Что такое магниты: 404 Страница не найдена

Содержание

Что такое неодимовый магнит?

Неодим является самым мощным постоянным магнитным материалом, известным ученым в настоящее время. А также очень доступным, что делает его пригодным для множества вариантов использования.

Редкоземельные магниты

Химический состав неодимового магнита: Nd2Fe14B, иначе говоря, два атома неодима, 14 атомов железа, и один атом бора. Поэтому иногда такие магниты называют «неодим-железо-бор». Это редкоземельные магниты, которые, в отличие от обычных ферритовых и керамических магнитов, содержат атомы из лантанидов или актинидов периодической таблицы. Магниты, изготовленные из неодима, являются самыми мощными редкоземельными магнитами. Их сила зачастую дается в Гауссах (МегаГаусс-Эрстед, магнитная энергия), и в зависимости от формы и класса может достигать 13 500 Гаусс и более, хотя обычно составляет 2000 Гаусс. Для сравнения, магниты холодильника выдают примерно 50 Гаусс.

Применение неодимовых магнитов

Неодимовые магниты сравнительно недороги, поэтому их используют достаточно часто и в промышленности, и в быту, а также любителями и исследователями. Например, каждый жесткий диск современного компьютера имеет небольшой неодимовый магнит в виде сегмента, который помогает направить иглу для считывания данных.

Неодимовые магниты вы также можете найти в дорогих акустических системах, в креплениях мебели, различной фурнитуре и т.д. Также магниты из неодима используют как сувенирные магниты. Единственным минусом неодимовых магнитов можно считать только то, что они теряют часть своей магнитной энергии при высоких эксплуатационных температурах. Это исключает использование неодимовых магнитов в электронике, где генерируется много тепловой энергии. Однако есть различные классы неодимовых магнитов, которые можно использовать при температурах до 200 градусов Цельсия.

Преимущества неодимовых магнитов

Главным же плюсом неодимовых магнитов является их сила: например, магнит размером с 5-ти рублевую монету (25 мм в диаметре и 5 мм в толщину) может выдержать вес почти 9 кг! Два соединенных между собой под неправильным углом магнита могут травмировать кожу до кровоподтеков. А магниты больших размеров (например, 50*30 мм) являются чрезвычайно опасными, поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности при работе с ними. Но при соблюдении мер предосторожности, неодимовые магниты могут быть использованы в развлекательных и даже образовательных проектах.

Вторым, но не менне важным, достоинством неодимовых магнитов является срок их службы. И хоть технологии производства неодимовых магнитов всего 30 лет, но уже сейчас можно говорить, что неодимовые магниты теряют всего порядка 1% своей магнитной энергии в течение 100 лет! Для сравнения, обычные ферритовые магниты служат не более 10 лет, после чего становятся просто куском железа. 
Вы когда-нибудь задавались вопросом, почему ферритовые магниты чаще всего изготавливали в виде подковы, одна лапка которой выкрашена в красный, а вторая — в синий цвет? Ответ прост: производители пытались замкнуть линии магнитного поля ферритового магнита, чтобы увеличить срок их службы. Неодимовым магнитам это не требуется, поэтому можно изготовить практически любую форму, а также сделать их «мультиполярными», т.е. имеющими несколько полюсов на поверхности.

Магнитные явления

В нашем интернет магазине вы можете найти пленку для визуализации линий магнитного поля в физической среде. Аккуратно расположенные неодимовые магниты могут способствовать диамагнитной левитации — своеобразному явлению, которое может поднять небольшие предметы в воздух без контакта с ним. Если вы попытаетесь перетащить магнит по немагнитной поверхности (алюминий, медь), то вы почувствуете силу «магнитного нарушения» или попросту сопротивление вихревых токов, возникающих при движении магнита над немагнитной поверхностью. Попробуйте повторить эти опыты с нашими магнитами, и Вы не пожалеете!

Ведь не зря говорится, что магнетизм — самое красивое явление физики

, с которым мы когда-либо сталкиваемся!

Читайте также:

Характеристики неодимовых магнитов

Что значит «класс» магнита?

Как рассчитать силу магнита?

Правила работы с магнитами

 

Биполярное устройство: что могут тонкопленочные магниты

Материаловедение делит свойства металлов на физические и механические. Физические свойства — это те, при измерении которых образец не деформируется: не разрушается, не изгибается, не меняет своего размера и формы. Если образец подвергают деформации, то речь идет уже о механических свойствах.

Металлы, как говорил Ломоносов, — «светлые тела, которые ковать можно». Их физические свойства определяются тем, что у них есть свободные электроны. От этого металлы блестят, от этого они пластичны и хорошо проводят электрический ток. И, что очень важно, от этого некоторые из них обладают интересными магнитными свойствами, во многом определяющими лицо нашей электротехники, электроники и приборостроения.

Например, электрический ток у нас в розетках получается в результате преобразования высокого напряжения в низкое — это достигается благодаря магнитным свойствам железа. Магнитные стрелки, компасы и ориентирующие приборы — все это основано на действии постоянного магнитного поля.

Реклама на Forbes

Магнитные металлы могут быть противоположны друг другу по своим характеристикам. Одни  из них очень легко перемагничиваются — с частотой 50 герц (они применяются в электротехнике), или даже с частотой в мегагерцы (это особые материалы для преобразования электрических сигналов, которые используются в радиотехнике).

Вторые же, наоборот, никакими силами не перемагничиваются и потому служат в качестве постоянных магнитов. Они известны очень давно, начиная с Древнего Китая. Постоянные магниты приводят в действие многие электрические машины, электромоторы и генераторы, используются для изготовления магнитных стрелок, чувствительных частей навигационных приборов и т. д.

До начала XX века магниты делались из стали, и их делали обязательно длинными, потому что, чем длиннее магнит, тем слабее его собственное размагничивающее поле. А еще лучше, если магнит загнут в подкову, чтобы сблизить полюса. Когда же в 80–90-е годы XX века открыли некоторые соединения редкоземельных металлов с железом и кобальтом, тогда появились первые магниты, у которых полюса можно сближать еще сильнее. Были изготовлены тонкопленочные магниты, у которых север и юг расположены очень близко. И тогда появилась возможность сделать печатный плоский электродвигатель. Такой электродвигатель, кстати, был сконструирован в нашей стране: его длина составила 2 миллиметра, а диаметр, по-моему, 2 сантиметра.

Кроме того, появились возможность сделать электродвигатель не круглым, а линейным. Впервые эту идею высказал еще в 1940 году английский инженер Польгрин, но до сих пор она была реализована только в Шанхае. Там германская фирма Siemens построила железную дорогу на магнитной подвеске, где рельсы сделаны из постоянных магнитов, ориентированных северным полюсом вверх. А на нижней стороны вагона установлены такие же магниты, который своим севером смотрят вниз. Благодаря силам отталкивания одинаковых полюсов магнита, вагон висит в воздухе и движется с огромной скоростью. При этом все совершенно справедливо восхищаются тем, что нет никакого трения, но мало кто обращает внимание на то, что мотором здесь является сам вагон.

Под вагоном стоит толстая медная шина, к которой приложено небольшое, но постоянное электрическое напряжение. И по известному со школы правилу правой руки, или правилу буравчика, магнитное поле направлено вверх, электрический ток течет под брюхом вагона поперек вагона, соответственно, возникает перпендикулярная сила, которая тащит вагон вперед. То есть вагон сам себя тащит — надо лишь пропускать электрический ток по этой медной шине. А для остановки достаточно снять с шины напряжение.

В принципе, можно сделать такие же маленькие линейные двигатели, которые будут бегать по микросхеме и её переключать. Там не будет никаких подшипников и будет очень удобно управлять. К сожалению, в нашей стране по понятным причинам эти работы в свое время прекратились и до сих пор не возобновились.

Общий вес магнитов, которые выпускаются за год по всему миру, очень мал по сравнению со сталью, — в тысячу раз меньше, — но их количество и значение огромно. Например, в стеклоподъемниках автомобиля, в устройствах для определения степени обжарки курицы в микроволновой печи, в пластиковых банковских картах — везде используются магниты.

До 80-х годов XX века в качестве самых лучших магнитомягких материалов — тех, которые легко перемагничиваются, — использовались сплавы железа с никелем. Но у них есть серьезный недостаток: они очень нежные, очень мягкие сами по себе. Поэтому их магнитные свойства очень легко испортить: если уронить магнитный сердечник на пол, даже на ковер, он уже испортится.

И вот в 80-е годы XX века нашли такие материалы — ферромагнитные, которые удивительным образом сочетают в себе свойства магнитной мягкости (то есть могут перемагничиваться при частотах внешнего поля в мегагерцах и при радиочастотах) и механические свойства высокопрочных сталей: их сломать вообще невозможно. Они изготавливаются на основе железа. Они непрозрачные, выглядят как хороший металл, очень хорошо блестят и плохо ржавеют. При этом у них нет кристаллической решетки, из-за чего их назвали «металлическими стеклами». Они получаются очень простым способом — закалкой металлической жидкости. Жидкий сплав на основе железа или кобальта выливают на быстро вращающийся медный барабан, и получается ленточка, которая имеет высокую прочность и, самое главное, высокие магнитные свойства.

Вся современная электроника строится именно на металлических стеклах, на этих ленточках. Это одно из достижений конца XX века, которое сейчас широко используется, и продолжает развиваться. Такое уникальное сочетание высокой механической прочности и низкой прочности магнитной, способность перемагничиваться наблюдается только в металлических стеклах.

Если рискнуть и немного заглянуть в будущее магнитных материалов, то можно предположить, что широкое распространение получат тонкопленочные магниты, а на их основе возникнет новая отрасль микроэлектротехники — с микророботами, грубо говоря, бегающими у нас по письменному или обеденному столу и выполняющими нужные нам действия. Можно предположить также создание совершенно новых гибких материалов для постоянных магнитов — тогда у микророботов и просто роботов появятся мышцы.

Вообще же, человечество использует магнитные свойства далеко не полностью, и тут многое еще впереди.

Магнитные рекорды / Хабр

Сегодня поговорим о рекордных магнитах и немного о том, зачем они нужны.


Магниты такой конструкции (резистивные биттеровские магниты) остаются рабочими лошадками лабораторий сильных магнитных полей.

Основным потребителем самых сильных магнитов весь 20 век была наука. Термоядерные установки, ускорители, исследования на базе ядерного магнитного резонанса, нейтронная физика, охлаждение до температур ниже 1 кельвина и много еще чего требует как можно большего значения магнитной напряженности/индукции (при рассмотрении «силы» поля, можно считать эти величины синонимами).


Еще одним рекордным магнитом, о котором мы сегодня говорить не будем, является двойной диполь ускорителя БАК — из 1232 таких набрано его основное кольцо. Поле ~9 Т создается сверхпроводящим кабелем из NbTi охлажденным до 1,8К

Прежде чем перейти к конкретным конструкциям, стоит вспомнить, что энергия магнитного поля, сила его воздействие на электрические заряды и диамагнетики зависит от индукции B как квадрат.2 атмосфер. Т.е. для конструктора магнита поле в 100 Т эквивалетно попытке создать баллон на 40000 атмосфер — крайне непростая задача. Отсюда же видно, что мощные магниты с большим рабочим объемом (как у ИТЭР) — это еще большая сложность, чем просто мощные магниты.


