Kas yra magnetas? Magnetų rūšys ir savybės. Nuolatiniai magnetai, jų aprašymas ir veikimo principas

Dėl ko kai kurie metalai traukia magnetą? Kodėl magnetas nepritraukia visų metalų? Kodėl viena magneto pusė traukia, o kita atstumia metalą? O kuo neodimio metalai tokie stiprūs?

Norėdami atsakyti į visus šiuos klausimus, pirmiausia turite apibrėžti patį magnetą ir suprasti jo principą. Magnetai yra kūnai, kurie dėl savo magnetinio lauko veikimo gali pritraukti geležinius ir plieninius objektus ir atstumti kai kuriuos kitus. Magnetinio lauko linijos praeina iš pietinio magneto poliaus ir išeina iš šiaurinio poliaus. Nuolatinis arba kietasis magnetas nuolat kuria savo magnetinį lauką. Elektromagnetas arba minkštasis magnetas gali sukurti magnetinius laukus tik esant magnetiniam laukui ir tik esant trumpam laikui, kol jis yra vieno ar kito magnetinio lauko veikimo zonoje. Elektromagnetai sukuria magnetinius laukus tik tada, kai elektra praeina per ritės laidą.

Dar visai neseniai visi magnetai buvo gaminami iš metaliniai elementai arba lydiniai. Magneto sudėtis nulėmė jo galią. Pavyzdžiui:

Keraminiuose magnetuose, kaip ir naudojamuose šaldytuvuose bei primityviems eksperimentams atlikti, be keraminių kompozitinių medžiagų yra geležies rūdos. Dauguma keraminių magnetų, dar vadinamų geležiniais magnetais, neturi didelės patrauklios jėgos.

„Alnico magnetai“ susideda iš aliuminio, nikelio ir kobalto lydinių. Jie yra galingesni už keraminius magnetus, bet daug silpnesni už kai kuriuos retus elementus.

Neodimio magnetai sudaryti iš geležies, boro ir elemento neodimio, kuris retai randamas gamtoje.

Kobalto-samariumo magnetai apima kobaltą ir retus elementus samariumą. Per pastaruosius kelerius metus mokslininkai taip pat atrado magnetinius polimerus arba vadinamuosius plastikinius magnetus. Kai kurie iš jų yra labai lankstūs ir plastiški. Tačiau vieni dirba tik itin žemoje temperatūroje, o kiti gali pakelti tik labai lengvas medžiagas, pavyzdžiui, metalines drožles. Bet norint turėti magneto savybes, kiekvienam iš šių metalų reikia jėgos.

Magnetų gamyba

Daugelis šiuolaikinių elektroninių prietaisų yra pagrįsti magnetais. Magnetai prietaisų gamyboje pradėti naudoti palyginti neseniai, nes gamtoje esantys magnetai neturi reikiamos jėgos eksploatuoti įrangą, ir tik tada, kai žmonėms pavyko juos padaryti galingesnius, jie tapo nepakeičiamu elementu gamyboje. Geležinis akmuo, magnetito rūšis, laikomas stipriausiu gamtoje randamu magnetu. Jis gali pritraukti smulkius daiktus, tokius kaip sąvaržėlės ir segtukai.

Kažkur XII amžiuje žmonės atrado, kad geležies rūda gali būti naudojama geležies dalelėms įmagnetinti – taip žmonės sukūrė kompasą. Jie taip pat pastebėjo, kad jei nuolat judinate magnetą išilgai geležinės adatos, adata tampa įmagnetinta. Pati adata traukiama šiaurės-pietų kryptimi. Vėliau garsus mokslininkas Williamas Gilbertas paaiškino, kad įmagnetintos adatos judėjimas šiaurės-pietų kryptimi vyksta dėl to, kad mūsų planeta Žemė labai panaši į didžiulį magnetą, turintį du polius – šiaurės ir pietų polius. Kompaso adata nėra tokia stipri, kaip daugelis šiandien naudojamų nuolatinių magnetų. Bet fizinis procesas, kuris įmagnetina kompaso adatas ir neodimio lydinio gabalus, yra beveik toks pat. Tai viskas apie mikroskopinius regionus, vadinamus magnetiniais domenais, kurie yra ferro struktūros dalis magnetinės medžiagos tokių kaip geležis, kobaltas ir nikelis. Kiekvienas domenas yra mažas, atskiras magnetas su šiaurės ir pietų poliais. Neįmagnetintose feromagnetinėse medžiagose kiekvienas šiaurinis ašigalis nukreiptas į įvairiomis kryptimis. Magnetiniai domenai, nukreipti priešingomis kryptimis, panaikina vienas kitą, todėl pati medžiaga nesukuria magnetinio lauko.

Kita vertus, magnetuose praktiškai viskas arba pagal bent jau, dauguma magnetinių domenų yra nukreipti viena kryptimi. Užuot panaikinę vienas kitą, mikroskopiniai magnetiniai laukai susijungia ir sukuria vieną didelį magnetinį lauką. Kuo daugiau domenų nukreiptų ta pačia kryptimi, tuo stipresnis magnetinis laukas. Kiekvienos srities magnetinis laukas tęsiasi nuo jo šiaurinio poliaus iki pietų poliaus.

Tai paaiškina, kodėl perlaužę magnetą per pusę, gausite du mažus magnetus su šiaurės ir pietų poliais. Tai taip pat paaiškina, kodėl priešingi poliai traukia – jėgos linijos išeina iš vieno magneto šiaurinio poliaus, o į kito – į pietinį polių, todėl metalai pritraukia ir sukuria vieną didesnį magnetą. Atstūmimas vyksta pagal tą patį principą – jėgos linijos juda priešingomis kryptimis, ir dėl tokio susidūrimo magnetai ima atstumti vienas kitą.

Magnetų gamyba

Norint pagaminti magnetą, tereikia „nukreipti“ metalo magnetinius domenus viena kryptimi. Norėdami tai padaryti, turite įmagnetinti patį metalą. Dar kartą panagrinėkime atvejį su adata: jei magnetas nuolat judinamas viena kryptimi išilgai adatos, visų jo sričių (domenų) kryptis išlygiuojama. Tačiau magnetinius domenus galite suderinti kitais būdais, pavyzdžiui:

Įdėkite metalą į stiprų magnetinį lauką šiaurės-pietų kryptimi. -- Perkelkite magnetą šiaurės-pietų kryptimi, nuolat smogdami į jį plaktuku, sulygiuodami jo magnetinius domenus. -- Praleiskite elektros srovę per magnetą.

Mokslininkai teigia, kad du iš šių metodų paaiškina, kaip gamtoje susidaro natūralūs magnetai. Kiti mokslininkai teigia, kad magnetinė geležies rūda tampa magnetu tik tada, kai į ją trenkia žaibas. Dar kiti mano, kad geležies rūda gamtoje Žemės formavimosi metu virto magnetu ir išliko iki šių dienų.

Šiandien labiausiai paplitęs magnetų gamybos būdas yra metalo patalpinimas į magnetinį lauką. Magnetinis laukas sukasi aplink nurodytą objektą ir pradeda derinti visas jo sritis. Tačiau šiuo metu vienas iš šių susijusių procesų, vadinamų histereze, gali vėluoti. Gali praeiti kelios minutės, kol domenai pakeis kryptį viena kryptimi. Štai kas vyksta šio proceso metu: Magnetiniai regionai pradeda suktis, išsirikiuodami palei šiaurės-pietų magnetinio lauko liniją.

Teritorijos, kurios jau orientuotos šiaurės-pietų kryptimi, tampa didesnės, o aplinkinės – mažesnės. Domeno sienos, ribos tarp gretimų domenų, palaipsniui plečiasi, todėl pats domenas auga. Labai stipriame magnetiniame lauke kai kurios domeno sienos visiškai išnyksta.

Pasirodo, magneto galia priklauso nuo jėgos kiekio, naudojamo keisti domenų kryptį. Magnetų stiprumas priklauso nuo to, kaip sunku buvo suderinti šiuos domenus. Medžiagos, kurias sunku įmagnetinti, išlaiko savo magnetiškumą ilgesnį laiką, o medžiagos, kurias lengva įmagnetinti, linkusios greitai išmagnetinti.

