Магнит

Эта статья об объектах и ​​устройствах, создающих магнитные поля. Описание магнитных материалов см. в разделе «Магнетизм» . Чтобы узнать о других значениях, см. Магнит (значения) .

Магнетитовый неодимовым камень притягивается магнитом . сверху

Магнит магнитное — это материал или объект, создающий поле . Это магнитное поле невидимо, но отвечает за наиболее заметное свойство магнита: силу, которая притягивает другие ферромагнитные материалы , такие как железо , сталь , никель , кобальт и т. д., и притягивает или отталкивает другие магниты.

Постоянный магнит — это объект, изготовленный из материала, который намагничивается и создает собственное постоянное магнитное поле. Повседневный пример — магнит на холодильник, который используется для хранения заметок на дверце холодильника. Материалы, которые можно намагничивать, а также сильно притягиваться к магниту, называются ферромагнетиками (или ферримагнетиками ). К ним относятся элементы железо , никель и кобальт и их сплавы, некоторые сплавы редкоземельных металлов и некоторые природные минералы, такие как магнит . Хотя ферромагнитные (и ферримагнитные) материалы — единственные, которые притягиваются к магниту достаточно сильно, чтобы их можно было считать магнитными, все остальные вещества слабо реагируют на магнитное поле одним из нескольких других типов магнетизма .

Ферромагнитные материалы можно разделить на магнитно «мягкие» материалы, такие как отожженное железо , которое можно намагничивать, но не имеет тенденции оставаться намагниченным, и магнитно «твердые» материалы, которые это делают. Постоянные магниты изготавливаются из «твердых» ферромагнитных материалов, таких как алнико и феррит , которые во время производства подвергаются специальной обработке в сильном магнитном поле для выравнивания их внутренней микрокристаллической структуры, что делает их очень трудно размагничивать. Чтобы размагнитить насыщенный магнит, необходимо приложить определенное магнитное поле, и этот порог зависит от коэрцитивной силы соответствующего материала. «Твердые» материалы обладают высокой коэрцитивной силой, тогда как «мягкие» материалы имеют низкую коэрцитивную силу. Общая сила магнита измеряется его магнитным моментом или, альтернативно, общим магнитным потоком, который он производит. Локальная сила магнетизма в материале измеряется его намагниченностью .

Электромагнит через состоит из катушки проволоки, которая действует как магнит, когда нее проходит электрический ток , но перестает быть магнитом, когда ток прекращается. Часто катушку наматывают на сердечник из «мягкого» ферромагнитного материала, такого как мягкая сталь , что значительно усиливает магнитное поле, создаваемое катушкой.

Открытие и развитие

Основная статья: История теории электромагнетизма

Смотрите также: История магнетизма

Древние люди узнали о магнетизме из магнитов (или магнетита ), которые естественным образом представляют собой намагниченные куски железной руды. Слово «магнит» было заимствовано в среднеанглийском языке от латинского « magnetum » «магнит», в конечном итоге от греческого μαγνῆτις [λίθος] ( magnetis [lithos] ). что означает «[камень] из Магнезии», место в Анатолии , где были найдены магниты (ныне Маниса в современной Турции ). Магниты, подвешенные так, чтобы они могли вращаться, были первыми магнитными компасами . Самые ранние известные сохранившиеся описания магнитов и их свойств относятся к Анатолии, Индии и Китаю около 2500 лет назад. О свойствах магнитов и их сродстве к железу писал Плиний Старший в своей энциклопедии Naturalis Historia в I веке нашей эры.

В Китае XI века было обнаружено, что закалка раскаленного железа в магнитном поле Земли оставляет железо намагниченным навсегда. Это привело к разработке навигационного компаса , описанного в «Очерках бассейна снов» в 1088 году. К 12-13 векам нашей эры магнитные компасы использовались в навигации в Китае, Европе, на Аравийском полуострове и в других местах.

Прямой железный магнит имеет тенденцию размагничиваться собственным магнитным полем. Чтобы преодолеть эту проблему, подковообразный магнит в 1743 году изобрел Даниэль Бернулли . Подковообразный магнит позволяет избежать размагничивания, возвращая линии магнитного поля к противоположному полюсу.

В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что стрелка компаса отклоняется под действием электрического тока. В том же году Андре-Мари Ампер показал, что железо можно намагничивать, поместив его в соленоид с электрическим питанием. Это побудило Уильяма Стерджена в 1824 году разработать электромагнит с железным сердечником. Джозеф Генри развил электромагнит до коммерческого продукта в 1830–1831 годах, впервые предоставив людям доступ к сильным магнитным полям. В 1831 году он построил сепаратор руды с электромагнитом, способным поднимать 750 фунтов (340 кг).

Физика

Магнитное поле

Железные опилки, ориентированные в магнитном поле, создаваемом стержневым магнитом.

Обнаружение магнитного поля с помощью компаса и железных опилок

Основная статья: Магнитное поле

Плотность магнитного потока (также называемая магнитным полем B или просто магнитным полем, обычно обозначаемым B ) представляет собой векторное поле . магнитного B поля Вектор в данной точке пространства задается двумя свойствами:

1. Его направление соответствует направлению стрелки компаса .
2. Его величина (также называемая силой ), которая пропорциональна тому, насколько сильно стрелка компаса ориентирована в этом направлении.

