Магниты, их служба человеку.

Колбунова Марина Викторовна, преподаватель
Санкт-Петербург

Обобщить материал по данной теме в помощь преподавателям физики, электротехники и студентам, изучающим эти дисциплины

(справка о публикации находится на 2 листе в файле со свидетельством)

Магниты, их служба человеку.

Предметная область: физика, электротехника

Работу выполнила:

Колбунова Марина Викторовна, преподаватель

Спб ГБПОУ «Академия управления городской средой, градостроительства и печати»

Санкт-Петербург2018 год

Содержание

Стр.

Введение………………………………………………………..3

Основная часть. Магниты, их служба человечеству

История открытия…………………………………………..4

Виды магнитов………………………………………………6

Использование магнитов в науке и технике……………….7

Использование магнитов в быту………………………….10

Применение магнитов в медицине……………………….

.12

Заключение…………………………………………………….17

Введение

Магнит – одно из древнейших открытий, сделанных людьми. Магниты всегда привлекали внимание: изучали природу их действия и воздействие на окружающие предметы. И хотя многое уже понятно, некоторая таинственность воздействия магнитных сил побуждает ученых к дальнейшим исследованиям и открывает все новые перспективы применения магнитов. Мы поставили перед собой задачу изучения видов магнитов, природы возникновения магнитного поля, воздействие его на человека и окружающую природу, использование магнитов в промышленности и быту.

II. Основная часть.Магниты на службе человечеству.

История открытия магнитов.

Магнит испокон веков вызывал у людей интерес и удивление. Его способность притягивать и отталкивать заставляла древнейшие цивилизации рассматривать его как особое творение природы. Магни́т — тело, обладающее собственным магнитным полем. Возможно, слово происходит от др.-греч. Μαγνῆτις λίθος (Magnētis líthos), «камень из Магнесии» — от названия региона Магнисия и древнего города Магнесия в Малой Азии, где в древности были открыты залежи магнетита (магнитного железняка)

Существуют другие легенды происхождения названия «магнит». Так рассказывают о пастухе по имени Магнус (у Льва Толстого в рассказе для детей «Магнит» этого пастуха зовут Магнис). Он обнаружил однажды, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к чёрному камню. Этот камень стали называть «камнем Магнуса» или просто «магнитом». Таким образом, за много веков до нашей эры было известно, что некоторые каменные породы обладают свойством притягивать куски железа. Об этом упоминал в VI веке до нашей эры греческий ученый и философ Фалес. Первое научное изучение свойств магнита было предпринято в XIII веке ученым Петром Перегрином. В 1269 году вышло его сочинение «Книга о магните», где он писал о многих фактах магнетизма: у магнита есть два полюса, которые ученый назвал северным и южным; невозможно отделить полюса друг от друга разламыванием. Перегрин писал и о двух видах взаимодействия полюсов — притяжении и отталкивании. К XII—XIII векам нашей эры магнитные компасы уже использовались в навигации в Европе, в Китае и других странах мира.

В 1600 году вышло сочинение английского врача Уильяма Гильберта «О магните». К известным уже фактам Гильберт прибавил важные наблюдения: усиление действия магнитных полюсов железной арматурой, потерю магнетизма при нагревании и другие. В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед на лекции демонстрировал опыт, включив электрический ток вблизи магнитной стрелки. Он был буквально озадачен, увидев, что магнитная стрелка после включения тока начала совершать колебания. Эрстед оценил значения своего наблюдения и повторил опыт. Соединив длинным проводом полюса гальванической батареи, Эрстед протянул провод горизонтально и параллельно свободно подвешенной магнитной стрелке. Как только был включён ток, стрелка немедленно отклонилась, стремясь встать перпендикулярно к направлению провода. При изменении направления тока стрелка отклонилась в другую сторону. Вскоре Эрстед доказал, что магнит действует с некоторой силой на провод, по которому идёт ток.

Открытие взаимодействия между электрическим током и магнитом имело огромное значение.

Оно стало началом новой эпохи в учении об электричестве и магнетизме. Это взаимодействие сыграло важную роль в развитии техники физического эксперимента.

Узнав об открытии Эрстеда, французский физик Доминик Франсуа Араго начал серию опытов. Он обмотал медной проволокой стеклянную трубку, в которую вставил железный стержень. Как только замкнули электрическую цепь, стержень сильно намагнитился и к его концу крепко прилипли железные ключи; когда выключили ток, ключи отпали. Араго рассматривал проводник, по которому идёт ток, как магнит. Правильное объяснение этого явления было дано после исследований французского физика Андре Ампера, который установил внутреннюю связь между электричеством и магнетизмом. В сентябре 1820 года он сообщил Французской Академии наук о полученных им результатах.

Ампер скрутил проводник в виде спирали. Этот провод при пропускании по нему тока приобретал свойство магнита. Ампер назвал его соленоидом. Исходя из магнитных свойств соленоида, Ампер предложил рассматривать магнетизм как явление, обязанное круговым токам. Он считал, что магнит состоит из молекул, в которых имеются круговые токи. Каждая молекула представляет собой маленький магнитик, располагаясь одноимёнными полюсами в одну и ту же сторону, эти маленькие магнитики и образуют магнит. Проводя вдоль стальной полосы магнитом (несколько раз в одну и ту же сторону), мы заставляем молекулы с круговыми токами ориентироваться в пространстве одинаково. Таким образом, стальная пластинка превратится в магнит. Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон. Его движение создает магнитное поле. Сегодня существует квантовая теории электромагнитного поля.

Виды магнитов

Постоянный магнит — изделие, изготовленное из ферромагнетика, способного сохранять остаточную намагниченность после выключения внешнего магнитного поля. В качестве материалов для постоянных магнитов обычно используют железо, никель, кобальт, некоторые сплавы редкоземельных металлов (как, например, в неодимовых магнитах), а также некоторые естественные минералы, такие как магнетиты.

Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля. Свойства магнита определяются характеристиками петли магнитного гистерезиса материала магнита: остаточной индукцией Br и коэрцитивной силой Hc. Чем выше Br и Hc, тем выше намагниченность и стабильность магнита. Характерные поля постоянных магнитов — до 1 Тл.В настоящее время широко используют магниты из редкоземельного металла — неодима. Везде, где мы имеем дело с температурами не выше 80°C, конечно, эффективней применять именно такие неодимовые магниты. Они имеют высокую мощность, но благодаря их компактному размеру не занимают много места и не создают трудностей при транспортировке.

Их используют практически повсеместно: в промышленности (приборостроение, электроника, машиностроение, магнитные системы различных назначений, обогащение полезных ископаемых и т. д.), в торговле, медицине и, конечно, в быту.

Электромагнит — устройство, магнитное поле которого создаётся при протекании электрического тока. Как правило, это катушка-соленоид со вставленным внутрь ферромагнитным (обычно стальным) сердечником с большой магнитной проницаемостью . Характерные поля электромагнитов 1,5—2 Тл. Первый электромагнит изготовил в 1825 году английский инженер Уильям Стёрджен. Этот электромагнит представлял собой согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки. Для изолирования от обмотки стержень был покрыт лаком. При пропускании тока железный стержень приобретал свойства сильного магнита, но при прерывании тока он мгновенно их терял. Именно эта особенность электромагнитов позволила широко применять их в технике.

Использование магнитов в науке и технике

Трудно назвать такую область науки и техники, где не использовались бы магниты.

Электромагниты обязательно входят в состав электродвигателей и генераторов. Двигатели преобразовывают электрическую энергию в механическую энергию. Генераторы, наоборот, преобразуют механическую энергию в электрическую энергию путём перемещения проводника через магнитное поле.

Электрический транспорт (метро, электричка, трамвай, троллейбус) работает на электродвигателях, использующих магнитное поле.

Трансформаторы: устройства для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Имеют две катушки, которые электрически изолированы, но связаны магнитно. Используют во всех видах электронной техники, поскольку электроника работает на низком напряжении, а включается в сеть с напряжением в 220В.

Маглев (magnetic levitation — «магнитная левитация»): поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является лишь сила аэродинамического сопротивления.

Ускорители частиц — установки, где получают заряженные частицы высоких энергий. В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Существует Большой адронный коллайдер в Швейцарии. Он представляет собой кольцо длиной почти 27 километров.

Подъемный электромагнит способен перемещать громоздкие и тяжелые стальные детали. Магниты могут поднимать и небольшие, легкие предметы из ферромагнетиков (железные гвозди, скобы, кнопки, скрепки), которые являются слишком мелкими, либо их трудно достать, либо они слишком тонкие, чтобы держать их пальцами. Некоторые отвёртки специально намагничиваются для этой цели.

в компьютерных жёстких дисках запись данных происходит на тонком магнитном покрытии. Эти носители информации не являются магнитами в строгом смысле, так как они не притягивают предметы.

СВЧ – техника работает на магнетронах.

Магниты применяются в составе отклоняющей системы электронно-лучевых трубок для управления электронным пучком.

Магниты используются при неразрушающем контроле магнитопорошковым методом (МПК).

Мощные постоянные магниты (NdFeB) часто используются в медицинских приборах. Их также используют для намагничивания предметов.

Магниты нужны для изготовления сепараторов железных частиц.

Магниты – главная часть приборов магнитной ионизации.

В области автоматики и безопасности магниты применяются для изготовления реле и сенсоров.

Неодимовые магниты применяют при изготовлении турбинных генераторов. Как правило, качество генератора напрямую зависит от мощности магнита.

Магниты применяются в конструкциях бесконтактных тормозов, состоящих из двух пластин, одна — магнит, а другая из алюминия. Одна из них жёстко закреплена на раме, другая вращается с валом. Торможение регулируется зазором между ними.

Громкоговорители и микрофоны используют постоянный магнит и токовую катушку для преобразования электрической энергии (сигнала) в механическую энергию (движение, которое создает звук). Обмотка намотана на катушку, прикрепляется к диффузору и по ней протекает переменный ток, который взаимодействует с полем постоянного магнита.

