (См. Френкель) (1928, коллективизированная модель) и Гейзенберга (1928, модель локализованных спинов). Рассмотрение ферромагнетизма как квантового кооперативного явления (Ф. Блох, Дж. Слейтер, 1930) привело к открытию спиновых волн (См. Спиновые волны). В 1932-1933 Л. Неель и Л. Д. Ландау предсказали существование антиферромагнетизма. Изучение новых классов магнитных веществ - антиферромагнетиков и ферритов - позволило глубже понять природу М. Была выяснена роль магнитоупругой энергии в происхождении энергии магнитной анизотропии, построена теория доменной структуры и освоены методы её экспериментального изучения.

Развитию М. в значительной мере способствовало создание новых экспериментальных методов исследования веществ. Нейтронографические методы позволили определить типы атомных магнитных структур. Ферромагнитный резонанс, первоначально открытый и исследованный в работах В. К. Аркадьева (1913), а затем Дж. Гриффитса (1946), и антиферромагнитный резонанс (К. Гортер и другие, 1951) позволили начать экспериментальные исследования процессов релаксации магнитной, а также дали независимый метод определения эффективных полей анизотропии в ферро- и антиферромагнетиках.

Ядерный магнитный резонанс (Э. Пёрселл и др., 1945) и Мёссбауэра эффект (1958) значительно углубили наши знания о распределении спиновой плотности в веществе, особенно в металлических ферромагнетиках. Наблюдение рассеяния нейтронов и света позволили для ряда веществ определить спектры спиновых волн. Параллельно с этими экспериментальными работами развивались и различные аспекты теории М.: теория магнитной симметрии кристаллов, ферромагнетизм коллективизированных электронов, теория фазовых переходов (См. Фазовый переход) II рода и критических явлений (См. Критические явления), а также модели одномерных и двумерных ферро- и антиферромагнетиков.

Развитие физики магнитных явлений привело к синтезированию новых перспективных магнитных материалов: ферритов для ВЧ и СВЧ-устройств, высококоэрцитивных соединений типа SmCo₅ (см. Магнит постоянный), прозрачных ферромагнетиков и др.

Лит.: Тамм И. Е., Основы теории электричества, 7 издание, М., 1957; Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М., Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Пайерлс Р. Е., Квантовая теория твердых тел, перевод с английского, М., 1956; Дорфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955; Киттель Ч., Введение в физику твердого тела, перевод с английского, 2 издание, М., 1962; Вонсовский С. В., Шур Я. С., ферромагнетизм, М. - Л., 1948; Поливанов К. М., ферромагнетики, М. - Л., 1957; Бозорт Р., Ферромагнетизм, перевод с английского, М., 1956; Маттис Д., Теория магнетизма. Введение в изучение кооперативных явлений, перевод с английского, М., 1967; Туров Е. А., физические свойства магнитоупорядоченных кристаллов, М., 1963; Vleck J. Н. van, The theory of electric and magnetic susceptibilities, Oxf., 1932; Backer R., Doring W., Ferromagnetismus, B., 1939; Magnetism, ed. G. T. Rado and Н. Suhl, v. 1, v. 2, pt. A - B, v. 3, v. 4, N. Y., 1963-66; Goodenough J., Magnetism and the chemical bond, N. Y. - L., 1963.

С. В. Вонсовский.

1. совокупность явлений, связанных с дествием свойств магнита (спец.).

2. (устар.) притягательная сила.

геомагнетизм, магнитное поле Земли и околоземного космического пространства; раздел геофизики, изучающий распределение в пространстве и изменения во времени геомагнитного поля, а также связанные с ним геофизические процессы в Земле и верхней атмосфере.

В каждой точке пространства геомагнитное поле характеризуется вектором напряжённости Т, величина и направление которого определяются 3 составляющими X, Y, Z (северной, восточной и вертикальной) в прямоугольной системе координат (рис. 1) или 3 элементами З. м.: горизонтальной составляющей напряжённости Н, склонением магнитным D (См. Склонение магнитное) (угол между Н и плоскостью географического меридиана) и наклонением магнитным I (угол между Т и плоскостью горизонта).

З. м. обусловлен действием постоянных источников, расположенных внутри Земли и испытывающих лишь медленные вековые изменения (вариации), и внешних (переменных) источников, расположенных в магнитосфере Земли (См. Магнитосфера Земли) и ионосфере (См. Ионосфера). Соответственно различают основное (главное, Земной магнетизм99\%) и переменное (Земной магнетизм1\%) геомагнитные поля.

