Рано чи пізно у кожної жінки з'являється бажання вити власне гніздечко, прикрашати його стильними та функціональними аксесуарами, використовувати дизайнерське рішення декору.
Іноді ми навіть не здогадуємося, як ще можна використовувати цікаві речі, призначення яких, начебто, зрозуміло. Наприклад, чи знали ви, що сушений гарбуз можна залакувати, і він довговічно прослужить вам у ролі вази для канцелярії чи польових букетів? А акварельні фарби з моменту виростання дитини не варто ховати в далеку скриньку, адже ними можна прикрасити дзеркало у ванній кімнаті.
Сьогодні ми поговоримо про такі милі та корисні штучки декору, як магніти. Багато хто з них ми привозимо з подорожей, намагаючись зберегти шматочок спогадів про улюблене місце. Інші тематичні дрібнички нам можуть подарувати родичі або друзі, а треті взагалі дісталися від бабусі з незапам'ятних часів. Виявляється, ці маленькі «друзі» інтер'єру мають аж 10 різних способів використання, з якими ми й ознайомимося.
1. Прикраса елемент.Найчастіше магнітами прикрашають побутову техніку на кшталт холодильника чи пральної машини. Іноді магнітами-літерами можна прикрасити навіть шведську стінку. Головне, хоч трохи дотримуйтесь стилю. Якось я прийшла в гості до знайомої, а в неї по всьому холодильнику розвішана велика кількість магнітів. Поруч із імпровізованими бутербродами можна побачити оголений торс дівчини, збоку йде кілька магнітів з Єгипту (де вони й справді були), а потім із десяток штучок інших країн – В'єтнам, Тбілісі, Гурзуф, Львів, Лондон та інші. Все б нічого, але коли серед цього хаосу я побачила пару літер-магнітів з йогурту «Ростишки», оточені магнітами у формі зброї, моєму подиву не було меж! Якщо ви вважаєте, що люди, перебуваючи у вас у гостях, не звертають на такі дрібниці, як магніти, ви помиляєтеся і ризикуєте навіки отримати ярлик «несмачної» сім'ї, яка виставляє свої «поїздки та досягнення» напоказ.
2. Фотографії на магніті.Мало хто знає, що сучасна друкована індустрія винайшла чергове нововведення – особисті фотографії на плоскому магніті. Таке задоволення готується миттєво, буквально за кілька годин та й обійдеться зовсім недорого. Мало того, що ви знайшли ще один спосіб зберегти спогади, так ще й зношування надрукованої фотографії на такому щільному матеріалі значно менше. Фотографії на магнітах можна легко прибрати в шафу для дбайливого зберігання, а можна використовувати їх як елемент декору - сімейне дерево на металевому стенді, наприклад.
3. Зручна тримка для записів, а також фіксація.Мало сімей, які не знають про таке функціональне використання магніту. Навіть у мого сина у школі на сучасних дошках та стендах вчителі закріплюють наочний матеріал, таблиці та картинки, не перемальовуючи їх вручну, як раніше. У нашій сім'ї магніти невід'ємні деталі холодильника, адже всі завдання на день, оперативні телефонні номери, пам'ятні дати та розпорядки дня фіксує ці маленькі атрибути.
Щодо фіксації – мій дідусь часто застосовував магніти для кращого зчеплення клеючої речовини при усуненні поломок або рубців на предметах. Він просто поміщав деталь між двома магнітами, і швидше склеювання не змушувало себе чекати.
Мама знайшла інше застосування фіксуючих властивостей магніту в господарстві - купила красиву подовжену магнітну смугу і чіпляє на неї будь-які кухонні прилади (включаючи сковорідки та каструлі). Такі смуги можна використовувати як тримачі ножів, міні-магніт можна вшити навіть у тканину (прихватка, рушник), щоб її також можна було зручно розташувати (навіть причепити до духовки).
4. Розвага для дітей та дорослих.На основі магнітів вже давно було створено безліч головоломок, захоплюючих скульптур та приладів для релаксації у кабінеті психолога. Маленьких діток особливо радують підвішені в повітря предмети, а також магнітні куби, кульки, диски та інші кумедні речі. Також магнітами можна оформити дошку «росту» для вашого малюка – просто відзначайте забавним магнітом рівні, на які підросла ваша дитина за певний час.
5. Очищення автомобільної олії.Йдеться про трансмісійний і моторний масляний наповнювач. Таку функцію магніту продемонстрував мені брат-автомеханік, і вона дуже припала до смаку чоловікові. Компактні магніти надійно «сідають» на зливну пробку двигуна вашої машини, і всі елементи зношування деталей будуть прилипати до них. Потужні магніти будуть виловлювати тільки ті частинки, які є абразивом для матеріалу деталей, і збирати їх на своїй поверхні, з якої всі забруднення легко видалити.
6. Пошук предметів.Якщо ваша дитина надивилася американських фільмів і хоче шукати втрачені золоті каблучки на курорті – не варто їй заважати. Якось я купила сину металошукач, коли він виявив навички археологічного дослідника. Який був мій подив, коли забава сина почала приносити дохід. За всі два тижні курорту синочок приніс 2 золоті каблучки, один кулон і срібну сережку для пірсингу, просто проводячи ниткою з кільцевим магнітом по пляжу. Чоловікові сподобалася ця витівка, але він її використовує для ремонту, адже за допомогою магнітного щупа можна швидко відшукати розташування шурупів, цвяхів і арматури в стінах.
Цікаво, що у продажу є магніти, які здатні піднімати предмети навіть із дна моря вагою до 300 кг. Відразу розігралася фантазія про підводне піратське скарб… А раптом?!
7. Ремонт музичних інструментівДочка моєї подруги вже давно відвідує музичну школу за класом духових інструментів, і її мама вже збилася з ніг, намагаючись знайти швидкий спосіб позбавити її саксофон та трубу від характерних вм'ятин. Дістатися до них неможливо по тонкій зігнутій трубці, а знайти потрібного фахівця з ремонту не так просто (та й задоволення це не з дешевих). І ось вона вичитала десь інформацію, що магніт може допомогти у цій нелегкій справі. Беремо залізну кулю (краще зі сталі), що підходить по діаметру трубки, і ведемо її за допомогою зовнішнього магніту до місця вм'ятини. Потім просто проводьте магнітом по периметру вм'ятини, куля зсередини сильно притягатиметься до магніту, ідеально вирівнюючи поверхню. Такий ремонт вам обійдеться недорого і всього за пару хвилин!
8. Кріплення залізних брошів або бейджиків без слідів на одязі.Такий цікавий спосіб я підглянула в нашої співробітниці. Вона регулярно ходить у витончених шовкових, атласних та шифонових блузках, при цьому іменна табличка є обов'язковим елементом дрес-коду. Дівчина додумалася прикріпити міні магніт на вивороті одягу, а спереду просто притуляє до нього шпильку бейджика або залізну брошку. Дивно, але табличка тримається надійно, при цьому навіть на найтоншому одязі не залишається жодного сліду.
9. Прикраса елемент.Багато дівчат чули про так звані магнітні браслети, виготовлені з кульок, кубиків та інших геометричних фігур. Такі прикраси дуже швидко зібрати, можна їх зробити індивідуальними, додавши у ваше складання основи кілька тематичних кулонів або іменних значків. Також можна чергувати магнітні деталі з іншими елементами декору – шкіряними вставками, паєтками, хутром, тканиною тощо. Крім того, прикраси з магнітів вважаються корисними для організму!
Якось я дивилася передачу, де дівчинка дуже хотіла зробити модний пірсинг на вечірку, але батьки не дозволяли. Догадлива дівчина і сама не захотіла «дірявити» тіло, просто прикріпила маленький магніт з одного боку мочки вуха, а з іншого додала 3 срібні трикутники. Цю прикрасу можна отримати безболісно, гігієнічно, швидко і тільки на ті дні, коли ти маєш настрій носити такий «візерунок».
10. Прискорює бродіння домашніх настоянок.Насамкінець розповім про дивовижний спосіб, за допомогою якого мій друг готує лікери та вина у себе на дачі. Як він каже, поміщаючи кілька магнітів на дно пляшки, він створює потужне поле, ідеальне для бродіння будь-яких спиртних напоїв. Друг стверджує, що дозрівання відбувається у кілька разів швидше (буквально за місяць), а напій отримує ті ж смакові властивості та ароматичні букети, які зазвичай дозрівають у настоянок за кілька років витримки!
Сьогодні ми розглянули справді дивовижні способи використання магнітів у побуті. Так що, якщо у вас вдома залежалося кілька магнітів, саме час дати їм друге життя, використовуючи їх за призначенням.
Основне застосування магніт знаходить в електротехніці, радіотехніці, приладобудуванні, автоматиці та телемеханіці. Тут феромагнітні матеріали йдуть виготовлення магнітопроводів, реле тощо. .
Електромашинні генератори та електродвигуни - машини обертального типу, що перетворюють або механічну енергію на електричну (генератори), або електричну на механічну (двигуни). Дія генераторів заснована на принципі електромагнітної індукції: у дроті, що рухається в магнітному полі, наводиться електрорушійна сила (ЕРС). Дія електродвигунів полягає в тому, що у провід зі струмом, поміщений у поперечне магнітне полі, діє сила.
Магнітоелектричні прилади. У таких приладах використовується сила взаємодії магнітного поля зі струмом у витках обмотки рухомої частини, що прагне повернути останню.
Індукційні лічильники електроенергії. Індукційний лічильник є не що інше, як малопотужний електродвигун змінного струму з двома обмотками - струмової та обмоткою напруги. Провідний диск, поміщений між обмотками, обертається під дією моменту, що крутить, пропорційного споживаної потужності. Цей момент врівноважується струмами, що наводяться в диску постійним магнітом, так що частота обертання диска пропорційна споживаної потужності.
Електричний наручний годинник живиться мініатюрною батарейкою. Для їх роботи потрібно набагато менше деталей, ніж у механічному годиннику; так, у схему типового електричного портативного годинника входять два магніти, дві котушки індуктивності і транзистор.
Динамометр - механічний або електричний прилад для вимірювання сили тяги або моменту машини, верстата або двигуна, що крутить.
Гальмівні динамометри бувають різних конструкцій; до них відносяться, наприклад, гальмо Проні, гідравлічне та електромагнітне гальма .
Електромагнітний динамометр може бути виконаний у вигляді мініатюрного приладу, придатного для вимірювання характеристик малогабаритних двигунів.
Гальванометр – чутливий прилад для вимірювання слабких струмів. У гальванометрі використовується крутний момент, що виникає при взаємодії підковоподібного постійного магніту з невеликою токонесучою котушкою (слабким електромагнітом), підвішеною в проміжку між полюсами магніту. Обертовий момент, а отже, і відхилення котушки пропорційні струму і повної магнітної індукції в повітряному зазорі, так що шкала приладу при невеликих відхиленнях котушки майже лінійна. Прилади на його базі - найпоширеніший вид приладів.
Магнітні властивості речовини знаходять широке застосування в науці та техніці як вивчення структури різних тіл. Так виникли науки:
Магнітохімія – розділ фізичної хімії, в якому вивчається зв'язок між магнітними та хімічними властивостями речовин; крім того, магнітохімія досліджує вплив магнітних полів на хімічні процеси. Магнітохімія спирається на сучасну фізику магнітних явищ. Вивчення зв'язку між магнітними та хімічними властивостями дозволяє з'ясувати особливості хімічної будови речовини.
Магнітна дефектоскопія, метод пошуку дефектів, заснований на дослідженні спотворень магнітного поля, що виникають у місцях дефектів у виробах із феромагнітних матеріалів.
Прискорювач частинок, установка, в якій за допомогою електричних та магнітних полів виходять спрямовані пучки електронів, протонів, іонів та інших заряджених частинок з енергією значно перевищує теплову енергію.
У сучасних прискорювачах використовуються численні та різноманітні види техніки, у т.ч. потужні прецизійні магніти.
У медичній терапії та діагностиці у прискорювачі відіграють важливу практичну роль. Багато лікарняних закладів у всьому світі сьогодні мають у своєму розпорядженні невеликі електронні лінійні прискорювачі, що генерують інтенсивне рентгенівське випромінювання, яке застосовується для терапії пухлин. Щонайменше використовуються циклотрони або синхротрони, що генерують протонні пучки. Перевага протонів у терапії пухлин перед рентгенівським випромінюванням полягає у більш локалізованому енерговиділенні. Тому протонна терапія особливо ефективна при лікуванні пухлин мозку та очей, коли пошкодження навколишніх здорових тканин має бути по можливості мінімальним.
Представники різних наук враховують магнітні поля у своїх дослідженнях. Фізик вимірює магнітні поля атомів та елементарних частинок, астроном вивчає роль космічних полів у процесі формування нових зірок, геолог за аномаліями магнітного поля Землі відшукує поклади магнітних руд, з недавнього часу біологія теж активно включилася у вивчення та використання магнітів.
Біологічна наука першої половини ХХ століття впевнено описувала життєві функції, не враховуючи існування будь-яких магнітних полів. Більше того, деякі біологи вважали за потрібне підкреслити, що навіть сильне штучне магнітне поле не впливає на біологічні об'єкти.
В енциклопедіях про вплив магнітних полів на біологічні процеси нічого не говорилося. У науковій літературі всього світу щорічно з'являлися поодинокі позитивні міркування у тому чи іншому біологічному ефекті магнітних полів. Однак цей слабкий струмок не міг розтопити айсберг недовіри навіть до постановки самої проблеми… І раптом струмок перетворився на бурхливий потік. Лавина магнітобіологічних публікацій, наче зірвавшись з якоїсь вершини, з початку 60-х років невпинно збільшується і заглушує скептичні висловлювання.
Від алхіміків XVI століття до наших днів біологічна дія магніту багато разів знаходила шанувальників і критиків. Неодноразово протягом кількох століть спостерігалися сплески та спади інтересу до лікувальної дії магніту. З його допомогою намагалися лікувати (і не безуспішно) нервові хвороби, зубний біль, безсоння, біль у печінці та в шлунку – сотні хвороб.
Для лікувальних цілей магніт став використовуватися, мабуть, раніше, ніж визначення сторін світла.
Як місцевий зовнішній засіб і як амулет магніт мав великий успіх у китайців, індусів, єгиптян, арабів, греків, римлян і т.д. Про його лікувальні властивості згадують у своїх працях філософ Аристотель та історик Пліній.
У другій половині XX століття широко поширилися магнітні браслети, які благотворно впливають на хворих з порушенням кров'яного тиску (гіпертонія і гіпотонія).
Крім постійних магнітів використовують і електромагніти. Їх також застосовують для широкого спектра проблем у науці, техніці, електроніці, медицині (нервові захворювання, захворювання судин кінцівок, серцево-судинні захворювання, ракові захворювання).
Найбільше вчені схиляються до думки, що магнітні поля підвищують опірність організму.
Існують електромагнітні вимірювачі швидкості руху крові, мініатюрні капсули, які за допомогою зовнішніх магнітних полів можна переміщати кровоносними судинами, щоб розширювати їх, брати проби на певних ділянках шляху або, навпаки, локально виводити з капсул різні медикаменти.
Широко поширений магнітний метод видалення металевих частинок з ока.
Більшості з нас відоме дослідження роботи серця за допомогою електричних датчиків – електрокардіограма. Електричні імпульси, що виробляються серцем, створюють магнітне поле серця, яке в max значеннях становить 10-6 напруженості магнітного поля Землі. Цінність магнітокардіографії в тому, що вона дозволяє отримати відомості про електрично "німих" областях серця.
Слід зазначити, що біологи зараз просять фізиків дати теорію первинного механізму біологічної дії магнітного поля, а фізики у відповідь вимагають від біологів більше перевірених біологічних фактів. Очевидно, що успішною буде тісна співпраця різних фахівців.
Важливою ланкою, що поєднує магнітобіологічні проблеми, є реакція нервової системи на магнітні поля. Саме мозок першим реагує на будь-які зміни у зовнішньому середовищі. Саме вивчення його реакцій буде ключем до вирішення багатьох завдань магнітобіології.
Серед технологічних революцій кінця XX століття однією з найголовніших є переведення споживачів на атомне паливо. І знову магнітні поля опинилися у центрі уваги. Тільки вони зможуть приборкати норовливу плазму в «мирній» термоядерній реакції, яка має прийти на зміну реакціям поділу радіоактивних ядер урану та торію.
Що б спалити? - нав'язливим рефреном звучить питання, що вічно мучить енергетиків. Досить довго нас рятували дрова, але вони мала енергоємність, тому дров'яна цивілізація примітивна. Сьогоднішній наш добробут заснований на спалюванні викопного палива, проте легкодоступні запаси нафти, вугілля та природного газу повільно, але вірно вичерпуються. Мимоволі доводиться переорієнтувати паливно-енергетичний баланс країни на щось інше. У майбутньому столітті залишки органічного палива доведеться зберігати для сировинних потреб хімії. А основною енергосировиною, як відомо, стане ядерне паливо.
Ідея магнітної термоізоляції плазми заснована на відомій властивості електрично заряджених частинок, що рухаються в магнітному полі, викривляти свою траєкторію та рухатись по спіралі силових ліній поля. Це викривлення траєкторії в неоднорідному магнітному полі призводить до того, що частка виштовхується в область, де магнітне поле слабкіше. Завдання полягає в тому, щоб плазму з усіх боків оточити сильнішим полем. Це завдання вирішується у багатьох лабораторіях світу. Магнітне утримання плазми відкрили радянські вчені, які у 1950 р. запропонували утримувати плазму у так званих магнітних пастках (або, як часто їх називають, у магнітних пляшках).
Прикладом дуже простої системи для магнітного утримання плазми може бути пастка з магнітними пробками або дзеркалами (пробкотрон). Система є довгою трубою, в якій створено поздовжнє магнітне поле. На кінцях труби намотані масивніші обмотки, ніж у середині. Це призводить до того, що магнітні силові лінії на кінцях труби розташовані густіше і магнітне поле в цих областях сильніше. Таким чином, частка, яка потрапила в магнітну пляшку, не може залишити систему, бо їй довелося б перетинати силові лінії і внаслідок лоренцевої сили «накручуватися» на них. На цьому принципі було збудовано величезну магнітну пасток установки «Огра-1», пущену в Інституті атомної енергії імені І.В. Курчатова в 1958 р. Вакуумна камера "Огра-1" має довжину 19 м при внутрішньому діаметрі 1,4 м. Середній діаметр обмотки, що створює магнітне поле, становить 1,8 м, напруженість поля в середині камери 0,5 Тл, в пробках 0,8 Тл.
Вартість електроенергії, яка отримується від термоядерних електростанцій, буде дуже низькою внаслідок дешевизни вихідної сировини (води). Настане час, коли електростанції вироблятимуть буквально океани електроенергії. За допомогою цієї електроенергії стане можливим, можливо, не тільки кардинально змінити умови життя на Землі - повернути назад річки, осушити болота, обводнити пустелі, - але й змінити вигляд навколишнього космічного простору - заселити і «оживити» Місяць, оточити Марс атмосферою.
Одна з основних труднощів на цьому шляху - створення магнітного поля заданої геометрії та величини. Магнітні поля у сучасних термоядерних пастках відносно невеликі. Тим не менше, якщо врахувати величезні обсяги камер, відсутність феромагнітного сердечника, а також спеціальні вимоги до форми магнітного поля, що ускладнюють створення таких систем, слід визнати, що пастки - велике технічне досягнення.
Виходячи з вищесказаного, можна зробити висновок, що в даний час немає галузі, в якій не застосовувався б магніт або явище магнетизму.
Завдяки появі сплаву на основі Nd-Fe-B (неодиму, заліза та бору) застосування магнітів у промисловості було суттєво розширено. Серед ключових переваг цього рідкісноземельного магніту в порівнянні з використовуваними раніше SmCo і Fe-P особливо варто відзначити його доступність. Поєднуючи високу силу зчеплення з компактними розмірами та тривалим терміном служби, такі вироби стали затребувані у різних сферах господарської діяльності.
Використання неодимових магнітів у різних промислових галузях
Обмеження при використанні рідкісноземельних магнітів на основі неодиму пов'язані з їхньою слабкістю до перегріву. Верхній показник робочої температури для стандартних виробів становить +80⁰C, а для модифікованих термостійких сплавів - +200⁰C. З урахуванням цієї особливості застосування неодимових магнітів у промисловості охоплює такі сфери:
На початку роботи корисно буде дати кілька визначень і пояснень.
Якщо, в якомусь місці, на тіла, що рухаються, що володіють зарядом, діє сила, яка не діє на нерухомі або позбавлені заряду тіла, то кажуть, що в цьому місці присутнямагнітне поле одна з форм більш загальногоелектромагнітного поля.
Є тіла, здатні створювати навколо себе магнітне поле (і на таке тіло теж діє сила магнітного поля), про них говорять, що ці тіла намагнічені і мають магнітний момент, який визначає властивість тіла створювати магнітне поле. Такі тіла називаютьмагнітами.
Слід зазначити, що різні матеріали по-різному реагують на зовнішнє магнітне поле.
Є матеріали, що послаблюють дію зовнішнього поля всередині себе.Парамагнетики і підсилюють зовнішнє поле всередині себе¦ діамагнетики.
Є матеріали з величезною здатністю (у тисячі разів) посилювати зовнішнє поле всередині себе - залізо, кобальт, нікель, гадоліній, сплави та з'єднання цих металів, їх називаютьферомагнетики.
Є серед феромагнетиків матеріали які після впливу на них досить сильного зовнішнього магнітного поля самі стають магнітами.магнітотверді матеріали.
Є матеріали, що концентрують у собі зовнішнє магнітне поле і, поки воно діє, поводяться як магніти; але якщо зовнішнє поле зникає вони не стають магнітами — цемагнітом'які матеріали
ВСТУП.
Ми звикли до магніту і ставимося до нього трішки поблажливо як до застарілого атрибуту шкільних уроків фізики, часом навіть не підозрюючи скільки магнітів навколо нас. У наших квартирах десятки магнітів: в електробритвах, динаміках, магнітофонах, годинах, банках із цвяхами, нарешті. Самі ми теж магніти: біоструми, що поточні в нас, народжують навколо нас химерний візерунок магнітних силових ліній. Земля, де ми живемо, - гігантський блакитний магніт. Сонце - жовта плазмова куля - магніт ще більш грандіозний. Галактик і туманності, що ледь помітні телескопами, - незбагненні за розмірами магніти. Термоядерний синтез, магнітодинамічне генерування електроенергії, прискорення заряджених частинок у синхротронах, підйом затонулих суден - все це області, де потрібні грандіозні, небачені раніше за розмірами магніти. Проблема створення сильних, надсильних, ультрасильних та ще сильніших магнітних полів стала однією з основних у сучасній фізиці та техніці.
Магніт відомий людині з незапам'ятних часів. До нас дійшли згадки
про магніти та їх властивості у працяхФалеса Мілетського (прибл. 600 до н.е.) та Платона (427 347 до н.е.). Саме слово "магніт" виникло у зв'язку з тим, що природні магніти були виявлені греками в Магнесії (Фесалія).
Природні (чи природні) магніти зустрічаються у природі як покладів магнітних руд. У університеті Тартуського знаходиться найбільший відомий природний магніт. Його маса становить 13 кг, і він здатний підняти вантаж 40 кг.
Штучні магніти - це магніти створені людиною на основі різнихферомагнетиків. Так звані «порошкові» магніти (із заліза, кобальту та деяких інших добавок) можуть утримати вантаж більш ніж 5000 разів, що перевищує їх власну масу.
З існують штучні магніти двох різних видів:
Одні так званіпостійні магніти, що виготовляються з «магнітно-твердих» матеріалів. Їхні магнітні властивості не пов'язані з використанням зовнішніх джерел або струмів.
До іншого виду належать так звані електромагніти із сердечникомз « магнітно-м'якого» заліза. Створювані ними магнітні поля обумовлені переважно тим, що з проводу обмотки, що охоплює сердечник, проходить електричний струм.
У 1600 році в Лондоні вийшла книга королівського лікаря В. Гільберта "Про магніт, магнітні тіла і великий магніт - Землі". Цей твір став першою відомою нам спробою вивчення магнітних явищ з позицій науки. У цій праці зібрані відомості про електрику і магнетизм, а також результати власних експериментів автора.
З усього, з чим стикається людина, він насамперед прагне отримати практичну користь. Не минув цієї долі і магніт
У моїй роботі я спробую простежити, як використовуються магніти людиною задля війни, а мирних цілях, зокрема застосування магнітів у біології, медицині, у побуті.
ВИКОРИСТАННЯ МАГНІТІВ.
КОМПАС, прилад визначення горизонтальних напрямів біля. Застосовується визначення напрямку, у якому рухається морське, повітряне судно, наземний транспортний засіб; напрями, у якому йде пішохід; направлення на певний об'єкт чи орієнтир. Компаси поділяються на два основні класи: магнітні компаси типу стрілочних, якими користуються топографи та туристи, та немагнітні, такі, як гірокомпас та радіокомпас.
До 11 ст. відноситься повідомлення китайців Шен Куа і Чу Ю про виготовлення компасів з природних магнітів та використання їх у навігації. Якщо
довга голка з природного магніту врівноважена на осі, що дозволяє їй вільно повертатися в горизонтальній площині, вона завжди звернена одним кінцем на північ, а іншим на південь. Помітивши кінець, що вказує на північ, можна користуватися таким компасом для визначення напрямків.
Магнітні ефекти концентрувалися в кінці такої голки, і тому їх назвали полюсами (відповідно північним і південним).
Основне застосування магніт знаходить в електротехніці, радіотехніці, приладобудуванні, автоматиці та телемеханіці. Тут феромагнітні матеріали йдуть виготовлення магнітопроводів, реле тощо.
У 1820 р. Ерстед (1777?1851) виявив, що провідник зі струмом впливає на магнітну стрілку, повертаючи її. Буквально тижнем пізніше Ампер показав, що два паралельні провідники зі струмом одного напрямку притягуються один до одного. Пізніше він висловив припущення, що це магнітні явища обумовлені струмами, причому магнітні властивості постійних магнітів пов'язані з струмами, які постійно циркулюють усередині цих магнітів. Це цілком відповідає сучасним уявленням.
Електромашинні генератори та електродвигуни -машини обертального типу, що перетворюють або механічну енергію на електричну (генератори), або електричну на механічну (двигуни). Дія генераторів заснована на принципі електромагнітної індукції: у дроті, що рухається в магнітному полі, наводиться електрорушійна сила (ЕРС). Дія електродвигунів полягає в тому, що у провід зі струмом, поміщений у поперечне магнітне полі, діє сила.
Магнітоелектричні прилади.У таких приладах використовується сила взаємодії магнітного поля зі струмом у витках обмотки рухомої частини, що прагне повернути останню
Індукційні лічильники електроенергії. Індукційний лічильник є не що інше, як малопотужний електродвигун змінного струму з двома обмотками струмовим і обмоткою напруги. Провідний диск, поміщений між обмотками, обертається під дією моменту, що крутить, пропорційного споживаної потужності. Цей момент врівноважується струмами, що наводяться в диску постійним магнітом, так що частота обертання диска пропорційна споживаної потужності.
Електричний наручний годинникживляться мініатюрною батареєю. Для їх роботи потрібно набагато менше деталей, ніж у механічному годиннику; так, у схему типового електричного портативного годинника входять два магніти, дві котушки індуктивності і транзистор.
Замок - механічний, електричний або електронний пристрій, що обмежує можливість несанкціонованого користування будь-чим. Замок може приводитися в дію пристроєм (ключом), що є у розпорядженні певної особи, інформацією (цифровим або буквеним кодом), що вводиться цією особою, або якоюсь індивідуальною характеристикою (наприклад, малюнком сітківки ока) цієї особи. Замок зазвичай тимчасово з'єднує один з одним два вузли або дві деталі одного пристрою. Найчастіше замки бувають механічними, але дедалі ширше застосування знаходять електромагнітні замки.
Магнітні замки. У циліндрових замках деяких моделей використовуються магнітні елементи. Замок і ключ забезпечені кодовими наборами постійних магнітів. Коли в замкову щілину вставляється правильний ключ, він притягує і встановлює в потрібне положення внутрішні магнітні елементи замку, що дозволяє відкрити замок.
Динамометр - механічний або електричний прилад для вимірювання сили тяги або моменту машини, верстата або двигуна, що крутить.
Гальмівні динамометрибувають найрізноманітніших конструкцій; до них відносяться, наприклад, гальмо Проні, гідравлічне та електромагнітне гальма.
Електромагнітний динамометрможе бути виконаний у вигляді мініатюрного приладу, придатного для вимірювання характеристик малогабаритних двигунів.
Гальванометр чутливий прилад для вимірювання слабких струмів. У гальванометрі використовується крутний момент, що виникає при взаємодії підковоподібного постійного магніту з невеликою токонесучою котушкою (слабким електромагнітом), підвішеною в проміжку між полюсами магніту. Обертовий момент, а отже, і відхилення котушки пропорційні струму і повної магнітної індукції в повітряному зазорі, так що шкала приладу при невеликих відхиленнях котушки майже лінійна. Прилади з його основі - найпоширеніший вид приладів.
Спектр приладів, що випускається, широкий і різноманітний: прилади щитові постійного і змінного струму (магнітоелектричної, магнітоелектричної з випрямлячем та електромагнітної систем), комбіновані прилади ампервольтомметри, для діагностування та регулювання електрообладнання автомашин, вимірювання температури плоских поверхонь, та вимірювачі всіляких електричних параметрів
Виробництво абразивів - дрібних, твердих, гострих частинок, що використовуються у вільному або пов'язаному вигляді для механічної обробки (в т.ч. для надання форми, обдирки, шліфування, полірування) різноманітних матеріалів та виробів з них (від великих сталевих плит до листів фанери, оптичного скла та комп'ютерних мікросхем). Абразиви бувають природні чи штучні. Дія абразивів зводиться до видалення частини матеріалу з поверхні, що обробляється.У процесі виробництва штучних абразивів феросиліцій, що у суміші, осідає на дно печі, але невеликі його кількості впроваджуються в абразив і потім видаляються магнітом.
Магнітні властивості речовини знаходять широке застосування в науці та техніці як вивчення структури різних тіл. Так виниклинауки:
Магнетох та мія (магнітохімія) – розділ фізичної хімії, в якому вивчається зв'язок між магнітними та хімічними властивостями речовин; крім того, магнітохімія досліджує вплив магнітних полів на хімічні процеси. Магнітохімія спирається на сучасну фізику магнітних явищ. Вивчення зв'язку між магнітними та хімічними властивостями дозволяє з'ясувати особливості хімічної будови речовини.
Магнітна дефектоскопіяметод пошуку дефектів, заснований на дослідженні спотворень магнітного поля, що виникають у місцях дефектів у виробах з феромагнітних матеріалів.
. Техніка надвисокочастотного діапазону
Надвисоко частотний діапазон (НВЧ) - частотний діапазон електромагнітного випромінювання (100¸ 300 000 млн. герц), розташований у спектрі між ультрависокими телевізійними частотами та частотами дальньої інфрачервоної області
Зв'язок. Радіохвилі НВЧ-діапазону широко застосовуються в техніці зв'язку. Крім різних радіосистем військового призначення, у всіх країнах світу є численні комерційні лінії НВЧ-зв'язку. Оскільки такі радіохвилі не йдуть за кривизною земної поверхні, а поширюються по прямій, ці лінії зв'язку, як правило, складаються з ретрансляційних станцій, встановлених на вершинах пагорбів або радіовежах з інтервалами близько 50 км.
Термообробка харчових продуктів.НВЧ-випромінювання застосовується для термообробки харчових продуктів у домашніх умовах та у харчовій промисловості. Енергія, що генерується потужними електронними лампами, може бути сконцентрована у малому обсязі для високоефективної теплової обробки продуктів у т.зв. мікрохвильових або НВЧ-печах, що відрізняються чистотою, безшумністю та компактністю. Такі пристрої застосовуються на літакових бортових кухнях, у залізничних вагонах-ресторанах та торгових автоматах, де потрібні швидкі приготування продуктів та приготування страв. Промисловість випускає також НВЧ-печі побутового призначення.
Швидкий прогрес у галузі НВЧ-техніки значною мірою пов'язаний з винаходом спеціальних електровакуумних приладів магнетрону та клістрону, здатних генерувати великі кількості НВЧ-енергії. Генератор на звичайному вакуумному тріоді, що використовується на низьких частотах, у НВЧ-діапазоні виявляється дуже неефективним.
Магнетрон. У магнетроні, винайденому у Великій Британії перед Другою світовою війною, ці недоліки відсутні, оскільки за основу взято зовсім інший підхід до генерації НВЧ-випромінювання принцип об'ємного резонатора
У магнетроні передбачено кілька об'ємних резонаторів, розташованих симетрично навколо катода, що знаходиться в центрі. Прилад розміщують між полюсами сильного магніту.
Лампа хвилі, що біжить (ЛБВ).Ще один електровакуумний прилад для генерації та посилення електромагнітних хвиль НВЧ-діапазону - лампа хвилі, що біжить. Вона являє собою тонку відкачану трубку, що вставляється у магнітну котушку, що фокусує.
Прискорювач частинок, установка, в якій за допомогою електричних та магнітних полів виходять спрямовані пучки електронів, протонів, іонів та інших заряджених частинок з енергією значно перевищує теплову енергію.
У сучасних прискорювачах використовуються численні та різноманітні види техніки, у т.ч. потужні прецизійні магніти.
У медичній терапії та діагностиці уКористувачі відіграють важливу практичну роль. Багато лікарняних закладів у всьому світі сьогодні мають у своєму розпорядженні невеликі електронні лінійні прискорювачі, що генерують інтенсивне рентгенівське випромінювання, яке застосовується для терапії пухлин. Щонайменше використовуються циклотрони або синхротрони, що генерують протонні пучки. Перевага протонів у терапії пухлин перед рентгенівським випромінюванням полягає у більш локалізованому енерговиділенні. Тому протонна терапія особливо ефективна при лікуванні пухлин мозку та очей, коли пошкодження навколишніх здорових тканин має бути по можливості мінімальним.
Представники різних наук враховують магнітні поля у своїх дослідженнях. Фізик вимірює магнітні поля атомів та елементарних частинок, астроном вивчає роль космічних полів у процесі формування нових зірок, геолог за аномаліями магнітного поля Землі відшукує поклади магнітних руд, з недавнього часу біологія теж активно включилася у вивчення та використання магнітів.
Біологічна наукапершої половини XX століття впевнено описувала життєві функції, не враховуючи існування будь-яких магнітних полів. Більше того, деякі біологи вважали за потрібне підкреслити, що навіть сильне штучне магнітне поле не впливає на біологічні об'єкти.
В енциклопедіях про вплив магнітних полів на біологічні процеси нічого не говорилося. У науковій літературі всього світу щорічно з'являлися поодинокі позитивні міркування у тому чи іншому біологічному ефекті магнітних полів. Однак цей слабкий струмок не міг розтопити айсберг недовіри навіть до постановки самої проблеми… І раптом струмок перетворився на бурхливий потік. Лавина магнітобіологічних публікацій, наче зірвавшись з якоїсь вершини, з початку 60-х років невпинно збільшується і заглушує скептичні висловлювання.
Від алхіміків XVI століття і донині біологічне дію магніту багато разів знаходило шанувальників і критиків. Неодноразово протягом кількох століть спостерігалися сплески та спади інтересу до лікувальної дії магніту. З його допомогою намагалися лікувати (і не безуспішно) нервові хвороби, зубний біль, безсоння, болі в печінці та в шлунку, сотні хвороб.
Для лікувальних цілей магніт став використовуватися, мабуть, раніше, ніж визначення сторін світла.
Як місцевий зовнішній засіб і як амулет магніт мав великий успіх у китайців, індусів, єгиптян, арабів. ГРЕКІВ, римлян тощо. Про його лікувальні властивості згадують у своїх працях філософ Аристотель та історик Пліній.
В другій половині XX століття широко поширилися магнітні браслети, що благотворно впливають на хворих з порушенням кров'яного тиску (гіпертонія та гіпотонія).
Крім постійних магнітів використовують і електромагніти. Їх також застосовують для широкого спектра проблем у науці, техніці, електроніці, медицині (нервові захворювання, захворювання судин кінцівок, серцево-судинні захворювання, ракові захворювання).
Найбільше вчені схиляються до думки, що магнітні поля підвищують опірність організму.
Існують електромагнітні вимірювачі швидкості руху крові, мініатюрні капсули, які за допомогою зовнішніх магнітних полів можна переміщати кровоносними судинами, щоб розширювати їх, брати проби на певних ділянках шляху або, навпаки, локально виводити з капсул різні медикаменти.
Широко поширений магнітний метод видалення металевих частинок з ока.
Більшості з нас відоме дослідження роботи серця за допомогою електричних датчиків електрокардіограма. Електричні імпульси, що виробляються серцем, створюють магнітне поле серця, яке в max значеннях становить 10-6 напруги магнітного поля Землі. Цінність магнітокардіографії в тому, що вона дозволяє отримати відомості про електрично "німих" областях серця.
Слід зазначити, що біологи зараз просять фізиків дати теорію первинного механізму біологічної дії магнітного поля, а фізики у відповідь вимагають від біологів більше перевірених біологічних фактів. Очевидно, що успішною буде тісна співпраця різних фахівців.
Важливою ланкою, що поєднує магнітобіологічні проблеми, є реакція нервової системи на магнітні поля. Саме мозок першим реагує на будь-які зміни у зовнішньому середовищі. Саме вивчення його реакцій буде ключем до вирішення багатьох завдань магнітобіології.
Найпростіший висновок, який можна зробити з вище сказаного, немає області прикладної діяльності людини, де б не застосовувалися магніти.
Використана література:
- БСЕ, друге видання, Москва, 1957
- Холодов Ю.А. "Людина в магнітній павутині", "Знання", Москва, 1972 р.
- Матеріали з інтернет-енциклопедії
- Путілов К.А. "Курс фізики", "Фізматгіз", Москва, 1964р.
Існують магніти двох різних видів. Одні – звані постійні магніти, виготовлені з «магнітно-твердих» матеріалів. Їхні магнітні властивості не пов'язані з використанням зовнішніх джерел або струмів. До іншого виду відносяться так звані електромагніти із сердечником із «магнітно-м'якого» заліза. Створювані ними магнітні поля обумовлені переважно тим, що з проводу обмотки, що охоплює сердечник, проходить електричний струм.
Магнітні полюси та магнітне поле.
Магнітні властивості стрижневого магніту найбільш помітні поблизу його кінців. Якщо такий магніт підвісити за середню частину так, щоб він міг вільно повертатися в горизонтальній площині, він займе положення, приблизно відповідне напрямку з півночі на південь. Кінець стрижня, що вказує північ, називають північним полюсом, а протилежний кінець – південним полюсом. Різноіменні полюси двох магнітів притягуються один до одного, а однойменні взаємно відштовхуються.
Якщо до одного з полюсів магніту наблизити брусок ненамагніченого заліза, останній тимчасово намагнітиться. При цьому ближній до полюса магніту полюс намагніченого бруска буде протилежним за найменуванням, а далекий – однойменним. Притягненням між полюсом магніту та індукованим ним у бруску протилежним полюсом і пояснюється дія магніту. Деякі матеріали (наприклад, сталь) самі стають постійними слабкими магнітами після того, як побувають біля постійного магніту або електромагніту. Сталевий стрижень можна намагнітити, просто провівши його торцем кінцем стрижневого постійного магніту.
Отже, магніт притягує інші магніти та предмети з магнітних матеріалів, не перебуваючи у дотику до них. Така дія з відривом пояснюється існуванням у просторі навколо магніту магнітного поля. Деяке уявлення про інтенсивність і напрям цього магнітного поля можна отримати, насипавши на лист картону або скла, покладений на магніт, залізна тирса. Тирса вишикуються ланцюжками в напрямку поля, а густота ліній з тирси відповідатиме інтенсивності цього поля. (Найчастіше вони в кінці магніту, де інтенсивність магнітного поля найбільша.)
М.Фарадей (1791-1867) ввів для магнітів поняття замкнутих ліній індукції. Лінії індукції виходять в навколишнє простір з магніту біля його північного полюса, входять у магніт біля південного полюса і проходять усередині матеріалу магніту від південного полюса до північного, утворюючи замкнуту петлю. Повна кількість ліній індукції, що виходять із магніту, називається магнітним потоком. Щільність магнітного потоку, або магнітна індукція ( У), дорівнює числу ліній індукції, які проходять нормалі через елементарну майданчик одиничної величини.
Магнітною індукцією визначається сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, що знаходиться в ньому. Якщо провідник, яким проходить струм I, розташований перпендикулярно до ліній індукції, то за законом Ампера сила F, що діє на провідник, перпендикулярна і полю, і провіднику і пропорційна магнітній індукції, силі струму та довжині провідника. Таким чином, для магнітної індукції Bможна написати вираз
де F- Сила в ньютонах, I- Струм в амперах, l- Довжина в метрах. Одиницею виміру магнітної індукції є тесла (Тл).
Гальванометр.
Гальванометр – чутливий пристрій для вимірювання слабких струмів. У гальванометрі використовується крутний момент, що виникає при взаємодії підковоподібного постійного магніту з невеликою токонесучою котушкою (слабким електромагнітом), підвішеною в проміжку між полюсами магніту. Обертовий момент, а отже, і відхилення котушки пропорційні струму і повної магнітної індукції в повітряному зазорі, так що шкала приладу при невеликих відхиленнях котушки майже лінійна.
Намагнічуюча сила та напруженість магнітного поля.
Далі слід запровадити ще одну величину, що характеризує магнітну дію електричного струму. Припустимо, що струм проходить по дроту довгої котушки, всередині якої розташований матеріал, що намагнічується. Намагнічує силою називається добуток електричного струму в котушці на число її витків (ця сила вимірюється в амперах, так як число витків - величина безрозмірна). Напруженість магнітного поля Ндорівнює силі, що намагнічує, припадає на одиницю довжини котушки. Таким чином, величина Нвимірюється у амперах на метр; нею визначається намагніченість, що купується матеріалом усередині котушки.
У вакуумі магнітна індукція Bпропорційна напруженості магнітного поля Н:
де m 0 – т.зв. магнітна постійна, що має універсальне значення 4 pЧ 10 -7 Гн/м. У багатьох матеріалах величина Bприблизно пропорційна Н. Однак у феромагнітних матеріалах співвідношення між Bі Ндещо складніше (про що буде сказано нижче).
На рис. 1 зображено простий електромагніт, призначений для захоплення вантажів. Джерелом енергії є акумуляторна батарея постійного струму. На малюнку показані також силові лінії поля електромагніту, які можна виявити звичайним методом залізної тирси.
Великі електромагніти із залізними сердечниками і дуже великою кількістю ампер-витків, що працюють у безперервному режимі, мають велику намагнічуючу силу. Вони утворюють магнітну індукцію до 6 Тл у проміжку між полюсами; ця індукція обмежується лише механічними напругами, нагріванням котушок та магнітним насиченням сердечника. Ряд гігантських електромагнітів (без сердечника) з водяним охолодженням, а також установок для створення імпульсних магнітних полів було сконструйовано П.Л. Массачусетський технологічний інститут. На таких магнітах вдавалося досягти індукції до 50 тл. Порівняно невеликий електромагніт, що створює поля до 6,2 Тл, що споживає електричну потужність 15 кВт і охолоджується рідким воднем, був розроблений в Національній лабораторії Лосаламоська. Подібні поля одержують при кріогенних температурах.
Магнітна проникність та її роль у магнетизмі.
Магнітна проникність m- Це величина, що характеризує магнітні властивості матеріалу. Феромагнітні метали Fe, Ni, Co та їх сплави мають дуже високі максимальні проникності – від 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермалою). У таких матеріалах при порівняно малих напруженнях поля Hвиникають великі індукції B, але зв'язок між цими величинами, взагалі кажучи, нелінійний через явищ насичення та гістерези, про які йдеться нижче. Феромагнітні матеріали сильно притягуються магнітами. Вони втрачають свої магнітні властивості при температурах вище точки Кюрі (770° для Fe, 358° для Ni, 1120° для Co) і поводяться як парамагнетики, котрим індукція Bаж до дуже високих значень напруженості Hпропорційна їй – точно так, як це має місце у вакуумі. Багато елементів і сполук є парамагнітними при всіх температурах. Парамагнітні речовини характеризуються тим, що намагнічуються у зовнішньому магнітному полі; якщо це поле вимкнути, парамагнетики повертаються в ненамагнічений стан. Намагніченість у феромагнетиках зберігається і після вимкнення зовнішнього поля.
На рис. 2 представлена типова петля гістерези для магнітно-твердого (з великими втратами) феромагнітного матеріалу. Вона характеризує неоднозначну залежність намагніченості магнітоупорядкованого матеріалу від напруженості поля, що намагнічує. Зі збільшенням напруженості магнітного поля від вихідної (нульової) точки ( 1 ) намагнічування йде по штриховій лінії 1 –2 , причому величина mістотно змінюється у міру того, як зростає намагніченість зразка. У точці 2 досягається насичення, тобто. при подальшому збільшенні напруженості намагніченість не збільшується. Якщо тепер поступово зменшувати величину Hдо нуля, то крива B(H) вже не слідує по колишньому шляху, а проходить через точку 3 , Виявляючи як би «пам'ять» матеріалу про «минулої історії», звідки і назва «гістерезис». Очевидно, що при цьому зберігається деяка залишкова намагніченість (відрізок 1 –3 ). Після зміни напрямку поля, що намагнічує, на зворотне крива У (Н) проходить точку 4 , причому відрізок ( 1 )–(4 ) відповідає коерцитивній силі, що перешкоджає розмагнічування. Подальше зростання значень (- H) наводить криву гістерези в третій квадрант - ділянку 4 –5 . Наступне зменшення величини (- H) до нуля і потім зростання позитивних значень Hпризведе до замикання петлі гістерези через точки 6 , 7 і 2 .
Магнітно-тверді матеріали характеризуються широкою петлею гістерези, що охоплює значну площу на діаграмі і тому відповідає великим значенням залишкової намагніченості (магнітної індукції) та коерцитивної сили. Вузька петля гістерезису (рис. 3) характерна для магнітно-м'яких матеріалів – таких, як м'яка сталь та спеціальні сплави з великою магнітною проникністю. Такі сплави були створені з метою зниження обумовлених гістерезисом енергетичних втрат. Більшість подібних спеціальних сплавів, як і ферити, мають високий електричний опір, завдяки чому зменшуються не тільки магнітні втрати, а й електричні, зумовлені вихровими струмами.
Магнітні матеріали з високою проникністю виготовляються шляхом відпалу, що здійснюється витримуванням при температурі близько 1000° З наступною відпусткою (поступовим охолодженням) до кімнатної температури. При цьому дуже суттєві попередня механічна та термічна обробка, а також відсутність у зразку домішок. Для сердечників трансформаторів на початку 20 ст. були розроблені кремністі сталі, величина mяких зростала із збільшенням вмісту кремнію. Між 1915 і 1920 з'явилися пермаллої (сплави Ni з Fe) з характерною для них вузькою і майже прямокутною петлею гістерези. Особливо високими значеннями магнітної проникності mпри малих значеннях Hвідрізняються сплави гіпернік (50% Ni, 50% Fe) та му-метал (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тоді як у пермінварі (45% Ni, 30% Fe, 25% Co ) величина mпрактично постійна у межах зміни напруженості поля. Серед сучасних магнітних матеріалів слід згадати супермалу – сплав із найвищою магнітною проникністю (до його складу входить 79% Ni, 15% Fe та 5% Mo).
Теорії магнетизму.
Вперше здогад про те, що магнітні явища в кінцевому рахунку зводяться до електричних, виникла у Ампера в 1825 році, коли він висловив ідею замкнутих внутрішніх мікрострумів, що циркулюють у кожному атомі магніту. Однак без будь-якого досвідченого підтвердження наявності в речовині таких струмів (електрон був відкритий Дж. Томсоном лише в 1897, а опис структури атома було дано Резерфордом і Бором в 1913) ця теорія «увяла». У 1852 В.Вебер висловив припущення, що кожен атом магнітної речовини є крихітним магнітом, або магнітним дипольом, так що повна намагніченість речовини досягається, коли всі окремі атомні магніти виявляються збудованими в певному порядку (рис. 4, б). Вебер вважав, що зберігати своє впорядкування всупереч впливу теплових коливань, що обурює, цим елементарним магнітам допомагає молекулярний або атомний «тертя». Його теорія змогла пояснити намагнічування тіл при зіткненні з магнітом, а також їхнє розмагнічування при ударі або нагріванні; нарешті, пояснювалося і «розмноження» магнітів при розрізанні голки намагніченої або магнітного стрижня на частини. І все-таки ця теорія не пояснювала ні походження самих елементарних магнітів, ні явищ насичення та гістерези. Теорія Вебера була вдосконалена в 1890 Дж.Евінгом, який замінив його гіпотезу атомного тертя ідеєю міжатомних обмежуючих сил, які допомагають підтримувати впорядкування елементарних диполів, які становлять постійний магніт.
Підхід до проблеми, запропонований колись Ампером, отримав друге життя 1905 року, коли П.Ланжевен пояснив поведінку парамагнітних матеріалів, приписавши кожному атому внутрішній некомпенсований електронний струм. Згідно з Ланжевеном, саме ці струми утворюють крихітні магніти, хаотично орієнтовані, коли зовнішнє поле відсутнє, але набувають упорядкованої орієнтації після його застосування. У цьому наближення до повної упорядкованості відповідає насичення намагніченості. Крім того, Ланжевен ввів поняття магнітного моменту, що дорівнює окремому атомному магніту твору «магнітного заряду» полюса на відстань між полюсами. Таким чином, слабкий магнетизм парамагнітних матеріалів обумовлений сумарним магнітним моментом, створюваним некомпенсованими електронними струмами.
У 1907 П.Вейс запровадив поняття «домена», яке стало важливим внеском у сучасну теорію магнетизму. Вейс представляв домени як невеликих «колоній» атомів, у яких магнітні моменти всіх атомів з якихось причин змушені зберігати однакову орієнтацію, отже кожен домен намагнічений до насичення. Окремий домен може мати лінійні розміри близько 0,01 мм і відповідно обсяг порядку 10 -6 мм3. Домени розділені так званими блохівськими стінками, товщина яких не перевищує 1000 атомних розмірів. «Стінка» і два протилежно орієнтовані домени схематично зображені на рис. 5. Такі стінки є «перехідними шарами», в яких відбувається зміна напрямку намагніченості доменів.
У загальному випадку на кривій первісного намагнічування можна виділити три ділянки (рис. 6). На початковій ділянці стінка під дією зовнішнього поля рухається крізь товщу речовини, доки не зустріне дефект кристалічної решітки, що її зупиняє. Збільшивши напруженість поля, можна змусити стінку рухатися далі через середню ділянку між штриховими лініями. Якщо після цього напруження поля знову зменшити до нуля, стінки вже не повернуться у вихідне положення, так що зразок залишиться частково намагніченим. Цим пояснюється гістерезис магніту. На кінцевій ділянці кривий процес завершується насиченням намагніченості зразка за рахунок упорядкування намагніченості всередині останніх невпорядкованих доменів. Такий процес майже повністю оборотний. Магнітну твердість виявляють ті матеріали, у яких атомні грати містять багато дефектів, що перешкоджають руху міждоменних стінок. Цього можна досягти механічною та термічною обробкою, наприклад, шляхом стиснення та подальшого спікання порошкоподібного матеріалу. У сплавах алніко та їх аналогах той самий результат досягається шляхом сплавлення металів у складну структуру.
Крім парамагнітних та феромагнітних матеріалів, існують матеріали з так званими антиферомагнітними та феримагнітними властивостями. Відмінність між цими видами магнетизму пояснюється рис. 7. Виходячи з уявлення про домени, парамагнетизм можна розглядати як явище, обумовлене наявністю в матеріалі невеликих груп магнітних диполів, в яких окремі диполі дуже слабо взаємодіють один з одним (або взагалі не взаємодіють) і тому відсутність зовнішнього поля приймають лише випадкові орієнтації ( рис. а). У феромагнітних матеріалах у межах кожного домену існує сильна взаємодія між окремими диполями, що призводить до їх упорядкованого паралельного вибудовування (мал. 7, б). В антиферомагнітних матеріалах, навпаки, взаємодія між окремими диполями призводить до їхнього антипаралельного упорядкованого вибудовування, так що повний магнітний момент кожного домену дорівнює нулю (рис. 7, в). Нарешті, у феримагнітних матеріалах (наприклад, ферит) є як паралельне, так і антипаралельне впорядкування (рис. 7, г), результатом чого виявляється слабкий магнетизм.
Є два переконливі експериментальні підтвердження існування доменів. Перше – так званий ефект Баркгаузена, друге – метод порошкових фігур. У 1919 р. Баркгаузен встановив, що при накладенні зовнішнього поля на зразок з феромагнітного матеріалу його намагніченість змінюється невеликими дискретними порціями. З точки зору доменної теорії це не що інше, як стрибкоподібне просування міждоменної стінки, що зустрічає на своєму шляху окремі дефекти, що її затримують. Даний ефект зазвичай виявляється за допомогою котушки, в яку поміщається феромагнітний стрижень або дріт. Якщо по черзі підносити до зразка і видаляти від нього сильний магніт, зразок намагнічуватиметься і перемагнічуватиметься. Стрибкоподібні зміни намагніченості зразка змінюють магнітний потік через котушку, і в ній збуджується індукційний струм. Напруга, що виникає при цьому в котушці, посилюється та подається на вхід пари акустичних навушників. Клацання, що сприймаються через навушники, свідчить про стрибкоподібну зміну намагніченості.
Для виявлення доменної структури магніту методом порошкових фігур добре відполіровану поверхню намагніченого матеріалу наносять краплю колоїдної суспензії феромагнітного порошку (зазвичай Fe 3 O 4). Частинки порошку осідають переважно у місцях максимальної неоднорідності магнітного поля – на межах доменів. Таку структуру можна вивчати під мікроскопом. Було запропоновано також метод, заснований на проходженні поляризованого світла через прозорий феромагнітний матеріал.
Початкова теорія магнетизму Вейса у своїх основних рисах зберегла своє значення до теперішнього часу, отримавши, однак, оновлену інтерпретацію на основі уявлення про некомпенсовані електронні спини як фактор, що визначає атомний магнетизм. Гіпотеза про існування свого моменту у електрона була висунута в 1926 С.Гаудсмітом і Дж.Уленбеком, і нині як «елементарні магніти» розглядаються саме електрони як носії спина.
Для пояснення цієї концепції розглянемо (рис. 8) вільний атом заліза – типовий феромагнітний матеріал. Дві його оболонки ( Kі L), Найближчі до ядра, заповнені електронами, причому на першій з них розміщені два, а на другій – вісім електронів. У K-оболонці спин одного з електронів позитивний, а іншого – негативний. У L-оболонці (точніше, у двох її підболочках) у чотирьох із восьми електронів позитивні, а в інших чотирьох – негативні спини. В обох випадках спини електронів у межах однієї оболонки повністю компенсуються, тому повний магнітний момент дорівнює нулю. У M-Оболонка ситуація інша, оскільки з шести електронів, що знаходяться в третій підболочці, п'ять електронів мають спини, спрямовані в один бік, і лише шостий - в іншу. В результаті залишаються чотири нескомпенсовані спини, чим і зумовлені магнітні властивості атома заліза. (У зовнішній N-оболонці всього два валентні електрони, які не дають вкладу в магнетизм атома заліза.) Подібним чином пояснюється магнетизм та інших феромагнетиків, наприклад нікелю і кобальту. Оскільки сусідні атоми у зразку заліза сильно взаємодіють один з одним, причому їх електрони частково колективізуються, таке пояснення слід розглядати лише як наочну, але спрощену схему реальної ситуації.
Теорію атомного магнетизму, засновану на обліку спина електрона, підкріплюють два цікаві гіромагнітні експерименти, один з яких був проведений А. Ейнштейном і В. де Гаазом, а інший – С. Барнеттом. У першому з цих експериментів циліндрик із феромагнітного матеріалу підвішувався так, як показано на рис. 9. Якщо по дроту обмотки пропустити струм, то циліндр повертається навколо своєї осі. При зміні напрямку струму (а отже, і магнітного поля) він повертається у зворотному напрямку. В обох випадках обертання циліндрика обумовлено впорядкуванням електронних спинів. В експерименті Барнетта, навпаки, так само підвішений циліндрик, різко наведений у стан обертання, відсутність магнітного поля намагнічується. Цей ефект пояснюється тим, що при обертанні магнетика створюється гіроскопічний момент, що прагне повернути спінові моменти за напрямом осі обертання.
За більш повним поясненням природи та походження короткодіючих сил, що впорядковують сусідні атомні магнітики і протидіють впливу теплового руху, що зупорядковує, слід звернутися до квантової механіки. Квантово-механічне пояснення природи цих сил було запропоновано у 1928 р. В.Гейзенбергом, який постулював існування обмінних взаємодій між сусідніми атомами. Пізніше Г.Бете і Дж.Слетер показали, що обмінні сили суттєво зростають із зменшенням відстані між атомами, але після досягнення деякої мінімальної міжатомної відстані падають до нуля.
МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИНИ
Одне з перших великих і систематичних досліджень магнітних властивостей речовини було здійснено П.Кюрі. Він встановив, що за своїми магнітними властивостями всі речовини можна поділити на три класи. До першого відносяться речовини з різко вираженими магнітними властивостями, подібними до властивостей заліза. Такі речовини називаються феромагнітними; їх магнітне поле помітно на значних відстанях ( см. вище). У другий клас потрапляють речовини, які називаються парамагнітними; магнітні властивості їх загалом аналогічні властивостям феромагнітних матеріалів, але набагато слабші. Наприклад, сила тяжіння до полюсів потужного електромагніта може вирвати з ваших рук залізний молоток, а щоб виявити тяжіння парамагнітної речовини до того ж магніту, потрібні, як правило, дуже чутливі аналітичні ваги. До останнього, третього класу відносяться так звані діамагнітні речовини. Вони відштовхуються електромагнітом, тобто. сила, що діє на діамагнетики, спрямована протилежно до тієї, що діє на феро- і парамагнетики.
Вимірювання магнітних властивостей.
При вивченні магнітних властивостей найважливіше значення мають виміри двох типів. Перший – вимірювання сили, що діє на зразок поблизу магніту; так визначається намагніченість зразка. До другого відносяться виміри "резонансних" частот, пов'язаних з намагнічення речовини. Атоми являють собою крихітні «гіроскопи» і в магнітному полі прецесують (як звичайний дзига під впливом моменту, що обертає, створюваного силою тяжіння) з частотою, яка може бути виміряна. Крім того, на вільні заряджені частинки, що рухаються під прямим кутом до ліній магнітної індукції діє сила, як і на електронний струм у провіднику. Вона змушує частинку рухатися круговою орбітою, радіус якої дається виразом.
R = mv/eB,
де m- Маса частки, v- Її швидкість, e– її заряд, а B- Магнітна індукція поля. Частота такого кругового руху дорівнює
де fвимірюється в герцях, e– у кулонах, m- У кілограмах, B- У теслах. Ця частота характеризує рух заряджених частинок у речовині, що у магнітному полі. Обидва типи рухів (прецесію і рух за круговими орбітами) можна порушити змінними полями з резонансними частотами, рівними «природним» частотам, притаманним даного матеріалу. У першому випадку резонанс називається магнітним, а у другому – циклотронним (через подібність із циклічним рухом субатомної частинки в циклотроні).
Говорячи про магнітні властивості атомів, необхідно особливо зупинитися на момент імпульсу. Магнітне поле діє на атомний диполь, що обертається, прагнучи повернути його і встановити паралельно полю. Натомість атом починає прецесувати навколо напряму поля (рис. 10) із частотою, що залежить від дипольного моменту та напруженості прикладеного поля.
Прецесія атомів не піддається безпосередньому спостереженню, оскільки всі атоми зразка прецесують у різній фазі. Якщо ж прикласти невелике змінне поле, спрямоване перпендикулярно постійному порядку, що впорядковує, то між прецесуючими атомами встановлюється певне фазове співвідношення і їх сумарний магнітний момент починає прецесувати з частотою, що дорівнює частоті прецесії окремих магнітних моментів. Важливе значення має кутова швидкість прецесії. Як правило, це величина порядку 10 10 Гц/Тл для намагніченості, пов'язаної з електронами, і 10 7 Гц/Тл для намагніченості, пов'язаної з позитивними зарядами в ядрах атомів.
p align="justify"> Принципова схема установки для спостереження ядерного магнітного резонансу (ЯМР) представлена на рис. 11. В однорідне постійне поле між полюсами вводиться речовина, що вивчається. Якщо потім за допомогою невеликої котушки, що охоплює пробірку, збудити радіочастотне поле, то можна досягти резонансу на певній частоті, що дорівнює частоті прецесії всіх ядерних «гіроскопів» зразка. Вимірювання подібні до налаштування радіоприймача на частоту певної станції.
Методи магнітного резонансу дозволяють досліджувати як магнітні властивості конкретних атомів і ядер, а й властивості їх оточення. Справа в тому, що магнітні поля в твердих тілах і молекулах неоднорідні, оскільки спотворені атомними зарядами, і деталі ходу експериментальної кривої резонансної визначаються локальним полем в області розташування прецессирующего ядра. Це дає можливість вивчати особливості структури конкретного зразка резонансними методами.
Розрахунок магнітних властивостей.
Магнітна індукція поля Землі становить 0,5 10 -4 Тл, тоді як поле між полюсами сильного електромагніту - близько 2 Тл і більше.
Магнітне поле, створюване будь-якою конфігурацією струмів, можна визначити, користуючись формулою Біо – Савара – Лапласа для магнітної індукції поля, створюваного елементом струму. Розрахунок поля, створюваного контурами різної форми та циліндричними котушками, у багатьох випадках дуже складний. Нижче наводяться формули ряду простих випадків. Магнітна індукція (у теслах) поля, що створюється довгим прямим проводом зі струмом I
Поле намагніченого залізного стрижня подібно до зовнішнього поля довгого соленоїда з числом ампер-витків на одиницю довжини, що відповідає струму в атомах на поверхні намагніченого стрижня, оскільки струми всередині стрижня взаємно компенсуються (рис. 12). На ім'я Ампера такий поверхневий струм називається амперівським. Напруженість магнітного поля H a, що створюється амперівським струмом, дорівнює магнітному моменту одиниці об'єму стрижня M.
Якщо соленоїд вставлений залізний стрижень, то крім того, що струм соленоїда створює магнітне поле H, упорядкування атомних диполів у намагніченому матеріалі стрижня створює намагніченість M. У цьому випадку повний магнітний потік визначається сумою реального та амперівського струмів, так що B = m 0(H + H a), або B = m 0(H+M). Ставлення M/Hназивається магнітною сприйнятливістю і позначається грецькою літерою c; c– безрозмірна величина, що характеризує здатність матеріалу намагнічуватись у магнітному полі.
Величина B/H, Що характеризує магнітні властивості матеріалу, називається магнітною проникністю і позначається через m a, причому m a = m 0m, де m a- Абсолютна, а m- Відносна проникності,
У феромагнітних речовинах величина cможе мати дуже великі значення - до 10 4 10 6 . Величина cу парамагнітних матеріалів трохи більше за нуль, а у діамагнітних – трохи менше. Лише у вакуумі та в дуже слабких полях величини cі mпостійні та не залежать від зовнішнього поля. Залежність індукції Bвід Hзазвичай нелінійна, та її графіки, т.зв. криві намагнічування, для різних матеріалів і навіть за різних температур можуть істотно відрізнятися (приклади таких кривих наведено на рис. 2 і 3).
Магнітні властивості речовини дуже складні, і для їх глибокого розуміння необхідний ретельний аналіз будови атомів, їх взаємодій у молекулах, їх зіткнень у газах та їхнього взаємного впливу у твердих тілах та рідинах; магнітні властивості рідин поки що найменш вивчені.