Магниты применяются в СВЧ вентилях и циркуляторах для направленной передачи энергии электромагнитных колебаний.

Магниты и электромагниты являются составной частью электроизмерительных приборов. При изменении тока меняется сила, действующая на проводник со стороны магнитного поля, меняется угол поворота проводника и угол отклонения стрелки прибора.

Магниты совместно с полупроводниковым датчиком Холла используют для определения углового положения или угловой скорости вала.

Магниты используются в искровых разрядниках для ускорения гашения дуги.

Существует магнитная дефектоскопия, метод поиска дефектов, основанный на исследовании искажений магнитного поля, возникающих в местах дефектов в изделиях из магнитных материалов.

Представители различных наук учитывают магнитные поля в своих исследованиях. Физики измеряют магнитные поля атомов и элементарных частиц, астрономы изучают роль космических магнитных полей в процессе формирования новых звёзд, геологи по аномалиям магнитного поля Земли отыскивают залежи магнитных руд.

Использование магнитов в быту

Трудно перечислить все области использования магнитов в бытовой технике и окружающей нас жилой среде.

Магниты используются в компьютерных жестких дисках, в телефонии, в теле- и видеоаппаратуре.

Кредитные, дебетовые, и ATM карты — все эти карточки имеют магнитную полосу на одной стороне. Эта полоса кодирует информацию, необходимую для соединения с финансовым учреждением и связи со счетами.

Магниты используются для передачи вращающего момента «сквозь» стенку, которой может являться, например, герметичный контейнер электродвигателя. Таким образом, в бытовых счётчиках расхода воды передаётся вращение от лопаток датчика на счётный узел.

В устройстве домофона используется магнит.

Магнитный пускатель, подающий питание на обмотку любого двигателя, в том числе и двигателя лифта.

Электромагнитный тормоз, препятствующий движению кабины лифта при обесточивании двигателя

Компасы: компас (или морской компас) является намагниченным указателем, который может свободно вращаться и ориентируется на направление магнитного поля Земли.

Магниты используются в фиксаторах мебельных дверей.

Неодимовые магниты небольших размеров способны стать чудесной игрушкой как для детей, так и для взрослых. Им можно найти много разных применений.

Неодимовыми магнитами можно закреплять различные предметы. Например, можно сделать из магнитов пояс для инструментов.

Декоративное искусство: виниловые магнитные листы могут быть присоединены к живописи, фотографии и другим декоративным изделиям, что позволяет им удерживаться на холодильниках и других металлических поверхностях.

Магниты могут использоваться для производства ювелирных изделий. Ожерелья и браслеты имеют магнитную застёжку, или могут быть изготовлены полностью из нескольких, связанных между собой магнитов.

Магниты встречаются в сумках в виде вставленной внутрь закрывающей сумку кнопки намагниченной железной пластины; магниты вшивают внутрь верхней одежды для закрывания клапана одежды элегантной, невидимой глазу застёжкой.

Если магниты поместить в губки, то эти губки можно использовать для мытья тонких листовых немагнитных материалов сразу с обеих сторон, причём одна сторона может быть труднодоступной. Это могут быть, например, стёкла аквариума или балкона.

Магниты совместно с герконом применяют в специальных датчиках положения. Например, в датчиках дверей холодильников и охранных сигнализаций.

Применение магнитов в медицине

Древние цивилизации знали о лечебных свойствах магнита. Известно, что магнитотерапия упоминается в китайской «Книге Желтого Императора о сокровенной медицине», которая, как считается, была написана около 2000 лет до н.э.

Нужно учитывать то, что мы живем в магнитном поле, поскольку сама Земля представляет собой гигантский магнит. Различные авторитетные специалисты считают, что магнитное поле Земли оказывает благотворное воздействие на здоровье всех животных, растений и людей.

Однако со времен древнейших цивилизаций магнитное поле Земли изменилось. Линии электропередач, промышленное электрооборудование, бытовые электроприборы (телевизоры, радиоприемники, микроволновые печи и т. д.) ощутимо влияют на магнитное поле Земли, снижая его интенсивность.

В настоящее время использование магнитов для диагностики и лечения – магнитотерапия-повсеместно привлекает к себе внимание общественности. В Японии использование магнитов для контроля и лечения различных заболеваний стало предметом глубоких научных исследований. Сейчас эта страна занимает ведущее положение в мире в этой области. Более десяти миллионов японцев используют магнитные кровати, чтобы снять стресс и напитать организм энергией. Согласно японским специалистам, магниты особенно незаменимы при переутомлении, ишиасе, астме, мигрени и т. д.

Из Японии этот вид лечения пришел на Запад, где нашел много горячих приверженцев, в том числе среди психологов, врачей, физиотерапевтов, спортсменов и т. п. Магнитотерапия получила поддержку ведущих авторитетов в области медицины: например, д-ра Уильяма Филпота, ведущего невролога из Оклахомы, США. Он, после нескольких лет исследований, заявил, что воздействие на наше тело магнитным полем стимулирует гормон сна, мелатонин, и обеспечивает более спокойный сон. Управление продовольствия и лекарств США дало свою санкцию на использование и продажу в США различных магнитных приборов.

Эксперименты, проведенные Университетом Ломалинды (США) и несколькими другими университетами, установили, что возникновение многих хронических заболеваний связано с недостаточным кровообращением и нарушением работы нервной системы. Если клетки не получают необходимых питательных веществ, это в конце концов приводит к какому-нибудь хроническому заболеванию. Магниты помогают восстановить работу нервной системы и улучшить кровоснабжение. Сейчас в различных частях света продолжаются исследования магнитов, и с 1960 г. опубликовано более 4 тыс. медицинских и научных работ об использовании магнита в лечебных целях.

Обычно магнит используют для снятия боли и воспалений. Как представляется, в присутствии магнитного поля ткани работают более энергично. Если приложить магнит, то кровообращение соответствующей части тела и вокруг нее увеличивается. Воздействие магнитного поля позволяет тканям впитывать больше кислорода. Таким образом, благодаря магнитным полям ткани активизируются, в результате чего отходы удаляются быстрее, а ткани впитывают питательные вещества более эффективно. Поэтому работа клеток улучшается.

Каждая молекула воды в теле человека поляризована. Это означает, что одна ее часть электрически более положительна, а другая – более отрицательна. Поляризация тесно связана и взаимодействует с магнитными полями. Кажется очевидным, что магнит, очень напоминая этим воду, помогает при любых заболеваниях. В настоящее время магниты широко используются по всему миру для лечения расстройств сна, облегчения боли, снятия воспалений.

Д-р Филпот, получивший докторскую степень по медицине в Университете Ламалинды, возглавляет Биоэлектромагнитный институт в городе Оклахома (США). Он утверждает, что человеческое тело само по себе является электромагнитной машиной.

Каждая клетка тела имеет положительное и отрицательное поле. Магнитное поле Земли играет важнейшую роль во всех видах деятельности на нашей планете, оно поддерживает жизнь живых существ и дает им силы.

Ночью воздействие магнитной энергии Земли выражается в укрепляющем сне, биологическом лечении и перезарядке энергией. Когда встает солнце, на нас воздействует магнитная энергия (энергия Северного полюса), помогая нам поддерживать дневную активность. Итак, в течение дня мы подвергаемся влиянию Северного полюса, а в течение ночи испытываем воздействие Южного магнитного полюса. На протяжении 24 часов тело человека подвергается действию магнитных сил. Шишковидная железа в организме человека отвечает за работу гормонов и ферментов. Ее можно назвать магнитным органом, так как она содержит кристаллы магнетита. Она повышенно чувствительна к магнитной энергии. Ночью именно эта железа вырабатывает гормон сна — мелатонин. Когда мы стареем, у нас вырабатывается меньше этих гормонов, но для крепкого сна и здоровья организму необходимо такое же количество мелатонина, что и в молодости. Поэтому, чтобы увеличить образование этого гормона, необходимо использовать магниты. Поскольку гормоны вырабатываются самим организмом, они абсолютно безвредны. Когда организм производит их в меньшем количестве, начинается процесс старения. Одно из преимуществ магнитотерапии заключается в том, что она дешева и не имеет никаких побочных эффектов. Магнитотерапия, помимо того, что является легкой, действенной и недорогой, дает еще и полную гарантию безопасности. Приведем отзывы о магнитотерапии некоторых врачей.

Ричард Левитон, «Исцеление энергией природы», East – West Journal, июнь 1986 г.:

«Сейчас мы стоим на пороге новой эры в науке о магнитах и их применении. Магнит – это инструмент, данный нам самой матерью-природой».

Д-р Ральф У. Сьерра, «Исцеляющая сила магнита»:

«Благодаря поразительным результатам, достигнутым с помощью магнитотерапии, она достойна занять важное место в терапевтической сфере».

Д-р медицинских наук Невиль С. Бенгали, автор книги «Магнитотерапия: теория и практика»:

«Это революция в лечении повреждений мышц, боли в суставах и проблем с осанкой. Мы лечили с помощью магнитов 4 тыс. пациентов, и в 80 % случаев получили положительный результат».

Очень распространенным в последнее время становится использование неодимовых магнитов в магнитотерапии как способе лечения симптомов и устранения боли при таких болезнях, как артрит. За их целебные свойства их иногда называют «лечебными магнитами». Существуют электромагнитные измерители скорости движения крови, миниатюрные капсулы, которые с помощью внешних магнитных полей можно перемещать по кровеносным сосудам, чтобы расширять их, брать пробы на определённых участках пути или, наоборот, локально выводить из капсул различные медикаменты.Исследование работы сердца осуществляют с помощью электрических датчиков, путем снятия электрокардиограммы. Электрические импульсы, вырабатываемые сердцем, создают при этом магнитное поле сердца. Она позволяет получить сведения об электрически “немых”, неработающих областях сердца. Неодимовые магниты используют в приборах МРТ (магнитно-резонансной томографии).

В NASA магниты используются для поддержания мышечного тонуса у космонавтов во время космических полетов.

