§ 4.19 Магнетизм и ферромагнетизм

Мне остаётся сказать, по какому закону природы

Может железо к себе притягивать камень, который

Греки "магнитом" зовут по названию месторожденья…

Прежде всего из магнита должны семена выделяться

Множеством или же ток истекать, разбивая толчками

Воздух, который везде между камнем лежит и железом.

Только что станет пустым пространство меж ними, и много

Места очистится там, как тотчас же, общею кучей,

Первоначала туда стремглав устремятся железа…

Дело ведь в том, что к тому побуждают извне их удары…

Будто бы сзади толкает кольцо и уносит, и гонит.

Ведь ударяет всегда окружающий воздух предметы.

Тит Лукреций Кар, "О природе вещей", I в. до н. э. [77]

Природа магнетизма уже была раскрыта ранее (§ 1.7, § 3.19). По гипотезе Ампера, магниты и ферромагнитные материалы притягиваются, за счёт существующих в них элементарных круговых молекулярных токов. Взаимодействие электрических токов, переносимое потоками реонов и ареонов, источаемых магнитами, и вызывает их притяжение (или отталкивание). Что самое удивительное, такую гипотезу магнитного взаимодействия ещё две тысячи лет назад выдвигали Демокрит и Лукреций, говорившие, что его осуществляют элементарные частицы магнитов и железа, посредством источаемых ими токов, пронизывающих ткань магнита и железа. По их гипотезе, те же мельчайшие семена, частицы (реоны), что постоянно источаются телами и переносят свет, оказывают и магнитное воздействие, имеющее электрическое происхождение, в полном согласии с гипотезой Ритца. Казалось бы, эти истечения способны лишь отталкивать предметы. Но Лукреций удивительным образом смог объяснить притяжение тем, что атомы железа, постоянно ударяемые частицами окружающего воздуха, при поднесении магнита испытывают больше таких ударов с внешней стороны, поскольку частицы, источаемые магнитом, расчищают своими ударами пространство до железного тела. Именно так, по реонной гипотезе, осуществляется притяжение: ареоны, выбрасываемые позитроном, расчищают пространство до электрона, и, потому, удары внешнего, сходящегося реонного потока подталкивают электрон навстречу позитрону (§ 3.20). Небольшое преобладание этого притяжения зарядов над отталкиванием и порождает силу притяжения магнитов. Лукреций первым произвёл и классификацию тел по магнитным свойствам, аналогичную современному разделению на диа-, пара- и ферромагнетики. Этот античный исследователь и популяризатор атомистического учения Демокрита догадался, что нет принципиальной разницы между магнитными и немагнитными телами: просто одни реагируют на магнитные токи в большей степени, а другие — в меньшей, — тела обладают разной магнитной восприимчивостью и проницаемостью [77]. Удивительное прозрение!

С чем же связано наличие магнитных свойств у одних тел и отсутствие у других? В настоящее время магнетизм и ферромагнетизм причисляют к квантовым явлениям, хотя, в действительности, — это рядовые, классические феномены. Не зря, первое объяснение ферромагнетизма было дано ещё век назад Пьером Кюри — целиком в рамках классической науки. Он объяснил ферромагнетизм спонтанной намагниченностью. Магнитные моменты атомов, взаимно влияя друг на друга, одинаково выстраиваются вдоль одного направления. В итоге, их магнитные моменты складываются, тем самым создавая заметные магнитные поля вещества. С увеличением температуры, от беспорядочного движения атомов, магнитные моменты рассогласуются и спонтанная намагниченность выше некоторой температуры (точки Кюри) исчезает. Имеет место переход ферромагнетик-парамагнетик. Этот фазовый переход не содержит ничего сверхъестественного и его ни к чему считать переходом второго рода, — этой лишней сущности, введённой Эренфестом и Ландау, вопреки принципу Оккама. Реально, в процессе перехода парамагнетик-ферромагнетик выделяется тепло, как во всех переходах первого рода. Однако, этот переход происходит не резко, а растянут в некотором температурном интервале, поэтому выделение и поглощение тепла воспринимается как рост теплоёмкости ферромагнетика. Теплоёмкость стремится к бесконечности с приближением к точке перехода (точке Кюри). Поэтому, скрытую теплоту таких переходов можно найти, как площадь, заключённую под кривой теплоёмкости. Этот вопрос будет подробней рассмотрен в следующем разделе (§ 4.20).