Galite sumažinti magneto stiprumą arba visiškai jį išmagnetinti, jei nukreipsite magnetinį lauką priešinga kryptimi. Taip pat galite išmagnetinti medžiagą, jei ją kaitinate iki Curie taško, t.y. feroelektrinės būsenos temperatūros riba, kuriai esant medžiaga pradeda prarasti magnetizmą. Aukšta temperatūra išmagnetina medžiagą ir sužadina magnetines daleles, sutrikdydama magnetinių sričių pusiausvyrą.

Magnetų transportavimas

Dideli, galingi magnetai naudojami daugelyje žmogaus veiklos sričių – nuo ​​duomenų įrašymo iki srovės laidumo laidais. Tačiau pagrindinis sunkumas juos naudojant praktiškai yra magnetų transportavimas. Transportavimo metu magnetai gali pažeisti kitus objektus arba kiti objektai gali juos sugadinti, todėl juos sunku arba praktiškai neįmanoma naudoti. Be to, magnetai nuolat pritraukia įvairias feromagnetines šiukšles, kurių tuomet labai sunku, o kartais ir pavojinga atsikratyti.

Todėl transportavimo metu labai dideli magnetai dedami į specialias dėžutes arba tiesiog transportuojamos feromagnetinės medžiagos, iš kurių naudojant specialią įrangą gaminami magnetai. Iš esmės tokia įranga yra paprastas elektromagnetas.

Kodėl magnetai „prilimpa“ vienas prie kito?

Tikriausiai iš fizikos pamokų žinote, kad kai elektros srovė praeina per laidą, ji sukuria magnetinį lauką. Nuolatiniuose magnetuose magnetinis laukas taip pat sukuriamas judant elektros krūviui. Bet magnetinis laukas magnetuose susidaro ne dėl srovės judėjimo per laidus, o dėl elektronų judėjimo.

Daugelis žmonių mano, kad elektronai yra mažos dalelės, kurios skrieja aplink atomo branduolį, kaip planetos, besisukančios aplink saulę. Bet kaip jie paaiškina kvantiniai fizikai, elektronų judėjimas yra daug sudėtingesnis nei šis. Pirma, elektronai užpildo apvalkalo formos atomo orbitales, kur jie elgiasi ir kaip dalelės, ir kaip bangos. Elektronai turi krūvį ir masę ir gali judėti įvairiomis kryptimis.

Ir nors atomo elektronai nejuda dideliais atstumais, tokio judėjimo pakanka, kad susidarytų mažytis magnetinis laukas. Ir kadangi suporuoti elektronai juda priešingomis kryptimis, jų magnetiniai laukai panaikina vienas kitą. Priešingai, feromagnetinių elementų atomuose elektronai nėra suporuoti ir juda viena kryptimi. Pavyzdžiui, geležis turi net keturis nesusijusius elektronus, kurie juda viena kryptimi. Kadangi jie neturi pasipriešinimo laukų, šie elektronai turi orbitinį magnetinį momentą. Magnetinis momentas yra vektorius, turintis savo dydį ir kryptį.

Metaluose, tokiuose kaip geležis, dėl orbitos magnetinio momento kaimyniniai atomai išsilygina išilgai šiaurės-pietų jėgos linijų. Geležis, kaip ir kitos feromagnetinės medžiagos, turi kristalinę struktūrą. Kai po liejimo proceso jie vėsta, kristalinėje struktūroje išsirikiuoja lygiagrečiai besisukančių orbitų atomų grupės. Taip susidaro magnetiniai domenai.

Galbūt pastebėjote, kad medžiagos, iš kurių gaminami geri magnetai, taip pat gali pritraukti magnetus. Taip atsitinka todėl, kad magnetai pritraukia medžiagas su nesuporuotais elektronais, kurie sukasi ta pačia kryptimi. Kitaip tariant, kokybė, kuri metalą paverčia magnetu, taip pat pritraukia metalą prie magnetų. Daugelis kitų elementų yra diamagnetiniai – jie pagaminti iš nesuporuotų atomų, kurie sukuria magnetinį lauką, kuris šiek tiek atstumia magnetą. Kai kurios medžiagos visiškai nesąveikauja su magnetais.

Magnetinio lauko matavimas

Magnetinį lauką galite išmatuoti naudodami specialius prietaisus, tokius kaip srauto matuoklis. Jį galima apibūdinti keliais būdais: - Magnetinio lauko linijos matuojamos weberiais (WB). Elektromagnetinėse sistemose šis srautas lyginamas su srove.

Lauko stiprumas arba srauto tankis matuojamas Tesla (T) arba Gauso vienetais (G). Viena Tesla yra lygi 10 000 Gausų.

Lauko stiprumas taip pat gali būti matuojamas weberiais kvadratiniame metre. -- Magnetinio lauko dydis matuojamas amperais vienam metrui arba oerstedais.

Mitai apie magnetą

Su magnetais dirbame visą dieną. Pavyzdžiui, jie yra kompiuteriuose: HDDįrašyti visą informaciją naudojant magnetą, magnetai taip pat naudojami daugelyje kompiuterių monitorių. Magnetai taip pat yra neatskiriama katodinių spindulių vamzdžių televizorių, garsiakalbių, mikrofonų, generatorių, transformatorių, elektros variklių, kasečių juostų, kompasų ir automobilių spidometrų dalis. Magnetai turi nuostabių savybių. Jie gali sukelti srovę laiduose ir sukelti elektros variklio sukimąsi. Pakankamai stiprus magnetinis laukas gali pakelti mažus daiktus ar net mažus gyvūnus. Magnetinės levitacijos traukiniai išvysto didelį greitį tik dėl magnetinio stūmimo. Anot žurnalo „Wired“, kai kurie žmonės net į pirštus įdeda mažyčius neodimio magnetus, kad aptiktų elektromagnetinius laukus.

Magnetinio rezonanso tomografijos prietaisai, maitinami magnetinio lauko, leidžia gydytojams ištirti Vidaus organai pacientai. Gydytojai taip pat naudoja elektromagnetinius impulsinius laukus, kad patikrintų, ar lūžę kaulai tinkamai gyja po smūgio. Panašų elektromagnetinį lauką naudoja astronautai, kurie ilgą laiką yra be gravitacijos, kad išvengtų raumenų įtempimo ir kaulų lūžių.

Magnetai taip pat naudojami veterinarinėje praktikoje gyvūnams gydyti. Pavyzdžiui, karvės dažnai serga trauminiu retikuloperikarditu, tai sudėtinga liga, išsivysto šiems gyvūnams, kurie dažnai kartu su maistu praryja smulkius metalinius daiktus, kurie gali pažeisti gyvūno skrandžio, plaučių ar širdies sieneles. Todėl dažnai prieš šerdami karves patyrę ūkininkai magnetu nuvalo maistą nuo smulkių nevalgomų dalių. Tačiau jei karvė jau prarijo kenksmingų metalų, tada magnetas jai duodamas kartu su maistu. Ilgi ploni alniko magnetai, dar vadinami „karvės magnetais“, pritraukia visus metalus ir neleidžia jiems pakenkti karvės skrandžiui. Tokie magnetai tikrai padeda išgydyti sergantį gyvūną, tačiau vis tiek geriau užtikrinti, kad į karvės maistą nepatektų kenksmingų elementų. Žmonėms draudžiama ryti magnetus, nes patekę į skirtingas kūno dalis jie vis tiek bus pritraukti, o tai gali blokuoti kraujotaką ir sunaikinti minkštuosius audinius. Todėl, kai žmogus praryja magnetą, jam reikia operacijos.

Kai kurie žmonės mano, kad magnetinė terapija yra medicinos ateitis, nes ji yra viena iš paprasčiausių, bet veiksmingi metodai daugelio ligų gydymas. Daugelis žmonių jau įsitikino, kad magnetinis laukas veikia praktiškai. Magnetinės apyrankės, karoliai, pagalvės ir daug kitų panašių gaminių geriau nei tabletes Jomis gydomos pačios įvairiausios ligos – nuo ​​artrito iki vėžio. Kai kurie gydytojai taip pat mano, kad stiklinė įmagnetinto vandens kaip prevencinė priemonė gali pašalinti daugumą nemalonių negalavimų. Amerikoje magneto terapijai kasmet išleidžiama apie 500 milijonų dolerių, o visame pasaulyje žmonės tokiam gydymui išleidžia vidutiniškai 5 milijardus dolerių.

