Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов. Магнитное поле Земли. Магнитное поле. Свойства магнитного поля

Что такое постоянный магнит

Ферромагнитное изделие, способное сохранять значительную остаточную намагниченность после снятия внешнего магнитного поля, называется постоянным магнитом. Постоянные магниты изготавливают из различных металлов, таких как: кобальт, железо, никель, сплавы редкоземельных металлов (для неодимовых магнитов), а также из естественных минералов типа магнетитов.

Сфера применения постоянных магнитов сегодня очень широка, однако назначение их принципиально везде одно и то же - как источник постоянного магнитного поля без подвода электроэнергии. Таким образом, магнит - это тело, обладающее своим собственным .

Само же слово «магнит» происходит от греческого словосочетания, которое переводится как «камень из Магнесии», по названию азиатского города, где были в древности открыты залежи магнетита - магнитного железняка. С физической точки зрения элементарным магнитом является электрон, а магнитные свойства магнитов вообще обуславливаются магнитными моментами электронов, входящих в состав намагниченного материала.

Характеристики размагничивающего участка материала, из которого изготовлен постоянный магнит, определяют свойства того или иного постоянного магнита: чем выше коэрцитивная сила Нс, и чем выше остаточная магнитная индукция Вr – тем сильнее и стабильнее магнит.

Коэрцитивная сила (буквально в переводе с латинского - «удерживающая сила») - это , необходимого для полного размагничивания ферро- или ферримагнитного вещества. Таким образом, чем большей коэрцитивной силой обладает конкретный магнит, тем он устойчивее к размагничивающим факторам.

Единица измерения коэрцитивной силы - Ампер/метр. А , как известно, - это векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля. Характерное значение остаточной магнитной индукции постоянных магнитов - порядка 1 Тесла.

Виды и свойства постоянных магнитов

Ферритовые

Ферритовые магниты хоть и отличаются хрупкостью, но обладают хорошей коррозийной стойкостью, что при невысокой цене делает их наиболее распространенными. Такие магниты изготавливают из сплава оксида железа с ферритом бария или стронция. Данный состав позволяет материалу сохранять свои магнитные свойства в широком температурном диапазоне - от -30°C до +270°C.

Магнитные изделия в форме ферритовых колец, брусков и подков широко используются как в промышленности, так и в быту, в технике и электронике. Их используют в акустических системах, в генераторах, в . В автомобилестроении ферритовые магниты устанавливают в стартеры, в стеклоподъемники, в системы охлаждения и в вентиляторы.

Ферритовые магниты отличаются коэрцитивной силой порядка 200 кА/м и остаточной магнитной индукцией порядка 0,4 Тесла. В среднем, ферритовый магнит может прослужить от 10 до 30 лет.

Альнико (алюминий-никель-кобальт)

Постоянные магниты на основе сплава из алюминия, никеля и кобальта отличаются непревзойденной температурной устойчивостью и стабильностью: они способны сохранять свои магнитные свойства при температурах до +550°C, хотя коэрцитивная сила, характерная для них, относительно мала. Под действием относительно небольшого магнитного поля, такие магниты потеряют исходные магнитные свойства.

Посудите сами: типичная коэрцитивная сила порядка 50 кА/м при остаточной намагниченности порядка 0,7 Тесла. Однако несмотря на эту особенность, магниты альнико незаменимы для некоторых научных исследований.

Типичное содержание компонентов в сплавах альнико с высокими магнитными свойствами изменяется в следующих пределах: алюминий - от 7 до 10%, никель - от 12 до 15%, кобальт - от 18 до 40%, и от 3 до 4% меди.

Чем больше кобальта, тем выше индукция насыщения и магнитная энергия сплава. Добавки в виде от 2 до 8% титана и всего 1% ниобия способствуют получению большей коэрцитивной силы - до 145 кА/м. Добавка от 0,5 до 1% кремния обеспечивает изотропию магнитных свойств.

Самариевые

Если нужна исключительная устойчивость к коррозии, окислению и температуре до +350°C, то магнитный сплав самария с кобальтом - то что надо.

По стоимости самарий-кобальтовые магниты дороже неодимовых за счёт более дефицитного и дорогого металла - кобальта. Тем не менее, именно их целесообразно применять в случае необходимости иметь минимальные размеры и вес конечных изделий.

Наиболее целесообразно это в космических аппаратах, авиационной и компьютерной технике, миниатюрных электродвигателях и магнитных муфтах, в носимых приборах и устройствах (часах, наушниках, мобильных телефонах и т.д.)

Благодаря особой коррозийной стойкости, именно самариевые магниты применяются в стратегических разработках и военных приложениях. Электродвигатели, генераторы, подъемные системы, мототехника – сильный магнит из сплава самария-кобальта идеально подходит для агрессивных сред и сложных условий эксплуатации. Коэрцитивная сила порядка 700 кА/м при остаточной магнитной индукции порядка 1 Тесла.

Неодимовые

Неодимовые магниты на сегодняшний день очень востребованы и представляются наиболее перспективными. Сплав неодим-железо-бор позволяет создавать супермагниты для различных сфер, начиная с защелок и игрушек, заканчивая и мощными подъемными машинами.

Высокая коэрцитивная сила порядка 1000 кА/м и остаточная намагниченность порядка 1,1 Тесла, позволяют магниту сохраняться на протяжении многих лет, за 10 лет неодимовый магнит теряет лишь 1% своей намагниченности, если температура его в условиях эксплуатации не превышает +80°C (для некоторых марок до +200°C). Таким образом, лишь два недостатка есть у неодимовых магнитов - хрупкость и низкая рабочая температура.

Магнитный порошок вместе со связующим компонентом образует мягкий, гибкий и легкий магнит. Связующие компоненты, такие как винил, каучук, пластик или акрил позволяют получать магниты различных форм и размеров.

