Свойства постоянных магнитов

Содержание

Разновидности магнитов

Постоянный магнит – объект, созданный из намагниченного вещества, которое формирует собственное магнитное поле. В качестве примера можно привести обыкновенный магнитик на холодильник. Есть разные виды магнитов. Материалы, поддающиеся намагничиванию или легко притягивающиеся, именуют ферромагнитными.

Существует также электромагнит, который намагничивается только в том случае, если сквозь него пустить электрический ток.

Этот магнит напоминает подкову и создан из альнико (железный сплав). Форма позволяет ему прижать два магнитных полюса, чтобы сформировать сильное магнитное поле, способное удержать тяжелые железные обломки

Появление понятия магнитной индукции

На заре эпохи развития электричества люди стали исследовать сопутствующие явления. Так, Ханс Эрстед в 1819 году обнаружил: проводник с током создает вокруг круговое магнитное поле, Андре-Мари Ампер показал, что если направление движения зарядов совпадает, соседствующие проводники притягивают друг друга. Конец спорам положило создание закона Био-Савара (отечественные источники добавляют Лапласа), описывающего величину, направление магнитной индукции в точке пространства. Источники допускают оговорку касательно того, что исследования велись постоянного тока.

Взаимосвязь индукции и напряженности магнитного поля

Интегрирование (см. рисунок) идет по контуру с током. В формуле r подразумевает элементарную среднюю точку текущего отрезка, r0 – место пространства, для которого вычисляется магнитная индукция

Обратите внимание, в знаменателе дроби за интегралом перемножаются два вектора. Результатом выходит величина, направление которой определим по правилу буравчика (левой или правой руки)

Интегрирование ведется по элементу контура dr, r – средняя точка малого отреза полной длины. Идентичные разности в числителе и знаменателе сократим, остается вверху единичный вектор, задающий направление результата.

Формула показывает, как найти поле для контуров любой формы, проводя интегрирование по точкам. Современные численные методы лежат в основе действия компьютерных приложений (наподобие Maxwell 3D) по решению соответствующей задачи. Уравнение согласуется с законами Гаусса (магнитной индукции) и Ампера (циркуляции магнитного поля). Георг Ом использовал знания о компасе, выводя известную зависимость. Форму линий поля получим при помощи магнитных стрелок и силы оставления направления неизменным (см. заметку про закон Ома для участка цепи). Это будет картина магнитной индукции в пространстве, экспериментально подтвердившая закон Био-Савара-Лапласа.

Позволило сделанное Амперу в 1825 году показать: электрический ток в некоторых случаях является аналогом постоянного магнита. Появилась новая модель, которая лучше согласовывалась с действительностью, нежели схема диполей Пуассона. Подобная абстракция объясняла отсутствие в природе изолированных магнитных полюсов. По современным представлениям, кусок стали намагничивается, оттого что диполи элементарных частиц и молекул приобретают упорядоченность. На этом основаны контуры размагничивания сердечников трансформаторов, которые перед выключением питания вызывают затухающие колебания тока. В результате эффект упорядоченности размывается, выраженные свойства пропадают.

Спин электрона

Наличие магнитного момента объясняется существованием спинов (понятие введено в 20-х годах XX века) – угловой момент частиц микромира. Реальные, не абстрактные вещи, существование подтверждено экспериментально (Штерн-Герлах). Спин является векторной величиной, одинаковой для всех частиц одного типа (например, электронов), описывается специальным квантовым числом. В СИ единицей измерений служит Дж с, как и для другого углового момента (постоянной Планка). Иногда применяется упрощенная безразмерная запись. Постоянная Планка опускается. Указывается просто спиновое квантовое число (s, ms).

Благодаря наличию спина, элементарная частица обзаводится магнитным моментом, вычисляемым по формуле: в числителе произведение спинового углового момента на заряд частицы и g-фактор (постоянные, приводимые в различных справочниках для тех или иных элементарных частиц); в знаменателе – удвоенная масса элементарной частицы. Как видите, поддается учету, максимальную намагниченность материала в заданных условиях можно заранее рассчитать. Настоящим триумфом квантовой электродинамики явилось предсказание g-факторов для некоторых элементарных частиц.

Открытие Майклом Фарадеем в 1831 году генерации переменным магнитным полем кругового электрического показало: два явления тесно связаны, что явилось предпосылкой созданию (четырех) уравнений Максвелла, частным случаем которых являются большинство формул в этой области, считая упомянутые выше. Исследования шли своим чередом, но несколько разными путями. Интеграцию произвел лорд Кельвин, известный как Вильям Томпсон, который показал наличие H (напряженность) и B магнитной индукции, первая характеризует модель Пуассона, вторая – Ампера.

Характеристики магнитного поля

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток и магнитная проницаемость. Но давайте обо всем по порядку.

Сразу отметим, что все единицы измерения приводятся в системе СИ.

Магнитная индукция B – векторная физическая величина, являющаяся основной силовой характеристикой магнитного поля. Обозначается буквой B. Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл).

Магнитная индукция показывает, насколько сильно поле, определяя силу, с которой оно действует на заряд. Данная сила называется силой Лоренца.

Здесь q — заряд, v — его скорость в магнитном поле, B — индукция, F — сила Лоренца, с которой поле действует на заряд.

Магнитный поток Ф – физическая величина, равная произведению магнитной индукции на площадь контура и косинус между вектором индукции и нормалью к плоскости контура, через который проходит поток. Магнитный поток — скалярная характеристика магнитного поля.

Можно сказать, что магнитный поток характеризует количество линий магнитной индукции, пронизывающих единицу площади. Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб).

Магнитный поток

Магнитная проницаемость – коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит магнитная индукция поля, является магнитная проницаемость.

Указатель юга и севера – компас. Полюсы магнитные

«Указатель юга» — так называли древние китайцы свое изобретение. Это был прибор в форме ложки, изготовленный из природного магнита. Ложка могла вращаться вокруг вертикальной оси.

Древний китайский компас.

Ручка ложки указывала южное направление. Она была северным полюсом ложки-магнита.

Развитие науки не остановилось, и современные компасы уже имеют другой вид:

Разные виды компасов.

Магнитная стрелка, главный элемент компаса, — это постоянный магнит и имеет два полюса. Конец стрелки, указывающий на географический Север, называют северным (N), а противоположный – южным (S) полюсом. Отсюда и название полюсов различных магнитов.

Раскраска магнитов в красный и синий цвета условна, реже используются и другие цвета. Существенным является то, что полюсы магнитов существуют только парами. Если распилить, например, полосовой магнит, получатся два полосовых магнита, и у них будет снова по два полюса: северный и южный.

В школьных лабораторных работах используются маленькие магниты на подставке, которые насаживаются на тонкую иглу и могут свободно вращаться вокруг этой иглы. Такие устройства называются магнитными стрелками, как подобие стрелок компасов.

С помощью стрелок изучается взаимодействие полюсов магнитов. Если приблизить стрелки друг к другу, они начинают поворачиваться и установятся по следующему правилу:

Земной шар является огромным магнитом, у которого есть свои полюсы. Но нельзя путать магнитные полюсы Земли с географическими. Согласно правилу, синий (северный) конец стрелки должен поворачиваться к Южному полюсу земного шара, так как притягиваются разноименные полюсы. Да, действительно, это так. Южный магнитный полюс Земли находится вблизи Северного географического полюса, но не в той же точке, а чуть в стороне, на острове Принца Уэльского. Северный магнитный полюс находится в Антарктиде, где и Южный географический.

Месторасположение магнитных полюсов Земли не остается постоянным. Полюсы смещаются на расстояние нескольких десятков километров в год.

Очень широк список областей, где применяются магниты:

автомобилестроение;
приборостроение;
автоматика;
телемеханика;
тормозные системы;
компасы;
медицина;
радиотехника;
электротехника.

От изучения природных магнитных явлений человек давно шагнул к элетромагнитным явлениям, без чего невозможно развитие знаний об электричестве и электрическом токе.

История

General Motors (GM) и Sumitomo Special Metals независимо друг от друга открыли Nd₂Fe₁₄B почти одновременно в 1984 г. Первоначально исследование было вызвано высокой стоимостью сырья. SmCo постоянные магниты, которые были разработаны ранее. GM сосредоточился на разработке спряденный из расплава нанокристаллический неодим₂Fe₁₄B, в то время как Sumitomo разработала спеченный Nd₂Fe₁₄Магниты B. GM коммерциализировала свои изобретения изотропный Нео пудра, связанный нео магниты и связанные с ними производственные процессы, основав Magnequench в 1986 году (с тех пор Magnequench стала частью Neo Materials Technology, Inc., которая позже слилась с Моликорп). Компания поставила формованный из расплава неодим₂Fe₁₄Порошок B производителям магнитов. В Сумитомо объект стал частью Hitachi Corporation, и производила, но также лицензировала другим компаниям производство спеченного неодима₂Fe₁₄Магниты B. Hitachi владеет более 600 патентами на неодимовые магниты.

Китайские производители стали доминирующей силой в производстве неодимовых магнитов, благодаря их контролю над большей частью мировых источников редкоземельных рудников.

В Министерство энергетики США определила необходимость поиска заменителей редкоземельных металлов в технологии постоянных магнитов и профинансировала такие исследования. В Агентство перспективных исследовательских проектов — Энергия спонсировал программу «Альтернативы редкоземельных элементов в критических технологиях» (REACT) по разработке альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделило 31,6 миллиона долларов на финансирование проектов по замене редкоземельных элементов. Из-за его роли в постоянных магнитах, используемых для Ветряные турбиныутверждалось, что неодим станет одним из главных объектов геополитической конкуренции в мире, Возобновляемая энергия. Но эта точка зрения подвергалась критике за непризнание того, что большинство ветряных турбин не используют постоянные магниты, и за недооценку силы экономических стимулов для расширения производства.

Сила Лоренца

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Формула для нахождения силы Лоренца:

где \( q \) – заряд частицы, \( v \) – скорость частицы, \( B \) – модуль вектора магнитной индукции, \( \alpha \) – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции \( B_\perp \) входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.

Важно!
Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно. В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы

В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.

Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:

где \( m \) – масса частицы, \( v \) – скорость частицы, \( B \) – модуль вектора магнитной индукции, \( q \) – заряд частицы.

В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:

Угловая скорость движения заряженной частицы:

Важно!
Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы

Если вектор скорости направлен под углом \( \alpha \) (0° < \( \alpha \) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

В этом случае вектор скорости частицы можно представить как сумму двух векторов скорости, один из которых, \( \vec{v}_2 \), параллелен вектору \( \vec{B} \), а другой, \( \vec{v}_1 \), – перпендикулярен ему. Вектор \( \vec{v}_1 \) не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор \( \vec{v}_2 \) меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости \( \vec{v}_1 \). Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности – \( T \).

Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору \( \vec{B} \). Частица движется по винтовой линии с шагом \( h=v_2T \).

Важно!
Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:

Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».

Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:

сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;
изобразить силы, действующие на заряженную частицу;
определить вид траектории частицы;
разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;
составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;
выразить силы через величины, от которых они зависят;
решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
решение проверить.

Доклад №2

Магнит – это, как правило, твёрдое тело с собственным магнитным полем, притягивающее или отталкивающее другие тела. Простейшим магнитом считается электрон, хотя магнитными свойствами также обладают другие элементарные частицы (протон, нейтрон и т.д.).

Магниты принято делить на два типа:

Магниты постоянные – натуральные железосодержащие ферромагнетики, которые можно найти в природе, или изделия из железа, кобальта, никеля и различных сплавов, обладающие собственным магнитным полем вне зависимости от воздействия внешних сил.
Электромагниты – устройства, чьи магнитные свойства возникают благодаря протекающему через них электрическому току.

Также выделяют парамагнетики, например, алюминий, кислород, платина, которые слабо притягиваются к магниту. Диамагнетики (такие как висмут, серебро, медь, вода), наоборот, отталкиваются от магнита.

Судя по различным источникам, люди знакомы с явлением магнетизма, по меньшей мере, 4000 лет. Одним из первых открытых человеком материалов, притягивающим железо, был магнетит – руда магнитного железняка, известная ещё древним грекам. Древние индийцы и народы Средиземноморья могли использовать магниты для ориентации на местности, таким образом используя их взаимодействие с магнитным полем Земли. Около 2,5 тысяч лет назад китайцы изобрели первый известный нам компас.