В единицах СИ напряженность магнитного поля B выражается в теслах .

Магнитный момент

Основная статья: Магнитный момент

Магнитный момент магнита (также называемый магнитным дипольным моментом и обычно обозначаемый μ ) — это вектор , который характеризует общие магнитные свойства магнита. Для стержневого магнита направление магнитного момента указывает от южного полюса магнита к его северному полюсу, а величина связана с тем, насколько сильны и насколько далеко друг от друга расположены эти полюса. В единицах СИ магнитный момент указывается в А·м. ² (амперы, умноженные на метры в квадрате).

Магнит одновременно создает собственное магнитное поле и реагирует на магнитные поля. Сила создаваемого им магнитного поля в любой данной точке пропорциональна величине его магнитного момента. Кроме того, когда магнит помещается во внешнее магнитное поле, созданное другим источником, на него действует крутящий момент , стремящийся направить магнитный момент параллельно полю. Величина этого крутящего момента пропорциональна как магнитному моменту, так и внешнему полю. Магнит также может подвергаться воздействию силы, движущей его в том или ином направлении, в зависимости от положения и ориентации магнита и источника. Если поле однородно в пространстве, на магнит не действует результирующая сила, хотя на него действует крутящий момент.

Провод в форме круга площадью А с током I имеет магнитный момент, равный IA .

Намагниченность

Основная статья: Намагниченность

Намагниченность намагниченного материала — это локальное значение его магнитного момента на единицу объема, обычно обозначаемое М , с единицами А / м . Это векторное поле , а не просто вектор (как магнитный момент), поскольку разные области магнита могут быть намагничены с разными направлениями и силой (например, из-за доменов, см. ниже). Хороший стержневой магнит может иметь магнитный момент величиной 0,1 А·м. ² и объём 1 см. ³ , или 1×10 ⁻⁶ м ³ , и, следовательно, средняя величина намагниченности составляет 100 000 А/м. Железо может иметь намагниченность около миллиона ампер на метр. Столь большое значение объясняет, почему железные магниты так эффективно создают магнитные поля.

Моделирование магнитов

Поле цилиндрического стержневого магнита рассчитано точно

См. Также: Два определения момента.

Для магнитов существуют две разные модели: магнитные полюса и атомные токи.

Хотя для многих целей удобно думать о магните как о наличии отдельных северного и южного магнитных полюсов, концепцию полюсов не следует понимать буквально: это просто способ обозначения двух разных концов магнита. Магнит не имеет четко выраженных северных или южных частиц на противоположных сторонах. Если стержневой магнит разбить на две части, пытаясь разделить северный и южный полюса, в результате получится два стержневых магнита, каждый из которых имеет северный и южный полюс. Однако версия подхода магнитного полюса используется профессиональными магнетиками для проектирования постоянных магнитов.

В этом подходе расходимость намагниченности ∇· M внутри магнетика трактуется как распределение магнитных монополей . Это математическое удобство, но оно не означает, что в магните действительно существуют монополи. Если распределение магнитных полюсов известно, то модель полюса дает магнитное поле H . Снаружи магнита поле B пропорционально H внутри намагниченность должна быть добавлена ​​к H. , а Расширение этого метода, учитывающее внутренние магнитные заряды, используется в теориях ферромагнетизма.

Другая модель — это модель Ампера , в которой вся намагниченность обусловлена ​​действием микроскопических или атомных круговых связанных токов , также называемых токами Ампера, протекающими по всему материалу. Для однородно намагниченного цилиндрического стержневого магнита конечный эффект микроскопических связанных токов заключается в том, что магнит ведет себя так, как будто макроскопический слой электрического тока с локальным направлением потока, перпендикулярным оси цилиндра. вокруг поверхности течет Микроскопические токи в атомах внутри материала обычно нейтрализуются токами в соседних атомах, поэтому чистый вклад вносит только поверхность; сбривание внешнего слоя магнита не разрушит его магнитное поле, но оставит новую поверхность неустраненных токов из круговых токов по всему материалу. Правило правой руки показывает, в каком направлении течет положительно заряженный ток. Однако ток, возникающий из-за отрицательно заряженного электричества, на практике гораздо более распространен.

Полярность

Северный полюс магнита определяется как полюс, который при свободном подвешивании магнита направлен в сторону Северного магнитного полюса Земли в Арктике (магнитный и географический полюса не совпадают, см. магнитное склонение ). Поскольку противоположные полюса (северный и южный) притягиваются, Северный магнитный полюс фактически является южным полюсом магнитного поля Земли. На практике, чтобы определить, какой полюс магнита северный, а какой южный, вовсе не обязательно использовать магнитное поле Земли. Например, одним из методов было бы сравнить его с электромагнитом , полюса которого можно определить по правилу правой руки . По соглашению считается, что линии магнитного поля магнита выходят из северного полюса магнита и снова входят в южный полюс.

Магнитные материалы

Основная статья: Магнетизм

Термин «магнит» обычно применяется к объектам, которые создают собственное постоянное магнитное поле даже в отсутствие приложенного магнитного поля. Только определенные классы материалов могут это сделать. Однако большинство материалов создают магнитное поле в ответ на приложенное магнитное поле – явление, известное как магнетизм. Существует несколько типов магнетизма, и все материалы обладают хотя бы одним из них.

