Почему магнит. Постоянные магниты, их описание и принцип действия

Где в древности были открыты залежи магнетита .

Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон . Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них . С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном - фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля).

Вебер - магнитный поток, при убывании которого до нуля в сцепленном с ним контуре сопротивлением 1 ом проходит количество электричества 1 кулон .

Генри - международная единица индуктивности и взаимной индукции. Если проводник обладает индуктивностью в 1 Гн и ток в нём равномерно изменяется на 1 А в секунду, то на его концах индуктируется ЭДС в 1 вольт. 1 генри = 1,00052 · 10 9 абсолютных электромагнитных единиц индуктивности.

Тесла - единица измерения индукции магнитного поля в СИ, численно равная индукции такого однородного магнитного поля, в котором на 1 метр длины прямого проводника, перпендикулярного вектору магнитной индукции, с током силой 1 ампер действует сила 1 ньютон.

Использование магнитов

Магнитные носители информации: VHS кассеты содержат катушки из магнитной ленты . Видео и звуковая информация кодируется на магнитном покрытии на ленте. Также в компьютерных дискетах и жёстких дисках запись данных происходит на тонком магнитном покрытии. Однако носители информации не являются магнитами в строгом смысле, так как они не притягивают предметы. Магниты в жёстких дисках используются в ходовом и позиционирующем электродвигателях.
Кредитные , дебетовые , и ATM карты - все эти карточки имеют магнитную полосу на одной стороне. Эта полоса кодирует информацию, необходимую для соединения с финансовым учреждением и связи с их счетами.
Обычные телевизоры и компьютерные мониторы : телевизоры и компьютерные мониторы, содержащие электронно-лучевую трубку используют электромагнит для управления пучком электронов и формирования изображения на экране. Плазменные панели и ЖК-дисплеи используют другие технологии.
Громкоговорители и микрофоны : большинство громкоговорителей используют постоянный магнит и токовую катушку для преобразования электрической энергии (сигнала) в механическую энергию (движение, которое создает звук). Обмотка намотана на катушку , прикрепляется к диффузору и по ней протекает переменный ток, который взаимодействует с полем постоянного магнита.
Другой пример использования магнитов в звукотехнике - в головке звукоснимателя электрофона и в кассетных диктофонах в качестве экономичной стирающей головки.

Магнитный сепаратор тяжёлых минералов

Электродвигатели и генераторы : некоторые электрические двигатели (так же, как громкоговорители) основываются на комбинации электромагнита и постоянного магнита. Они преобразовывают электрическую энергию в механическую энергию. Генератор, наоборот, преобразует механическую энергию в электрическую энергию путем перемещения проводника через магнитное поле.
Трансформаторы : устройства передачи электрической энергии между двумя обмотками провода, которые электрически изолированы, но связаны магнитно.
Магниты используются в поляризованных реле . Такие устройства запоминают своё состояние на время выключения питания.
Компасы : компас (или морской компас) является намагниченным указателем, который может свободно вращаться и ориентируется на направление магнитного поля, чаще всего магнитного поля Земли.
Искусство : виниловые магнитные листы могут быть присоединены к живописи, фотографии и другим декоративным изделиям, что позволяет присоединять их к холодильникам и другим металлическим поверхностям.

Магниты часто используются в игрушках. M-TIC использует магнитные стержни, связанные с металлическими сферами

Магниты редкоземельных элементов яйцеобразной формы, которые притягиваются друг к другу

Игрушки : Учитывая их способность противостоять силе тяжести на близком расстоянии, магниты часто используются в детских игрушках с забавными эффектами.
Магниты могут использоваться для производства ювелирных изделий. Ожерелья и браслеты могут иметь магнитную застёжку, или могут быть изготовлены полностью из серии связанных магнитов и чёрных бусин.
Магниты могут поднимать магнитные предметы (железные гвозди, скобы, кнопки, скрепки), которые либо являются слишком мелкими, либо их трудно достать или они слишком тонкие чтобы держать их пальцами. Некоторые отвертки специально намагничиваются для этой цели.
Магниты могут использоваться при обработке металлолома для отделения магнитных металлов (железа, стали и никеля) от немагнитных (алюминия, цветных сплавов и т. д.). Та же идея может быть использована в рамках так называемого «Магнитного испытания», в которой кузов автомобиля обследуется с магнитом для выявления областей, отремонтированных с использованием стекловолокна или пластиковой шпатлевки.
Маглев : поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является лишь сила аэродинамического сопротивления.
Магниты используются в фиксаторах мебельных дверей.
Если магниты поместить в губки, то эти губки можно использовать для мытья тонких листовых немагнитных материалов сразу с обеих сторон, причём одна сторона может быть труднодоступной. Это могут быть, например, стёкла аквариума или балкона.
Магниты используются для передачи вращающего момента «сквозь» стенку, которой может являться, например, герметичный контейнер электродвигателя. Так была устроена игрушка ГДР «Подводная лодка». Таким же образом в бытовых счётчиках расхода воды передаётся вращение от лопаток датчика на счётный узел.
Магниты совместно с герконом применяются в специальных датчиках положения. Например, в датчиках дверей холодильников и охранных сигнализаций.
Магниты совместно с датчиком Холла используют для определения углового положения или угловой скорости вала.
Магниты используются в искровых разрядниках для ускорения гашения дуги.
Магниты используются при неразрушающем контроле магнитопорошковым методом (МПК)
Магниты используются для отклонения пучков радиоактивных и ионизирующих излучений, например при наблюдении в камерах .
Магниты используются в показывающих приборах с отклоняющейся стрелкой, например, амперметр. Такие приборы весьма чувствительны и линейны.
Магниты применяются в СВЧ вентилях и циркуляторах.
Магниты применяются в составе отклоняющей системы электронно-лучевых трубок для подстройки траектории электронного пучка.
До открытия закона сохранения энергии, было много попыток использовать магниты для построения «вечного двигателя» . Людей привлекала, казалось бы, неисчерпаемая энергия магнитного поля постоянного магнита, которые были известны очень давно. Но рабочий макет так и не был построен.
Магниты применяются в конструкциях бесконтактных тормозов состоящих из двух пластин, одна - магнит, а другая из алюминия. Одна из них жёстко закреплена на раме, другая вращается с валом. Торможение регулируется зазором между ними.

Игрушки из магнитов

Uberorbs
Магнитный конструктор
Магнитная доска для рисования
Магнитные буквы и цифры
Магнитные шашки и шахматы

Медицина и вопросы безопасности

Из-за того, что человеческие ткани имеют очень низкий уровень восприимчивости к статическому магнитному полю , не существует научных доказательств его эффективности для использования в лечении любых заболеваний . По той же причине отсутствуют научные свидетельства опасности для здоровья человека, связанной с воздействием этого поля. Однако если ферромагнитное инородное тело находится в человеческих тканях, магнитное поле будет взаимодействовать с ним, что может представлять собой серьёзную опасность .

Намагничивание

Размагничивание

Иногда намагниченность материалов становится нежелательной и возникает необходимость в их размагничивании. Размагничивание материалов достигается различными способами:

нагревание магнита выше температуры Кюри всегда ведёт к размагничиванию;
поместить магнит в переменное магнитное поле, превышающее коэрцитивную силу материала, а затем постепенно уменьшать воздействие магнитного поля или вывести магнит из него.

Последний способ применяется в промышленности для размагничивания инструментов , жёстких дисков , стирания информации на магнитных карточках и так далее.

Частичное размагничивание материалов происходит в результате ударов, так как резкое механическое воздействие ведёт к разупорядочению доменов.

Примечания

Литература

Савельев И. В. Курс общей физики. - М .: Наука , 1998. - Т. 3. - 336 с. - ISBN 9785020150003

См. также

Магнит содержит в себе миллионы частиц, обладающих крохотной магнитной силой. Эти частицы, выстраиваясь в определенном порядке, создают однонаправленную силу, способную притягивать либо отталкивать некоторые металлы, оказавшиеся в пределах досягаемости магнита или магнитного поля.