Magnetinės terapijos šalininkai skirtingai interpretuoja šio gydymo metodo naudingumą. Kai kurie sako, kad magnetas gali pritraukti geležį, esančią hemoglobino kraujyje, taip pagerindamas kraujotaką. Kiti teigia, kad magnetinis laukas kažkaip keičia kaimyninių ląstelių struktūrą. Tačiau tuo pat metu moksliniai tyrimai nepatvirtino, kad statinių magnetų naudojimas gali atleisti žmogų nuo skausmo ar išgydyti ligą.

Kai kurie šalininkai taip pat siūlo, kad visi žmonės naudotų magnetus vandeniui valyti savo namuose. Kaip sako patys gamintojai, dideli magnetai gali išvalyti kietą vandenį, pašalindami iš jo visus kenksmingus feromagnetinius lydinius. Tačiau mokslininkai teigia, kad vandenį kietina ne feromagnetai. Be to, dveji metai magnetų naudojimo praktiškai neparodė jokių vandens sudėties pokyčių.

Tačiau, nors mažai tikėtina, kad magnetai turės terapinis poveikis, juos vis tiek verta ištirti. Kas žino, gal ateityje atskleisime naudingų savybių magnetai.

Magnetas

Magnetai, pavyzdžiui, žaislai, priklijuoti prie šaldytuvo namuose, ar pasagos, kurios jums buvo rodomos mokykloje, turi keletą neįprastų savybių. Visų pirma, magnetus traukia geležiniai ir plieniniai daiktai, pavyzdžiui, šaldytuvo durys. Be to, jie turi stulpus.

Priartinkite du magnetus vienas prie kito. Vieno magneto pietinis polius bus pritrauktas prie kito magneto šiaurinio poliaus. Vieno magneto šiaurinis polius atstumia Šiaurės ašigalis kitas.

Magnetinė ir elektros srovė

Magnetinį lauką sukuria elektros srovė, tai yra judantys elektronai. Aplink atomo branduolį judantys elektronai turi neigiamą krūvį. Krūmų kryptingas judėjimas iš vienos vietos į kitą vadinamas elektros srove. Elektros srovė aplink save sukuria magnetinį lauką.

Šis laukas savo jėgos linijomis tarsi kilpa dengia kelią elektros srovė, kaip arka, kuri stovi virš kelio. Pavyzdžiui, kai įjungiama stalinė lempa ir variniai laidai teka srovė, tai yra, elektronai laidoje šokinėja nuo atomo prie atomo ir aplink laidą susidaro silpnas magnetinis laukas. Aukštos įtampos perdavimo linijose srovė yra daug stipresnė nei viduje stalo lempa, todėl aplink tokių linijų laidus susidaro labai stiprus magnetinis laukas. Taigi elektra ir magnetizmas yra dvi tos pačios monetos pusės – elektromagnetizmas.

Susijusios medžiagos:

Kodėl yra vaivorykštė?

Elektronų judėjimas ir magnetinis laukas

Elektronų judėjimas kiekviename atome aplink jį sukuria mažą magnetinį lauką. Orbitoje judantis elektronas sudaro į sūkurį panašų magnetinį lauką. Bet didžiąją dalį magnetinio lauko sukuria ne elektrono judėjimas orbitoje aplink branduolį, o atomo judėjimas aplink savo ašį, vadinamasis elektrono sukinys. Sukas apibūdina elektrono sukimąsi aplink ašį, kaip ir planetos judėjimą aplink savo ašį.

Kodėl medžiagos yra magnetinės, o ne magnetinės

Daugumoje medžiagų, pavyzdžiui, plastikų, atskirų atomų magnetiniai laukai yra atsitiktinai orientuoti ir panaikina vienas kitą. Tačiau tokiose medžiagose kaip geležis atomai gali būti orientuoti taip, kad jų magnetiniai laukai sudėtų, taigi plieno gabalas įmagnetinamas. Atomai medžiagose yra sujungti į grupes, vadinamas magnetiniais domenais. Vieno atskiro domeno magnetiniai laukai yra orientuoti viena kryptimi. Tai yra, kiekvienas domenas yra mažas magnetas.

MAGNETAI IR MEDŽIAGOS MAGNETINĖS SAVYBĖS
Paprasčiausios magnetizmo apraiškos žinomos labai seniai ir daugeliui iš mūsų žinomos. Tačiau tik palyginti neseniai šie, atrodytų, paprasti reiškiniai buvo paaiškinti remiantis pagrindiniais fizikos principais. Yra du skirtingi magnetų tipai. Kai kurie yra vadinamieji nuolatiniai magnetai, pagaminti iš „kietų magnetinių“ medžiagų. Jų magnetines savybes nėra susiję su išorinių šaltinių ar srovių naudojimu. Kitas tipas apima vadinamuosius elektromagnetus su šerdimi, pagaminta iš „minkštos magnetinės“ geležies. Jų sukuriami magnetiniai laukai daugiausia atsiranda dėl to, kad elektros srovė praeina per apvijos laidą, supančią šerdį.
Magnetiniai poliai ir magnetinis laukas. Magnetinės strypo magneto savybės labiausiai pastebimos šalia jo galų. Jei toks magnetas yra pakabintas prie vidurinės dalies, kad jis galėtų laisvai suktis horizontalioje plokštumoje, tada jis užims padėtį, maždaug atitinkančią kryptį iš šiaurės į pietus. Strypo galas, nukreiptas į šiaurę, vadinamas šiaurės ašigaliu, o priešingas galas vadinamas pietų ašigaliu. Dviejų magnetų priešingi poliai traukia vienas kitą ir kaip poliai vienas kitą atstumia. Jei neįmagnetintos geležies strypas priartinamas prie vieno iš magneto polių, pastarasis laikinai įmagnetinamas. Šiuo atveju įmagnetinto strypo polius, esantis arčiausiai magnetinio poliaus, turės priešingą pavadinimą, o tolimasis – tą patį. Magneto veikimą paaiškina trauka tarp magneto poliaus ir jo sukelto priešingo poliaus juostoje. Kai kurios medžiagos (pvz., plienas) pačios tampa silpnais nuolatiniais magnetais, kai būna šalia nuolatinio magneto ar elektromagneto. Plieninį strypą galima įmagnetinti tiesiog perkeliant strypo nuolatinio magneto galą išilgai jo galo. Taigi, magnetas pritraukia kitus magnetus ir objektus, pagamintus iš magnetinių medžiagų, nesiliesdamas su jais. Šis veiksmas per atstumą paaiškinamas magnetinio lauko buvimu erdvėje aplink magnetą. Tam tikrą šio magnetinio lauko intensyvumo ir krypties supratimą galima gauti užpylus geležies drožles ant ant magneto uždėto kartono ar stiklo lakšto. Pjuvenos išsirikiuos grandinėmis lauko kryptimi, o pjuvenų linijų tankis atitiks šio lauko intensyvumą. (Jie yra storiausi magneto galuose, kur magnetinio lauko intensyvumas didžiausias.) M. Faradėjus (1791-1867) pristatė uždarų magnetų indukcijos linijų koncepciją. Indukcijos linijos tęsiasi į aplinkinę erdvę nuo magneto šiauriniame poliuje, įeina į magnetą jo pietiniame poliuje ir eina magneto viduje iš pietų poliaus atgal į šiaurę, sudarydamos uždarą kilpą. Visas numeris Indukcijos linijos, išeinančios iš magneto, vadinamos magnetiniu srautu. Magnetinio srauto tankis arba magnetinė indukcija (B) yra lygus indukcijos linijų, paprastai einančių per elementarią vieneto dydžio sritį, skaičiui. Magnetinė indukcija nustato jėgą, kuria magnetinis laukas veikia jame esantį srovės laidininką. Jei laidininkas, kuriuo teka srovė I, yra statmenai indukcijos linijoms, tai pagal Ampero dėsnį laidininką veikianti jėga F yra statmena tiek laukui, tiek laidininkui ir yra proporcinga magnetinei indukcijai, srovės stiprumui ir ilgiui. dirigento. Taigi magnetinei indukcijai B galime parašyti išraišką

