Chiar și în China antică, au acordat atenție proprietății unor metale de a atrage. Acest fenomen fizic se numește magnetism, iar materialele cu această capacitate se numesc magneți. Acum această proprietate este utilizată în mod activ în electronica radio și în industrie și sunt utilizați în special magneți puternici, inclusiv pentru ridicarea și transportul unor volume mari de metal. Proprietățile acestor materiale sunt folosite și în viața de zi cu zi - mulți oameni cunosc cărți poștale și scrisori magnetice pentru predarea copiilor. Ce sunt magneții, unde sunt folosiți, ce este neodim, acest text va spune despre asta.

Tipuri de magneți

În lumea modernă, acestea sunt clasificate în trei categorii principale în funcție de tipul de câmp magnetic pe care îl creează:

• permanent, constând dintr-un material natural cu aceste proprietăți fizice, de exemplu, neodim;
• temporar, având aceste proprietăți în timp ce se află în câmpul de acțiune al câmpului magnetic;
• electromagneții sunt bobine de sârmă pe un miez care creează un câmp electromagnetic atunci când energia trece prin conductor.

La rândul lor, cei mai comuni magneți permanenți sunt împărțiți în cinci clase principale, în funcție de compoziția lor chimică:

• feromagneți pe bază de fier și aliajele acestuia cu bariu și stronțiu;
• magneți de neodim care conțin metalul de pământ rar neodim, într-un aliaj cu fier și bor (Nd-Fe-B, NdFeB, NIB);
• aliaje de samariu-cobalt cu caracteristici magnetice comparabile cu neodimul, dar în același timp un interval de temperatură mai larg de aplicare (SmCo);
• Aliaj Alnico, alias YUNDK, acest aliaj se distinge prin rezistență ridicată la coroziune și o limită de temperatură ridicată;
• magnetoplastele, care sunt un amestec de aliaj magnetic cu un liant, acest lucru vă permite să creați produse de diferite forme și dimensiuni.

Aliajele de metale magnetice sunt produse fragile și destul de ieftine, cu calități medii. De obicei este un aliaj de oxid de fier cu ferite de stronțiu și bariu. Intervalul de temperatură de funcționare stabilă a magnetului nu este mai mare de 250-270°C. Specificații:

• forța coercitivă - aproximativ 200 kA/m;
• inducție reziduală - până la 0,4 Tesla;
• durata medie de viață este de 20-30 de ani.

Ce sunt magneții de neodim

Acestea sunt cele mai puternice dintre cele permanente, dar în același timp destul de fragile și instabile la coroziune, aceste aliaje au la bază un mineral de pământ rar - neodim. Este cel mai puternic magnet permanent.

Caracteristici:

• forța coercitivă - aproximativ 1000 kA/m;
• inducție reziduală - până la 1,1 Tesla;
• durata medie de viață - până la 50 de ani.

Utilizarea lor limitează doar limita inferioară a intervalului de temperatură, pentru cele mai rezistente la căldură grade de magnet de neodim este de 140 ° C, în timp ce cele mai puțin rezistente sunt distruse la temperaturi peste 80 de grade.

Aliaje de samarium-cobalt

Avand caracteristici tehnice ridicate, dar in acelasi timp aliaje foarte scumpe.

Caracteristici:

• forța coercitivă - aproximativ 700 kA/m;
• inducție reziduală - până la 0,8-1,0 Tesla;
• durata medie de viață - 15-20 de ani.

Sunt utilizate pentru condiții dificile de lucru: temperaturi ridicate, medii agresive și sarcini grele. Datorită costului lor relativ ridicat, utilizarea lor este oarecum limitată.

Alnico

Aliajul de pulbere de cobalt (37-40%) cu adaos de aluminiu și nichel are, de asemenea, caracteristici bune de performanță, pe lângă capacitatea de a-și păstra proprietățile magnetice la temperaturi de până la 550°C. Caracteristicile lor tehnice sunt mai mici decât cele ale aliajelor feromagnetice și sunt:

• forța coercitivă - aproximativ 50 kA/m;
• inducție reziduală - până la 0,7 Tesla;
• durata medie de viață este de 10-20 de ani.

Dar, în ciuda acestui fapt, acest aliaj este cel mai interesant pentru utilizare în domeniul științific. În plus, adăugarea de titan și niobiu la aliaj contribuie la creșterea forței coercitive a aliajului la 145-150 kA/m.

Magnetoplastice

Ele sunt utilizate în principal în viața de zi cu zi pentru fabricarea de cărți poștale magnetice, calendare și alte mărunțișuri, caracteristicile câmpului magnetic scad ușor datorită concentrației mai mici a compoziției magnetice.

Acestea sunt principalele tipuri de magneți permanenți. Electromagnetul prin principiul funcționării și aplicării este oarecum diferit de astfel de aliaje.

Interesant. Magneții de neodim sunt folosiți aproape peste tot, inclusiv în design pentru a crea structuri plutitoare și în cultură în aceleași scopuri.

Electromagnet și demagnetizator

Dacă electromagnetul creează un câmp atunci când trece prin spirele înfășurării electricității, atunci demagnetizatorul, dimpotrivă, îndepărtează câmpul magnetic rezidual. Acest efect poate fi folosit în diverse scopuri. De exemplu, ce se poate face cu un demagnetizator? Anterior, demagnetizatorul era folosit pentru a demagnetiza capetele de reproducere ale magnetofoanelor, kinescoapelor TV și pentru a îndeplini alte funcții de acest fel. Astăzi, este adesea folosit în scopuri oarecum ilegale, pentru demagnetizarea contoarelor după aplicarea magneților acestora. În plus, acest dispozitiv poate și ar trebui să fie utilizat pentru a îndepărta câmpul magnetic rezidual din scule.

Demagnetizatorul constă de obicei dintr-o bobină obișnuită, cu alte cuvinte, conform dispozitivului, acest dispozitiv repetă complet un electromagnet. Se aplică bobinei o tensiune alternativă, după care dispozitivul din care scoatem câmpul rezidual este îndepărtat din zona de acoperire a demagnetizatorului, după care se oprește

Important! Folosirea unui magnet pentru a „răsuci” contorul este ilegală și atrage o amendă. Utilizarea necorespunzătoare a demagnetizatorului poate duce la demagnetizarea completă a dispozitivului și la defecțiunea acestuia.

Magnet făcut de sine

Pentru a face acest lucru, este suficient să găsiți o bară de metal din oțel sau alt feroaliaj, puteți utiliza miezul compozit al transformatorului și apoi faceți o înfășurare. Înfășurați câteva spire de sârmă de înfășurare de cupru în jurul miezului. Pentru siguranță, merită să includeți o siguranță în circuit. Cum să faci un magnet puternic? Pentru a face acest lucru, trebuie să creșteți curentul în înfășurare, cu cât este mai mare, cu atât este mai mare forța magnetică a dispozitivului.

Când dispozitivul este conectat la rețea și electricitatea este furnizată la înfășurare, dispozitivul va atrage metalul, adică, de fapt, acesta este un electromagnet adevărat, deși un design oarecum simplificat.

în rubrica

Forța magnetică este cea mai importantă proprietate a unui magnet. De acest indicator depind performanța și domeniul de aplicare. Puterea magneților este măsurată în unități de tesla (T). Adică, pentru a afla care magnet este cel mai puternic, trebuie să comparați diferite materiale în funcție de acest indicator.

Cel mai puternic electromagnet

Oamenii de știință din diferite țări încearcă să creeze cel mai puternic magnet din lume și, uneori, obțin rezultate foarte interesante. Până în prezent, statutul de cel mai puternic electromagnet este deținut de instalația de la Laboratorul Național Los Alamos (SUA). Un dispozitiv gigant de șapte seturi de bobine cu o masă totală de 8,2 tone generează un câmp magnetic cu o putere de 100 Tesla. Această cifră impresionantă este de 2 milioane de ori puterea câmpului magnetic al planetei noastre.

Este demn de remarcat faptul că solenoidul magnetului pentru suport de înregistrare este fabricat dintr-un nanocompozit rusesc de cupru-niobiu. Acest material a fost dezvoltat de oamenii de știință ai Institutului Kurchatov cu asistența Institutului de Cercetare a Materialelor Anorganice din întreaga Rusie. A. A. Bochvara. Fără acest compozit rezistent, noul cel mai puternic magnet din lume nu ar fi putut depăși recordul predecesorului său, deoarece principala dificultate tehnică în operarea instalațiilor de acest nivel este menținerea integrității atunci când este expus la cele mai puternice impulsuri magnetice. Puterea maximă înregistrată a câmpului electromagnet, care a fost distrus de impulsuri în timpul experimentului, a fost de 730 T. În URSS, oamenii de știință, folosind un magnet cu un design special și explozivi, au reușit să creeze un impuls de 2800 T.

cupru-niobiu

Impulsurile magnetice obținute în laboratoare sunt de milioane de ori mai mari decât câmpul magnetic al Pământului. Dar chiar și cel mai puternic magnet care a fost construit până în prezent este de milioane de ori mai slab decât stelele cu neutroni. Magnetar SGR 1806-20 are un câmp magnetic de 100 miliarde Tesla.

Cel mai puternic magnet de casă

Desigur, puterea magnetică a stelelor și experimentele oamenilor de știință sunt interesante, dar majoritatea utilizatorilor doresc să știe care magnet este cel mai puternic pentru rezolvarea unor probleme specifice aplicate. Pentru a face acest lucru, trebuie să comparați puterea câmpului magnetic al diferitelor tipuri de magneți:

1) Magneți de ferită– 0,1...0,2 T

2) Magneți de alnico și samariu– 0,4...0,5 T.

3) Magneți de neodim– până la 2 T (când se adaugă la structura Habalt).