Лишь немногие металлы, такие как железо, содержат магнитные частицы. В железе эти частицы легко можно выстроить в нужном порядке, создав, таким образом, магнит. Если вы ударите его молотком, «строй» магнитных частиц нарушится, и железо утратит свою магнитную силу, то есть размагнитится.

Частицы внутри железного магнита
Размагниченные частицы
Гвозди, притянутые к магниту

Как работает магнит на свалке?

Мощные магниты, которые можно включать и выключать, используют на свалках для переноски тяжелых металлических предметов. Эти магниты, именуемые электромагнитами, работают благодаря электрическому току, который, .протекая по проволоке, создает магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. По такому же принципу устроены многие машины, работающие на предприятиях и в ваших домах.

Чтобы изготовить электромагнит, достаточно обмотать электрический провод вокруг бруска легко намагничивающегося металла, например, железа. При пропускании электрического тока магнетизм металлического бруска и обмотанной вокруг него проволоки соединяется, создавая мощное магнитное поле.

Таким образом, когда оператор работающего на свалке магнита хочет поднять с земли кусок металла, он включает ток. Затем оператор приводит в движение подвешенный гигантский магнит и перемещает груз. Чтобы опустить груз оператор отключает ток, и кусок металла падает на землю.

Как работает электромотор?

Если катушку проволоки поместить внутрь магнитного поля и пропустить через нее электрический ток, то магнитное поле, окружающее катушку, будет притягивать ее, заставляя вращаться. Вращательное движение проволочной катушки может передаваться машине, то есть заводить ее. Такое устройство называется электромотором. Электромоторы применяются во многих приборах, таких, как, к примеру, электрический вентилятор или миксер.

О лечебных свойствах магнитов людям было известно с далекой древности. Представление о воздействии магнитного поля у наших предков формировалось постепенно и основывалось на многочисленных наблюдениях. Первые описания того, что дает магнитотерапия человеку, датированы Х веком, когда лекари применяли магниты для лечения спазмов мышц. Позже их стали использовать и для избавления от других недугов.

Влияние магнитов и магнитного поля на организм человека

Магнит считается одним из самых древних открытий, которое было сделано людьми. В природе он встречается в виде магнитного железняка. С давних времен свойства магнита интересовали людей. Его способность вызывать притяжение и отталкивание заставила даже самые древние цивилизации обратить на эту горную породу особое внимание как на уникальное природное творение. То, что население нашей планеты существует в магнитном поле и подвержено его воздействию, а также тот факт, что сама Земля является гигантским магнитом, было известно давно. Многие специалисты полагают, что магнитное поле Земли имеет исключительно благотворное влияние на здоровье всех живых существ на планете, другие же придерживаются иного мнения. Обратимся к истории и посмотрим, как формировалось представление о воздействии магнитного поля.

Магнетизм получил свое название от города Магнесиина-Меандре, расположенного на территории современной Турции, где и были впервые обнаружены залежи магнитного железняка - камня, обладающего уникальными свойствами притягивать железо.

Еще до нашей эры люди имели представление об уникальной энергии магнита и магнитного поля: не было ни одной цивилизации, в которой магниты не применялись бы в какой-либо форме для улучшения здоровья человека.

Одним из первых предметов для практического применения магнита стал компас. Были выявлены свойства простого продолговатого кусочка магнитного железа, подвешенного на нитке или прикрепленного к пробке, находящейся в воде. При этом эксперименте выяснилось, что такой предмет всегда располагается особым образом: один его конец показывает на север, а второй - на юг. Компас был изобретен в Китае около 1000 года до н. э., а в Европе стал известен только с XII века. Без такого простейшего, но в то же время уникального навигационного магнитного прибора не было бы великих географических открытий XV-XVII веков.

В Индии существовало поверье, что от положения голов супругов во время зачатия зависит пол будущего ребенка. Если головы расположены на север, то родится девочка, если на юг, то на свет появится мальчик.

Тибетские монахи, зная о влиянии магнита на человека, прикладывали магниты к голове для улучшения концентрации внимания и повышения способности к обучению.

Существует множество других документальных подтверждений использования магнита в Древней Индии и арабских странах.

Интерес к влиянию магнитных полей на человеческий организм появился сразу после открытия этого уникального явления, и люди начали приписывать магниту самые удивительные свойства. Ходило поверье, что мелко истолченный «магнитный камень» является отличным слабительным средством.

Кроме того, описывались такие свойства магнита, как способность вылечивать от водянки и безумия, останавливать различные виды кровотечений. Во многих документах, дошедших до наших дней, рекомендации даются часто противоречивые. Например, по мнению одних лекарей, влияние магнита организм сравнимо с воздействием яда, по мнению других же он должен, наоборот, использоваться в качестве противоядия.

Неодимовый магнит: лечебные свойства и влияние на здоровье человека

Наибольшее влияние на человека приписывают неодимовым магнитам: они имеют химическую формулу NdFeB (неодим - железо - бор).

Одним из преимуществ таких камней считается способность совмещения небольших размеров и сильного воздействия магнитного поля. Например, неодимовый магнит, обладающий силой в 200 гаусс, весит примерно 1 грамм, а обычный железный магнит, имеющий ту же самую силу, весит 10 граммов.

У неодимовых магнитов есть еще одно достоинство: они довольно устойчивы и могут сохранять свои магнитные свойства в течение многих сотен лет. Сила поля таких камней уменьшается примерно на 1% за 100 лет.

Вокруг каждого камня есть магнитное поле, которое характеризуется магнитной индукцией, измеряемой в гаусс. По индукции можно определить силу магнитного поля. Очень часто силу магнитного поля измеряют в теслах (1 Тесла = 10000 гаусс).

Лечебные свойства неодимовых магнитов заключаются в улучшении кровообращения, стабилизации давления, препятствии в возникновении мигреней.

Что дает магнитотерапия и как она действует на организм

История магнитотерапии как метода использования целебных свойств магнитов в лечебных целях началась около 2000 лет назад. В Древнем Китае магнитотерапия упоминается даже в медицинском трактате императора Хуанди. В Древнем Китае принято было считать, что здоровье человека во многом зависит от циркуляции в организме внутренней энергии Ци, образующейся от двух противоположных начал - инь и ян. При нарушении равновесия внутренней энергии возникало заболевание, которое можно было излечить путем прикладывания магнитных камней к определенным точкам тела.

Что касается непосредственно магнитотерапии, то сохранились многие документы периода Древнего Египта, предоставляющие прямые доказательства использования данного метода для восстановления здоровья человека. Одна из легенд того времени рассказывает о неземной красоте и здоровье Клеопатры, которыми она обладала благодаря постоянному ношению магнитной ленты на голове.

Настоящий прорыв в магнитотерапии случился в Древнем Риме. В известной поэме Тита Лукреция Кара «О природе вещей», написанной еще в I веке до н. э., говорится: «Также бывает, что попеременно порода железа может от камня отскакивать или к нему привлекаться».

И Гиппократом, и Аристотелем были описаны уникальные терапевтические свойства магнитной руды, а римским медиком, хирургом и философом Галеном выявлены обезболивающие свойства магнитных предметов.

В конце X века один персидский ученый подробно описал влияние магнита на организм человека: он уверял, что магнитотерапию можно применять при спазме мышц и многочисленных воспалениях. Есть документальные свидетельства, которые описывают использование магнитов для увеличения мышечной силы, прочности костей, уменьшения болей в суставах и улучшения работоспособности мочеполовой системы.

В конце XV - начале XVI веков некоторые европейские ученые начинают изучение магнитотерапии как науки и ее применение в лечебных целях. Даже придворный врач английской королевы Елизаветы I, которая страдала артритом, использовал для лечения магниты.