Kur F yra jėga niutonais, I yra srovė amperais, l yra ilgis metrais. Magnetinės indukcijos matavimo vienetas yra tesla (T)
(taip pat žr. ELEKTROS IR MAGNETIZMAS).
Galvanometras. Galvanometras yra jautrus prietaisas silpnoms srovėms matuoti. Galvanometras naudoja sukimo momentą, susidarantį sąveikaujant pasagos formos nuolatiniam magnetui su maža srovę nešančia rite (silpnu elektromagnetu), pakabinta tarpe tarp magneto polių. Sukimo momentas, taigi ir ritės įlinkis, yra proporcingas srovei ir bendrai magnetinei indukcijai oro tarpelyje, todėl prietaiso skalė yra beveik tiesinė esant mažiems ritės nuokrypiams. Įmagnetinimo jėga ir magnetinio lauko stiprumas. Toliau turėtume pristatyti kitą dydį, apibūdinantį elektros srovės magnetinį poveikį. Tarkime, kad srovė praeina per ilgos ritės laidą, kurio viduje yra įmagnetinama medžiaga. Įmagnetinimo jėga yra ritėje esančios elektros srovės ir jos apsisukimų skaičiaus sandauga (ši jėga matuojama amperais, nes apsisukimų skaičius yra bematis dydis). Magnetinio lauko stipris H yra lygus įmagnetinimo jėgai ritės ilgio vienetui. Taigi H vertė matuojama amperais vienam metrui; jis nustato ritės viduje esančios medžiagos įgytą įmagnetinimą. Vakuume magnetinė indukcija B yra proporcinga magnetinio lauko stipriui H:

Kur m0 yra vadinamasis magnetinė konstanta, turinti universalią reikšmę 4pХ10-7 H/m. Daugelyje medžiagų B yra maždaug proporcingas H. Tačiau feromagnetinėse medžiagose ryšys tarp B ir H yra šiek tiek sudėtingesnis (kaip aptarta toliau). Fig. 1 parodytas paprastas elektromagnetas, skirtas suimti krovinius. Energijos šaltinis yra nuolatinės srovės baterija. Paveiksle taip pat parodytos elektromagneto lauko linijos, kurias galima aptikti įprastu geležies drožlių metodu.

Dideli elektromagnetai su geležinėmis šerdimis ir labai didelis skaičius amperiniai posūkiai, veikiantys nuolatiniu režimu, turi didelę įmagnetinimo jėgą. Jie sukuria iki 6 Teslų magnetinę indukciją tarpe tarp polių; šią indukciją riboja tik mechaninis įtempis, ritių kaitinimas ir magnetinis šerdies prisotinimas. P.L.Kapitsa (1894-1984) Kembridže ir SSRS mokslų akademijos Fizinių problemų institute suprojektavo daugybę milžiniškų vandeniu aušinamų elektromagnetų (be šerdies), taip pat pulsiniams magnetiniams laukams sukurti skirtų įrenginių. F. Bitter (1902-1967) Masačusetso technologijos institute. Su tokiais magnetais buvo galima pasiekti iki 50 Teslų indukciją. Losalamos nacionalinėje laboratorijoje buvo sukurtas palyginti mažas elektromagnetas, sukuriantis iki 6,2 teslos laukus, sunaudojantis 15 kW elektros energijos ir aušinamas skystu vandeniliu. Panašūs laukai gaunami esant kriogeninei temperatūrai.
Magnetinis pralaidumas ir jo vaidmuo magnetizme. Magnetinis pralaidumas m yra dydis, apibūdinantis medžiagos magnetines savybes. Feromagnetiniai metalai Fe, Ni, Co ir jų lydiniai pasižymi labai dideliu maksimaliu pralaidumu – nuo ​​5000 (Fe) iki 800000 (supermallojui). Tokiose medžiagose, esant santykinai mažam lauko stipriui H, susidaro didelės indukcijos B, tačiau ryšys tarp šių dydžių, paprastai kalbant, yra netiesinis dėl soties ir histerezės reiškinių, kurie aptariami toliau. Feromagnetines medžiagas stipriai traukia magnetai. Jie praranda savo magnetines savybes esant aukštesnei nei Kiuri taško temperatūrai (770°C – Fe, 358°C – Ni, 1120°C – Co) ir elgiasi kaip paramagnetai, kuriems indukcija B iki labai aukštų stiprio verčių H yra proporcingas jai – lygiai taip pat, kaip ir vakuume. Daugelis elementų ir junginių yra paramagnetiniai bet kokioje temperatūroje. Paramagnetinėms medžiagoms būdinga tai, kad jos įmagnetinamos išoriniame magnetiniame lauke; jei šis laukas išjungiamas, paramagnetinės medžiagos grįžta į neįmagnetintą būseną. Įmagnetinimas feromagnetuose išlieka net ir išjungus išorinį lauką. Fig. 2 paveiksle parodyta tipinė magnetiškai kietos (su dideliais nuostoliais) feromagnetinės medžiagos histerezės kilpa. Jis apibūdina dviprasmišką magnetiškai sutvarkytos medžiagos įmagnetinimo priklausomybę nuo įmagnetinimo lauko stiprumo. Magnetinio lauko stiprumui padidėjus nuo pradinio (nulinio) taško (1), įmagnetinimas vyksta išilgai punktyrinės linijos 1-2, o didėjant mėginio įmagnetinimui, m reikšmė labai pasikeičia. 2 taške pasiekiamas prisotinimas, t.y. toliau didėjant įtampai, įmagnetinimas nebedidėja. Jei dabar palaipsniui sumažinsime H reikšmę iki nulio, tada kreivė B(H) nebeseka ankstesniu keliu, o eina per tašką 3, atskleidžiant tarsi „atmintį“ iš medžiagos apie „praeities istoriją, Iš čia ir kilo pavadinimas „histerezė“. Akivaizdu, kad šiuo atveju išlaikomas tam tikras liekamasis įmagnetinimas (1-3 segmentas). Pakeitus įmagnetinimo lauko kryptį į priešingą kryptį, B (H) kreivė eina per tašką 4, o atkarpa (1)-(4) atitinka priverstinę jėgą, kuri neleidžia išmagnetinti. Tolesnis reikšmių padidėjimas (-H) perkelia histerezės kreivę į trečiąjį kvadrantą - 4-5 skyrių. Vėlesnis vertės (-H) sumažėjimas iki nulio ir tada didėja teigiamas vertes H uždarys histerezės kilpą per taškus 6, 7 ir 2.

Kietoms magnetinėms medžiagoms būdinga plati histerezės kilpa, apimanti didelę diagramos sritį ir todėl atitinkanti dideles liekamosios įmagnetinimo (magnetinės indukcijos) ir priverstinės jėgos vertes. Siaura histerezės kilpa (3 pav.) būdinga minkštoms magnetinėms medžiagoms, tokioms kaip švelnus plienas ir specialūs lydiniai, turintys didelį magnetinį laidumą. Tokie lydiniai buvo sukurti siekiant sumažinti histerezės sukeliamus energijos nuostolius. Dauguma šių specialių lydinių, kaip ir feritai, turi didelę elektrinę varžą, kuri sumažina ne tik magnetinius, bet ir sūkurinių srovių sukeliamus elektros nuostolius.