Магнитная сила, конечно, уступает чистому магнитному материалу, но иногда такие решения необходимы для достижения определенных необычных для магнитов целей: в производстве рекламной продукции, при изготовлении съемных наклеек на авто, а также в изготовлении различных канцелярских и сувенирных товаров.

Одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные полюса притягиваются. Взаимодействие магнитов объясняется тем, что любой магнит имеет магнитное поле, и эти магнитные поля взаимодействуют между собой. В чем, например, причина намагничивания железа?

Согласно гипотезе французского ученого Ампера, внутри вещества существуют элементарные электрические токи (токи Ампера), которые образуются вследствие движения электронов вокруг ядер атомов и вокруг собственной оси.

При движении электронов возникают элементарные магнитные поля. И если кусок железа внести во внешнее магнитное поле, то все элементарные магнитные поля в этом железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, образуя собственное магнитное поле куска железа. Так, если приложенное внешнее магнитное поле было достаточно сильным, то после его отключения кусок железа станет постоянным магнитом.

Знание формы и намагниченности постоянного магнита позволяет для расчетов заменить его эквивалентной системой электрических токов намагничивания. Такая замена возможна как при расчете характеристик магнитного поля, так и при расчетах сил, действующих на магнит со стороны внешнего поля. Для примера проведем расчет силы взаимодействия двух постоянных магнитов.

Пусть магниты имеют форму тонких цилиндров, их радиусы обозначим r1 и r2, толщины h1, h2 , оси магнитов совпадают, расстояние между магнитами обозначим z, будем считать, что оно значительно больше размеров магнитов.

Возникновение силы взаимодействия между магнитами объясняется традиционным способом: один магнит создает магнитное поле, которое воздействует на второй магнит.

Для расчета силы взаимодействия мысленно заменим магниты с однородной намагниченностью J1 и J2 круговыми токами, текущими по боковой поверхности цилиндров. Силы этих токов выразим через намагниченности магнитов, а их радиусы будем считать равными радиусам магнитов.

Разложим вектор индукции B магнитного поля, создаваемого первым магнитом в месте расположения второго на две составляющие: осевую, направленную вдоль оси магнита, и радиальную - перпендикулярную ей.

Для вычисления суммарной силы, действующей на кольцо, необходимо мысленно разбить его на малые элементы IΔl и просуммировать , действующие на каждые такой элемент.

Используя правило левой руки, легко показать, что осевая составляющая магнитного поля приводит к появлению сил Ампера, стремящихся растянуть (или сжать) кольцо – векторная сумма этих сил равна нулю.

Наличие радиальной составляющей поля приводит к возникновению сил Ампера, направленных вдоль оси магнитов, то есть к их притяжению или отталкиванию. Останется вычислить силы Ампера - это и будут силы взаимодействия между двумя магнитами.

Тема: Магнитное поле

Подготовил: Байгарашев Д.М.

Проверила: Габдуллина А.Т.

Магнитное Поле

Если два параллельно расположенных проводника подсоединить к источнику тока так, чтобы по ним прошел электрический ток, то в зависимости от направления тока в них проводники либо отталкиваются, либо притягиваются.

Объяснение этого явления возможно с позиции возникновения вокруг проводников особого вида материи - магнитного поля.

Силы, с которыми взаимодействуют проводники с током, называются магнитными .

Магнитное поле - это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела.

История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. Именно на территории Малой Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой притягивались друг к другу. По названию местности такие образцы и стали называть "магнетиками". Любой магнит в форме стержня или подковы имеет два торца, которые называются полюсами; именно в этом месте сильнее всего и проявляются его магнитные свойства. Если подвесить магнит на нитке, один полюс всегда будет указывать на север. На этом принципе основан компас. Обращенный на север полюс свободно висящего магнита называется северным полюсом магнита (N). Противоположный полюс называется южным полюсом (S).

Магнитные полюсы взаимодействуют друг с другом: одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Аналогично концепции электрического поля, окружающего электрический заряд, вводят представление о магнитном поле вокруг магнита.

В 1820 г. Эрстед (1777-1851) обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током создается магнитное поле. Если взять рамку с током, то внешнее магнитное поле взаимодействует с магнитным полем рамки и оказывает на нее ориентирующее действие, т. е. существует такое положение рамки, при котором внешнее магнитное поле оказывает на нее максимальное вращающее действие, и существует положение, когда вращающий момент сил равен нулю.

Магнитное поле в любой точке можно охарактеризовать вектором В, который называетсявектором магнитной индукции или магнитной индукцией в точке.

Магнитная индукция В - это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в точке. Она равна отношению максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное поле, к произведению силы тока в рамке на ее площадь:

За направление вектора магнитной индукции В принимается направление положительной нормали к рамке, которое связано с током в рамке правилом правого винта, при механическом моменте, равном нулю.

Точно так же, как изображали линии напряженности электрического поля, изображают линии индукции магнитного поля. Линия индукции магнитного поля - воображаемая линия, касательная к которой совпадает с направлением В в точке.

Направления магнитного поля в данной точке можно определить еще как направление, которое указывает

северный полюс стрелки компаса, помещенный в эту точку. Считают, что линии индукции магнитного поля направлены от северного полюса к южному.

Направление линий магнитной индукции магнитного поля, созданного электрическим током, который течет по прямолинейному проводнику, определяется правилом буравчика или правого винта. За направление линий магнитной индукции принимается направление вращения головки винта, которое обеспечивало бы поступательное его движение по направлению электрического тока (рис. 59).

где n 01 = 4Пи 10 -7 В с/(А м). - магнитная постоянная, R - расстояние, I - сила тока в проводнике.

В отличие от линий напряженности электростатического поля, которые начинаются на положительном заряде и оканчиваются на отрицательном, линии индукции магнитного поля всегда замкнуты. Магнитного заряда аналогично электрическому заряду не обнаружено.