Учёные начали изучать свойства магнитов лишь в средние века. Так, француз Петр Перегрин в 13 веке открыл полюса магнита, условно обозначенные как северный, из которого выходят силовые линии магнитного поля, и южный, в который эти линии входят. Полюса магнита невозможно разделить, однако благодаря им существует два вида магнитного взаимодействия – притяжение и отталкивание. В 16 веке Уильям Гилберт заявил, что сама Земля является магнитом. Наконец, в 19 веке Г.Х. Эрстед доказал наличие взаимодействия между электрическим током и магнитом, что открыло новую веху в развитии учения о магнетизме и электричестве. Позже его труды были продолжены Ампером, Фарадеем, Кельвином, Максвеллом, благодаря которым мы получили современное представление об электромагнитном взаимодействии – одной из пяти фундаментальных сил природы.

Без магнитов невозможна жизнь, поскольку именно магнитное поле Земли защищает нас от солнечной радиации. Человек не смог бы путешествовать и Они применяются повсюду – в носимых гаджетах, всевозможных датчиках, бытовых приборах, узлах транспортных средств, и даже в банкнотах и банковских картах.

8 класс по физике

Магнитное поле прямолинейного тока

Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. Центр окружностей совпадает с осью проводника.

Вид сверху:

Если ток идет вверх, то силовые линии направлены против часовой стрелки. Если вниз, то они направлены по часовой стрелке. Их направление можно определить с помощью правила буравчика или правила правой руки:

Правило буравчика (правой руки)

Если большой палец правой руки, отклоненный на 90 градусов, направить в сторону тока в проводнике, то остальные 4 пальца покажут направление линий магнитной индукции.

Модуль вектора магнитной индукции на расстоянии r от оси проводника:

B=μμI2πr..

Модуль напряженности:

H=I2πr.

Магнитное поле кругового тока

Силовые линии представляют собой окружности, опоясывающие круговой ток. Вектор магнитной индукции в центре витка направлен вверх, если ток идет против часовой стрелки, и вниз, если по часовой стрелке.

Определить направление силовых линий магнитного поля витка с током можно также с помощью правила правой руки:

Если расположить четыре пальца правой руки по направлению тока в витке, то отклоненный на 90 градусов большой палец, покажет направление вектора магнитной индукции.

Модуль вектора магнитной индукции в центре витка, радиус которого равен R:

B=μμI2R..

Модуль напряженности в центре витка:

H=I2R..

Пример №2. На рисунке изображен проволочный виток, по которому течет электрический ток в направлении, указанном стрелкой. Виток расположен в вертикальной плоскости. Точка А находится на горизонтальной прямой, проходящей через центр витка. Как направлен (вверх, вниз, влево, вправо) вектор магнитной индукции магнитного поля в точке А?

Если мысленно обхватить виток так, чтобы четыре пальца правой руки были бы направлены в сторону тока, то отклоненный на 90 градусов большой палец правой руки показал бы, что вектор магнитной индукции в точке А направлен вправо.

Характеристики

Неодимовые магниты (маленькие цилиндры) поднимают стальные сферы. Такие магниты могут легко поднимать вес, в тысячи раз превышающий их собственный.

Феррожидкость на стеклянной пластине показывает сильное магнитное поле неодимового магнита внизу.

Оценки

Неодимовые магниты классифицируются по их продукт максимальной энергии, что относится к магнитный поток выход на единицу объема. Более высокие значения указывают на более сильные магниты. Для спеченных магнитов NdFeB существует широко признанная международная классификация. Их значения варьируются от 28 до 52. Первая буква N перед значениями является сокращением от неодима, что означает спеченные магниты NdFeB. Буквы, следующие за значениями, указывают на внутреннюю коэрцитивную силу и максимальные рабочие температуры (положительно коррелированные с Температура Кюри), которые варьируются от значений по умолчанию (до 80 ° C или 176 ° F) до AH (230 ° C или 446 ° F).

Марки спеченных магнитов NdFeB:[требуется дальнейшее объяснение][ненадежный источник?]

N30 — N52
Н30М — Н50М
N30H — N50H
Н30Ш — Н48Ш
N30UH — N42UH
N28EH — N40EH
N28AH — N35AH

Магнитные свойства

Некоторые важные свойства, используемые для сравнения постоянных магнитов:

Остроту (B_р), который измеряет напряженность магнитного поля.
Коэрцитивность (ЧАС_ci), сопротивление материала размагничиванию.
(Максимум) Энергетический продукт (BH_{Максимум}), плотность магнитной энергии, характеризуется максимальным значением плотность магнитного потока(B) раз напряженность магнитного поля (ЧАС).
Температура Кюри (Т_C), температура, при которой материал теряет свой магнетизм.