Общее магнитное поведение материала может сильно различаться в зависимости от структуры материала, особенно от его электронной конфигурации . В различных материалах наблюдалось несколько форм магнитного поведения, в том числе:

• Ферромагнитные и ферримагнитные материалы обычно считаются магнитными; они притягиваются к магниту настолько сильно, что это притяжение можно почувствовать. Эти материалы — единственные, которые могут сохранять намагниченность и становиться магнитами; Типичным примером является традиционный магнит на холодильник . Ферримагнитные материалы, которые включают ферриты и самые старые и встречающиеся в природе магнитные материалы магнетит и магнит , похожи на ферромагнетики, но слабее их. Разница между ферро- и ферримагнитными материалами связана с их микроскопической структурой, как объяснено в книге «Магнетизм» .
• Парамагнитные вещества, такие как платина , алюминий и кислород , слабо притягиваются к любому полюсу магнита. Это притяжение в сотни тысяч раз слабее, чем у ферромагнитных материалов, поэтому его можно обнаружить только с помощью чувствительных приборов или с помощью чрезвычайно сильных магнитов. Магнитные феррожидкости , хотя и состоят из крошечных ферромагнитных частиц, взвешенных в жидкости, иногда считаются парамагнитными, поскольку они не могут быть намагничены.
• Диамагнетик означает отталкивание обоих полюсов. По сравнению с парамагнетиками и ферромагнетиками диамагнитные вещества, такие как углерод , медь , вода и пластик , отталкиваются магнитом еще слабее. Магнитная проницаемость диамагнитных материалов меньше магнитной проницаемости вакуума . Все вещества, не обладающие ни одним из других видов магнетизма, диамагнетичны; сюда входит большинство веществ. Хотя сила, действующая на диамагнитный объект со стороны обычного магнита, слишком слаба, чтобы ее можно было почувствовать, при использовании чрезвычайно сильных сверхпроводящих магнитов диамагнитные объекты, такие как куски свинца и даже мыши, их можно левитировать , поэтому они парят в воздухе. Сверхпроводники отталкивают магнитные поля изнутри и являются сильно диамагнитными.

Существуют и другие типы магнетизма, такие как спиновое стекло , суперпарамагнетизм , супердиамагнетизм и метамагнетизм .

Обычное использование

Жесткие диски записывают данные на тонкое магнитное покрытие.

Ручной магнитный сепаратор для тяжелых минералов

• Магнитные носители записи: кассеты VHS содержат катушку магнитной ленты . Информация, составляющая видео и звук, закодирована на магнитном покрытии ленты. Обычные аудиокассеты также используют магнитную ленту. Точно так же в компьютерах дискеты и жесткие диски записывают данные на тонкое магнитное покрытие.
• Кредитные , дебетовые карты и карты банкоматов : все эти карты имеют магнитную полосу на одной стороне. Эта полоса кодирует информацию для связи с финансовым учреждением человека и подключения к его счету(ам).
• Старые типы телевизоров (не с плоским экраном) и старые большие компьютерные мониторы : экраны телевизоров и компьютеров, содержащие электронно-лучевую трубку, используют электромагнит для направления электронов на экран.
• Динамики и микрофоны . В большинстве динамиков используется постоянный магнит и катушка с током для преобразования электрической энергии (сигнала) в механическую энергию (движение, создающее звук). Катушка намотана на катушку, прикрепленную к диффузору динамика , и передает сигнал в виде изменяющегося тока, который взаимодействует с полем постоянного магнита. ощущает Звуковая катушка магнитную силу и в ответ перемещает диффузор и сжимает окружающий воздух, генерируя таким образом звук . Динамические микрофоны используют ту же концепцию, но наоборот. Микрофон имеет диафрагму или мембрану, прикрепленную к катушке провода. Катушка находится внутри магнита специальной формы. Когда звук колеблет мембрану, катушка тоже вибрирует. напряжение индуцируется Когда катушка движется в магнитном поле, на катушке . Это напряжение вызывает в проводе ток, характерный для исходного звука.
• В электрогитарах используются магнитные звукосниматели, преобразующие вибрацию гитарных струн в электрический ток, который затем можно усилить . Это отличается от принципа динамика и динамического микрофона, поскольку вибрации воспринимаются непосредственно магнитом, а диафрагма не используется. В органе Хаммонда использовался аналогичный принцип: вращались тональные колеса . вместо струн
• Электродвигатели и генераторы . Некоторые электродвигатели основаны на сочетании электромагнита и постоянного магнита и, как и громкоговорители, преобразуют электрическую энергию в механическую. Генератор действует наоборот: он преобразует механическую энергию в электрическую, перемещая проводник через магнитное поле.
• Медицина : Больницы используют магнитно-резонансную томографию для выявления проблем в органах пациента без инвазивной хирургии.
• Химия: Химики используют ядерный магнитный резонанс для характеристики синтезированных соединений.
• Патроны используются в металлообработке для фиксации предметов. Магниты также используются в других типах крепежных устройств, таких как магнитное основание , магнитный зажим и магнит на холодильник .
• Компасы : Компас (или морской компас) представляет собой намагниченный указатель, который может выравниваться по магнитному полю, чаще всего по магнитному полю Земли .
• Искусство : Виниловые магнитные листы можно прикреплять к картинам, фотографиям и другим декоративным изделиям, что позволяет прикреплять их к холодильникам и другим металлическим поверхностям. Предметы и краски можно наносить непосредственно на поверхность магнита для создания коллажей. Металлические магнитные доски, полосы, двери, микроволновые печи, посудомоечные машины, автомобили, металлические двутавровые балки и любые металлические поверхности можно использовать для магнитного винилового искусства.
• Научные проекты : Многие тематические вопросы основаны на магнитах, включая отталкивание проводов с током, влияние температуры и двигатели с участием магнитов.

