Де використовують магніти у промисловості. Навіщо використовуються магніти? Магнітні полюси та магнітне поле

Одне з найдивовижніших явищ природи – це прояв магнетизму деяких матеріалів. Постійні магніти відомі з давніх часів. До великих відкриттів у сфері електрики постійні магніти активно використовувалися лікарями різних народів у медицині. Діставалися вони людям з надр землі у вигляді шматків магнітного залізняку. Згодом люди навчилися створювати штучні магніти, поміщаючи вироби із сплавів заліза поруч із природними джерелами магнітного поля.

Природа магнетизму

Демонстрація властивостей магніту в притяганні до себе металевих предметів у людей викликає питання: що таке є постійними магнітами? Яка природа такого явища, як виникнення тяги металевих предметів у бік магнетиту?

Перше пояснення природи магнетизму дав своєї гіпотезі великий учений – Ампер. У будь-якій матерії протікають електричні струми того чи іншого ступеня сили. Інакше їх називають струмами Ампера. Електрони, обертаючись навколо своєї осі, також обертаються навколо ядра атома. Завдяки цьому виникають елементарні магнітні поля, які взаємодіючи між собою, формують загальне поле речовини.

У потенційних магнетитах за відсутності зовнішнього впливу поля елементів атомних ґрат орієнтовані хаотично. Зовнішнє магнетичне поле "вибудовує" мікрополя структури матеріалу в строго певному напрямку. Потенціали протилежних кінців магнетиту взаємно відштовхуються. Якщо наближати однакові полюси двох смугових ПМ, руки людини відчують опір руху. Різні полюси прагнутимуть один одного.

При приміщенні сталі або залізного сплаву в зовнішнє магнітне поле відбувається строго орієнтування внутрішніх полів металу в одному напрямку. В результаті цього матеріал набуває властивостей постійного магніту (ПМ).

Як побачити магнітне поле

Щоб візуально відчути структуру магнітного поля достатньо провести нескладний експеримент. Для цього беруть два магніти та дрібну металеву стружку.

Важливо!В побуті постійні магніти зустрічаються двох форм: у вигляді прямої смуги та підкови.

Накривши смуговим ПМ листом паперу, на нього насипають залізну тирсу. Частки миттєво вишиковуються вздовж силових ліній магнітного поля, що дає наочне уявлення про дане явище.

Види магнітів

Постійні магніти поділяють на 2 види:

• природні;
• штучні.

Природні

У природі природний постійний магніт - це викопне у вигляді уламка залізняку. Магнітна порода (магнетит) у кожному народі має свою назву. Але в кожному найменуванні є таке поняття, як «люблячий», «притягуючий метал». Назва Магнітогорськ означає розташування міста поруч із гірськими покладами природного магнетиту. Протягом багатьох десятків років тут вевся активний видобуток магнітної руди. Сьогодні від Магнітної гори нічого не залишилося. Це була розробка та видобуток природного магнетиту.

Поки людством не було досягнуто належного рівня науково-технічного прогресу, природні постійні магніти служили для різних забав і фокусів.

Штучні

Штучні ПМ отримують шляхом наведення зовнішнього магнітного поля різні метали та його сплави. Було помічено, що одні матеріали зберігають придбане поле протягом багато часу – їх називають твердими магнітами. Матеріали, що швидко втрачають властивості постійних магнітів, носять назву м'яких магнітів.

У разі заводського виробництва застосовують складні металеві сплави. У структуру металу «магніко» входять залізо, нікель і кобальт. До складу сплаву «альник» замість заліза включають алюміній.

Вироби з цих сплавів взаємодіють із потужними електромагнітними полями. В результаті одержують досить потужні ПМ.

Застосування постійних магнітів

Важливе значення мають ПМ у різних галузях діяльності. Залежно від сфери застосування, ПМ мають різні характеристики. У Останнім часомосновний магнітний сплав, що активно застосовуєтьсяNdFeBскладається з наступних хімічних елементів:

• "Nd" - ніодія,
• "Fe" - заліза,
• "B" - бору.

Сфери, де застосовують постійні магніти:

1. Екологія;
2. Гальваніка;
3. Медицина;
4. Транспорт;
5. Комп'ютерні технології;
6. Побутові пристрої;
7. Електротехніка

Екологія

Розроблено та діють різні системи очищення відходів промислового виробництва. Магнітні системи очищають рідини під час виробництва аміаку, метанолу та інших речовин. Магнітні уловлювачі «вибирають» з потоку всі залізовмісні частки.

Кільцеподібні ПМ встановлюють усередині газоходів, що позбавляють газоподібні вихлопи від феромагнітних включень.

Сепараторні магнітні пастки активно відбирають сміття, що містить, на конвеєрних лініях переробки техногенних відходів.

Гальваніка

Гальванічне виробництво ґрунтується на русі заряджених іонів металу до протилежних полюсів електродів постійного струму. ПМ відіграють роль власників виробів у гальванічному басейні. У промислових установках з гальванічними процесами встановлюють магніти лише зі сплаву NdFeB.

Медицина

Останнім часом виробниками медичного обладнання широко рекламуються прилади та пристрої на основі постійних магнітів. Постійне інтенсивне поле забезпечується характеристикою металу NdFeB.

