Откуда берется магнитное поле в постоянных магнитах
Перейти к содержимому

Откуда берется магнитное поле в постоянных магнитах

  • автор:

Постоянный магнит

Штуф магнитного железняка Высокогорского рудника

Постоя́нный магни́т, тело, создающее постоянно действующее заданное распределение магнитного поля в окружающей среде. Постоянные магниты относятся к одному из десятков классов существующих магнитных материалов ( Buschow. 2004 ). В настоящее время постоянные магниты изготавливают из магнитотвёрдых материалов (МТМ) с высокой магнитной анизотропией (Kuz’min. 2008 ), что обеспечивает способность постоянных магнитов в значительной степени сохранять свои свойства в течение длительного времени (до 50 лет и более) под действием сильных внешних размагничивающих полей , высокой температуры , вибрации и ударных нагрузок.

Картина магнитного поля постоянных магнитов

Рис. 1. Картина магнитного поля постоянных магнитов. Рис. 1. Картина магнитного поля постоянных магнитов. При намагничивании внешним постоянным или импульсным магнитным полем постоянный магнит приобретает намагниченность , величина которой зависит от марки МТМ. Одновременно у торцов постоянного магнита возникает пара разноимённых магнитных полюсов , на которых замыкаются линии магнитной индукции , образующие внешний магнитный поток постоянного магнита (рис. 1, а). Магнитное поле полюсов в теле постоянного магнита частично размагничивает его ( размагничивающий фактор зависит от марки МТМ, формы и соотношения размеров магнита). Для уменьшения размагничивания к торцам постоянного магнита присоединяют магнитопровод из магнитомягкого материала . В результате этого магнитный поток концентрируется в ограниченном воздушном зазоре (рис. 1, б). Современные постоянные магниты (например, на основе сплава неодим – железо – бор, NdFeB \text NdFeB ,) обладают высокой устойчивостью к размагничиванию и могут использоваться практически без магнитопровода. Это значительно уменьшает габаритные размеры и массу многих устройств. Широко применяются кольцевые магниты с несколькими парами разноимённых полюсов, для создания которых используют специальные приёмы намагничивания.

Технологии производства постоянных магнитов

Слабые постоянные магниты часто встречаются в природе в железной руде ( магнетит , оксид железа Fe 3 O 4 \text_\text_ Fe 3 ​ O 4 ​ , который на поверхности может быть намагничен, например электрическими токами при ударах молнии). Образец магнитного железняка показан на рис. 2.

Магнитный железняк производства фирмы Max&Kohl Chemnitz

Рис. 2. Магнитный железняк производства фирмы Max&Kohl Chemnitz. Конец 19 – начало 20 вв. Рис. 2. Магнитный железняк производства фирмы Max&Kohl Chemnitz. Конец 19 – начало 20 вв. Открытие плавления железа привело к созданию 1-го искусственного постоянного магнита – стальной иглы. В настоящее время размеры, форма, цена, тип покрытия, количество пар полюсов, важнейшие энергетические характеристики [максимальное энергетическое произведение ( B H ) max (BH)_> ( B H ) max ​ ( B B B и H H H – индукция и напряжённость магнитного поля соответственно; чем больше эта величина, тем более мощным является магнит)], устойчивость к размагничиванию ( коэрцитивная сила ) и направление намагниченности могут существенно отличаться и в значительной степени зависят от марки МТМ и решаемой технической задачи. Бурное развитие технологии производства МТМ только за последнее столетие привело к увеличению ( B H ) max (BH)_> ( B H ) max ​ в 100 раз – до 54 МГс∙Э (рис. 3). Это позволило пропорционально уменьшить размер и массу самих постоянных магнитов и устройств на их основе.

Развитие технологии производства магнитотвёрдых материалов

Рис. 3. Развитие технологии производства магнитотвёрдых материалов. Рис. 3. Развитие технологии производства магнитотвёрдых материалов. Современные технологии производства МТМ направлены не только на улучшение энергетических характеристик МТМ (например, за счёт уменьшения размера зерна ), но и на снижение весового содержания дорогостоящих элементов (как за счёт изменения технологии производства, например применения поверхностной диффузии диспрозия в постоянных магнитах марки NdFeB \text NdFeB , так и за счёт замещения неодима более дешёвым церием ). Теоретические расчёты показывают, что в будущем нанокомпозитные постоянные магниты могут как целиком состоять из МТМ, так и иметь включения из магнитомягких материалов, позволяя достичь величины ( B H ) max = 120 (BH)_> = 120 ( B H ) max ​ = 120 МГс∙Э ( Skomski. 1993 ).