Магниты имеют множество применений в игрушках . M-tic использует для строительства магнитные стержни, соединенные с металлическими сферами .

• Игрушки : Учитывая их способность противодействовать силе гравитации на близком расстоянии, магниты часто используются в детских игрушках, таких как Магнитное космическое колесо и Левитрон , что приводит к забавному эффекту.
• Магниты на холодильник используются для украшения кухни, в качестве сувенира или просто для крепления записки или фотографии к дверце холодильника.
• Магниты можно использовать для изготовления украшений. Ожерелья и браслеты могут иметь магнитную застежку или могут быть полностью изготовлены из соединенных друг с другом серий магнитов и железных бусин.
• Магниты могут захватывать магнитные предметы (железные гвозди, скобы, кнопки, скрепки), которые либо слишком малы, либо слишком труднодоступны, либо слишком тонкие, чтобы их можно было удержать пальцами. Некоторые отвертки для этой цели намагничены.
• Магниты можно использовать при утилизации и утилизации металлолома для отделения магнитных металлов (железа, кобальта и никеля) от немагнитных металлов (алюминия, цветных сплавов и т. д.). Ту же идею можно использовать в так называемом «магнитном тесте», при котором шасси автомобиля осматривается с помощью магнита, чтобы обнаружить участки, отремонтированные с использованием стекловолокна или пластиковой замазки.
• Магниты используются в перерабатывающей промышленности, особенно в пищевой промышленности, для удаления металлических инородных тел из материалов, поступающих в процесс (сырья), или для обнаружения возможного загрязнения в конце процесса и перед упаковкой. Они представляют собой важный уровень защиты технологического оборудования и конечного потребителя.
• Транспорт на магнитной левитации, или маглев , представляет собой вид транспорта, который подвешивает, направляет и приводит в движение транспортные средства (особенно поезда) с помощью электромагнитной силы. Устранение сопротивления качению повышает эффективность. Максимальная зарегистрированная скорость поезда на магнитной подвеске составляет 581 километр в час (361 миль в час).
• Магниты могут использоваться в качестве предохранительного устройства для некоторых кабельных соединений. Например, шнуры питания некоторых ноутбуков являются магнитными, чтобы предотвратить случайное повреждение порта при спотыкании. Одним из таких примеров является подключение питания MagSafe к Apple MacBook.

Медицинские вопросы и безопасность

Поскольку ткани человека имеют очень низкий уровень восприимчивости к статическим магнитным полям, существует мало основных научных данных, показывающих влияние на здоровье, связанное с воздействием статических полей. Однако динамические магнитные поля могут представлять собой другую проблему; корреляция между электромагнитным излучением и уровнем рака была постулирована из-за демографических корреляций (см. Электромагнитное излучение и здоровье ).

Если в тканях человека присутствует ферромагнитное инородное тело, внешнее магнитное поле, взаимодействующее с ним, может представлять серьезную угрозу безопасности.

Существует другой тип непрямого магнитного риска для здоровья, связанный с кардиостимуляторами. Если кардиостимулятор в грудную клетку пациента вмонтирован (обычно с целью мониторинга и регулирования частоты устойчивых электрических сокращений сердца ), следует позаботиться о том, чтобы держать его вдали от магнитных полей. Именно по этой причине пациента с установленным устройством нельзя обследовать с помощью аппарата магнитно-резонансной томографии.

Дети иногда глотают маленькие магниты из игрушек, и это может быть опасно, если проглотить два или более магнита, поскольку магниты могут защемить или проколоть внутренние ткани.

Устройства магнитной визуализации (например, МРТ ) генерируют огромные магнитные поля, поэтому помещения, предназначенные для их хранения, исключают присутствие черных металлов. Пронос предметов из черных металлов (например, баллонов с кислородом) в такое помещение создает серьезную угрозу безопасности, поскольку эти предметы могут быть сильно отброшены интенсивными магнитными полями.

Намагничивание ферромагнетиков

См. Также: Остаточность

Ферромагнитные материалы можно намагничивать следующими способами:

• Нагревание объекта выше температуры Кюри , позволяющее ему остыть в магнитном поле и ударение по нему по мере остывания. Это наиболее эффективный метод, похожий на промышленные процессы, используемые для создания постоянных магнитов.
• Помещение предмета во внешнее магнитное поле приведет к тому, что предмет сохранит часть магнетизма при удалении. Было доказано, что вибрация усиливает эффект. Было показано, что черные материалы, ориентированные на магнитное поле Земли и подверженные вибрации (например, рама конвейера), приобретают значительный остаточный магнетизм. Аналогичным образом, удар молотком по стальному гвоздю, удерживаемому пальцами в направлении северной широты, временно намагничивает гвоздь.
• Поглаживание: существующий магнит перемещается от одного конца предмета к другому несколько раз в одном и том же направлении ( метод одиночного касания ) или два магнита перемещаются наружу от центра третьего ( метод двойного касания ).
• Электрический ток. Магнитное поле, создаваемое при прохождении электрического тока через катушку, может заставить домены выстраиваться в линию. Когда все домены выровнены, увеличение тока не приведет к увеличению намагниченности.

Размагничивающие ферромагнетики

Намагниченные ферромагнитные материалы можно размагничивать (или размагничивать) следующими способами:

• Нагрев магнита выше температуры Кюри ; молекулярное движение нарушает выравнивание магнитных доменов. Это всегда удаляет всю намагниченность.
• материала Помещение магнита в переменное магнитное поле с интенсивностью, превышающей коэрцитивную силу , а затем либо медленное вытягивание магнита, либо медленное уменьшение магнитного поля до нуля. Этот принцип используется в коммерческих размагничивающих устройствах для размагничивания инструментов, стирания данных с кредитных карт, жестких дисков и в катушках размагничивания, используемых для размагничивания ЭЛТ .
• Некоторое размагничивание или обратное намагничивание произойдет, если какая-либо часть магнита подвергнется воздействию обратного поля, превышающего коэрцитивную силу магнитного материала .
• Размагничивание постепенно происходит, если магнит подвергается воздействию циклических полей, достаточных для перемещения магнита от линейной части во втором квадранте кривой B – H магнитного материала (кривая размагничивания).
• Удары или сотрясения: механическое воздействие имеет тенденцию хаотизировать магнитные домены и уменьшать намагниченность объекта, но может привести к неприемлемому повреждению.

Виды постоянных магнитов

Магнитные металлические элементы

Многие материалы имеют неспаренные электронные спины, и большинство этих материалов являются парамагнитными . Когда спины взаимодействуют друг с другом таким образом, что спины выравниваются спонтанно, материалы называются ферромагнитными (то, что часто условно называют магнитными). Из-за того, как их регулярная кристаллическая атомная структура заставляет их спины взаимодействовать, некоторые металлы являются ферромагнитными, когда они находятся в их естественном состоянии, например, в руде . К ним относятся железная руда ( магнетит или магнит ), кобальт и никель , а также редкоземельные металлы гадолиний и диспрозий (при очень низкой температуре). Такие встречающиеся в природе ферромагнетики использовались в первых экспериментах с магнетизмом. С тех пор технологии расширили доступность магнитных материалов, включив в них различные искусственные продукты, однако все они основаны на естественных магнитных элементах.

Композиты

Стопка ферритовых магнитов

Керамические или ферритовые магниты изготавливаются из спеченного композита порошкообразного оксида железа и из карбоната бария / стронция керамики . недорогие магниты (или ненамагниченные ферромагнитные сердечники для использования в электронных компонентах , таких как портативные AM-радиоантенны Учитывая низкую стоимость материалов и методов производства, можно легко массово производить ) различной формы. Полученные магниты не подвержены коррозии, но хрупкие , и с ними следует обращаться, как с другой керамикой.

Магниты Alnico изготавливаются путем литья или спекания комбинации алюминия , никеля и кобальта с железом и небольшим количеством других элементов, добавляемых для улучшения свойств магнита. Спекание обеспечивает превосходные механические характеристики, тогда как литье создает более сильные магнитные поля и позволяет создавать сложные формы. Магниты из алнико устойчивы к коррозии и имеют более щадящие физические свойства, чем феррит, но не такие желательные, как металл. Торговые названия сплавов этого семейства включают: Alni, Alcomax, Hycomax, Columax и Ticonal .

, изготовленные методом литья под давлением, Магниты представляют собой композит различных типов смол и магнитных порошков, позволяющий изготавливать детали сложной формы методом литья под давлением. Физические и магнитные свойства продукта зависят от сырья, но, как правило, имеют меньшую магнитную силу и напоминают пластмассы по своим физическим свойствам .

Гибкий магнит

Гибкие магниты состоят из соединения с высокой коэрцитивной силой ферромагнитного (обычно оксида железа ), смешанного со смолистым полимерным связующим. Его выдавливают в виде листа и пропускают через ряд мощных цилиндрических постоянных магнитов. Эти магниты расположены стопкой с чередующимися магнитными полюсами вверх (N, S, N, S...) на вращающемся валу. Это впечатляет пластиковый лист магнитными полюсами в виде чередующихся линий. Для создания магнитов не используется электромагнетизм. Расстояние между полюсами составляет порядка 5 мм, но зависит от производителя. Эти магниты имеют меньшую магнитную силу, но могут быть очень гибкими, в зависимости от используемого связующего.

Для магнитных соединений (например, Nd ₂ Fe ₁₄ B ), которые подвержены проблеме зернограничной коррозии, это обеспечивает дополнительную защиту.

Редкоземельные магниты

Магниты овоидной формы (возможно, гематиновые ), свисающие один на другом.

Основная статья: Редкоземельный магнит

Редкоземельные ( лантаноидные ) элементы имеют частично занятую f- электронную оболочку (в которой может разместиться до 14 электронов). Вращение этих электронов может быть выровнено, что приводит к очень сильным магнитным полям, и поэтому эти элементы используются в компактных высокопрочных магнитах, где их более высокая цена не является проблемой. Наиболее распространенными типами редкоземельных магнитов являются самарий-кобальтовые и неодим-железо-борные (НИБ) магниты.

Одномолекулярные магниты (SMM) и одноцепочечные магниты (SCM)

Основная статья: Одномолекулярный магнит

В 1990-е годы было обнаружено, что некоторые молекулы, содержащие ионы парамагнитных металлов, способны сохранять магнитный момент при очень низких температурах. Они сильно отличаются от обычных магнитов, которые хранят информацию на уровне магнитных доменов, и теоретически могут обеспечить гораздо более плотный носитель информации, чем обычные магниты. В этом направлении в настоящее время ведутся исследования монослоев СММ. Вкратце, двумя основными атрибутами SMM являются:

1. большое значение спина основного состояния ( S ), которое обеспечивается ферромагнитной или ферримагнитной связью между парамагнитными металлическими центрами
2. отрицательное значение анизотропии расщепления нулевого поля ( D )

Большинство СММ содержат марганец, но их также можно найти с кластерами ванадия, железа, никеля и кобальта. Совсем недавно было обнаружено, что некоторые цепные системы могут также проявлять намагниченность, которая сохраняется в течение длительного времени при более высоких температурах. Эти системы получили название одноцепочечные магниты.

Наноструктурированные магниты

Некоторые наноструктурированные материалы обладают энергетическими волнами , называемыми магнонами , которые сливаются в общее основное состояние наподобие конденсата Бозе-Эйнштейна .

Постоянные магниты, не содержащие редкоземельных элементов

Министерство энергетики США определило необходимость поиска заменителей редкоземельных металлов в технологии постоянных магнитов и начало финансировать такие исследования. Агентство перспективных исследовательских проектов-Энергетика (ARPA-E) спонсировало программу «Редкоземельные альтернативы в критических технологиях» (REACT) по разработке альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделило 31,6 миллиона долларов на финансирование проектов по замене редкоземельных элементов. Нитриды железа являются перспективными материалами для создания свободных редкоземельных магнитов.

Затраты

Электрический ток Самые дешевые постоянные магниты, учитывающие напряженность поля, — это гибкие и керамические магниты, но они также относятся к числу самых слабых типов. Ферритовые магниты в основном являются недорогими магнитами, поскольку изготавливаются из дешевого сырья: оксида железа и карбоната Ba- или Sr. Однако появился новый недорогой магнит — сплав Mn–Al. была разработана и в настоящее время доминирует в области недорогих магнитов. Он имеет более высокую намагниченность насыщения, чем ферритовые магниты. Он также имеет более благоприятные температурные коэффициенты, хотя может быть термически нестабильным. Неодим-железо-борные магниты (НИБ) являются одними из самых сильных. Они стоят дороже за килограмм, чем большинство других магнитных материалов, но из-за их сильного поля во многих приложениях они меньше и дешевле.

Температура

Температурная чувствительность варьируется, но когда магнит нагревается до температуры, известной как точка Кюри , он теряет весь свой магнетизм даже после охлаждения ниже этой температуры. Однако магниты часто можно перемагнитить.

Кроме того, некоторые магниты хрупкие и могут сломаться при высоких температурах.

Максимальная полезная температура является самой высокой для магнитов из алнико: более 540 °C (1000 °F), около 300 °C (570 °F) для феррита и SmCo, около 140 °C (280 °F) для NIB и ниже для гибкой керамики. , но точные цифры зависят от марки материала.

Электромагниты

Основная статья: Электромагнит

Электромагнит в своей простейшей форме представляет собой провод, намотанный в одну или несколько петель, известных как соленоид . Когда электрический ток протекает по проводу, создается магнитное поле. Он сосредоточен вблизи (и особенно внутри) катушки, и ее силовые линии очень похожи на линии магнита. Ориентация этого эффективного магнита определяется правилом правой руки . Магнитный момент и магнитное поле электромагнита пропорциональны числу витков провода, сечению каждого витка и току, протекающему по проводу.

Если катушка с проводом обернута материалом, не имеющим особых магнитных свойств (например, картоном), она будет генерировать очень слабое поле. Однако, если его обернуть вокруг мягкого ферромагнитного материала, такого как железный гвоздь, то создаваемое чистое поле может привести к увеличению напряженности поля в несколько сотен или тысяч раз.

Электромагниты используются в ускорителях частиц , электродвигателях , кранах на свалках и магнитно-резонансной томографии машинах . Некоторые приложения включают в себя конфигурации, выходящие за рамки простого магнитного диполя; например, квадрупольные и секступольные магниты используются для фокусировки пучков частиц .

Единицы измерения и расчеты

Основная статья: Магнитостатика

Для большинства инженерных приложений MKS (рационализированные) или SI обычно используются единицы (Système International). Два других набора единиц, Гауссовы и CGS-EMU , одинаковы для магнитных свойств и обычно используются в физике.

Во всех единицах удобно использовать два типа магнитного поля B и H , а также намагниченность M , определяемую как магнитный момент единицы объема.

1. Поле магнитной индукции B выражается в единицах системы СИ – теслах (Тл). B — это магнитное поле, изменение которого во времени создает, согласно закону Фарадея, циркулирующие электрические поля (которые продают энергетические компании). B также создает силу отклонения движущихся заряженных частиц (как в телевизионных трубках). Тесла эквивалентен магнитному потоку (в веберах) на единицу площади (в квадратных метрах), что дает B единицу плотности потока. В CGS единицей B является гаусс (G). Одна Тесла равна 10 ⁴ Г.
2. Магнитное поле H выражается в единицах СИ: ампер-витки на метр (А-виток/м). Витки появляются потому , что когда H создается проводом с током, его значение пропорционально количеству витков этого провода. В СГС единицей измерения H является эрстед (Э). Один А-виток/м равен 4π×10. ⁻³ Ты.
3. Намагниченность M выражается в единицах СИ — ампер на метр (А/м). В СГС единицей М является эрстед (Э). Один А/м равен 10 ⁻³  emu/cm ³ . Хороший постоянный магнит может иметь намагниченность до миллиона ампер на метр.
4. В единицах СИ справедливо соотношение B = µ ₀ ( H + M ), где µ ₀ — проницаемость пространства, равная 4π×10. ⁻⁷ Т•м/А. записывается как B = H + 4π M. В CGS это (Полюсный подход дает μ ₀ H в единицах СИ. Затем к этому μ ₀ M должен быть добавлен термин μ ₀ H в единицах СИ, чтобы дать правильное поле внутри B , магнита. Оно будет согласовываться с полем B, рассчитанным с использованием амперовых токов).

Материалы, не являющиеся постоянными магнитами, обычно удовлетворяют соотношению M = χ H в системе SI, где χ — (безразмерная) магнитная восприимчивость. Большинство немагнитных материалов имеют относительно небольшое значение χ (порядка миллионной доли), но мягкие магниты могут иметь значение χ порядка сотен или тысяч. Для материалов, удовлетворяющих M = χ H , мы также можем написать B = µ ₀ (1 + χ ) H = µ ₀ µ _r H = µ H , где µ _r = 1 + χ - (безразмерная) относительная проницаемость и µ = µ ₀ µ _r – магнитная проницаемость. Как твердые, так и мягкие магниты имеют более сложное, зависящее от истории поведение, описываемое так называемыми петлями гистерезиса , которые дают либо B против H либо M против H. , В CGS M = χ H , но χ _SI = 4 πχ _CGS и µ = µ _r .

Внимание: отчасти из-за недостаточного количества римских и греческих символов не существует общепринятого символа силы магнитного полюса и магнитного момента. Символ m использовался как для силы полюса (единица А•м, где здесь вертикальная стойка m обозначает метр), так и для магнитного момента (единица А•м). ² ). Символ μ использовался в некоторых текстах для обозначения магнитной проницаемости, а в других — для обозначения магнитного момента. Мы будем использовать μ для магнитной проницаемости и m для магнитного момента. Для прочности полюса мы будем использовать q _m . Для стержневого магнита поперечного сечения A с однородной намагниченностью M вдоль своей оси сила полюса определяется выражением q _m = MA , так что M можно рассматривать как силу полюса на единицу площади.

Поля магнита

Силовые линии цилиндрических магнитов различного удлинения.

Вдали от магнита магнитное поле, создаваемое этим магнитом, почти всегда описывается (с хорошим приближением) дипольным полем, характеризуемым его полным магнитным моментом. Это верно независимо от формы магнита, если магнитный момент отличен от нуля. Одной из характеристик дипольного поля является то, что напряженность поля падает обратно пропорционально кубу расстояния от центра магнита.

Ближе к магниту магнитное поле становится более сложным и более зависимым от детальной формы и намагниченности магнита. Формально поле можно выразить как мультипольное разложение : дипольное поле плюс квадрупольное поле плюс октупольное поле и т. д.

На близком расстоянии возможно множество различных полей. Например, для длинного и тонкого стержневого магнита с северным полюсом на одном конце и южным полюсом на другом, магнитное поле возле обоих концов спадает обратно пропорционально квадрату расстояния от этого полюса.

Расчет магнитной силы

Основная статья: Сила между магнитами

Сила притяжения одного магнита

Силу данного магнита иногда определяют с точки зрения его силы притяжения — его способности притягивать ферромагнитные объекты. Сила притяжения, создаваемая электромагнитом или постоянным магнитом без воздушного зазора (т. е. ферромагнитный объект находится в непосредственном контакте с полюсом магнита). ) определяется уравнением Максвелла :

$F={{B^{2}A} \over {2\mu _{0}}}$,

где

F — сила (единица СИ: ньютон )

А — сечение площади опоры в квадратных метрах.

B — магнитная индукция, создаваемая магнитом.

Этот результат можно легко получить, используя модель Гилберта , которая предполагает, что полюс магнита заряжен магнитными монополями , которые индуцируют то же самое в ферромагнитном объекте.

Если магнит действует вертикально, он может поднять массу m в килограммах, определяемую простым уравнением:

$m={{B^{2}A} \over {2\mu _{0}g}},$

где g — ускорение свободного падения .

Сила между двумя магнитными полюсами

Дополнительная информация: Магнитный момент § Силы между двумя магнитными диполями.

Классически сила между двумя магнитными полюсами определяется выражением:

$F={{\mu q_{m1}q_{m2}} \over {4\pi r^{2}}}$

где

F — сила (единица СИ: ньютон )

q _{m 1} и q _{m 2} — величины магнитных полюсов (единица СИ: амперметр ).

μ — проницаемость промежуточной среды (единицы СИ: тесла -метр на ампер , генри на метр или ньютон на ампер в квадрате)

r — расстояние (единица СИ: метр).

Описание полюсов полезно инженерам, проектирующим реальные магниты, но настоящие магниты имеют более сложное распределение полюсов, чем отдельные север и юг. Поэтому реализация идеи полюса непроста. В некоторых случаях более полезной будет одна из более сложных формул, приведенных ниже.

Сила между двумя близлежащими намагниченными поверхностями области A

Механическую силу между двумя близлежащими намагниченными поверхностями можно рассчитать с помощью следующего уравнения. Уравнение справедливо только для случаев, когда влияние окантовки незначительно и объем воздушного зазора значительно меньше, чем у намагниченного материала:

$F={\frac {\mu _{0}H^{2}A}{2}}={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}$

где:

A — площадь каждой поверхности, м ²

H — их намагничивающее поле, А/м.

µ ₀ – проницаемость пространства, равная 4π×10 ⁻⁷ Т•м/А

B — плотность потока, в Тл.

Сила между двумя стержневыми магнитами

Сила между двумя одинаковыми цилиндрическими стержневыми магнитами, расположенными друг к другу на большом расстоянии. $z\gg R$ примерно: ,

$F\simeq \left[{\frac {B_{0}^{2}A^{2}\left(L^{2}+R^{2}\right)}{\pi \mu _{0}L^{2}}}\right]\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]$

где:

B ₀ — плотность магнитного потока очень близко к каждому полюсу, в Т,

A — площадь каждого столба, м. ² ,

L — длина каждого магнита, м,

R — радиус каждого магнита, м,

z — расстояние между двумя магнитами, м.

$B_{0}\,=\,{\frac {\mu _{0}}{2}}M$ связывает плотность потока на полюсе с намагниченностью магнита.

Обратите внимание, что все эти формулировки основаны на модели Гилберта, которую можно использовать на относительно больших расстояниях. В других моделях (например, модели Ампера) используется более сложная формулировка, которую иногда невозможно решить аналитически. В этих случаях численные методы необходимо использовать .

Сила между двумя цилиндрическими магнитами

Для двух цилиндрических магнитов радиусом $R$ и длина $L$, когда их магнитный диполь выровнен, силу можно асимптотически аппроксимировать на больших расстояниях $z\gg R$ к,

$F(z)\simeq {\frac {\pi \mu _{0}}{4}}M^{2}R^{4}\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]$

где $M$ намагниченность магнитов и $z$ это зазор между магнитами.Измерение плотности магнитного потока очень близко к магниту. $B_{0}$ связано с $M$ примерно по формуле

$B_{0}={\frac {\mu _{0}}{2}}M$

Эффективный магнитный диполь можно записать как

$m=MV$

Где $V$ это объем магнита. Для цилиндра это $V=\pi R^{2}L$.

Когда $z\gg L$, получается приближение точечного диполя:

$F(x)={\frac {3\pi \mu _{0}}{2}}M^{2}R^{4}L^{2}{\frac {1}{z^{4}}}={\frac {3\mu _{0}}{2\pi }}M^{2}V^{2}{\frac {1}{z^{4}}}={\frac {3\mu _{0}}{2\pi }}m_{1}m_{2}{\frac {1}{z^{4}}}$

что соответствует выражению силы между двумя магнитными диполями.

См. также

• Дипольный магнит
• Теорема Эрншоу
• Электрет
• Электромагнитное поле
• Электромагнетизм
• Массив Хальбаха
• Магнитные наночастицы
• Магнитный переключатель
• Магнето
• Магнитохимия
• Магниты на основе молекул
• Одномолекулярный магнит
• Супермагнит

Ссылки

• «Ранняя история постоянного магнита». Эдвард Невилл да Коста Андраде, Endeavour, том 17, номер 65, январь 1958 г. Содержит превосходное описание ранних методов производства постоянных магнитов.
• «положительный полюс n». Краткий Оксфордский словарь английского языка . Кэтрин Соунс и Ангус Стивенсон. Издательство Оксфордского университета , 2004. Оксфордский справочник в Интернете. Издательство Оксфордского университета.
• Уэйн М. Саслоу, Электричество, магнетизм и свет , Academic (2002). ISBN   0-12-619455-6 . В главе 9 обсуждаются магниты и их магнитные поля с использованием концепции магнитных полюсов, но также приводятся доказательства того, что магнитные полюса на самом деле не существуют в обычной материи. В главах 10 и 11, следуя, по-видимому, подходу XIX века, концепция полюса используется для получения законов, описывающих магнетизм электрических токов.
• Эдвард П. Фурлани, Постоянный магнит и электромеханические устройства: материалы, анализ и применение, серия Academic Press по электромагнетизму (2001). ISBN   0-12-269951-3 .

Внешние ссылки

• Как изготавливаются магниты. Архивировано 16 марта 2013 г. в Wayback Machine (видео).
• Плавающие кольцевые магниты , Бюллетень МАПП, Том 4, № 6, 145 (июнь 2012 г.). (Издание Индийской ассоциации учителей физики ).
• Краткая история электричества и магнетизма