Властивість постійних магнітів використовують для нормалізації кровоносної системи, погашення запальних процесів, відновлення хрящових тканин та інше.

Транспорт

Транспортні системи з виробництва оснащені установками з ПМ. При конвеєрному переміщенні сировини магніти видаляють із масиву непотрібні металеві включення. За допомогою магнітів направляють різні вироби у різні площини.

Зверніть увагу!Постійні магніти використовують для сепарації таких матеріалів, де присутність людей може згубно позначитися на їхньому здоров'ї.

Автомобільний транспорт оснащують масою приладів, вузлів та пристроїв, де основну роль відіграють ПМ. Це електронне запалювання, автоматичні склопідйомники, керування холостим ходом, бензинові, дизельні насоси, прилади передньої панелі та багато іншого.

Комп'ютерні технології

Всі рухомі прилади та пристрої у комп'ютерній техніці оснащені магнітними елементами. Перелік включає принтери, движки драйверів, моторчики дисководів та інші пристрої.

Побутові пристрої

Здебільшого це власники невеликих предметів побуту. Полиці з магнітними тримачами, кріплення штор та фіранок, тримачі набору кухонних ножів та ще безліч приладів домашнього вжитку.

Електротехніка

Електротехніка, побудована на ПМ, стосується таких сфер, як радіотехнічні пристрої, генератори та електродвигуни.

Радіотехніка

ПМ використовують для підвищення компактності радіотехнічних приладів, забезпечення автономності пристроїв.

Генератори

Генератори на ПМ вирішують проблему рухомих контактів – кілець зі щітками. У традиційних пристроях промислового призначення гостро стоять питання, пов'язані зі складним обслуговуванням обладнання, швидким зношуванням деталей, значною втратою енергії в ланцюгах збудження.

Єдиною перешкодою на шляху створення таких генераторів є проблема кріплення ПМ на роторі, що обертається. Останнім часом магніти розташовують у поздовжніх пазах ротора, заливаючи їх легкоплавким матеріалом.

Електродвигуни

У побутовій техніці та в деякому промисловому устаткуванні набули поширення синхронні електричні двигуни на постійних магнітах – це вентильні мотори постійного струму.

Як і вищеописаних генераторах, ПМ встановлюють на роторах, що обертаються всередині статорів з нерухомою обмоткою. Головна перевага електродвигуна полягає у відсутності недовговічних струмопровідних контактів на колекторі ротора.

Двигуни такого типу – це малопотужні пристрої. Однак це анітрохи не применшує їхньої корисності застосування в галузі електротехніки.

Додаткова інформація.Відмінна особливість пристрою – наявність датчика Холла, що регулює обороти ротора.

Автор сподівається, що після прочитання цієї статті у читача складеться зрозуміле уявлення про те, що таке постійний магніт. Активне впровадження постійних магнітів у сферу діяльності стимулює винаходи і створення нових феромагнітних сплавів, мають підвищені магнетичні характеристики.

Відео

Завдяки появі сплаву на основі Nd-Fe-B (неодиму, заліза та бору) застосування магнітів у промисловості було суттєво розширено. Серед ключових переваг цього рідкісноземельного магніту в порівнянні з використовуваними раніше SmCo і Fe-P особливо варто відзначити його доступність. Поєднуючи високу силу зчеплення з компактними розмірами та тривалим терміном служби, такі вироби стали затребувані у різних сферах господарської діяльності.

Обмеження при використанні рідкісноземельних магнітів на основі неодиму пов'язані з їхньою слабкістю до перегріву. Верхній показник робочої температури для стандартних виробів становить +80⁰C, а для модифікованих термостійких сплавів - +200⁰C. З урахуванням цієї особливості застосування неодимових магнітів у промисловості охоплює такі сфери:

Існують магніти двох різних видів. Одні – звані постійні магніти, виготовлені з «магнітно-твердих» матеріалів. Їхні магнітні властивості не пов'язані з використанням зовнішніх джерел або струмів. До іншого виду відносяться так звані електромагніти із сердечником із «магнітно-м'якого» заліза. Створювані ними магнітні поля обумовлені переважно тим, що з проводу обмотки, що охоплює сердечник, проходить електричний струм.

Магнітні полюси та магнітне поле.

Магнітні властивості стрижневого магніту найбільш помітні поблизу його кінців. Якщо такий магніт підвісити за середню частину так, щоб він міг вільно повертатися в горизонтальній площині, він займе положення, приблизно відповідне напрямку з півночі на південь. Кінець стрижня, що вказує північ, називають північним полюсом, а протилежний кінець – південним полюсом. Різноіменні полюси двох магнітів притягуються один до одного, а однойменні взаємно відштовхуються.

Якщо до одного з полюсів магніту наблизити брусок ненамагніченого заліза, останній тимчасово намагнітиться. При цьому ближній до полюса магніту полюс намагніченого бруска буде протилежним за назвою, а далекий – однойменним. Притягненням між полюсом магніту та індукованим ним у бруску протилежним полюсом і пояснюється дія магніту. Деякі матеріали (наприклад, сталь) самі стають постійними слабкими магнітами після того, як побувають біля постійного магніту або електромагніту. Сталевий стрижень можна намагнітити, просто провівши його торцем кінцем стрижневого постійного магніту.