Магнетизм Земли воздействует не только на человека и весь животный мир, но и на мир растительный. Так он активизирует необходимые ферментные системы во фруктах и овощах, что делает возможным их нормальное созревание.

Заключение

Таким образом, мы изучили историю появления магнитов, их разновидности. Выяснили мнение ученых о природе магнетизма. Сделали обзор тех отраслей науки и техники, где используются магниты и электромагниты. Осветили обширную область использования магнитов в быту. Рассмотрели вопросы воздействия магнитного поля на организм человека и возможность использования поля для диагностики и лечения различных заболеваний.

Как появился магнит — легенды и факты

Магнит — это тело, имеющее собственное магнитное поле. Оно создаётся движущимися электрическими зарядами, проявляется на них же и является невидимым для человека.

В естественной среде предмет встречается в виде камня — магнетита, иное название — магнитный железняк. На многих языках слово «магнит» означает «любящий». В интерпретации сыграла роль ассоциация, связанная со способностью притягивать.

Тела с необычными свойствами бывают природными и искусственными. В Тартуском университете хранится самый крупный в мире натуральный экземпляр. Его вес составляет 13 килограмм, а подъёмная сила достигает 40 килограмм. Искусственные создаются людьми из железа, кобальта и сопутствующих добавок, их ещё называют порошковыми магнитами.

Легенды

История открытия природного объекта и последующего исследования его качеств, согласно легендам, развивалась одновременно на нескольких континентах.

Древняя Греция

Мифическое сказание гласит, что событие произошло более 4 тысяч лет назад, когда греческий пастух по имени Магнус охранял овечье стадо на Крите. Персонаж легенды обнаружил, что металлический наконечник его посоха и гвозди на подошвах сапог притягиваются к большому чёрному камню, на котором он стоял.

Этот тип породы стали называть «камень Магнуса» или просто «магнит». Так, ещё за 2 тысячелетия до нашей эры, люди получили знания о свойствах некоторых камней тянуть к себе железные предметы.

Древняя Америка

В Центральной Америке магнит появился ещё раньше, чем в Евразии. Об этом свидетельствует историческая находка, сделанная на территории современного государства Гватемалы. При раскопках были обнаружены древние скульптуры — «толстые мальчики», которые символизируют плодородие и сытую жизнь. Фигуры целиком выполнены из магнитной породы.

Древний Китай

Китайские легенды формируют сказания о применении магнита мифической личностью. Великий император Хуан-ди, следуя тому, что написано в летописях о притягивающих камнях, использовал первый компас во время сражения. Известно, что устройство в виде железной ложки на гладкой магнитной поверхности применялось династией Хань для предсказаний. 

Евразия

Европейские легенды рассказывают об открытии, которое сделал ювелирный мастер Флавио Джойа. Он первым на континенте изобрёл магнитный компас. Мужчина был из низкого сословия, но любил дочь богатого рыбака. Её отец был против такого союза и поставил условие: Флавио должен научиться плавать по прямой траектории в ночном тумане. Находчивый мастер заметил, что пробка с расположенным на ней чёрным камнем, помещённая в тарелку с водой, всегда стремится в одном направлении. Так он смог выполнить трудное задание.

История открытия магнита, изучение его свойств

Реальная история открытия магнита, подкреплённая фактами, отражёнными в письменных источниках, началась в IV веке до нашей эры. Фалес, греческий философ и физик, упомянул в своих трудах магнитные свойства каменистой породы.

В XIII веке началось первое научное исследование магнита. П. Перегрин выпустил сочинение, где описывал, что у предмета есть 2 полюса, которые невозможно разделить. Учёный также рассказал об отталкивании и притяжении. К концу столетия компасы стали использоваться для навигации в развитых странах.

Уильям Гильберт в 1600 году выпустил труд «О магните». Английский врач к уже известным фактам добавил сенсационные сведения: железная арматура усиливает действие магнитных полюсов, нагревание ослабевает магнетизм.

Далее изучение свойств камня приобрело углублённый характер: проводились многочисленные опыты с использованием других предметов, со сменой условий, нагревом и охлаждением.

Спустя 220 лет Ганс Эрстед на лекции продемонстрировал студентам, как ведёт себя магнит рядом с электрическим током. Вскоре выдающийся физик доказал, что он действует на провод, по которому проходит ток, с определённой силой. Открытие стало грандиозным прорывом в исследовании магнитных свойств.

В первой четверти XIX века английский инженер Стёрджен создал первый электромагнит. Предмет представлял собой согнутый железный стержень, обмотанный медной проволокой. Изоляцией выступал слой лака. Когда по стержню проходил ток, он становился сильным магнитом, а при прерывании подачи мгновенно терял свойства. Именно эта способность электромагнитов вывела их в широкое применение.

Где используется магнит в современной жизни

Магнит используется во многих сферах: от инженерно-технической до бытовой. Он является частью привычных вещей, которые люди видят каждый день:

• банковские карты с магнитной полосой;
• микрофоны, усилители звука;
• генераторы, электрические двигатели в автомобилях;
• компасы;
• трансформаторы, поляризованные реле;
• телевизоры и мониторы с электронно-лучевой трубкой;
• детские игрушки;
• бесконтактная тормозная система в автомобилях нового поколения.

Перечислить все области использования и приборы, изготовленные с участием магнита, довольно сложно. Очевидно, что это фундаментальное открытие подарило обществу большие возможности для развития.

Принцип работы электромагнита

Электромагнит — устройство и принцип работы

Электромагнит — устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока через него.

Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке электрического тока.

Магнитные поля возникают в случае, когда весь набор электронов металлического объекта начинает вращаться в одинаковом направлении.

В искусственных магнитах это движение обуславливается при помощи электромагнитного поля.

Для постоянных электромагнитов данное явление считается натуральным.

Обмотку для электромагнита выполняют из медных или алюминиевых изолированных проводов. Существуют и сверхпроводящие электромагниты. Магнитный провод делают из магнитно-мягкого материла, чаще всего стали (конструкционной, литой и электротехнической), чугуна и сплавов железа с кобальтом или никелем. Снижение потери на вихревой ток (ВхТ) осуществляется при помощи создания магнитопровода из множества листов.

Общая характеристика

Подключившись к источнику постоянного тока (а также напряжения), катушка и провод начинают получать энергетические ресурсы и создают магнитное поле, которое является подобным полю, что образуется в постоянных полосовых магнитах.

Плотность, которой обладает магнитный поток, всегда является пропорциональной величине электрического тока, протекающего сквозь толщу катушки.

Полярность электромагнита определяют по направлению тока.

Механизм образования включает в себя наматывание провода вокруг сердечника, выполненного из металла, через который потом пропускают электричество из определенного источника.

Если внутренняя полость катушка заполнена воздухом, то ее называют соленоидом.

Увеличивать силу электромагнита, а точнее его поля, можно при помощи:

• применения сердечников из «мягкого» железа;
• применения больших чисел витков;
• применения электрического тока в больших размерах.

Виды

Электромагниты бывают следующих видов:

• Нейтральные постоянного тока. В таком устройстве магнитный поток создается посредством постоянного электрического тока, пропущенного через обмотку. А значит, сила притяжения такого электромагнита варьируется в зависимости только от величины тока, а не от его направления в обмотке.
• Поляризованные постоянного тока. Действие электромагнита подобного рода основано на наличии двух независимых магнитных потоков. Если говорить о поляризующем, то его наличие создается обычно постоянными магнитами (в редких случаях — дополнительными электромагнитами), и нужен он для создания притягивающей силы при выключенной обмотке. А действие такого электромагнита зависит от величины и направления электрического тока, который движется в обмотке.
• Переменного тока. В таких устройствах катушка электромагнита питается электричеством переменного тока. Соответственно, с определенной периодичностью магнитный поток меняет свое направление и величину. А сила притяжения варьируется лишь по величине, из-за чего она «пульсирует» от минимального до максимального значения с частотой, которая имеет двукратную величину по отношению к частоте питающего ее электрического тока.

Магнитное поле, создаваемое катушкой

Когда электрический ток проходит через обмотки катушек, он ведет себя как электромагнит. Плунжер,находящийся внутри катушки, притягивается к её центру с помощью магнитного потока внутри корпуса катушек, который, в свою очередь, сжимает небольшая пружина прикреплена к одному концу плунжера. 

Сила и скорость движения плунжеров определяются силой магнитного потока, генерируемого внутри катушки.

Когда ток питания выключен (обесточен), электромагнитное поле, созданное ранее катушкой, разрушается, и энергия, накопленная в сжатой пружине, заставляет поршень вернуться в исходное положение покоя. Это движение плунжера вперед и назад известно как «ход» соленоидов, другими словами, максимальное расстояние, на которое плунжер может проходить в направлении «вход» или «выход», например, 0–30 мм.

Такой тип соленоида обычно называется линейным соленоидом из-за линейного направленного движения и действия плунжера. 

Конструкция линейного соленоида вытяжного типа

Линейные соленоиды полезны во многих устройствах, которые требуют движения открытого или закрытого типа (например, внутри или снаружи), таких как дверные замки с электронным управлением, пневматические или гидравлические регулирующие клапаны, робототехника, управление автомобильным двигателем, ирригационные клапаны для полива сада и даже для дверного звонка. Они доступны как открытая рама, закрытая рама или герметичные трубчатые типы.

Вращательный соленоид

Большинство электромагнитных соленоидов являются линейными устройствами, создающими линейную силу движения или движения вперед и назад. Однако имеются также вращательные соленоиды, которые производят угловое или вращательное движение из нейтрального положения либо по часовой стрелке, против часовой стрелки, либо в обоих направлениях (в двух направлениях).

Вращающиеся соленоиды можно использовать для замены небольших двигателей постоянного тока или шаговых двигателей, если угловое движение очень мало, а угол поворота — это угол, смещенный от начального к конечному положению.

Видео по теме

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 2 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Неодимовый магнит. История изобретения. Где используются?

Самым сильным и самым мощным, из доступных на сегодняшний день в продаже постоянных магнитов, является неодимовый магнит. Такие магниты имеют химическую формулу Nd2Fe14В, и обладают исключительной плотностью магнитной энергии достигающей 512 кДж/м3. Если раньше самарий-кобальтовые (SmCo) магниты считались наиболее мощными из доступных в продаже, то, начиная с 1986 года, их постепенно начали заменять неодимовые магниты, значительно более экономичные по стоимости производства, хотя и с более низкой температурой Кюри.

С развитием электронной промышленности, начиная с 90-х годов и до настоящего времени, неодимовые магниты получили большую популярность повсеместно, и их замечательными свойствами многие удивлены до сих пор, ведь такой магнит может поднять груз в тысячи раз превышающий вес самого магнита.

   Неодимовый магнит

Все началось с того, что в 1982 году японская компания Sumitomo Special Metals, работая совместно с американской General Motors над проблемой поиска альтернативы дорогим самарий-кобальтовым (SmCo) магнитам, отыскала таки соединение неодим-железо-бор, которое и было запатентовано General Motors в 1985 году. В 1986 году была открыта компания Magnequench, специализировавшаяся на выпуске неодимовых магнитов, и продававшая сырьё для их изготовления.

Позже Magnequench стала частью Molycorp, США, а Sumitomo – частью Hitachi Corporation, Япония, и теперь Hitachi обладает более чем 600 патентами, связанными с производством неодимовых магнитов методом спекания, и лицензирует многочисленные производства по всему миру.

В конце концов, Китай вышел в лидеры по производству неодимовых магнитов, ведь эта страна контролирует огромную долю мировых редкоземельных руд.

Ежегодно в Китае производят по 50000 тонн неодимовых магнитов. Между тем, в одной тонне исходной руды содержится около 700 кг железа, а неодима — максимум 450 грамм.

   Неодим

Для изготовления неодимовых магнитов применяют порошковую технологию, позволяющую получать магниты трех типов: прессованные магниты, литые магнитопласты, и спеченные магнитопласты.

Перед изготовлением магнитов выплавляют магнитный материал, для этого исходные элементы (железо, неодим, бор) сплавляют в индукционной печи, затем дробят полученный сплав, получая порошок для дальнейших этапов технологического процесса, для работы уже с порошком.

 

   Характеристики неодимовых магнитов

В зависимости от микроструктуры исходных элементов, магнитные свойст ва конечного продукта могут в некоторой степени различаться. Зачастую применяют непосредственно соединение Nd2Fe14В. Именно его структура и дает максимальную магнитокристаллическую, одноосную анизотропию. Но возможны и более сложные химические реакции.

Спеченные магнитопласты

Получаются путем прессования порошка неодима-железа-бора, его спекания в инертной или вакуумной среде, и последующей шлифовки на станке до получения нужной формы. Во время прессования порошка, на него действует магнитное поле нужной интенсивности и направления, которое и задает намагниченность.

Литые магнитопласты

Получаются с применением полимеров, которые смешиваются с неодим-железо-бор порошком, а потом выдавливаются в форму, и здесь есть возможность получать любые формы, однако энергия продукта ограничена значением в 5 МГсЭ.

Прессованные магнитопласты

Получаются следующим образом, исходный порошок неодим-железо-бор смешивают с полимером, затем прессуют в форму, нагревают и намагничивают. Дополнительной обработки не требуется, а энергия прессованных магнитопластов ограничена значением в 10 МГсЭ.

 

Отличительные свойства и технические характеристики

Итак, неодимовые магниты обладают следующими отличительными свойствами:

• За 10 лет теряют лишь 1% намагниченности
• Доступны любые размеры и формы
• Низкая температура Кюри (см. таблицу выше)
• Высокая устойчивость к коррозии
• Максимальная остаточная намагниченность
• Максимальная коэрцитивная сила
• Максимальная удельная магнитная энергия

Неодимовые магниты маркируются следующим образом, это так называемые классы неодимовых магнитов:

• N35-N52
• 33M-48M
• 30H-45H
• 30SH-42SH
• 30UH-35UH
• 28EH-35EH

Здесь номер обозначает магнитную энергию, выраженную в МГсЭ ( МегаГаусс-Эрстед), а буква (марка) – допустимый температурный диапазон:

• N (Normal) – до 80 градусов Цельсия
• M (Medium) –до 100 градусов Цельсия
• H (High) – до 120 градусов Цельсия
• SH (Super High) – до 150 градусов Цельсия
• UH (Ultra High) – до 180 градусов Цельсия
• EH (Extra High) – до 200 градусов Цельсия

   Неодимовый магнит в приводах жестких дисков

Обычно, продавец всегда готов предоставить исчерпывающую информацию о технических характеристиках предлагаемых им неодимовых магнитов.

Сфера применения неодимовых магнитов

Неодимовые магниты почти полностью вытеснили ферритовые магниты во многих сферах применения, включая промышленность, поскольку они намного сильнее, и при этом являются более компактными.

 

Так, неодимовые магниты нашли следующие применения:

• в приводах головок жестких дисков компьютеров
• в составе стирающих головок недорогой аппаратуры
• в магитно-резонансной томографии (МРТ)
• в магнитных звукоснимателях гитар
• в электронных сигаретах
• в дверных замках
• в громкоговорителях и наушниках
• в магнитных подшипниках
• в спектрометрах ЯМР
• в электродвигателях
• в аккумуляторных инструментах
• в серводвигателях
• в подъемных и компрессорных двигателях
• в шаговых двигателях
• в электрических усилителях руля
• на гибридном и на электрическом транспорте
• в генераторах и турбинах (турбины прямого привода требуют 600 кг магнитов на мегаватт мощности, а 31% этой массы — неодим)

   Игрушка из неодимовых магнитов

Кроме этого, неодимовые магниты с их уникальными магнитными свойствами вдохновили создателей игрушек и украшений. Всем известны магнитные наборы неокуб, и другие; различные конструкторы, разнообразные декоративные застежки и прочее.

Таким образом, неодимовые магниты способны далеко не только на решение сложных производственных задач, но и на простые, удобные решения.

В последнее время, мощные магниты начали активно рекламироваться для использования в незаконных действиях. Реклама призывает покупать магниты, с помощью которых можно пользоваться электроэнергией, теплом и газом без учета потребленных ресурсов соответствующими счетчиками. Безучетное использование таких ресурсов незаконно, согласно кодексу об административных правонарушениях.

 

Смотрите также по теме:

   Магнитный двигатель на постоянных магнитах. Двигатель Минато.

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Содержание статьи

МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА. Простейшие проявления магнетизма известны очень давно и знакомы большинству из нас. Однако объяснить эти, казалось бы, простые явления на основе фундаментальных принципов физики удалось лишь сравнительно недавно.

Существуют магниты двух разных видов. Одни – так называемые постоянные магниты, изготовляемые из «магнитно-твердых» материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитно-мягкого» железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.

Магнитные полюса и магнитное поле.

Магнитные свойства стержневого магнита наиболее заметны вблизи его концов. Если такой магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то он займет положение, примерно соответствующее направлению с севера на юг. Конец стержня, указывающий на север, называют северным полюсом, а противоположный конец – южным полюсом. Разноименные полюса двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные взаимно отталкиваются.

Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок ненамагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний – одноименным. Притяжением между полюсом магнита и индуцированным им в бруске противоположным полюсом и объясняется действие магнита. Некоторые материалы (например, сталь) сами становятся слабыми постоянными магнитами после того, как побывают около постоянного магнита или электромагнита. Стальной стержень можно намагнитить, просто проведя по его торцу концом стержневого постоянного магнита.

Итак, магнит притягивает другие магниты и предметы из магнитных материалов, не находясь в соприкосновении с ними. Такое действие на расстоянии объясняется существованием в пространстве вокруг магнита магнитного поля. Некоторое представление об интенсивности и направлении этого магнитного поля можно получить, насыпав на лист картона или стекла, положенный на магнит, железные опилки. Опилки выстроятся цепочками в направлении поля, а густота линий из опилок будет соответствовать интенсивности этого поля. (Гуще всего они у концов магнита, где интенсивность магнитного поля наибольшая.)

М.Фарадей (1791–1867) ввел для магнитов понятие замкнутых линий индукции. Линии индукции выходят в окружающее пространство из магнита у его северного полюса, входят в магнит у южного полюса и проходят внутри материала магнита от южного полюса обратно к северному, образуя замкнутую петлю. Полное число линий индукции, выходящих из магнита, называется магнитным потоком. Плотность магнитного потока, или магнитная индукция (В), равна числу линий индукции, проходящих по нормали через элементарную площадку единичной величины.

Магнитной индукцией определяется сила, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем проводник с током. Если проводник, по которому проходит ток I, расположен перпендикулярно линиям индукции, то по закону Ампера сила F, действующая на проводник, перпендикулярна и полю, и проводнику и пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника. Таким образом, для магнитной индукции B можно написать выражение

где F – сила в ньютонах, I – ток в амперах, l – длина в метрах. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл) (см. также ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ).

Гальванометр.

Гальванометр – чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используется вращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна.

Намагничивающая сила и напряженность магнитного поля.

Далее следует ввести еще одну величину, характеризующую магнитное действие электрического тока. Предположим, что ток проходит по проводу длинной катушки, внутри которой расположен намагничиваемый материал. Намагничивающей силой называется произведение электрического тока в катушке на число ее витков (эта сила измеряется в амперах, так как число витков – величина безразмерная). Напряженность магнитного поля Н равна намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины катушки. Таким образом, величина Н измеряется в амперах на метр; ею определяется намагниченность, приобретаемая материалом внутри катушки.

В вакууме магнитная индукция B пропорциональна напряженности магнитного поля Н:

где m0 – т.н. магнитная постоянная, имеющая универсальное значение 4pЧ10^–7 Гн/м. Во многих материалах величина B приблизительно пропорциональна Н. Однако в ферромагнитных материалах соотношение между B и Н несколько сложнее (о чем будет сказано ниже).