В таком переходе тепло не может не выделяться, поскольку образование ферромагнетика связано с большей степенью упорядоченности: атомы и электроны в них расположены упорядоченно не только по своим координатам, но и по направлениям, образуя кристалл более высокой степени симметрии — "сверхкристалл". Раздельно с упорядочением по координатам и по направлениям частиц (их моментов) мы встречаемся в обычных и в жидких кристаллах, а у ферромагнетиков эти свойства совмещены в форме сверхкристаллического состояния высшего порядка. Именно это упорядочение неизбежно ведёт к снижению энтропии, с выделением соответствующей энергии в некотором температурном интервале. И, лишь из-за того, что это тепловыделение растянуто, его интерпретируют как рост теплоёмкости. Для охлаждения на один градус необходимо не только отнимать тепло, связанное с кинетической энергией беспорядочного движения атомов, но и внутреннее тепло, постепенно выделяющееся в переходе. Существование скрытой теплоты перехода подтверждает и магнитокалорический эффект, — выделение тепла при намагничивании ферромагнетика, словно при кристаллизации.

В том, что ферромагнетизм не имеет отношения к квантовой теории, а объясняется чисто механически, с помощью классических теорий, следует уже из существования пьезомагнитного и обратного пьезомагнитного эффекта, то есть, — намагничивания ферромагнитных материалов под действием давления, деформации. Именно за счёт этого эффекта намагничиваются, со временем, острия ножниц, отвёртки, ножи мясорубок. Связано это с тем, что пластическая деформация приводит к перестройке внутренней структуры металла и чисто механическому упорядочиванию в расположении его атомов и зёрен, что хорошо заметно на протравленных срезах металла. Механическое упорядочивание в расположении атомов и приводит к сонаправленному расположению их магнитных моментов, прежде ориентированных случайным образом. Пластические деформации вызывают постоянные перестройки атомной структуры — в энергетически более выгодную, снижающую энергию взаимодействия, что достигается при сонаправленном расположении магнитных моментов атомов. Не составит большого труда объяснить с классических позиций и все другие особенности ферромагнетизма, в том числе, — кривую намагничивания, а также явления пара-, диа- и антиферромагнетизма.

Стоит отметить, что классическая теория переходов ферромагнетик-парамагнетик была построена Пьером Вейссом и Пьером Кюри [50], чему предшествовало создание Кюри теории кристаллов и кристаллизации (фазового перехода первого рода), а, также, — важной для этих процессов теории симметрии [156, 164]. Однако, Кюри умер в 1906 г. и теперь теорию такого рода фазовых переходов, основанную на теории симметрии, чаще связывают с именем Л.Д. Ландау, по сути укравшего и извратившего на кванторелятивистской основе идеи Кюри. Подобное не раз происходило и с идеями Ритца. Сейчас можно только пожалеть о ранней кончине В. Ритца и П. Кюри. Оба исследовали с разных сторон один и тот же вопрос и были близки к разгадке тайн строения вещества. Если Ритц построил магнитокристаллическую модель атома, то Кюри установил связь кристаллов и магнетизма. Проживи они оба чуть подольше и объедини свои усилия, люди ещё сто лет назад могли бы получить в руки адекватную теорию атома и ядра, а, вместе с ними, и полностью классическую картину мироздания. Итак, магнетизм, в целом, и ферромагнетизм, в частности, — вполне объяснимы в рамках классических законов. Более того, именно классическая теория атома, основанная на модели Ритца, позволяет понять, почему одни материалы и элементы обладают свойствами ферромагнетиков и антиферромагнетиков, а другие — нет (§ 3.3, § 3.19).