Magnetinės medžiagos, turinčios didelį pralaidumą, gaminamos atkaitinimo būdu, laikant maždaug 1000 ° C temperatūroje, po to grūdinant (palaipsniui aušinant) iki kambario temperatūros. Šiuo atveju labai svarbus preliminarus mechaninis ir terminis apdorojimas, taip pat priemaišų nebuvimas mėginyje. Transformatorių šerdims XX amžiaus pradžioje. Buvo sukurti silicio plienai, kurių vertė didėjo didėjant silicio kiekiui. Nuo 1915 iki 1920 m. atsirado permallodai (Ni ir Fe lydiniai) su būdinga siaura ir beveik stačiakampe histerezės kilpa. Ypač didelės vertės Magnetinis pralaidumas m esant mažoms H reikšmėms skiriasi hiperninio (50% Ni, 50% Fe) ir mu-metalo lydiniuose (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), o perminvaru ( 45% Ni, 30% Fe, 25% Co) m reikšmė yra praktiškai pastovi esant įvairiems lauko stiprumo pokyčiams. Iš šiuolaikinių magnetinių medžiagų reikėtų paminėti supermalloy - lydinį, pasižymintį didžiausiu magnetiniu pralaidumu (jame yra 79% Ni, 15% Fe ir 5% Mo).
Magnetizmo teorijos. Pirmą kartą spėjimas, kad magnetiniai reiškiniai galiausiai redukuojami į elektrinius reiškinius, kilo iš Ampero 1825 m., kai jis išreiškė idėją apie uždaras vidines mikrosroves, cirkuliuojančias kiekviename magneto atome. Tačiau be jokio eksperimentinio tokių srovių buvimo materijoje patvirtinimo (elektroną J. Thomsonas atrado tik 1897 m., o atomo sandaros aprašymą pateikė Rutherfordas ir Bohras 1913 m.), ši teorija „išblėso. . 1852 m. W. Weberis pasiūlė, kad kiekvienas magnetinės medžiagos atomas yra mažytis magnetas arba magnetinis dipolis, todėl visiškas medžiagos įmagnetinimas pasiekiamas, kai visi atskiri atominiai magnetai yra išdėstyti tam tikra tvarka (4 pav., b). . Weberis manė, kad molekulinė arba atominė „trintis“ padeda šiems elementariems magnetams išlaikyti savo tvarką, nepaisant trikdančios šiluminių virpesių įtakos. Jo teorija sugebėjo paaiškinti kūnų įmagnetinimą susilietus su magnetu, taip pat jų išmagnetinimą smūgiuojant ar kaitinant; galiausiai buvo paaiškinta ir magnetų „atgaminimas“ įmagnetintą adatą ar magnetinį strypą pjaustant į gabalus. Ir vis dėlto ši teorija nepaaiškino nei pačių elementariųjų magnetų kilmės, nei soties ir histerezės reiškinių. Weberio teoriją 1890 m. patobulino J. Ewingas, savo atominės trinties hipotezę pakeitęs idėja apie tarpatomines ribojančias jėgas, kurios padeda išlaikyti nuolatinį magnetą sudarančių elementariųjų dipolių tvarką.

Ampere'o kadaise pasiūlytas požiūris į problemą gavo antrąjį gyvenimą 1905 m., kai P. Langevinas paaiškino paramagnetinių medžiagų elgesį kiekvienam atomui priskirdamas vidinę nekompensuotą elektronų srovę. Anot Langevin, būtent šios srovės formuoja mažyčius magnetus, kurie atsitiktinai orientuojasi, kai nėra išorinio lauko, bet įgauna tvarkingą orientaciją, kai jis veikia. Šiuo atveju požiūris į visišką tvarką atitinka įmagnetinimo prisotinimą. Be to, Langevinas pristatė magnetinio momento sąvoką, kuri atskiram atominiam magnetui yra lygus poliaus „magnetinio krūvio“ ir atstumo tarp polių sandaugai. Taigi silpnas paramagnetinių medžiagų magnetizmas yra dėl bendro magnetinio momento, kurį sukuria nekompensuotos elektronų srovės. 1907 metais P. Weissas pristatė „domeno“ sąvoką, kuri tapo svarbiu indėliu į šiuolaikinę magnetizmo teoriją. Weissas domenus įsivaizdavo kaip mažas atomų „kolonijas“, kuriose visų atomų magnetiniai momentai dėl tam tikrų priežasčių yra priversti išlaikyti tą pačią orientaciją, todėl kiekvienas domenas yra įmagnetintas iki prisotinimo. Atskiras domenas gali turėti 0,01 mm dydžio linijinius matmenis ir atitinkamai 10–6 mm3 tūrį. Domenus skiria vadinamosios Blocho sienelės, kurių storis neviršija 1000 atominiai dydžiai. „Siena“ ir du priešingai orientuoti domenai schematiškai parodyti Fig. 5. Tokios sienos vaizduoja „pereinamuosius sluoksnius“, kuriuose keičiasi domeno įmagnetinimo kryptis.

Bendru atveju pradinėje įmagnetinimo kreivėje galima išskirti tris atkarpas (6 pav.). Pradinėje dalyje siena, veikiama išorinio lauko, juda per medžiagos storį, kol susiduria su kristalinės gardelės defektu, kuris ją sustabdo. Didindami lauko stiprumą, galite priversti sieną judėti toliau, kiaurai vidurinė dalis tarp punktyrinių linijų. Jei po to lauko stiprumas vėl sumažinamas iki nulio, sienos nebegrįš pradinė padėtis, kad mėginys liktų iš dalies įmagnetintas. Tai paaiškina magneto histerezę. Paskutinėje kreivės dalyje procesas baigiasi mėginio įmagnetinimo prisotinimu dėl įmagnetinimo išdėstymo paskutiniuose netvarkinguose domenuose. Šis procesas yra beveik visiškai grįžtamas. Magnetinis kietumas pasireiškia tomis medžiagomis, kurių atominėje gardelėje yra daug defektų, trukdančių judėti tarpdomeninėms sienoms. Tai galima pasiekti mechaniškai ir karščio gydymas, pavyzdžiui, suspaudžiant ir po to sukepinant miltelių pavidalo medžiagą. Alnico lydiniuose ir jų analoguose tas pats rezultatas pasiekiamas sulydant metalus į sudėtingą struktūrą.

Be paramagnetinių ir feromagnetinių medžiagų, yra medžiagų, turinčių vadinamųjų antiferomagnetinių ir ferimagnetinių savybių. Skirtumas tarp šių magnetizmo tipų paaiškintas Fig. 7. Remiantis domenų samprata, paramagnetizmą galima laikyti reiškiniu, kurį sukelia mažų magnetinių dipolių grupių buvimas medžiagoje, kuriose atskiri dipoliai labai silpnai sąveikauja vienas su kitu (arba visai nesąveikauja) ir todėl. , jei nėra išorinio lauko, imkite tik atsitiktines orientacijas (7 pav., a). Feromagnetinėse medžiagose kiekvienoje srityje yra stipri atskirų dipolių sąveika, dėl kurios jie yra lygiagrečiai (7b pav.). Priešingai, antiferomagnetinėse medžiagose atskirų dipolių sąveika lemia jų antilygiagrečią tvarką, todėl kiekvienos srities bendras magnetinis momentas yra lygus nuliui (7c pav.). Galiausiai ferimagnetinėse medžiagose (pavyzdžiui, ferituose) yra lygiagretus ir antilygiagretus išdėstymas (7d pav.), todėl magnetizmas yra silpnas.

