КОМПАС Ко́ мпас - устройство, облегчающее ориентирование на местности. Предположительно, компас был изобретён в Китае. В Европе изобретение компаса относят к XII-XIII вв., однако устройство его оставалось очень простым - магнитная стрелка, укрепленная на пробке и опущенная в сосуд с водой. Принцип действия магнитного компаса основан на притяжении-отталкивании двух магнитов. Противоположные полюса магнитов притягиваются, одноименные - отталкиваются.
Для начала нужно понять, что такое магнит вообще. Магнит - это природный энергетический материал, который имеет в себе неиссякаемое энергетическое поле и два полюса, которые называются северным и южным. Хотя в наше время человечество, конечно же, научилось создавать это необычное явление искусственно.
Силу двух полюсов магнита человек научился использовать практически везде. Современное общество повседневно пользуется вентилятором - в его двигателе стоят специальные магнитные щётки, абсолютно каждый день и до глубокой ночи смотрят телевизор, работают на компьютере, а в нём достаточно большое количество этих элементов. У каждого в доме на стене висят часы, всякие красивые маленькие игрушки на дверке холодильника, колонки на всём звуковом оборудовании работают исключительно благодаря этому чудесному магниту.
На промышленных предприятиях рабочие пользуются электродвигателями, сварочными аппаратами. В строительстве используется магнитный подъёмный кран, железо-отделительная лента. Встроенное в неё магнитное устройство помогает абсолютно отделить стружку и окалину от готовой продукции. Эти магнитные ленты также используются в пищевой промышленности.
Еще магнит применяется в ювелирных изделиях, а это браслеты, цепочки, всевозможные кулоны, кольца, серёжки, и даже заколки для волос.
Нужно понять, что без этого природного элемента наше существование станет намного сложнее. Во многих предметах и устройствах используются магниты – от детских игрушек до вполне серьезных вещей. Ведь не зря в электротехнике и физике есть специальный раздел – электричество и магнетизм. Эти две науки тесно связаны. Все предметы, где имеется этот элемент, сразу и не перечислишь.
В наше время всё больше появляются новых изобретений и во многих из них имеются магниты, особенно если это связано с электротехникой. Даже всемирно известный коллайдер работает исключительно при помощи электромагнитов.
Магнит также обширно используется в медицинских целях – например, для резонансного сканирования внутренних органов человека, а также и в хирургических целях. Он используется для всяческих магнитных поясов, массажных кресел и так далее. Целебные свойства магнита не придуманы – например, в Грузии на Черном море есть уникальный курорт Уреки, где песок не обычный – желтый, а черный – магнитный. Туда едут лечить многие заболевания, в особенности детские – ДЦП, нервные расстройства, и даже гипертонию.
Ещё магниты используются на перерабатывающих предприятиях. Например, старые автомобили сначала давят прессом, а потом грузят магнитным погрузчиком.
Также бывают так называемые неодимовые магниты. Они используются в различных сферах промышленности, где температура не выше 80°C. Эти магниты используют сейчас практически везде.
Магниты сейчас настолько тесно вошли в нашу жизнь, что без них наша жизнь станет очень сложной –примерно на уровне 18-19 веков. Если бы прямо сейчас все магниты исчезли, мы моментально лишились бы электричества – остались бы только такие его источники, как аккумуляторы и батарейки. Ведь в устройстве любого генератора тока важнейшая часть – именно магнит. И не думайте, что Ваш автомобиль заведется от аккумулятора – стартер ведь тоже представляет собой электрический двигатель, где самая важная часть – магнит. Да, можно жить и без магнитов, но жить при этом придется так, как жили наши предки лет 100 и более назад…
В электротехнике ферромагнетики играют существенную роль. К ферримагнитным материалам могут предъявляться разные требования в зависимости от их назначения.