Еще одним необычным рекордом являются сверхпроводящие магниты немецкого стелларатора Wendelstein 7-X со сложнейшей геометрией.

Итак, начнем мы с определения некоторых координат. Для постоянных магнитов, которые выпускает промышленность, характерны значения поля от 0,01 до 0,5 Т, причем неодимовые магниты в 0,5 Т уже воспринимаются как “сильные”. Рекорд, который можно выжать из постоянных магнитов ~1,5 Т у самой поверхности.

В электрических машинах (двигателях, генераторах, трансформаторах) поле внутри железных магнитопроводов ограничивается насыщением железа, полями где-то в 1,8-2,2 Т. В воздушном зазоре типичного асинхронного двигателя вы увидите скорее всего поле 0,5-0,8 Т, для рекордных по энергомассовым характеристикам BLDC моторов (4-5 кВт/кг) — 1…1,2 Т.


Довольно оригинальным применением силы неодимовых магнитов является 19 кВт электродвигатель (на снимке — красный цилиндр), 2 таких крутят насосы окислителя и горючего на новом ракетном двигателе «Резерфорд» компании Rocket lab.

Где-то начиная с 1,5 Т обычные медные электромагниты начинают испытывать трудности, прежде всего с отводом тепла. Необходимость перемежать медь с трубками водяного охлаждения, а также растущее межвитковое напряжение вздувает размеры магнита гораздо быстрее, чем растет поле. Витки, которые располагаются дальше от рабочего объема вносят относительно небольшой вклад в поле, а значит ток в основном расходуется на нагрев магнита, а не на создание поля.

Медь

Однако с 1930х годов и почти до сих пор рекордные стационарные поля достигались в практически обычных водоохлаждаемых медных магнитах. Это так называемые Биттеровские магниты, представляющие собой медную пластинку свитую в спираль и имеющую хитрую систему продольных каналов охлаждения.2), электрические мощности в 1,10 и даже 30 мегаватт, и расход охлаждающей воды в десятки и сотни литров в секунду. Первый магнит на 10 Т был пущен в 1936 году, и следующие 30 лет держал рекорд по стационарному полю.

Американские биттеровские магниты 60-х годов на 25 Тесла.

Эта конструкция магнитов затем неоднократно оптимизировалась, и на сегодня рекорд поля в таких магнитах доведен до 38,5 Т в китайской лаборатории CHMFL. Мощность магнита составила 28,5 МВт с расходом охлаждающей воды в 500 литров в секунду (кстати, похоже к мощности магнита надо добавить еще примерно такую же на насосы, которые прокачивают эту воду через магнит). Ток около 36 тысяч ампер. При этом рекордное поле достигается в объеме диаметром всего 32 мм и длинной около 70 мм.




Китайский рекордный резистивный магнит — один заход спирали соленоида (из сплава CuAg), разрез и набор коаксиальных катушек.

Резистивные магниты сегодня подошли к лимитам возможностей материалов, и максимальное доступное поле в них растет в основном экстенсивно — за счет наращивания мощности системы питания и охлаждения, увеличения количества катушек. Подобные магниты сегодня в основном используются для изучения очень разнообразных физических явлений в небольших образцах, зачастую при низкой температуре. Поэтому такие магниты работают в центрах коллективного использования, когда физики привозят свои образцы и аппаратуру, устанавливают ее на магнит и измеряют нужные им величины. Для маленьких образцов вполне удобно использовать магниты с небольшим просветом, типа 20-30 мм.


Верхушка биттеровского магнита на 30 Т без крышки. Здесь видно отверстие исследовательской камеры и щели для подачи охлаждающей воды.

Однако есть еще одно применение больших магнитных полей сегодня — это ЯМР-томография, т.е. построение карт плотности тканей за счет взаимодействия водорода с радиоизлучением в сильном магнитном поле. Чем выше поле — тем большее пространственное разрешение системы. Для таких систем нужен довольно большой рабочий объем магнита а также высокая гомогенность поля. Исследования в области сверхпроводимости в свою очередь требуют криостатов, которые с трудом помещаются в диаметр 32 мм, да и поле для некоторых сверхпроводников нужно больше.


Немножко забегая вперед — сверхпроводящий ЯМР-томограф со сверхвысоким полем (21Т), просветом 110 мм и пример получаемого изображения с разрешением в 26 мкм

Поэтому с 80х годов 20 века появляется направление гибридных магнитов, идея которых заключается в том, чтобы поместить биттеровский магнит внутрь сверхпроводящего, поля которых сложатся. Это позволяет поднимать поле и дальше без роста и без того монструозных требований по мощности и расходу охлаждающей воды.

Гибриды

Вставка магнита Биттера внутрь сверхпроводящего означает, что последний должен иметь рабочий просвет в 400-800 мм, т.е. значительно больше, чем рекорды, которые мы видели до этого. Магниты с большими рабочими объемами но меньшим полем пришли в лаборатории сильных магнитных полей от разработчиков токамаков, где в конце 70х были созданы сверхпроводящие магниты на основе холодных сверхпроводников — ниобата олова и титана. В середине 80х в французской лаборатории сильных магнитных полей LNCMI создают гибридный магнит из 11Т сверхпроводящего и 22Т биттеровского с общим полем в 31Т, а в 2000 году американская National MagLab запускает установку гибридом с полем в 45Т, которая является рекордной до сих пор среди всех магнитов с постоянным полем.


Корпус всего магнита (слева) и криостата (справа)


Разрез гибридного магнита по криостату. Кстати, конструкция внешнего сверхпроводящего магнита, спроектированная для этой установки затем была использована еще в трех рекордных магнитах.

45 тесловый гибрид использует три внешних сверхпроводящих магнита и 4 внутренних резистивных типа “Биттер-флорида”. Резистивная часть потребляет 29 мегаватт при токе 74 кА и создает поле в 31 Т. Сверхпроводящая часть магнита создает поле в 14 Т и состоит из внешних обмоток из NbTi и внутренних из Nb3Sn, работает на токе в 8 кА при температуре 4,2 К. Просвет криостата сверхпроводящего магнита — 500 мм.


Сверхпроводящий внешний магнит гибрида на 45Т


И внутренний биттеровский магнит. Так 2,5 метра корпуса превращается в 32 мм рабочей камеры.

Для сравнения, напомню, что тороидальный магнит ИТЭР имеет ток проводинка в 68 кА, поле 12,8 Т при просвете 9000х7000 мм, т.е. можно представить, насколько далеко ИТЭР двинул вперед технологии низкотемпературных сверхпроводящих магнитов.


Кстати, в лабораторных магнитах используют проводник с гораздо меньшим током, наматывая больше витков — это упрощает систему питания да и сам проводник. Обратной стороной этого является бОльшие электрические напряжения в системе, когда сверхпроводник внезапно переходит в нормальное состояние.

Кроме ИТЭР эти технологии двинулись вперед с появлением промышленных высокотемпературных сверхпроводников. Если низкотемпературные СП в принципе не позволяют создать поля выше 22 Т, т.е. они могут быть только частью рекордного магнита, то для ВТСП этот лимит расширяет до как минимум 45 Т.


Зависимость критической плотности тока от поля у разных сверхпроводников. Кстати, вы задумывались когда-нибудь, что за оборудование используется для построения этих диаграмм и почему они упираются в 45Т?

Сегодня новое направление создания рекордных магнитов — это полностью сверхпроводящие и сейчас все ведущие лаборатории мира (Китай, Нидерланды, Франция, США)проектируют СП-магниты на 30+ Т. Здесь тоже пока впереди всех флоридская MagLab, где началась сборка полностью сверхпроводящего магнита на 32 Т. Здесь 15 Т будет создаваться внешними магнитами из NbTi и Nb3Sn, а еще 17 — двухслойным ВТСП магнитом из YBCO лент. “Высокотемпературные” сверхпроводники здесь используются как имеющие гораздо более высокие критические поля при температуре жидкого гелия, чем “низкотемпературные”.


Проект полностью сверхпроводящего магнита на 32Т

Технологии данного магнита потребовали почти 10 лет разработок, основные проблемы лежали в области очень высоких пондеромоторных сил со стороны мощного магнитного поля на витки с током. Механические напряжение в YBCO катушках достигает 700 МПа — здесь, кстати, хорошо помогает то, что ВТСП-лента по сути в основном состоит из никелевого сплава с высокими прочностными характеристиками — медь такие напряжения не выдерживает.


НИОКР высокопольного ВТСП магнита.

Второй класс проблем связан с аварийной потерей сверхпроводящего состояния, и вывода тока из катушек. В частности, чтобы избежать пережога из-за медленного распространения нормальной зоны в катушки встроены нагреватели, которые при обнаружении перехода прогревают всю катушку, так чтобы энергия поля выделялась более равномерно.


Буквально недавно была изготовлена внутренняя рабочая катушка из ВТСП ленты, скоро можно ожидать запуска и сборки магнита.

Этот магнит будет обладать “холодным” рабочим объемом, и хорошо подойдет для изучения конденсированных состояний материи и квантовых эффектов в твердом теле, при этом по эксплуатационным расходам это совершенно другой класс устройств, в частности криостат, система криоснабжения и внешний СП-магнит из НТСП являются серийными изделиями, выпускаемымим фирмой Oxford Instruments.

Вообще oxford instruments — крупнейший поставщик сверхпроводящих магнитов, в основном для всякого научно-лабораторного применения на поля 3-15Т. В проекте ИТЭР эта фирма, например, поставляет магниты на 6Т для гиротронов

Вообще прежде чем перейти к следующим рекордсменам, хочется сказать о нескольких применениях таких магнитов за пределами просто предоставления стенда с высоким магнитыми полем.

Одним из основных прикладных потребителей серийных высокополевых магнитов являются ЯМР-спектрометры, рабочий инструмент химиков. Фирма Bruker, в частности, серийно производит спектрометры с полем до 23,5Т (у таких установок, кстати, есть довольно большие проблемы с экранированием такого поля от окружающих людей и предметов).


Исторический рост частоты ЯМР-спектрометров, что позволяет улучшать качество ЯМР-спектров.

Вторым серийным потребителем являются ЯМР-томографы высокого разрешения, которые применяются в биологических и нейробиологических исследованиях. Здесь поля доходят до 21Т. Наконец, чуть менее прикладным потребителем являются центры с нейтронными источниками, один из методов исследования магнитно-квантовых явлений — это изучение рассеяния нейтронов на материи в сильном магнитном поле, а также холодильники для субмикрокельвиновых температур, требующие полей от 8 до 20 Т.


Видео со сборки 26Т магнита с большим просветом для исследования рассеиния поляризованных нейтронов на материи в Helmholtz-Zentrum Berlin

Импульсные магниты

Основные инженерные проблемы создания высокопольных магнитов — теплоотвод и прочность — сильно облегчаются, если перейти от постоянного магнитного поля к импульсному.2.

В сочетании с силовым подкреплением в виде стальной матрицы и захолаживанием жидким азотом (для снижения сопротивления, что уменьшает потребное напряжение, что облегчает изоляцию в таком магните) в 2012 году импульсные медные магниты достигли 101,2 Т в течении 1 миллисекунды — это значение на сегодня является рекордом (и принадлежит оно коллаборации американской ядерной оружейной лаборатории LANL и флоридской MagLab).

Видео про достижение рекордного значения поля в 101,2 Т. Впрочем, видно тут мало что, да и вообще такое ощущение, что конструкция магнита засекречена, известны только общие значения

Такое значение достигается также с помощью нескольких вложенных катушек, внешние из которых дают длинный импульс (около 2 секунд) амплитудой до 45 Т, а внутренние — короткий импульс в 65 Т. Такая схема позволяет выдерживать напряжения в проводнике за пределом текучести материалов.

Интересно, что мощность такого магнита достигает нескольких гигаватт.


Генератор, который закорачивают на внешние обмотки магнита для получения рекордных импульсных полей.

К сожалению, пока не видно каких-то путей по заметному увеличению значения поля в многоразовой установке. Однако если разрушение установки нам не страшно, то 101 Т — далеко не предел.

Самым простым вариантом тут является кусок меди, свернутый в виток, на который подключается высоковольтные конденсаторы. Такая схема позволяет получить и 300 и 400 тесла, правда на очень короткое время (порядка микросекунды) в объеме нескольких кубических миллиметров, что для экспериментатора, который занимается изучением топологии поверхностей Ферми в твердых телах, например, является довольно сложными ограничениями.


Импульс поля на одноразовом магните.

Довольно элегантный выход из этих ограничений был найден еще в 50х годах путем изобретения взрывомагнитных генераторов. Здесь затравочное магнитное поле в 10-20 Т сжимается до 2800 (!)Т. Делается это с помощью металлического цилиндрического лейнера, который с помощью цилиндрической взрывной волны от заряда взрывчатки коллапсирует к своей оси. При этом продольное магнитное поле увеличивается примерно в 100-200 раз. По сравнению с предыдущей схемой во взрывомагнитном генераторе можно получить чуть большее время импульса магнитного поля, и чуть бОльший объем для образца, правда ценой гораздо более сложной постановки эксперимента.

Взрывомагнитный генератор и его принципиальная схема.

Еще в 50х годах с помощью ВМГ были измерены разнообразные характеристики материалов в экстремальном магнитном поле — проводимость, вращение поляризации (эффект фарадея), сжатие магнитного поля ядра атома и т.п. Еще одним интересным результатом является возможность ускорения такими магнитными полями металлических объектов до скоростей порядка 100 км/с.

Ограничения по полю у взрывомагнитных генераторов в свою очередь опять довольно фундаментально и связано с давлением магнитного поля, которое достигает десятков мегабар и останавливает металлический лейнер. 3000 тесла тут видимо является асимпотическим пределом.

В свою очередь, бОльшие значения давления (гигабары) достигаются в установках лазерной имплозии, и чисто теоретически такие установки способны создать магнитные поля в десятки тысяч и даже 100 тысяч тесла, правда в течении наносекунд и в микронных объемах.2 для вещества в 10000 раз плотнее свинца. Наблюдения за магнетарами (и обычными нейтронными звездами, поля которых в тысячи раз меньше) позволяют лучше понять поведения материи и пространства в подобных условиях, дополняя лабораторные исследования рекордными магнитами.

Для чего нужна магнитотерапия?

Для чего нужна магнитотерапия?

Магнитотерапия – это терапевтическое воздействие на организм человека для лечения или профилактики ряда заболеваний. Такие процедуры проводятся с помощью влияния магнитного поля на патологические участки, отличаются безопасностью и высокой эффективностью воздействия и на кожу, и на внутренние органы. О положительном воздействии магнитных полей на организм человека писали еще древние китайские ученые, греческие философы и врачи. В России магниты начал применять Боткин С.П. – для лечения нервных заболеваний, нарушений опорно-двигательного аппарата.

Особенности воздействия магнитотерапии на организм человека

Классический магнит – это сплав, который состоит из железа, кобальта и никеля. И в крови человека также находится определенное количество железа, частицы которого переносят кислород по кровотоку, улучшая усвояемость питательных веществ и гормонов организмом. При дефиците железа человек начинает чувствовать хроническую усталость и недомогание, страдает от бессонницы, снижается уровень гемоглобина.

Наличие в крови кобальта, меди, марганца улучшает усвоение железа организмом. При воздействии магнита одинаковые химические элементы притягиваются друг к другу. То есть, при воздействии магнита на человеческий организм в этом месте кровоток активизируется, и уровень кислорода значительно увеличивается.

Особенности магнитотерапии:

Методики магнитологии основаны на исследованиях реакций организма на магнитное поле. Магнитные поля с сильной интенсивностью (индукцией) вызывают стресс, средней – активацию внутренних процессов, малой – реакцию тренировки. При использовании высокочастотного влияния необходимо проведение процедуры квалифицированным специалистом, низкочастотные воздействия могут осуществляться пациентами самостоятельно, с помощью особых аппликаторов. Низкочастотная магнитотерапия применяется для лечения и профилактики различных заболеваний, хорошо переносится и молодыми, и пожилыми людьми.
Для такой терапии применяются специальные приборы и аппликаторы, место и время воздействия которых должно быть рекомендовано врачом.
Магнитотерапия успешно применяется для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта, нарушения работы опорно-двигательного аппарата, проблем, связанных с низким уровнем гемоглобина и мн.др.

Магнитное влияние может оказываться на весь организм, на определенный участок тела, в котором возникла патология, или на рефлекторные зоны, связанные с заболевшим органом. В некоторых случаях очень эффективно применение омагниченной воды.

Как действует магнитотерапия на человека

По мнению немецких ученых, терапия, основанная на воздействии магнитным полем, стимулирует не только материальную структуру организма, но, в большей степени, воздействует на биополе человека. За счет биологического резонансного эффекта стимулируется поступление кислорода в ткани, ускоряется выведение молочной кислоты и токсинов. Благодаря увеличению поступления кислорода к поврежденным тканям они начинают восстанавливаться, снимается болевой синдром. По результатам многочисленных исследований было установлено, что магнитотерапия по своей эффективности приближена к результативности гомеопатии.

Воздействие магнитного поля дает высокие результаты в процессе восстановления поврежденных тканей – за счет синтеза белков и углеводов, которые образуются в магнитном поле. Таким образом, происходит быстрое заживление ран – при наружных и внутренних повреждениях (переломы, гематомы, язвы). Низкочастотная магнитотерапия повышает иммунитет, насыщает кровь лимфоцитами.

Что такое магнит и его функции

Магнит — это объект, обладающий магнитным полем. Для удобства понимания это объекты с северным и южным полюсом. Магнит состоит из электронов, которые имеют неровные орбиты и неравномерное вращение. Эти магнитные атомы, в свою очередь, выравниваются по прямым линиям, чтобы создать магнитное поле. Направление выравнивания также следует регулярному шаблону. Основное понимание магнитов состоит в том, что противоположные полюса притягиваются друг к другу, а одинаковые полюса отталкиваются. Это зависит от поля, создаваемого магнитно заряженными атомами, присутствующими в магните.

Полюса магнита

Когда мы говорим о магнитах, нельзя не заметить полюса магнитов. Даже в своем величии Земля образует магнитное поле, которое имеет свой северный и южный полюс. Северный полюс и Южный полюс Земли действительно являются настоящими магнитными полюсами. Лучше понять это с помощью компаса. Штифт компаса всегда указывает на север, поскольку его притягивает магнитное поле Земли.

  • Сходство отталкивается

Северный полюс магнита отталкивает северный полюс другого магнита. Один магнит отталкивает другой. Точно так же южный полюс одного магнита отталкивает южный полюс другого магнита.

  • Противоположности сталкиваются с притяжением

Это ситуация, когда можно увидеть работающее магнитное поле. Северный полюс магнита притягивает южный полюс другого магнита.

 

Общие функции магнита
  • От электрического к механическому использованию магнита: Это включает в себя процесс, в котором магнит используется для преобразования электрической энергии в движение.
  • Механическое и электрическое использование магнита: Это процесс, с помощью которого механическая энергия может быть успешно преобразована в электрическую.
  • Механическое к механическому использованию магнита: это основная функция любого магнита, которая включает отталкивание и притяжение.
  • Механический нагрев для функции магнита: В процессе преобразования движения в тепловую энергию для этой цели используется магнитное поле.
  • Спецэффекты: Это интересная функция магнитов, где они используются из-за их значительного характера. Наука может быть применена к различным областям спецэффектов для преобразования энергии в творчество.

Общие функциональные области магнитов
  • Промышленное использование

Магниты используются в различных отраслях промышленности, начиная с электроэнергетики. Электрические генераторы, включающие магнитное поле, помогают преобразовывать механическую энергию в электричество. В двигателях есть магнит, чтобы электричество было пригодным для механической работы.

  • Лечебные цели

Для различных тестов здоровья в приборах используется магнитное поле. Одним из таких примеров являются аппараты МРТ, которые, в свою очередь, используют магнитные поля для генерации радиосигналов в нашем теле, что создает четкое графическое представление.

Электроника, такая как компьютеры, использует магнитные поля, которые помогают считывать данные. Магнитные поля играют роль в превращении электронных сигналов в звуковые вибрации, которые мы слышим.

Помимо того, что магниты так полезны, они играют важную роль в нашей повседневной деятельности, от пылесоса до вашего холодильника. Мы окружены одним гигантским магнитным полем, которое интригует само по себе.

Ученый ЮУрГУ совершенствует магниты для «зелёных» электродвигателей

Магниты известны человечеству с давних времен. Еще в Древней Греции было обнаружено свойство некоторых каменных пород притягивать куски железа. Современные ученые выяснили, что не только материалы на основе железа (ферриты) обладают магнитными свойствами. Одними из мощнейших на сегодня являются самарий-кобальтовые (или самариевые) магниты. Их главная особенность – высокая температурная стойкость или сохранение изначальной намагниченности при температурах до 350°С.

Доцент кафедры «Компьютерное моделирование и нанотехнологии» Института естественных и точных наук ЮУрГУ Андрей Соболев (к. ф.-м. н.) совместно с коллегами из Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН (г. Екатеринбург) занимается исследованием самариевых магнитов. Его работа «Моделирование структуры и изучение влияния примеси атомов Cu на магнитные свойства сплавов системы Sm-Co для высокотемпературных постоянных магнитов» позволила Андрею Соболеву стать одним из победителей конкурса «Начало большой науки», проводимого в ЮУрГУ в рамках Проекта 5-100.

Фото: Андрей Соболев, доцент кафедры «Компьютерное моделирование и нанотехнологии» Института естественных и точных наук

Зачем магниту постоянство?

Магнит – тело, обладающее собственным магнитным полем. Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон. Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них. Постоянный магнит – изделие, изготовленное из ферромагнетика, способного сохранять остаточную намагниченность после выключения внешнего магнитного поля.

«Сегодня постоянные магниты находят полезное применение во многих областях человеческой жизни. Практически в любой квартире в различных электроприборах и в механических устройствах можно обнаружить постоянный магнит. Они применяются в медицинской технике и в измерительной аппаратуре, в различных инструментах и в автомобильной промышленности, в двигателях постоянного тока, в акустических системах, в бытовых электроприборах и много где еще: радиотехника, приборостроение, автоматика, телемеханика и т. д. – ни одна из этих областей не обходится без использования постоянных магнитов», – приводит примеры Андрей Соболев.

Магнитными свойствами обладают только ферромагнетики, то есть такие вещества, которые (при температуре ниже точки Кюри) способны обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Ферромагнетиков в таблице Менделеева всего 3: железо, кобальт и никель. Но отдельно они имеют достаточно плохие магнитные свойства. Эти свойства увеличиваются, если ферромагнетик соединить с одним из редкоземельных элементов (например, самарием или неодимом).

Фото: Вибрационный магнитометр

Самарий решит проблему импортозамещения

В современном производстве самым популярным являются неодимовые магниты. Появившийся в 1982 трёхкомпонентный сплав из неодима, железа и бора (NeFeB), обладает невероятной остаточной намагниченностью.  Неодимовый магнит при малых размерах создаёт сильное магнитное поле, его коэрциативная сила очень велика, то есть магнит устойчив к размагничиванию. Себестоимость неодимовых магнитов ниже, чем у самарий-кобальтовых, что и предопределило их широкое распространение в различных областях электроники, медицины, техники и промышленности.

«Проблема в том, что большинство шахт по добыче неодима находится в Китае. Эта страна практически полностью контролирует выработку руды, содержащей редкоземельные металлы. А месторождения самария есть в России. Так что использование самариевых магнитов может стать хорошей импортозамещающей стратегией», – уверен ученый.

У магнитов с неодимом есть еще один большой недостаток: при нагревании они теряют свои магнитные свойства. Самариевые магниты способны выдерживать более высокие температуры, чем неодимовые магниты. Максимальная рабочая температура магнитов из сплава самарий-кобальт находится в диапазоне от 250 до 350 градусов Цельсия. Кроме того, самариевые магниты меньше подвержены коррозии, чем неодимовые магниты и обычно не требуют покрытия. Благодаря особой коррозийной стойкости, именно самариевые магниты применяются в стратегических разработках и военных приложениях.

«Сейчас есть тренд на использование электротранспорта, электроавтомобилей, электродвигателей, ветрогенераторов, то есть на так называемую «зеленую» энергию. В таких генераторах температуры достаточно высокие и, поэтому, неодимовые магниты там не работают, так как они теряют свои свойства. В таких случаях можно использовать только самариевые магниты, так как сплав самария-кобальта идеально подходит для агрессивных сред и сложных условий эксплуатации», – объясняет Андрей Соболев.

Фото: Дифрактометр

Исследование самариевых магнитов уральскими учеными

Задача ученых Южно-Уральского государственного университета и Института физики металлов состоит в том, чтобы понять механизм постоянных магнитов. Это позволит улучшить их структуру и свойства. Для этого нужны специальные эксперименты, которые смогут показать, что именно надо сделать с этими магнитами, чтобы они магнитили лучше всего. И хотя такие эксперименты проводились неоднократно, но экспериментальная химия не может ответить на вопрос «как?», то есть объяснить механизм. Для этого экспериментаторам на помощь приходит компьютерное моделирование.

«Компьютерное моделирование материалов с помощью теории функционала электронной плотности, предложенной американскими учеными Хоэнбергом и Коном, в настоящее время активно развивается. Эта теория позволяет решить систему уравнений Шредингера, которая описывает, как ведут себя отдельные электроны и описывает все пространство в целом. Коллеги из Института физики металлов занимаются экспериментальной частью исследования, а наша задача определить механизм магнитов методами компьютерного моделирования», – объясняет ученый из ЮУрГУ.

Метод, разработанный командой ученых уральских вузов, уже опробован на родственных структурах, где кобальт заменен на иттрий. Следующим этапом будет замена иттрия на самарий, который является более тяжелым элементом. Также в дальнейшем планируется добавить медь, чтобы иметь лучшую намагниченность. Это позволит получить более надежные магниты для промышленности и транспорта. Результаты исследования в ближайший год планируется опубликовать  в высокорейтинговом научном журнале «Journal of magnetism and magnetic materials», который входит в Топ-25% Scopus.

Сила и слабость постоянных магнитов — Энергетика и промышленность России — № 7 (59) июль 2005 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 7 (59) июль 2005 года

Поскольку электрический ток (его свойства) – следствие движения электрических зарядов, а последние перемещаются относительно других неподвижных зарядов, возникают различные электрические взаимодействия. Что же следует понимать под «чистым» электрическим током?

Чистым или нейтральным током можно, по всей видимости, назвать ситуацию, когда имеются условно удаленные от других заряды, состоящие из равного количества отрицательно и положительно заряженных частиц, одни из которых двигаются относительно других в преобладающем направлении. Именно взаимное движение зарядов противоположного знака друг относительно друга – и есть нейтральный ток. Другие варианты движения зарядов, допустим, с преобладанием зарядов одного знака, будут в своем роде производными от нейтрального тока и соответственно иметь некоторые особенности электрических взаимодействий.

Во многих ситуациях мы имеем дело далеко не с нейтральными токами, поскольку существуют как неравномерное распределение зарядов по длине проводников с током, так и скачки напряженности электрического поля на некоторых границах проводников (наличие вызывающего ток ЭДС и т. п.). Поэтому для изучения свойств нейтрального тока следует пользоваться либо кольцевым сверхпроводником с током, либо постоянными магнитами, которые в данном случае условно можно рассматривать как систему с кольцевым нейтральным током.

Кольцевые токи магнитов

Рассматривая постоянные магниты, как кольцевые нейтральные токи, можно сделать некоторые общие замечания. Электрический кольцевой ток поддерживается без внешней подпитки достаточно длительное время. Процесс протекания нейтрального тока не сопровождается тепловыделением или электромагнитными излучениями (просто поддерживается тепловой баланс с окружающей средой и телом постоянного магнита).

Несмотря на то что «магнитные» нейтральные кольцевые токи, будем считать, постоянны по величине, при взаимодействии магнитов между собой возникают ситуации, когда возможны как некоторые переходные процессы, так и взаимное влияние токов друг на друга. Другими словами, возникает явление электрической взаимной индукции.

Взаимная индукция двух контуров с током при наличии магнитной связи достаточно подробно описана в литературе. Известно, что энергия двух контуров с током, обладающих магнитной связью, отличается от суммы собственных энергий токов на величину взаимной энергии двух токов. Распространяя это правило на взаимодействие постоянных магнитов, можно сказать, что энергия системы магнитов отличается от суммарной энергии каждого магнита. Это понятно, поскольку при сближении или удалении магнитов происходит механическая работа.

Но так ли постоянны по величине эквивалентные круговые токи постоянных магнитов? Действительно, они представляют, упрощенно, сумму огромного числа элементарных молекулярных токов. Но в отличие от прочих материальных тел постоянный магнит имеет внешнее и внутреннее магнитное поле, которое «связывает» все элементарные токи, и каждый круговой ток реагирует на колебания остальных, как и они в свою очередь на его колебания. Другими словами, в постоянном магните все элементарные токи представляют как бы единый «организм», что и делает его собственно постоянным магнитом. Если разрушить данный «организм» и каждый элементарный ток начнет независимое «существование», магнитные свойства у данного объекта пропадают.

Вращение – залог эффективности

В группе из трех магнитов средний магнит «модулирует» суммарное магнитное поле всех трех магнитов. Причем максимум плотности смещается в одну сторону, а с противоположной стороны магнитное поле практически отсутствует. При изменении магнитной силы среднего магнита происходит плавное изменение суммарного поля, причем плотность магнитного потока как бы перемещается на другую сторону.

Что в конечном итоге это дает? Поскольку средний магнит можно просто вращать, будет происходить и перемещение максимума плотности суммарного магнитного потока по кругу, равное частоте вращения среднего магнита. Другими словами, один средний магнит может управлять суммарным полем, которое складывается из силы трех магнитов. Причем при вращении среднего магнита не происходит изменения суммарной энергии магнитного поля, т. е. вращение среднего магнита происходит без затрат энергии.

Вращающийся или меняющий свое направление максимум магнитного потока можно использовать в различных устройствах – начиная от простейших вариантов насосов и заканчивая двигателями или генераторами. Все устройства будут отличаться высокой эффективностью и низким энергопотреблением.

Конечно, вращение среднего постоянного магнита – не единственный вариант практического использования группы из трех постоянных магнитов в генераторах или двигателях. Данный средний магнит можно заменить на электромагнит, через обмотку которого пропускают переменный ток различной формы (в зависимости от назначения или конструкции).

Наибольший интерес представляет использование этого эффекта в двух видах двигателей: с линейным возвратно-поступательным движением и вращательных. Момент вращения таких двигателей может достигать значительных величин при относительно небольших рабочих оборотах.

Где можно использовать постоянные магниты?

Одной из особенностей двигателей с активным использованием постоянных магнитов является возможность использования электрического резонанса. Поскольку управляющий электромагнит периодически меняет полярность, т. е. питается переменным током, от частоты которого зависят обороты (в случае вращательного двигателя) в соотношении 1 / К, где К – число полюсов, электромагниты можно включить в состав колебательного контура с емкостью. Соединение электромагнитов может быть последовательное, параллельное или комбинированное, а емкость подбирается по резонансу на рабочей частоте двигателя, при этом среднее значение тока, проходящего через электромагниты, будет большим, а внешняя подпитка по току будет компенсировать в основном активные потери.

Данный режим работы будет наиболее привлекательным с точки зрения экономичности, а двигатель, в котором он используется, будет называться магнитно-резонансный шаговый. Обороты двигателя в этом случае практически не зависят от нагрузки и определяются частотой электрического резонанса, разделенного на число полюсов, несмотря на увеличение потребляемого тока при увеличении нагрузки. С целью повышения рабочих оборотов возможно применение многофазных схем питания электромагнитов двигателей. Среднее ожидаемое снижение потребляемой электрической энергии данными магнитно-резонансными шаговыми двигателями может достигать 60‑75 % по сравнению с обычными электрическими двигателями. Подобные двигатели отличаются большим моментом вращения, достаточно жесткой нагрузочной характеристикой, стабильной частотой вращения, высокой надежностью (якорь не имеет токонесущих элементов), отсутствием подвижных контактов и искрения и т. п., поэтому область их применения будет иметь свои особенности.

Несмотря на это, они могут превосходить по некоторым параметрам как трехфазные асинхронные и синхронные машины, так и коллекторные двигатели постоянного тока. Одно из основных преимуществ – низкое энергопотребление.

Генератор с повышенным КПД

Применение постоянных магнитов эффективно, например, в конструкции электрического генератора с неподвижным ротором. Достоинство подобных генераторов – отсутствие подвижных частей, высокая надежность, экономичность, простота конструкции. Применение магнитных материалов с особыми свойствами позволит получить еще большую экономичность. Среднее сокращение энергозатрат при производстве электроэнергии на генераторах такого типа может достигать 50% и более.

В основе их конструкции лежит принцип модуляции суммарного магнитного поля трех постоянных магнитов средним магнитом, в качестве которого выступает электромагнит. Применение постоянных магнитов позволяет достичь снижения энергетических затрат при генерации электрической энергии.

Магнитная система данного генератора представляет в общем виде «крест в кольце», где одна из перекладин креста представляет собой постоянные магниты, а другая – электромагнит управления, катушка которого может быть разбита на две части или использоваться в виде единой катушки. Кольцо представляет собой магнитопровод с низкими потерями на вихревые токи, на котором располагаются 4 рабочие обмотки (выходные обмотки), соединение которых осуществляется попарно. Выходное напряжение имеет удвоенную частоту по отношению к частоте тока, питающего электромагнит управления.

Если при работе обычного генератора (с вращающимся ротором) неизменный магнитный поток ротора (постоянные магниты или электромагнит), вращаясь от приводного внешнего двигателя, периодически изменяет магнитный поток в статорных обмотках, то увеличиваются механические затраты со стороны приводного двигателя.

В случае с неподвижным ротором отсутствуют потери на трение и противодействующий вращательный момент приводного двигателя. По сути это особый вид трансформаторного преобразователя с дополнительной подпиткой от магнитного поля постоянных магнитов. В процессе преобразования входного переменного тока происходит удвоение частоты выходного тока. Поскольку магнитное поле постоянных магнитов не меняет своего направления – происходит лишь периодическое перераспределение его по секторам кольца ‑то оно активно работает, вкладывая свой «вклад» в генерацию ЭДС.

Магнитный поток управляющей или первичной обмотки электромагнита меняет знак, т. е. происходит процесс, аналогичный процессу простого трансформатора. КПД трансформаторного преобразования достаточно велик. Другими словами, мы получаем трансформатор-удвоитель частоты с повышенным КПД.

Что в конечном итоге это дает? Получается, что входная мощность как минимум меньше выходной. Превышение выходной мощности над входной происходит за счет энергии постоянных магнитов, которые, в отличие от привычной схемы генерации, неподвижны.

Дополнительные возможности данного генератора можно получить, применив для кольцевого сердечника статора магнитные материалы с особыми свойствами.
К недостаткам устройства можно отнести следующее: удвоение частоты выходного напряжения, некоторую сложность изготовления магнитопроводов и обмоток, необходимость компенсационных обмоток для задания необходимой нагрузочной характеристики. Максимальная мощность определяется в основном энергией применяемых постоянных магнитов, от которых зависят все остальные параметры.

Для создания трехфазного тока можно применить либо 3 подобных преобразователя (питание управляющих обмоток синхронизировано), либо аналогичную конструкцию, изготовленную в трехфазном варианте.

Из чего сделаны магниты и как они работают

Что такое магнит?

Магниты — это предметы, состоящие из определенных элементов, создающих магнитное поле. Все магниты имеют как минимум два полюса — северный и южный — с силовыми линиями магнитного поля, выходящими из северного конца и входящими в южный конец магнита.

Каждый магнит сохраняет северный и южный полюс, независимо от размера, даже если он был разбит на несколько частей. Исследователям еще предстоит открыть монопольный магнит — магнит с одним полюсом.

Как работают магниты?

Большая часть науки о магнитах остается загадкой. Однако ученые открыли науку, лежащую в основе магнитной силы. Все начинается с материи — физических веществ, из которых состоят все объекты во Вселенной, — и микроскопических атомов, из которых состоит материя.

У каждого атома есть ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Вокруг ядра движутся электроны, которые обычно вращаются парами. Это движение создает крошечное магнитное поле. Когда несколько пар электронов движутся вокруг ядра в противоположных направлениях, их магнитные поля нейтрализуют друг друга.Когда атом — например, железо — имеет нечетное количество электронов, эти неспаренные электроны создают магнитное поле, превращая весь атом в крошечный магнит.

Когда большинство атомов в объекте представляют собой крошечные магниты, он создает общее магнитное поле с северным и южным полюсами.

История магнитов

Записи содержат ссылки на магнитные свойства еще в 600 году до нашей эры. Греки впервые использовали слово «магнит» для описания камня, притягивающего к себе железо и другие железные предметы.Дополнительное происхождение слова приписывают пастуху по имени Магнес, который обнаружил камень, пася свою стаю, а также древнему городу Магнезия (ныне Маниса в современной Турции), где было найдено множество магнитных камней.

Компасы, которыми пользовались моряки, были одними из первых важных магнитных устройств. Было обнаружено, что магнит, когда ему разрешено свободное движение, всегда направлен в одном и том же направлении с севера на юг. Раньше моряки изо всех сил пытались ориентироваться, когда небо было затянуто облаками, что мешало навигации от солнца и звезд.

Магниты в повседневном использовании

Магниты находят множество применений в повседневной жизни. От магнитных зажимов и кнопок — удобных для использования на кухне, в классе или офисе — до мощных извлекающих, разделяющих и сварочных магнитов, предназначенных для использования в производственных цехах. Магниты имеют множество применений.

Типы магнитных материалов

Существует пять типов магнитных материалов:

Магниты Alnico

Магниты Alnico изготавливаются в основном из (Al), (Ni) и (Co), следовательно, al-ni-co.Магниты Alnico доступны в различных формах и размерах и очень устойчивы к температуре. Они создают сильное магнитное поле и широко известны как красные подковообразные или стержневые магниты.

Керамические (ферритовые) магниты

Керамические (ферритовые) магниты, состоящие из карбоната стронция и оксида железа, являются одним из популярных типов магнитов, отчасти из-за их экономической эффективности. Они могут быть изготовлены в виде дисков, колец, блоков, цилиндров, а иногда и дуг.Керамические магниты имеют множество применений, включая динамики, магнитно-резонансную томографию (МРТ) и магнитные сборки для удержания, извлечения и разделения.

Высокоэнергетическая гибкость

Эти магниты, изготовленные из смеси порошка феррита стронция с полимерным связующим, чаще всего используются в виде полос. Магниты анизотропны (ориентированы) и обладают высокой устойчивостью к погодным и природным факторам, что делает их идеальными как для внутреннего, так и для наружного использования. Высокоэнергетические гибкие магниты могут изготавливаться с клеем для постоянного применения или без покрытия, и они недороги по сравнению с другими формами магнитных материалов.

Неодимовые магниты

Неодимовые магниты (NdFeb, NIB, Neo), также известные как «редкоземельные магниты», состоят из неодима, железа, бора и переходных металлов. Несмотря на свой небольшой размер, эти магниты невероятно мощные и являются самым прочным из доступных магнитных материалов. С неодимовыми магнитами следует обращаться осторожно, чтобы избежать травм, и их можно использовать в различных средах и магнитных узлах.

Самарий Кобальт

Второй тип редкоземельного магнита, состоит из самария, кобальта и железа.Самарий-кобальтовые (SmCo) магниты обладают высокой устойчивостью к размагничиванию, хорошей температурной стабильностью и являются вторыми по мощности постоянными магнитами на рынке.

Что такое магниты? | TheSchoolRun

Магниты, полюса, магнитные поля и магнетизм … Узнайте о терминологии, которую ваш ребенок начальной школы будет использовать в классе, и попробуйте несколько практических занятий, которые помогут вам узнать о магнитах дома.

или зарегистрируйтесь, чтобы пополнить запасы ресурсов

Что такое магнит?

Магнетизм — это невидимая сила, вызванная движением электрических зарядов в атомах, составляющих все вокруг нас.

Магнит — это объект, который имеет магнитное поле (невидимый узор магнетизма). Магнит притягивает или отталкивает другие предметы.

Загрузите фантастические научные ресурсы сегодня!

  • Веселые эксперименты и наука
  • Программа изучения естественных наук на каждый учебный год
  • Все необходимые инструкции, вопросы и информация

Что дети узнают о магнитах в начальной школе?

Магниты бывают разных форм и размеров: подковообразные магниты («классические» магниты, которые мы видим на фотографиях!), Стержневые магниты, круглые магниты.

У каждого магнита есть южный и северный полюсы.

  • Противоположности притягиваются: это означает, что северный полюс магнита притягивает (притягивает) южный полюс другого магнита.
  • Нравится отталкивать: это означает, что северный полюс магнита отталкивает (отталкивает) северный полюс другого магнита, а южный полюс магнита отталкивает (отталкивает) южный полюс другого магнита.

Земля похожа на гигантский магнит, а вокруг нас есть магнитное поле.На поверхности Земли есть две точки, называемые магнитными полюсами, где магнитное поле наиболее сильное. Эти точки находятся недалеко от Северного полюса Земли и Южного полюса Земли. Стрелка компаса указывает на север, потому что ее притягивает магнитный полюс около Северного полюса Земли.

Когда детей учат магнитам в начальной школе?

В году 3 детей будут:

  • Наблюдать, что магнитные силы действуют на расстоянии
  • Исследуйте, как магниты притягивают или отталкивают друг друга
  • Сортировать материалы в зависимости от того, являются ли они магнитными или нет
  • Научитесь описывать магниты как имеющий два полюса.

Как детей учат работе с магнитами в классе?

Дети научатся путем научной работы проводить экспериментов . Они могут работать парами, небольшими группами или всем классом. Примером эксперимента может быть изучение того, сильнее ли магниты большего размера, чем магниты меньшего размера

Дети будут исследовать и наблюдать, что происходит с магнитами, возможно, глядя на то, как ведут себя различные типы магнитов (внимательно рассматривая притяжение и отталкивание, и как магнит не должен касаться чего-либо, чтобы притягивать его).Детям также будет предоставлена ​​возможность поиграть и использовать различные типы магнитов, чтобы они могли почувствовать магнитное поле и понаблюдать за их поведением.

Дети будут работать с научной точки зрения, чтобы отсортировать и записать, какие объекты являются магнитными (скорее всего, им дадут набор объектов и магнит и попросят проверить каждый объект, а затем нарисовать таблицу или диаграмму, чтобы показать, какие материалы или объекты являются магнитными. ).

Книги о магнитах для детей

Магниты для домашнего обучения:

  • Посетите библиотеку и поищите информационные книги о магнитах.
  • Выясните, сколько скрепок вы можете подобрать с помощью разных магнитов.
  • Изучите магниты: к чему они прилипают? Какие предметы магнитные? Это может быть около дома или снаружи в вашем районе.
  • Есть ли у вас дома какие-нибудь магниты? Для чего они нужны? Можете ли вы исследовать различные варианты использования магнитов?
  • Узнайте, как связаны электричество и магнетизм.
  • Сделайте магниты на холодильник своими руками и украсьте их как хотите.

Как делают магниты? — Урок для детей — Видео и стенограмма урока

Как делают магниты?

Давным-давно люди выкопали магнитный камень и использовали его как природный магнит. Если бы им понадобилось создать другие виды магнитов, они бы просто натерли им некоторые из этих металлов. Это более простой способ сделать магниты, которые мы все еще можем использовать, но мы также разработали множество других стратегий изготовления магнитов. Давайте подробнее рассмотрим более сложный способ изготовления магнитов сегодня.

Сегодня мы можем использовать фабрики для производства большого количества магнитов. Различные виды магнитов изготавливаются из разных материалов и с помощью разных процессов.

Один из способов — сделать магнит из смеси разных металлов. Металл нагревается и плавится, а затем помещается в отливку или контейнер, который используется для изготовления формы. Металл остывает в отливке. Затем к нему добавляется магнетизм, обычно с помощью мощного электромагнита, намагниченного электрическим током.Магнит также можно намагнитить, поместив в намагничиватель, который имеет мощное магнитное поле.

Другой способ изготовления магнитов на фабриках более сложен и включает превращение металлов в порошок в процессе изготовления магнитов. Различные металлы, в том числе железо, бор и неодим, нагреваются до чрезвычайно высоких температур, чтобы превратить их из твердого тела в жидкость. Затем они смешиваются вместе; когда жидкость остывает, она снова становится твердой. После этого твердую смесь металлов разбивают на более мелкие части, а затем измельчают до металлического порошка.Затем порошок помещается в контейнер, имеющий форму, которой станет магнит, и используются мощные силы, заставляющие порошок слипаться, чтобы сформировать его форму.

После этого формованный порошок нагревают, чтобы сделать металл твердым и твердым, а затем металл снова охлаждают. Металл проходит еще один процесс нагрева и охлаждения, после чего сглаживается, чтобы получить окончательную законченную форму магнита. Последний шаг — превратить металл в магнит. Для этого чрезвычайно мощный электромагнит передает свою магнитную силу на профилированный металл, в результате чего металл также становится магнитом.Вот сколько магнитов делают на заводах.

Хотя это более сложный процесс, этот процесс изготовления магнитов из порошкового металла является наиболее часто используемым методом, поскольку он создает самые эффективные магниты с постоянным магнетизмом.

Краткое содержание урока

Магниты — это предметы, которые могут притягивать или притягивать другие материалы, например металлы. Их было проще сделать давно, когда люди просто нашли магнитов , которые являются естественными магнитами. Сегодня магниты сложными способами производятся на фабриках.Один из способов — собрать вместе разные металлы, нагреть и расплавить их, придать металлу форму , отливку , контейнер, используемый для придания формы расплавленным материалам, и подождать, пока он станет твердым, а затем добавить магнетизм. Другой способ — превратить смесь металлов в порошок, расплавить порошок с образованием смеси жидких металлов, придать металлической смеси твердое тело и придать ей магнетизм.

Как делаются магниты и из чего они сделаны?

Итак, мы установили, что магниты потрясающие.Их используют во всем, от автомобильных двигателей до компьютеров. И, конечно же, они держат вашу последнюю пятерку или художественный шедевр в холодильнике вашей семьи. Мы также рассмотрели , как работают магниты, , , что такое магнитное поле, и , как определить, какой полюс какой . Но как они сделаны и из чего они сделаны? Что В магните?

Ну, это зависит от того, говорите ли вы о естественном магните или искусственном магните. Ага, в природе действительно есть магнит! Магнитный камень, естественно намагниченный кусок магнетита, притягивает железо, поэтому технически это магнит.В нашем блоге есть забавных историй о древних открытиях и использовании магнетита и магнитного камня.

Остальные магниты, которые мы видим сегодня, созданы руками человека. Существует группа материалов, известная как ферромагнитные материалы . В эту группу входят железо, кобальт, никель и некоторые сплавы редкоземельных элементов (в основном неодим и самарий). Эти ферромагнитные материалы можно сделать магнитными, подвергая их воздействию магнитного поля с помощью электрического тока. Используя намагничивающее приспособление, которое направляет ток через немагнитную часть, электроны в этих металлах выстраиваются в линию или поляризуются, делая материал магнитным.Вы можете узнать больше о процессе поляризации здесь.

Некоторые искусственные магниты сохраняют свои магнитные свойства навсегда *. Они обозначаются как постоянные магниты . Некоторые из них будут магнитными только при наличии внешнего магнитного поля, например, от постоянного магнита. Эти «временные» магниты называются мягкими магнитами .

* Постоянные магниты могут потерять свой сильный магнетизм при нагревании до температуры Кюри .Нагрев постоянного магнита до его температуры Кюри заставляет выровненные электроны вращаться не по центру, уменьшая магнетизм объекта. Как только температура объекта снизится, его можно повторно намагнитить тем же способом, который описан выше. Проверьте температуру Кюри для веществ, перечисленных ниже:

Другой тип искусственного магнита — электромагнит. Электромагниты создаются, когда электрический ток проходит через катушку с проволокой.Катушка является магнитной до тех пор, пока на нее подается электрический ток. Но отключите электричество, и вы отключите и магнетизм.

Хотя для создания большинства искусственных магнитов вам понадобится узкоспециализированное оборудование, вы можете создать свой собственный простой электромагнит или проводить углубленные проекты в области электромагнита дома или в школе!

Теги: кобальт, содержание магнита, температура Кюри, электромагниты, ферромагнетики, железо, магнитный камень, магнитные материалы, магнитные материалы, магнитные металлы, магниты, искусственные магниты, природные магниты, никель, сталь

Поделиться:

Магнетизм для детей — Простое введение

Наука — это наше понимание того, как мир работает — и в целом мир работает хорошо, понимаем мы это или нет. Возьмем магнетизм , для пример. Люди знали о магнитах тысячи лет и они используют их практически как компасы почти столько же времени. Древние греки и римляне знали не хуже нас этот магнит ( богатый железом минерал) может притягивать другие куски железа, в то время как древние китайцы делали магнитные компасы, вставленные в замысловатый деревянные инкрустации для практики фен-шуй (искусство тщательно обставляя комнату) за тысячи лет до интерьера к нам присоединились дизайнеры.Иногда наука медленно догоняет узнали, как работает магнетизм, в прошлом веке, с тех пор как мир внутри атомов был впервые открыт и исследован.

Фото: Типичный подковообразный магнит. Видите след коричневой ржавчины на верхней части верхней «ножки» магнита? Это происходит потому, что магнит сделан из железа, которое ржавеет во влажном воздухе.

Что такое магнетизм?

Фото: Магнитное поле между противоположными полюса двух стержневых магнитов, которые сильно притягиваются друг к другу.Мы не можем обычно видны магнитные поля, но если посыпать железные опилки (крошечные кусочки, струженные напильником с железного прутка) на лист бумаги и удерживайте над магнитами вы можете видеть поле внизу. фото любезно предоставлено Wikimedia Commons (где вы найдете увеличенную версию этого изображения).

Игра с магнитами — одно из первых направлений науки. дети обнаружить. Это потому, что магниты просты в использовании, безопасны и веселье. Они также довольно удивительны. Помните, когда вы впервые обнаружили, что два магнита могут соединяться и склеиваться, как клей? Помните силу, когда вы держали два магнита близко и чувствовал, что они либо притягивают (притягивают к одному другой) или репел (отталкивать)? Одна из самых удивительных вещей в магниты — это способ, которым они могут притягивать другие магниты (или другие магнитные материалов) «на расстоянии», невидимо, через то, что мы называем магнитное поле .

Древним людям магнетизм, должно быть, казался магией. Тысячи лет спустя мы понимаем, что происходит внутри магнитного материалы, как их атомная структура вызывает их магнитные свойства, и как электричество и магнетизм действительно всего два Стороны одной медали: электромагнетизм . Когда-то ученые сказал, что магнетизм был странной невидимой силой притяжения между определенные материалы; сегодня мы с большей вероятностью определим это как силу создается электрическими токами (сами вызваны движущимися электронами).

Что такое магнитное поле?

Фото: красочный способ визуализировать невидимое магнитные поля с помощью программы компьютерной графики, разработанной в Лос Национальная лаборатория Аламоса. На этой трехмерной диаграмме высота а цвет пиков показывает напряженность магнитного поля в каждой точке. Фото любезно предоставлено США. Министерство энергетики.

Предположим, вы поместили стержневой магнит (в форме прямоугольник, иногда с северный и южный полюса покрашены в разные цвета) или подкова магнит (согнутый в П-образную форму) на стол и поместите рядом железный гвоздь.Если вы нажмете магнит медленно к гвоздю, наступит момент, когда гвоздь перепрыгивает и прилипает к магниту. Вот что мы подразумеваем под магниты, имеющие невидимое магнитное поле, которое распространяется на все вокруг них. Другой способ описать это — сказать, что магнит может «действовать на расстоянии»: он может вызывать толкающую или тянущую силу на другие объекты это на самом деле не трогательно).

Магнитные поля могут проникать через все виды материалов, но не через просто воздух. У вас, вероятно, есть небольшие записки, приклеенные к дверце холодильника с яркими магнитами, чтобы вы могли видеть, что магнитные поля разрезают через бумагу.Возможно, вы проделали фокус, используя магнит взять длинную цепочку скрепок, каждая из которых намагничивает следующий. Этот небольшой эксперимент говорит нам, что магнитное поле может проникать сквозь магнитные материалы, такие как железо.

Как мы можем измерить магнетизм?

Сила поля вокруг магнита зависит от того, насколько близко вы получить: он самый сильный в непосредственной близости от магнита и быстро спадает, когда вы уходите. (Вот почему небольшой магнит на вашем столе должен быть достаточно близко к вещи, чтобы привлечь их.) Измеряем напряженность магнитного поля в единицах гаусс и тесла (современная единица СИ, названная в честь пионера электричества Николы Тесла, 1856–1943). Интересно отметить, что сила Магнитное поле Земли очень слабое — примерно в 100–1000 раз слабее типичного бара или магнита на холодильник. На Земле гравитация, а не магнетизм сила, которая прижимает вас к полу. Мы бы заметили магнетизм Земли гораздо больше, если бы его гравитация не была такой сильной.

Диаграмма: Сравнение силы некоторых «повседневных» источников магнетизма. Обратите внимание, что вертикальная шкала логарифмическая : каждый шаг вверх по шкале означает силу магнитного поля увеличилось в десять раз. Здесь главное отметить, насколько слабая Земля. магнетизм (зеленый блок в крайнем левом углу) по сравнению со всем остальным, с чем мы обычно сталкиваемся (не говоря уже о гигантских магнитах, используемых в больницах и лабораториях). Рекордное лабораторное магнитное поле, показанное справа, Созданная в Японии в апреле 2018 года, она примерно в 24 миллиона раз сильнее магнитного поля Земли.Мои данные для этой диаграммы получены из следующих источников: Земля (goo.gl/TkxfO3), Солнце (goo.gl/8uigAU), бытовая техника (goo.gl/P3l487), холодильник (goo.gl/OhrDKt), небольшой неодимовый ( goo.gl/avODib), свалка (goo.gl/owWZer), МРТ (goo.gl/jQ8cTD), громкоговоритель (goo.gl/oIwNlS), самый большой МРТ (goo.gl/8zkACY), самая большая лаборатория (bit.ly / 2zvH7On). Почти все производит магнетизм — даже наше собственное тело, которое составляет примерно 0,000000001 тесла.

Что такое электромагнит?

Фото: Свалки иногда используют гигантские электромагниты для подъема металла. с места на место (хотя некоторые вместо этого используют захватывающие когти).Фото Марджори Коллинз, Управление безопасности фермерских хозяйств США / Управление военной информации, любезно предоставлено Библиотека Конгресса США.

Магнит Гомера Симпсона или Микки Мауса, который держит вещи на вашем холодильник постоянный магнит : он держит магнетизм все время. Не все магниты работают так. Вы можете сделать временным магнит , пропускающий электричество через катушку обернутой проволоки вокруг железного гвоздя (устройства, которое иногда называют соленоид ).Включите ток и гвоздь становится магнитом; выключите его снова, и магнетизм исчезнет. (Это основная идея дверного звонка с электрическим перезвоном: вы создаете электромагнит, когда нажимаете кнопку, которая натягивает молоток на планку звонка — динь-дон!) Такие временные магниты называются электромагнитами — магнитами. работал электричество — и они намекают на более глубокую связь между электричеством и магнетизм, к которому мы вернемся через мгновение.

Как и постоянные магниты, временные электромагниты бывают разных размеры и сильные стороны.Вы можете сделать электромагнит достаточно мощным, чтобы скрепки с помощью одной 1,5-вольтовой батареи. Используйте гораздо больший напряжение, чтобы увеличить электрический ток, и вы можете построить электромагнит достаточно мощный, чтобы поднять машину. Вот как свалка электромагниты работают. Сила электромагнита зависит от двух главное: величина используемого электрического тока и количество раз вы наматываете провод. Увеличьте одно или оба из них, и вы обзавестись более мощным электромагнитом.

Для чего мы используем магниты?

Может быть, вы думаете, что магниты интересны; может ты думаешь, что они скучный! Что вы можете спросить, кроме как в детских фокусах и трюках. свалки?

Вы можете быть удивлены, сколько всего вокруг вас работают с помощью магнетизма или электромагнетизма.Каждый электроприбор с в нем электродвигатель (все с электрической зубной щетки на ваша газонокосилка) использует магниты для превращения электричества в движение. Двигатели используют электричество для создания временного магнетизма в катушках проводов. Создаваемое таким образом магнитное поле толкает фиксированное поле постоянного магнита, вращая внутреннюю часть двигателя вокруг на большой скорости. Вы можете использовать это вращательное движение для управления всеми видами машин.

В твоем холодильнике есть магниты удерживая дверь закрытой.Магниты читают и записывают данные (цифровую информацию) на вашем жесткий диск компьютера и на кассете кассеты в старомодных личных стереосистемах. Больше магнитов в вашем Hi-Fi громкоговорители или наушники помогают вернуть сохраненную музыку в звуки, которые вы можете слышать. Если вы больны серьезным внутренним заболеванием, вы можете есть тип сканирования тела, называемый ЯМР (ядерный магнитный резонанс), который рисует мир под вашей кожей, используя образцы магнитных полей. Магниты используются для вторичной переработки ваш металлический мусор (стальная еда банки сильно магнитные, но алюминиевые банки для напитков нет, поэтому магнит — это простой способ разделить два разных металлы).

Фото: ЯМР-сканирование, подобное этому, дает детальное изображение тела пациента (или, в данном случае, их голова) на компьютере экрана, используя магнитную активность атомов в их ткани тела. Вы можете увидеть, как пациент входит в сканер вверху. и изображение их головы на экране ниже. Фото любезно предоставлено Клинический центр Уоррена Гранта Магнусона (CC) и США Национальные институты здоровья (NIH).

Какие материалы являются магнитными?

Железо — король магнитных материалов — металл, о котором мы все думаем. когда мы думаем о магнитах.Большинство других распространенных металлов (таких как медь, золото, серебро и алюминий), на первый взгляд, немагнитные и большинство неметаллов (включая бумагу, дерево, пластик, бетон, стекло, и текстиль, такой как хлопок и шерсть) тоже немагнитны. Но железо не единственное магнитный металл. Никель, кобальт и элементы, входящие в состав Периодическая таблица (упорядоченный химики используют для описания всех известных химических элементов) известен как редкоземельных металлов (особенно самарий и неодим) тоже делают добро магниты.Некоторые из лучшие магниты — это сплавы (смеси) эти элементы с одним другой и с другими элементами. Ферриты (соединения из железа, кислород и другие элементы) также делают превосходные магниты. Магнитный камень (который также называют магнетитом) является примером феррита, который обычно встречается внутри Земли (имеет химическую формулу FeO · Fe2O3).

Такие материалы, как железо, превращаются в хорошие временные магниты, когда вы кладете магнит рядом их, но, как правило, теряют часть или весь свой магнетизм, когда вы принимаете магнит снова прочь.Мы говорим, что эти материалы магнитомягкие. Напротив, сплавы железа и редкоземельных металлов сохраняют большую часть их магнетизм, даже если вы удалите их из магнитного поля, поэтому из них получаются хорошие постоянные магниты. Мы называем эти материалы магнитно жесткий .

Верно ли, что все материалы либо магнитные, либо немагнитный? Раньше люди так думали, но теперь ученые знают, что материалы, которые мы считаем немагнитными, также подвержены влиянию магнетизма, хотя крайне слабо.Степень намагничивания материала равна назвал его восприимчивостью .

Как разные материалы реагируют на магнетизм

Ученые используют несколько разных слов, чтобы описать, как материалы ведут себя когда вы подносите их к магниту (это еще один способ сказать, когда вы помещаете их в магнитное поле). Вообще говоря, мы можем разделить все материалы на два вида, называемые парамагнитными и диамагнетик, в то время как некоторые парамагнитные материалы также ферромагнитный.Важно понимать, что на самом деле означают эти сбивающие с толку слова …

Парамагнитный

Сделайте образец магнитного материала и подвесьте его на нитке так, чтобы он болтается в магнитном поле, и он намагнитится и выстроится в линию, так что его магнетизм параллелен полю. Как люди знали тысячи лет, это как именно стрелка компаса ведет себя в магнитном поле Земли. Материалы, которые такое поведение называется парамагнитным. Металлы, такие как алюминий и большинство неметаллов (которые, как вы могли подумать, вообще не являются магнитными) являются на самом деле парамагнитен, но так слабо, что мы не замечаем.Парамагнетизм зависит от температуры: чем горячее материал, тем меньше на него рядом магниты.

Фото: Мы думаем об алюминии (используется в напитках). такие банки) как немагнитные. Это помогает нам разделять на переработку наши алюминиевые банки (которые не прилипают к магнитам) от наших стальных (которые прилипают). По факту, оба материала магнитные. Разница в том, что алюминий очень слабо парамагнитные, а сталь сильно ферромагнитная. Фото любезно предоставлено ВВС США.

Ферромагнетик

Некоторые парамагнитные материалы, особенно железо и редкоземельные элементы. металлов, сильно намагничиваются в поле и обычно остаются намагниченный даже когда поле удалено. Мы говорим, что такие материалы ферромагнитные, что на самом деле просто означает, что они «похожи на магнитные» железо ». Однако ферромагнитный материал все равно потеряет магнетизм, если вы нагреете его выше определенной точки, известной как температура Кюри. Железо имеет температуру Кюри 770 ° С (1300 ° F), а для никеля температура Кюри составляет ~ 355 ° C (~ 670 ° F).Если если нагреть железный магнит до 800 ° C (~ 1500 ° F), он перестает быть магнит. Вы также можете разрушить или ослабить ферромагнетизм, если попадете в магнит неоднократно.

Диамагнитный

Мы можем думать о парамагнетиках и ферромагнетиках как о «любители» магнетизма: в некотором смысле они «любят» магнетизм и отзываются положительно к нему, позволяя себе быть намагниченными. Не все материалы отзываются так восторженно. Если вы повесите материалы в магнитных полях, они довольно сильно обрабатываются внутри и сопротивляться: они превращаются в временные магниты для сопротивления намагничиванию и слабого отталкивания магнитных поля вне себя.Мы называем эти материалы диамагнитными. Воды и много органических (углеродные) вещества, такие как бензол, ведут себя подобным образом. Завяжите диамагнитный материал к нити и подвесить в магнитном поле и он повернется так, чтобы образовать угол 180 ° к полю.

Что вызывает магнетизм?

В начале 20 века, до того, как ученые правильно поняли структура атомов и как они работают, они придумали простую для понимания идею, названную теория домена для объяснения магнетизма.Немного лет спустя, когда они лучше поняли атомы, они обнаружили, что теория домена все еще работало, но само по себе могло быть объяснено на более глубоком уровне теория атомов. Все наблюдаемые нами различные аспекты магнетизма могут быть объясненным, в конечном счете, говоря о доменах, электронах в атомах или и то, и другое. Давайте посмотрим на две теории по очереди.

Объяснение магнетизма с помощью теории доменов

Представьте себе фабрику, которая производит маленькие стержневые магниты и кораблики. их отправляли в школы на уроки естествознания.Представьте себе парня по имени Дэйв, у которого есть водить грузовик, перевозя много картонных коробок, каждая с магнитом внутри, в другую школу. Дэйв не успел подумать, в какую сторону сложены ящики, поэтому он складывает их внутри его грузовик какой-то старый, как. Магнит внутри одной коробки мог быть указывая на север в то время как тот, что рядом с ним, указывает на юг, восток или запад. Общий, магниты все перемешаны, поэтому, несмотря на то, что магнитные поля утекают из каждого ящика они все нейтрализуют друг друга.

На той же фабрике работает еще один водитель грузовика по имени Билл, который не могло быть иначе.Ему нравится все аккуратно, поэтому он загружает свой грузовик по-другому, аккуратно сложите все коробки так, чтобы они выстроились в одну линию. Может вы видите, что будет? Магнитное поле из одного ящика выровняется с поле из всех других ящиков … эффективно разворачивая грузовик в один гигантский магнит. Кабина будет похожа на гигантский северный полюс и в кузове грузовика огромный южный полюс!

То, что происходит внутри этих двух грузовиков, происходит в крошечном масштабе. внутри магнитных материалов. Согласно теории предметной области, что-то как железный пруток содержит множество крошечных карманов, называемых доменами.Каждый домен немного похож на коробку с магнит внутри. Видите, куда мы идем? Железный пруток такой же, как грузовик. Обычно все его бортовые «боксы» располагаются случайным образом. и нет общего магнетизма: железо не намагничено. Но расставьте все коробки по порядку, сделайте так, чтобы все они смотрели одинаково, и вы получаете общее магнитное поле: эй, престо, стержень намагничен. Когда вы подносите магнит к немагниченному железному пруту и ​​поглаживаете его. систематически и многократно вверх и вниз, то, что вы делаете, переставив все магнитные «ящики» (домены) внутри так, чтобы они указать точно так же.


Теория доменов объясняет, что происходит внутри материалы, когда они намагничены. В немагнитном материале (слева), домены расположены случайным образом, поэтому нет общего магнитного поле. Когда вы намагничиваете материал (справа), поглаживая стержневой магнит над ним несколько раз в одном и том же направлении, домены перестраиваются так их магнитные поля выравниваются, создавая комбинированное магнитное поле в то же направление.

Эта теория объясняет, как может возникать магнетизм, но может ли он объяснить? несколько из что мы знаем о магнитах? Если магнит разрезать пополам, мы знайте, что у вас есть два магнита, каждый с северным и южным полюсами.Тот имеет смысл согласно теории предметной области. Если разрезать магнит пополам вы получите магнит меньшего размера, который все еще забит доменами, и их можно расположить с севера на юг, как в оригинале. магнит. Как насчет того, как магнетизм исчезает при ударе магнита или нагреть это? Это тоже можно объяснить. Представьте себе фургон, полный упорядоченных коробки снова. Управляйте им хаотично, на очень высокой скорости, и это немного хотелось встряхнуть или постучать молотком. Все коробки будут перемешаны, так что они смотрят по-разному, и общий магнетизм исчезнет.Нагрев а магнит возбуждает его изнутри и перемешивает коробки в так же.

Объяснение магнетизма с помощью атомной теории

Теорию предметной области достаточно легко понять, но это не полный объяснение. Мы знаем, что железные прутья не полны коробок, набитых маленькие магниты — и, если подумать, попытка объяснить магнит говоря, что он полон меньших магнитов, на самом деле не является объяснением все, потому что сразу возникает вопрос: какие меньшие магниты из? К счастью, есть еще одна теория, которую мы можем обратиться к.

Еще в 19 веке ученые обнаружили, что могут использовать электричество, чтобы сделать магнетизм, и магнетизм, чтобы сделать электричество. Джеймс Клерк Максвелл сказал, что эти два явления действительно были разными аспектами. из то же самое — электромагнетизм — как две стороны та же бумажка. Электромагнетизм был блестящей идеей, но он был скорее описанием, чем объяснением: он показал, как были вместо того, чтобы объяснять, почему они были туда. Это не было до 20 века, когда позже ученые пришли к пониманию мир внутри атомов, что объяснение электромагнетизм наконец появившийся.

Мы знаем, что все состоит из атомов и что атомы состоят из центральный кусок материи, называемый ядром. Мельчайшие частицы называют электроны вращаться вокруг ядра по орбите, как спутники в небе над нами, но они одновременно вращаются вокруг своей оси (просто как волчки). Мы знаем, что электроны переносят электрические токи (потоки электричества), когда они проходят материалы, такие как металлы. Электроны — это в некотором смысле крошечные частицы электричества. Теперь вернемся в 19 века ученые знали, что движущееся электричество заставляет магнетизм.В 20 веке стало ясно, что магнетизм вызвано электронами, движущимися внутри атомов и создающими магнитные поля все вокруг них. Домены — это фактически группы атомов, в которых вращается электроны создают общее магнитное поле, указывающее в одну сторону или Другая.

Работа: Магнетизм вызывается вращением и вращением электронов внутри атомов. Обратите внимание, что это изображение , а не в масштабе: большая часть атома — это пустое пространство, а электроны на самом деле намного дальше из ядра, чем я здесь нарисовал.

Подобно теории предметной области, атомная теория может объяснить многие вещи. мы знаем о магнитах, в том числе о парамагнетизме (способ магнитного материалы совпадают с магнитными полями). Большинство электронов в атоме существует парами, вращающимися в противоположных направлениях, поэтому магнитный эффект один электрон в паре нейтрализует влияние своего партнера. Но если у атома есть неспаренные электроны (у атомов железа их четыре), эти создают чистые магнитные поля, которые выстраиваются друг с другом и поворачивают весь атом в мини-магнит.Когда ставишь парамагнитный материала, такого как железо, в магнитном поле, электроны меняют свое движение для создания магнитного поля, которое совпадает с полем за пределами.

А как насчет диамагнетизма? В диамагнитных материалах нет неспаренных электронов, так что этого не происходит. Атомы обладают небольшим или нулевым общим магнетизмом и меньше подвержены влиянию внешних магнитных полей. Однако электроны, вращающиеся внутри они являются электрически заряженными частицами и, когда они движутся в магнитном поле, они ведут себя как любые другие электрически заряженные частицы в магнитном поле и испытать силу.Это очень незначительно меняет их орбиты, создавая некоторый чистый магнетизм, противодействующий как раз то, что его вызывает (согласно классической теории электромагнитного поля, известной как закон Ленца, что связано с законом сохранения энергии). В результате создаваемое ими слабое магнитное поле противостоит вызывающему его магнитному полю, которое это именно то, что мы видим, когда диамагнитные материалы пытаются «бороться» с магнитным полем, в которое они помещены.

Краткая история магнетизма

  • Древний мир: Магнетизм известен древним грекам, римлянам, и китайский.Китайцы пользуются геомантическими компасами (с деревянными надписи, расположенные кольцами вокруг центральной магнитной стрелки) в Фэн Шуй. Магниты получили свое название от города Маниса в Турции. когда-то названный Магнезией, где магнитный магнит был найден в земле.
  • 13 век: магнитные компасы впервые используются для навигации в западных странах. Француз Петрус Перигринус (также называемый Питером Марикура) проводит первые надлежащие исследования магнетизма.
  • 17 век: английский врач и ученый Уильям Гилберт (1544–1603) издает «На магнитах» свою монументальное научное исследование магнетизм и предполагает, что Земля — ​​это гигантский магнит.
  • 18 век: англичанин Джон Мичелл (1724–93) и Француз Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806) изучает силы магниты могут воздействовать. Кулон также проводит важные исследования электричества, но не может соединить электричество и магнетизм как части одного и того же лежащий в основе феномен.
  • XIX век: датчанин Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851), французы Андре – Мари Ампер (1775–1836) и Доминик Араго (1786–1853) и англичанин Майкл Фарадей (1791–1867) исследуют тесная связь между электричеством и магнетизмом. Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) публикует относительно полную объяснение электричества и магнетизма (теория электромагнетизм) и предполагает, что электромагнитная энергия распространяется в волны (открывающие путь к изобретению радио). Пьер Кюри (1859–1906) демонстрирует что материалы теряют свой магнетизм выше определенной температуры (теперь известной как Кюри температура). Вильгельм Вебер (1804–1891) разрабатывает практические методы обнаружения и измерения напряженности магнитного поля.
  • 20 век: Поль Ланжевен (1872–1946) подробно описывает Работа Кюри с теорией, объясняющей, как на магнетизм влияет тепло. Французский физик Пьер Вайс (1865–1940) предлагает есть частицы, называемые магнетронами, эквивалентные электронам, которые вызывают магнитное свойства материалов и излагает теорию магнитных доменов. Два американских ученых, Самуэль Абрахам Гоудсмит (1902–78) и Джордж Юджин Уленбек (1900–88), показывают, как магнитные свойства материалы возникают в результате вращательного движения электронов внутри них.

Как используются магниты? | Вондрополис

Давайте начнем сегодняшнее чудо дня с шутки. Готовый? Вот оно: что скрепка сказала магниту?

Есть идеи? Они сказали: «Я действительно ПРИНУЖЕН к вам!»

Если вы когда-либо использовали магнит раньше, возможно, вы заметили, что приближается эта изюминка. Это потому, что магниты притягивают множество металлических предметов, включая скрепки, гвозди, ключи и многие другие предметы. Скорее всего, за день у вас было больше, чем несколько магнитов.Но задумывались ли вы, как они работают?

Магниты обычно изготавливаются из железа или материала с большим содержанием железа, например из стали. Они отлично подходят для привлечения большинства металлических предметов. Но вы можете держать стеклянную мраморную или пластиковую ложку напротив магнита сколько угодно долго. Ничего не случится!

Как и Земля, у магнитов есть полюсы на каждом конце: северный полюс и южный полюс. Вы можете не сразу заметить разницу между полюсами магнита. Однако они ведут себя совершенно иначе.Если поднести полюса двух магнитов друг к другу, произойдет одно из двух. Если полюса противоположны, они будут притягиваться и щелкаться вместе. Если полюса совпадают, они будут отталкиваться друг от друга.

Не имеет значения, какой у вас стержневой магнит прямоугольной формы или изогнутый подковообразный магнит. Оба ведут себя одинаково. Если есть время на эксперимент, поставьте на стол железный гвоздь с магнитом. Затем медленно подтолкните магнит к гвоздю. В какой-то момент гвоздь подпрыгнет и прилипнет к магниту.Это из-за магнитного поля.

Магнитные поля — это невидимые зоны, окружающие магниты. Когда магнитный объект попадает в поле, он либо притягивается, либо отталкивается от магнита.

Вы когда-нибудь наклеивали произведение искусства на дверцу холодильника? Если да, то у вас уже есть опыт работы с магнитными полями. Притяжение между дверцей холодильника и магнитом удерживает бумагу на месте. Как вы можете догадаться, это означает, что магнитные поля действительно могут проходить через твердые объекты, такие как бумага.

Однако магниты

могут гораздо больше, чем просто висеть на холодильнике. Вы знали, что они тоже держат дверцу холодильника закрытой? Вы можете быть удивлены, узнав, сколько применений существует у магнитов.

Например, магниты помогают в процессе переработки. В центрах по переработке используются магниты, чтобы отсортировать стальные предметы, такие как жестяные банки, от других предметов. Однако магнит не поможет обнаружить банки с газировкой — алюминий не магнитный.

Магниты также можно найти внутри компьютеров, дверных звонков и автоматов с газировкой.Они помогают электрическим консервным ножам удерживать банки на месте и заставляют компас указывать на север. Если вы присмотритесь, вы обнаружите магниты, спрятанные в небольших карманах в нижней части большинства занавесок для душа. Магнитное притяжение удерживает занавеску для душа внутри ванны, поэтому пол не будет затоплен.

Где можно найти самые сильные магниты? Ни в центре переработки, ни на холодильнике. Вместо этого вы найдете их в больницах.

Аппарат МРТ (магнитно-резонансная томография) использует мощные магниты и радиоволны.Они позволяют врачам заглянуть внутрь человеческого тела. Сила магнитного поля МРТ в 20 000 раз сильнее, чем у Земли. Как вы понимаете, это серьезный магнит!

Какие магниты сделаны из

[/ caption]

Магниты — незамеченные герои Нового времени. Однако большинство людей не понимают, из чего сделаны магниты и как они вообще работают. Проблема в том, что мы просто знаем, что магниты притягивают железо и никель. Однако магниты имеют очень интересное происхождение и могут рассматриваться как физическое проявление электромагнитной силы.

Все магниты изготовлены из группы металлов, называемых ферромагнитными металлами. Это такие металлы, как никель и железо. Каждый из этих металлов обладает особым свойством однородного намагничивания. Когда мы спрашиваем, как работает магнит, мы просто спрашиваем, как объект, который мы называем магнитом, проявляет свое магнитное поле. Ответ на самом деле довольно интересный.

В каждом материале есть несколько небольших магнитных полей, называемых доменами. В большинстве случаев эти домены независимы друг от друга и обращены в разные стороны.Однако сильное магнитное поле может расположить домены любого ферромагнитного металла так, чтобы они выровнялись, чтобы создать большее и более сильное магнитное поле. Так делают большинство магнитов.

Основное различие между магнитами заключается в том, являются они постоянными или временными. Временные магниты со временем теряют свое большее магнитное поле, поскольку домены возвращаются в исходное положение. Самый распространенный способ производства магнитов — нагрев их до температуры Кюри или выше. Температура Кюри — это температура, при которой ферромагнитные металлы приобретают магнитные свойства.Нагревание ферромагнитного материала до заданной температуры на некоторое время сделает его магнитным. При нагревании выше этой точки магнетизм может стать постоянным. Ферромагнитные материалы также можно разделить на мягкие и твердые металлы. Мягкие металлы со временем теряют свое магнитное поле после намагничивания, в то время как твердые металлы могут стать постоянными магнитами.

Не все магниты созданы руками человека. Некоторые магниты встречаются в природе, например, магниты. Этот минерал использовался в древности для изготовления первых компасов.Однако у магнитов есть и другое применение. С открытием связи между магнетизмом и электричеством магниты теперь являются основной частью каждого электрического двигателя и турбины. Магниты также использовались для хранения компьютерных данных. Теперь существует тип накопителя, называемый твердотельным накопителем, который позволяет более эффективно сохранять данные на компьютерах.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *