Магнит - Magnet

Эта статья об объектах и ​​устройствах, создающих магнитные поля. Описание магнитных материалов см. Магнетизм. Для использования в других целях см. Магнит (значения).

А "подковообразный магнит " сделано из алнико, железный сплав. Магнит, выполненный в виде подкова, имеет два магнитных полюса близко друг к другу. Эта форма создает сильное магнитное поле между полюсами, позволяя магниту поднимать тяжелый кусок железа.

Силовые линии магнитного поля из соленоид электромагнит, которые похожи на стержневой магнит, как показано ниже, с железными опилками

А магнит материал или объект, который производит магнитное поле. Это магнитное поле невидимо, но оно отвечает за наиболее заметное свойство магнита: силу, которая притягивает другие ферромагнитные материалы, такие как утюг, и притягивает или отталкивает другие магниты.

А постоянный магнит это предмет, сделанный из материала, который намагниченный и создает собственное постоянное магнитное поле. Повседневный пример - это магнит на холодильник используется для хранения записок на дверце холодильника. Материалы, которые могут быть намагничены, а также те, которые сильно притягиваются к магниту, называются ферромагнитный (или ферримагнитный ). К ним относятся элементы утюг, никель и кобальт и их сплавы, некоторые сплавы редкоземельные металлы, и некоторые природные минералы, такие как магнит. Хотя ферромагнитные (и ферримагнитные) материалы - единственные, которые притягиваются к магниту достаточно сильно, чтобы их можно было считать магнитными, все другие вещества слабо реагируют на магнитное поле одним из нескольких других типов магнетизм.

Ферромагнитные материалы можно разделить на магнитно «мягкие» материалы, такие как отожженный утюг, которые могут быть намагниченными, но не склонны оставаться намагниченными, и магнитно «твердые» материалы, которые остаются намагниченными. Постоянные магниты изготавливаются из «твердых» ферромагнитных материалов, таких как алнико и феррит которые при производстве подвергаются специальной обработке в сильном магнитном поле для выравнивания их внутренних микрокристаллический структура, из-за чего их очень трудно размагнитить. Чтобы размагнитить насыщенный магнит, необходимо приложить определенное магнитное поле, и этот порог зависит от принуждение соответствующего материала. «Твердые» материалы имеют высокую коэрцитивную силу, тогда как «мягкие» материалы имеют низкую коэрцитивную силу. Общая сила магнита измеряется его магнитный момент или, альтернативно, общая магнитный поток он производит. Локальная сила магнетизма в материале измеряется его намагничивание.

An электромагнит сделан из катушки с проволокой, которая действует как магнит, когда электрический ток проходит через него, но перестает быть магнитом, когда ток прекращается. Часто катушка наматывается на ядро из «мягкого» ферромагнитного материала, такого как мягкая сталь, что значительно увеличивает магнитное поле, создаваемое катушкой.

Открытие и развитие

Основная статья: История электромагнетизма

Смотрите также: История магнетизма

Древние люди узнали о магнетизме от магниты (или магнетит ), которые представляют собой естественно намагниченные куски железной руды. Слово магнит был принят в Средний английский от латинский магнетум "магнит ", в конечном итоге из Греческий μαγνῆτις [λίθος] (магнетис [литос])^[1] что означает "[камень] из Магнезии",^[2] часть Древней Греции, где были найдены магниты. Магниты, подвешенные, чтобы они могли вращаться, были первыми магнитные компасы. Самые ранние из известных сохранившихся описаний магнитов и их свойств были сделаны в Греции, Индии и Китае около 2500 лет назад.^[3][4][5] Свойства магниты и их близость к железу были написаны Плиний Старший в его энциклопедии Naturalis Historia.^[6]

К 12-13 векам нашей эры магнитные компасы использовались для навигации в Китае, Европе, на Аравийском полуострове и в других местах.^[7]

Физика

Магнитное поле

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

Воспроизвести медиа

Обнаружение магнитного поля с помощью компаса и железных опилок

Основная статья: Магнитное поле

В плотность магнитного потока (также называется магнитным B поле или просто магнитное поле, обычно обозначаемое B) это векторное поле. Магнитный B поле вектор в данной точке пространства определяется двумя свойствами:

1. это направление, что по ориентации стрелка компаса.
2. это величина (также называется прочность), который пропорционален тому, насколько сильно стрелка компаса ориентирована в этом направлении.

В SI ед., сила магнитного B поле дано в теслас.^[8]

Магнитный момент

Основная статья: Магнитный момент

Магнитный момент магнита (также называемый магнитным дипольным моментом и обычно обозначаемый μ) это вектор который характеризует общие магнитные свойства магнита. Для стержневого магнита направление магнитного момента указывает от южного полюса магнита к его северному полюсу,^[9] а величина относится к тому, насколько сильны и насколько далеко друг от друга находятся эти полюса. В SI единиц, магнитный момент указывается в А · м² (амперы на квадратные метры).

Магнит создает собственное магнитное поле и реагирует на магнитные поля. Сила создаваемого им магнитного поля в любой заданной точке пропорциональна величине его магнитного момента. Кроме того, когда магнит помещается во внешнее магнитное поле, создаваемое другим источником, он подвергается воздействию крутящий момент стремясь ориентировать магнитный момент параллельно полю.^[10] Величина этого крутящего момента пропорциональна как магнитному моменту, так и внешнему полю. На магнит также может действовать сила, движущая его в том или ином направлении, в зависимости от положений и ориентации магнита и источника. Если поле однородно в пространстве, магнит не подвергается действию результирующей силы, хотя на него действует крутящий момент.^[11]

Проволока в форме круга с площадью А и переноска текущий я имеет магнитный момент величиной, равной IA.

