Почему магнит магнитится. Как работает магнит? Неодимовые постоянные магниты

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

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

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

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

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.

В электромагните магнитное поле порождается изменением электрического поля, либо за счёт движения проводника с постоянным током, либо за счёт протекания по проводнику переменного тока. В любом случае, при отключении тока магнитный эффект пропадает. Совсем другое дело - постоянный магнит. Никакого тока здесь и в помине нет. А магнитное поле есть.

Строгое объяснение принципа действия постоянного магнита невозможно без привлечения аппарата квантовой физики. Если же объяснять «на пальцах», то наиболее адекватное объяснение звучит следующим образом. Каждый электрон сам по себе является магнитом, обладает магнитным моментом - это его неотъемлемое физическое свойство. Если атомы, которым «принадлежат» электроны, в веществе ориентированы хаотично, то магнитные моменты электронов друг друга компенсируют и вещество магнитных свойств не проявляет. Если по какой-то причине атомы (хотя бы какая-то их часть) ориентируются в каком-то одном направлении, то магнитные свойства электронов складываются и вещество становится магнитом. Получается, что сильный магнит - это такой магнит, в котором много атомов ориентированы в одном направлении, и чем меньше атомов имеют одинаковую ориентацию, тем слабее получается магнит. Понятно также, что жидкости и газы магнитами в принципе быть не могут - ведь сохранять ориентацию атомы могут только в твёрдых телах.

Со временем магниты теряют свои свойства, но это происходит под действием внешних причин: внешнего магнитного поля, высокой температуры, механических повреждений. Притягивая какое-то тело, магнит затрачивает часть своей энергии на это притяжение и становится чуть-чуть менее сильным. Но когда вы отрываете это тело от магнита, он полностью возвращает себе потраченную энергию. Таким образом, суммарная механическая работа постоянного магнита остаётся нулевой, и теоретически магнит может сохранять свои свойства сколь угодно долгое время.

Производство и использование постоянных магнитов

Не смотря на то, что магниты были известны людям тысячи лет назад, их промышленное производство стало возможным только в двадцатом веке. Причём самые сильные постоянные магниты на основе неодимовых сплавов были изобретены только в 80-х годах прошлого века. А наиболее дешёвые и популярные из производимых сегодня магнитов - полимерные магнитные материалы, к числу которых относится, например, магнитный винил , так и вовсе были разработаны на рубеже второго и третьего тысячелетий.

Первое практическое использование постоянных магнитов относится к 12 веку и не потеряло актуальности до сих пор. Это использование магнитной стрелки в компасе. До начала массового производства магнитных материалов ни для чего другого магниты и не использовались (применение их в качестве игрушек или «лечебных» амулетов - не в счёт).

В современной же технике постоянные магниты используются повсеместно. Достаточно перечислить магнитные носители информации (от дисковых накопителей в вашем компьютере, до магнитной полосы в вашей пластиковой карте), микрофоны и динамики (постоянные магнитики есть и в звуковых колонках на вашем столе, и в вашем мобильном телефоне), в электродвигателях и генераторах (не во всех типах электродвигателей используются постоянные магниты, но, например, в вентиляторах в вашем компьютере они точно есть), в многочисленных электронных датчиках (задумывались ли вы, что именно такого типа датчик, например, не позволяет лифту начать движение при незакрытых дверях) и во множестве других устройств. Некоторые виды применения магнитов постепенно устаревают: так сегодня уже мало актуальны электронно-лучевые трубки, на основе которых ещё недавно выпускалось 100 % телевизоров и мониторов; постепенно сходят со сцены магнитные носители информации. Но в целом производство и применение постоянных магнитов растёт с каждым годом.

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.

Магнит

Магниты, такие, как игрушки, прилепленные к вашему домашнему холодильнику, или подковы, которые вам показывали в школе, имеют несколько необычных черт. Прежде всего, магниты, притягиваются к железным и стальным предметам, например к двери холодильника. Кроме того, у них есть полюса.

Приблизьте друг к другу два магнита. Южный полюс одного магнита притянется к северному полюсу другого. Северный полюс одного магнита отталкивает северный полюс другого.

Магнитное и электрический ток

Магнитное поле генерируется электрическим током, то есть движущимися электронами. Электроны, движущиеся вокруг атомного ядра, несут отрицательный заряд. Направленное перемещение зарядов с одного места на другое называется электрическим током. Электрический ток формирует около себя магнитное поле.

Это поле своими силовыми линиями, как петлей, охватывает путь электрического тока, подобно арке, которая стоит над дорогой. Например, когда включают настольную лампу и по медным проводам течет ток, то есть электроны в проводе перескакивают от атома к атому и вокруг провода создается слабое магнитное поле. В линиях высоковольтных передач ток намного сильнее, чем в настольной лампе, поэтому вокруг проводов таких линий формируется очень сильное магнитное поле. Таким образом, электричество и магнетизм - это две стороны одной и той же медали - электромагнетизма.

Материалы по теме:

Почему кошки любят спать на людях?

Движение электронов и магнитное поле

Движение электронов внутри каждого атома создает вокруг него крошечное магнитное поле. Движущийся по орбите электрон образует вихреобразное магнитное поле. Но большая часть магнитного поля создается не движением электрона по орбите вокруг ядра, а движением атома вокруг своей оси, так называемым спином электрона. Спин характеризует вращение электрона вокруг оси, как движение планеты вокруг своей оси.

Почему материалы магнитятся и не магнитятся

В большинстве материалов, таких, как пластмассы, магнитные поля отдельных атомов ориентированы беспорядочно и взаимно гасят друг друга. Но в таких материалах, как железо, атомы можно сориентировать так, что их магнитные поля сложатся, поэтому кусок стали намагничивается. Атомы в материалах соединены в группы, которые называются магнитными доменами. Магнитные поля одного отдельного домена сориентированы в одну сторону. То есть каждый домен - это маленький магнитик.

В широком смысле магнит представляет собой элемент, обладающий собственным магнитным полем . Это кусок стали или железной руды с примесями алюминия, кобальта и никеля. В состав магнита входит огромное число компонентов, которые называются доменами, у каждого из которых есть южный и северный полюс. В объединенном состоянии домены образуют единую магнитную массу с множеством сориентированных полюсов. Если домены находятся в беспорядочном состоянии, то они теряют свойство притягивать железо, а их магнитная сила теряется полностью.

Благодаря специфике соединения доменов, каждый магнит имеет два полюса – южный и северный. Если магнит разрезать, то их полярность также сохранится. Всего существует три разновидности магнитов: природные, электромагниты и временные магниты. Природные магниты – это железная руда. Временные – это элементы, которые подвержены влиянию магнитного поля (гвозди, скрепки, гайки, монеты). Электромагниты — это магниты с индукционной катушкой и проводимым через нее электрическим током.

Почему магниты притягивают железо?

Каждый домен магнита представляет собой отдельный маленький магнитик микроскопического размера. При приближении к ним железа, элементы меняют свое положение и выстраиваются в своеобразный ряд. Полюсы при этом направлены в одну сторону, за счет чего создается единство магнитного поля. Элементы железа сразу вступают в контакт с доменами магнита и начинают притягиваться.

Процесс притягивания магнитом железа и других магнитов обусловлен законами физики . Домены магнита, представляющие собой электроды, обладают собственной массой и зарядом. При совпадении зарядов домены начинают передвигаться с небольшой скоростью. Элементы железа в магните и кусок чистого железа без примесей обладают сходствами в своем составе. Такой нюанс становится главной причиной притягивания электродов друг к другу.

Магнит не будет притягивать дерево, пластик или другие неметаллические материалы. Свойством упорядоченного движения и расположения электродов отличаются только сталь и железо. В силу таких факторов, единственными материалами, которые притягивает магнит, становятся сталь и железо.

Отдельный кусок стали или железа можно превратить во временный магнит . Если долго держать соединенными магнит и один из указанных элементов, то электроды в стали иди железе начнут образовывать собственное магнитное поле. Атомы при этом будут увеличивать свой размер. В течение некоторого времени способность магнититься сохранится и кусок стали или железа можно будет использовать в качестве самостоятельного магнита.