Отже, магніт притягує інші магніти та предмети з магнітних матеріалів, не перебуваючи у дотику до них. Така дія з відривом пояснюється існуванням у просторі навколо магніту магнітного поля. Деяке уявлення про інтенсивність і напрям цього магнітного поля можна отримати, насипавши на лист картону або скла, покладений на магніт, залізна тирса. Тирса вишикуються ланцюжками в напрямку поля, а густота ліній з тирси відповідатиме інтенсивності цього поля. (Найчастіше вони в кінці магніту, де інтенсивність магнітного поля найбільша.)

М.Фарадей (1791-1867) ввів для магнітів поняття замкнутих ліній індукції. Лінії індукції виходять в навколишнє простір з магніту біля його північного полюса, входять у магніт біля південного полюса і проходять усередині матеріалу магніту від південного полюса до північного, утворюючи замкнуту петлю. Повна кількість ліній індукції, що виходять із магніту, називається магнітним потоком. Щільність магнітного потоку, або магнітна індукція ( У), дорівнює числу ліній індукції, які проходять нормалі через елементарну майданчик одиничної величини.

Магнітною індукцією визначається сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, що знаходиться в ньому. Якщо провідник, яким проходить струм I, розташований перпендикулярно до ліній індукції, то за законом Ампера сила F, що діє на провідник, перпендикулярна і полю, і провіднику і пропорційна магнітній індукції, силі струму та довжині провідника. Таким чином, для магнітної індукції Bможна написати вираз

де F- Сила в ньютонах, I- Струм в амперах, l- Довжина в метрах. Одиницею виміру магнітної індукції є тесла (Тл).

Гальванометр.

Гальванометр – чутливий пристрій для вимірювання слабких струмів. У гальванометрі використовується крутний момент, що виникає при взаємодії підковоподібного постійного магніту з невеликою токонесучою котушкою (слабким електромагнітом), підвішеною в проміжку між полюсами магніту. Обертовий момент, а отже, і відхилення котушки пропорційні струму і повної магнітної індукції в повітряному зазорі, так що шкала приладу при невеликих відхиленнях котушки майже лінійна.

Намагнічуюча сила та напруженість магнітного поля.

Далі слід запровадити ще одну величину, що характеризує магнітну дію електричного струму. Припустимо, що струм проходить по дроту довгої котушки, всередині якої розташований матеріал, що намагнічується. Намагнічує силою називається добуток електричного струму в котушці на число її витків (ця сила вимірюється в амперах, так як число витків - величина безрозмірна). Напруженість магнітного поля Ндорівнює силі, що намагнічує, припадає на одиницю довжини котушки. Таким чином, величина Нвимірюється у амперах на метр; нею визначається намагніченість, що купується матеріалом усередині котушки.

У вакуумі магнітна індукція Bпропорційна напруженості магнітного поля Н:

де m 0 – т.зв. магнітна постійна, що має універсальне значення 4 pЧ 10 -7 Гн/м. У багатьох матеріалах величина Bприблизно пропорційна Н. Однак у феромагнітних матеріалах співвідношення між Bі Ндещо складніше (про що буде сказано нижче).

На рис. 1 зображено простий електромагніт, призначений для захоплення вантажів. Джерелом енергії є акумуляторна батарея постійного струму. На малюнку показані також силові лінії поля електромагніту, які можна виявити звичайним методом залізної тирси.

Великі електромагніти із залізними сердечниками і дуже великою кількістю ампер-витків, що працюють у безперервному режимі, мають велику намагнічуючу силу. Вони утворюють магнітну індукцію до 6 Тл у проміжку між полюсами; ця індукція обмежується лише механічними напругами, нагріванням котушок та магнітним насиченням сердечника. Ряд гігантських електромагнітів (без сердечника) з водяним охолодженням, а також установок для створення імпульсних магнітних полів було сконструйовано П.Л. Массачусетський технологічний інститут. На таких магнітах вдавалося досягти індукції до 50 тл. Порівняно невеликий електромагніт, що створює поля до 6,2 Тл, що споживає електричну потужність 15 кВт і охолоджується рідким воднем, був розроблений в Національній лабораторії Лосаламоська. Подібні поля одержують при кріогенних температурах.

Магнітна проникність та її роль у магнетизмі.

Магнітна проникність m- Це величина, що характеризує магнітні властивості матеріалу. Феромагнітні метали Fe, Ni, Co та їх сплави мають дуже високі максимальні проникності – від 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермалою). У таких матеріалах при порівняно малих напруженнях поля Hвиникають великі індукції B, але зв'язок між цими величинами, взагалі кажучи, нелінійний через явищ насичення та гістерези, про які йдеться нижче. Феромагнітні матеріали сильно притягуються магнітами. Вони втрачають свої магнітні властивості при температурах вище точки Кюрі (770° для Fe, 358° для Ni, 1120° для Co) і поводяться як парамагнетики, котрим індукція Bаж до дуже високих значень напруженості Hпропорційна їй – точно так, як це має місце у вакуумі. Багато елементів і сполук є парамагнітними при всіх температурах. Парамагнітні речовини характеризуються тим, що намагнічуються у зовнішньому магнітному полі; якщо це поле вимкнути, парамагнетики повертаються в ненамагнічений стан. Намагніченість у феромагнетиках зберігається і після вимкнення зовнішнього поля.