Намагничивание

Основная статья: Намагничивание

Намагниченность намагниченного материала - это локальное значение его магнитного момента на единицу объема, обычно обозначаемое M, с единицами А /м.^[12] Это векторное поле, а не просто вектор (например, магнитный момент), потому что разные области в магните могут быть намагничены с разными направлениями и силой (например, из-за доменов, см. ниже). Хороший стержневой магнит может иметь магнитный момент величиной 0,1 А • м.² и объемом 1 см.³, или 1 × 10⁻⁶ м³, и, следовательно, средняя величина намагниченности составляет 100 000 А / м. Намагниченность железа может составлять около миллиона ампер на метр. Такое большое значение объясняет, почему железные магниты так эффективны при создании магнитных полей.

Моделирующие магниты

Поле цилиндрического стержневого магнита рассчитано точно

Смотрите также: Два определения момента

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

Хотя для многих целей удобно думать о магните как о наличии различных северных и южных магнитных полюсов, понятие полюсов не следует понимать буквально: это просто способ обозначения двух разных концов магнита. Магнит не имеет четких северных или южных частиц на противоположных сторонах. Если стержневой магнит разбивается на две части, пытаясь разделить северный и южный полюса, в результате получится два стержневых магнита, каждый из которых имеет как северный, так и южный полюс. Тем не менее, версия подхода с использованием магнитного полюса используется профессиональными магнетиками для разработки постоянных магнитов.^{[нужна цитата ]}

При таком подходе расхождение намагниченности ∇ ·M внутри магнита и компонента нормали к поверхности M·п рассматриваются как распределение магнитные монополи. Это математическое удобство и не означает, что на самом деле в магните есть монополи. Если распределение магнитных полюсов известно, то модель полюсов дает магнитное поле ЧАС. Вне магнита поле B пропорционально ЧАС, а внутри намагниченность должна быть добавлена ​​к ЧАС. Расширение этого метода, учитывающее внутренние магнитные заряды, используется в теориях ферромагнетизма.

Другая модель - это Ампер модель, в которой вся намагниченность обусловлена ​​действием микроскопических или атомных круговых связанные токи, также называемые амперскими токами, на протяжении всего материала. Для равномерно намагниченного цилиндрического стержневого магнита суммарный эффект микроскопических связанных токов заставляет магнит вести себя так, как будто существует макроскопический лист электрический ток обтекающая поверхность с местным направлением потока, нормальным к оси цилиндра.^[13] Микроскопические токи в атомах внутри материала обычно компенсируются токами в соседних атомах, так что только поверхность вносит чистый вклад; сбрить внешний слой магнита будет не разрушит его магнитное поле, но оставит новую поверхность невозмущенных токов от круговых токов по всему материалу.^[14] В правило правой руки сообщает, в каком направлении течет положительно заряженный ток. Однако на практике гораздо более распространен ток из-за отрицательно заряженного электричества.^{[нужна цитата ]}

Полярность

Северный полюс магнита определяется как полюс, который при свободном подвешивании магнита указывает на Землю. Северный магнитный полюс в Арктике (магнитный и географический полюсы не совпадают, см. магнитное склонение ). Поскольку противоположные полюса (северный и южный) притягиваются, Северный магнитный полюс фактически является юг полюс магнитного поля Земли.^{[15][16][17][18]} На практике, чтобы сказать, какой столб Если магнит - это север, а какой - юг, то магнитное поле Земли использовать совсем не обязательно. Например, один из способов - сравнить его с электромагнит, полюса которого можно определить по правило правой руки. Считается, что силовые линии магнитного поля магнита выходят из северного полюса магнита и повторно входят в южный полюс.^[18]

Магнитные материалы

Основная статья: Магнетизм

Период, термин магнит обычно используется для объектов, которые создают собственное постоянное магнитное поле даже в отсутствие приложенного магнитного поля. Это могут сделать только определенные классы материалов. Однако большинство материалов создают магнитное поле в ответ на приложенное магнитное поле - явление, известное как магнетизм. Есть несколько типов магнетизма, и все материалы обладают хотя бы одним из них.

Общее магнитное поведение материала может широко варьироваться в зависимости от структуры материала, особенно от его электронная конфигурация. В различных материалах наблюдались несколько форм магнитного поведения, в том числе:

• Ферромагнетик и ферримагнитный материалы обычно считаются магнитными; они притягиваются к магниту достаточно сильно, чтобы это притяжение можно было почувствовать. Эти материалы - единственные, которые могут сохранять намагниченность и становиться магнитами; распространенный пример - традиционный магнит на холодильник. Ферримагнитные материалы, в том числе ферриты и самые старые магнитные материалы магнетит и магнит, похожи на ферромагнетики, но слабее их. Разница между ферро- и ферримагнетиками связана с их микроскопической структурой, как объясняется в Магнетизм.
• Парамагнитный вещества, такие как платина, алюминий, и кислород, слабо притягиваются к любому полюсу магнита. Это притяжение в сотни тысяч раз слабее, чем у ферромагнитных материалов, поэтому его можно обнаружить только с помощью чувствительных инструментов или чрезвычайно сильных магнитов. Магнитный феррожидкости Хотя они состоят из крошечных ферромагнитных частиц, взвешенных в жидкости, иногда их считают парамагнитными, поскольку они не могут быть намагничены.
• Диамагнитный значит отталкивается обоими полюсами. По сравнению с парамагнитными и ферромагнитными веществами, диамагнитными веществами, такими как углерод, медь, воды, и пластик, еще слабее отталкиваются магнитом. Магнитная проницаемость диамагнитных материалов меньше проницаемость вакуума. Все вещества, не обладающие одним из других типов магнетизма, диамагнитны; это включает большинство веществ. Хотя сила, действующая на диамагнитный объект со стороны обычного магнита, слишком мала, чтобы ее можно было почувствовать, использование чрезвычайно сильных сверхпроводящие магниты, диамагнитные объекты, такие как вести и даже мыши^[19] может быть левитировал, поэтому они парят в воздухе. Сверхпроводники отталкивают магнитные поля от их внутренней части и сильно диамагнитны.