На рис. 1 изображен простой электромагнит, предназначенный для захвата грузов. Источником энергии служит аккумуляторная батарея постоянного тока. На рисунке показаны также силовые линии поля электромагнита, которые можно выявить обычным методом железных опилок.

Крупные электромагниты с железными сердечниками и очень большим числом ампер-витков, работающие в непрерывном режиме, обладают большой намагничивающей силой. Они создают магнитную индукцию до 6 Тл в промежутке между полюсами; эта индукция ограничивается лишь механическими напряжениями, нагреванием катушек и магнитным насыщением сердечника. Ряд гигантских электромагнитов (без сердечника) с водяным охлаждением, а также установок для создания импульсных магнитных полей был сконструирован П.Л.Капицей (1894–1984) в Кембридже и в Институте физических проблем АН СССР и Ф.Биттером (1902–1967) в Массачусетском технологическом институте. На таких магнитах удавалось достичь индукции до 50 Тл. Сравнительно небольшой электромагнит, создающий поля до 6,2 Тл, потребляющий электрическую мощность 15 кВт и охлаждаемый жидким водородом, был разработан в Лосаламосской национальной лаборатории. Подобные поля получают при криогенных температурах.

Магнитная проницаемость и ее роль в магнетизме.

Магнитная проницаемость m – это величина, характеризующая магнитные свойства материала. Ферромагнитные металлы Fe, Ni, Co и их сплавы обладают очень высокими максимальными проницаемостями – от 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермаллоя). В таких материалах при сравнительно малых напряженностях поля H возникают большие индукции B, но связь между этими величинами, вообще говоря, нелинейна из-за явлений насыщения и гистерезиса, о которых говорится ниже. Ферромагнитные материалы сильно притягиваются магнитами. Они теряют свои магнитные свойства при температурах выше точки Кюри (770° С для Fe, 358° С для Ni, 1120° С для Co) и ведут себя как парамагнетики, для которых индукция B вплоть до очень высоких значений напряженности H пропорциональна ей – в точности так же, как это имеет место в вакууме. Многие элементы и соединения являются парамагнитными при всех температурах. Парамагнитные вещества характеризуются тем, что намагничиваются во внешнем магнитном поле; если же это поле выключить, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля.

На рис. 2 представлена типичная петля гистерезиса для магнитно-твердого (с большими потерями) ферромагнитного материала. Она характеризует неоднозначную зависимость намагниченности магнитоупорядоченного материала от напряженности намагничивающего поля. С увеличением напряженности магнитного поля от исходной (нулевой) точки (1) намагничивание идет по штриховой линии 1–2, причем величина m существенно изменяется по мере того, как возрастает намагниченность образца. В точке 2 достигается насыщение, т.е. при дальнейшем увеличении напряженности намагниченность больше не увеличивается. Если теперь постепенно уменьшать величину H до нуля, то кривая B(H) уже не следует по прежнему пути, а проходит через точку 3, обнаруживая как бы «память» материала о «прошлой истории», откуда и название «гистерезис». Очевидно, что при этом сохраняется некоторая остаточная намагниченность (отрезок 1–3). После изменения направления намагничивающего поля на обратное кривая В (Н) проходит точку 4, причем отрезок (1)–(4) соответствует коэрцитивной силе, препятствующей размагничиванию. Дальнейший рост значений (-H) приводит кривую гистерезиса в третий квадрант – участок 4–5. Следующее за этим уменьшение величины (-H) до нуля и затем возрастание положительных значений H приведет к замыканию петли гистерезиса через точки 6, 7 и 2.

Магнитно-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса, охватывающей значительную площадь на диаграмме и потому соответствующей большим значениям остаточной намагниченности (магнитной индукции) и коэрцитивной силы. Узкая петля гистерезиса (рис. 3) характерна для магнитно-мягких материалов – таких, как мягкая сталь и специальные сплавы с большой магнитной проницаемостью. Такие сплавы и были созданы с целью снижения обусловленных гистерезисом энергетических потерь. Большинство подобных специальных сплавов, как и ферриты, обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.

Магнитные материалы с высокой проницаемостью изготовляются путем отжига, осуществляемого выдерживанием при температуре около 1000° С, с последующим отпуском (постепенным охлаждением) до комнатной температуры. При этом очень существенны предварительная механическая и термическая обработка, а также отсутствие в образце примесей. Для сердечников трансформаторов в начале 20 в. были разработаны кремнистые стали, величина m которых возрастала с увеличением содержания кремния. Между 1915 и 1920 появились пермаллои (сплавы Ni с Fe) с характерной для них узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса. Особенно высокими значениями магнитной проницаемости m при малых значениях H отличаются сплавы гиперник (50% Ni, 50% Fe) и му-металл (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тогда как в перминваре (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практически постоянна в широких пределах изменения напряженности поля. Среди современных магнитных материалов следует упомянуть супермаллой – сплав с наивысшей магнитной проницаемостью (в его состав входит 79% Ni, 15% Fe и 5% Mo).

Теории магнетизма.

Впервые догадка о том, что магнитные явления в конечном счете сводятся к электрическим, возникла у Ампера в 1825, когда он высказал идею замкнутых внутренних микротоков, циркулирующих в каждом атоме магнита. Однако без какого-либо опытного подтверждения наличия в веществе таких токов (электрон был открыт Дж.Томсоном лишь в 1897, а описание структуры атома было дано Резерфордом и Бором в 1913) эта теория «увяла». В 1852 В.Вебер высказал предположение, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнит, или магнитный диполь, так что полная намагниченность вещества достигается, когда все отдельные атомные магниты оказываются выстроенными в определенном порядке (рис. 4,б). Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение вопреки возмущающему влиянию тепловых колебаний этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное «трение». Его теория смогла объяснить намагничивание тел при соприкосновении с магнитом, а также их размагничивание при ударе или нагреве; наконец, объяснялось и «размножение» магнитов при разрезании намагниченной иглы или магнитного стержня на части. И все же эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явлений насыщения и гистерезиса. Теория Вебера была усовершенствована в 1890 Дж.Эвингом, заменившим его гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые составляют постоянный магнит.

Подход к проблеме, предложенный когда-то Ампером, получил вторую жизнь в 1905, когда П.Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Кроме того, Ланжевен ввел понятие магнитного момента, равного для отдельного атомного магнита произведению «магнитного заряда» полюса на расстояние между полюсами. Таким образом, слабый магнетизм парамагнитных материалов обусловлен суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами.

В 1907 П.Вейс ввел понятие «домена», ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Вейс представлял домены в виде небольших «колоний» атомов, в пределах которых магнитные моменты всех атомов в силу каких-то причин вынуждены сохранять одинаковую ориентацию, так что каждый домен намагничен до насыщения. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм и соответственно объем порядка 10^–6 мм³. Домены разделены так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. «Стенка» и два противоположно ориентированных домена схематически изображены на рис. 5. Такие стенки представляют собой «переходные слои», в которых происходит изменение направления намагниченности доменов.

В общем случае на кривой первоначального намагничивания можно выделить три участка (рис. 6). На начальном участке стенка под действием внешнего поля движется сквозь толщу вещества, пока не встретит дефект кристаллической решетки, который ее останавливает. Увеличив напряженность поля, можно заставить стенку двигаться дальше, через средний участок между штриховыми линиями. Если после этого напряженность поля вновь уменьшить до нуля, то стенки уже не вернутся в исходное положение, так что образец останется частично намагниченным. Этим объясняется гистерезис магнита. На конечном участке кривой процесс завершается насыщением намагниченности образца за счет упорядочения намагниченности внутри последних неупорядоченных доменов. Такой процесс почти полностью обратим. Магнитную твердость проявляют те материалы, у которых атомная решетка содержит много дефектов, препятствующих движению междоменных стенок. Этого можно достичь механической и термической обработкой, например путем сжатия и последующего спекания порошкообразного материала. В сплавах алнико и их аналогах тот же результат достигается путем сплавления металлов в сложную структуру.

Кроме парамагнитных и ферромагнитных материалов, существуют материалы с так называемыми антиферромагнитными и ферримагнитными свойствами. Различие между этими видами магнетизма поясняется на рис. 7. Исходя из представления о доменах, парамагнетизм можно рассматривать как явление, обусловленное наличием в материале небольших групп магнитных диполей, в которых отдельные диполи очень слабо взаимодействуют друг с другом (или вообще не взаимодействуют) и потому в отсутствие внешнего поля принимают лишь случайные ориентации (рис. 7,а). В ферромагнитных же материалах в пределах каждого домена существует сильное взаимодействие между отдельными диполями, приводящее к их упорядоченному параллельному выстраиванию (рис. 7,б). В антиферромагнитных материалах, напротив, взаимодействие между отдельными диполями приводит к их антипараллельному упорядоченному выстраиванию, так что полный магнитный момент каждого домена равен нулю (рис. 7,в). Наконец, в ферримагнитных материалах (например, ферритах) имеется как параллельное, так и антипараллельное упорядочение (рис. 7,г), итогом чего оказывается слабый магнетизм.

Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. Первое из них – так называемый эффект Баркгаузена, второе – метод порошковых фигур. В 1919 Г.Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. С точки зрения доменной теории это не что иное, как скачкообразное продвижение междоменной стенки, встречающей на своем пути отдельные задерживающие ее дефекты. Данный эффект обычно обнаруживается с помощью катушки, в которую помещается ферромагнитный стерженек или проволока. Если поочередно подносить к образцу и удалять от него сильный магнит, образец будет намагничиваться и перемагничиваться. Скачкообразные изменения намагниченности образца изменяют магнитный поток через катушку, и в ней возбуждается индукционный ток. Напряжение, возникающее при этом в катушке, усиливается и подается на вход пары акустических наушников. Щелчки, воспринимаемые через наушники, свидетельствует о скачкообразном изменении намагниченности.

Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (обычно Fe₃O₄). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля – на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Был предложен также метод, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал.