Постоянные магниты
Были созданы специальные магнитные материалы с заданными свойствами. Так, для того чтобы получить постоянный магнит необходимо найти ферромагнетик у которого петля гистерезиса была бы максимально широкой. Что значило бы, при нулевом внешнем магнитном поле (после его выключения) остаточная намагниченность была максимально большой. Велика, также коэрцитивная сила таких магнетиков. Для такого вещества границы доменов должны оставаться неизменными. Такой материал был создан. Его название $AlNiCo V$ -- это сплав, он имеет состав: $51\% Fe, 8\%Al, 14\%Ni, 24\% Co, 3\% Cu$. Движение доменных стенок в этом сплаве крайне затруднительно. В процессе затвердевания AlNiCo V образует «вторую фазу», которая имеет зерненый состав. Вещество охлаждают во внешнем магнитном поле, при этом зерна растут в нужной ориентации. Кроме прочего материал еще подвергается механической обработке таким образом, что его кристаллы выстраиваются в виде продолговатых зерен в направлении линий преимущественной намагниченности. Петлю гистерезиса для этого ферромагнетика получают в 500 раз шире, чем петля гистерезиса мягкого железа. $AlNiCo$ -- термостабильный магнит, имеет высокую коррозионную и радиационную стойкость. Остаточная намагниченность порядка $B_r\sim 1,1-1,5\ Тл,$ коэрцитивная сила $H_k=0,5-1,9\ кЭ$ (кило эрстед). Максимальная рабочая температура до $450^oС$. Сейчас делаются попытки сделать наноструктурные сплавы. Используются в акустических системах, студийных микрофонах, звукоснимателях, электродвигателях, реле, сенсорах.
Спеченные редкоземельные магниты на основе SmCo. Не требуют защитного покрытия, имеют высокие рабочие температуры и высокую коэрцитивную силу, то есть устойчивы к размагничиванию. Но довольно хрупкие и очень дорогие. Остаточная намагниченность порядка $B_r\sim 0,8-\ 1,1Тл,$ коэрцитивная сила $H_k=8-10\ кЭ.\ $ Используют в космических аппаратах, мобильной телефонии, компьютерной технике, авиастроении, медицинском оборудовании, микро электромеханических приборах.
Неодимовые магниты, сплавы Nd-Fe-B. Рабочие температуры невысокие $-60-220^oC$. Довольно хрупкие. Если перегреты требуют перемагничивания. Подвержены коррозии. Легко обрабатываются механически, гибкие. Спечённые неодимовые магниты имеют наибольшую остаточную намагниченность порядка $B_r\sim 1-\ 1,4Тл$, коэрцитивная сила $H_k=12\ кЭ.\ $ Используются в компьютерной технике, двигателях, датчиках.
Магниты могут терять намагниченность при механических вибрациях, деформациях, перепадах температуры. Полное размагничивание происходит при температуре выше точки Кюри, в сильных магнитных полях, если ферромагнит находится в затухающем переменном магнитном поле или постоянное внешнее поле имеет противоположное направление к внутреннему полю. Железные магниты размагничиваются при комнатных условиях многие десятки лет. Многие искусственно созданные магниты стареют быстро.
Постоянные магниты также применяются:
- В качестве зажимов, крепления, фиксации предметов.
- Для поиска железных предметов методами зондирования, уборки металлического мусора.
Использование «мягких» ферромагнетиков
Ферромагнетики используют при изготовлении трансформаторов и двигателей. Но в данном случае ферромагнетик должен обладать иными свойствами, чем пригодный для постоянных магнитов. Материал должен быть «мягким» в магнитном отношении. Его намагниченность должна легко меняться при изменении внешнего магнитного поля. Требованиями к ферромагнетику в этом случае являются: высокая магнитная проницаемость и слабый гистерезис. В данном случае применяют чистые вещества без примесей с минимальным количеством доменов, стенки доменов должны легко перемещаться. Анизотропию кристаллов пытаются минимизировать. В таком случае, если зерна вещества находятся под неправильным углом к полю, магнетик все равно хорошо намагничивается. Так, подобрали сплав железа и никеля (около 80\% Ni и 20\%Fe) легированный хромом, медью или кремнием, при этом получается очень «мягкий» сплав, который легко намагничивается. Такие вещества называют пермаллоями.