За единицу индукции принимается одна тесла (1 Тл) - индукция такого однородного магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м 2 , по которой течет ток в 1 А, действует максимальный вращающий механический момент сил, равный 1 Н м.

Индукцию магнитного поля можно определить и по силе, действующей на проводник с током в магнитном поле.

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера, величина которой определяется следующим выражением:

где I - сила тока в проводнике, l - длина проводника, В - модуль вектора магнитной индукции, а - угол между вектором и направлением тока.

Направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки: ладонь левой руки располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца располагаем по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец показывает направление силы Ампера.

Учитывая, что I = q 0 nSv, и подставляя это выражение в (3.21), получим F = q 0 nSh/B sin a . Число частиц (N) в заданном объеме проводника равно N = nSl, тогда F = q 0 NvB sin a .

Определим силу, действующую со стороны магнитного поля на отдельную заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле:

Эту силу называют силой Лоренца (1853-1928). Направление силы Лоренца можно определить по правилу левой руки: ладонь левой руки располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца показывали направление движения положительного заряда, большой отогнутый палец покажет направление силы Лоренца.

Сила взаимодействия между двумя параллельными проводниками, по которым текут токи I 1 и I 2 равна:

где l - часть проводника, находящаяся в магнитном поле. Если токи одного направления, то проводники притягиваются (рис. 60), если противоположного направления - отталкиваются. Силы, действующие на каждый проводник, равны по модулю, противоположны по направлению. Формула (3.22) является основной для определения единицы силы тока 1 ампер (1 А).

Магнитные свойства вещества характеризует скалярная физическая величина - магнитная проницаемость, показывающая во сколько раз индукция В магнитного поля в веществе, полностью заполняющем поле, отличается по модулю от индукции В 0 магнитного поля в вакууме:

По своим магнитным свойствам все вещества делятся на диамагнитные, парамагнитные иферромагнитные .

Рассмотрим природу магнитных свойств веществ.

Электроны в оболочке атомов вещества движутся по различным орбитам. Для упрощения считаем эти орбиты круговыми, и каждый электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, можно рассматривать как круговой электрический ток. Каждый электрон, как круговой ток, создает магнитное поле, которое назовем орбитальным. Кроме того, у электрона в атоме есть собственное магнитное поле, называемое спиновым.

Если при внесении во внешнее магнитное поле с индукцией В 0 внутри вещества создается индукция В < В 0 , то такие вещества называются диамагнитными (n < 1).

В диамагнитных материалах при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные поля электронов скомпенсированы, и при внесении их в магнитное поле индукция магнитного поля атома становится направленной против внешнего поля. Диамагнетик выталкивается из внешнего магнитного поля.

У парамагнитных материалов магнитная индукция электронов в атомах полностью не скомпенсирована, и атом в целом оказывается подобен маленькому постоянному магниту. Обычно в веществе все эти маленькие магниты ориентированы произвольно, и суммарная магнитная индукция всех их полей равна нулю. Если поместить парамагнетик во внешнее магнитное поле, то все маленькие магниты - атомы повернутся во внешнем магнитном поле подобно стрелкам компаса и магнитное поле в веществе усиливается (n >= 1).

Ферромагнитными называются такие материалы, в которых n " 1. В ферромагнитных материалах создаются так называемые домены, макроскопические области самопроизвольного намагничивания.

В разных доменах индукции магнитных полей имеют различные направления (рис. 61) и в большом кристалле

взаимно компенсируют друг друга. При внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле происходит смещение границ отдельных доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается.

С увеличением индукции внешнего поля В 0 возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. При некоторых значениях В 0 индукция прекращает резкий рост. Это явление называется магнитным насыщением.

Характерная особенность ферромагнитных материалов - явление гистерезиса, которое заключается в неоднозначной зависимости индукции в материале от индукции внешнего магнитного поля при его изменении.

Петля магнитного гистерезиса - замкнутая кривая (cdc`d`c), выражающая зависимость индукции в материале от амплитуды индукции внешнего поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего (рис. 62).

Петля гистерезиса характеризуется следующими величинами B s , B r , B c . B s - максимальное значение индукции материала при В 0s ; В r - остаточная индукция, равная значению индукции в материале при уменьшении индукции внешнего магнитного поля от B 0s до нуля; -В с и В с - коэрцитивная сила - величина, равная индукции внешнего магнитного поля, необходимого для изменения индукции в материале от остаточной до нуля.

Для каждого ферромагнетика существует такая температура (точка Кюри (Ж. Кюри, 1859-1906), выше которой ферромагнетик утрачивает свои ферромагнитные свойства.

Существует два способа приведения намагниченного ферромагнетика в размагниченное состояние: а) нагреть выше точки Кюри и охладить; б) намагничивать материал переменным магнитным полем с медленно убывающей амплитудой.

Ферромагнетики, обладающие малой остаточной индукцией и коэрцитивной силой, называются магнитомягкими. Они находят применение в устройствах, где ферромагнетику приходится часто перемагничиваться (сердечники трансформаторов, генераторов и др.).

Магнитожесткие ферромагнетики, обладающие большой коэрцитивной силой, применяются для изготовления постоянных магнитов.

К такому предмету, как магнит, все давно привыкли. Мы не видим в нём ничего особенного. Ассоциируется у нас он обычно с уроками физики или демонстрацией в виде фокусов свойств магнита для дошкольников. И редко кто задумывается, сколько магнитов окружает нас в повседневной жизни. В любой квартире их десятки. Магнит присутствует в устройстве каждого динамика, магнитофона, электробритвы, часов. Даже банка с гвоздями является таковым.

А еще?

Мы - люди - не исключение. Благодаря протекающим в организме биотокам вокруг нас существует невидимый узор его силовых линий. Огромным магнитом является планета Земля. А еще более грандиозным - плазменный шар солнца. Непостижимые человеческому разуму размеры галактик и туманностей редко допускают мысль о том, что всё это - тоже магниты.

Современной науке требуется создание новых больших и сверхмощных магнитов, области применения которых связаны с термоядерным синтезом, генерированием электрической энергии, ускорением в синхротронах заряженных частиц, подъемом затонувших судов. Создать сверхсильное поле, используя - одна из задач современной физики.

Уточним понятия

Магнитным полем называется сила, действующая на обладающие зарядом тела, находящиеся в движении. Она "не работает" с неподвижными объектами (либо лишенными заряда) и служит одной из форм электромагнитного поля, которое существует как более общее понятие.

Если тела могут создавать вокруг себя магнитное поле и сами испытывать силу его воздействия, их называют магнитами. То есть данные предметы - намагничены (обладают соответствующим моментом).

Разные материалы неодинаково реагируют на внешнее поле. Ослабляющие его действие внутри себя именуются парамагнетиками, усиливающие - диамагнетиками. Отдельные материалы обладают свойством тысячекратно усиливать в себе внешнее магнитное поле. Это - ферромагнетики (кобальт, никель с железом, гадолиний, а также соединения и сплавы упомянутых металлов). Те из них, которые, попав под воздействие сильного внешнего поля, сами приобретают магнитные свойства, именуются магнитотвердыми. Другие, способные вести себя как магниты лишь под непосредственным воздействием поля и перестающие быть таковыми с его исчезновением, - магнитомягкими.

Чуть-чуть истории

Изучением свойств постоянных магнитов люди занимаются с очень и очень давних времен. Упоминается о них в трудах ученых Древней Греции ещё за 600 лет до нашей эры. Природные (естественного происхождения) магниты можно обнаружить в залежах магнитной руды. Наиболее известный из крупных естественных магнитов хранится в Тартуском университете. Весит он 13 килограммов, а груз, который может быть поднят при его помощи, - 40 кг.

Человечество научилось создавать искусственные магниты, используя различные ферромагнетики. Ценность порошковых (из кобальта, железа и т. п.) заключается в способности удерживать груз весом в 5000 раз более собственной массы. Искусственные экземпляры могут быть постоянными (полученными из или электромагнитами, имеющими сердечник, материал которого - магнитомягкое железо. Поле напряжения в них возникает благодаря прохождению электрического тока по проводам обмотки, которой окружён сердечник.

Первая серьезная книга, содержащая попытки научного исследования свойств магнита, - труд лондонского врача Гильберта, вышедший в 1600 году. Данная работа содержит всю совокупность имеющихся на тот момент сведений, касающихся магнетизма и электричества, а также авторские эксперименты.

Любое из существующих явлений человек пытается приспособить к практической жизни. Разумеется, и магнит не стал исключением.

Как используют магниты

Какие свойства магнита человечество взяло на вооружение? Сфера применения его настолько широка, что мы имеем возможность лишь вкратце коснуться основных, самых известных устройств и областей применения данного замечательного предмета.

Компас является всем известным прибором для определения на местности направлений. Благодаря ему прокладывают пути воздушных и морских судов, наземного транспорта, цели пешеходного движения. Эти приборы могут быть магнитными (стрелочного типа), используемыми туристами и топографами, либо немагнитными (радио- и гидрокомпасы).

Первые компасы из были изготовлены в XI веке и использовались в навигации. Основано их действие на свободном повороте в горизонтальной плоскости длинной иглы из магнитного материала, уравновешенной на оси. Один её конец всегда обращен к югу, другой - к северу. Таким образом можно всегда точно узнать основные направления касательно сторон света.

Главные сферы

Области, где свойства магнита нашли основное применение - радио- и электротехника, приборостроение, автоматика и телемеханика. Из получают реле, магнитопроводы и т. п. В 1820 году было обнаружено свойство проводника с током воздействовать на стрелку магнита, принуждая ее к повороту. В это же время было сделано и другое открытие - пара параллельных проводников, сквозь которые проходит ток одного направления, обладают свойством взаимного притяжения.

Благодаря этому было сделано предположение о причине свойств магнита. Все подобные явления возникают в связи с токами, в том числе циркулирующими внутри магнитных материалов. Современные представления в науке полностью совпадают с данным предположением.

О двигателях и генераторах

На основе его создано множество разновидностей электродвигателей и электрогенераторов, то есть машин вращательного типа, принцип действия которых основан на преобразовании механической энергии в электрическую (речь идёт о генераторах) или же электрической в механическую (о двигателях). Любой генератор действует по принципу электромагнитной индукции, то есть ЭДС (электродвижущая сила) возникает в проводе, который движется в магнитном поле. Электродвигатель работает на основе явления возникновения силы в проводе с током, помещенном в поперечное поле.

Используя силу взаимодействия поля с током, который проходит через витки обмотки их подвижных частей, работают приборы, именуемые магнитоэлектрическими. В качестве нового мощного электродвигателя переменного тока, имеющего две обмотки, выступает индукционный счетчик электроэнергии. Расположенный между обмоток проводящий диск подвержен вращению крутящим моментом, сила которого пропорциональна потребляемой мощности.

А в быту?

Снабженные миниатюрной батарейкой электрические наручные часы знакомы всем. Устройство их благодаря использованию пары магнитов, пары катушек индуктивности и транзистора намного проще по числу имеющихся деталей, чем у механических часов.

Всё большее применение находят замки электромагнитного типа или такие цилиндровые замки, которые снабжены магнитными элементами. В них как ключ, так и замок оснащены кодовым набором. При попадании в скважину замка правильного ключа в нужное положение притягиваются внутренние элементы магнитного замка, что позволяет его открыть.

На действии магнитов основано устройство динамометров и гальванометра (высокочувствительного прибора, с помощью которого измеряют слабые токи). Свойства магнита нашли применение в производстве абразивов. Так именуют острые мелкие и очень твердые частицы, которые нужны для механической обработки (шлифовки, полирования, обдирки) самых разных предметов и материалов. При производстве их необходимый в составе смеси ферросилиций частично оседает на дно печей, частично внедряется в состав абразива. Для удаления его оттуда и требуются магниты.

Наука и связь

Благодаря магнитным свойствам веществ наука имеет возможность изучать структуру самых разных тел. Можно лишь упомянуть о магнитохимии или (методе обнаружения дефектов путем исследования искажения магнитного поля в определенных зонах изделий).

Применяют их и в производстве техники сверхвысокого частотного диапазона, радиосистемах связи (военного назначения и на коммерческих линиях), при термообработке, как в домашних условиях, так и в пищевой промышленности продуктов (всем хорошо знакомы микроволновые печи). Практически невозможно в рамках одной статьи перечислить все те сложнейшие технические устройства и области применения, где используются в наши дни магнитные свойства веществ.

Сфера медицины

Не стала исключением и сфера диагностики и медицинской терапии. Благодаря генерирующим рентгеновское излучение электронным линейным ускорителям осуществляется опухолевая терапия, в циклотронах или синхротронах генерируются пучки протонов, имеющие преимущества перед рентгеновскими лучами в локальной направленности и повышенной эффективности при лечении опухолей глаз и мозга.

Что касается биологической науки, то еще до середины прошлого века жизненные функции организма никак не связывались с существованием магнитных полей. Научная литература изредка пополнялась единичными сообщениями о том или ином их медицинском эффекте. Но с шестидесятых годов лавиной потекли публикации о биологических свойствах магнита.

Раньше и сейчас

Впрочем, попытки лечить им людей предпринимались алхимиками еще в XVI веке. Зафиксировано много успешных попыток излечения зубной боли, нервных расстройств, бессонницы и множества неполадок внутренних органов. Думается, что в медицине свое применение магнит нашел ничуть не позже, чем в мореплавании.

Последние полвека широко используются магнитные браслеты, популярные среди больных с нарушенным давлением крови. Ученые серьезно поверили в способность магнита повышать сопротивляемость человеческого организма. С помощью электромагнитных приборов научились измерять скорость кровеносного потока, брать пробы или вводить нужные медикаменты из капсул.

Магнитом удаляют попавшие в глаз мелкие металлические частицы. На его действии основана работа электродатчиков (любому из нас знакома процедура снятия электрокардиограммы). В наше время сотрудничество физиков с биологами для изучения глубинных механизмов воздействия на человеческий организм магнитного поля становится все более тесным и необходимым.

Неодимовый магнит: свойства и применение

Неодимовые магниты считаются обладающими максимальным влиянием на человеческое здоровье. Состоят они из неодима, железа и бора. Химическая формула их - NdFeB. Главным преимуществом такого магнита считается сильное воздействие его поля при относительно небольшом размере. Так, вес магнита силой в 200 гаусс составляет около 1 гр. Для сравнения, равный ему по силе железный магнит имеет вес, больший примерно в 10 раз.

Другое несомненное достоинство упомянутых магнитов - хорошая устойчивость и способность к сохранности нужных качеств на протяжении сотен лет. В течение века магнит теряет свои свойства лишь на 1 %.

Как именно лечатся неодимовым магнитом?

С его помощью улучшают кровообращение, стабилизируют давление, борются с мигренью.

Свойства неодимовых магнитов начали использовать для лечения порядка 2000 лет назад. Упоминания о таком виде терапии встречаются в манускриптах Древнего Китая. Лечили тогда прикладыванием намагниченных камней к человеческому телу.

Терапия существовала и в форме прикрепления их на теле. Легенда утверждает, что отличным здоровьем и неземной красотой Клеопатра обязана была постоянному ношению на голове магнитной повязки. В X веке персидскими учеными подробно описывалось благотворное влияние свойств неодимовых магнитов на человеческий организм в случае ликвидации воспалений и мышечных спазмов. По сохранившимся свидетельствам того времени можно судить о применении их для увеличения силы мышц, прочности костных тканей и снижения боли в суставах.

От всех недугов...

Доказательства эффективности такого воздействия были опубликованы в 1530 году знаменитым доктором из Швейцарии Парацельсом. В своих трудах врач описывал волшебные свойства магнита, могущего стимулировать силы организма и вызывать самоизлечение. Огромное множество болезней в те времена начали одолевать, используя магнит.

Широкое распространение получило самолечение при помощи данного средства в США в послевоенные годы (1861-1865), когда медикаментов категорически не хватало. Использовали его и как лекарство, и как обезболивающее.

Начиная с XX века лечебные свойства магнита получили научное обоснование. В 1976 году японским врачом Никагавой было введено понятие синдрома дефицита магнитного поля. Исследованиями установлены точные его симптомы. Заключаются они в слабости, утомляемости, пониженной работоспособности и нарушениях процесса сна. Также имеют место мигрени, суставные и позвоночные боли, неполадки с пищеварительной и сердечно-сосудистой системами в виде гипотонии или гипертонии. Касается синдром и области гинекологии, и кожных изменений. Применением магнитотерапии данные состояния довольно успешно удается нормализовать.

Наука не стоит на месте

Ученые продолжают экспериментировать с магнитными полями. Опыты проводятся как на животных и птицах, так и на бактериях. Условия ослабленного магнитного поля снижают успешность обменных процессов у подопытных птиц и мышей, бактерии резко прекращают размножаться. При длительном дефиците поля живые ткани подвергаются необратимым изменениям.

Именно для борьбы со всеми подобными явлениями и вызванными ими многочисленными негативными последствиями применяется магнитотерапия как таковая. Думается, что в настоящее время все полезные свойства магнитов еще не изучены в должной степени. Впереди у врачей множество интереснейших открытий и новых разработок.

Определение магнитного поля. Его источники

Определение

Магнитное поле - одна из форм электромагнитного поля, которое действует только на движущиеся тела, которые имеют электрический заряд или намагниченные тела не зависимо от их движения.

Источниками этого поля являются постоянные электрические токи, движущиеся электрические заряды (телами и частицами), намагниченные тела, переменные электрические поля. Источниками постоянного магнитного поля являются постоянные токи.

Свойства магнитного поля

Во времена, когда изучение магнитных явлений только началось, исследователи особенное внимание уделяли тому, что существуют полюса в намагниченных брусках. В них магнитные свойства проявлялись особенно ярко. При этом четко было видно, что полюса магнита различны. Разноименные полюса притягивались, а одноименные отталкивались. Гильберт высказал идею о существовании «магнитных зарядов». Эти представление подержал и развил Кулон. На основе опытов Кулона силовой характеристикой магнитного поля стала сила, с которой магнитное поле действует на магнитный заряд, равный единице. Кулон же обратил внимание на существенные различия между явлениями в электричестве и магнетизме. Различие проявляется уже в том, что электрические заряды можно разделить и получить тела с избытком положительного или отрицательного заряда, тогда как невозможно разделить северный и южный полюса магнита и получить тело только с одним полюсом. Из невозможности деления магнита на исключительно «северный» или «южный» Кулон решил, что два эти вида зарядов неразрывны в каждой элементарной частице намагничивающего вещества. Так, было признано, что каждая частица вещества - атом, молекула или их группа -- есть нечто вроде микро магнита с двумя полюсами. Намагничивание тела при этом -- процесс ориентации его элементарных магнитов под влиянием внешнего магнитного поля (аналог поляризации диэлектриков).

Взаимодействие токов реализуется посредством магнитных полей. Эрстед обнаружил, что магнитное поле возбуждается током и оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. У Эрстеда проводник с током был расположен над магнитной стрелкой, которая могла вращаться. Когда ток шел в проводнике, стрелка поворачивалась перпендикулярно проволоке. Смена направления тока вызывало переориентацию стрелки. Из опыта Эрстеда следовало, что магнитное поле имеет направление и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину назвали магнитной индукцией и обозначили: $\overrightarrow{B}.$ $\overrightarrow{B}$ аналогичен вектору напряженности для электрического поля ($\overrightarrow{E}$). Аналогом вектора смещения $\overrightarrow{D}\ $для магнитного поля стал вектор $\overrightarrow{H}$- называемый вектором напряжённости магнитного поля.

Магнитное поле воздействует только на движущийся электрический заряд. Магнитное поле рождается движущимися электрическими зарядами.

Магнитное поле движущегося заряда. Магнитное поле витка с током. Принцип суперпозиции

Магнитное поле электрического заряда, который движется с постоянной скоростью, имеет вид:

\[\overrightarrow{B}=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{q\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{r}\right]}{r^3}\left(1\right),\]

где ${\mu }_0=4\pi \cdot {10}^{-7}\frac{Гн}{м}(в\ СИ)$ -- магнитная постоянная, $\overrightarrow{v}$ -- скорость движения заряда, $\overrightarrow{r}$ -- радиус вектор, определяющий местоположение заряда, q -- величина заряда, $\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{r}\right]$- векторное произведение.

Магнитная индукция элемента с током в системе СИ:

где$\ \overrightarrow{r}$- радиус-вектор, проведенный из элемента тока в рассматриваемую точку, $\overrightarrow{dl}$- элемент проводника с током (направление задано направление тока), $\vartheta$ -- угол между $\overrightarrow{dl}$ и $\overrightarrow{r}$. Направление вектора $\overrightarrow{dB}$ -- перпендикулярно к плоскости, в которой лежат $\overrightarrow{dl}$ и $\overrightarrow{r}$. Определяется правилом правого винта.

Для магнитного поля выполняется принцип суперпозиции :

\[\overrightarrow{B}=\sum{{\overrightarrow{B}}_i\left(3\right),}\]

где ${\overrightarrow{B}}_i$ -- отдельные поля, которые порождаются движущимися зарядами, $\overrightarrow{B}$ -- суммарная индукция магнитного поля.

Пример 1

Задание: Найдите отношение сил магнитного и кулоновского взаимодействия двух электронов, которые движутся с одинаковыми скоростями $v$ параллельно. Расстояние между частицами постоянно.

\[\overrightarrow{F_m}=q\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{B}\right]\left(1.1\right).\]

Поле, которое создает второй движущийся электрон равно:

\[\overrightarrow{B}=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{q\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{r}\right]}{r^3}\left(1.2\right).\]

Пусть расстояние между электронами равно $a=r\ (постоянно)$. Используем алгебраическое свойство векторного произведения (тождество Лагража ($\left[\overrightarrow{a}\left[\overrightarrow{b}\overrightarrow{c}\right]\right]=\overrightarrow{b}\left(\overrightarrow{a}\overrightarrow{c}\right)-\overrightarrow{c}\left(\overrightarrow{a}\overrightarrow{b}\right)$))

\[{\overrightarrow{F}}_m=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{q^2}{a^3}\left[\overrightarrow{v}\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{a}\right]\right]=\left(\overrightarrow{v}\left(\overrightarrow{v}\overrightarrow{a}\right)-\overrightarrow{a}\left(\overrightarrow{v}\overrightarrow{v}\right)\right)=-\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{q^2\overrightarrow{a}v^2}{a^3}\ ,\]

$\overrightarrow{v}\left(\overrightarrow{v}\overrightarrow{a}\right)=0$, так как $\overrightarrow{v\bot }\overrightarrow{a}$.

Модуль силы $F_m=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{q^2v^2}{a^2},\ $где $q=q_e=1,6\cdot 10^{-19}Кл$.

Модуль силы Кулона, которая действует на электрон, в поле равна:

Найдем отношение сил $\frac{F_m}{F_q}$:

\[\frac{F_m}{F_q}=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{q^2v^2}{a^2}:\frac{q^2}{{4\pi {\varepsilon }_0a}^2}={\mu }_0{{\varepsilon }_0v}^2.\]

Ответ: $\frac{F_m}{F_q}={\mu }_0{{\varepsilon }_0v}^2.$

Пример 2

Задание: По витку с током в виде окружности радиуса R циркулирует постоянный ток силы I. Найдите магнитную индукцию в центре окружности.

Выберем на проводнике с током элементарный участок (рис.1), в качестве основы для решения задачи используем формулу индукции элемента витка с током:

где$\ \overrightarrow{r}$- радиус-вектор, проведенный из элемента тока в рассматриваемую точку, $\overrightarrow{dl}$- элемент проводника с током (направление задано направление тока), $\vartheta$ -- угол между $\overrightarrow{dl}$ и $\overrightarrow{r}$. Исходя из рис. 1 $\vartheta=90{}^\circ $, следовательно (2.1) упростится, кроме того расстояние от центра окружности (точки, где мы ищем магнитное поле) элемента проводника с током постоянно и равно радиусу витка (R), следовательно имеем:

От всех элементов тока будет образовываться магнитные поля, которые направлены по оси x. Это значит, что результирующий вектор индукции магнитного поля можно найти как сумму проекций отдельных векторов$\ \ \overrightarrow{dB}.$ Тогда по принципу суперпозиции полную индукцию магнитного поля можно получить, если перейти к интегралу:

Подставим (2.2) в (2.3), получим:

Ответ: $B$=$\frac{{\mu }_0}{2}\frac{I}{R}.$

Для понимания того, что является характеристикой магнитного поля, следует дать определения многим явлениям. При этом заранее нужно вспомнить, как и почему оно появляется. Узнать, что является силовой характеристикой магнитного поля. При этом немаловажно то, что подобное поле может встречаться не только у магнитов. В связи с этим не помешает упомянуть характеристику магнитного поля земли.

Возникновение поля

Для начала следует описать возникновение поля. После можно описать магнитное поле и его характеристики. Оно появляется во время перемещения заряженных частиц. Может влиять на в особенности на токопроводящие проводники. Взаимодействие между магнитным полем и движущимися зарядами, либо проводниками, по которым течет ток, происходит благодаря силам, именуемым электромагнитными.

Интенсивность или силовая характеристика магнитного поля в определенной пространственной точке определяются с помощью магнитной индукции. Последняя обозначается символом В.

Графическое представление поля

Магнитное поле и его характеристики могут быть представлены в графической форме с помощью линий индукции. Данным определением называют линии, касательные к которым в любой точке будут совпадать с направлением вектора у магнитной индукции.

Названные линии входят в характеристику магнитного поля и применяются для определения его направления и интенсивности. Чем выше интенсивность магнитного поля, тем больше данных линий будет проведено.

Что такое магнитные линии

Магнитные линии у прямолинейных проводников с током имеют форму концентрической окружности, центр которой располагается на оси данного проводника. Направление магнитных линий возле проводников с током определяется по правилу буравчика, которое звучит так: если буравчик будет расположен так, что он будет ввинчиваться в проводник по направлению тока, тогда направление обращения рукоятки соответствует направлению магнитных линий.

У катушки с током направление магнитного поля будет определяться также по правилу буравчика. Также требуется вращать рукоятку по направлению тока в витках соленоида. Направление линий магнитной индукции будет соответствовать направлению поступательного движения буравчика.

Является основной характеристикой магнитного поля.

Создаваемое одним током, при равных условиях, поле будет различаться по своей интенсивности в разных средах из-за различающихся магнитных свойств в этих веществах. Магнитные свойства среды характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью. Измеряется в генри на метр (г/м).

В характеристику магнитного поля входит абсолютная магнитная проницаемость вакуума, называемая магнитной постоянной. Значение, определяющее, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость среды будет отличаться от постоянной, именуется относительной магнитной проницаемостью.

Магнитная проницаемость веществ

Это безразмерная величина. Вещества, имеющие значение проницаемости менее единицы, зовутся диамагнитными. В данных веществах поле будет слабее, чем в вакууме. Данные свойства присутствуют у водорода, воды, кварца, серебра и др.

Среды с магнитной проницаемостью, превышающей единицу, зовутся парамагнитными. В данных веществах поле будет сильнее, чем в вакууме. К данным средам и веществам относят воздух, алюминий, кислород, платину.

В случае с парамагнитными и диамагнитными веществами значение магнитной проницаемости не будет зависеть от напряжения внешнего, намагничивающего поля. Это означает, что величина является постоянной для определенного вещества.

К особой группе относятся ферромагнетики. У данных веществ магнитная проницаемость будет достигать нескольких тысяч и более. У названных веществ, имеющих свойство намагничиваться и усиливать магнитное поле, существует широкое использование в электротехнике.

Напряженность поля

Для определения характеристик магнитного поля вместе с вектором магнитной индукции может применяться значение, именуемое напряженностью магнитного поля. Данный термин является определяющей интенсивность внешнего магнитного поля. Направление магнитного поля в среде с одинаковыми свойствами по всем направлениям вектор напряженности будет совпадать с вектором магнитной индукции в точке поля.

Сильные у ферромагнитов объясняются присутствием в них произвольно намагниченных малых частей, которые могут быть представлены в виде малых магнитов.

С отсутствующим магнитным полем ферромагнитное вещество может не иметь выраженных магнитных свойств, поскольку поля доменов приобретают разную ориентацию, и их общее магнитное поле равняется нулю.

По основной характеристике магнитного поля, если ферромагнит будет помещен во внешнее магнитное поле, к примеру, в катушку с током, то под влиянием наружного поля домены развернутся по направлению внешнего поля. Притом магнитное поле у катушки усилится, и магнитная индукция увеличится. Если же наружное поле достаточно слабое, то перевернётся лишь часть от всех доменов, магнитные поля которых по направлению близятся к направлению наружного поля. На протяжении увеличения силы внешнего поля число повернутых доменов будет возрастать, и при определенном значении напряжения внешнего поля почти все части будут развернуты так, что магнитные поля расположатся по направлению наружного поля. Данное состояние именуется магнитным насыщением.

Связь магнитной индукции и напряженности

Взаимосвязанность магнитной индукции ферромагнитного вещества и напряженности внешнего поля может изображаться при помощи графика, называемого кривой намагничивания. В месте изгиба графика кривой скорость возрастания магнитной индукции уменьшается. После изгиба, где напряженность достигает определённого показателя, происходит насыщение, и кривая незначительно поднимается, постепенно приобретая форму прямой. На данном участке индукция все еще растет, однако достаточно медленно и лишь за счет возрастания напряженности внешнего поля.

Графическая зависимость данных показателя не является прямой, значит, их отношение не постоянно, и магнитная проницаемость материала не постоянный показатель, а находится в зависимости от наружного поля.

Изменения магнитных свойств материалов

При увеличении силы тока до полного насыщения в катушке с ферромагнитным сердечником и последующим ее уменьшением кривая намагничивания не будет совпадать с кривой размагничивания. С нулевой напряженностью магнитная индукция не будет иметь такое же значение, а приобретет некоторый показатель, именуемый остаточной магнитной индукцией. Ситуация с отставанием магнитной индукции от намагничивающей силы именуется гистерезисом.

Для полного размагничивания ферромагнитного сердечника в катушке требуется дать ток обратной направленности, который создаст необходимую напряженность. Для разных ферромагнитных веществ необходим отрезок различной длины. Чем он больше, тем больший объем энергии необходим для размагничивания. Значение, при котором происходит полное размагничивание материала, именуется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении тока в катушке индукция вновь увеличится до показателя насыщения, но с иным направлением магнитных линий. При размагничивании в обратном направлении будет получена остаточная индукция. Явление остаточного магнетизма применяется при создании постоянных магнитов из веществ с большим показателем остаточного магнетизма. Из веществ, имеющих способность к перемагничиванию, создаются сердечники для электрических машин и приборов.

Правило левой руки

Сила, влияющая на проводник с током, обладает направлением, определяемым по правилу левой руки: при расположении ладони девой руки таким образом, что магнитные линии входят в нее, и четыре пальца вытянуты по направлению тока в проводнике, отогнутый большой палец укажет направление силы. Данная сила перпендикулярна вектору индукции и току.

Перемещающийся в магнитном поле проводник с током считается прообразом электродвигателя, который изменяет электрическую энергию в механическую.

Правило правой руки

Во время движения проводника в магнитном поле внутри него индуцируется электродвижущая сила, которая имеет значение, пропорциональное магнитной индукции, задействованной длине проводника и скорости его перемещения. Данная зависимость называется электромагнитной индукцией. При определении направления индуцированной ЭДС в проводнике используют правило правой руки: при расположении правой руки так же, как в примере с левой, магнитные линии входят в ладонь, а большой палец указывает направление перемещения проводника, вытянутые пальцы укажут направление индуктированной ЭДС. Перемещающийся в магнитном потоке под влиянием внешней механической силы проводник является простейшим примером электрического генератора, в котором преобразуется механическая энергия в электрическую.

Может быть сформулирован по-другому: в замкнутом контуре происходит индуцирование ЭДС, при любой смене магнитного потока, охватываемого данным контуром, ЭДЕ в контуре численно равняется скорости смены магнитного потока, который охватывает данный контур.

Данная форма предоставляет усреднённый показатель ЭДС и указывает на зависимость ЭДС не от магнитного потока, а от скорости его изменения.

Закон Ленца

Также нужно вспомнить закон Ленца: ток, индуцируемый при изменении магнитного поля, проходящего через контур, своим магнитным полем препятствует этому изменению. Если витки у катушки пронизываются разными по величине магнитными потоками, то индуцированная по целой катушке ЭДС равняется сумме ЭДЕ в разных витках. Сумма магнитных потоков разных витков катушки именуется потокосцеплением. Единица измерения данной величины, как и магнитного потока, - вебер.

При изменении электрического тока в контуре происходит смена и созданного им магнитного потока. При этом, согласно закону электромагнитной индукции, внутри проводника происходит индуцирование ЭДС. Она появляется в связи со сменой тока в проводнике, потому данное явление называют самоиндукцией, и индуцированная в проводнике ЭДС именуется ЭДС самоиндукции.

Потокосцепление и магнитный поток находятся в зависимости не от одной только силы тока, но и от величины и формы данного проводника, и магнитной проницаемости окружающего вещества.

Индуктивность проводника

Коэффициент пропорциональности именуется индуктивностью проводника. Он обозначает способность проводника создавать потокосцепление при прохождении сквозь него электричества. Это является одним из основных параметров электрических цепей. Для определенных цепей индуктивность является постоянным показателем. Она будет зависеть от величины контура, его конфигурации и магнитной проницаемости среды. При этом сила тока в контуре и магнитный поток не будут иметь значения.

Вышеописанные определения и явления дают объяснение тому, что является магнитным полем. Также приводятся основные характеристики магнитного поля, с помощью которых можно дать определение данного явления.