Основное (постоянное) геомагнитное поле. Для изучения пространственного распределения основного геомагнитного поля измеренные в разных местах значения Н, D, I наносят на карты (Магнитные карты) и соединяют линиями точки равных значений элементов. Такие линии называют соответственно изодинамами (См. Изодинамы), изогонами (См. Изогоны), изоклинами (См. Изоклины). Линия (изоклина) I = 0, т. е. магнитный экватор, не совпадает с географическим экватором. С увеличением широты значение I возрастает до 90° в магнитных полюсах (См. Магнитный полюс). Полная напряжённость Т (рис. 2) от экватора к полюсу растет с 33,4 до 55,7 а/м (от 0,42 до 0,70 э). Координаты северного магнитного полюса на 1970: долгота 101,5° з. д., широта 75,7° с. ш.; южного магнитного полюса: долгота 140,3° в. д., широта 65,5° ю. ш. Сложную картину распределения геомагнитного поля в первом приближении можно представить полем диполя (См. Диполь) (эксцентричного, со смещением от центра Земли приблизительно на 436 км) или однородного намагниченного шара, магнитный момент которого направлен под углом 11,5° к оси вращения Земли. Полюсы геомагнитные (полюсы однородно намагниченного шара) и полюсы магнитные задают соответственно систему геомагнитных координат (широта геомагнитная, меридиан геомагнитный, экватор геомагнитный) и магнитных координат (широта магнитная, меридиан магнитный). Отклонения действительного распределения геомагнитного поля от дипольного (нормального) называют магнитными аномалиями (См. Магнитные аномалии). В зависимости от интенсивности и величины занимаемой площади различают мировые аномалии глубинного происхождения, например Восточно-Сибирскую, Бразильскую и др., а также аномалии региональные и локальные. Последние могут быть вызваны, например, неравномерным распределением в земной коре ферромагнитных минералов. Влияние мировых аномалий сказывается до высот Земной магнетизм 0,5R₃ над поверхностью Земли (R₃ - радиус Земли). Основное геомагнитное поле имеет дипольный характер до высот Земной магнетизм3R₃.

Оно испытывает вековые вариации, неодинаковые на всём земном шаре. В местах наиболее интенсивного векового хода вариации достигают 150γ в год (1γ = 10^-5э). Наблюдается также систематический дрейф магнитных аномалий к западу со скоростью около 0,2°в год и изменение величины и направления магнитного момента Земли со скоростью Земной магнетизм20γ в год. Из-за вековых вариаций и недостаточной изученности геомагнитного поля на больших пространствах (океанах и полярных областях) возникает необходимость заново составлять магнитные карты. С этой целью проводятся мировые магнитные съёмки на суше, в океанах (на немагнитных судах), в воздушном пространстве (Аэромагнитная съёмка) и в космическом пространстве (при помощи искусственных спутников Земли). Для измерений применяют: Компас магнитный, Теодолит магнитный, магнитные весы, Инклинатор, Магнитометр, Аэромагнитометр и др. приборы. Изучение З. м. и составление карт всех его элементов играет важную роль для морской и воздушной навигации, в геодезии, маркшейдерском деле.

Изучение геомагнитного поля прошлых эпох производится по остаточной намагниченности горных пород (см. Палеомагнетизм), а для исторического периода - по намагниченности изделий из обожжённой глины (кирпичи, керамическая посуда и т.д.). Палеомагнитные исследования показывают, что направление основного магнитного поля Земли в прошлом многократно изменялось на противоположное. Последнее такое изменение имело место около 0,7 млн. лет назад.

А. Д. Шевнин.

Происхождение основного геомагнитного поля. Для объяснения происхождения основного геомагнитного поля выдвигалось много различных гипотез, в том числе даже гипотезы о существовании фундаментального закона природы, согласно которому всякое вращающееся тело обладает магнитным моментом. Делались попытки объяснить основное геомагнитное поле присутствием ферромагнитных материалов в коре Земли или в её ядре; движением электрических зарядов, которые, участвуя в суточном вращении Земли, создают электрический ток; наличием в ядре Земли токов, вызываемых термоэлектродвижущей силой на границе ядра и мантии и т.д., и, наконец, действием так называемого гидромагнитного динамо в жидком металлическом ядре Земли. Современные данные о вековых вариациях и многократных изменениях полярности геомагнитного поля удовлетворительно объясняются только гипотезой о гидромагнитном динамо (ГД). Согласно этой гипотезе, в электропроводящем жидком ядре Земли могут происходить достаточно сложные и интенсивные движения, приводящие к самовозбуждению магнитного поля, аналогично тому, как происходит генерация тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. Действие ГД основано на электромагнитной индукции в движущейся среде, которая в своём движении пересекает силовые линии магнитного поля.