Deci, cel mai puternic magnet este super magnet de pământuri rare, magnet mic puternic, ale cărui componente principale sunt neodim, fier și bor. Puterea câmpului său este comparabilă cu puterea electromagneților cu miez de ferită. Aliajul magnetic pe bază de neodim se mândrește cu performanțe de neegalat în parametri atât de importanți:

1) Forța coercitivă. Această proprietate permite ca materialul să fie utilizat în zona câmpurilor magnetice externe.

2) Forța de rupere. Datorită forței magnetice maxime, este posibilă reducerea dimensiunii produselor, menținând în același timp o putere de adeziv ridicată.

3) Inducția magnetică reziduală. O rată mare de magnetizare reziduală oferă o proprietate foarte importantă a unui magnet de neodim - durata păstrării calităților magnetice. În esență, pierzând doar câteva procente din puterea sa în decurs de un secol, aliajul magnetic neodim-fier-bor este un magnet perpetuu.

Pentru a menține câmpul magnetic puternic al supermagnetului de pământuri rare pe bază de neodim, ar trebui să fiți conștienți de punctele sale slabe. În special, materialul are o structură de pulbere, astfel încât impacturile puternice și căderile pot duce la pierderea proprietăților sale. De asemenea, aliajul se demagnetizează când este încălzit la +70 ⁰ C (versiunile rezistente la căldură ale aliajelor pot rezista până la +200 ⁰ C). Luați în considerare aceste caracteristici și apoi produsele vă vor beneficia cât mai mult posibil.

Există o mulțime de informații pe Internet despre această problemă, dar de obicei sunt foarte unilaterale. Toate odată și într-un singur articol - doar pentru tine!

Să începem de la banca școlii: ce ne-ar spune un profesor de fizică despre magneți?

Există trei tipuri de magneți: permanente, temporare și electromagneți. Primele sunt încărcate o dată pentru totdeauna, a doua funcționează doar într-un câmp magnetic, a treia - numai atunci când există curent.

Toate magneți permanențiîmpărțite în naturale și artificiale. Cele naturale sunt minereul de fier magnetic, de exemplu. El însuși atrage obiectele metalice la sine, nu trebuie făcut nimic pentru asta. Sau Mama Pământ este, de asemenea, un magnet natural. Doar că nu atrage metalul, ci totul. Inclusiv noi swami.

Magneții permanenți artificiali sunt fabricați de oameni, iar tipurile lor depind de materialul din care este fabricat magnetul. Există ferite aici - includ fier, magneți de neodim, Alnico, SmCo și materiale plastice magnetice. De fapt, vinilul magnetic este inclus în numărul de magnetoplaste: îl folosim la fabricarea magneților.

Ne-am ocupat de cele permanente. Magneți temporari- acestea sunt produse metalice care sunt magnetizate atunci când intră într-un câmp magnetic și dobândesc pentru o perioadă scurtă de timp capacitatea de a atrage ei înșiși alte obiecte metalice. De exemplu, agrafe și cuie.

electromagneti se formează cu ajutorul unui fir înfăşurat, prin care trece un curent. Echipamentul nostru funcționează pe electromagneți.

Să terminăm cu fizica: elementele de bază sunt acum cunoscute de tine!

Tipuri de magneți în ceea ce privește domeniul de aplicare

O persoană obișnuită va citi ce crede un fizician despre magneți și va întreba: „Și ce?” Informații nu foarte utile. Suntem mai interesați de ce sunt necesari magneții?

informație. Cel mai clar exemplu este busola. Magnetul se orientează spre punctele cardinale. Dar acesta este departe de singurul dispozitiv cu magnet: de exemplu, se află și în același ampermetru.

Industrie. Magnetul este folosit în producție și - atât pentru lucrul cu obiecte foarte mari, cât și - cu cele mai mici.

Medicament. Cineva țipă despre pericolele magneților pentru sănătate și cineva îi folosește pentru tratament. Magneții sunt diferiți!

Tehnică. O cantitate imensă de tehnologie se bazează pe munca magneților. Calculatoarele și televizoarele, telefoanele și multe alte dispozitive sunt posibile de magneți.

Magneți cadou. Este prezentat ocazional și conține adesea o inscripție de felicitare, o urare, o fotografie frumoasă a eroului ocaziei și așa mai departe. foarte frumos.

Magneți unici. De obicei, realizat manual sau la comandă. Ele se disting prin unele caracteristici neobișnuite sau detalii lucrate cu dragoste, precum și prin utilizarea unor materiale neobișnuite.

Exemple de magneți noștri

Magnet personalizat brodat „Rocket Jump”

Fiecare ținea un magnet în mâini și se juca cu el în copilărie. Magneții pot fi foarte diferiți ca formă, dimensiune, dar toți magneții au o proprietate comună - atrag fierul. Se pare că ei înșiși sunt din fier, în orice caz, dintr-un fel de metal cu siguranță. Există, totuși, „magneți negri” sau „pietre”, ei atrag puternic și bucăți de fier, și mai ales între ele.

Dar nu arată ca metalul, se sparg ușor, ca sticla. Există multe lucruri utile în gospodăria magneților, de exemplu, este convenabil să „fixați” foile de hârtie pentru a călca suprafețele cu ajutorul lor. Este convenabil să colectați acele pierdute cu un magnet, așa că, după cum putem vedea, acesta este un lucru complet util.

Știință 2.0 - Salt mare înainte - Magneți

Magnet în trecut

Chiar și vechii chinezi știau despre magneți în urmă cu mai bine de 2000 de ani, cel puțin că acest fenomen poate fi folosit pentru a alege direcția atunci când călătoresc. Adică au inventat o busolă. Filosofii din Grecia antică, oameni curioși, adunând diverse fapte uimitoare, au întâlnit magneți în vecinătatea orașului Magness din Asia Mică. Acolo au găsit pietre ciudate care ar putea atrage fierul. Pentru acele vremuri, nu era mai puțin uimitor decât puteau deveni extratereștrii în timpul nostru.

Părea și mai surprinzător că magneții atrag departe de toate metalele, dar numai fierul, iar fierul în sine este capabil să devină un magnet, deși nu atât de puternic. Putem spune că magnetul a atras nu numai fierul, ci și curiozitatea oamenilor de știință și a avansat puternic o știință precum fizica. Thales din Milet a scris despre „sufletul magnetului”, iar romanul Titus Lucretius Carus a scris despre „mișcarea furioasă a piliturii și inelelor de fier” în eseul său Despre natura lucrurilor. Deja a putut observa prezența a doi poli la magnet, care mai târziu, când marinarii au început să folosească busola, au primit nume în cinstea punctelor cardinale.

Ce este un magnet. Cu cuvinte simple. Un câmp magnetic

Luați magnetul în serios

Natura magneților nu a putut fi explicată mult timp. Cu ajutorul magneților s-au descoperit noi continente (marinarii încă tratează busola cu mult respect), dar nimeni nu știa nimic despre însăși natura magnetismului. S-a lucrat doar pentru îmbunătățirea busolei, care a fost făcută și de geograful și navigatorul Cristofor Columb.

În 1820, omul de știință danez Hans Christian Oersted a făcut o descoperire majoră. El a stabilit acțiunea unui fir cu un curent electric pe un ac magnetic și, ca om de știință, a descoperit prin experimente cum se întâmplă acest lucru în diferite condiții. În același an, fizicianul francez Henri Ampere a venit cu o ipoteză despre curenții circulari elementari care curg în moleculele unei substanțe magnetice. În 1831, englezul Michael Faraday, folosind o bobină de sârmă izolată și un magnet, efectuează experimente care arată că munca mecanică poate fi transformată în curent electric. De asemenea, stabilește legea inducției electromagnetice și introduce conceptul de „câmp magnetic”.

Legea lui Faraday stabilește regula: pentru un circuit închis, forța electromotoare este egală cu viteza de modificare a fluxului magnetic care trece prin acest circuit. Toate mașinile electrice funcționează pe acest principiu - generatoare, motoare electrice, transformatoare.

În 1873, omul de știință scoțian James C. Maxwell reunește fenomenele magnetice și electrice într-o singură teorie, electrodinamica clasică.

Substanțele care pot fi magnetizate se numesc feromagneți. Acest nume conectează magneții cu fierul, dar pe lângă acesta, capacitatea de magnetizare se găsește și în nichel, cobalt și alte metale. Deoarece câmpul magnetic a trecut deja în domeniul utilizării practice, materialele magnetice au devenit și ele subiect de mare atenție.

Experimentele au început cu aliaje de metale magnetice și diverși aditivi din ele. Materialele rezultate au fost foarte scumpe, iar dacă Werner Siemens nu ar fi venit cu ideea de a înlocui magnetul cu oțel magnetizat de un curent relativ mic, lumea nu ar fi văzut niciodată un tramvai electric și Siemens. Siemens a fost implicat și în aparatele de telegraf, dar aici a avut mulți concurenți, iar tramvaiul electric a dat companiei o mulțime de bani și, în cele din urmă, a tras totul cu el.

Inductie electromagnetica

Mărimi de bază asociate magneților în inginerie

Ne vor interesa mai ales magneții, adică feromagneții, și lăsăm puțin deoparte restul, un câmp foarte vast de fenomene magnetice (mai bine să spunem, electromagnetice, în memoria lui Maxwell). Unitățile noastre de măsură vor fi cele acceptate în SI (kilogram, metru, secundă, amperi) și derivatele lor:

l Puterea câmpului, H, A/m (amperi pe metru).

Această valoare caracterizează intensitatea câmpului dintre conductoarele paralele, distanța dintre care este de 1 m, iar curentul care circulă prin acestea este de 1 A. Intensitatea câmpului este o mărime vectorială.

l Inductie magnetica, B, Tesla, densitatea fluxului magnetic (Weber/m.p.)

Acesta este raportul dintre curentul prin conductor și circumferință, pe raza la care ne interesează mărimea inducției. Cercul se află în planul pe care firul îl traversează perpendicular. Aceasta include un alt factor numit permeabilitate magnetică. Aceasta este o mărime vectorială. Dacă ne uităm mental la capătul firului și presupunem că curentul curge în direcția departe de noi, atunci cercurile de forță magnetică se „rotesc” în sensul acelor de ceasornic, iar vectorul de inducție este aplicat tangentei și coincide cu ei în direcția.

l Permeabilitatea magnetică, μ (valoare relativă)

Dacă luăm permeabilitatea magnetică a vidului ca 1, atunci pentru restul materialelor obținem valorile corespunzătoare. Deci, de exemplu, pentru aer obținem o valoare care este practic aceeași ca și pentru vid. Pentru fier, vom obține valori substanțial mai mari, astfel încât să putem spune figurativ (și foarte precis) că fierul „trage” linii magnetice de forță în sine. Dacă intensitatea câmpului într-o bobină fără miez este H, atunci cu un miez obținem μH.

l Forța coercitivă, A/m.

Forța coercitivă indică cât de mult rezistă un material magnetic la demagnetizare și remagnetizare. Dacă curentul din bobină este eliminat complet, atunci va exista inducție reziduală în miez. Pentru a fi egal cu zero, trebuie să creați un câmp cu o oarecare putere, dar opusul, adică să lăsați curentul să circule în direcția opusă. Această tensiune se numește forță coercitivă.

Deoarece magneții sunt întotdeauna utilizați în practică în legătură cu electricitatea, nu ar trebui să fie surprinzător că o astfel de cantitate electrică precum un amper este folosită pentru a descrie proprietățile lor.

Din cele spuse, rezultă că, de exemplu, un cui, asupra căruia a fost acționat de un magnet, devine el însuși un magnet, deși unul mai slab. În practică, se dovedește că chiar și copiii care se joacă cu magneți știu despre asta.

Există cerințe diferite pentru magneți în inginerie, în funcție de unde merg aceste materiale. Materialele ferromagnetice sunt împărțite în „moale” și „dure”. Primele merg la fabricarea miezurilor pentru dispozitive în care fluxul magnetic este constant sau variabil. Nu puteți face un magnet independent bun din materiale moi. Se demagnetizează prea ușor și aici aceasta este doar proprietatea lor valoroasă, deoarece releul trebuie să se „elibereze” dacă curentul este oprit, iar motorul electric nu trebuie să se încălzească - excesul de energie este consumat pentru remagnetizare, care este eliberat sub formă de căldură.

CUM Arata cu adevarat un camp magnetic? Igor Beletsky

Magneții permanenți, adică cei care se numesc magneți, necesită materiale dure pentru fabricarea lor. Rigiditatea se înțelege magnetică, adică o inducție reziduală mare și o forță coercitivă mare, deoarece, după cum am văzut, aceste cantități sunt strâns legate. Pentru astfel de magneți se folosesc oțeluri carbon, wolfram, crom și cobalt. Forța lor coercitivă atinge valori de aproximativ 6500 A/m.

Există aliaje speciale numite alni, alnisi, alnico și multe altele, după cum ați putea ghici, acestea includ aluminiu, nichel, siliciu, cobalt în diverse combinații, care au o forță coercitivă mai mare - până la 20.000 ... 60.000 A/m. Un astfel de magnet nu este atât de ușor de smuls din fier.

Există magneți special proiectați pentru a funcționa la frecvențe mai mari. Acesta este binecunoscutul „magnet rotund”. Este „extras” dintr-un difuzor lipsit de valoare de la un difuzor al centrului muzical, sau un radio auto sau chiar un televizor de altădată. Acest magnet este realizat prin sinterizarea oxizilor de fier și aditivi speciali. Un astfel de material se numește ferită, dar nu orice ferită este magnetizată în mod special în acest fel. Iar în difuzoare este folosit din motive de reducere a pierderilor inutile.

Magneți. descoperire. Cum functioneaza?

Ce se întâmplă în interiorul unui magnet?

Datorită faptului că atomii materiei sunt un fel de „aglomerări” de electricitate, își pot crea propriul câmp magnetic, dar numai în unele metale care au o structură atomică similară, această capacitate este foarte pronunțată. Iar fierul, cobaltul și nichelul stau unul lângă altul în sistemul periodic al lui Mendeleev și au structuri similare de învelișuri de electroni, ceea ce transformă atomii acestor elemente în magneți microscopici.

Deoarece metalele pot fi numite un amestec înghețat de diverse cristale de dimensiuni foarte mici, este clar că astfel de aliaje pot avea o mulțime de proprietăți magnetice. Multe grupuri de atomi își pot „derula” propriii magneți sub influența vecinilor și a câmpurilor externe. Astfel de „comunități” sunt numite domenii magnetice și formează structuri foarte bizare, care sunt încă studiate cu interes de fizicieni. Acest lucru are o mare importanță practică.

După cum sa menționat deja, magneții pot avea dimensiuni aproape atomice, astfel încât cea mai mică dimensiune a domeniului magnetic este limitată de dimensiunea cristalului în care sunt încorporați atomii metalului magnetic. Așa se explică, de exemplu, densitatea aproape fantastică de înregistrare pe hard disk-urile computerelor moderne, care, aparent, va continua să crească până când discurile vor avea concurenți mai serioși.

Gravitație, magnetism și electricitate

Unde se folosesc magneții?

Ale căror miezuri sunt magneți de magneți, deși de obicei sunt denumiți pur și simplu miezuri, magneții au mult mai multe utilizări. Există magneți de papetărie, magneți pentru uși de mobilă, magneți de șah pentru călători. Aceștia sunt magneți bine cunoscuți.

Printre tipurile mai rare se numără magneții pentru acceleratoarele de particule, acestea fiind structuri foarte impresionante care pot cântări zeci de tone sau mai mult. Deși acum fizica experimentală este plină de iarbă, cu excepția părții care aduce imediat super profituri pe piață și în sine nu costă aproape nimic.

Un alt magnet curios este instalat într-un dispozitiv medical elegant numit scaner de imagistică prin rezonanță magnetică. (De fapt, metoda se numește RMN, rezonanță magnetică nucleară, dar pentru a nu speria oamenii care în general nu sunt puternici în fizică, a fost redenumită.) Dispozitivul necesită plasarea obiectului observat (pacientul) într-un magnetic puternic. câmp, iar magnetul corespunzător are o dimensiune înspăimântătoare și forma sicriului diavolului.

O persoană este așezată pe o canapea și rulată printr-un tunel în acest magnet, în timp ce senzorii scanează locul de interes pentru medici. În general, este în regulă, dar pentru unii, claustrofobia ajunge până la punctul de panică. Astfel de oameni își vor permite de bunăvoie să fie tăiați de vii, dar nu vor fi de acord cu o examinare RMN. Cu toate acestea, cine știe cum se simte o persoană într-un câmp magnetic neobișnuit de puternic, cu o inducție de până la 3 Tesla, după ce a plătit bani buni pentru asta.

Pentru a obține un câmp atât de puternic, supraconductivitatea este adesea folosită prin răcirea bobinei magnetului cu hidrogen lichid. Acest lucru face posibilă „pomparea” câmpului fără teama că încălzirea firelor cu un curent puternic va limita capacitățile magnetului. Nu este o configurație ieftină. Dar magneții din aliaje speciale care nu necesită polarizarea curentului sunt mult mai scumpi.

Pământul nostru este, de asemenea, un magnet mare, deși nu foarte puternic. Ajută nu numai deținătorii busolei magnetice, ci și ne salvează de la moarte. Fără el, am fi uciși de radiația solară. Imaginea câmpului magnetic al Pământului, modelată de computere din observații din spațiu, arată foarte impresionantă.

Iată un mic răspuns la întrebarea despre ce este un magnet în fizică și tehnologie.

Alături de bucățile de chihlimbar electrificate prin frecare, magneții permanenți au fost pentru oamenii antici primele dovezi materiale ale fenomenelor electromagnetice (fulgerul din zorii istoriei a fost atribuit cu siguranță sferei de manifestare a forțelor nemateriale). Explicația naturii feromagnetismului a ocupat întotdeauna mințile iscoditoare ale oamenilor de știință, cu toate acestea, chiar și în prezent, natura fizică a magnetizării permanente a unor substanțe, atât naturale, cât și create artificial, nu a fost încă dezvăluită pe deplin, lăsând un câmp considerabil. de activitate pentru cercetătorii moderni şi viitori.

Materiale tradiționale pentru magneți permanenți

Ele au fost utilizate activ în industrie din 1940, odată cu apariția aliajului alnico (AlNiCo). Înainte de aceasta, magneții permanenți din diferite grade de oțel erau utilizați numai în busole și magnetouri. Alnico a făcut posibilă înlocuirea electromagneților cu aceștia și utilizarea lor în dispozitive precum motoare, generatoare și difuzoare.

Această pătrundere în viața noastră de zi cu zi a primit un nou impuls odată cu crearea magneților de ferită, iar de atunci magneții permanenți au devenit obișnuiți.

O revoluție a materialelor magnetice a început în jurul anului 1970, odată cu crearea familiei samariu-cobalt de materiale magnetice dure cu densități de energie magnetică nevăzute până acum. Apoi a fost descoperită o nouă generație de magneți cu pământuri rare, bazați pe neodim, fier și bor, cu o densitate de energie magnetică mult mai mare decât samariu-cobalt (SmCo) și la un cost scăzut așteptat. Aceste două familii de magneți cu pământuri rare au densități de energie atât de mari încât nu numai că pot înlocui electromagneții, dar pot fi folosiți în zone inaccesibile pentru ei. Exemple sunt micul motor pas cu magnet permanent din ceasurile de mână și traductoarele de sunet din căști precum Walkman-ul.

Îmbunătățirea treptată a proprietăților magnetice ale materialelor este prezentată în diagrama de mai jos.

magneți permanenți de neodim

Ele reprezintă cea mai recentă și mai semnificativă dezvoltare în acest domeniu din ultimele decenii. Descoperirea lor a fost anunțată pentru prima dată aproape simultan la sfârșitul anului 1983 de lucrătorii metalurgici de la Sumitomo și General Motors. Se bazează pe compusul intermetalic NdFeB: un aliaj de neodim, fier și bor. Dintre acestea, neodimul este un element de pământ rar extras din mineralul monazit.

Marele interes pe care l-au generat acești magneți permanenți vine din faptul că pentru prima dată s-a obținut un nou material magnetic nu doar mai puternic decât generația anterioară, dar și mai economic. Se compune în principal din fier, care este mult mai ieftin decât cobaltul, și neodim, care este unul dintre cele mai comune materiale de pământuri rare și este mai abundent pe Pământ decât plumbul. Principalele minerale pământuri rare monazit și bastanezit conțin de cinci până la zece ori mai mult neodim decât samariu.

Mecanismul fizic al magnetizării permanente

Pentru a explica funcționarea unui magnet permanent, trebuie să privim în interiorul lui până la scara atomică. Fiecare atom are un set de spini ai electronilor săi, care împreună formează momentul său magnetic. Pentru scopurile noastre, putem considera fiecare atom ca un magnet bar mic. Atunci când un magnet permanent este demagnetizat (fie prin încălzirea lui la o temperatură ridicată, fie printr-un câmp magnetic extern), fiecare moment atomic este orientat aleatoriu (vezi figura de mai jos) și nu se observă o regularitate.

Când este magnetizat într-un câmp magnetic puternic, toate momentele atomice sunt orientate în direcția câmpului și, parcă, se interconectează între ele (vezi figura de mai jos). Această cuplare face posibilă menținerea câmpului unui magnet permanent atunci când câmpul extern este îndepărtat și, de asemenea, să reziste la demagnetizare atunci când direcția acestuia se schimbă. Măsura forței de coeziune a momentelor atomice este mărimea forței coercitive a magnetului. Mai multe despre asta mai târziu.

Într-o expunere mai profundă a mecanismului de magnetizare, acestea nu operează cu conceptele de momente atomice, ci folosesc conceptul de regiuni miniaturale (de ordinul a 0,001 cm) în interiorul magnetului, care au inițial o magnetizare constantă, dar sunt orientate aleatoriu. în absența unui câmp extern, astfel încât un cititor strict, dacă dorește, să poată atribui fizicul de mai sus, mecanismul nu este magnetului în ansamblu. și în domeniul său separat.

Inducție și magnetizare

Momentele atomice se adună și formează momentul magnetic al întregului magnet permanent, iar magnetizarea acestuia M indică mărimea acestui moment pe unitatea de volum. Inducția magnetică B arată că un magnet permanent este rezultatul unei forțe magnetice externe (intensitatea câmpului) H aplicată în timpul magnetizării primare, precum și al unei magnetizări interne M datorită orientării momentelor atomice (sau domeniului). Valoarea sa este, în general, dată de formula:

B = u 0 (H + M),

unde µ 0 este o constantă.

Într-un magnet inelar permanent și omogen, intensitatea câmpului H în interiorul acestuia (în absența unui câmp extern) este egală cu zero, deoarece, conform legii curentului total, integrala acestuia de-a lungul oricărui cerc în interiorul unui astfel de miez inelar. este egal cu:

H∙2πR = iw=0, de unde H=0.

Prin urmare, magnetizarea într-un magnet inel este:

Într-un magnet deschis, de exemplu, în același inelar, dar cu un spațiu de aer de lățimea l zaz într-un miez de lungime l ser, în absența unui câmp extern și a aceleiași inducție B în interiorul miezului și în gol, conform legii curentului total se obtine:

H ser l ser + (1/ µ 0)Bl zas = iw=0.

Deoarece B \u003d µ 0 (H ser + M ser), atunci, înlocuind expresia sa în cea anterioară, obținem:

H ser (l ser + l zas) + M ser l zas \u003d 0,

H ser \u003d ─ M ser l zas (l ser + l zas).

În golul de aer:

H zaz \u003d B / µ 0,

în plus, B este determinat de M serul dat și H serul găsit.

Curba de magnetizare

Pornind de la starea nemagnetizată, când H crește de la zero, datorită orientării tuturor momentelor atomice în direcția câmpului exterior, M și B cresc rapid, modificându-se de-a lungul secțiunii „a” a curbei principale de magnetizare (vezi figura de mai jos).

Când toate momentele atomice sunt aliniate, M ajunge la valoarea sa de saturație, iar o creștere suplimentară a B se datorează exclusiv câmpului aplicat (secțiunea b a curbei principale din figura de mai jos). Când câmpul extern scade la zero, inducția B scade nu de-a lungul drumului inițial, ci de-a lungul secțiunii „c” datorită cuplării momentelor atomice, care tinde să le mențină în aceeași direcție. Curba de magnetizare începe să descrie așa-numita buclă de histerezis. Când H (câmpul extern) se apropie de zero, atunci inducția se apropie de o valoare reziduală determinată doar de momentele atomice:

B r = μ 0 (0 + M r).

După schimbarea direcției lui H, H și M acționează în direcții opuse, iar B scade (secțiunea curbei „d” din Fig.). Valoarea câmpului la care B scade la zero se numește forța coercitivă a magnetului B H C . Când mărimea câmpului aplicat este suficient de mare pentru a rupe coeziunea momentelor atomice, acestea se orientează în noua direcție a câmpului, iar direcția lui M este inversată. Valoarea câmpului la care se întâmplă acest lucru se numește forța coercitivă internă a magnetului permanent M H C . Deci, există două forțe coercitive diferite, dar legate, asociate cu un magnet permanent.

Figura de mai jos prezintă curbele de bază de demagnetizare ale diferitelor materiale pentru magneți permanenți.

Din aceasta se poate observa că magneții NdFeB sunt cei care au cea mai mare inducție reziduală Br și forță coercitivă (atât totală, cât și internă, adică determinată fără a ține cont de puterea H, doar din magnetizarea M).

Curenți de suprafață (amperi).

Câmpurile magnetice ale magneților permanenți pot fi considerate ca fiind câmpurile unora dintre curenții asociați acestora, care curg de-a lungul suprafețelor lor. Acești curenți se numesc curenți de amperi. În sensul obișnuit al cuvântului, nu există curenți în interiorul magneților permanenți. Totuși, comparând câmpurile magnetice ale magneților permanenți și câmpurile curenților din bobine, fizicianul francez Ampère a sugerat că magnetizarea unei substanțe poate fi explicată prin curgerea curenților microscopici care formează circuite închise microscopice. Și într-adevăr, la urma urmei, analogia dintre câmpul unui solenoid și un magnet cilindric lung este aproape completă: există un pol nord și sud al unui magnet permanent și aceiași poli pentru un solenoid și modelele liniilor de câmp ale acestora. câmpurile sunt, de asemenea, foarte asemănătoare (vezi figura de mai jos).

Există curenți în interiorul unui magnet?

Imaginați-vă că întregul volum al unui magnet permanent cu tijă (cu o formă arbitrară de secțiune transversală) este umplut cu curenți microscopici Amperi. O secțiune transversală a unui magnet cu astfel de curenți este prezentată în figura de mai jos.

Fiecare dintre ele are un moment magnetic. Cu aceeași orientare a acestora în direcția câmpului exterior, formează un moment magnetic rezultat care este diferit de zero. Determină existența unui câmp magnetic în absența aparentă a unei mișcări ordonate a sarcinilor, în absența curentului prin orice secțiune a magnetului. De asemenea, este ușor de înțeles că în interiorul acestuia sunt compensați curenții circuitelor adiacente (de contact). Numai curenții de pe suprafața corpului, care formează curentul de suprafață al magnetului permanent, se dovedesc a fi necompensați. Densitatea sa se dovedește a fi egală cu magnetizarea M.

Cum să scapi de contactele în mișcare

Problema creării unei mașini sincrone fără contact este cunoscută. Designul său tradițional cu excitație electromagnetică de la polii rotorului cu bobine implică furnizarea de curent către acestea prin contacte mobile - inele de contact cu perii. Dezavantajele unei astfel de soluții tehnice sunt binecunoscute: acestea sunt dificultățile de întreținere, fiabilitatea scăzută și pierderile mari la contactele în mișcare, mai ales când este vorba de turbo și hidrogeneratoare puternice, în circuitele de excitare ale cărora se consumă o putere electrică considerabilă.

Dacă faci un astfel de generator cu magnet permanent, atunci problema contactului dispare imediat. Adevărat, există o problemă de fixare fiabilă a magneților pe un rotor rotativ. Aici poate fi utilă experiența acumulată în construcția de tractoare. A fost folosit mult timp un generator inductor cu magneți permanenți situat în canelurile rotorului, umplut cu un aliaj cu punct de topire scăzut.

Motor cu magnet permanent

În ultimele decenii, motoarele de curent continuu fără perii au devenit larg răspândite. O astfel de unitate este de fapt un motor electric și un comutator electronic al înfășurării armăturii sale, care acționează ca un colector. Motorul electric este un motor sincron cu magneți permanenți amplasați pe rotor, ca în Fig. deasupra, cu o înfăşurare de armătură fixă ​​pe stator. Circuitul comutatorului electronic este un invertor de tensiune DC (sau curent) al rețelei de alimentare.

Principalul avantaj al unui astfel de motor este lipsa contactului. Elementul său specific este un senzor de poziție a rotorului foto, inducție sau Hall care controlează funcționarea invertorului.