Существуют различные другие типы магнетизма, такие как спин-стекло, суперпарамагнетизм, супердиамагнетизм, и метамагнетизм.

Общее использование

Жесткие диски запись данных на тонком магнитном покрытии

Магнитный ручной сепаратор для тяжелых минералов

• Магнитный носитель записи: VHS ленты содержат катушку магнитная лента. Информация, из которой состоят видео и звук, закодирована на магнитном покрытии ленты. Общие аудиокассеты также полагайтесь на магнитную ленту. Точно так же в компьютерах дискеты и жесткие диски запись данных на тонком магнитном покрытии.^[20]
• Кредит, дебет, и банкомат карты: Все эти карты имеют магнитную полосу с одной стороны. Эта полоса кодирует информацию для связи с финансовым учреждением физического лица и подключения к его счету (-ам).^[21]
• Старые типы телевизоры (не плоский экран) и более старые большие компьютерные мониторы: Экраны телевизоров и компьютеров, на которых электронно-лучевая трубка использовать электромагнит для направления электронов на экран.^[22]
• Динамики и микрофоны: В большинстве динамиков используется постоянный магнит и катушка с током для преобразования электрической энергии (сигнала) в механическую энергию (движение, создающее звук). Катушка намотана на бобина прикреплен к динамику конус и передает сигнал в виде изменяющегося тока, который взаимодействует с полем постоянного магнита. В звуковая катушка чувствует магнитную силу и в ответ перемещает конус и сжимает соседний воздух, создавая тем самым звук. В динамических микрофонах используется та же концепция, но наоборот. Микрофон имеет диафрагму или мембрану, прикрепленную к катушке с проволокой. Катушка находится внутри магнита особой формы. Когда звук вызывает вибрацию мембраны, вибрирует и катушка. Когда катушка движется через магнитное поле, напряжение составляет индуцированный поперек катушки. Это напряжение возбуждает в проводе ток, характерный для исходного звука.
• Электрогитары использовать магнитный пикапы преобразовать вибрацию гитарных струн в электрический ток, который затем может быть усиленный. Это отличается от принципа, лежащего в основе динамика и динамического микрофона, потому что вибрации воспринимаются непосредственно магнитом, а диафрагма не используется. В Орган Хаммонда использовали аналогичный принцип с вращением Tonewheels вместо струн.
• Электродвигатели и генераторы: Некоторые электродвигатели используют комбинацию электромагнита и постоянного магнита и, как и громкоговорители, преобразуют электрическую энергию в механическую. С генератором все наоборот: он преобразует механическую энергию в электрическую, перемещая проводник через магнитное поле.
• Лекарство: Больницы используют магнитно-резонансная томография выявить проблемы в органах пациента без инвазивного хирургического вмешательства.
• Химия: Химики используют ядерный магнитный резонанс для характеристики синтезированных соединений.
• Патроны используются в металлообработка поле для хранения объектов. Магниты также используются в других типах крепежных устройств, таких как магнитное основание, то магнитный зажим и магнит на холодильник.
• Компасы: Компас (или морской компас) - это намагниченный указатель, который свободно выравнивается с магнитным полем, чаще всего Магнитное поле Земли.
• Искусство: Магнитные виниловые листы можно прикреплять к картинам, фотографиям и другим декоративным изделиям, что позволяет прикреплять их к холодильникам и другим металлическим поверхностям. Объекты и краски можно наносить непосредственно на поверхность магнита для создания коллажей. Магнитное искусство портативно, недорого и легко в создании. Виниловое магнитное искусство больше не для холодильника. Цветные металлические магнитные доски, полосы, двери, микроволновые печи, посудомоечные машины, автомобили, металлические двутавровые балки и любая металлическая поверхность могут быть восприимчивы к магнитному виниловому искусству. Поскольку этот материал является относительно новым средством для искусства, творческое использование этого материала только начинается.
• Научные проекты: Многие тематические вопросы основаны на магнитах, включая отталкивание токоведущих проводов, влияние температуры и двигатели, использующие магниты.^[23]

Магниты находят множество применений в игрушки. M-tic использует магнитные стержни, соединенные с металлическими сферами для строительство. Обратите внимание на геодезический тетраэдр

• Игрушки: Учитывая их способность противодействовать силе тяжести на близком расстоянии, магниты часто используются в детских игрушках, таких как Магнитное космическое колесо и Левитрон, с забавным эффектом.
• Магниты на холодильник используются для украшения кухонь, как сувенир или просто поднесите записку или фотографию к дверце холодильника.
• Магниты можно использовать для изготовления украшений. Ожерелья и браслеты могут иметь магнитную застежку или могут быть полностью сконструированы из связанного ряда магнитов и железных бусин.
• Магниты могут захватывать магнитные предметы (железные гвозди, скобы, кнопки, канцелярские скрепки), которые либо слишком малы, либо труднодоступны, либо слишком тонкие для пальцев. Некоторые отвертки для этого намагничиваются.
• Магниты можно использовать в операциях по утилизации лома и утилизации для отделения магнитных металлов (железа, кобальта и никеля) от немагнитных металлов (алюминия, цветных сплавов и т. Д.). Та же идея может быть использована в так называемом «магнитном испытании», в котором автомобильный кузов осматривается с помощью магнита для обнаружения участков, отремонтированных с помощью стекловолокна или пластиковой замазки.
• Магниты используются в обрабатывающей промышленности, особенно в пищевой, для удаления металлических инородных тел с материалов, поступающих в процесс (сырье), или для обнаружения возможного загрязнения в конце процесса и перед упаковкой. Они составляют важный уровень защиты технологического оборудования и конечного потребителя.^[24]
• Транспорт на магнитной подушке или маглев, это вид транспорта, который подвешивает, направляет и приводит в движение транспортные средства (особенно поезда) за счет электромагнитной силы. Устранение сопротивление качению увеличивает эффективность. Максимальная зарегистрированная скорость поезда на магнитной подвеске составляет 581 километр в час (361 миль в час).
• Магниты могут использоваться в качестве безотказный устройство для некоторых кабельных соединений. Например, шнуры питания некоторых ноутбуков являются магнитными, чтобы предотвратить случайное повреждение порта при спотыкании. В MagSafe подключение питания к Apple MacBook является одним из таких примеров.

Медицинские вопросы и безопасность

Поскольку человеческие ткани имеют очень низкий уровень восприимчивости к статическим магнитным полям, существует мало основных научных данных, показывающих влияние на здоровье, связанное с воздействием статических полей. Однако динамические магнитные поля могут быть другой проблемой; корреляция между электромагнитным излучением и заболеваемостью раком была постулирована из-за демографических корреляций (см. Электромагнитное излучение и здоровье ).

Если в ткани человека присутствует ферромагнитное инородное тело, внешнее магнитное поле, взаимодействующее с ним, может представлять серьезную угрозу безопасности.^[25]

Другой тип косвенного магнитного риска для здоровья связан с кардиостимуляторами. Если кардиостимулятор был встроен в грудную клетку пациента (обычно с целью мониторинга и регулирования сердца для устойчивых электрически индуцированных удары ), следует соблюдать осторожность, чтобы держать его подальше от магнитных полей. Именно по этой причине пациент с установленным устройством не может быть обследован с использованием устройства магнитно-резонансной томографии.

Дети иногда проглатывают небольшие магниты из игрушек, и это может быть опасно при проглатывании двух или более магнитов, поскольку магниты могут защемить или проколоть внутренние ткани.^[26]

Устройства магнитной визуализации (например, МРТ) создают огромные магнитные поля, и поэтому помещения, предназначенные для их хранения, исключают использование черных металлов. Перенос предметов из черных металлов (например, баллонов с кислородом) в такую ​​комнату создает серьезную угрозу безопасности, поскольку эти предметы могут быть сильно брошены сильными магнитными полями.

Намагничивающие ферромагнетики

Смотрите также: Остроту

Ферромагнетик материалы могут быть намагничены следующими способами:

• Нагрев объекта выше его Температура Кюри, давая ему остыть в магнитном поле и ударяя по нему, пока он остывает. Это наиболее эффективный метод, аналогичный промышленным процессам, используемым для создания постоянных магнитов.
• Помещение предмета во внешнее магнитное поле приведет к тому, что предмет сохранит часть магнетизма при удалении. Вибрация было показано, что усиливает эффект. Было показано, что железные материалы, выровненные с магнитным полем Земли, подверженные вибрации (например, рама конвейера), приобретают значительный остаточный магнетизм. Точно так же удары молотка по стальному гвоздю, удерживаемому пальцами в направлении север-юг, временно намагнитят гвоздь.
• Поглаживание: существующий магнит многократно перемещается от одного конца предмета к другому в одном и том же направлении (одно касание метод) или два магнита перемещаются наружу из центра третьего (двойное касание метод).^[27]
• Электрический ток: магнитное поле, создаваемое прохождением электрического тока через катушку, может привести к выравниванию доменов. Когда все домены выстроены в линию, увеличение тока не приведет к увеличению намагниченности.^[28]

Размагничивающие ферромагнетики

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

• Обогрев магнит мимо его Температура Кюри; движение молекул нарушает выравнивание магнитных доменов. Это всегда удаляет всякое намагничивание.
• Поместите магнит в переменное магнитное поле с интенсивностью выше коэрцитивной силы материала и затем либо медленно вытяните магнит, либо медленно уменьшите магнитное поле до нуля. Этот принцип используется в коммерческих размагничивающих устройствах для размагничивания инструментов, стирания данных кредитных карт, жесткие диски, и катушки размагничивания используется для размагничивания ЭЛТ.
• Некоторое размагничивание или обратное намагничивание произойдет, если какая-либо часть магнита подвергнется воздействию обратного поля над магнитным материалом. принуждение.
• Размагничивание происходит постепенно, если магнит подвергается воздействию циклических полей, достаточных для перемещения магнита от линейной части во втором квадранте кривой B-H магнитного материала (кривая размагничивания).
• Удары или сотрясения: механическое возмущение приводит к случайному расположению магнитных доменов и уменьшению намагниченности объекта, но может вызвать неприемлемые повреждения.

Типы постоянных магнитов

Стопка ферритовые магниты

Магнитные металлические элементы

Многие материалы имеют неспаренные электронные спины, и большинство из этих материалов являются парамагнитный. Когда спины взаимодействуют друг с другом таким образом, что спины выравниваются самопроизвольно, материалы называются ферромагнитный (то, что часто называют магнитным). Из-за того, как они регулярно кристаллический атомная структура заставляет их вращения взаимодействовать, некоторые металлы ферромагнитны, когда находятся в их естественном состоянии, так как руды. Они включают Железный (магнетит или магнит ), кобальт и никель, а также редкоземельные металлы гадолиний и диспрозий (при очень низкой температуре). Такие ферромагнетики природного происхождения использовались в первых экспериментах с магнетизмом. С тех пор технология расширила доступность магнитных материалов, включив в них различные искусственные изделия, однако все они основаны на естественных магнитных элементах.

Композиты

Керамический, или феррит, магниты сделаны из спеченный составной порошка оксида железа и карбоната бария / стронция керамика. Учитывая низкую стоимость материалов и методов производства, недорогие магниты (или немагнитные ферромагнитные сердечники для использования в электронные компоненты такие как портативные радиоантенны AM ) различной формы могут быть легко произведены серийно. Полученные магниты не подвержены коррозии, но хрупкий и с ней нужно обращаться как с другой керамикой.

Алнико магниты сделаны Кастинг или спекание сочетание алюминий, никель и кобальт с участием утюг и небольшое количество других элементов, добавленных для улучшения свойств магнита. Спекание обеспечивает превосходные механические характеристики, в то время как литье обеспечивает более высокие магнитные поля и позволяет создавать изделия сложной формы. Магниты Alnico устойчивы к коррозии и обладают более мягкими физическими свойствами, чем феррит, но не такими желательными, как металл. Торговые наименования сплавов этого семейства включают: Ални, Алкомакс, Гикомакс, Колумакс, и Ticonal.^[29]

Литье под давлением магниты составной различных видов смола и магнитные порошки, позволяющие изготавливать детали сложной формы путем литья под давлением.Физические и магнитные свойства продукта зависят от сырья, но, как правило, обладают меньшей магнитной прочностью и похожи на пластмассы по своим физическим свойствам.

Гибкие магниты состоят из высоко-принуждение ферромагнитный соединение (обычно оксид железа ) смешанный с пластиковым связующим. Его экструдируют в виде листа и пропускают через ряд мощных цилиндрических постоянных магнитов. Эти магниты расположены в стопке с чередующимися магнитными полюсами вверх (N, S, N, S ...) на вращающемся валу. Это впечатляет пластиковый лист с магнитными полюсами в формате чередующихся линий. Для создания магнитов не используется электромагнетизм. Межполюсное расстояние составляет порядка 5 мм, но зависит от производителя. Эти магниты обладают меньшей магнитной силой, но могут быть очень гибкими в зависимости от используемого связующего.^[30]

Редкоземельные магниты

Магниты овальной формы (возможно Гематин ), один висит на другом

Основная статья: Редкоземельный магнит

Редкоземельный (лантаноид ) элементы частично заняты ж электронная оболочка (вмещающий до 14 электронов). Спин этих электронов может быть выровнен, что приводит к очень сильным магнитным полям, и поэтому эти элементы используются в компактных высокопрочных магнитах, где их более высокая цена не вызывает беспокойства. Наиболее распространенные типы редкоземельных магнитов: самарий-кобальт и неодим-железо-бор (NIB) магниты.

Одномолекулярные магниты (SMM) и одноцепочечные магниты (SCM)

Основная статья: Одномолекулярный магнит

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

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

Большинство SMM содержат марганец, но его также можно найти в кластерах ванадия, железа, никеля и кобальта. Совсем недавно было обнаружено, что некоторые цепные системы могут также проявлять намагниченность, которая сохраняется в течение длительного времени при более высоких температурах. Эти системы получили название одноцепочечных магнитов.

Нано-структурированные магниты

Некоторые наноструктурированные материалы проявляют энергию волны, называется магноны, которые сливаются в общее основное состояние в виде Конденсат Бозе – Эйнштейна.^[31][32]

Постоянные магниты, не содержащие редкоземельных элементов

В Министерство энергетики США определила необходимость поиска заменителей редкоземельных металлов в технологии постоянных магнитов и начала финансирование таких исследований. В Агентство перспективных исследовательских проектов - Энергия (ARPA-E) спонсирует программу «Альтернативы редкоземельных элементов в критических технологиях» (REACT) по разработке альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделило 31,6 миллиона долларов на финансирование проектов по замене редкоземельных элементов.^[33]

Расходы

Электрический ток^{[Обновить]} Самые дешевые постоянные магниты с учетом напряженности поля - это гибкие керамические магниты, но они также относятся к самым слабым типам. Ферритовые магниты - это в основном недорогие магниты, так как они изготавливаются из дешевого сырья: оксида железа и карбоната Ba или Sr. Однако новый недорогой магнит, сплав Mn-Al,^[34] был разработан и в настоящее время доминирует в области недорогих магнитов. Он имеет более высокую намагниченность насыщения, чем ферритовые магниты. Он также имеет более благоприятные температурные коэффициенты, хотя может быть термически нестабильным.Неодим-железо-бор (НИБ) магниты - одни из самых сильных. Они стоят больше за килограмм, чем большинство других магнитных материалов, но из-за их интенсивного поля они меньше и дешевле во многих приложениях.^[35]

Температура

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

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

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

Электромагниты

Основная статья: Электромагнит

Электромагнит в своей простейшей форме представляет собой провод, скрученный в одну или несколько петель, известных как соленоид. Когда электрический ток течет по проводу, создается магнитное поле. Он сосредоточен около (и особенно внутри) катушки, и его силовые линии очень похожи на силовые линии магнита. Ориентация этого эффективного магнита определяется правило правой руки. Магнитный момент и магнитное поле электромагнита пропорциональны количеству витков провода, поперечному сечению каждого витка и току, проходящему через провод.^[36]

Если катушка с проволокой наматывается на материал без особых магнитных свойств (например, картон), он будет генерировать очень слабое поле. Однако если его обернуть вокруг мягкого ферромагнитного материала, такого как железный гвоздь, то создаваемое чистое поле может привести к увеличению напряженности поля в несколько сотен или тысяч раз.

Использование электромагнитов включает ускорители частиц, электродвигатели, краны для свалок и магнитно-резонансная томография машины. Некоторые приложения включают конфигурации больше, чем простой магнитный диполь; Например, квадруполь и секступольные магниты привыкли фокус пучки частиц.

Единицы и расчеты

Основная статья: Магнитостатика

Для большинства инженерных приложений MKS (рационализированный) или SI Обычно используются единицы (Système International). Два других набора юнитов, Гауссовский и CGS-EMU, одинаковы для магнитных свойств и обычно используются в физике.^{[нужна цитата ]}

Во всех устройствах удобно использовать два типа магнитного поля: B и ЧАС, так же хорошо как намагничивание M, определяемый как магнитный момент на единицу объема.