Исследования ГД опираются на магнитную гидродинамику (См. Магнитная гидродинамика). Если считать скорость движения вещества в жидком ядре Земли заданной, то можно доказать принципиальную возможность генерации магнитного поля при движениях различного вида, как стационарных, так и нестационарных, регулярных и турбулентных. Усреднённое магнитное поле в ядре можно представить в виде суммы двух составляющих - тороидального поля Вφ и поля Вр, силовые линии которого лежат в меридиональных плоскостях (рис. 3). Силовые линии тороидального магнитного поля Вφ замыкаются внутри земного ядра и не выходят наружу. Согласно наиболее распространённой схеме земного ГД, поле Bφ в сотни раз сильнее, чем проникающее из ядра наружу поле В_р, имеющее преимущественно дипольный вид. Неоднородное вращение электропроводящей жидкости в ядре Земли деформирует силовые линии поля В_р и образует из них силовые линии поля В (. В свою очередь, поле В_р генерируется благодаря индукционному взаимодействию движущейся сложным образом проводящей жидкости с полем Вφ. Для обеспечения генерации поля В_р из Вφ движения жидкости не должны быть осесимметричными. В остальном, как показывает кинетическая теория ГД, движения могут быть весьма разнообразными. Движения проводящей жидкости создают в процессе генерации, кроме поля В_р, также др. медленно изменяющиеся поля, которые, проникая из ядра наружу, вызывают вековые вариации основного геомагнитного поля.

Общая теория ГД, исследующая и генерацию поля, и "двигатель" земного ГД, т. е. происхождение движений, находится ещё в начальной стадии развития, и в ней ещё многое гипотетично. В качестве причин, вызывающих движения, выдвигаются архимедовы силы, обусловленные небольшими неоднородностями плотности в ядре, и силы инерции (См. Сила инерции).

Первые могут быть связаны либо с выделением тепла в ядре и тепловым расширением жидкости (термическая Конвекция), либо с неоднородностью состава ядра вследствие выделения примесей на его границах. Вторые могут вызываться ускорением, обусловленным прецессией (См. Прецессия) земной оси. Близость геомагнитного поля к полю диполя с осью, почти параллельной оси вращения Земли, указывает на тесную связь между вращением Земли и происхождением З. м. Вращение создаёт Кориолиса силу (См. Кориолиса сила), которая может играть существенную роль в механизме ГД Земли. Зависимость величины геомагнитного поля от интенсивности движения вещества в земном ядре сложна и изучена ещё недостаточно. Согласно палеомагнитным исследованиям, величина геомагнитного поля испытывает колебания, но в среднем, по порядку величины, она сохраняется неизменной в течение длительного времени - порядка сотен млн. лет.

Функционирование ГД Земли связано со многими процессами в ядре и в мантии Земли, поэтому изучение основного геомагнитного поля и земного ГД является существенной частью всего комплекса геофизических исследований внутреннего строения и развития Земли.

С. И. Брагинский.

Переменное геомагнитное поле. Измерения, выполненные на спутниках и ракетах, показали, что взаимодействие плазмы солнечного ветра (См. Солнечный ветер) с геомагнитным полем ведёт к нарушению дипольной структуры поля с расстояния Земной магнетизм3Rз от центра Земли. Солнечный ветер локализует геомагнитное поле в ограниченном объёме околоземного пространства - магнитосфере Земли, при этом на границе магнитосферы динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли. Солнечный ветер сжимает земное магнитное поле с дневной стороны и уносит геомагнитные силовые линии полярных областей на ночную сторону, образуя вблизи плоскости эклиптики магнитный хвост Земли протяжённостью не менее 5 млн. км (см. рис. в статьях Земля и Магнитосфера Земли). Приблизительно дипольная область поля с замкнутыми силовыми линиями (внутренняя магнитосфера) является магнитной ловушкой заряженных частиц околоземной плазмы (см. Радиационные пояса Земли).

Обтекание магнитосферы плазмой солнечного ветра с переменной плотностью и скоростью заряженных частиц, а также прорыв частиц в магнитосферу приводят к изменению интенсивности систем электрических токов в магнитосфере и ионосфере Земли. Токовые системы в свою очередь вызывают в околоземном космическом пространстве и на поверхности Земли колебания геомагнитного поля в широком диапазоне частот (от 10^-5 до 10² гц) и амплитуд (от 10^-3 до 10^-7 э). Фотографическая регистрация непрерывных изменений геомагнитного поля осуществляется в магнитных обсерваториях при помощи Магнитографов. В спокойное время в низких и средних широтах наблюдаются периодические солнечно-суточные и лунно-суточные Вариации магнитные с амплитудами 30-70γ и 1-5γ соответственно. Другие наблюдаемые неправильные колебания поля различной формы и амплитуды называют магнитными возмущениями, среди которых выделяют несколько типов магнитных вариаций.

Магнитные возмущения, охватывающие всю Землю и продолжающиеся от одного (рис. 4) до нескольких дней, называются мировыми магнитными бурями (См. Магнитные бури), во время которых амплитуда отдельных составляющих может превзойти 1000γ. Магнитная буря - одно из проявлений сильных возмущений магнитосферы, возникающих при изменении параметров солнечного ветра, особенно скорости его частиц и нормальной составляющей межпланетного магнитного поля относительно плоскости эклиптики. Сильные возмущения магнитосферы сопровождаются появлением в верхней атмосфере Земли полярных сияний, ионосферных возмущений, рентгеновского и низкочастотного излучений.

Практические применения явлений З. м. Под действием геомагнитного поля магнитная стрелка располагается в плоскости магнитного меридиана. Это явление с древнейших времён используется для ориентирования на местности, прокладывания курса судов в открытом море, в геодезической и маркшейдерской практике, в военном деле и т.д. (см. Компас, Буссоль).

Исследование локальных магнитных аномалий позволяет обнаружить полезные ископаемые, в первую очередь железную руду (см. Магнитная разведка), а в комплексе с др. геофизическими методами разведки - определить место их залегания и запасы. Широкое распространение получил магнитотеллурический способ зондирования недр Земли, в котором по полю магнитной бури вычисляют электропроводность внутренних слоев Земли и оценивают затем существующие там давление и температуру.

Одним из источников сведений о верхних слоях атмосферы служат геомагнитные вариации. Магнитные возмущения, связанные, например, с магнитной бурей, наступают на несколько часов раньше, чем под её воздействием происходят изменения в ионосфере, нарушающие радиосвязь. Это позволяет делать магнитные прогнозы, необходимые для обеспечения бесперебойной радиосвязи (прогнозы "радиопогоды"). Геомагнитные данные служат также для прогноза радиационной обстановки в околоземном пространстве при космических полётах.

Постоянство геомагнитного поля до высот в несколько радиусов Земли используется для ориентации и маневра космических аппаратов.

Геомагнитное поле воздействует на живые организмы, растительный мир и человека. Например, в периоды магнитных бурь увеличивается количество сердечно-сосудистых заболеваний, ухудшается состояние больных, страдающих гипертонией, и т.д. Изучение характера электромагнитного воздействия на живые организмы представляет собой одно из новых и перспективных направлений биологии.

А. Д. Шевнин.

Лит.: Яновский Б. М., Земной магнетизм, т. 1-2, Л., 1963-64; его же, Развитие работ по геомагнетизму в СССР за годы Советской власти. "Изв. АН СССР, Физика Земли", 1967, № 11, с. 54; Справочник по переменному магнитному полю СССР, Л., 1954; Околоземное космическое пространство. Справочные данные, пер. с англ., М., 1966; Настоящее и прошлое магнитного поля Земли, М., 1965; Брагинский С. И., Об основах теории гидромагнитного динамо Земли, "Геомагнетизм и аэрономия",1967, т.7, № 3, с. 401; Солнечно-земная физика, М., 1968.

Строение магнитосферы Земли.

Рис. 1. Элементы земного магнетизма.

Рис. 2. Карта полной напряжённости геомагнитного поля (в эрстедах) для эпохи 1965 г.; чёрные кружочки - магнитные полюсы (М. П.). На карте указаны мировые магнитные аномалии: Бразильская (Б. А.) и Восточно-Сибирская (В.-С. А.).

Рис. 3. Схема магнитных полей в гидромагнитном динамо Земли: NS - ось вращения Земли: В_р - поле, близкое к полю диполя, направленного вдоль оси вращения Земли; B_φ - тороидальное поле (порядка сотен гаусс), замыкавщееся внутри земного ядра.

Рис. 4. Магнитограмма, на которой зафиксирована малая магнитная буря: Н₀, D₀, Z₀ - начало отсчёта соответствующей составляющей земного магнетизма; стрелками показано направление отсчёта.

см. Земной магнетизм.