Хорошие магнитные свойства пермаллоя, который содержит 78,5 никеля получены при двухэтапной термической обработки сплава. На первом этапе его нагревают до $900-950^oС$ и выдерживают около часа, затем охлаждают с низкой скоростью. На втором этапе нагрев происходит до $600^oС$ и охлаждение при комнатной температуре со скоростью 1500 $\frac{град}{мин}$.
Они используются в качественных трансформаторах, но не годятся для постоянных магнитов. Пермаллои не терпят деформаций, их свойства существенно изменяются.
Сплавы с максимальной магнитной проницаемостью используют для сердечников малоразмерных трансформаторов, реле, магнитных экранов, магнитных усилителей, реле. Сплавы с повышенным удельным сопротивлением применяют для сердечников импульсных трансформаторов, высокочастотной аппаратуры.
При расчете разного рода устройств переменного тока, которые содержат ферромагнетики, всегда проводят расчет теплового эффекта при гистерезисе. Наличие этого явления в железных сердечниках трансформаторов или вращающихся якорях генераторов постоянного тока приводит к затратам части энергии на тепло гистерезиса, что снижает КПД устройств. Значит, для подобных устройств, следует подбирать специальные сорта ферромагнетиков , площадь петли гистерезиса для которых, минимальна.
Исследования показали, что некоторые сплавы неферромагнитных металлов в определенном соотношении компонент имеют сильные ферромагнитные свойства. Например, марганец -- висмут, хром -- теллур и др.
Ферриты
В том случае если величина намагничивания подрешеток отличается, то возникает некомпенсированный антиферромагнетизм. Тело может иметь значительный магнитный момент. Такие вещества называют ферримагнетиками. По своим магнитным свойствам они аналогичны ферромагнетикам. Если ферримагнетики имеют полупроводниковые свойства, то их называют ферритами -- магнитные полупроводники, которые имеют большое удельное электросопротивление (около ${10}^2-{10}^6Ом\cdot см$). Намагниченность насыщения у ферримагнетиков меньше, чем у ферромагнетиков. Они полезны только при слабых полях. Ферриты -- ферромагнитные изоляторы. Вихревые токи, которые создаются в них в полях с высокой частотой очень маленькие, это позволяет использовать ферриты в микроволновой технике. Микрополя проникают внутрь ферритов, тогда как в ферромагнетиках это не возможно из-за вихревых токов.
Эти вещества, также используют в радиотехнике при больших частотах, там, где в ферромагнетиках из-за их большой проводимости возникают большие потери на вихревые токи.
Пример 1
Задание: Какой из ферромагнитных материалов, на рис.1 наиболее пригоден для электромагнитов с быстрой регулировкой подъёмной силы? Для постоянного магнита?
Для постоянного магнита более пригоден ферромагнетик с широкой петлей гистерезиса, которой соответствует большая коэрцитивная сила, позволяющая веществу размагничиваться с меньшей скоростью и большая остаточная намагниченность. Значит, ферромагнетик с номером 1 более пригоден для постоянного магнита.
Для электромагнита с быстрой регулировкой необходим ферромагнетик, у которого петля гистерезиса узкая, меньше коэрцитивная сила и остаточная намагниченность, следовательно, для этих целей удобнее ферромагнетик номер 2.
Пример 2
Задание: Можно ли электромагнитным краном переносить раскаленные стальные трубы?
Очевидно, что делать этого не стоит, так как ферромагнитные свойства при температурах выше точки Кюри ферромагнетиком утрачиваются, и он станет парамагнетиком с очень малой магнитной проницаемостью и его магнитные свойства станут недостаточными, для использования в качестве средства транспортировки труб.
Одно из самых удивительных явлений природы – это проявление магнетизма у некоторых материалов. Постоянные магниты известны с древних времён. До свершения великих открытий в сфере электричества постоянные магниты активно использовались лекарями разных народов в медицине. Доставались они людям из недр земли в виде кусков магнитного железняка. Со временем люди научились создавать искусственные магниты, помещая изделия из сплавов железа рядом с природными источниками магнитного поля.
Природа магнетизма
Демонстрация свойств магнита в притягивании к себе металлических предметов у людей вызывает вопрос: что такое представляют собой постоянные магниты? Какова же природа такого явления, как возникновение тяги металлических предметов в сторону магнетита?
Первое объяснение природы магнетизма дал в своей гипотезе великий учёный – Ампер. В любой материи протекают электрические токи той или иной степени силы. Иначе их называют токами Ампера. Электроны, вращаясь вокруг собственной оси, вдобавок обращаются вокруг ядра атома. Благодаря этому, возникают элементарные магнитные поля, которые взаимодействуя между собой, формируют общее поле вещества.
В потенциальных магнетитах при отсутствии внешнего воздействия поля элементов атомной решётки ориентированы хаотически. Внешнее магнетическое поле «выстраивает» микрополя структуры материала в строго определённом направлении. Потенциалы противоположных концов магнетита взаимно отталкиваются. Если приближать одинаковые полюсы двух полосовых ПМ, то руки человека ощутят сопротивление движению. Разные полюсы будут стремиться друг к другу.
При помещении стали или железного сплава во внешнее магнитное поле происходит строгое ориентирование внутренних полей металла в одном направлении. В результате этого материал приобретает свойства постоянного магнита (ПМ).
Как увидеть магнитное поле
Чтобы визуально ощутить структуру магнитного поля, достаточно провести несложный эксперимент. Для этого берут два магнита и мелкую металлическую стружку.
Важно! В обиходе постоянные магниты встречаются двух форм: в виде прямой полосы и подковы.
Накрыв полосовой ПМ листом бумаги, на него насыпают железные опилки. Частички мгновенно выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля, что даёт наглядное представление о данном явлении.
Виды магнитов
Постоянные магниты разделяют на 2 вида:
- естественные;
- искусственные.
Естественные
В природе естественный постоянный магнит – это ископаемое в виде обломка железняка. Магнитная порода (магнетит) в каждом народе имеет своё название. Но в каждом наименовании присутствует такое понятие, как «любящий», «притягивающий металл». Название Магнитогорск означает расположение города рядом с горными залежами естественного магнетита. В течение многих десятков лет здесь велась активная добыча магнитной руды. На сегодня от Магнитной горы ничего не осталось. Это была разработка и добыча естественного магнетита.
Пока человечеством не был достигнут должный уровень научно-технического прогресса, естественные постоянные магниты служили для разных забав и фокусов.
Искусственные
Искусственные ПМ получают путём наведения внешнего магнитного поля на различные металлы и их сплавы. Было замечено, что одни материалы сохраняют приобретённое поле в течение длительного времени – их называют твёрдыми магнитами. Быстро теряющие свойства постоянных магнитов материалы носят называние мягких магнитов.
В условиях заводского производства применяют сложные металлические сплавы. В структуру сплава «магнико» входят железо, никель и кобальт. В состав сплава «альнико» вместо железа включают алюминий.
Изделия из этих сплавов взаимодействуют с мощными электромагнитными полями. В результате получают достаточно мощные ПМ.
Применение постоянных магнитов
Немаловажное значение имеют ПМ в различных областях деятельности человека. В зависимости от сферы применения, ПМ обладают различными характеристиками. В последнее время активно применяемый основной магнитный сплав NdFeB состоит из следующих химических элементов:
- «Nd» – ниодия,
- «Fe» – железа,
- «B» – бора.
Сферы, где применяют постоянные магниты:
- Экология;
- Гальваника;
- Медицина;
- Транспорт;
- Компьютерные технологии;
- Бытовые приспособления;
- Электротехника.
Экология
Разработаны и действуют различные системы очистки отходов промышленного производства. Магнитные системы очищают жидкости во время производства аммиака, метанола и других веществ. Магнитные улавливатели «выбирают» из потока все железосодержащие частицы.
Кольцевидные ПМ устанавливают внутри газоходов, которые избавляют газообразные выхлопы от ферромагнитных включений.
Сепараторные магнитные ловушки активно отбирают металлосодержащий мусор на конвейерных линиях переработки техногенных отходов.
Гальваника
Гальваническое производство основано на движении заряженных ионов металла к противоположным полюсам электродов постоянного тока. ПМ играют роль держателей изделий в гальваническом бассейне. В промышленных установках с гальваническими процессами устанавливают магниты только из сплава NdFeB.
Медицина
В последнее время производителями медицинского оборудования широко рекламируются приборы и устройства на основе постоянных магнитов. Постоянное интенсивное поле обеспечивается характеристикой сплава NdFeB.
Свойство постоянных магнитов используют для нормализации кровеносной системы, погашения воспалительных процессов, восстановления хрящевых тканей и прочее.
Транспорт
Транспортные системы на производстве оснащены установками с ПМ. При конвейерном перемещении сырья магниты удаляют из массива ненужные металлические включения. С помощью магнитов направляют различные изделия в разные плоскости.
Обратите внимание! Постоянные магниты используют для сепарации таких материалов, где присутствие людей может пагубно сказаться на их здоровье.
Автомобильный транспорт оснащают массой приборов, узлов и устройств, где основную роль играют ПМ. Это электронное зажигание, автоматические стеклоподъёмники, управление холостым ходом, бензиновые, дизельные насосы, приборы передней панели и многое другое.
Компьютерные технологии
Все подвижные приборы и устройства в компьютерной технике оснащены магнитными элементами. Перечень включает в себя принтеры, движки драйверов, моторчики дисководов и другие устройства.
Бытовые приспособления
В основном это держатели небольших предметов быта. Полки с магнитными держателями, крепления штор и занавесок, держатели набора кухонных ножей и ещё масса приборов домашнего обихода.
Электротехника
Электротехника, построенная на ПМ, касается таких сфер, как радиотехнические устройства, генераторы и электродвигатели.
Радиотехника
ПМ используют с целью повышения компактности радиотехнических приборов, обеспечения автономности устройств.
Генераторы
Генераторы на ПМ решают проблему подвижных контактов – колец со щётками. В традиционных устройствах промышленного назначения остро стоят вопросы, связанные со сложным обслуживанием оборудования, быстрым износом деталей, значительной потерей энергии в цепях возбуждения.
Единственным препятствием на пути создания таких генераторов является проблема крепления ПМ на вращающемся роторе. В последнее время магниты располагают в продольных пазах ротора, заливая их легкоплавким материалом.
Электродвигатели
В бытовой технике и в некотором промышленном оборудовании получили распространение синхронные электрические двигатели на постоянных магнитах – это вентильные моторы постоянного тока.
Как и в вышеописанных генераторах, ПМ устанавливают на роторах, вращающихся внутри статоров с неподвижной обмоткой. Главное преимущество электродвигателя заключается в отсутствии недолговечных токопроводящих контактов на коллекторе ротора.
Двигатели такого типа – это маломощные устройства. Однако это нисколько не преуменьшает их полезность применения в области электротехники.
Дополнительная информация. Отличительная особенность устройства – это наличие датчика Холла, регулирующего обороты ротора.
Автор надеется, что по прочтении данной статьи у читателя сложится понятное представление о том, что такое постоянный магнит. Активное внедрение постоянных магнитов в сферу деятельности человека стимулирует изобретения и создание новых ферромагнитных сплавов, имеющих повышенные магнетические характеристики.
Видео
Еще в древние времена люди обнаружили уникальные свойства определенных камней - притягивание металла. В наше время мы часто сталкиваемся с предметами, которые обладают этими качествами. Что такое магнит? В чем его сила? Об этом мы расскажем в этой статье.
Примером временного магнита являются скрепки, кнопки, гвозди, нож и другие предметы обихода, изготовленные из железа. Их сила в том, что они притягиваются к постоянному магниту, а при исчезновении магнитного поля, теряют свое свойство.
Полем электромагнита можно управлять с помощью электрического тока. Как это происходит ? Провод, витками намотанный на железный сердечник, при подаче и изменении величины тока меняет силу магнитного поля и его полярность.
Типы постоянных магнитов
Ферритовые магниты являются самыми известными и активно используемыми в быту. Этот материал черного цвета может использоваться в качестве крепежей различных предметов, например, для плакатов, для настенных досок, используемых в офисе или школе. Они не теряют своих свойств притяжения при температуре не ниже 250 о С.
Альнико - магнит, состоящий из сплава алюминия, никеля и кобальта. Это дало ему такое название. Очень устойчив к высоким температурам и может применяться при 550 о С. Материал отличается легкостью, но полностью теряет свои свойства, попадая под действие более сильного магнитного поля. Используется в основном в научной отрасли.
Самариевые магнитные сплавы - это материал с высокими показателями. Надежность его свойств позволяет использовать материал в военных разработках. Он устойчив к агрессивной среде, высокой температуре, окислению и коррозии.
Что такое неодимовый магнит? Это самый популярный сплав железа, бора и неодима. Его еще называют супермагнитом, так как он имеет мощнейшее магнитное поле с высокой коэрцитивной силой. Соблюдая определенные условия во время эксплуатации, неодимовый магнит способен сохранить свои свойства на протяжении 100 лет.
Использование неодимовых магнитов
Стоит подробно рассмотреть, что такое неодимовый магнит? Это материал, который способен фиксировать потребление воды, электричества и газа в счетчиках, да и не только. Этот вид магнита относится к постоянным и редкоземельным материалам. Он устойчив перед полей других сплавов и не подвержен размагничиванию.
Изделия из неодима используют в медицинских и промышленных отраслях. Также в бытовых условиях их применяют для крепления портьер, элементов декора, сувениров. Они применяются в поисковых приборах и в электронике.
Для продления срока службы магниты такого типа покрывают цинком или никелем. В первом случае напыление более надежное, так как устойчиво к агрессивным средствам и выдерживает температуру выше 100 о С. Сила магнита зависит от его формы, размера и количества неодима, входящего в состав сплава.
Применение ферритовых магнитов
Ферриты считаются самыми популярными магнитами среди постоянных видов. Благодаря стронцию, входящему в состав, материал не поддается коррозии. Так что это такое - ферритовый магнит? Где он применяется? Этот сплав довольно хрупок. Поэтому его еще называют керамическим. Применяется ферритовый магнит в автомобилестроении и промышленности. Используется в различной технике и электроприборах, а также бытовых установках, генераторах, системах акустики. При производстве автомобилей магниты используют в системах охлаждения, стеклоподъемниках и вентиляторах.
Назначение феррита - защитить технику от внешних помех и не допустить порчи сигнала, получаемого по кабелю. Благодаря этому используют при производстве навигаторов, мониторов, принтеров и другого оборудования, где важно получить чистый сигнал или изображение.
Магнитотерапия
Нередко применяется процедура называется магнитотерапия и проводится в лечебных целях. Действие этого метода заключается в том, чтобы повлиять на организм пациента с помощью магнитных полей, находящихся под низкочастотным переменным или постоянным током. Этот метод лечения помогает избавиться от многих заболеваний, снять боли, укрепить иммунную систему, улучшить кровоток.
Считается, что болезни порождаются нарушением магнитного поля человека. Благодаря физиотерапии организм приходит в норму и общее состояние улучшается.
Из данной статьи вы узнали, что такое магнит, а также изучили его свойства и сферы применения.