На рис. 2 представлена ​​типова петля гістерези для магнітно-твердого (з великими втратами) феромагнітного матеріалу. Вона характеризує неоднозначну залежність намагніченості магнітоупорядкованого матеріалу від напруженості поля, що намагнічує. Зі збільшенням напруженості магнітного поля від вихідної (нульової) точки ( 1 ) намагнічування йде по штриховій лінії 1 –2 , причому величина mістотно змінюється у міру того, як зростає намагніченість зразка. У точці 2 досягається насичення, тобто. при подальшому збільшенні напруженості намагніченість не збільшується. Якщо тепер поступово зменшувати величину Hдо нуля, то крива B(H) вже не слід по колишньому шляху, а проходить через точку 3 , Виявляючи як би «пам'ять» матеріалу про «минулої історії», звідки і назва «гістерезис». Очевидно, що при цьому зберігається деяка залишкова намагніченість (відрізок 1 –3 ). Після зміни напрямку поля, що намагнічує, на зворотне крива У (Н) проходить точку 4 , причому відрізок ( 1 )–(4 ) відповідає коерцитивної силі, що перешкоджає розмагнічування. Подальше зростання значень (- H) наводить криву гістерези в третій квадрант - ділянка 4 –5 . Наступне зменшення величини (- H) до нуля і потім зростання позитивних значень Hпризведе до замикання петлі гістерези через точки 6 , 7 і 2 .

Магнітно-тверді матеріали характеризуються широкою петлею гістерези, що охоплює значну площу на діаграмі і тому відповідає великим значенням залишкової намагніченості (магнітної індукції) та коерцитивної сили. Вузька петля гістерезису (рис. 3) характерна для магнітно-м'яких матеріалів – таких, як м'яка сталь та спеціальні сплави з великою магнітною проникністю. Такі сплави були створені з метою зниження обумовлених гістерезисом енергетичних втрат. Більшість подібних спеціальних сплавів, як і ферити, мають високий електричний опір, завдяки чому зменшуються не тільки магнітні втрати, а й електричні, зумовлені вихровими струмами.

Магнітні матеріали з високою проникністю виготовляються шляхом відпалу, що здійснюється витримуванням при температурі близько 1000° З наступною відпусткою (поступовим охолодженням) до кімнатної температури. При цьому дуже суттєві попередня механічна та термічна обробка, а також відсутність у зразку домішок. Для сердечників трансформаторів на початку 20 ст. були розроблені кремністі сталі, величина mяких зростала із збільшенням вмісту кремнію. Між 1915 і 1920 з'явилися пермаллої (сплави Ni з Fe) з характерною для них вузькою і майже прямокутною петлею гістерези. Особливо високими значеннями магнітної проникності mпри малих значеннях Hвідрізняються сплави гіпернік (50% Ni, 50% Fe) та му-метал (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тоді як у пермінварі (45% Ni, 30% Fe, 25% Co ) величина mпрактично постійна у межах зміни напруженості поля. Серед сучасних магнітних матеріалів слід згадати супермалу – сплав із найвищою магнітною проникністю (до його складу входить 79% Ni, 15% Fe та 5% Mo).

Теорії магнетизму.

Вперше здогад про те, що магнітні явища в кінцевому рахунку зводяться до електричних, виникла у Ампера в 1825 році, коли він висловив ідею замкнутих внутрішніх мікрострумів, що циркулюють у кожному атомі магніту. Однак без будь-якого досвідченого підтвердження наявності в речовині таких струмів (електрон був відкритий Дж. Томсоном лише в 1897, а опис структури атома було дано Резерфордом і Бором в 1913) ця теорія «увяла». У 1852 В.Вебер висловив припущення, що кожен атом магнітної речовини є крихітним магнітом, або магнітним дипольом, так що повна намагніченість речовини досягається, коли всі окремі атомні магніти виявляються збудованими в певному порядку (рис. 4, б). Вебер вважав, що зберігати своє впорядкування всупереч впливу теплових коливань, що обурює, цим елементарним магнітам допомагає молекулярний або атомний «тертя». Його теорія змогла пояснити намагнічування тіл при зіткненні з магнітом, а також їхнє розмагнічування при ударі або нагріванні; нарешті, пояснювалося і «розмноження» магнітів при розрізанні голки намагніченої або магнітного стрижня на частини. І все-таки ця теорія не пояснювала ні походження самих елементарних магнітів, ні явищ насичення та гістерези. Теорія Вебера була вдосконалена в 1890 Дж.Евінгом, який замінив його гіпотезу атомного тертя ідеєю міжатомних обмежувальних сил, що допомагають підтримувати впорядкування елементарних диполів, які становлять постійний магніт.