1. Поле магнитной индукции B дается в единицах СИ - тесла (Т). B это магнитное поле, изменение которого во времени создает, согласно закону Фарадея, циркулирующие электрические поля (которые продают энергетические компании). B также создает отклоняющую силу на движущиеся заряженные частицы (как в телевизионных трубках). Тесла эквивалентна магнитному потоку (в веберах) на единицу площади (в квадратных метрах), что дает B единица плотности потока. В CGS единица измерения B это гаусс (G). Одна тесла равна 10⁴ Г.
2. Магнитное поле ЧАС дается в единицах СИ - ампер-витках на метр (А-виток / м). В повороты появляются потому что когда ЧАС производится токоведущим проводом, его величина пропорциональна количеству витков этого провода. В CGS единица измерения ЧАС это эрстед (эрстед). Один разворот / м равен 4π × 10⁻³ Э.
3. Намагниченность M дается в единицах СИ - амперах на метр (А / м). В CGS единица измерения M это эрстед (эрстед). Один А / м равен 10⁻³ эму / см³. Хороший постоянный магнит может иметь намагниченность до миллиона ампер на метр.
4. В единицах СИ отношение B = μ₀(ЧАС + M), где μ₀ - проницаемость пространства, равная 4π × 10⁻⁷ Т • м / А. В CGS это записывается как B = ЧАС + 4πM. (Полюсный подход дает μ₀ЧАС в единицах СИ. А μ₀M термин в СИ должен затем дополнить это μ₀ЧАС чтобы дать правильное поле внутри B, магнит. Согласен с полем B рассчитано с использованием амперских токов).

Материалы, которые не являются постоянными магнитами, обычно удовлетворяют соотношению M = χЧАС в СИ, где χ - (безразмерная) магнитная восприимчивость. Большинство немагнитных материалов имеют относительно небольшие размеры. χ (порядка миллионной), но мягкие магниты могут иметь χ порядка сотен или тысяч. Для материалов, удовлетворяющих M = χЧАС, мы также можем написать B = μ₀(1 + χ)ЧАС = μ₀μ_рЧАС = μЧАС, где μ_р = 1 + χ - (безразмерная) относительная проницаемость, а μ = μ₀μ_р - магнитная проницаемость. И твердый, и мягкий магниты имеют более сложное, зависящее от истории поведение, описываемое так называемыми петли гистерезиса, которые дают либо B vs. ЧАС или M vs. ЧАС. В CGS, M = χЧАС, но χ_SI = 4πχ_CGS, и μ = μ_р.

Внимание: отчасти из-за того, что не хватает римских и греческих символов, нет общепринятого символа для силы магнитного полюса и магнитного момента. Символ м используется как для определения силы полюса (единица измерения А • м, где вертикальное значение - метр), так и для магнитного момента (единица измерения А • м²). Символ μ в одних текстах используется для определения магнитной проницаемости, а в других - для определения магнитного момента. Мы будем использовать μ на магнитную проницаемость и м по магнитному моменту. Для силы полюсов мы будем использовать q_м. Для стержневого магнита поперечного сечения А с равномерным намагничиванием M вдоль его оси сила полюса определяется выражением q_м = MA, так что M можно рассматривать как силу полюса на единицу площади.

Поля магнита

Силовые линии цилиндрических магнитов с различным соотношением сторон

Вдали от магнита магнитное поле, создаваемое этим магнитом, почти всегда описывается (в хорошем приближении) дипольное поле характеризуется своим суммарным магнитным моментом. Это верно независимо от формы магнита, пока магнитный момент не равен нулю. Одной из характеристик дипольного поля является то, что сила поля спадает обратно пропорционально кубу расстояния от центра магнита.

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

С близкого расстояния возможно множество различных полей. Например, для длинного тонкого стержневого магнита с северным полюсом на одном конце и южным полюсом на другом, магнитное поле на обоих концах падает обратно пропорционально квадрат расстояния с этого полюса.

Расчет магнитной силы

Основная статья: сила между магнитами

Сила тяги одного магнита

Сила данного магнита иногда выражается в сила тяги - его способность тянуть ферромагнитный объекты.^[37] Сила тяги, создаваемая либо электромагнитом, либо постоянным магнитом без воздушного зазора (т.е. ферромагнитный объект находится в прямом контакте с полюсом магнита.^[38]) дается Уравнение Максвелла:^[39]

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

где

F сила (единица СИ: ньютон )

А это сечение площади опоры в квадратных метрах

B это магнитная индукция, создаваемая магнитом

Этот результат легко получить, используя Модель Гилберта, что предполагает, что полюс магнита заряжен магнитные монополи что вызывает то же самое в ферромагнитном объекте.

Если магнит действует вертикально, он может поднять массу м в килограммах, заданных простым уравнением:

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

где g - это гравитационное ускорение.

Сила между двумя магнитными полюсами

Дальнейшая информация: Магнитный момент § Силы между двумя магнитными диполями

Классически, сила между двумя магнитными полюсами определяется выражением:^[40]

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

где

F сила (единица СИ: ньютон )

q_м1 и q_м2 - величины магнитных полюсов (единица СИ: амперметр )

μ это проницаемость промежуточной среды (единица СИ: тесла метр на ампер, генри на метр или ньютон на ампер в квадрате)

р это разделение (единица СИ: метр).

Описание полюса полезно инженерам, разрабатывающим реальные магниты, но у настоящих магнитов распределение полюсов более сложное, чем север и юг. Поэтому реализовать идею полюса непросто. В некоторых случаях может оказаться более полезной одна из более сложных формул, приведенных ниже.