Yra du įtikinami eksperimentiniai domenų egzistavimo patvirtinimai. Pirmasis iš jų – vadinamasis Barkhauzeno efektas, antrasis – pudros figūrų metodas. 1919 metais G. Barkhauzenas nustatė, kad feromagnetinės medžiagos pavyzdžiui veikiant išorinį lauką, jo įmagnetinimas kinta nedidelėmis atskiromis dalimis. Domeno teorijos požiūriu tai yra ne kas kita, kaip staigus tarpdomeninės sienos judėjimas, pakeliui susiduriant su atskirais defektais, kurie ją uždelsia. Šis efektas dažniausiai aptinkamas naudojant ritę, į kurią įdedamas feromagnetinis strypas arba viela. Jei pakaitomis atnešite stiprų magnetą link mėginio ir nuo jo, mėginys bus įmagnetintas ir pakartotinai įmagnetintas. Staigūs mėginio įmagnetinimo pokyčiai keičia magnetinį srautą per ritę, joje sužadinama indukcinė srovė. Ritėje generuojama įtampa sustiprinama ir tiekiama į poros akustinių ausinių įvestį. Spragtelėjimai, girdimi per ausines, rodo staigų įmagnetinimo pasikeitimą. Norint atskleisti magneto srities struktūrą naudojant miltelių figūros metodą, ant gerai nupoliruoto įmagnetintos medžiagos paviršiaus užlašinamas lašelis feromagnetinių miltelių (dažniausiai Fe3O4) koloidinės suspensijos. Miltelių dalelės nusėda daugiausia tose vietose, kur magnetinis laukas yra nehomogeniškas – domenų ribose. Šią struktūrą galima ištirti mikroskopu. Taip pat buvo pasiūlytas metodas, pagrįstas poliarizuotos šviesos pratekėjimu per skaidrią feromagnetinę medžiagą. Pradinė Weisso magnetizmo teorija savo pagrindiniais bruožais išlaikė savo reikšmę iki šių dienų, tačiau gavo atnaujintą interpretaciją, pagrįstą nekompensuotų elektronų sukimosi, kaip atominį magnetizmą lemiančio veiksnio, idėja. Hipotezę apie paties elektrono impulso egzistavimą 1926 m. iškėlė S. Goudsmit ir J. Uhlenbeck, o šiuo metu būtent elektronai kaip sukimosi nešikliai yra laikomi „elementariais magnetais“. Norėdami paaiškinti šią sąvoką, apsvarstykite (8 pav.) laisvą geležies atomą, tipišką feromagnetinę medžiagą. Du jo apvalkalai (K ir L), esantys arčiausiai branduolio, yra užpildyti elektronais, pirmame iš jų yra du, o antrajame - aštuoni elektronai. K apvalkale vieno iš elektronų sukinys yra teigiamas, o kito – neigiamas. L apvalkale (tiksliau, dviejuose jo subapvaliuose) keturi iš aštuonių elektronų turi teigiamus sukinius, o kiti keturi – neigiamus. Abiem atvejais elektronų sukimai viename apvalkale yra visiškai kompensuojami, todėl bendras magnetinis momentas yra lygus nuliui. M apvalkale situacija yra kitokia, nes iš šešių elektronų, esančių trečiajame posluoksnyje, penki elektronai turi sukimus, nukreiptus viena kryptimi, o tik šeštas – kita. Dėl to lieka keturi nekompensuoti sukiniai, kurie lemia geležies atomo magnetines savybes. (Išoriniame N apvalkale yra tik du valentiniai elektronai, kurie neprisideda prie geležies atomo magnetizmo.) Kitų feromagnetų, tokių kaip nikelis ir kobaltas, magnetizmas paaiškinamas panašiai. Kadangi geležies mėginyje esantys kaimyniniai atomai stipriai sąveikauja vienas su kitu, o jų elektronai yra iš dalies kolektyvizuoti, šį paaiškinimą reikėtų vertinti tik kaip vaizdinę, bet labai supaprastintą realios situacijos diagramą.

Atominio magnetizmo teorija, pagrįsta atsižvelgimu į elektronų sukimąsi, yra paremta dviem įdomiais giromagnetiniais eksperimentais, iš kurių vieną atliko A. Einsteinas ir W. de Haasas, o kitą – S. Barnettas. Pirmajame iš šių eksperimentų feromagnetinės medžiagos cilindras buvo pakabintas, kaip parodyta Fig. 9. Jei srovė teka per apvijos laidą, cilindras sukasi aplink savo ašį. Kai pasikeičia srovės kryptis (taigi ir magnetinis laukas), ji įsuka atvirkštinė kryptis. Abiem atvejais cilindras sukasi dėl elektronų sukimosi tvarkos. Barnetto eksperimente, priešingai, pakabinamas cilindras, staigiai pasuktas į sukimosi būseną, įmagnetinamas nesant magnetinio lauko. Šis efektas paaiškinamas tuo, kad sukantis magnetui susidaro giroskopinis momentas, kuris linkęs sukti sukimosi momentus savo sukimosi ašies kryptimi.

Norint išsamiau paaiškinti trumpojo nuotolio jėgų, kurios sutvarko gretimus atominius magnetus ir neutralizuoja netvarkingą šiluminio judėjimo įtaką, prigimtį ir kilmę, reikėtų kreiptis į kvantinę mechaniką. Kvantinį mechaninį šių jėgų prigimties paaiškinimą 1928 metais pasiūlė W. Heisenbergas, teigęs, kad egzistuoja mainų sąveika tarp gretimų atomų. Vėliau G. Bethe ir J. Slateris parodė, kad mainų jėgos ženkliai didėja mažėjant atstumui tarp atomų, tačiau pasiekusios tam tikrą minimalų tarpatominį atstumą nukrenta iki nulio.
MEDŽIAGOS MAGNETINĖS SAVYBĖS
Vieną pirmųjų plačių ir sistemingų medžiagos magnetinių savybių tyrimų ėmėsi P. Curie. Jis nustatė, kad pagal magnetines savybes visas medžiagas galima suskirstyti į tris klases. Pirmajai kategorijai priskiriamos medžiagos, turinčios ryškių magnetinių savybių, panašių į geležies savybes. Tokios medžiagos vadinamos feromagnetinėmis; jų magnetinis laukas pastebimas dideliais atstumais (žr. aukščiau). Antrajai klasei priskiriamos medžiagos, vadinamos paramagnetinėmis; Jų magnetinės savybės paprastai yra panašios į feromagnetinių medžiagų, bet daug silpnesnės. Pavyzdžiui, galingo elektromagneto polių traukos jėga gali išplėšti iš rankų geležinį plaktuką, o norint aptikti paramagnetinės medžiagos trauką prie to paties magneto, dažniausiai reikia labai jautrių analitinių svarstyklių. Paskutinei, trečiajai klasei priklauso vadinamosios diamagnetinės medžiagos. Juos atbaido elektromagnetas, t.y. jėga, veikianti diamagnetines medžiagas, nukreipta priešingai nei fero- ir paramagnetines medžiagas.
Magnetinių savybių matavimas. Tiriant magnetines savybes, svarbiausi yra dviejų tipų matavimai. Pirmasis iš jų yra jėgos, veikiančios mėginį šalia magneto, matavimas; Taip nustatomas mėginio įmagnetinimas. Antrasis apima „rezonansinių“ dažnių, susijusių su materijos įmagnetinimu, matavimus. Atomai yra maži „giroskopai“ ir magnetiniame lauke precesuoja (kaip įprasta viršūnė, veikiama gravitacijos sukuriamo sukimo momento) dažniu, kurį galima išmatuoti. Be to, jėga veikia laisvai įkrautas daleles, judančias stačiu kampu magnetinės indukcijos linijoms, kaip ir elektronų srovė laidininke. Tai priverčia dalelę judėti apskrita orbita, kurios spindulys yra R = mv/eB, kur m yra dalelės masė, v yra jos greitis, e yra jos krūvis, o B yra magnetinė indukcija laukas. Tokio apskrito judesio dažnis yra

kur f matuojamas hercais, e – kulonais, m – kilogramais, B – teslomis. Šis dažnis apibūdina įkrautų dalelių judėjimą medžiagoje, esančioje magnetiniame lauke. Abiejų tipų judesius (presesiją ir judėjimą žiedinėmis orbitomis) galima sužadinti kintamaisiais laukais, kurių rezonansiniai dažniai yra lygūs „natūraliems“ dažniams, būdingiems šios medžiagos. Pirmuoju atveju rezonansas vadinamas magnetiniu, o antruoju - ciklotronu (dėl jo panašumo su cikliniu subatominės dalelės judėjimu ciklotrone). Kalbant apie atomų magnetines savybes, būtina atkreipti ypatingą dėmesį į jų kampinį momentą. Magnetinis laukas veikia besisukantį atominį dipolį, linkęs jį pasukti ir padėti lygiagrečiai laukui. Vietoj to, atomas pradeda precesuoti aplink lauko kryptį (10 pav.), kurio dažnis priklauso nuo dipolio momento ir taikomo lauko stiprumo.

Atominė precesija nėra tiesiogiai stebima, nes visi mėginio atomai precesuoja skirtingoje fazėje. Jei pritaikysime nedidelį kintamąjį lauką, nukreiptą statmenai pastoviam tvarkos laukui, tai tarp precesuojančių atomų susidaro tam tikras fazių ryšys ir jų bendras magnetinis momentas pradeda precesuoti dažniu, lygiu atskirų magnetinių momentų precesijos dažniui. Svarbus yra precesijos kampinis greitis. Paprastai ši vertė yra maždaug 1010 Hz/T įmagnetinimui, susijusiam su elektronais, ir maždaug 107 Hz/T įmagnetinimui, susijusiam su teigiamais krūviais atomų branduoliuose. Schema branduolinio magnetinio rezonanso (BMR) stebėjimo įrenginys parodytas fig. 11. Tiriama medžiaga įvedama į vienodą pastovų lauką tarp polių. Jei radijo dažnio laukas sužadinamas naudojant mažą ritę, supančią mėgintuvėlį, rezonansas gali būti pasiektas tam tikru dažniu, lygiu visų mėginyje esančių branduolinių „giroskopų“ precesijos dažniui. Matavimai yra panašūs į radijo imtuvo derinimą pagal konkrečios stoties dažnį.

Magnetinio rezonanso metodai leidžia tirti ne tik konkrečių atomų ir branduolių magnetines savybes, bet ir jų aplinkos savybes. Faktas yra tas, kad magnetiniai laukai kietosios medžiagos jautis ir molekulės yra nehomogeniški, nes juos iškraipo atominiai krūviai, o eksperimentinės rezonanso kreivės eigos detales lemia vietinis laukas toje srityje, kurioje yra precesuojantis branduolys. Tai leidžia ištirti konstrukcijos ypatybes konkretus pavyzdys rezonansiniai metodai.
Magnetinių savybių skaičiavimas.Žemės lauko magnetinė indukcija yra 0,5 * 10 -4 T, o laukas tarp polių stiprus elektromagnetas- apie 2 teslos ar daugiau. Magnetinį lauką, kurį sukuria bet kokia srovių konfigūracija, galima apskaičiuoti naudojant Biot-Savart-Laplace magnetinio lauko indukcijos formulę, sukurta elemento srovė Apskaičiuoti lauką, kurį sukuria įvairių formų grandinės ir cilindrinės ritės, daugeliu atvejų yra labai sudėtinga. Žemiau pateikiamos kelių paprastų atvejų formulės. Lauko magnetinė indukcija (teslomis), kurią sukuria ilgas tiesus laidas, kurio srovė I (amperais), atstumu r (metrais) nuo laido yra

Indukcija apskritos R spindulio ritės su srove I centre yra lygi (tais pačiais vienetais):

Tvirtai suvyniota vielos ritė be geležinės šerdies vadinama solenoidu. Magnetinė indukcija, kurią sukuria ilgas solenoidas, kurio apsisukimų skaičius N pakankamai nutolusiame nuo jo galų, yra lygi

Čia reikšmė NI/L yra amperų (amperų apsisukimų) skaičius solenoido ilgio vienetui. Visais atvejais srovės magnetinis laukas yra nukreiptas statmenai šiai srovei, o jėga, veikianti srovę magnetiniame lauke, yra statmena tiek srovei, tiek magnetiniam laukui. Įmagnetinto geležinio strypo laukas yra panašus į ilgojo solenoido išorinį lauką, o amperų apsisukimų skaičius ilgio vienete atitinka srovę atomuose, esančiuose įmagnetinto strypo paviršiuje, nes srovės strypo viduje panaikina. vienas kitą (12 pav.). Ampero pavadinimu tokia paviršiaus srovė vadinama Ampere. Ampero srovės sukuriamas magnetinio lauko stiprumas Ha yra lygus strypo M tūrio vieneto magnetiniam momentui.

Jei į solenoidą įkišamas geležinis strypas, tai be to, kad solenoido srovė sukuria magnetinį lauką H, atominių dipolių išdėstymas įmagnetintoje strypo medžiagoje sukuria įmagnetinimą M. Šiuo atveju bendras magnetinis srautas nustatoma pagal realiųjų ir amperų srovių sumą, kad B = m0(H + Ha), arba B = m0(H + M). M/H santykis vadinamas magnetiniu jautrumu ir žymimas Graikiškas laiškas c; c yra bematis dydis, apibūdinantis medžiagos gebėjimą įmagnetinti magnetiniame lauke.
B/H vertė, apibūdinanti magnetines savybes
medžiaga, vadinama magnetiniu pralaidumu ir žymima ma, kai ma = m0m, kur ma yra absoliuti, o m yra santykinis pralaidumas, m = 1 + c. Feromagnetinėse medžiagose c reikšmė gali būti labai didelė didelės vertės-iki 10 4-10 6. C reikšmė paramagnetinėms medžiagoms yra šiek tiek didesnė už nulį, o diamagnetinėms - šiek tiek mažesnė. Tik vakuume ir labai silpnuose laukuose dydžiai c ir m yra pastovūs ir nepriklausomi nuo išorinio lauko. Indukcijos B priklausomybė nuo H dažniausiai yra netiesinė, o jos grafikai, vadinamieji. Įmagnetinimo kreivės, skirtingoms medžiagoms ir net su skirtingos temperatūros gali labai skirtis (tokių kreivių pavyzdžiai pateikti 2 ir 3 pav.). Magnetinės medžiagos savybės yra labai sudėtingos, todėl norint jas giliai suprasti, reikia atidžiai išanalizuoti atomų struktūrą, jų sąveiką molekulėse, susidūrimus dujose ir tarpusavio įtaką kietose ir skysčiuose; Skysčių magnetinės savybės vis dar yra mažiausiai ištirtos. - laukai, kurių stiprumas H? 0,5 ​​= 1,0 ME (riba yra savavališka). Mažesnė S.mp. vertė atitinka maks. prasmė stacionarus laukas=500 kOe, spiečius gali būti prieinamas šiuolaikinėmis priemonėmis. technologija, viršutinis laukas 1 ME, net trumpam. įtaka... ... Fizinė enciklopedija

Fizikos šaka, tirianti kietųjų kūnų struktūrą ir savybes. Moksliniai duomenys apie kietųjų kūnų mikrostruktūrą ir fizines bei cheminės savybės juos sudarantys atomai yra būtini kuriant naujas medžiagas ir techniniai prietaisai. Fizika...... Collier enciklopedija

Fizikos šaka, apimanti žinias apie statinę elektrą, elektros sroves ir magnetinius reiškinius. ELEKTROSTATIKA Elektrostatika nagrinėja reiškinius, susijusius su elektros krūviais ramybės būsenoje. Jėgų, veikiančių tarp ... ... Collier enciklopedija

- (iš senovės graikų physis nature). Senovės fizika vadino bet kokį supančio pasaulio ir gamtos reiškinių tyrimą. Toks fizikos termino supratimas išliko iki XVII amžiaus pabaigos. Vėliau atsirado keletas specialių disciplinų: chemija, kuri tiria savybes... ... Collier enciklopedija

Terminas momentas atomų ir atomų branduolių atžvilgiu gali reikšti: 1) sukimosi momentą, arba sukinį, 2) magnetinį dipolio momentą, 3) elektrinį kvadrupolio momentą, 4) kitus elektrinius ir magnetinius momentus. Įvairių tipų… … Collier enciklopedija

Feromagnetizmo elektrinis analogas. Lygiai taip pat, kaip liekamoji magnetinė poliarizacija (momentas) atsiranda feromagnetinėse medžiagose, patalpintose į magnetinį lauką, feroelektriniuose dielektrikuose, patalpintuose į elektrinį lauką... ... Collier enciklopedija

Wir verwenden Cookies für die beste Präsentation unserer Website. Wenn Sie diese Website weiterhin nutzen, stimmen Sie dem zu. Gerai

Sunku rasti lauką, kuriame nebūtų naudojami magnetai. Mokomieji žaislai, naudingi priedai ir sudėtinga pramoninė įranga yra tik maža dalis iš tikrai daugybės jų naudojimo galimybių. Tuo pačiu metu mažai žmonių žino, kaip veikia magnetai ir kokia yra jų patrauklumo paslaptis. Norint atsakyti į šiuos klausimus, reikia pasinerti į fizikos pagrindus, tačiau nesijaudinkite – nardymas bus trumpas ir negilus. Tačiau susipažinę su teorija sužinosite, iš ko susideda magnetas, o jo magnetinės jėgos prigimtis jums taps daug aiškesnė.

Elektronas yra mažiausias ir paprasčiausias magnetas

Bet kuri medžiaga susideda iš atomų, o atomai savo ruožtu susideda iš branduolio, aplink kurį sukasi teigiamai ir neigiamai įkrautos dalelės – protonai ir elektronai. Mūsų susidomėjimo objektas yra būtent elektronai. Jų judėjimas sukuria elektros srovę laidininkuose. Be to, kiekvienas elektronas yra miniatiūrinis magnetinio lauko šaltinis ir, tiesą sakant, paprastas magnetas. Tiesiog daugumos medžiagų sudėtyje šių dalelių judėjimo kryptis yra chaotiška. Dėl to jų mokesčiai subalansuoja vienas kitą. O kai sukimosi kryptis didelis kiekis elektronai jų orbitose sutampa, tada atsiranda pastovi magnetinė jėga.

Magnetinis prietaisas

Taigi, mes surūšiavome elektronus. Ir dabar mes labai arti atsakymo į klausimą, kaip yra sudaryti magnetai. Kad medžiaga pritrauktų geležinį uolienos gabalą, elektronų kryptis jos struktūroje turi sutapti. Šiuo atveju atomai sudaro sutvarkytus regionus, vadinamus domenais. Kiekvienas domenas turi polių porą: šiaurės ir pietų. praeina pro juos nuolatinė linija magnetinių jėgų judėjimas. Jie patenka į pietų ašigalį ir išeina iš šiaurės ašigalio. Šis išdėstymas reiškia, kad šiaurinis ašigalis visada pritrauks kito magneto pietinį polių, o panašūs poliai atstums.

Kaip magnetas pritraukia metalus

Magnetinė jėga veikia ne visas medžiagas. Galima pritraukti tik tam tikras medžiagas: geležį, nikelį, kobaltą ir retųjų žemių metalus. Geležinis uolos gabalas nėra natūralus magnetas, tačiau veikiamas magnetinio lauko jo struktūra persitvarko į sritis su šiaurės ir pietų poliais. Taigi plienas gali būti įmagnetintas ir ilgą laiką išlaikyti pasikeitusią struktūrą.

Kaip gaminami magnetai?

Mes jau išsiaiškinome, iš ko susideda magnetas. Tai medžiaga, kurioje domenų orientacija sutampa. Norint suteikti šias savybes uolienai, gali būti naudojamas stiprus magnetinis laukas arba elektros srovė. Šiuo metu žmonės išmoko gaminti labai galingus magnetus, kurių traukos jėga yra dešimtis kartų didesnė už jų pačių svorį ir trunka šimtus metų. Tai apie apie retųjų žemių supermagnetus neodimio lydinio pagrindu. Tokie gaminiai, sveriantys 2-3 kg, gali laikyti daiktus, sveriančius 300 kg ir daugiau. Iš ko susideda neodimio magnetas ir kas sukelia tokias nuostabias savybes?

Paprastas plienas netinka sėkmingai gaminti gaminius su galingiausia jėga patrauklumas. Tam reikalinga speciali kompozicija, kuri leistų kuo efektyviau sutvarkyti domenus ir išlaikyti naujos struktūros stabilumą. Norėdami suprasti, iš ko susideda neodimio magnetas, įsivaizduokite metalinius neodimio, geležies ir boro miltelius, kurie bus įmagnetinami naudojant pramoninius įrenginius. stiprus laukas ir sukepinti į standžią struktūrą. Siekiant apsaugoti šią medžiagą, ji yra padengta patvariu cinkuotu apvalkalu. Ši gamybos technologija leidžia gaminti įvairių dydžių ir formų gaminius. Internetinės parduotuvės „World of Magnets“ asortimente rasite didžiulę magnetinių prekių įvairovę darbui, pramogoms ir kasdieniniam gyvenimui.

Net senovėje žmonės atrado unikalių savybių tam tikri akmenys – traukiantys metalą. Šiais laikais dažnai susiduriame su objektais, kurie turi šias savybes. Kas yra magnetas? Kokia jo stiprybė? Apie tai kalbėsime šiame straipsnyje.

Laikinojo magneto pavyzdys – iš geležies pagaminti sąvaržėlės, sagos, vinys, peilis ir kiti buities reikmenys. Jų stiprybė slypi tame, kad juos traukia nuolatinis magnetas, o išnykus magnetiniam laukui praranda savo savybes.

Elektromagneto lauką galima valdyti naudojant elektros srovę. Kaip tai atsitinka? Ant geležinės šerdies suvyniotas laidas keičia magnetinio lauko stiprumą ir jo poliškumą, kai tiekiama ir keičiama srovė.

Nuolatinių magnetų tipai

Ferito magnetai yra labiausiai žinomi ir aktyviai naudojami kasdieniame gyvenime. Ši juoda medžiaga gali būti naudojama kaip tvirtinimo detalės įvairių daiktų, pavyzdžiui, plakatams, už sienų lentos naudojamas biure ar mokykloje. Jie nepraranda savo patrauklių savybių ne žemesnėje kaip 250 o C temperatūroje.

Alnico yra magnetas, sudarytas iš aliuminio, nikelio ir kobalto lydinio. Tai suteikė jam pavadinimą. Jis labai atsparus aukštai temperatūrai ir gali būti naudojamas esant 550 o C. Medžiaga yra lengva, tačiau veikiant stipresniam magnetiniam laukui visiškai praranda savo savybes. Daugiausia naudojamas mokslo pramonėje.

Samariumo magnetiniai lydiniai yra aukštos kokybės medžiagos. Jo savybių patikimumas leidžia medžiagą naudoti karinėje plėtroje. Jis atsparus agresyviai aplinkai, aukštai temperatūrai, oksidacijai ir korozijai.

Kas yra neodimio magnetas? Tai populiariausias geležies, boro ir neodimio lydinys. Jis taip pat vadinamas supermagnetu, nes turi galingą magnetinį lauką su didele priverstine jėga. Eksploatacijos metu laikantis tam tikrų sąlygų, neodimio magnetas gali išlaikyti savo savybes 100 metų.

Neodimio magnetų naudojimas

Verta atidžiau pažvelgti į tai, kas yra neodimio magnetas? Tai medžiaga, galinti fiksuoti vandens, elektros ir dujų suvartojimą skaitikliais, ir ne tik. Šio tipo magnetai priklauso nuolatinėms ir retųjų žemių medžiagoms. Jis atsparus kitų lydinių laukams ir nėra išmagnetinamas.

Neodimio gaminiai naudojami medicinos ir pramonės pramonėje. taip pat viduje gyvenimo sąlygos Jie naudojami užuolaidoms, dekoratyviniams elementams, suvenyrams pritvirtinti. Jie naudojami paieškos instrumentuose ir elektronikoje.

Siekiant pratęsti jų tarnavimo laiką, šio tipo magnetai yra padengti cinku arba nikeliu. Pirmuoju atveju purškimas yra patikimesnis, nes jis yra atsparus agresyvioms medžiagoms ir gali atlaikyti aukštesnę nei 100 o C temperatūrą. Magneto stiprumas priklauso nuo jo formos, dydžio ir neodimio kiekio, esančio lydinyje.

Ferito magnetų pritaikymas

Feritai laikomi populiariausiais nuolatiniais magnetais. Sudėtyje esančio stroncio dėka medžiaga nerūdija. Taigi, kas yra ferito magnetas? Kur jis naudojamas? Šis lydinys yra gana trapus. Štai kodėl jis taip pat vadinamas keramika. Ferito magnetai naudojami automobilių ir pramonės srityse. Naudojamas įvairioje įrangoje ir elektros prietaisuose, taip pat buitiniai įrenginiai, generatoriai, akustinės sistemos. Automobilių gamyboje magnetai naudojami aušinimo sistemose, langų keltuvuose ir ventiliatoriuose.

Ferito paskirtis yra apsaugoti įrangą nuo išorinių trukdžių ir išvengti kabeliu gaunamo signalo pažeidimo. Dėl šios priežasties jie naudojami navigatorių, monitorių, spausdintuvų ir kitos įrangos gamyboje, kur svarbu gauti švarų signalą ar vaizdą.

Magnetoterapija

Procedūra, vadinama magnetine terapija, dažnai naudojama ir atliekama gydymo tikslais. Šio metodo poveikis yra paveikti paciento kūną naudojant magnetinius laukus esant žemo dažnio kintamajai arba nuolatinei srovei. Šis gydymo metodas padeda atsikratyti daugelio ligų, malšinti skausmą, sustiprinti imuninę sistemą, pagerinti kraujotaką.

Manoma, kad ligas sukelia žmogaus magnetinio lauko sutrikimai. Kineziterapijos dėka organizmas normalizuojasi, pagerėja bendra būklė.

Iš šio straipsnio sužinojote, kas yra magnetas, taip pat ištyrėte jo savybes ir pritaikymą.