Традиционные технологии производства основных МТМ ( самарий – кобальт , альнико, ферриты и др.) хорошо отработаны (см., например, Strnat. 1988 ). Однако следует различать технологии производства МТМ и самих постоянных магнитов. Так, современное производство МТМ марки NdFeB \text NdFeB включает, помимо традиционных переделов (стадий получения), такие новые переделы, как стрип-каст и водородное охрупчивание , в то время как массовое производство постоянных магнитов невозможно без высокопроизводительных автоматизированных линий по шлифованию (до 10 магнитов в минуту), нанесению многослойного покрытия (до 5 различных слоёв) для защиты от коррозии и намагничивания.

Применение постоянных магнитов

Постоянные магниты используются в составе источников магнитного поля и магнитных систем, которыми могут создаваться не только постоянные, но и переменные магнитные поля (например, генераторы магнитного поля, работающие на принципе вращающихся магнитных сборок Хальбаха с амплитудой до 2 Тл и частотой до 7 Гц) ( Патент №–2466491 ). Поскольку промышленность производит не только двухполюсные, но и многополюсные (включая спечённые постоянные магниты и магнитопласты ), то характер создаваемых ими распределений магнитных полей и их градиентов, например в магнитопроводах или воздушных зазорах, может иметь чрезвычайно сложный вид.

В настоящее время без постоянных магнитов невозможно производство таких устройств, как электрогенераторы и электроприводы с предельными удельными и массогабаритными характеристиками (например, ветрогенератор, выпускаемый компанией «Red Wind» на заводе в г. Волгодонск, содержит более 3 т постоянных магнитов марки NdFeB \text NdFeB ), мобильные телефоны , роботы, устройства автоматики, низкополевые магнитные томографы и др. Спектр областей применения и объёмы выпуска постоянных магнитов увеличиваются до 10 % ежегодно.

Опубликовано 26 мая 2023 г. в 13:36 (GMT+3). Последнее обновление 26 мая 2023 г. в 13:36 (GMT+3). Связаться с редакцией

Что такое постоянные магниты

как устроены постоянные магниты

Постоянные магниты — это материалы, которые широко применяются в промышленности и быту. Для понимания их уникальных свойств важно понимать, как они устроены. Постоянные магниты создаются из сплавов железа, никеля и кобальта, которые обладают свойством «намагничиваться». Они содержат множество миниатюрных областей магнитизма, называемых доменами. Электромагниты — это другой тип магнитов, создаваемых путем прохождения электрического тока через спираль провода. Они используются в различных устройствах, таких как реле и генераторы. Понимание их устройства позволяет эффективнее использовать их в различных областях деятельности и создавать более эффективные устройства на их основе.

Как устройстроены магниты

Магнитное поле планеты создается движущимися электронами и ионами, которые являются самыми простыми и маленькими магнитами и неотъемлемой частью атомов всех веществ. Свойства веществ зависят от магнитных моментов электронов. Большинство веществ имеют векторы магнитных полей атомов, которые нейтрализуют друг друга. Однако, если направленность полей в кристаллической структуре твердого вещества совпадает, то такой объект обладает однонаправленным магнитным полем. Осколок железной руды является примером природного магнита, который может притягивать небольшие железные предметы на близком расстоянии. Наша планета является гигантским естественным магнитом с собственным магнитным полем.

Постоянные магниты

Это куски железа, стали и некоторых железных руд, которые способны притягивать другие куски тех же металлов благодаря своим постоянным магнитным свойствам. Магнитный железняк, состоящий из FeO+Fe203, является наиболее ярким представителем естественных магнитов. В меньшей степени теми же свойствами обладает железный колчедан (5FeS+Fe2S3), а также некоторые руды никеля и кобальта.

Интересно отметить, что в последнее время все большую популярность и широкое распространение приобрели неодимовые магниты которые имеют сильные постоянное поле, производимые путем сплавления порошка неодима, железа и бора. Они обладают существенно более высокой магнитной силой, чем традиционные, что делает их пригодными для широкого спектра применений, включая медицину, энергетику, транспорт и многие другие области.

Искусственные магниты

Изготавливаются из особых сортов стали и имеют различную форму. Они могут быть намагничены электрическим током, прикосновением к другим магнитным материалам или даже подвергнуты воздействию лазеров. Они имеют различные формы, такие как диски, блоки или кольца, могут использоваться для различных целей, от создания электромеханических устройств до магнитной сепарации в промышленности.