Сила между двумя соседними намагниченными поверхностями области А

Механическую силу между двумя соседними намагниченными поверхностями можно рассчитать с помощью следующего уравнения. Уравнение справедливо только для случаев, когда влияние окантовка незначительна, а объем воздушного зазора намного меньше, чем у намагниченного материала:^[41][42]

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

где:

А площадь каждой поверхности, м²

ЧАС их намагничивающее поле, в А / м

μ₀ - проницаемость пространства, равная 4π × 10⁻⁷ Т • м / А

B - плотность потока в Т.

Сила между двумя стержневыми магнитами

Сила между двумя одинаковыми цилиндрическими стержневыми магнитами, расположенными встык на большом расстоянии. ${\displaystyle z\gg R}$ приблизительно:^{[сомнительный ]},^[41]

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

где:

B₀ - плотность магнитного потока, очень близкая к каждому полюсу, в Тл,

А площадь каждого полюса, м²,

L - длина каждого магнита в м,

р - радиус каждого магнита в м, и

z расстояние между двумя магнитами в м.

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

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

Сила между двумя цилиндрическими магнитами

Для двух цилиндрических магнитов с радиусом ${\displaystyle R}$ и длина ${\displaystyle L}$, когда их магнитный диполь выровнен, сила может быть асимптотически аппроксимирована на большом расстоянии ${\displaystyle z\gg R}$ от,^[43]

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

где ${\displaystyle M}$ - намагниченность магнитов и ${\displaystyle z}$ это зазор между магнитами. измерение плотности магнитного потока очень близко к магниту ${\displaystyle B_{0}}$ относится к ${\displaystyle M}$ приблизительно по формуле

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

Эффективный магнитный диполь можно записать как

${\displaystyle m=MV}$

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

Когда ${\displaystyle z\gg L}$получается приближение точечного диполя,

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

что соответствует выражению силы между двумя магнитными диполями.

Смотрите также

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

Заметки

1. Платонис Опера В архиве 2018-01-14 в Wayback Machine, Мейер и Целлер, 1839, стр. 989.
2. Местоположение Магнезии обсуждается; возможно регион в материковой Греции или Магнезия и сипилум. См., Например, "Магнит". Блог Language Hat. 28 мая 2005 г. В архиве из оригинала 19 мая 2012 г.. Получено 22 марта 2013.
3. Фаулер, Майкл (1997). «Исторические истоки теорий электричества и магнетизма». Архивировано из оригинал на 2008-03-15. Получено 2008-04-02.
4. Ваулс, Хью П. (1932). «Ранняя эволюция энергетики». Исида. 17 (2): 412–420 [419–20]. Дои:10.1086/346662. S2CID  143949193.
5. Ли Шу-хуа (1954). "Origine de la Boussole II. Aimant et Boussole". Исида. 45 (2): 175–196. Дои:10.1086/348315. JSTOR  227361. S2CID  143585290.
6. Плиний Старший, Естественная история, КНИГА XXXIV. ЕСТЕСТВЕННАЯ ИСТОРИЯ МЕТАЛЛОВ., ГЛАВА. 42. — Металл, называемый живым железом. В архиве 2011-06-29 на Wayback Machine. Perseus.tufts.edu. Проверено 17 мая 2011.
7. Шмидл, Петра Г. (1996–1997). «Два ранних арабских источника о магнитном компасе» (PDF). Журнал арабских и исламских исследований. 1: 81–132. Дои:10.5617 / jais.4547. В архиве (PDF) из оригинала от 24.05.2012.
8. Гриффитс, Дэвид Дж. (1999). Введение в электродинамику (3-е изд.). Prentice Hall. стр.255–8. ISBN  0-13-805326-X. OCLC  40251748.
9. Найт, Джонс и Филд, "College Physics" (2007), стр. 815.
10. Каллити, Б. Д. и Грэм, К. Д. (2008). Введение в магнитные материалы (2-е изд.). Wiley-IEEE Press. п. 103. ISBN  978-0-471-47741-9.
11. Бойер, Тимоти Х. (1988). «Сила на магнитном диполе». Американский журнал физики. 56 (8): 688–692. Bibcode:1988AmJPh..56..688B. Дои:10.1119/1.15501.
12. «Единицы измерения магнитных свойств» (PDF). Lake Shore Cryotronics, Inc. Архивировано с оригинал (PDF) на 2011-07-14. Получено 2012-11-05.
13. Аллен, Захария (1852 г.). Философия механики природы, источника и способов действия естественной движущей силы. Д. Эпплтон и компания. п.252.
14. Саслоу, Уэйн М. (2002). Электричество, магнетизм и свет (3-е изд.). Академическая пресса. п. 426. ISBN  978-0-12-619455-5. В архиве из оригинала 27.06.2014.
15. Serway, Raymond A .; Крис Вуйль (2006). Основы физики в колледже. США: Cengage Learning. п. 493. ISBN  0-495-10619-4. В архиве из оригинала от 04.06.2013.
16. Эмилиани, Чезаре (1992). Планета Земля: космология, геология и эволюция жизни и окружающей среды. Великобритания: Издательство Кембриджского университета. п. 228. ISBN  0-521-40949-7. В архиве из оригинала от 24.12.2016.
17. Манеры, радость (2000). Статические поля и потенциалы. США: CRC Press. п. 148. ISBN  0-7503-0718-8. В архиве из оригинала от 24.12.2016.
18. Нейв, Карл Р. (2010). "Стержневой магнит". Гиперфизика. Кафедра физики и астрономии, Georgia State Univ. В архиве из оригинала 2011-04-08. Получено 2011-04-10.
19. Мыши левитировали в лаборатории НАСА В архиве 2011-02-09 в Wayback Machine. Livescience.com (09.09.2009). Проверено 8 октября 2011.
20. Мэллинсон, Джон С. (1987). Основы магнитной записи (2-е изд.). Академическая пресса. ISBN  0-12-466626-4.
21. «Полоса на кредитной карте». Как это работает. Архивировано из оригинал на 2011-06-24. Получено 19 июля 2011.
22. «Электромагнитное отклонение в электронно-лучевой трубке, I». Национальная лаборатория сильного магнитного поля. Архивировано из оригинал 3 апреля 2012 г.. Получено 20 июля 2011.
23. «Закуски о магнетизме». Закуски Exploratorium Science. Эксплораториум. Архивировано из оригинал 7 апреля 2013 г.. Получено 17 апреля 2013.
24. «Архивная копия». В архиве с оригинала на 2017-05-10. Получено 2016-12-05. Источник на магнитах в обрабатывающей промышленности
25. Шенк Дж. Ф. (2000). «Безопасность сильных, статических магнитных полей». J Магнитно-резонансная томография. 12 (1): 2–19. Дои:10.1002 / 1522-2586 (200007) 12: 1 <2 :: AID-JMRI2> 3.0.CO; 2-В. PMID  10931560.
26. Острейх А.Е. (2008). «Всемирное исследование ущерба от проглатывания нескольких магнитов». Педиатр Радиол. 39 (2): 142–7. Дои:10.1007 / s00247-008-1059-7. PMID  19020871. S2CID  21306900.
27. Маккензи, А. Э. Э. (1961). Магнетизм и электричество. Кембридж. С. 3–4.
28. «Ферромагнитные материалы». Phares Electronics. Архивировано из оригинал 27 июня 2015 г.. Получено 26 июн 2015.
29. Брэди, Джордж Стюарт; Генри Р. Клаузер; Джон А. Ваккари (2002). Справочник по материалам: энциклопедия для менеджеров. McGraw-Hill Professional. п. 577. ISBN  0-07-136076-X. В архиве из оригинала от 24.12.2016.
30. «Пресс-релиз: Магнит на холодильник преобразился». Райкен. 11 марта 2011 г. В архиве с оригинала 7 августа 2017 года.
31. «Наномагнетики нарушают правила». В архиве с оригинала 7 декабря 2005 г.. Получено 14 ноября, 2005.
32. Della Torre, E .; Bennett, L .; Уотсон, Р. (2005). "Расширение Блоха T^3/2 Закон для магнитных наноструктур: конденсация Бозе-Эйнштейна ». Письма с физическими проверками. 94 (14): 147210. Bibcode:2005ПхРвЛ..94н7210Д. Дои:10.1103 / PhysRevLett.94.147210. PMID  15904108.
33. «Финансирование исследований в области постоянных магнитов, не содержащих редкоземельных элементов». ARPA-E. В архиве из оригинала 10 октября 2013 г.. Получено 23 апреля 2013.
34. «Наноструктурированные постоянные магниты из Mn-Al». Получено 18 февраля 2017.
35. Часто задаваемые вопросы В архиве 2008-03-12 на Wayback Machine. Магнитные продажи. Проверено 8 октября 2011.
36. Раскелл, Тодд; Типлер, Пол А .; Моска, Джин (2007). Физика для ученых и инженеров (6 изд.). Пэлгрейв Макмиллан. ISBN  978-1-4292-0410-1.
37. "Сколько будет удерживать магнит?". www.kjmagnetics.com. Получено 2020-01-20.
38. «Разъяснение силы притяжения магнита - что такое сила тяги магнита? | Dura Magnetics USA». Получено 2020-01-20.
39. Кардарелли, Франсуа (2008). Справочник по материалам: краткий настольный справочник (Второе изд.). Springer. п. 493. ISBN  9781846286681. В архиве из оригинала от 24.12.2016.
40. «Основные отношения». Geophysics.ou.edu. Архивировано из оригинал на 2010-07-09. Получено 2009-10-19.
41. «Магнитные поля и силы». Архивировано из оригинал на 2012-02-20. Получено 2009-12-24.
42. «Сила, создаваемая магнитным полем». В архиве из оригинала от 17.03.2010. Получено 2010-03-09.
43. Давид Вокоун; Марко Беледжиа; Людек Хеллер; Петр Ситтнер (2009). «Магнитостатические взаимодействия и силы между цилиндрическими постоянными магнитами». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 321 (22): 3758–3763. Bibcode:2009JMMM..321.3758V. Дои:10.1016 / j.jmmm.2009.07.030.

использованная литература

• «Ранняя история постоянного магнита». Эдвард Невилл Да Коста Андраде, Endeavour, Volume 17, Number 65, January 1958. Содержит прекрасное описание ранних методов производства постоянных магнитов.
• "положительный полюс n". Краткий Оксфордский словарь английского языка. Кэтрин Соунс и Ангус Стивенсон. Oxford University Press, 2004. Oxford Reference Online. Издательство Оксфордского университета.
• Уэйн М. Саслоу, Электричество, магнетизм и свет, Academic (2002). ISBN  0-12-619455-6. В главе 9 обсуждаются магниты и их магнитные поля с использованием концепции магнитных полюсов, но также доказывается, что магнитных полюсов на самом деле не существует в обычной материи. В главах 10 и 11, следуя тому, что кажется подходом XIX века, используется концепция полюса для получения законов, описывающих магнетизм электрических токов.
• Эдвард П. Фурлани, Постоянный магнит и электромеханические устройства: материалы, анализ и применение, Серия Academic Press по электромагнетизму (2001). ISBN  0-12-269951-3.

внешние ссылки

• Как делают магниты (видео)
• Магниты с плавающим кольцом, Вестник IAPT, Том 4, № 6, 145 (июнь 2012). (Публикация Индийская ассоциация учителей физики ).
• Краткая история электричества и магнетизма