Підхід до проблеми, запропонований колись Ампером, отримав друге життя 1905 року, коли П.Ланжевен пояснив поведінку парамагнітних матеріалів, приписавши кожному атому внутрішній некомпенсований електронний струм. Згідно з Ланжевеном, саме ці струми утворюють крихітні магніти, хаотично орієнтовані, коли зовнішнє поле відсутнє, але набувають упорядкованої орієнтації після його застосування. У цьому наближення до повної упорядкованості відповідає насичення намагніченості. Крім того, Ланжевен ввів поняття магнітного моменту, що дорівнює окремому атомному магніту твору «магнітного заряду» полюса на відстань між полюсами. Таким чином, слабкий магнетизм парамагнітних матеріалів обумовлений сумарним магнітним моментом, створюваним некомпенсованими електронними струмами.

У 1907 П.Вейс запровадив поняття «домена», яке стало важливим внеском у сучасну теорію магнетизму. Вейс представляв домени як невеликих «колоній» атомів, у яких магнітні моменти всіх атомів з якихось причин змушені зберігати однакову орієнтацію, отже кожен домен намагнічений до насичення. Окремий домен може мати лінійні розміри близько 0,01 мм і відповідно обсяг порядку 10 -6 мм3. Домени розділені так званими блохівськими стінками, товщина яких не перевищує 1000 атомних розмірів. «Стінка» і два протилежно орієнтовані домени схематично зображені на рис. 5. Такі стінки є «перехідними шарами», в яких відбувається зміна напрямку намагніченості доменів.

У загальному випадку на кривій первісного намагнічування можна виділити три ділянки (рис. 6). На початковій ділянці стінка під дією зовнішнього поля рухається крізь товщу речовини, доки не зустріне дефект кристалічної решітки, що її зупиняє. Збільшивши напруженість поля, можна змусити стінку рухатися далі через середню ділянку між штриховими лініями. Якщо після цього напруження поля знову зменшити до нуля, стінки вже не повернуться у вихідне положення, так що зразок залишиться частково намагніченим. Цим пояснюється гістерезис магніту. На кінцевій ділянці кривий процес завершується насиченням намагніченості зразка за рахунок упорядкування намагніченості всередині останніх невпорядкованих доменів. Такий процес майже повністю оборотний. Магнітну твердість виявляють ті матеріали, у яких атомні грати містять багато дефектів, що перешкоджають руху міждоменних стінок. Цього можна досягти механічною та термічною обробкою, наприклад, шляхом стиснення та подальшого спікання порошкоподібного матеріалу. У сплавах алніко та їх аналогах той самий результат досягається шляхом сплавлення металів у складну структуру.

Крім парамагнітних та феромагнітних матеріалів, існують матеріали з так званими антиферомагнітними та феримагнітними властивостями. Відмінність між цими видами магнетизму пояснюється рис. 7. Виходячи з уявлення про домени, парамагнетизм можна розглядати як явище, обумовлене наявністю в матеріалі невеликих груп магнітних диполів, в яких окремі диполі дуже слабо взаємодіють один з одним (або взагалі не взаємодіють) і тому відсутність зовнішнього поля приймають лише випадкові орієнтації ( 7, а). У феромагнітних матеріалах у межах кожного домену існує сильна взаємодія між окремими диполями, що призводить до їх упорядкованого паралельного вибудовування (мал. 7, б). В антиферомагнітних матеріалах, навпаки, взаємодія між окремими диполями призводить до їхнього антипаралельного упорядкованого вибудовування, так що повний магнітний момент кожного домену дорівнює нулю (рис. 7, в). Нарешті, у феримагнітних матеріалах (наприклад, ферит) є як паралельне, так і антипаралельне впорядкування (рис. 7, г), результатом чого виявляється слабкий магнетизм.

Є два переконливі експериментальні підтвердження існування доменів. Перше – так званий ефект Баркгаузена, друге – метод порошкових фігур. У 1919 р. Баркгаузен встановив, що при накладенні зовнішнього поля на зразок з феромагнітного матеріалу його намагніченість змінюється невеликими дискретними порціями. З точки зору доменної теорії це не що інше, як стрибкоподібне просування міждоменної стінки, що зустрічає на своєму шляху окремі дефекти, що її затримують. Даний ефект зазвичай виявляється за допомогою котушки, в яку поміщається феромагнітний стрижень або дріт. Якщо по черзі підносити до зразка і видаляти від нього сильний магніт, зразок намагнічуватиметься і перемагнічуватиметься. Стрибкоподібні зміни намагніченості зразка змінюють магнітний потік через котушку, і в ній збуджується індукційний струм. Напруга, що виникає при цьому в котушці, посилюється та подається на вхід пари акустичних навушників. Клацання, що сприймаються через навушники, свідчить про стрибкоподібну зміну намагніченості.

Для виявлення доменної структури магніту методом порошкових фігур добре відполіровану поверхню намагніченого матеріалу наносять краплю колоїдної суспензії феромагнітного порошку (зазвичай Fe 3 O 4). Частинки порошку осідають переважно у місцях максимальної неоднорідності магнітного поля – на межах доменів. Таку структуру можна вивчати під мікроскопом. Було запропоновано також метод, заснований на проходженні поляризованого світла через прозорий феромагнітний матеріал.

Початкова теорія магнетизму Вейса у своїх основних рисах зберегла своє значення до теперішнього часу, отримавши, однак, оновлену інтерпретацію на основі уявлення про некомпенсовані електронні спини як фактор, що визначає атомний магнетизм. Гіпотеза про існування свого моменту у електрона була висунута в 1926 С.Гаудсмітом і Дж.Уленбеком, і нині як «елементарні магніти» розглядаються саме електрони як носії спина.

Для пояснення цієї концепції розглянемо (рис. 8) вільний атом заліза – типовий феромагнітний матеріал. Дві його оболонки ( Kі L), Найближчі до ядра, заповнені електронами, причому на першій з них розміщені два, а на другій – вісім електронів. У K-оболонці спин одного з електронів позитивний, а іншого – негативний. У L-оболонці (точніше, у двох її підболочках) у чотирьох із восьми електронів позитивні, а в інших чотирьох – негативні спини. В обох випадках спини електронів у межах однієї оболонки повністю компенсуються, тому повний магнітний момент дорівнює нулю. У M-Оболонка ситуація інша, оскільки з шести електронів, що знаходяться в третій підболочці, п'ять електронів мають спини, спрямовані в один бік, і лише шостий - в іншу. В результаті залишаються чотири нескомпенсовані спини, чим і зумовлені магнітні властивості атома заліза. (У зовнішній N-оболонці всього два валентні електрони, які не дають вкладу в магнетизм атома заліза.) Подібним чином пояснюється магнетизм та інших феромагнетиків, наприклад нікелю і кобальту. Оскільки сусідні атоми у зразку заліза сильно взаємодіють один з одним, причому їх електрони частково колективізуються, таке пояснення слід розглядати лише як наочну, але спрощену схему реальної ситуації.

Теорію атомного магнетизму, засновану на обліку спина електрона, підкріплюють два цікаві гіромагнітні експерименти, один з яких був проведений А. Ейнштейном і В. де Гаазом, а інший – С. Барнеттом. У першому з цих експериментів циліндрик із феромагнітного матеріалу підвішувався так, як показано на рис. 9. Якщо по дроту обмотки пропустити струм, то циліндр повертається навколо своєї осі. При зміні напрямку струму (а отже, і магнітного поля) він повертається у зворотному напрямку. В обох випадках обертання циліндрика обумовлено впорядкуванням електронних спинів. В експерименті Барнетта, навпаки, так само підвішений циліндрик, різко наведений у стан обертання, відсутність магнітного поля намагнічується. Цей ефект пояснюється тим, що при обертанні магнетика створюється гіроскопічний момент, що прагне повернути спінові моменти за напрямом осі обертання.

За більш повним поясненням природи та походження короткодіючих сил, що впорядковують сусідні атомні магнітики і протидіють впливу теплового руху, що зупорядковує, слід звернутися до квантової механіки. Квантово-механічне пояснення природи цих сил було запропоновано у 1928 р. В.Гейзенбергом, який постулював існування обмінних взаємодій між сусідніми атомами. Пізніше Г.Бете і Дж.Слетер показали, що обмінні сили суттєво зростають із зменшенням відстані між атомами, але після досягнення деякої мінімальної міжатомної відстані падають до нуля.

МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИНИ

Одне з перших великих і систематичних досліджень магнітних властивостей речовини було здійснено П.Кюрі. Він встановив, що за своїми магнітними властивостями всі речовини можна поділити на три класи. До першого відносяться речовини з різко вираженими магнітними властивостями, подібними до властивостей заліза. Такі речовини називаються феромагнітними; їх магнітне поле помітно на значних відстанях ( см. вище). У другий клас потрапляють речовини, які називаються парамагнітними; магнітні властивості їх загалом аналогічні властивостям феромагнітних матеріалів, але набагато слабші. Наприклад, сила тяжіння до полюсів потужного електромагніта може вирвати з ваших рук залізний молоток, а щоб виявити тяжіння парамагнітної речовини до того ж магніту, потрібні, як правило, дуже чутливі аналітичні ваги. До останнього, третього класу відносяться так звані діамагнітні речовини. Вони відштовхуються електромагнітом, тобто. сила, що діє на діамагнетики, спрямована протилежно до тієї, що діє на феро- і парамагнетики.

Вимірювання магнітних властивостей.

При вивченні магнітних властивостей найважливіше значення мають виміри двох типів. Перший - вимірювання сили, що діє на зразок поблизу магніту; так визначається намагніченість зразка. До другого відносяться виміри "резонансних" частот, пов'язаних з намагнічення речовини. Атоми являють собою крихітні «гіроскопи» і в магнітному полі прецесують (як звичайний дзига під впливом моменту, що обертає, створюваного силою тяжіння) з частотою, яка може бути виміряна. Крім того, на вільні заряджені частинки, що рухаються під прямим кутом до ліній магнітної індукції діє сила, як і на електронний струм у провіднику. Вона змушує частинку рухатися круговою орбітою, радіус якої дається виразом.

R = mv/eB,

де m- Маса частки, v- Її швидкість, e– її заряд, а B- Магнітна індукція поля. Частота такого кругового руху дорівнює

де fвимірюється в герцях, e– у кулонах, m- У кілограмах, B- У теслах. Ця частота характеризує рух заряджених частинок у речовині, що у магнітному полі. Обидва типи рухів (прецесію і рух за круговими орбітами) можна порушити змінними полями з резонансними частотами, рівними «природним» частотам, притаманним даного матеріалу. У першому випадку резонанс називається магнітним, а в другому – циклотронним (через подібність із циклічним рухом субатомної частинки в циклотроні).

Говорячи про магнітні властивості атомів, необхідно особливо зупинитися на момент імпульсу. Магнітне поле діє на атомний диполь, що обертається, прагнучи повернути його і встановити паралельно полю. Натомість атом починає прецесувати навколо напряму поля (рис. 10) із частотою, що залежить від дипольного моменту та напруженості прикладеного поля.

Прецесія атомів не піддається безпосередньому спостереженню, оскільки всі атоми зразка прецесують у різній фазі. Якщо ж прикласти невелике змінне поле, спрямоване перпендикулярно постійному порядку, що впорядковує, то між прецесуючими атомами встановлюється певне фазове співвідношення і їх сумарний магнітний момент починає прецесувати з частотою, що дорівнює частоті прецесії окремих магнітних моментів. Важливе значення має кутова швидкість прецесії. Як правило, це величина порядку 10 10 Гц/Тл для намагніченості, пов'язаної з електронами, і 10 7 Гц/Тл для намагніченості, пов'язаної з позитивними зарядами в ядрах атомів.

p align="justify"> Принципова схема установки для спостереження ядерного магнітного резонансу (ЯМР) представлена ​​на рис. 11. В однорідне постійне поле між полюсами вводиться речовина, що вивчається. Якщо потім за допомогою невеликої котушки, що охоплює пробірку, збудити радіочастотне поле, то можна досягти резонансу на певній частоті, що дорівнює частоті прецесії всіх ядерних «гіроскопів» зразка. Вимірювання подібні до налаштування радіоприймача на частоту певної станції.

Методи магнітного резонансу дозволяють досліджувати як магнітні властивості конкретних атомів і ядер, а й властивості їх оточення. Справа в тому, що магнітні поля в твердих тілах і молекулах неоднорідні, оскільки спотворені атомними зарядами, і деталі ходу експериментальної кривої резонансної визначаються локальним полем в області розташування прецессирующего ядра. Це дає можливість вивчати особливості структури конкретного зразка резонансними методами.

Розрахунок магнітних властивостей.

Магнітна індукція поля Землі становить 0,5 10 -4 Тл, тоді як поле між полюсами сильного електромагніту - близько 2 Тл і більше.

Магнітне поле, створюване будь-якою конфігурацією струмів, можна визначити, користуючись формулою Біо – Савара – Лапласа для магнітної індукції поля, створюваного елементом струму. Розрахунок поля, створюваного контурами різної форми та циліндричними котушками, у багатьох випадках дуже складний. Нижче наводяться формули ряду простих випадків. Магнітна індукція (у теслах) поля, що створюється довгим прямим проводом зі струмом I

Поле намагніченого залізного стрижня подібно до зовнішнього поля довгого соленоїда з числом ампер-витків на одиницю довжини, що відповідає струму в атомах на поверхні намагніченого стрижня, оскільки струми всередині стрижня взаємно компенсуються (рис. 12). На ім'я Ампера такий поверхневий струм називається амперівським. Напруженість магнітного поля H a, що створюється амперівським струмом, дорівнює магнітному моменту одиниці об'єму стрижня M.

Якщо соленоїд вставлений залізний стрижень, то крім того, що струм соленоїда створює магнітне поле H, упорядкування атомних диполів у намагніченому матеріалі стрижня створює намагніченість M. У цьому випадку повний магнітний потік визначається сумою реального та амперівського струмів, так що B = m 0(H + H a), або B = m 0(H+M). Ставлення M/Hназивається магнітною сприйнятливістю і позначається грецькою літерою c; c– безрозмірна величина, що характеризує здатність матеріалу намагнічуватись у магнітному полі.

Величина B/H, Що характеризує магнітні властивості матеріалу, називається магнітною проникністю і позначається через m a, причому m a = m 0m, де m a- Абсолютна, а m- Відносна проникності,

У феромагнітних речовинах величина cможе мати дуже великі значення - до 10 4 10 6 . Величина cу парамагнітних матеріалів трохи більше за нуль, а у діамагнітних – трохи менше. Лише у вакуумі та в дуже слабких полях величини cі mпостійні та не залежать від зовнішнього поля. Залежність індукції Bвід Hзазвичай нелінійна, та її графіки, т.зв. криві намагнічування, для різних матеріалів і навіть за різних температур можуть істотно відрізнятися (приклади таких кривих наведено на рис. 2 і 3).

Магнітні властивості речовини дуже складні, і для їх глибокого розуміння необхідний ретельний аналіз будови атомів, їх взаємодій у молекулах, їх зіткнень у газах та їхнього взаємного впливу у твердих тілах та рідинах; магнітні властивості рідин поки що найменш вивчені.

Вдома, на роботі, у власному авто чи громадському транспорті нас оточують різноманітні типи магнітів. Вони забезпечують роботу моторів, датчиків, мікрофонів та багатьох інших звичних речей. При цьому в кожній сфері використовуються різні за своїми характеристиками та особливостями пристрою. Загалом виділяють такі типи магнітів:

Які бувають магніти

ЕлектромагнітиКонструкція таких виробів складається із залізного сердечника, на який намотані витки дроту. Подаючи електричний струм з різними параметрами величини та спрямованості, вдається отримувати магнітні поля потрібної сили та полярності.

Назва цієї групи магнітів є абревіатуру назв своїх складових: алюміній, нікель і кобальт. Головна перевага сплаву альник полягає в неперевершеній температурній стійкості матеріалу. Інші види магнітів не можуть похвалитися наявністю можливості застосування при температурах до +550⁰С. У той же час цей легкий матеріал характеризується слабкою коерцитивною силою. Це означає, що може повністю розмагнічуватися при впливі сильного зовнішнього магнітного поля. У той же час завдяки своїй доступній ціні альник є незамінним рішенням у багатьох наукових і промислових галузях.

Сучасна магнітна продукція

3) Офісні магнітиДля презентацій та планерок використовуються магнітні дошки, які дозволяють наочно та детально подати будь-яку інформацію. Також вони виявляються вкрай корисними у шкільних кабінетах та аудиторіях університетів.

Ще в давні часи люди виявили унікальні властивості певного каміння - притягування металу. У наш час ми часто стикаємося з предметами, які мають ці якості. Що таке магніт? У чому його сила? Про це ми розповімо у цій статті.

Прикладом тимчасового магніту є скріпки, кнопки, цвяхи, ніж та інші предмети побуту, виготовлені із заліза. Їхня сила в тому, що вони притягуються до постійного магніту, а при зникненні магнітного поля втрачають свою властивість.

Полем електромагніта можна керувати електричним струмом. Як це відбувається? Провід, витками намотаний на залізний сердечник, при подачі та зміні величини струму змінює силу магнітного поля та його полярність.

Типи постійних магнітів

Феритові магніти є найвідомішими та активно використовуються в побуті. Цей матеріал чорного кольору може використовуватися як кріплення різних предметів, наприклад, для плакатів, для дощок, що використовуються в офісі або школі. Вони не втрачають своїх властивостей тяжіння при температурі не нижче 250°С.

Альнико - магніт, що складається зі сплаву алюмінію, нікелю та кобальту. Це дало йому таку назву. Дуже стійкий до високих температур і може застосовуватися при 550 о С. Матеріал відрізняється легкістю, але втрачає свої властивості, потрапляючи під дію сильнішого магнітного поля. Використовується переважно у науковій галузі.

Самарієві магнітні сплави – це матеріал з високими показниками. Надійність його властивостей дозволяє використовувати матеріал у військових технологіях. Він стійкий до агресивного середовища, високої температури, окислення та корозії.

Що таке неодимовий магніт? Це найпопулярніший сплав заліза, бору та неодиму. Його ще називають супермагнітом, тому що він має найпотужніший магнітне поле з високою коерцитивною силою. Дотримуючись певних умов під час експлуатації, неодимовий магніт здатний зберегти свої властивості протягом 100 років.

Використання неодимових магнітів

Чи варто докладно розглянути, що таке неодимовий магніт? Це матеріал, який здатний фіксувати споживання води, електрики та газу у лічильниках, та й не тільки. Цей вид магніту відноситься до постійних і рідкісноземельних матеріалів. Він стійкий перед полів інших сплавів і не схильний до розмагнічування.

Вироби з неодиму використовують у медичних та промислових галузях. Також у побутових умовах їх застосовують для кріплення портьєрів, елементів декору, сувенірів. Вони застосовуються в пошукових приладах та в електроніці.

Для продовження терміну служби магніти такого типу покривають цинком чи нікелем. У першому випадку напилення більш надійне, тому що стійке до агресивних засобів і витримує температуру вище 100 о С. Сила магніту залежить від його форми, розміру та кількості неодиму, що входить до складу сплаву.

Застосування феритових магнітів

Феріти вважаються найпопулярнішими магнітами серед постійних видів. Завдяки стронцію, що входить до складу, матеріал не піддається корозії. Так що це таке – феритовий магніт? Де він застосовується? Цей сплав досить крихкий. Тому його ще називають керамічним. Застосовується феритовий магніт в автомобілебудуванні та промисловості. Використовується в різній техніці та електроприладах, а також побутових установках, генераторах, системах акустики. При виробництві автомобілів магніти використовують у системах охолодження, склопідйомниках та вентиляторах.

Призначення фериту - захистити техніку від зовнішніх перешкод і не допустити псування сигналу, що отримується кабелем. Завдяки цьому використовують під час виробництва навігаторів, моніторів, принтерів та іншого обладнання, де важливо отримати чистий сигнал або зображення.

Магнітотерапія

Нерідко застосовується процедура називається магнітотерапія та проводиться з лікувальною метою. Дія цього методу полягає в тому, щоб вплинути на організм пацієнта за допомогою магнітних полів, що знаходяться під змінним низькочастотним або постійним струмом. Цей метод лікування допомагає позбавитися багатьох захворювань, зняти болі, зміцнити імунну систему, поліпшити кровотік.

Вважається, що хвороби породжуються порушенням магнітного поля людини. Завдяки фізіотерапії організм приходить у норму та загальний стан покращується.

З цієї статті ви дізналися, що таке магніт, а також вивчили його властивості та сфери застосування.