Почему магнит притягивает – все о магнитных полях. Как магнит действует на организм человека
Когда магнит притягивает к себе металлические предметы, это кажется волшебством, но в действительности «волшебные» свойства магнитов связаны всего лишь с особой организацией их электронной структуры. Поскольку электрон, вращающийся вокруг атома, создает магнитное поле, все атомы являются маленькими магнитами; однако в большинстве веществ неупорядоченные магнитные эффекты атомов уравновешивают друг друга.
По иному дело обстоит в магнитах, атомные магнитные поля которых выстраиваются в упорядоченные области, называющиеся доменами. Каждая такая область имеет северный и южный полюс. Направление и интенсивность магнитного поля характеризуется так называемыми силовыми линиями {на рисунке показаны зеленым цветом), которые выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Чем гуще силовые линии, тем концентрированнее магнетизм. Северный полюс одного магнита притягивает южный полюс другого, в то время как два одноименных полюса отталкивают друг друга. Магниты притягивают только определенные металлы, главным образом железо, никель и кобальт, называющиеся ферромагнетиками. Хотя ферромагнетики и не являются естественными магнитами, их атомы перестраиваются в присутствии магнита таким образом, что у ферромагнитных тел появляются магнитные полюса.
Магнитная цепочка
Касание конца магнита к металлическим скрепкам приводит к возникновению у каждой скрепки северного и южного полюса. Эти полюса ориентируются в том же направлении, что и у магнита. Каждая скрепка стала магнитом.
Бесчисленные маленькие магнитики
Некоторые металлы имеют кристаллическую структуру, образованную атомами, сгруппированными в магнитные домены. Магнитные полюса доменов обычно имеют различное направление (красные стрелки) и не оказывают суммарного магнитного воздействия.
Образование постоянного магнита
- Обычно магнитные домены железа ориентированы бессистемно (розовые стрелки), и естественный магнетизм металла не проявляется.
- Если к железу приблизить магнит (розовый брусок), магнитные домены железа начинают выстраиваться вдоль магнитного поля (зеленые линии).
- Большинство магнитных доменов железа быстро выстраивается вдоль силовых линий магнитного поля. В результате железо само становится постоянным магнитом.
Сложно найти такую сферу, в которой бы не нашлось применения магнитам. Развивающие игрушки, полезные аксессуары и сложное промышленное оборудование - это лишь малая доля от поистине огромного количества вариантов их использования. При этом мало кто знает, как устроены магниты и в чем секрет их силы притяжения. Чтобы ответить на эти вопросы, нужно погрузиться в основы физики, но не переживайте – погружение будет недолгим и неглубоким. Зато после знакомства с теорией вы узнаете, из чего состоит магнит, и природа его магнитной силы станет для вас намного понятнее.
Электрон – самый маленький и самый простой магнит
Любое вещество состоит из атомов, а атомы в свою очередь состоят из ядра, вокруг которого вращаются положительно и отрицательно заряженные частицы – протоны и электроны. Предмет нашего интереса представляют собой именно электроны. Их движение и создает электрический ток в проводниках. Кроме того, каждый электрон является миниатюрным источником магнитного поля и, по сути, простейшим магнитом. Вот только в составе большинства материалов направление движения этих частиц является хаотичным. Как результат – их заряды уравновешивают друг друга. А когда направление вращения большого количества электронов на своих орбитах совпадает, то возникает постоянная магнитная сила.
Устройство магнита
Итак, с электронами разобрались. И теперь мы вплотную приближаемся к ответу на вопрос, как устроены магниты. Чтобы материал мог притягивать железный кусок породы, направление электронов в его структуре должно совпадать. В этом случае атомы формируют собой упорядоченные области, которые называются домены. У каждого домена есть пара полюсов: северный и южный. Через них проходит постоянная линия движения магнитных сил. Они входят в южный полюс и выходят из северного. Такое устройство означает, что северный полюс всегда будет притягивать южный полюс другого магнита, тогда как одноименные полюса будут отталкиваться.