В 1530 году известный швейцарский доктор Парацельс, изучив, как действует магнитотерапия, опубликовал несколько документов, в которых содержались доказательства эффективности воздействия магнитного поля. Он охарактеризовал магнит словами «король всех тайн» и начал использовать различные полюсы магнита с целью достижения определенных результатов в лечении. Хотя доктору ничего не было известно о китайском представлении об энергии Ци, он точно так же полагал, что природная сила (археус) способна наделять человека энергией.

Парацельс был уверен в том, что влияние магнита на здоровье человека настолько высоко, что придает ему дополнительную энергию. К тому же он отмечал способность археуса стимулировать процесс самоизлечения. Абсолютно все воспаления и многочисленные заболевания, по его мнению, намного лучше поддаются лечению магнитом, чем при использовании обычных медицинских средств. Парацельс на практике применял магниты в борьбе с эпилепсией, кровотечениями и расстройством пищеварения.

Как влияет магнитотерапия на организм и что она лечит

В конце XVIII века магнит начал широко использоваться для избавления от различных заболеваний. Продолжил исследования того, как магнитотерапия влияет на организм, известный австрийский доктор Франц Антон Месмер. Сначала в Вене, а позже и в Париже он довольно успешно лечил с помощью магнита многие заболевания. Он настолько проникся вопросом воздействия магнитного поля на человеческое здоровье, что защитил диссертацию, которая позднее была взята за основу исследований и развития учения о магнитотерапии в западной культуре.

Полагаясь на свой опыт, Месмер сделал два фундаментальных вывода, Первый заключался в том, что тело человека опоясывает магнитное поле, такое влияние он назвал «животным магнетизмом». Сами уникальные магниты, воздействующие на человека, он считал проводниками этого «животного магнетизма». Второй вывод основывался на том, что планеты имеют большое влияние на организм человека.

Великий композитор Моцарт был настолько поражен и восхищен успехами Месмера в медицине, что в своей опере «Cosi fan tutte» («Так поступают все») воспел эту уникальную особенность действия магнита («Это магнит, камень Месмера, из Германии пришедший, во Франции прославившийся »).

Также в Великобритании члены Королевского медицинского общества, в котором проводились исследования в области применения магнитного поля, открыли для себя тот факт, что магниты можно эффективно применять в борьбе со многими заболеваниями нервной системы.

В конце 1770-х годов французский аббат Ленобль рассказал о том, что лечит магнитотерапия, выступая на собрании Королевского медицинского общества. Он доложил о своих наблюдениях в области магнетизма и рекомендовал использование магнитов с учетом места применения. Он же стал инициатором массового создания магнитных браслетов и различного рода украшений из этого материала для выздоровления. В своих трудах он подробно рассматривал успешные результаты лечения зубной боли, артритов и других заболеваний, перенапряжения.

Для чего нужна магнитотерапия и чем она полезна

После Гражданской войны в США (1861-1865) магнитотерапия стала популярна не меньше, чем в обращались к данному способу лечения из-за того, что условия жизни были далеко Европе. Особенно заметное развитие она приобрела на Среднем Западе. В основном люди не лучшими, не хватало профессиональных врачей, отчего и приходилось заниматься самолечением. В то время производилось и продавалось огромное количество различных магнитных средств, обладающих обезболивающим эффектом. Во многих объявлениях упоминалось об уникальных свойствах магнитных лечебных средств. У женщин наибольшей популярностью пользовались магнитные украшения, а мужчины предпочитали стельки и ремни.

В XIX веке во многих статьях и книгах описывалось, для чего нужна магнитотерапия, и какова её роль в лечении многих заболеваний. Например, в докладе знаменитой французской больницы Сальпетриер говорилось, что магнитные поля обладают свойством повышения «электрического сопротивления в двигательных нервах» и поэтому очень полезны в борьбе с гемипарезом (односторонним параличом).

В XX веке свойства магнита начали широко применяться как в науке (при создании различной техники), так и в обыденной жизни. Постоянные магниты и электромагниты расположены в генераторах, производящих ток, и в электромоторах, которые его потребляют. Многие транспортные средства использовали силу магнетизма: автомобиль, троллейбус, тепловоз, самолет. Магниты являются неотъемлемой частью многих научных приборов.

В Японии влияние магнитов на здоровье стало предметом многочисленных дискуссий и пристальных исследований. Огромную популярность в этой стране приобрели так называемые магнитные кровати, которые используются японцами для снятия стресса и заряжения организма «энергией». По мнению японских специалистов, магниты хорошо помогают при переутомлении, остеохондрозе, мигрени и других заболеваниях.

Запад позаимствовал традиции Японии. Методы по использованию магнитотерапии нашли много приверженцев среди европейских врачей, физиотерапевтов и спортсменов. Кроме того, учитывая, чем полезна магнитотерапия, этот метод получил поддержку у многих американских специалистов в области физиотерапии, например у ведущего невролога Уильяма Фил пота из штата Оклахома. Доктор Фил пот считает, что воздействие отрицательного магнитного поля на тело стимулирует выработку мелатонина - гормона сна - и тем самым делает его более спокойным.

Некоторые американские спортсмены отмечают положительное влияние магнитного поля на поврежденные диски позвоночника после травм, а также значительное уменьшение болей.

Многочисленные медицинские эксперименты, проведенные в университетах США, показали, что появление болезней суставов происходит из-за недостаточного кровообращения и нарушения деятельности нервной системы. Если в клетки не поступают питательные вещества в нужном количестве, то это может привести к развитию хронического заболевания.

Чем помогает магнитотерапия: новые эксперименты

Первым в современной медицине ответ на вопрос «чем помогает магнитотерапия» дал в 1976 году известный японский врач Никагава. Он ввел понятие «синдром дефицита магнитного поля». После проведения ряда исследований были описаны следующие симптомы данного синдрома: общая слабость, повышенная утомляемость, снижение работоспособности, нарушение сна, мигрень, боли в суставах и позвоночнике, изменения в работе пишеварительной и сердечно-сосудистой системы (гипертония или гипотония), изменения на коже, гинекологические дисфункции. Соответственно, применение магнитотерапии позволяет нормализовать все эти состояния.

Безусловно, недостаток магнитного поля не становится единственной причиной перечисленных заболеваний, но он составляет большую часть этиологии данных процессов.

Многие ученые продолжали ставить новые эксперименты с магнитными полями. Пожалуй, самым популярным из них стал эксперимент с ослабленным внешним магнитным полем или его отсутствием. При этом необходимо было доказать негативное влияние такой ситуации на организм человека.

Одним из первых ученых, который поставил подобный эксперимент, был канадский исследователь Ян Крейн. Он рассматривал ряд организмов (бактерий, животных, птиц), которые находились в специальной камере с магнитным полем. Оно было значительно меньше поля Земли. После того как бактерии провели трое суток в таких условиях, их способность к размножению уменьшилась в 15 раз, намного хуже стала проявляться нейромоторная активность у птиц, у мышей стали наблюдаться серьезные изменения в обменных процессах. Если пребывание в условиях ослабленного магнитного поля было более длительным, то в тканях живых организмов возникали необратимые изменения.

Подобный эксперимент был осуществлен и группой российских ученых под руководством Льва Непомнящих: в камеру, закрытую от магнитного поля Земли специальным экраном, были помещены мыши.

Спустя сутки у них стало наблюдаться разложение тканей. Детеныши зверьков появлялись на свет лысыми, и впоследствии у них развились многие заболевания.

На сегодняшний день известно большое количество подобных экспериментов, и везде наблюдаются схожие результаты: снижение или отсутствие естественного магнитного поля способствует серьезному и быстрому ухудшению здоровья у всех подвергавшихся исследованиям организмов. Также сейчас активно применяются многочисленные типы природных магнитов, которые формируются естественным образом из вулканической лавы, содержащей железо и атмосферный азот. Такие магниты были в ходу еще тысячи лет назад.

МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
Простейшие проявления магнетизма известны очень давно и знакомы большинству из нас. Однако объяснить эти, казалось бы, простые явления на основе фундаментальных принципов физики удалось лишь сравнительно недавно. Существуют магниты двух разных видов. Одни - так называемые постоянные магниты, изготовляемые из "магнитно-твердых" материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из "магнитно-мягкого" железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.
Магнитные полюса и магнитное поле. Магнитные свойства стержневого магнита наиболее заметны вблизи его концов. Если такой магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то он займет положение, примерно соответствующее направлению с севера на юг. Конец стержня, указывающий на север, называют северным полюсом, а противоположный конец - южным полюсом. Разноименные полюса двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные взаимно отталкиваются. Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок ненамагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний - одноименным. Притяжением между полюсом магнита и индуцированным им в бруске противоположным полюсом и объясняется действие магнита. Некоторые материалы (например, сталь) сами становятся слабыми постоянными магнитами после того, как побывают около постоянного магнита или электромагнита. Стальной стержень можно намагнитить, просто проведя по его торцу концом стержневого постоянного магнита. Итак, магнит притягивает другие магниты и предметы из магнитных материалов, не находясь в соприкосновении с ними. Такое действие на расстоянии объясняется существованием в пространстве вокруг магнита магнитного поля. Некоторое представление об интенсивности и направлении этого магнитного поля можно получить, насыпав на лист картона или стекла, положенный на магнит, железные опилки. Опилки выстроятся цепочками в направлении поля, а густота линий из опилок будет соответствовать интенсивности этого поля. (Гуще всего они у концов магнита, где интенсивность магнитного поля наибольшая.) М. Фарадей (1791-1867) ввел для магнитов понятие замкнутых линий индукции. Линии индукции выходят в окружающее пространство из магнита у его северного полюса, входят в магнит у южного полюса и проходят внутри материала магнита от южного полюса обратно к северному, образуя замкнутую петлю. Полное число линий индукции, выходящих из магнита, называется магнитным потоком. Плотность магнитного потока, или магнитная индукция (В), равна числу линий индукции, проходящих по нормали через элементарную площадку единичной величины. Магнитной индукцией определяется сила, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем проводник с током. Если проводник, по которому проходит ток I, расположен перпендикулярно линиям индукции, то по закону Ампера сила F, действующая на проводник, перпендикулярна и полю, и проводнику и пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника. Таким образом, для магнитной индукции B можно написать выражение

Где F - сила в ньютонах, I - ток в амперах, l - длина в метрах. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл)
(см. также ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ).
Гальванометр. Гальванометр - чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используется вращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна. Намагничивающая сила и напряженность магнитного поля. Далее следует ввести еще одну величину, характеризующую магнитное действие электрического тока. Предположим, что ток проходит по проводу длинной катушки, внутри которой расположен намагничиваемый материал. Намагничивающей силой называется произведение электрического тока в катушке на число ее витков (эта сила измеряется в амперах, так как число витков - величина безразмерная). Напряженность магнитного поля Н равна намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины катушки. Таким образом, величина Н измеряется в амперах на метр; ею определяется намагниченность, приобретаемая материалом внутри катушки. В вакууме магнитная индукция B пропорциональна напряженности магнитного поля Н:

Где m0 - т.н. магнитная постоянная, имеющая универсальное значение 4pЧ10-7 Гн/м. Во многих материалах величина B приблизительно пропорциональна Н. Однако в ферромагнитных материалах соотношение между B и Н несколько сложнее (о чем будет сказано ниже). На рис. 1 изображен простой электромагнит, предназначенный для захвата грузов. Источником энергии служит аккумуляторная батарея постоянного тока. На рисунке показаны также силовые линии поля электромагнита, которые можно выявить обычным методом железных опилок.

Крупные электромагниты с железными сердечниками и очень большим числом ампер-витков, работающие в непрерывном режиме, обладают большой намагничивающей силой. Они создают магнитную индукцию до 6 Тл в промежутке между полюсами; эта индукция ограничивается лишь механическими напряжениями, нагреванием катушек и магнитным насыщением сердечника. Ряд гигантских электромагнитов (без сердечника) с водяным охлаждением, а также установок для создания импульсных магнитных полей был сконструирован П.Л.Капицей (1894-1984) в Кембридже и в Институте физических проблем АН СССР и Ф.Биттером (1902-1967) в Массачусетском технологическом институте. На таких магнитах удавалось достичь индукции до 50 Тл. Сравнительно небольшой электромагнит, создающий поля до 6,2 Тл, потребляющий электрическую мощность 15 кВт и охлаждаемый жидким водородом, был разработан в Лосаламосской национальной лаборатории. Подобные поля получают при криогенных температурах.
Магнитная проницаемость и ее роль в магнетизме. Магнитная проницаемость m - это величина, характеризующая магнитные свойства материала. Ферромагнитные металлы Fe, Ni, Co и их сплавы обладают очень высокими максимальными проницаемостями - от 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермаллоя). В таких материалах при сравнительно малых напряженностях поля H возникают большие индукции B, но связь между этими величинами, вообще говоря, нелинейна из-за явлений насыщения и гистерезиса, о которых говорится ниже. Ферромагнитные материалы сильно притягиваются магнитами. Они теряют свои магнитные свойства при температурах выше точки Кюри (770° С для Fe, 358° С для Ni, 1120° С для Co) и ведут себя как парамагнетики, для которых индукция B вплоть до очень высоких значений напряженности H пропорциональна ей - в точности так же, как это имеет место в вакууме. Многие элементы и соединения являются парамагнитными при всех температурах. Парамагнитные вещества характеризуются тем, что намагничиваются во внешнем магнитном поле; если же это поле выключить, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля. На рис. 2 представлена типичная петля гистерезиса для магнитно-твердого (с большими потерями) ферромагнитного материала. Она характеризует неоднозначную зависимость намагниченности магнитоупорядоченного материала от напряженности намагничивающего поля. С увеличением напряженности магнитного поля от исходной (нулевой) точки (1) намагничивание идет по штриховой линии 1-2, причем величина m существенно изменяется по мере того, как возрастает намагниченность образца. В точке 2 достигается насыщение, т.е. при дальнейшем увеличении напряженности намагниченность больше не увеличивается. Если теперь постепенно уменьшать величину H до нуля, то кривая B(H) уже не следует по прежнему пути, а проходит через точку 3, обнаруживая как бы "память" материала о "прошлой истории", откуда и название "гистерезис". Очевидно, что при этом сохраняется некоторая остаточная намагниченность (отрезок 1-3). После изменения направления намагничивающего поля на обратное кривая В (Н) проходит точку 4, причем отрезок (1)-(4) соответствует коэрцитивной силе, препятствующей размагничиванию. Дальнейший рост значений (-H) приводит кривую гистерезиса в третий квадрант - участок 4-5. Следующее за этим уменьшение величины (-H) до нуля и затем возрастание положительных значений H приведет к замыканию петли гистерезиса через точки 6, 7 и 2.

Магнитно-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса, охватывающей значительную площадь на диаграмме и потому соответствующей большим значениям остаточной намагниченности (магнитной индукции) и коэрцитивной силы. Узкая петля гистерезиса (рис. 3) характерна для магнитно-мягких материалов - таких, как мягкая сталь и специальные сплавы с большой магнитной проницаемостью. Такие сплавы и были созданы с целью снижения обусловленных гистерезисом энергетических потерь. Большинство подобных специальных сплавов, как и ферриты, обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.

Магнитные материалы с высокой проницаемостью изготовляются путем отжига, осуществляемого выдерживанием при температуре около 1000° С, с последующим отпуском (постепенным охлаждением) до комнатной температуры. При этом очень существенны предварительная механическая и термическая обработка, а также отсутствие в образце примесей. Для сердечников трансформаторов в начале 20 в. были разработаны кремнистые стали, величина m которых возрастала с увеличением содержания кремния. Между 1915 и 1920 появились пермаллои (сплавы Ni с Fe) с характерной для них узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса. Особенно высокими значениями магнитной проницаемости m при малых значениях H отличаются сплавы гиперник (50% Ni, 50% Fe) и му-металл (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тогда как в перминваре (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практически постоянна в широких пределах изменения напряженности поля. Среди современных магнитных материалов следует упомянуть супермаллой - сплав с наивысшей магнитной проницаемостью (в его состав входит 79% Ni, 15% Fe и 5% Mo).
Теории магнетизма. Впервые догадка о том, что магнитные явления в конечном счете сводятся к электрическим, возникла у Ампера в 1825, когда он высказал идею замкнутых внутренних микротоков, циркулирующих в каждом атоме магнита. Однако без какого-либо опытного подтверждения наличия в веществе таких токов (электрон был открыт Дж.Томсоном лишь в 1897, а описание структуры атома было дано Резерфордом и Бором в 1913) эта теория "увяла". В 1852 В.Вебер высказал предположение, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнит, или магнитный диполь, так что полная намагниченность вещества достигается, когда все отдельные атомные магниты оказываются выстроенными в определенном порядке (рис. 4,б). Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение вопреки возмущающему влиянию тепловых колебаний этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное "трение". Его теория смогла объяснить намагничивание тел при соприкосновении с магнитом, а также их размагничивание при ударе или нагреве; наконец, объяснялось и "размножение" магнитов при разрезании намагниченной иглы или магнитного стержня на части. И все же эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явлений насыщения и гистерезиса. Теория Вебера была усовершенствована в 1890 Дж.Эвингом, заменившим его гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые составляют постоянный магнит.

Подход к проблеме, предложенный когда-то Ампером, получил вторую жизнь в 1905, когда П.Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Кроме того, Ланжевен ввел понятие магнитного момента, равного для отдельного атомного магнита произведению "магнитного заряда" полюса на расстояние между полюсами. Таким образом, слабый магнетизм парамагнитных материалов обусловлен суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами. В 1907 П. Вейс ввел понятие "домена", ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Вейс представлял домены в виде небольших "колоний" атомов, в пределах которых магнитные моменты всех атомов в силу каких-то причин вынуждены сохранять одинаковую ориентацию, так что каждый домен намагничен до насыщения. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм и соответственно объем порядка 10-6 мм3. Домены разделены так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. "Стенка" и два противоположно ориентированных домена схематически изображены на рис. 5. Такие стенки представляют собой "переходные слои", в которых происходит изменение направления намагниченности доменов.

В общем случае на кривой первоначального намагничивания можно выделить три участка (рис. 6). На начальном участке стенка под действием внешнего поля движется сквозь толщу вещества, пока не встретит дефект кристаллической решетки, который ее останавливает. Увеличив напряженность поля, можно заставить стенку двигаться дальше, через средний участок между штриховыми линиями. Если после этого напряженность поля вновь уменьшить до нуля, то стенки уже не вернутся в исходное положение, так что образец останется частично намагниченным. Этим объясняется гистерезис магнита. На конечном участке кривой процесс завершается насыщением намагниченности образца за счет упорядочения намагниченности внутри последних неупорядоченных доменов. Такой процесс почти полностью обратим. Магнитную твердость проявляют те материалы, у которых атомная решетка содержит много дефектов, препятствующих движению междоменных стенок. Этого можно достичь механической и термической обработкой, например путем сжатия и последующего спекания порошкообразного материала. В сплавах алнико и их аналогах тот же результат достигается путем сплавления металлов в сложную структуру.

Кроме парамагнитных и ферромагнитных материалов, существуют материалы с так называемыми антиферромагнитными и ферримагнитными свойствами. Различие между этими видами магнетизма поясняется на рис. 7. Исходя из представления о доменах, парамагнетизм можно рассматривать как явление, обусловленное наличием в материале небольших групп магнитных диполей, в которых отдельные диполи очень слабо взаимодействуют друг с другом (или вообще не взаимодействуют) и потому в отсутствие внешнего поля принимают лишь случайные ориентации (рис. 7,а). В ферромагнитных же материалах в пределах каждого домена существует сильное взаимодействие между отдельными диполями, приводящее к их упорядоченному параллельному выстраиванию (рис. 7,б). В антиферромагнитных материалах, напротив, взаимодействие между отдельными диполями приводит к их антипараллельному упорядоченному выстраиванию, так что полный магнитный момент каждого домена равен нулю (рис. 7,в). Наконец, в ферримагнитных материалах (например, ферритах) имеется как параллельное, так и антипараллельное упорядочение (рис. 7,г), итогом чего оказывается слабый магнетизм.

Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. Первое из них - так называемый эффект Баркгаузена, второе - метод порошковых фигур. В 1919 Г.Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. С точки зрения доменной теории это не что иное, как скачкообразное продвижение междоменной стенки, встречающей на своем пути отдельные задерживающие ее дефекты. Данный эффект обычно обнаруживается с помощью катушки, в которую помещается ферромагнитный стерженек или проволока. Если поочередно подносить к образцу и удалять от него сильный магнит, образец будет намагничиваться и перемагничиваться. Скачкообразные изменения намагниченности образца изменяют магнитный поток через катушку, и в ней возбуждается индукционный ток. Напряжение, возникающее при этом в катушке, усиливается и подается на вход пары акустических наушников. Щелчки, воспринимаемые через наушники, свидетельствует о скачкообразном изменении намагниченности. Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (обычно Fe3O4). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля - на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Был предложен также метод, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал. Первоначальная теория магнетизма Вейса в своих основных чертах сохранила свое значение до настоящего времени, получив, однако, обновленную интерпретацию на основе представления о нескомпенсированных электронных спинах как факторе, определяющем атомный магнетизм. Гипотеза о существовании собственного момента у электрона была выдвинута в 1926 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком, и в настоящее время в качестве "элементарных магнитов" рассматриваются именно электроны как носители спина. Для пояснения этой концепции рассмотрим (рис. 8) свободный атом железа - типичного ферромагнитного материала. Две его оболочки (K и L), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй - восемь электронов. В K-оболочке спин одного из электронов положителен, а другого - отрицателен. В L-оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех - отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент равен нулю. В M-оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направленные в одну сторону, и лишь шестой - в другую. В результате остаются четыре нескомпенсированных спина, чем и обусловлены магнитные свойства атома железа. (Во внешней N-оболочке всего два валентных электрона, которые не дают вклада в магнетизм атома железа.) Сходным образом объясняется магнетизм и других ферромагнетиков, например никеля и кобальта. Поскольку соседние атомы в образце железа сильно взаимодействуют друг с другом, причем их электроны частично коллективизируются, такое объяснение следует рассматривать лишь как наглядную, но весьма упрощенную схему реальной ситуации.

Теорию атомного магнетизма, основанную на учете спина электрона, подкрепляют два интересных гиромагнитных эксперимента, один из которых был проведен А. Эйнштейном и В.де Гаазом, а другой - С.Барнеттом. В первом из этих экспериментов цилиндрик из ферромагнитного материала подвешивался так, как показано на рис. 9. Если по проводу обмотки пропустить ток, то цилиндрик поворачивается вокруг своей оси. При изменении направления тока (а следовательно, и магнитного поля) он поворачивается в обратном направлении. В обоих случаях вращение цилиндрика обусловлено упорядочением электронных спинов. В эксперименте Барнетта, наоборот, так же подвешенный цилиндрик, резко приведенный в состояние вращения, в отсутствие магнитного поля намагничивается. Этот эффект объясняется тем, что при вращении магнетика создается гироскопический момент, стремящийся повернуть спиновые моменты по направлению собственной оси вращения.