Неодимовые магниты имеют более высокую остаточную намагниченность, гораздо более высокую коэрцитивную силу и произведение энергии, но часто более низкую температуру Кюри, чем другие типы магнитов. Специальные неодимовые магнитные сплавы, которые включают тербий и диспрозий были разработаны, которые имеют более высокую температуру Кюри, что позволяет им выдерживать более высокие температуры. В таблице ниже сравниваются магнитные характеристики неодимовых магнитов с другими типами постоянных магнитов.

Магнит	B_р (Т)	ЧАС_ci (кА / м)	BH_{Максимум}(кДж / м3)	Т_C
(° C)	(° F)
Nd₂Fe₁₄B, спеченный	1.0–1.4	750–2000	200–440	310–400	590–752
Nd₂Fe₁₄B, приклеенный	0.6–0.7	600–1200	60–100	310–400	590–752
SmCo₅, спеченный	0.8–1.1	600–2000	120–200	720	1328
Sm (Co, Fe, Cu, Zr)₇, спеченный	0.9–1.15	450–1300	150–240	800	1472
Алнико, спеченный	0.6–1.4	275	10–88	700–860	1292–1580
Sr-феррит, спеченный	0.2–0.78	100–300	10–40	450	842

Физико-механические свойства

Микрофотография NdFeB, показывающая магнитный домен границы

Сравнение физических свойств спеченного неодима и Sm-Co магниты
Свойство	Неодим	Sm-Co
Остроту (Т)	1–1.5	0.8–1.16
Коэрцитивность (МА / м)	0.875–2.79	0.493–2.79
Относительная проницаемость	1.05	1.05–1.1
Температурный коэффициент остаточной намагниченности (% / K)	−(0.12–0.09)	−(0.05–0.03)
Температурный коэффициент коэрцитивной силы (% / K)	−(0.65–0.40)	−(0.30–0.15)
Температура Кюри (° C)	310–370	700–850
Плотность (г / см3)	7.3–7.7	8.2–8.5
Коэффициент теплового расширения, параллельно намагничиванию (1 / K)	(3–4)×10−6	(5–9)×10−6
Коэффициент теплового расширения, перпендикулярно намагниченности (1 / K)	(1–3)×10−6	(10–13)×10−6
Предел прочности при изгибе (Н / мм2)	200–400	150–180
Прочность на сжатие (Н / мм2)	1000–1100	800–1000
Предел прочности (Н / мм2)	80–90	35–40
Твердость по Виккерсу (ВН)	500–650	400–650
Электрические удельное сопротивление (Ом · см)	(110–170)×10−6	(50–90)×10−6

Помещение

Цех по производству постоянных магнитов должен быть чистым, просторным, хорошо освещаемым. В нем необходимо поддерживать следующие условия:

низкую влажность воздуха;
температуру в пределах от 18º С до 24º С.

Площадь зависит от количества и габаритов установленного оборудования – для расположения и свободного обслуживания одной технологической линии необходимо не менее 60 кв. м.

Кроме того, потребуется выделить место под склад для сырья и магнитов. Здесь требования уже иные – для хранения готовых изделий помещение должно быть полностью сухим, иначе они окислятся и распадутся. Неодимовые магниты нужно располагать на расстоянии полуметра друг от друга или прокладывать между ними специальные разделители.

С учетом необходимости обустройства офиса, подсобных и служебных комнат для мини-завода по выпуску постоянных магнитов потребуется здание площадью от 100 кв.м. Желательно, чтобы оно располагалось в промышленной зоне, имело удобный подъезд и стоянку для автомобилей.

Для организации мини-цеха по производству сувенирно-рекламных магнитов указанных видов потребуется помещение размером от 20 кв. м. Этой площади должно хватить для обустройства следующих зон:

производственный цех – 10 кв. м;
офис и подсобные комнаты – 5 кв. м;
склады – 5 кв.м.

Особых требований к помещениям нет, все в пределах общих нормативов.

Притягивание металлических предметов

Одним из свойств магнита является его способность притягивать другие материалы. Однако магниты не притягивают всякий материал. Они притягивают только конкретные металлы. Алюминий невосприимчив к магнитной силе, как и большинство других металлов, таких как медь и серебро. Но никель, железо и кобальт подвержены силе магнита, а также сплавы или смеси этих металлов с другими металлами и минералами. Ферромагнитные минералы, такие как магнетит и пирротин, наряду с несколькими другими минералами являются магнитными, потому что в них имеется значительное количество железа. Слабомагнитные минералы, называемые парамагнитными, обычно содержат в них небольшое количество примесей железа, таких как гематит. Магниты даже отталкивают один минерал, висмут. Висмут диамагнитен

Важно отметить, что эти материалы не являются магнитами, но магниты притягивают противоположный полюс другого магнита и отталкивают подобный полюс

Природа магнетизма

Демонстрация свойств магнита в притягивании к себе металлических предметов у людей вызывает вопрос: что такое представляют собой постоянные магниты? Какова же природа такого явления, как возникновение тяги металлических предметов в сторону магнетита?

Первое объяснение природы магнетизма дал в своей гипотезе великий учёный – Ампер. В любой материи протекают электрические токи той или иной степени силы. Иначе их называют токами Ампера. Электроны, вращаясь вокруг собственной оси, вдобавок обращаются вокруг ядра атома. Благодаря этому, возникают элементарные магнитные поля, которые взаимодействуя между собой, формируют общее поле вещества.

В потенциальных магнетитах при отсутствии внешнего воздействия поля элементов атомной решётки ориентированы хаотически. Внешнее магнетическое поле «выстраивает» микрополя структуры материала в строго определённом направлении. Потенциалы противоположных концов магнетита взаимно отталкиваются. Если приближать одинаковые полюсы двух полосовых ПМ, то руки человека ощутят сопротивление движению. Разные полюсы будут стремиться друг к другу.

При помещении стали или железного сплава во внешнее магнитное поле происходит строгое ориентирование внутренних полей металла в одном направлении. В результате этого материал приобретает свойства постоянного магнита (ПМ).

Естественнонаучные исследования

Эрстед, проводя эксперименты с магнитной стрелкой и проводником, приметил следующую особенность: разряд энергии, направленный в сторону к стрелке, мгновенно на нее действовал, и она начинала отклоняться.

Стрелка всегда отклонялась, с какой бы стороны он не подошел.

Продолжать многократные эксперименты с магнитом стал физик из Франции Доминик Франсуа Араго, взяв за основу трубку из стекла, перемотанную металлической нитью, посередине этого предмета он установил железный стержень. С помощью электричества, находившееся внутри железо начинало резко намагничиваться, из-за этого стали прилипать различные ключи, но стоило отключить разряд, и ключи сразу падали на пол. Исходя из происходящего физик из Франции Андре Ампер, разработал точное описание всего происходящего в этом эксперименте.

Когда магнит притягивает к себе металлические предметы, это кажется волшебством, но в действительности «волшебные» свойства магнитов связаны всего лишь с особой организацией их электронной структуры. Поскольку электрон, вращающийся вокруг атома, создает магнитное поле, все атомы являются маленькими магнитами; однако в большинстве веществ неупорядоченные магнитные эффекты атомов уравновешивают друг друга.

По иному дело обстоит в магнитах, атомные магнитные поля которых выстраиваются в упорядоченные области, называющиеся доменами. Каждая такая область имеет северный и южный полюс. Направление и интенсивность магнитного поля характеризуется так называемыми силовыми линиями {на рисунке показаны зеленым цветом), которые выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Чем гуще силовые линии, тем концентрированнее магнетизм. Северный полюс одного магнита притягивает южный полюс другого, в то время как два одноименных полюса отталкивают друг друга. Магниты притягивают только определенные металлы, главным образом железо, никель и кобальт, называющиеся ферромагнетиками. Хотя ферромагнетики и не являются естественными магнитами, их атомы перестраиваются в присутствии магнита таким образом, что у ферромагнитных тел появляются магнитные полюса.

Магнитная цепочка

Касание конца магнита к металлическим скрепкам приводит к возникновению у каждой скрепки северного и южного полюса. Эти полюса ориентируются в том же направлении, что и у магнита. Каждая скрепка стала магнитом.

Бесчисленные маленькие магнитики

Некоторые металлы имеют кристаллическую структуру, образованную атомами, сгруппированными в магнитные домены. Магнитные полюса доменов обычно имеют различное направление (красные стрелки) и не оказывают суммарного магнитного воздействия.

Образование постоянного магнита

Обычно магнитные домены железа ориентированы бессистемно (розовые стрелки), и естественный магнетизм металла не проявляется. Если к железу приблизить магнит (розовый брусок), магнитные домены железа начинают выстраиваться вдоль магнитного поля (зеленые линии). Большинство магнитных доменов железа быстро выстраивается вдоль силовых линий магнитного поля. В результате железо само становится постоянным магнитом.

Магнитно-твердые материалы

Магнитно-твердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов. Эти материалы должны отвечать следующим требованиям:

обладать большой остаточной индукцией;
иметь большую максимальную магнитную энергию;
обладать стабильностью магнитных свойств.

Самым дешевым материалом для постоянных магнитов является углеродистая сталь (0,4 – 1,7 % углерода, остальное – железо). Магниты, изготовленные из углеродистой стали, обладают невысокими магнитными свойствами и быстро теряют их под влиянием нагрева, ударов и сотрясений.

Легированные стали обладают лучшими магнитными свойствами и применяются для изготовления постоянных магнитов чаще, чем углеродистая сталь. К таким сталям относятся хромистая, вольфрамовая, кобальтовая и кобальто-молибденовая.

Для изготовления постоянных магнитов в технике разработаны сплавы на основе железа – никеля – алюминия. Эти сплавы отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому они могут обрабатываться только шлифованием. Сплавы обладают исключительно высокими магнитными свойствами и большой магнитной энергией в единице объема.

В таблице 1 приведены данные о составе некоторых магнитно-твердых материалов для изготовления постоянных магнитов.

Химический состав магнитно-твердых материалов

Наименование материала	Химический состав в весовых процентах	Относительный вес на единицу магнитной энергии
Углеродистая сталь Хромистая сталь Вольфрамовая сталь Кобальтовая сталь Кобальто-молибденовая сталь Альни Альниси Альнико Магнико	0,45 C остальное Fe 2 – 3 Cr; 1 C 5 W; 1 C 5 – 30 Co; 5 – 8 Cr; 1,5 – 5 W 13 – 17 Mo; 10 – 12 Co 12,5 Al; 25 Ni; 5 Cн 14 Al; 34 Ni; 1 Si 10 Al; 17 Ni; 12 Co; 6 Cн 24 Co; 13 Si; 8 Al; 3 Cн	26,7 17,2 15,8 5,1 – 12,6 3,8 3,6 3,4 3,1 1

Почему у постоянного магнита имеется магнитное поле

В 1820 г. датский физик Ханс Эрстед при исследовании электрических явлений обнаружил, что если вблизи металлического провода разместить магнитную стрелку компаса, то при включении электрического тока стрелка отклонялась на заметный угол. Хотя он и не смог объяснить это явление, но после опубликования этих результатов французский ученый Андре-Мари Ампер высказал предположение, что движение электрических зарядов в проводе — электрический ток, приводит к появлению магнитного поля. Происходит взаимодействие, и на практике стрелка отклоняется.

Рис. 2. Гипотеза Ампера. Модель Ампера для внутренних токов в магнитах

Эту же идею Ампер использовал для объяснения природы магнитного поля постоянных магнитов. Согласно его теории магнитное поле появляется из-за наличия в магнитах непрерывно циркулирующих круговых токов, которые эквивалентны небольшим магнитикам. Эти токи складываются, усиливают друг друга и создают общее магнитное поле внутри и вне магнита. Магнит в целом представляет собой набор (сумму) этих магнитиков.

Наша планета представляет собой огромный постоянный магнит. Принципиальная схема постоянного магнита Земли, который создает ее магнитное поле, аналогична природе обычного, природного магнита. Ядро Земли имеет внешнюю оболочку из расплавленных металлов (железа, никеля и ряда примесей) при температуре более 4000 К0. Раскаленная масса, состоящая из смеси заряженных частиц, вращается вместе с Землей. В результате возникают непрерывно циркулирующие потоки и вихри, которые являются главной причиной появления магнитного поля Земли.