Как магнит притягивает металлы
Магнитная сила действует не на все вещества. Только некоторые материалы можно притягивать: железо, никель, кобальт и редкоземельные металлы. Железный кусок породы не является природным магнитом, но при воздействии магнитного поля его структура перестраивается в домены с северными и южными полюсами. Таким образом, сталь может намагничиваться и сохранять свою измененную структуру на протяжении длительного времени.
Как делают магниты
Мы уже разобрались, из чего состоит магнит. Он представляет собой материал, в котором направленность доменов совпадает. Для придания породе таких свойств может использоваться сильное магнитное поле или электрический ток. В настоящий момент люди научились изготавливать очень мощные магниты, сила притяжения которых в десятки раз превышает собственный вес и сохраняется на протяжении сотен лет. Речь идет о редкоземельных супермагнитах на основе неодимового сплава. Такие изделия весом в 2-3 кг могут удерживать объекты весом в 300 кг и более. Из чего состоит неодимовый магнит и чем же обусловлены такие удивительные свойства?
Простая сталь не подойдет для того, чтобы успешно изготавливать изделия с мощнейшей силой притяжения. Для этого нужен особый состав, который позволит максимально эффективно упорядочить домены и сохранить стойкость новой структуры. Чтобы понять, из чего состоит неодимовый магнит, представьте себе металлический порошок неодима, железа и бора, который с помощью промышленных установок будет намагничиваться сильным полем и спекаться в жесткую структуру. Чтобы защитить этот материал, его покрывают прочной оцинкованной оболочкой. Такая технология производства позволяет получить изделия различных размеров и форм. В ассортименте интернет-магазина «Мир магнитов» вы найдете огромное разнообразие магнитных товаров для работы, развлечений и быта.
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 0,5*10 -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 Ha, 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 + Ha), 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, m = 1 + c. В ферромагнитных веществах величина c может иметь очень большие значения -до 10 4-10 6. 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. - поля с напряжённостью Н?0,5=1,0 МЭ (граница условна). Нижнее значение С. м. п. соответствует макс. значению стационарного поля =500 кЭ, к рое может быть доступно средствам совр. техники, верхнее полю 1 МЭ, даже кратковрем. воздействие к рого… … Физическая энциклопедия
Раздел физики, изучающий структуру и свойства твердых тел. Научные данные о микроструктуре твердых веществ и о физических и химических свойствах составляющих их атомов необходимы для разработки новых материалов и технических устройств. Физика… … Энциклопедия Кольера
Раздел физики, охватывающий знания о статическом электричестве, электрических токах и магнитных явлениях. ЭЛЕКТРОСТАТИКА В электростатике рассматриваются явления, связанные с покоящимися электрическими зарядами. Наличие сил, действующих между… … Энциклопедия Кольера
- (от древнегреч. physis природа). Древние называли физикой любое исследование окружающего мира и явлений природы. Такое понимание термина физика сохранилось до конца 17 в. Позднее появился ряд специальных дисциплин: химия, исследующая свойства… … Энциклопедия Кольера
Термин момент применительно к атомам и атомным ядрам может означать следующее: 1) спиновый момент, или спин, 2) магнитный дипольный момент, 3) электрический квадрупольный момент, 4) прочие электрические и магнитные моменты. Различные типы… … Энциклопедия Кольера
Электрический аналог ферромагнетизма. Подобно тому как в ферромагнитных веществах при помещении их в магнитное поле проявляется остаточная магнитная поляризация (момент), в сегнетоэлектрических диэлектриках, помещенных в электрическое поле,… … Энциклопедия Кольера
Wir verwenden Cookies für die beste Präsentation unserer Website. Wenn Sie diese Website weiterhin nutzen, stimmen Sie dem zu. OK
Наряду с электризующимися трением кусочками янтаря постоянные магниты были для древних людей первым материальным свидетельством электромагнитных явлений (молнии на заре истории определенно относили к сфере проявления нематериальных сил). Объяснение природы ферромагнетизма всегда занимало пытливые умы ученых, однако и в настоящее время физическая природа постоянной намагниченности некоторых веществ, как природных, так и искусственно созданных, еще не до конца раскрыта, оставляя немалое поле деятельности для современных и будущих исследователей.
Традиционные материалы для постоянных магнитов
Они стали активно использоваться в промышленности, начиная с 1940 года с появления сплава алнико (AlNiCo). До этого постоянные магниты из различных сортов стали применялись лишь в компасах и магнето. Алнико сделал возможным замену на них электромагнитов и применение их в таких устройствах, как двигатели, генераторы и громкоговорители.
Это их проникновение в нашу повседневную жизнь получило новый импульс с созданием ферритовых магнитов, и с тех пор постоянные магниты стали обычным явлением.
Революция в магнитных материалах началась около 1970 года, с созданием самарий-кобальтового семейства жестких магнитных материалов с доселе невиданной плотностью магнитной энергии. Затем было открыто новое поколение редкоземельных магнитов на основе неодима, железа и бора с гораздо более высокой плотностью магнитной энергии, чем у самарий-кобальтовых (SmCo) и с ожидаемо низкой стоимостью. Эти две семьи редкоземельных магнитов имеют такие высокие плотности энергии, что они не только могут заменить электромагниты, но использоваться в областях, недоступных для них. Примерами могут служить крошечный шаговый двигатель на постоянных магнитах в наручных часах и звуковые преобразователи в наушниках типа Walkman.
Постепенное улучшение магнитных свойств материалов представлено на диаграмме ниже.
Неодимовые постоянные магниты
Они представляют новейшее и наиболее значительное достижение в этой области на протяжении последних десятилетий. Впервые об их открытии было объявлено почти одновременно в конце 1983 года специалистами по металлам компаний Sumitomo и General Motors. Они основаны на интерметаллическом соединении NdFeB: сплаве неодима, железа и бора. Из них неодим является редкоземельным элементом, добываемым из минерала моназита.
Огромный интерес, которые вызвали эти постоянные магниты, возникает потому, что в первый раз был получен новый магнитный материал, который не только сильнее, чем у предыдущего поколения, но является более экономичным. Он состоит в основном из железа, которое намного дешевле, чем кобальт, и из неодима, являющегося одним из наиболее распространенных редкоземельных материалов, запасы которого на Земле больше, чем свинца. В главных редкоземельных минералах моназите и бастанезите содержится в пять-десять раз больше неодима, чем самария.
Физический механизм постоянной намагниченности
Чтобы объяснить функционирование постоянного магнита, мы должны заглянуть внутрь его до атомных масштабов. Каждый атом имеет набор спинов своих электронов, которые вместе формируют его магнитный момент. Для наших целей мы можем рассматривать каждый атом как небольшой полосовой магнит. Когда постоянный магнитразмагничен (либо путем нагрева его до высокой температуры, либо внешним магнитным полем), каждый атомный момент ориентирован случайным образом (см. рис. ниже) и никакой регулярности не наблюдается.
Когда же он намагничен в сильном магнитном поле, все атомные моменты ориентируются в направлении поля и как бы сцепляются «в замок» друг с другом (см. рис. ниже). Это сцепление позволяет сохранить поле постоянного магнита при удалении внешнего поля, а также сопротивляться размагничиванию при изменении его направления. Мерой силы сцепления атомных моментов является величина коэрцитивной силы магнита. Подробнее об этом позже.
При более глубоком изложении механизма намагничивания оперируют не понятиями атомных моментов, а используют представления о миниатюрных (порядка 0,001 см) областях внутри магнита, изначально обладающих постоянной намагниченностью, но ориентированных при отсутствии внешнего поля случайным образом, так что строгий читатель при желании может отнести вышеизложенный физический механизм не к магниту в целом. а к отдельному его домену.
Индукция и намагниченность
Атомные моменты суммируются и образуют магнитный момент всего постоянного магнита, а его намагниченность M показывает величину этого момента на единицу объема. Магнитная индукция B показывает, что постоянный магнит является результатом внешнего магнитного усилия (напряженности поля) H, прикладываемого при первичном намагничивании, а также внутренней намагниченности M, обусловленной ориентацией атомных (или доменных) моментов. Ее величина в общем случае задаётся формулой:
B = µ 0 (H + M),
где µ 0 является константой.
В постоянном кольцевом и однородном магните напряженность поля H внутри него (при отсутствии внешнего поля) равна нулю, так как по закону полного тока интеграл от нее вдоль любой окружности внутри такого кольцевого сердечника равен:
H∙2πR = iw=0 , откуда H=0.
Следовательно, намагниченность в кольцевом магните:
В незамкнутом магните, например, в том же кольцевом, но с воздушным зазором шириной l заз в сердечнике длиной l сер, при отсутствии внешнего поля и одинаковой индукции B внутри сердечника и в зазоре по закону полного тока получим:
H сер l сер + (1/ µ 0)Bl заз = iw=0.
Поскольку B = µ 0 (H сер + М сер), то, подставляя ее выражение в предыдущее, получим:
H сер (l сер + l заз) + М сер l заз =0,
H сер = ─ М сер l заз (l сер + l заз).
В воздушном зазоре:
H заз = B/µ 0 ,
причем B определяется по заданной М сер и найденной H сер.
Кривая намагничивания
Начиная с ненамагниченного состояния, когда Н увеличивается от нуля, вследствие ориентации всех атомных моментов по направлению внешнего поля быстро увеличиваются М и B, изменяясь вдоль участка «а» основной кривой намагничивания (см. рисунок ниже).
Когда выровнены все атомные моменты, М приходит к своему значению насыщения, и дальнейшее увеличение В происходит исключительно из-за приложенного поля (участок b основной кривой на рис. ниже). При уменьшении внешнего поля до нуля индукция В уменьшается не по первоначальному пути, а по участку «c» из-за сцепления атомных моментов, стремящегося сохранить их в том же направлении. Кривая намагничивания начинает описывать так называемую петлю гистерезиса. Когда Н (внешнее поле) приближается к нулю, то индукция приближается к остаточной величине, определяемой только атомными моментами:
В r = μ 0 (0 + М г).
После того как направление H изменяется, Н и М действуют в противоположных направлениях, и B уменьшается (участок кривой «d» на рис.). Значение поля, при котором В уменьшается до нуля, называется коэрцитивной силой магнита B H C . Когда величина приложенного поля является достаточно большой, чтобы сломать сцепление атомных моментов, они ориентируются в новом направлением поля, а направление M меняется на противоположное. Значение поля, при котором это происходит, называется внутренней коэрцитивной силой постоянного магнита М Н C . Итак, есть две разных, но связанных коэрцитивных силы, связанных с постоянным магнитом.
На рисунке ниже показаны основные кривые размагничивания различных материалов для постоянных магнитов.
Из него видно, что наибольшей остаточной индукцией B r и коэрцитивной силой (как полной, так и внутренней, т. е. определяемой без учета напряженности H, только по намагниченности M) обладают именно NdFeB-магниты.
Поверхностные (амперовские) токи
Магнитные поля постоянных магнитов можно рассматривать как поля некоторых связанных с ними токов, протекающих по их поверхностям. Эти токи называют амперовскими. В обычном смысле слова токи внутри постоянных магнитов отсутствуют. Однако, сравнивая магнитные поля постоянных магнитов и поля токов в катушках, французский физик Ампер предположил, что намагниченность вещества можно объяснить протеканием микроскопических токов, образующих микроскопические же замкнутые контуры. И действительно, ведь аналогия между полем соленоида и длинного цилиндрического магнита почти полная: имеется северный и южный полюс постоянного магнита и такие же полюсы у соленоида, а картины силовых линий их полей также очень похожи (см. рисунок ниже).
Есть ли токи внутри магнита?
Представим себе, что весь объем некоторого стержневого постоянного магнита (с произвольной формой поперечного сечения) заполнен микроскопическими амперовскими токами. Поперечный разрез магнита с такими токами показан на рисунке ниже.
Каждый из них обладает магнитным моментом. При одинаковой ориентации их по направлению внешнего поля они образуют результирующий магнитный момент, отличный от нуля. Он и определяет существование магнитного поля при кажущемся отсутствии упорядоченного движения зарядов, при отсутствии тока через любое сечение магнита. Легко также понять, что внутри него токи смежных (соприкасающихся) контуров компенсируются. Нескомпенсированными оказываются только токи на поверхности тела, образующие поверхностный ток постоянного магнита. Плотность его оказывается равной намагниченности M.
Как избавиться от подвижных контактов
Известна проблема создания бесконтактной синхронной машины. Традиционная ее конструкция с электромагнитным возбуждением от полюсов ротора с катушками предполагает подвод тока к ним через подвижные контакты - контактные кольца со щетками. Недостатки такого технического решения общеизвестны: это и трудности в обслуживании, и низкая надежность, и большие потери в подвижных контактах, особенно если речь идет о мощных турбо- и гидрогенераторах, в цепях возбуждения которых расходуется немалая электрическая мощность.
Если сделать такой генератор на постоянных магнитах, то проблема контакта сразу же уходит. Правда, появляется проблема надежного крепления магнитов на вращающемся роторе. Здесь может пригодиться опыт, накопленный в тракторостроении. Там уже давно применяется индукторный генератор на постоянных магнитах, расположенных в пазах ротора, залитых легкоплавким сплавом.
Двигатель на постоянных магнитах
В последние десятилетия широкое распространение получили вентильные двигатели постоянного тока. Такой агрегат представляет собой собственно электродвигатель и электронный коммутатор его обмотки якоря, выполняющий функции коллектора. Электродвигатель представляет собой синхронный двигатель на постоянных магнитах, расположенных на роторе, как и на рис. выше, с неподвижной обмоткой якоря на статоре. Электронный коммутатор схемотехнически представляет собой инвертор постоянного напряжения (или тока) питающей сети.
Основным преимуществом такого двигателя является его бесконтактность. Специфическим его элементом является фото-, индукционный или холловский датчик положения ротора, управляющий работой инвертора.
Что заставляет некоторые металлы притягиваться к магниту? Почему магнит притягивает не все металлы? Почему одна сторона магнита притягивает, а другая отталкивает металл? И что делает неодимовые металлы такими крепкими?
Для того чтобы ответить на все эти вопросы, необходимо вначале дать определение самому магниту и понять его принцип. Магниты – это тела, обладающие способностью притягивать железные и стальные предметы и отталкивать некоторые другие благодаря действию своего магнитного поля. Силовые линии магнитного поля проходят с южного полюса магнита, а выходят с северного полюса. Постоянный или жесткий магнит постоянно создает сам свое магнитное поле. Электромагнит или мягкий магнит может создавать магнитные поля только в наличие магнитного поля и только на короткое время, пока находится в зоне действия того или иного магнитного поля. Электромагниты создают магнитные поля только в том случае, когда через провод катушки проходит электричество.
До недавнего времени, все магниты изготовлялись из металлических элементов или сплавов. Состав магнита и определял его мощность. Например:
Керамические магниты, подобны тем, что используются в холодильниках и для проведения примитивных экспериментов, содержат помимо керамических композиционных материалов также железную руду. Большинство керамических магнитов, также называемых железными магнитами, не обладают большой силой притягивания.
«Альнико магниты» состоят из сплавов алюминия, никеля и кобальта. Они мощнее керамических магнитов, но значительно слабее некоторых редких элементов.
Неодимовые магниты состоят из железа, бора и редко встречаемого в природе неодимового элемента.
Магниты кобальта-самария включают кобальт и редко встречающиеся в природе элементы самария. За последние несколько лет ученые также обнаружили магнитные полимеры, или так называемые пластичные магниты. Некоторые из них очень гибкие и пластичные. Однако, одни работают только при чрезвычайно низких температурах, а другие могут поднимать только очень легкие материалы, например, металлические опилки. Но чтобы обладать свойствами магнита, каждому из этих металлов нужна сила.
Создание магнитов
Многие современные электронные устройства работают на основе магнитов. Применять магниты для производства устройств стали относительно недавно, потому что магниты, существующие в природе, не обладают необходимой силой для работы аппаратуры, и только когда людям удалось сделать их более мощными, они стали незаменим элементом в производстве. Железняк, разновидность магнетитов, считается самым сильным магнитом из всех встречающихся в природе. Он способен притягивать к себе небольшие объекты, например, скрепки для бумаг и скобки.Где-то в 12-ом веке люди обнаружили, что с помощью железняка можно намагничивать частицы железа – так люди создали компас. Также они заметили, что если постоянно проводить магнитом вдоль железной иглы, то происходит намагничивание иголки. Саму иголку тянет в северо-южном направлении. Позже, известный ученый Уильям Гилберт объяснил, что движение намагниченной иглы в северо-южном направление происходит за счет того, что наша планета Земля очень напоминает огромный магнит с двумя полюсами – северным и южным полюсом. Стрелка компаса не настолько сильная как многие перманентные магниты, используемые в наше время. Но физический процесс, который намагничивает стрелки компаса и куски неодимового сплава, практически одинаков. Все дело в микроскопических областях, называемых магнитными доменами, которые являются частью структуры ферромагнитных материалов, таких как железо, кобальт и никель. Каждый домен представляет собой крошечный, отдельный магнит с северным и южным полюсом. В ненамагниченных ферромагнитных материалах каждый из северных полюсов указывает в различные направления. Магнитные домены, направленные в противоположных направлениях, уравновешивают друг друга, поэтому сам материал не производит магнитное поле.
В магнитах, с другой стороны, практически все или, по крайней мере, большая часть магнитных доменов направлены в одну сторону. Вместо того, чтобы уравновешивать друг друга, микроскопические магнитные поля объединяются вместе, чтобы создать одно большое магнитное поле. Чем больше доменов указывает в одном направление, тем сильнее магнитное поле. Магнитное поле каждого домена проходит от его северного полюса и до южного полюса.
Это объясняет, почему, если разломить магнит напополам, получается два маленьких магнита с северными и южными полюсами. Это также объясняет, почему противоположные полюса притягивают – силовые линии выходят из северного полюса одного магнита и проникают в южный полюс другого, в результате чего металлы притягиваются и получается один больший магнит. По такому же принципу происходит отталкивание – силовые линии двигаются в противоположных направлениях, и в результате такого столкновения магниты начинают отталкиваться друг от друга.
Создание Магнитов
Для того чтобы сделать магнит, Вам необходимо просто «направить» магнитные домены металла в одном направлении. Для этого вам необходимо намагнить сам металл. Рассмотрим еще раз случай с иголкой: если магнит двигать постоянно в одном направлении вдоль иголки, происходит выравнивание направления всех его областей (доменов). Однако, выравнивать магнитные домены можно и другими способами, например:Поместить металл в сильное магнитное поле в северо-южном направлении. -- Двигать магнит в северо-южном направлении, постоянно ударяя по нему молотком, выравнивая его магнитные домены. -- Пропустить через магнит электрический ток.
Ученые предполагают, что два из этих методов объясняют то, как естественные магниты формируются в природе. Другие же ученые утверждают, что магнитный железняк становится магнитом только в том случае, когда его ударяет молния. Третьи же считают, что железняк в природе превратился в магнит еще в момент формирования Земли и сохранился до наших дней.
Наиболее распространенным способом изготовления магнитов на сегодняшний день считается процесс помещения металла в магнитное поле. Магнитное поле вращается вокруг данного объекта и начинает выравнивать все его домены. Однако в этот момент может возникнуть отставание в одном из этих связанных между собой процессов, что называется гистерезисом. На то, чтобы заставить домены поменять свое направление в одну сторону, может уйти несколько минут. Вот что происходит во время этого процесса: Магнитные области начинают вращаться, выстраиваясь в линию вдоль северо-южной линии магнитного поля.
Области, которые уже направлены в северо-южном направлении становятся больше, в то время как окружающие их области становятся меньше. Стены домена, границы между соседними доменами, постепенно расширяются, за счет чего сам домен увеличивается. В очень сильном магнитном поле некоторые стены домена полностью исчезают.
Получается, что мощность магнита зависит от количества силы, используемой для смены направления доменов. Прочность магнитов зависит от того, насколько трудно было выровнять эти домены. Материалы, которые трудно намагнитить, сохраняют свой магнетизм в течение более длинных периодов, в то время как материалы, которые легко поддаются намагничиванию, обычно быстроразмагничиваются.
Уменьшить силу магнита или размагнитить его полностью можно, если направить магнитное поле в противоположном направлении. Размагнитить материал можно также, если нагреть его до точки Кюри, т.е. температурной границы сегнетоэлектрического состояния, при которой материал начинает терять свой магнетизм. Высокая температура размагничивает материал и возбуждает магнитные частицы, нарушая равновесие магнитных доменов.
Транспортировка магнитов
Большие мощные магниты применяются во многих сферах жизнедеятельности человека – от записи данных и до проведения тока по проводам. Но основная трудность использования их на практике состоит в том, как перевозить магниты. Во время транспортировки магниты могут повредить другие объекты, или другие объекты могут повредить их, из-за чего их будет сложно или практически невозможно использовать. К тому же магниты постоянно притягивают к себе различные ферромагнитные обломки, от которых потом очень сложно, а порой и опасно избавиться.Поэтому при транспортировке очень большие магниты помещают в специальные ящики или просто перевозят ферромагнитные материалы, из которых с помощью специального оборудования изготовляют магниты. По сути дела, таким оборудованием является простой электромагнит.
Почему магниты «липнут» друг к другу?
Из занятий по физике Вам вероятно известно, что когда электрический ток проходит по проволоке, он создает магнитное поле. В постоянных магнитах магнитное поле также создается за счет движения электрического заряда. Но магнитное поле в магнитах образуется не из-за движения тока по проводам, а за счет движения электронов.
Многие люди считают, что электроны это крошечные частицы, которые вращаются вокруг ядра атома, словно планеты вращаются вокруг солнца. Но как объясняют квантовые физики, движение электронов значительно сложнее этого. Во-первых, электроны заполняют раковинообразные орбитали атома, где они ведут себя и как частицы и как волны. Электроны имеют заряд и массу, а также могут двигаться в разных направлениях.
И хотя электроны атома не перемещаются на большие расстояния, такого движения достаточно для того, чтобы создать крошечное магнитное поле. И поскольку спаренные электроны двигаются в противоположных направлениях, их магнитные поля уравновешивают друг друга. В атомах ферромагнитных элементов, наоборот, электроны не спарены и двигаются в одном направление. Например, у железа есть целых четыре несоединенных электрона, которые движутся в одну сторону. Поскольку у них нет сопротивляющихся полей, у этих электронов есть орбитальный магнитный момент. Магнитный момент – это вектор, который имеет свою величина и направленность.
В таких металлах как железо орбитальный магнитный момент заставляет соседние атомы выстраиваться вдоль северо-южных силовых линий. Железо, как и другие ферромагнитные материалы, имеют кристаллическую структуру. Когда они остывают после процесса литья, группы атомов с параллельной орбиты вращения выстраиваются в линию внутри кристаллической структуры. Так образуются магнитные домены.
Вы, возможно, заметили, что материалы, из которых получаются хорошие магниты, также способны притягивать сами магниты. Это происходит потому, что магниты притягивают материалы с непарными электронами, которые вращаются в одном направлении. Иными словами, качество, которое превращает металл в магнит также притягивает металл к магнитам. Многие другие элементы - диамагнитны – они состоят из неспаренных атомов, которые создают магнитное поле, слегка отталкивающее магнит. Несколько материалы совсем не взаимодействуют с магнитами.
Измерение магнитного поля
Измерить магнитное поле можно с помощью специальных инструментов, например, флюксметра. Описать его можно несколькими способами: -- Магнитные силовые линии измеряются в веберах (ВБ). В электромагнитных системах этот поток сравнивают с током.
Сила поля, или плотность потока, измеряется в Тесла (T) или в единице измерения гаусс (Гс). Один тесла равен 10 000 гаусс.