Первоначальная теория магнетизма Вейса в своих основных чертах сохранила свое значение до настоящего времени, получив, однако, обновленную интерпретацию на основе представления о нескомпенсированных электронных спинах как факторе, определяющем атомный магнетизм. Гипотеза о существовании собственного момента у электрона была выдвинута в 1926 С. Гаудсмитом и Дж.Уленбеком, и в настоящее время в качестве «элементарных магнитов» рассматриваются именно электроны как носители спина.

Для пояснения этой концепции рассмотрим (рис. 8) свободный атом железа – типичного ферромагнитного материала. Две его оболочки (K и L), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй – восемь электронов. В K-оболочке спин одного из электронов положителен, а другого – отрицателен. В L-оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех – отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент равен нулю. В M-оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направленные в одну сторону, и лишь шестой – в другую. В результате остаются четыре нескомпенсированных спина, чем и обусловлены магнитные свойства атома железа. (Во внешней N-оболочке всего два валентных электрона, которые не дают вклада в магнетизм атома железа.) Сходным образом объясняется магнетизм и других ферромагнетиков, например никеля и кобальта. Поскольку соседние атомы в образце железа сильно взаимодействуют друг с другом, причем их электроны частично коллективизируются, такое объяснение следует рассматривать лишь как наглядную, но весьма упрощенную схему реальной ситуации.

Теорию атомного магнетизма, основанную на учете спина электрона, подкрепляют два интересных гиромагнитных эксперимента, один из которых был проведен А.Эйнштейном и В.де Гаазом, а другой – С.Барнеттом. В первом из этих экспериментов цилиндрик из ферромагнитного материала подвешивался так, как показано на рис. 9. Если по проводу обмотки пропустить ток, то цилиндрик поворачивается вокруг своей оси. При изменении направления тока (а следовательно, и магнитного поля) он поворачивается в обратном направлении. В обоих случаях вращение цилиндрика обусловлено упорядочением электронных спинов. В эксперименте Барнетта, наоборот, так же подвешенный цилиндрик, резко приведенный в состояние вращения, в отсутствие магнитного поля намагничивается. Этот эффект объясняется тем, что при вращении магнетика создается гироскопический момент, стремящийся повернуть спиновые моменты по направлению собственной оси вращения.

За более полным объяснением природы и происхождения короткодействующих сил, упорядочивающих соседние атомные магнитики и противодействующих разупорядочивающему влиянию теплового движения, следует обратиться к квантовой механике. Квантово-механическое объяснение природы этих сил было предложено в 1928 В.Гейзенбергом, который постулировал существование обменных взаимодействий между соседними атомами. Позднее Г.Бете и Дж.Слэтер показали, что обменные силы существенно возрастают с уменьшением расстояния между атомами, но по достижении некоторого минимального межатомного расстояния падают до нуля.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Одно из первых обширных и систематических исследований магнитных свойств вещества было предпринято П. Кюри. Он установил, что по своим магнитным свойствам все вещества можно разделить на три класса. К первому относятся вещества с резко выраженными магнитными свойствами, подобными свойствам железа. Такие вещества называются ферромагнитными; их магнитное поле заметно на значительных расстояниях (см. выше). Во второй класс попадают вещества, называемые парамагнитными; магнитные свойства их в общем аналогичны свойствам ферромагнитных материалов, но гораздо слабее. Например, сила притяжения к полюсам мощного электромагнита может вырвать из ваших рук железный молоток, а чтобы обнаружить притяжение парамагнитного вещества к тому же магниту, нужны, как правило, очень чувствительные аналитические весы. К последнему, третьему классу относятся так называемые диамагнитные вещества. Они отталкиваются электромагнитом, т.е. сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферро- и парамагнетики.

Измерение магнитных свойств.

При изучении магнитных свойств наиболее важное значение имеют измерения двух типов. Первый из них –измерения силы, действующей на образец вблизи магнита; так определяется намагниченность образца. Ко второму относятся измерения «резонансных» частот, связанных с намагничением вещества. Атомы представляют собой крошечные «гироскопы» и в магнитном поле прецессируют (как обычный волчок под влиянием вращающего момента, создаваемого силой тяжести) с частотой, которая может быть измерена. Кроме того, на свободные заряженные частицы, движущиеся под прямым углом к линиям магнитной индукции, действует сила, как и на электронный ток в проводнике. Она заставляет частицу двигаться по круговой орбите, радиус которой дается выражением

R = mv/eB,

где m – масса частицы, v – ее скорость, e – ее заряд, а B – магнитная индукция поля. Частота такого кругового движения равна

где f измеряется в герцах, e – в кулонах, m – в килограммах, B – в теслах. Эта частота характеризует движение заряженных частиц в веществе, находящемся в магнитном поле. Оба типа движений (прецессию и движение по круговым орбитам) можно возбудить переменными полями с резонансными частотами, равными «естественным» частотам, характерным для данного материала. В первом случае резонанс называется магнитным, а во втором – циклотронным (ввиду сходства с циклическим движением субатомной частицы в циклотроне).

Говоря о магнитных свойствах атомов, необходимо особо остановиться на их моменте импульса. Магнитное поле действует на вращающийся атомный диполь, стремясь повернуть его и установить параллельно полю. Вместо этого атом начинает прецессировать вокруг направления поля (рис. 10) с частотой, зависящей от дипольного момента и напряженности приложенного поля.

Прецессия атомов не поддается непосредственному наблюдению, поскольку все атомы образца прецессируют в разной фазе. Если же приложить небольшое переменное поле, направленное перпендикулярно постоянному упорядочивающему полю, то между прецессирующими атомами устанавливается определенное фазовое соотношение и их суммарный магнитный момент начинает прецессировать с частотой, равной частоте прецессии отдельных магнитных моментов. Важное значение имеет угловая скорость прецессии. Как правило, это величина порядка 10¹⁰ Гц/Тл для намагниченности, связанной с электронами, и порядка 10⁷ Гц/Тл для намагниченности, связанной с положительными зарядами в ядрах атомов.

Принципиальная схема установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представлена на рис. 11. В однородное постоянное поле между полюсами вводится изучаемое вещество. Если затем с помощью небольшой катушки, охватывающей пробирку, возбудить радиочастотное поле, то можно добиться резонанса на определенной частоте, равной частоте прецессии всех ядерных «гироскопов» образца. Измерения сходны с настройкой радиоприемника на частоту определенной станции.

Методы магнитного резонанса позволяют исследовать не только магнитные свойства конкретных атомов и ядер, но и свойства их окружения. Дело в том, что магнитные поля в твердых телах и молекулах неоднородны, поскольку искажены атомными зарядами, и детали хода экспериментальной резонансной кривой определяются локальным полем в области расположения прецессирующего ядра. Это и дает возможность изучать особенности структуры конкретного образца резонансными методами.

Расчет магнитных свойств.

Магнитная индукция поля Земли составляет 0,5Ч10^–4 Тл, тогда как поле между полюсами сильного электромагнита – порядка 2 Тл и более.

Магнитное поле, создаваемое какой-либо конфигурацией токов, можно вычислить, пользуясь формулой Био – Савара – Лапласа для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока. Расчет поля, создаваемого контурами разной формы и цилиндрическими катушками, во многих случаях весьма сложен. Ниже приводятся формулы для ряда простых случаев. Магнитная индукция (в теслах) поля, создаваемого длинным прямым проводом с током I (ампер), на расстоянии r (метров) от провода равна

Индукция в центре кругового витка радиуса R с током I равна (в тех же единицах):

Плотно намотанная катушка провода без железного сердечника называется соленоидом. Магнитная индукция, создаваемая длинным соленоидом c числом витков N в точке, достаточно удаленной от его концов, равна

Здесь величина NI/L есть число ампер (ампер-витков) на единицу длины соленоида. Во всех случаях магнитное поле тока направлено перпендикулярно этому току, а сила, действующая на ток в магнитном поле, перпендикулярна и току, и магнитному полю.

Поле намагниченного железного стержня сходно с внешним полем длинного соленоида с числом ампер-витков на единицу длины, соответствующим току в атомах на поверхности намагниченного стержня, поскольку токи внутри стержня взаимно компенсируются (рис. 12). По имени Ампера такой поверхностный ток называется амперовским. Напряженность магнитного поля H_a, создаваемая амперовским током, равна магнитному моменту единицы объема стержня M.

Если в соленоид вставлен железный стержень, то кроме того, что ток соленоида создает магнитное поле H, упорядочение атомных диполей в намагниченном материале стержня создает намагниченность M. В этом случае полный магнитный поток определяется суммой реального и амперовского токов, так что B = m0(H + H_a), или B = m0(H + M). Отношение M/H называется магнитной восприимчивостью и обозначается греческой буквой c ; c – безразмерная величина, характеризующая способность материала намагничиваться в магнитном поле.

Величина B/H, характеризующая магнитные свойства материала, называется магнитной проницаемостью и обозначается через ma, причем ma = m0m, где ma – абсолютная, а m – относительная проницаемости,

В ферромагнитных веществах величина c может иметь очень большие значения –до 10⁴ё10⁶. Величина c у парамагнитных материалов немного больше нуля, а у диамагнитных – немного меньше. Лишь в вакууме и в очень слабых полях величины c и m постоянны и не зависят от внешнего поля. Зависимость индукции B от H обычно нелинейна, а ее графики, т.н. кривые намагничивания, для разных материалов и даже при разных температурах могут существенно различаться (примеры таких кривых приведены на рис. 2 и 3).

Магнитные свойства вещества весьма сложны, и для их глубокого понимания необходим тщательный анализ строения атомов, их взаимодействий в молекулах, их столкновений в газах и их взаимного влияния в твердых телах и жидкостях; магнитные свойства жидкостей пока наименее изучены.

Электромагнит для металлолома |

Многие, проезжая на поезде мимо различных депо, складских строений, мастерских и прочих хозяйственных построек, которые обычно предшествуют крупному городу и провожают его, обращали внимание на площадку сбора металлолома, на которой обычно работает крупный электромагнит, для того, чтобы поднимать и перемещать детали, выполненные из магнитных материалов, например, простой черный металлолом. Этот механизм впервые появился в 20 веке, и существенно облегчил труд рабочих, готовящих металлолом на переплавку и производящих его сортировку. Как устроен магнит для металлолома и насколько он могуч?

Как работает электромагнит

Специальный грузоподъемный электромагнит, или грузозахват, – важнейшая часть специального магнитного крана. Магнит состоит из сердечника и обмотки. В качестве сердечника используется ферромагнитный сплав, а в качестве обмотки используют медный или алюминиевый провод. При прохождении тока по обмотке возникает сильное магнитное поле, которое при размыкании цепи прекращает свое действие. Нужно сказать, что в выключенном состоянии электромагнит совершенно не притягивает железо, как это делает постоянный магнит, иначе невозможно было бы выключать это устройство.

Мощный электромагнит

к содержанию ↑

Функции электромагнита

Грузозахват поднимает, и переносит стальные, чугунные изделия, а также другие предметы, выполненные из черных металлов. Напомним, что к ним относятся все металлы и сплавы, главным компонентом которых является железо. Кроме того, «магнитятся» кобальт и никель. Температура этих сплавов должна не превышать 500 С, так как при этом магнитные свойства исчезают или значительно снижаются. Поэтому магниты не применяются в металлургических цехах.

Цикл работы электромагнита, установленного на специальном кране, или стреле с подведенным силовым кабелем состоит из следующих этапов:

• Помещение сердечника над грузом;

• Включение силовой цепи;

• Контакт металла с магнитом;

• Подъем и перенос в нужное место;

• Опускание груза;

• Размыкание цепи;

• Перевод магнита на исходную позицию.

Крайне важно соблюдать технику безопасности при работе, так как сильное магнитное поле противопоказано людям с металлическими имплантатами, кардиостимуляторами. Да и простые механические часы в зоне действия магнита могут испортиться.

Интересно, что магнит имеет переменную грузоподъемность. На этом можно легко убедиться, экспериментируя с обычным постоянным магнитом: подъемная сила – важнейшая характеристика электромагнита – зависит от формы и состава изделия, а также площади контакта с магнитом, так как сила очень быстро убывает с расстоянием. Так, плоский и сплошной кусок рельса притягивается значительно лучше круглой трубы, несмотря на то, что он гораздо тяжелее.

к содержанию ↑

Сила такого электромагнита – до нескольких десятков тонн – и определяет сферу использования: погрузка и разгрузка черного металлолома, металлопроката, пачек с трубами, арматурой на металлобазах, в портах, производственных цехах, складах готовой продукции металлургических заводов. Краны могут использоваться всюду, где имеется возможность сухих условий эксплуатации, а также возможность подведения мощного силового кабеля в 5-6 киловатт, в пересчете на трехфазный переменный ток напряжением 380 В.

Электромагнит, зацепленный на грейфер манипулятора

Такие электромагниты можно использовать в специальном водозащитном исполнении для подачи крупных металлических конструкций для подводного строительства, например, для возведения опор мостов, для поднятия затонувших на мелководье речных и морских судов, которые преимущественно залегают на каменистом грунте. Если судно погружается в донные отложения, то возникшая «присасывающая» сила может быть настолько большой, что магнит может оторваться даже от плоской поверхности.

К сожалению, с помощью электромагнита невозможно найти колотые и серебряные монеты, которые в изобилии лежат на морском дне.

Видео – Круглый электромагнит со встроенным генератором для металлолома

к содержанию ↑

Отечественные образцы электромагнитов

В России одним из лидеров в производстве электромагнитного подъемного оборудования является Липецкий завод магнитных плит, а также отечественная корпорация «Dr Vernikov Magnetics Group». Например, популярностью пользуется специальный электромагнит глубокого поля MW – 230S. При размере круглого магнита 2,3 м в диаметре (максимальный размер для погружения в вагон) он обеспечивает подъем до 2 тонн. По заявлению производителя, в этом электромагните присутствует особая схема экономии электроэнергии, а так же контрольное страхование поднятого груза с помощью резервных батарей.

Электромагнит для металлолома

Остальные электромагниты, установленные на мощные козловые краны с различными разновидностями в настоящее время в основном, производятся в Китае.

к содержанию ↑

Если магнита нет

В том случае, если электромагнитное устройство для транспортировки грузов вам «не по карману», то можно воспользоваться многочелюстным грейфером, который также часто можно увидеть на площадке сортировки металлолома.

Также можно в случае небольшого веса вручную размыкать линии магнитного поля при управлении небольшими постоянными магнитами. Такие устройства получили название «магнитных захватов». Эти приспособления можно встретить также на складах металлолома, их можно использовать для транспортировки небольших металлических изделий. Несмотря на меньшую грузоподъемность, магнитные захваты имеют целый ряд преимуществ:

• они свободны от подвода мощного электрического кабеля, так как в них используются постоянные магниты;

• они меньше, легче, и обладают более высокой скоростью перемещения;

• эксплуатация, устройство их проще, так как не требуют наличия специальных электротехнических знаний и персонала, а также допуска на эти работы;

• длительный срок службы.

Кроме всего прочего, затраты на ремонт для постоянных магнитов также существенно ниже, по сравнению с электромагнитами.

к содержанию ↑

Подъёмные приспособления на постоянных магнитах

Такие устройства более просты конструктивно, а также менее энергоёмки. Вместе с тем они более чувствительны к условиям эксплуатации и – особенно – содержания рабочих деталей.

На предприятиях системы Вторчермета постоянные магниты используются для:

1. Погрузочно-разгрузочных операций с металлоломом малых и средних габаритных размеров.
2. Первичной сортировки стального лома.
3. В качестве загрузочных устройств агрегатов пакетирования, брикетирования и дробления металлолома.
4. При наличии на базах собственного металлургического производства – также для загрузки сырья в электросталеплавильные печи.

Постоянные магниты можно подвешивать к исполнительным элементам строительно-дорожной техники, стационарных и передвижных кранов. Такие устройства нуждаются  в периодической проверке и тестировании, поскольку работоспособность постоянных магнитов со временем изменяется. Такие магниты не очень удобны при работе в стеснённых условиях, поскольку могут влиять на надёжность работы любых подвижных стальных приспособлений (тросов, захватов, крюков и т.п.). Более удобными в практике работы считаются электромагниты, хотя безопасность их эксплуатации существенно зависит от стабильности подачи электроэнергии к устройству.

к содержанию ↑

Подъёмные приспособления на электромагнитах

Они подразделяются в зависимости от следующих параметров:

• Своего конструктивного исполнения – различают электромагниты круглые и овальные в плане, а также электромагниты прямоугольной формы;

• От потребляемой мощности, и, соответственно, подъёмного усилия;

• От количества реализуемых функций;

• От способа подачи питания – либо от электрической сети, либо от двигателя внутреннего сгорания.

Общими требованиями к электромагнитам являются: изготовление корпуса катушки из сталей с высокой магнитной проводимостью, необходимость в глубоком проплавлении сварных швов (чтобы исключить паразитные потери мощности в зазорах), а также достаточный диапазон регулировки мощности магнитного потока в зависимости от массы загружаемого или транспортируемого лома.

Электромагниты, предназначенные для использования в качестве загрузочных устройств в плавильные электропечи, должны снабжаться дополнительными узлами контроля температуры рабочей катушки.

Особенностями питающих систем электромагнитов является присутствие в схеме электронного преобразователя напряжения, который регулирует силу магнитного потока в зависимости от периода работы устройства. Например, при быстром освобождении от груза требуется оперативное размагничивание катушки.

Специфические требования предъявляются и к корпусу электромагнитов. Он обычно изготавливается из толстолистовой среднеуглеродистой стали с повышенным содержанием марганца: это увеличивает износостойкость при частых механических воздействиях фрагментов лома на корпус. Для снижения плотности тока и уменьшения нагрева катушки при её функционировании, данная деталь изготавливается из меди или – для более мощных электромагнитов – из анодированного алюминия. Катушки имеют слой высокотемпературной изоляции, обеспечивающий узлу термостойкость при температурах до 200…250⁰С.

Подвеска электромагнитов производится при помощи трёхзвенной цепи, несущая способность которой должна иметь  трёх-, а то и четырёхкратный запас прочности.

к содержанию ↑

Конструктивные особенности магнитов разной формы

Круглые электромагниты отличаются наименьшей занимаемой площ

Что такое магнит

Определение

магнит / ˈmagnət /

Существительное:	Руда, сплав или другой металлический материал, например как куски железа, атомы которых так упорядочены, что проявляет магнетизм. Объект или существо, обладающее мощный аттракцион: «магнит для успеха».
Синонимы:	магнитный камень — погрузочный камень — магнето

Магнит — это объект, который создает вокруг себя статическое магнитное поле. Это привлекает биты и частицы преимущественно из железа и стали, но также из никеля и кобальта. Ранние греки обнаружили, что куски железа естественным образом тяготеют к магнитному камню. и начали путешествие в магниты, как мы их понимаем.

Магниты могут быть трех типов:

• Постоянные магниты
• Временные магниты
• Электромагниты

Каждый тип будет отличаться по составу и типу использования.

Формы и размеры:

Магниты бывают самых разных форм и размеров. Некоторые из самых типичные:

Подкова Магнит

бар Магнит

Круглый Магнит

Как работают магниты

У каждого магнита есть Северный и Южный полюсы.Одинаковые поляки отталкивают друг друга. Разные поляки притягиваются друг к другу. За Например, если северный полюс магнита был обращен к северному полюсу другого магнита, вы встретит сопротивление при попытке соприкоснуться двумя концами. Если если коснуться южного полюса одного магнита северным полюсом другого магнита, не будет сопротивления, и они легко прикоснутся.

Сумма:
Несовпадение полюсов отталкивает
Соответствующий Polesattract

Это лишь некоторые из основных понятий магнетизма. Один не может понять глубину и оценить универсальность магнитов не читая больше об использовании магнитов, Земля как огромный магнит и электромагнетизм среди прочего.

Назад к основам: что делать с магнитами?

Считаю себя довольно резким парнем. Я зарабатываю на жизнь тем, что работаю ученым уже более 20 лет, и у меня есть хотя бы промежуточные знания в большинстве научных областей за пределами моей области. Но я чувствую, что должен иметь возможность делать что-то, кроме бессвязного лепета, когда меня спрашивают о магнитах.Они сбивают меня с толку — вот, я это сказал. Так что мне с этим делать? Напишите пост на Hackaday, естественно — скорее всего, я не единственный, кто обладает криптомагнетизмом, даже если я только что придумал этот термин. Может быть, если мы вместе пройдем через основы, это поможет нам обоим лучше понять эту фундаментальную и таинственную силу природы.

В этой статье меня больше всего интересуют постоянные магниты. В игре с постоянными магнитами есть что-то первобытное и универсальное, и ощущение того, что невидимое силовое поле, разделяющее два магнита с одинаковыми полюсами, обращенными друг к другу, привлекает в той же степени, что и немногие другие научные опыты — за исключением, может быть, того, чтобы заставить те же два магнита приклеиваться друг к другу через паутину между большим и указательным пальцами. Но что заставляет эти два инертных диска, мяча или подковы так действовать? Откуда берется, казалось бы, неиссякаемая энергия для отталкивания и притяжения? Как работают постоянные магниты?

Удар по книгам

Моей первой остановкой в ​​этом путешествии было пойти к книжной полке и найти старую книгу по физике. Я нашел тот, который использовал в студенческие годы, Serway Physics for Scientists and Engineers . Как бы увлекательна ни была книга, это не помогло. Прошла четверть века с тех пор, как я взломал эту очень пыльную книгу, и все, что я узнал из нее, — это то, что вы не можете вернуться в студенческие годы.

Итак, затем я поискал в Интернете несколько ответов. В конце концов, независимо от того, с кем вы говорите о магнитах и ​​сколько слов в объяснении, честный ответ на то, как работают магниты, будет: «Мы просто не знаем». Мы многое знаем о магнетизме — например, что это свойство пространства, и что силовое поле магнитов состоит из фотонов. Но знание того, что постоянные магниты можно объяснить только с точки зрения квантовой механики, не очень помогает в моих попытках остановить размахивание руками. Пора обратиться к YouTube.

Орбитали в железе. Источник: HowStuffWorks

Я набрал видео с MinutePhysics о магнитах и ​​нашел его действительно полезным. Мой главный вывод из этого сегмента заключался в том, что под постоянными магнитами лучше всего понимать действительно небольшие электромагниты. Кажется ироничным, что для объяснения магнита, состоящего только из одной части, нам нужно мыслить в терминах магнита, сделанного из проволоки, намотанной на сердечник и прикрепленной к источнику электричества, но вот он.

Основной факт природы состоит в том, что заряженные частицы имеют собственных магнитных моментов , что в основном означает, что они действительно маленькие магниты.Электроны и протоны — заряженные частицы, поэтому вся материя состоит из крошечных магнитов. Оказывается, протоны действительно слабые, поэтому ядро ​​на самом деле не приглашается на вечеринку с магнитом, управляемую электронами. Это удобно, потому что мы должны смотреть только на электроны, но также и приводить в ярость, потому что нам приходится иметь дело со всей концепцией электронных оболочек. Я не собираюсь заново переживать этот адский маленький раздел «Химии 101», за исключением того, что скажу, что в атомах с заполненной оболочкой магнитное поле, создаваемое любым движущимся электроном, будет нейтрализовано другим электроном в той же самой оболочке, движущимся в противоположном направлении. направление.Кроме того, заполненные оболочки имеют электроны в парах, но их собственные моменты противоположны друг другу, и они также компенсируют друг друга. Итак, нет чистого магнитного поля от атомов с заполненными оболочками.

Периодическая таблица магнитов. Источник: MinutePhysics

Но в атоме с наполовину заполненной оболочкой электроны не спарены, и их внутренние моменты имеют одинаковую полярность. Все эти крошечные магниты складываются, и вы получаете магнит. А из-за того, что раковины наполовину заполнены, легко определить, какие элементы могут быть магнитными в вашей периодической таблице.Наполовину заполненные оболочки встречаются около середины блока f (актиниды и лантаноиды) и блока d (металлы). Обратите внимание, что в верхнем ряду d-блока находятся все «классические» магнитные элементы — кобальт, марганец, хром, никель и, самое главное, железо. Вы когда-нибудь слышали об Алнико? Это железо, легированное алюминием, никелем и кобальтом, и оно используется для изготовления постоянных магнитов, потому что имеет высокую коэрцитивную силу , что означает, что после намагничивания он остается таким.

Как сделать магнит

Так как именно делают постоянные магниты? Существует множество методов, большинство из которых в основном представляют собой какой-то процесс производства металла, например, литье, механическая обработка или спекание. Большинство магнитов подвергаются нескольким операциям, особенно сверхпрочные редкоземельные магниты, которые также требуют дополнительного защитного покрытия никелем для предотвращения коррозии. Кстати, никелированное покрытие удивительно хорошо держится после двухдневной экскурсии по пищеварительному тракту человека.Источник: я папа.

Изготовление магнитов: 3 вольта на 6000 ампер! Источник: Как это сделано.

После завершения металлоконструкций магнит все еще необходимо намагнитить. Есть несколько способов добиться этого, но в основном это, похоже, включает сброс смехотворного количества электронов в катушку рядом с детскими магнитами и создание огромного магнитного поля, которое постоянно выравнивает магнитные домены. Обратите внимание на амперметр в этом видео «Как это сделано»; на отметке 3:53 он показывает 6000 ампер!

Есть еще один способ сделать магнит, который не требует использования батарей суперконденсаторов.Фактически, кузнецы веками знали, что удары по горячему металлу могут сделать его магнитным. Когда ферромагнитный металл нагревается до температуры выше температуры Кюри, он теряет свои магнитные свойства — см. Это видео для наглядной демонстрации. После достижения этой температуры — около 1400 ° F для железа или светло-вишнево-красного цвета — магнитные домены можно перестроить, ударив по металлу, когда он ориентирован в магнитном поле, как у Земли. Лучшие результаты могут быть достигнуты с более сильным магнитным полем — несмотря на то, что оно защищает нас от космического излучения, магнитное поле Земли действительно слабое.

Итак, в конечном итоге постоянный магнит — это просто устройство, которое захватывает небольшую часть магнитного поля другого, более сильного магнита. Другими словами, если вы хотите что-то намагнитить, вам нужно переместить электроны. Нет разделения между электричеством и магнетизмом — это две стороны одной медали.

Я рад, что сунул голову в квантовую кроличью нору, то есть в магнетизм. Я далек от полного понимания того, как работают постоянные магниты, но я немного ближе к этому.Может быть, я смогу перестать махать рукой и высказаться по этому поводу более авторитетно.

Как используются магниты? | Вондрополис

Магниты обычно изготавливаются из железа или материала, в котором много железа, например стали. Хотя магниты отлично притягивают большинство металлических предметов, вы можете удерживать стеклянную мраморную или пластиковую ложку напротив магнита сколько угодно долго, и ничего не произойдет. Это потому, что магниты притягивают только другие металлические предметы, содержащие железо, такие как гвозди, украшения и скрепки.

Как и у Земли, у магнитов есть полюсы на каждом конце: северный полюс и южный полюс. Хотя вы не сможете отличить полюса магнита, они ведут себя совершенно по-разному. Если вы поместите полюс одного магнита рядом с полюсом другого магнита, произойдет одно из двух. Если полюса противоположны, они будут притягиваться и щелкаться вместе. Если полюса совпадают, они будут отталкиваться друг от друга.

Не имеет значения, какой у вас стержневой магнит прямоугольной формы или изогнутый подковообразный магнит, они оба ведут себя одинаково.Если поставить железный гвоздь на стол с магнитом и медленно подтолкнуть магнит к гвоздю, в конечном итоге гвоздь подпрыгнет и прилипнет к магниту. Вы только что открыли магнитное поле.

Магнитные поля — это невидимые зоны, окружающие магниты. Когда магнитный объект попадает в поле, он либо притягивается, либо отталкивается от магнита.

Если вы когда-либо прикрепляли художественный шедевр на холодильник, у вас уже есть некоторый опыт работы с магнитными полями.Бумага удерживается на месте притяжением дверцы холодильника и магнита. Как вы, возможно, догадались, это означает, что магнитные поля действительно могут проходить через твердые объекты, такие как бумага.

А вот магниты могут гораздо больше, чем просто висеть на холодильнике. Вы знали, что дверь холодильника тоже держится закрытой? Вы можете быть удивлены, узнав, сколько применений у магнитов.

Когда вы каждую неделю оставляете вторсырье у обочины, вы можете не осознавать этого, но в их будущем есть свидание с магнитом! Центры переработки используют магниты, чтобы отсортировать стальные предметы, например, жестяные банки, от других вторсырья.Однако магнит не поможет выбрать банки с газировкой, потому что алюминий не магнит.

Магниты также можно найти внутри компьютеров, дверных звонков и автоматов с газировкой. Магниты помогают электрическим консервным ножам удерживать банки на месте, а компас указывает на север. Если вы присмотритесь, вы обнаружите магниты, спрятанные в небольших карманах в нижней части большинства штор для душа. Магнитное притяжение удерживает занавеску для душа внутри ванны, поэтому пол не будет затоплен.

Что касается одних из самых сильных магнитов, вы не найдете их в центре переработки или висящими на чьем-то холодильнике.Вы найдете их в больнице.

Аппарат МРТ (магнитно-резонансная томография) использует мощные магниты и радиоволны, чтобы дать врачам возможность заглянуть внутрь человеческого тела. Магнитная сила магнитного поля МРТ в 20 000 раз сильнее магнитного поля Земли. Как вы понимаете, это один серьезный магнит!

.