За более полным объяснением природы и происхождения короткодействующих сил, упорядочивающих соседние атомные магнитики и противодействующих разупорядочивающему влиянию теплового движения, следует обратиться к квантовой механике. Квантово-механическое объяснение природы этих сил было предложено в 1928 В.Гейзенбергом, который постулировал существование обменных взаимодействий между соседними атомами. Позднее Г.Бете и Дж.Слэтер показали, что обменные силы существенно возрастают с уменьшением расстояния между атомами, но по достижении некоторого минимального межатомного расстояния падают до нуля.
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
Одно из первых обширных и систематических исследований магнитных свойств вещества было предпринято П.Кюри. Он установил, что по своим магнитным свойствам все вещества можно разделить на три класса. К первому относятся вещества с резко выраженными магнитными свойствами, подобными свойствам железа. Такие вещества называются ферромагнитными; их магнитное поле заметно на значительных расстояниях (см. выше). Во второй класс попадают вещества, называемые парамагнитными; магнитные свойства их в общем аналогичны свойствам ферромагнитных материалов, но гораздо слабее. Например, сила притяжения к полюсам мощного электромагнита может вырвать из ваших рук железный молоток, а чтобы обнаружить притяжение парамагнитного вещества к тому же магниту, нужны, как правило, очень чувствительные аналитические весы. К последнему, третьему классу относятся так называемые диамагнитные вещества. Они отталкиваются электромагнитом, т.е. сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферро- и парамагнетики.
Измерение магнитных свойств. При изучении магнитных свойств наиболее важное значение имеют измерения двух типов. Первый из них -измерения силы, действующей на образец вблизи магнита; так определяется намагниченность образца. Ко второму относятся измерения "резонансных" частот, связанных с намагничением вещества. Атомы представляют собой крошечные "гироскопы" и в магнитном поле прецессируют (как обычный волчок под влиянием вращающего момента, создаваемого силой тяжести) с частотой, которая может быть измерена. Кроме того, на свободные заряженные частицы, движущиеся под прямым углом к линиям магнитной индукции, действует сила, как и на электронный ток в проводнике. Она заставляет частицу двигаться по круговой орбите, радиус которой дается выражением R = mv/eB, где m - масса частицы, v - ее скорость, e - ее заряд, а B - магнитная индукция поля. Частота такого кругового движения равна

где f измеряется в герцах, e - в кулонах, m - в килограммах, B - в теслах. Эта частота характеризует движение заряженных частиц в веществе, находящемся в магнитном поле. Оба типа движений (прецессию и движение по круговым орбитам) можно возбудить переменными полями с резонансными частотами, равными "естественным" частотам, характерным для данного материала. В первом случае резонанс называется магнитным, а во втором - циклотронным (ввиду сходства с циклическим движением субатомной частицы в циклотроне). Говоря о магнитных свойствах атомов, необходимо особо остановиться на их моменте импульса. Магнитное поле действует на вращающийся атомный диполь, стремясь повернуть его и установить параллельно полю. Вместо этого атом начинает прецессировать вокруг направления поля (рис. 10) с частотой, зависящей от дипольного момента и напряженности приложенного поля.

Прецессия атомов не поддается непосредственному наблюдению, поскольку все атомы образца прецессируют в разной фазе. Если же приложить небольшое переменное поле, направленное перпендикулярно постоянному упорядочивающему полю, то между прецессирующими атомами устанавливается определенное фазовое соотношение и их суммарный магнитный момент начинает прецессировать с частотой, равной частоте прецессии отдельных магнитных моментов. Важное значение имеет угловая скорость прецессии. Как правило, это величина порядка 1010 Гц/Тл для намагниченности, связанной с электронами, и порядка 107 Гц/Тл для намагниченности, связанной с положительными зарядами в ядрах атомов. Принципиальная схема установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представлена на рис. 11. В однородное постоянное поле между полюсами вводится изучаемое вещество. Если затем с помощью небольшой катушки, охватывающей пробирку, возбудить радиочастотное поле, то можно добиться резонанса на определенной частоте, равной частоте прецессии всех ядерных "гироскопов" образца. Измерения сходны с настройкой радиоприемника на частоту определенной станции.

Методы магнитного резонанса позволяют исследовать не только магнитные свойства конкретных атомов и ядер, но и свойства их окружения. Дело в том, что магнитные поля в твердых телах и молекулах неоднородны, поскольку искажены атомными зарядами, и детали хода экспериментальной резонансной кривой определяются локальным полем в области расположения прецессирующего ядра. Это и дает возможность изучать особенности структуры конкретного образца резонансными методами.
Расчет магнитных свойств. Магнитная индукция поля Земли составляет 0,5*10 -4 Тл, тогда как поле между полюсами сильного электромагнита - порядка 2 Тл и более. Магнитное поле, создаваемое какой-либо конфигурацией токов, можно вычислить, пользуясь формулой Био - Савара - Лапласа для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока. Расчет поля, создаваемого контурами разной формы и цилиндрическими катушками, во многих случаях весьма сложен. Ниже приводятся формулы для ряда простых случаев. Магнитная индукция (в теслах) поля, создаваемого длинным прямым проводом с током I (ампер), на расстоянии r (метров) от провода равна

Индукция в центре кругового витка радиуса R с током I равна (в тех же единицах):

Плотно намотанная катушка провода без железного сердечника называется соленоидом. Магнитная индукция, создаваемая длинным соленоидом c числом витков N в точке, достаточно удаленной от его концов, равна

Здесь величина NI/L есть число ампер (ампер-витков) на единицу длины соленоида. Во всех случаях магнитное поле тока направлено перпендикулярно этому току, а сила, действующая на ток в магнитном поле, перпендикулярна и току, и магнитному полю. Поле намагниченного железного стержня сходно с внешним полем длинного соленоида с числом ампер-витков на единицу длины, соответствующим току в атомах на поверхности намагниченного стержня, поскольку токи внутри стержня взаимно компенсируются (рис. 12). По имени Ампера такой поверхностный ток называется амперовским. Напряженность магнитного поля Ha, создаваемая амперовским током, равна магнитному моменту единицы объема стержня M.

Если в соленоид вставлен железный стержень, то кроме того, что ток соленоида создает магнитное поле H, упорядочение атомных диполей в намагниченном материале стержня создает намагниченность M. В этом случае полный магнитный поток определяется суммой реального и амперовского токов, так что B = m0(H + Ha), или B = m0(H + M). Отношение M/H называется магнитной восприимчивостью и обозначается греческой буквой c; c - безразмерная величина, характеризующая способность материала намагничиваться в магнитном поле.
Величина B/H, характеризующая магнитные свойства
материала, называется магнитной проницаемостью и обозначается через ma, причем ma = m0m, где ma - абсолютная, а m - относительная проницаемости, m = 1 + c. В ферромагнитных веществах величина c может иметь очень большие значения -до 10 4-10 6. Величина c у парамагнитных материалов немного больше нуля, а у диамагнитных - немного меньше. Лишь в вакууме и в очень слабых полях величины c и m постоянны и не зависят от внешнего поля. Зависимость индукции B от H обычно нелинейна, а ее графики, т.н. кривые намагничивания, для разных материалов и даже при разных температурах могут существенно различаться (примеры таких кривых приведены на рис. 2 и 3). Магнитные свойства вещества весьма сложны, и для их глубокого понимания необходим тщательный анализ строения атомов, их взаимодействий в молекулах, их столкновений в газах и их взаимного влияния в твердых телах и жидкостях; магнитные свойства жидкостей пока наименее изучены. - поля с напряжённостью Н?0,5=1,0 МЭ (граница условна). Нижнее значение С. м. п. соответствует макс. значению стационарного поля =500 кЭ, к рое может быть доступно средствам совр. техники, верхнее полю 1 МЭ, даже кратковрем. воздействие к рого… … Физическая энциклопедия

Раздел физики, изучающий структуру и свойства твердых тел. Научные данные о микроструктуре твердых веществ и о физических и химических свойствах составляющих их атомов необходимы для разработки новых материалов и технических устройств. Физика… … Энциклопедия Кольера

Раздел физики, охватывающий знания о статическом электричестве, электрических токах и магнитных явлениях. ЭЛЕКТРОСТАТИКА В электростатике рассматриваются явления, связанные с покоящимися электрическими зарядами. Наличие сил, действующих между… … Энциклопедия Кольера

- (от древнегреч. physis природа). Древние называли физикой любое исследование окружающего мира и явлений природы. Такое понимание термина физика сохранилось до конца 17 в. Позднее появился ряд специальных дисциплин: химия, исследующая свойства… … Энциклопедия Кольера

Термин момент применительно к атомам и атомным ядрам может означать следующее: 1) спиновый момент, или спин, 2) магнитный дипольный момент, 3) электрический квадрупольный момент, 4) прочие электрические и магнитные моменты. Различные типы… … Энциклопедия Кольера

Электрический аналог ферромагнетизма. Подобно тому как в ферромагнитных веществах при помещении их в магнитное поле проявляется остаточная магнитная поляризация (момент), в сегнетоэлектрических диэлектриках, помещенных в электрическое поле,… … Энциклопедия Кольера

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

Что заставляет некоторые металлы притягиваться к магниту? Почему магнит притягивает не все металлы? Почему одна сторона магнита притягивает, а другая отталкивает металл? И что делает неодимовые металлы такими крепкими?

Для того чтобы ответить на все эти вопросы, необходимо вначале дать определение самому магниту и понять его принцип. Магниты – это тела, обладающие способностью притягивать железные и стальные предметы и отталкивать некоторые другие благодаря действию своего магнитного поля. Силовые линии магнитного поля проходят с южного полюса магнита, а выходят с северного полюса. Постоянный или жесткий магнит постоянно создает сам свое магнитное поле. Электромагнит или мягкий магнит может создавать магнитные поля только в наличие магнитного поля и только на короткое время, пока находится в зоне действия того или иного магнитного поля. Электромагниты создают магнитные поля только в том случае, когда через провод катушки проходит электричество.

До недавнего времени, все магниты изготовлялись из металлических элементов или сплавов. Состав магнита и определял его мощность. Например:

Керамические магниты, подобны тем, что используются в холодильниках и для проведения примитивных экспериментов, содержат помимо керамических композиционных материалов также железную руду. Большинство керамических магнитов, также называемых железными магнитами, не обладают большой силой притягивания.

«Альнико магниты» состоят из сплавов алюминия, никеля и кобальта. Они мощнее керамических магнитов, но значительно слабее некоторых редких элементов.

Неодимовые магниты состоят из железа, бора и редко встречаемого в природе неодимового элемента.

Магниты кобальта-самария включают кобальт и редко встречающиеся в природе элементы самария. За последние несколько лет ученые также обнаружили магнитные полимеры, или так называемые пластичные магниты. Некоторые из них очень гибкие и пластичные. Однако, одни работают только при чрезвычайно низких температурах, а другие могут поднимать только очень легкие материалы, например, металлические опилки. Но чтобы обладать свойствами магнита, каждому из этих металлов нужна сила.

Создание магнитов

Многие современные электронные устройства работают на основе магнитов. Применять магниты для производства устройств стали относительно недавно, потому что магниты, существующие в природе, не обладают необходимой силой для работы аппаратуры, и только когда людям удалось сделать их более мощными, они стали незаменим элементом в производстве. Железняк, разновидность магнетитов, считается самым сильным магнитом из всех встречающихся в природе. Он способен притягивать к себе небольшие объекты, например, скрепки для бумаг и скобки.

Где-то в 12-ом веке люди обнаружили, что с помощью железняка можно намагничивать частицы железа – так люди создали компас. Также они заметили, что если постоянно проводить магнитом вдоль железной иглы, то происходит намагничивание иголки. Саму иголку тянет в северо-южном направлении. Позже, известный ученый Уильям Гилберт объяснил, что движение намагниченной иглы в северо-южном направление происходит за счет того, что наша планета Земля очень напоминает огромный магнит с двумя полюсами – северным и южным полюсом. Стрелка компаса не настолько сильная как многие перманентные магниты, используемые в наше время. Но физический процесс, который намагничивает стрелки компаса и куски неодимового сплава, практически одинаков. Все дело в микроскопических областях, называемых магнитными доменами, которые являются частью структуры ферромагнитных материалов, таких как железо, кобальт и никель. Каждый домен представляет собой крошечный, отдельный магнит с северным и южным полюсом. В ненамагниченных ферромагнитных материалах каждый из северных полюсов указывает в различные направления. Магнитные домены, направленные в противоположных направлениях, уравновешивают друг друга, поэтому сам материал не производит магнитное поле.

В магнитах, с другой стороны, практически все или, по крайней мере, большая часть магнитных доменов направлены в одну сторону. Вместо того, чтобы уравновешивать друг друга, микроскопические магнитные поля объединяются вместе, чтобы создать одно большое магнитное поле. Чем больше доменов указывает в одном направление, тем сильнее магнитное поле. Магнитное поле каждого домена проходит от его северного полюса и до южного полюса.

Это объясняет, почему, если разломить магнит напополам, получается два маленьких магнита с северными и южными полюсами. Это также объясняет, почему противоположные полюса притягивают – силовые линии выходят из северного полюса одного магнита и проникают в южный полюс другого, в результате чего металлы притягиваются и получается один больший магнит. По такому же принципу происходит отталкивание – силовые линии двигаются в противоположных направлениях, и в результате такого столкновения магниты начинают отталкиваться друг от друга.

Создание Магнитов

Для того чтобы сделать магнит, Вам необходимо просто «направить» магнитные домены металла в одном направлении. Для этого вам необходимо намагнить сам металл. Рассмотрим еще раз случай с иголкой: если магнит двигать постоянно в одном направлении вдоль иголки, происходит выравнивание направления всех его областей (доменов). Однако, выравнивать магнитные домены можно и другими способами, например:

Поместить металл в сильное магнитное поле в северо-южном направлении. -- Двигать магнит в северо-южном направлении, постоянно ударяя по нему молотком, выравнивая его магнитные домены. -- Пропустить через магнит электрический ток.

Ученые предполагают, что два из этих методов объясняют то, как естественные магниты формируются в природе. Другие же ученые утверждают, что магнитный железняк становится магнитом только в том случае, когда его ударяет молния. Третьи же считают, что железняк в природе превратился в магнит еще в момент формирования Земли и сохранился до наших дней.

Наиболее распространенным способом изготовления магнитов на сегодняшний день считается процесс помещения металла в магнитное поле. Магнитное поле вращается вокруг данного объекта и начинает выравнивать все его домены. Однако в этот момент может возникнуть отставание в одном из этих связанных между собой процессов, что называется гистерезисом. На то, чтобы заставить домены поменять свое направление в одну сторону, может уйти несколько минут. Вот что происходит во время этого процесса: Магнитные области начинают вращаться, выстраиваясь в линию вдоль северо-южной линии магнитного поля.

Области, которые уже направлены в северо-южном направлении становятся больше, в то время как окружающие их области становятся меньше. Стены домена, границы между соседними доменами, постепенно расширяются, за счет чего сам домен увеличивается. В очень сильном магнитном поле некоторые стены домена полностью исчезают.

Получается, что мощность магнита зависит от количества силы, используемой для смены направления доменов. Прочность магнитов зависит от того, насколько трудно было выровнять эти домены. Материалы, которые трудно намагнитить, сохраняют свой магнетизм в течение более длинных периодов, в то время как материалы, которые легко поддаются намагничиванию, обычно быстроразмагничиваются.

Уменьшить силу магнита или размагнитить его полностью можно, если направить магнитное поле в противоположном направлении. Размагнитить материал можно также, если нагреть его до точки Кюри, т.е. температурной границы сегнетоэлектрического состояния, при которой материал начинает терять свой магнетизм. Высокая температура размагничивает материал и возбуждает магнитные частицы, нарушая равновесие магнитных доменов.

Транспортировка магнитов

Большие мощные магниты применяются во многих сферах жизнедеятельности человека – от записи данных и до проведения тока по проводам. Но основная трудность использования их на практике состоит в том, как перевозить магниты. Во время транспортировки магниты могут повредить другие объекты, или другие объекты могут повредить их, из-за чего их будет сложно или практически невозможно использовать. К тому же магниты постоянно притягивают к себе различные ферромагнитные обломки, от которых потом очень сложно, а порой и опасно избавиться.

Поэтому при транспортировке очень большие магниты помещают в специальные ящики или просто перевозят ферромагнитные материалы, из которых с помощью специального оборудования изготовляют магниты. По сути дела, таким оборудованием является простой электромагнит.

Почему магниты «липнут» друг к другу?

Из занятий по физике Вам вероятно известно, что когда электрический ток проходит по проволоке, он создает магнитное поле. В постоянных магнитах магнитное поле также создается за счет движения электрического заряда. Но магнитное поле в магнитах образуется не из-за движения тока по проводам, а за счет движения электронов.

Многие люди считают, что электроны это крошечные частицы, которые вращаются вокруг ядра атома, словно планеты вращаются вокруг солнца. Но как объясняют квантовые физики, движение электронов значительно сложнее этого. Во-первых, электроны заполняют раковинообразные орбитали атома, где они ведут себя и как частицы и как волны. Электроны имеют заряд и массу, а также могут двигаться в разных направлениях.

И хотя электроны атома не перемещаются на большие расстояния, такого движения достаточно для того, чтобы создать крошечное магнитное поле. И поскольку спаренные электроны двигаются в противоположных направлениях, их магнитные поля уравновешивают друг друга. В атомах ферромагнитных элементов, наоборот, электроны не спарены и двигаются в одном направление. Например, у железа есть целых четыре несоединенных электрона, которые движутся в одну сторону. Поскольку у них нет сопротивляющихся полей, у этих электронов есть орбитальный магнитный момент. Магнитный момент – это вектор, который имеет свою величина и направленность.

В таких металлах как железо орбитальный магнитный момент заставляет соседние атомы выстраиваться вдоль северо-южных силовых линий. Железо, как и другие ферромагнитные материалы, имеют кристаллическую структуру. Когда они остывают после процесса литья, группы атомов с параллельной орбиты вращения выстраиваются в линию внутри кристаллической структуры. Так образуются магнитные домены.

Вы, возможно, заметили, что материалы, из которых получаются хорошие магниты, также способны притягивать сами магниты. Это происходит потому, что магниты притягивают материалы с непарными электронами, которые вращаются в одном направлении. Иными словами, качество, которое превращает металл в магнит также притягивает металл к магнитам. Многие другие элементы - диамагнитны – они состоят из неспаренных атомов, которые создают магнитное поле, слегка отталкивающее магнит. Несколько материалы совсем не взаимодействуют с магнитами.

Измерение магнитного поля

Измерить магнитное поле можно с помощью специальных инструментов, например, флюксметра. Описать его можно несколькими способами: -- Магнитные силовые линии измеряются в веберах (ВБ). В электромагнитных системах этот поток сравнивают с током.

Сила поля, или плотность потока, измеряется в Тесла (T) или в единице измерения гаусс (Гс). Один тесла равен 10 000 гаусс.

Напряженность поля можно также измерить в веберах на квадратный метр. -- Величина магнитного поля измеряется в амперах на метр или эрстедах.

Мифы о магните

С магнитами мы сталкиваемся целый день. Они есть, например, в компьютерах: жесткий диск записывают всю информацию при помощи магнита, а также магниты используют во многих компьютерных мониторах. Магниты также являются неотъемлемой частью телевизоров с электронно-лучевой трубкой, акустических колонок, микрофонов, генераторов, трансформаторов, электромоторов, кассет, компасов и автомобильных спидометров. Магниты обладают удивительными свойствами. Они могут индуктировать ток в проводах и заставить электродвигатель вращаться. Достаточно сильное магнитное поле может поднять мелкие объекты или даже небольших животных. Поезда на магнитной подвеске развивают большую скорость только за счет магнитного толчка. Согласно Wired magazine, некоторые люди даже вставляют крошечные неодимовые магниты в пальцы для того, чтобы определять электромагнитные поля.

Приборы отображения магнитного резонанса, работающие за счет магнитного поля, позволяют докторам исследовать внутренние органы пациентов. Также доктора используют электромагнитное импульсное поле для того, чтобы посмотреть правильно ли срастаются сломанные кости после удара. Подобное электромагнитное поле используется астронавтами, которые долгое время находятся в невесомости для того, чтобы предотвратить растяжение мышц и ломки костей.

Магниты также применяются в ветеринарной практики для лечения животных. Например, коровы часто страдают травматическим ретикулоперикардитисом, эта сложная болезнь, развивающаяся у этих животных, которые часто вместе с кормом заглатывают мелкие металлические предметы, которые могут повредить стенки желудка, легкие или сердце животного. Поэтому, часто перед кормлением коров опытные фермеры с помощью магнита очищают их пищу от мелких несъедобных деталей. Однако, если корова уже проглотила вредные металлы, то магнит дают ей вместе с едой. Длинные, тонкие алнико магниты, также называемые «коровьими магнитами», притягивают все металлы и не позволяют им причинить вред желудку коровы. Такие магниты действительно помогают вылечить больное животное, но все же лучше следить за тем, чтобы в коровью еду не попадало вредных элементов. Что касается людей, то им противопоказано глотать магниты, поскольку те, попав в разные части организма, все равно будут притягиваться, что может привести к блокированию кровяного потока и разрушению мягких тканей. Поэтому, когда человек глотает магнит, ему необходима операция.

Некоторые люди считают, что магнитная терапия – это будущее медицины, поскольку это один из наиболее простых, но эффективных методов лечения многих болезней. Многие люди уже на практике убедились в действии магнитного поля. Магнитные браслеты, ожерелья, подушки и многие другие подобные изделия лучше таблеток лечат самые разнообразные заболевания – от артрита и до рака. Некоторые врачи также считают, что стакан намагниченной воды в качестве профилактики может избавить от появления большинства неприятных недугов. В Америке ежегодно на магнитную терапию расходуется около 500 миллионов долларов, а люди во всем мире на такое лечение в среднем тратят 5 миллиардов долларов.

Сторонники магнитной терапии по-разному трактуют полезность этого метода лечения. Одни говорят, что магнит способен притягивать железо, содержащееся в гемоглобине в крови, тем самым улучшая кровообращение. Другие уверяют, что магнитное поле каким-то образом меняет структуру соседних клеток. Но в то же время проведенные научные исследования не подтвердили, что использование статических магнитов может избавить человека от боли или вылечить болезнь.

Некоторые сторонники также предлагают всем людям использовать магниты для очищения воды в домах. Как говорят сами производители, большие магниты могут очистить жесткую воду за счет того, что удалят из нее все вредные ферромагнитные сплавы. Однако, ученые говорят, что жесткой воду делают не ферромагниты. Более того два года использования магнитов на практике не показали никаких изменений в составе воды.

Но, даже не смотря на то, что магниты вряд ли обладают лечебным действием, они все равно стоят изучения. Кто знает, возможно, в будущем мы все же раскроем полезные свойства магнитов.