Напряженность поля можно также измерить в веберах на квадратный метр. -- Величина магнитного поля измеряется в амперах на метр или эрстедах.
Мифы о магните
С магнитами мы сталкиваемся целый день. Они есть, например, в компьютерах: жесткий диск записывают всю информацию при помощи магнита, а также магниты используют во многих компьютерных мониторах. Магниты также являются неотъемлемой частью телевизоров с электронно-лучевой трубкой, акустических колонок, микрофонов, генераторов, трансформаторов, электромоторов, кассет, компасов и автомобильных спидометров. Магниты обладают удивительными свойствами. Они могут индуктировать ток в проводах и заставить электродвигатель вращаться. Достаточно сильное магнитное поле может поднять мелкие объекты или даже небольших животных. Поезда на магнитной подвеске развивают большую скорость только за счет магнитного толчка. Согласно Wired magazine, некоторые люди даже вставляют крошечные неодимовые магниты в пальцы для того, чтобы определять электромагнитные поля.Приборы отображения магнитного резонанса, работающие за счет магнитного поля, позволяют докторам исследовать внутренние органы пациентов. Также доктора используют электромагнитное импульсное поле для того, чтобы посмотреть правильно ли срастаются сломанные кости после удара. Подобное электромагнитное поле используется астронавтами, которые долгое время находятся в невесомости для того, чтобы предотвратить растяжение мышц и ломки костей.
Магниты также применяются в ветеринарной практики для лечения животных. Например, коровы часто страдают травматическим ретикулоперикардитисом, эта сложная болезнь, развивающаяся у этих животных, которые часто вместе с кормом заглатывают мелкие металлические предметы, которые могут повредить стенки желудка, легкие или сердце животного. Поэтому, часто перед кормлением коров опытные фермеры с помощью магнита очищают их пищу от мелких несъедобных деталей. Однако, если корова уже проглотила вредные металлы, то магнит дают ей вместе с едой. Длинные, тонкие алнико магниты, также называемые «коровьими магнитами», притягивают все металлы и не позволяют им причинить вред желудку коровы. Такие магниты действительно помогают вылечить больное животное, но все же лучше следить за тем, чтобы в коровью еду не попадало вредных элементов. Что касается людей, то им противопоказано глотать магниты, поскольку те, попав в разные части организма, все равно будут притягиваться, что может привести к блокированию кровяного потока и разрушению мягких тканей. Поэтому, когда человек глотает магнит, ему необходима операция.
Некоторые люди считают, что магнитная терапия – это будущее медицины, поскольку это один из наиболее простых, но эффективных методов лечения многих болезней. Многие люди уже на практике убедились в действии магнитного поля. Магнитные браслеты, ожерелья, подушки и многие другие подобные изделия лучше таблеток лечат самые разнообразные заболевания – от артрита и до рака. Некоторые врачи также считают, что стакан намагниченной воды в качестве профилактики может избавить от появления большинства неприятных недугов. В Америке ежегодно на магнитную терапию расходуется около 500 миллионов долларов, а люди во всем мире на такое лечение в среднем тратят 5 миллиардов долларов.
Сторонники магнитной терапии по-разному трактуют полезность этого метода лечения. Одни говорят, что магнит способен притягивать железо, содержащееся в гемоглобине в крови, тем самым улучшая кровообращение. Другие уверяют, что магнитное поле каким-то образом меняет структуру соседних клеток. Но в то же время проведенные научные исследования не подтвердили, что использование статических магнитов может избавить человека от боли или вылечить болезнь.
Некоторые сторонники также предлагают всем людям использовать магниты для очищения воды в домах. Как говорят сами производители, большие магниты могут очистить жесткую воду за счет того, что удалят из нее все вредные ферромагнитные сплавы. Однако, ученые говорят, что жесткой воду делают не ферромагниты. Более того два года использования магнитов на практике не показали никаких изменений в составе воды.
Но, даже не смотря на то, что магниты вряд ли обладают лечебным действием, они все равно стоят изучения. Кто знает, возможно, в будущем мы все же раскроем полезные свойства магнитов.