Кроме того, каждый постояный магнит обладает не только способностью притягивать не намагниченное железо, но также может притягивать или отталкивать другой магнит в зависимости от полярности. Это свойство играет важную роль в различных областях, таких как медицина, промышленность и электроника. Например, магниты используются для создания сильных магнитных полей в медицинских аппаратах для диагностики и лечения различных заболеваний. Они также используются в электронике для создания различных устройств, таких как динамики, моторы и генераторы.

Свойства постоянных магнитов

Магнитные свойства иагнита

Разные части магнитов притягивают металлические предметы по-разному. Самое сильное притяжение происходит у полюсов. А вот в средней части напряжение практически отсутствует, поэтому её называют нейтральной зоной. Подковообразные и полосовые магниты всегда имеют два полюса и нейтральную зону между ними. И стальной объект можно намагнитить так, чтобы получить 4, 6, 8 и более полюсов (допустимо только четное количество) с нейтральными зонами между ними.

Что касается того, что постоянные магниты могут терять свои свойства, то это происходит не просто так. В первую очередь, необходимо избегать перегрева, так как это может нарушить сформированную кристаллическую структуру материала. Со временем становятся менее сильными из-за структурного и магнитного старения. Так что, если говорить о самых долговечных, то это неодимовые магниты. Они за 100 лет теряют всего несколько процентов своей магнитной силы.

Заключение

В заключении можно отметить, что постоянные магниты являются неотъемлемой частью нашей жизни и находят широкое применение в различных областях, от промышленности до медицины и электроники. Понимание устройства и их свойств помогает создавать более эффективные аппараты и использовать их в различных областях деятельности. Неодимовые, производимые из сплава неодима, железа и бора, являются наиболее сильными постоянными магнитами и находят широкое применение в различных областях, благодаря своей магнитной силе.

Из-за чего образуется магнитное поле

Действие магнитного поля распространяется на все виды жизни на Земле и жизни планет. Эта материя, с помощью которой взаимодействуют заряженные частицы.

Магнит – это предмет, который долгое время находится в одном состоянии, в намагниченном состоянии. С помощью этого свойства такие предметы, как магниты притягивают другие предметы, состоящие из железа и их сплавов. Магниты имеют два полюса – северный и южный, самое сильное магнитное поле располагается около полюсов.

Магниты бывают натуральными, сделанные из железной руды магнитного железняка. Также магниты бывают искусственными, произведенные человеком. Их делают путем внесения железа в магнитное поле.

Магнитное поле бывает отрицательным и положительным. Два отрицательных поля и два положительных поля отталкиваются друг от друга, а два поля с разными полюсами будут притягиваться. Это происходит из-за взаимодействия друг с другом магнитных полей. Магнитное поле – вещь не постоянная. Оно может внезапно появиться и внезапно пропасть, все зависит от внешних факторов, влияющих на магнитное поле.

Элементарные магнитные поля создаются благодаря движению электронов вокруг ядра атома и движению вокруг своей оси. Само магнитное поле образуется благодаря внесению железного предмета во внешнее магнитное поле, тогда элементарные магнитные поля в железном предмете ориентируются во внешнем магнитном поле абсолютно одинаково. После этих небольших преобразований обычный предмет из железа становится магнитом, со своими магнитными полями.

Действие магнитного поля влияет только на самого себя, а на электрическое поле оно никак не влияет. Есть электрическая заряженная частица, которая непременно движется, вокруг этой частицу и существует магнитное поле. Есть вторая электрическая заряженная частица, вокруг которой также существует магнитное поле. И эти два магнитных поля друг с другом взаимодействуют.
Действие магнитного поля – это взаимодействия нескольких тел, такие как притягивание и отталкивание. Различаются эти взаимодействия только по интенсивности действия. Например, все электрические двигатели работают по принципу взаимного магнитного отталкивания.

Наша планета, Земля, как и многие другие планеты, имеет магнитное поле. Магнитное поле Земли возникло из-за того, что наше планета постоянно движется вокруг Солнца и вокруг своей оси. Ядро нашей планеты состоит металла и является проводником электричества. Магнитное поле оказывает благотворное влияние на жизнь целой планеты и взаимодействия около земного пространства. Например, магнитное поле защищает все живое на земле от неблагоприятных воздействий солнца. Также защищает искусственные спутники Земли. Даже красивые полярные сияния вызваны магнитным полем Земли.

Подписка на новости

Получайте самые интересные предложения первыми!

  • Односторонние магниты
  • Двухсторонние магниты
  • Аксессуары

Представление о магнитном поле

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.

Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.

Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.

Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.

Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.

Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.

Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.

Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.

Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:

Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).

Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.

А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.

Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.

Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:

При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.

Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.

Спин

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).

Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:

Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.

Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.

Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.

  • Научно-популярное
  • Физика

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *