Τι είναι οι μόνιμοι μαγνήτες. Τύποι μαγνητών και χρήση τους

Μαζί με κομμάτια κεχριμπαριού που ηλεκτρίζονται από την τριβή, οι μόνιμοι μαγνήτες ήταν τα πρώτα υλικά στοιχεία για τους αρχαίους ανθρώπους. ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα(Ο κεραυνός στην αυγή της ιστορίας αποδόθηκε οπωσδήποτε στη σφαίρα εκδήλωσης των μη υλικών δυνάμεων). Η εξήγηση της φύσης του σιδηρομαγνητισμού απασχολούσε πάντα τα περίεργα μυαλά των επιστημόνων, ωστόσο, ακόμη και σήμερα, η φυσική φύση της μόνιμης μαγνήτισης ορισμένων ουσιών, τόσο φυσικών όσο και τεχνητά δημιουργημένων, δεν έχει ακόμη αποκαλυφθεί πλήρως, αφήνοντας ένα σημαντικό πεδίο δραστηριότητα για σύγχρονους και μελλοντικούς ερευνητές.

Παραδοσιακά υλικά για μόνιμους μαγνήτες

Χρησιμοποιούνται ενεργά στη βιομηχανία από το 1940 με την εμφάνιση του κράματος alnico (AlNiCo). Πριν από αυτό, μόνιμοι μαγνήτες από διάφορες ποιότητες χάλυβα χρησιμοποιούνταν μόνο σε πυξίδες και μαγνήτες. Η Alnico κατέστησε δυνατή την αντικατάσταση ηλεκτρομαγνητών με αυτούς και τη χρήση τους σε συσκευές όπως κινητήρες, γεννήτριες και μεγάφωνα.

Αυτή η εισβολή στην καθημερινότητά μας έλαβε νέα ώθηση με τη δημιουργία μαγνητών φερρίτη και από τότε οι μόνιμοι μαγνήτες έχουν γίνει κοινός τόπος.

Μια επανάσταση στα μαγνητικά υλικά ξεκίνησε γύρω στο 1970, με τη δημιουργία της οικογένειας σκληρού σαμάριου-κοβαλτίου μαγνητικά υλικάμε μια αόρατη μέχρι τώρα πυκνότητα μαγνητικής ενέργειας. Στη συνέχεια ανακαλύφθηκε μια νέα γενιά μαγνητών σπάνιων γαιών με βάση νεοδύμιο, σίδηρο και βόριο με πολύ υψηλότερη μαγνητική πυκνότητα ενέργειας από το σαμάριο-κοβάλτιο (SmCo) και με αναμενόμενο χαμηλό κόστος. Αυτές οι δύο οικογένειες μαγνητών σπάνιων γαιών έχουν τόσο υψηλές ενεργειακές πυκνότητες που όχι μόνο μπορούν να αντικαταστήσουν τους ηλεκτρομαγνήτες, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιοχές απρόσιτες για αυτούς. Παραδείγματα είναι ο μικροσκοπικός βηματικός κινητήρας μόνιμου μαγνήτη ΡΟΛΟΙ ΧΕΙΡΟΣκαι μετατροπείς ήχου σε ακουστικά τύπου Walkman.

σταδιακή βελτίωση μαγνητικές ιδιότητεςτα υλικά φαίνονται στο παρακάτω διάγραμμα.

μόνιμοι μαγνήτες νεοδυμίου

Αντιπροσωπεύουν την τελευταία και πιο σημαντική εξέλιξη στον τομέα αυτό τις τελευταίες δεκαετίες. Η ανακάλυψή τους ανακοινώθηκε για πρώτη φορά σχεδόν ταυτόχρονα στα τέλη του 1983 από μεταλλουργούς από τη Sumitomo και τη General Motors. Βασίζονται στη διαμεταλλική ένωση NdFeB: ένα κράμα νεοδυμίου, σιδήρου και βορίου. Από αυτά, το νεοδύμιο είναι ένα στοιχείο σπανίων γαιών που εξάγεται από το ορυκτό μοναζίτη.

Το μεγάλο ενδιαφέρον που έχουν δημιουργήσει αυτοί οι μόνιμοι μαγνήτες προέρχεται από το γεγονός ότι για πρώτη φορά έχει ληφθεί ένα νέο μαγνητικό υλικό που είναι όχι μόνο ισχυρότερο από την προηγούμενη γενιά, αλλά και πιο οικονομικό. Αποτελείται κυρίως από σίδηρο, που είναι πολύ φθηνότερο από το κοβάλτιο, και νεοδύμιο, που είναι ένα από τα πιο κοινά υλικά σπάνιων γαιών και είναι πιο άφθονο στη Γη από τον μόλυβδο. Τα κύρια ορυκτά σπάνιων γαιών μοναζίτης και βαστανεσίτης περιέχουν πέντε έως δέκα φορές περισσότερο νεοδύμιο από το σαμάριο.

Φυσικός Μηχανισμός Μόνιμου Μαγνητισμού

Για να εξηγήσουμε τη λειτουργία ενός μόνιμου μαγνήτη, πρέπει να κοιτάξουμε μέσα του μέχρι την ατομική κλίμακα. Κάθε άτομο έχει ένα σύνολο σπιν των ηλεκτρονίων του, τα οποία μαζί σχηματίζουν τη μαγνητική του ροπή. Για τους σκοπούς μας, μπορούμε να θεωρήσουμε κάθε άτομο ως έναν μικρό μαγνήτη ράβδων. Όταν ένας μόνιμος μαγνήτης απομαγνητίζεται (είτε με θέρμανση σε υψηλή θερμοκρασία είτε από εξωτερικό μαγνητικό πεδίο), κάθε ατομική ροπή προσανατολίζεται τυχαία (βλ. παρακάτω σχήμα) και δεν παρατηρείται κανονικότητα.

Όταν μαγνητίζεται σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, όλες οι ατομικές ροπές προσανατολίζονται προς την κατεύθυνση του πεδίου και, όπως λες, συμπλέκονται μεταξύ τους (βλ. εικόνα παρακάτω). Αυτή η σύζευξη καθιστά δυνατή τη διατήρηση του πεδίου ενός μόνιμου μαγνήτη όταν αφαιρείται το εξωτερικό πεδίο, καθώς και την αντίσταση στον απομαγνητισμό όταν αλλάζει η κατεύθυνσή του. Το μέτρο της συνεκτικής δύναμης των ατομικών ροπών είναι το μέγεθος της δύναμης καταναγκασμού του μαγνήτη. Περισσότερα για αυτό αργότερα.

Σε μια βαθύτερη έκθεση του μηχανισμού μαγνήτισης, δεν λειτουργούν με τις έννοιες των ατομικών ροπών, αλλά χρησιμοποιούν την έννοια των μικροσκοπικών περιοχών (της τάξης του 0,001 cm) μέσα στον μαγνήτη, οι οποίες αρχικά έχουν σταθερή μαγνήτιση, αλλά είναι τυχαία προσανατολισμένες. ελλείψει εξωτερικού πεδίου, έτσι ώστε ένας αυστηρός αναγνώστης, εάν το επιθυμεί, να μπορεί να αποδώσει το παραπάνω φυσικό ο μηχανισμός δεν είναι στο μαγνήτη στο σύνολό του. και στον ξεχωριστό τομέα του.

Επαγωγή και μαγνήτιση

Οι ατομικές ροπές αθροίζονται και σχηματίζουν τη μαγνητική ροπή ολόκληρου του μόνιμου μαγνήτη και η μαγνήτισή του M δείχνει το μέγεθος αυτής της ροπής ανά μονάδα όγκου. Η μαγνητική επαγωγή Β δείχνει ότι ένας μόνιμος μαγνήτης είναι το αποτέλεσμα μιας εξωτερικής μαγνητικής δύναμης (έντασης πεδίου) H που εφαρμόζεται κατά την κύρια μαγνήτιση, καθώς και μιας εσωτερικής μαγνήτισης M λόγω του προσανατολισμού των ατομικών (ή του πεδίου) ροπών. Η αξία του σε γενική περίπτωσηδίνεται από τον τύπο:

Β = μ0 (Η + Μ),

όπου το µ 0 είναι σταθερά.

Σε έναν μόνιμο δακτυλιοειδή και ομοιογενή μαγνήτη, η ένταση του πεδίου H μέσα σε αυτόν (ελλείψει εξωτερικού πεδίου) είναι ίση με μηδέν, αφού, σύμφωνα με το νόμο του συνολικού ρεύματος, το ολοκλήρωμα του κατά μήκος οποιουδήποτε κύκλου μέσα σε έναν τέτοιο δακτυλιοειδή πυρήνα είναι ίσο με:

H∙2πR = iw=0, από όπου H=0.

Επομένως, η μαγνήτιση σε έναν μαγνήτη δακτυλίου είναι:

Σε ανοιχτό μαγνήτη, για παράδειγμα, στον ίδιο δακτυλιοειδή, αλλά με διάκενο αέρα πλάτους l zaz σε πυρήνα μήκους l ser, απουσία εξωτερικού πεδίου και της ίδιας επαγωγής Β μέσα στον πυρήνα και στο διάκενο, Σύμφωνα με το νόμο του συνολικού ρεύματος, λαμβάνουμε:

H ser l ser + (1/μ0)Bl zas = iw=0.

Δεδομένου ότι B \u003d μ 0 (H ser + M ser), τότε, αντικαθιστώντας την έκφρασή του στην προηγούμενη, έχουμε:

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

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

Στο διάκενο αέρα:

H zaz \u003d B / μ 0,

Επιπλέον, το Β προσδιορίζεται από το δεδομένο M ser και το ευρεθέντα H ser.

Καμπύλη μαγνήτισης

Ξεκινώντας από τη μη μαγνητισμένη κατάσταση, όταν το H αυξάνεται από το μηδέν, λόγω του προσανατολισμού όλων των ατομικών ροπών προς την κατεύθυνση του εξωτερικού πεδίου, τα M και B αυξάνονται γρήγορα, αλλάζοντας κατά μήκος του τμήματος «a» της κύριας καμπύλης μαγνήτισης (βλ. παρακάτω σχήμα).

Όταν όλες οι ατομικές ροπές είναι ευθυγραμμισμένες, το M φτάνει στην τιμή κορεσμού του και μια περαιτέρω αύξηση στο B οφείλεται αποκλειστικά στο εφαρμοσμένο πεδίο (τμήμα β της κύριας καμπύλης στο παρακάτω σχήμα). Όταν το εξωτερικό πεδίο μειώνεται στο μηδέν, η επαγωγή Β μειώνεται όχι κατά μήκος της αρχικής διαδρομής, αλλά κατά μήκος του τμήματος «c» λόγω της σύζευξης των ατομικών ροπών, η οποία τείνει να τις διατηρεί στην ίδια κατεύθυνση. Η καμπύλη μαγνήτισης αρχίζει να περιγράφει τον λεγόμενο βρόχο υστέρησης. Όταν το H (εξωτερικό πεδίο) πλησιάζει το μηδέν, τότε η επαγωγή προσεγγίζει μια υπολειμματική τιμή που καθορίζεται μόνο από ατομικές ροπές:

B r = μ 0 (0 + M r).

Αφού αλλάξει η κατεύθυνση του Η, τα Η και Μ ενεργούν σε αντίθετες κατευθύνσεις και το Β μειώνεται (τμήμα της καμπύλης "d" στο Σχ.). Η τιμή του πεδίου στο οποίο το Β μειώνεται στο μηδέν ονομάζεται δύναμη καταναγκασμού του μαγνήτη B H C . Όταν το μέγεθος του εφαρμοζόμενου πεδίου είναι αρκετά μεγάλο ώστε να σπάσει τη συνοχή των ατομικών ροπών, προσανατολίζονται στη νέα κατεύθυνση του πεδίου και η κατεύθυνση του M αντιστρέφεται. Η τιμή του πεδίου στο οποίο συμβαίνει αυτό ονομάζεται εσωτερική δύναμη καταναγκασμού του μόνιμου μαγνήτη M H C . Υπάρχουν λοιπόν δύο διαφορετικές αλλά σχετικές δυνάμεις καταναγκασμού που σχετίζονται με έναν μόνιμο μαγνήτη.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει τις βασικές καμπύλες απομαγνητισμού διαφόρων υλικών για μόνιμους μαγνήτες.

Μπορεί να φανεί από αυτό ότι είναι οι μαγνήτες NdFeB που έχουν την υψηλότερη υπολειπόμενη επαγωγή Br και δύναμη εξαναγκασμού (τόσο ολική όσο και εσωτερική, δηλ. προσδιορίζεται χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η ισχύς H, μόνο από τη μαγνήτιση M).

Επιφανειακά (αμπέρ) ρεύματα

Τα μαγνητικά πεδία των μόνιμων μαγνητών μπορούν να θεωρηθούν ως τα πεδία ορισμένων από τα ρεύματα που σχετίζονται με αυτά, που ρέουν κατά μήκος των επιφανειών τους. Αυτά τα ρεύματα ονομάζονται ρεύματα αμπέρ. Με τη συνήθη έννοια της λέξης, δεν υπάρχουν ρεύματα μέσα στους μόνιμους μαγνήτες. Ωστόσο, συγκρίνοντας τα μαγνητικά πεδία των μόνιμων μαγνητών και τα πεδία των ρευμάτων σε πηνία, ο Γάλλος φυσικός Ampere πρότεινε ότι η μαγνήτιση μιας ουσίας μπορεί να εξηγηθεί από τη ροή των μικροσκοπικών ρευμάτων που σχηματίζουν μικροσκοπικά κλειστούς βρόχους. Και πράγματι, τελικά, η αναλογία μεταξύ του πεδίου ενός σωληνοειδούς και ενός μακρύ κυλινδρικού μαγνήτη είναι σχεδόν πλήρης: υπάρχει ένας βόρειος και νότιος πόλος ενός μόνιμου μαγνήτη και οι ίδιοι πόλοι για ένα σωληνοειδές, και οι εικόνες γραμμές δύναμηςΤα πεδία τους είναι επίσης πολύ παρόμοια (βλ. εικόνα παρακάτω).

Υπάρχουν ρεύματα μέσα σε έναν μαγνήτη;

Φανταστείτε ότι ολόκληρος ο όγκος κάποιου μόνιμου μαγνήτη ράβδου (με αυθαίρετο σχήμα διατομής) είναι γεμάτος με μικροσκοπικά ρεύματα Ampere. Μια διατομή ενός μαγνήτη με τέτοια ρεύματα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Κάθε ένα από αυτά έχει μια μαγνητική ροπή. Με τον ίδιο προσανατολισμό τους προς την κατεύθυνση του εξωτερικού πεδίου, σχηματίζουν μια προκύπτουσα μαγνητική ροπή που είναι διαφορετική από το μηδέν. Ορίζει την ύπαρξη. μαγνητικό πεδίοσε προφανή απουσία διατεταγμένης κίνησης φορτίων, απουσία ρεύματος μέσω οποιουδήποτε τμήματος του μαγνήτη. Είναι επίσης εύκολο να καταλάβουμε ότι μέσα σε αυτό αντισταθμίζονται τα ρεύματα γειτονικών (επαφών) κυκλωμάτων. Μόνο τα ρεύματα στην επιφάνεια του σώματος, που σχηματίζουν το επιφανειακό ρεύμα του μόνιμου μαγνήτη, αποδεικνύονται χωρίς αντιστάθμιση. Η πυκνότητά του αποδεικνύεται ίση με τη μαγνήτιση M.

Πώς να απαλλαγείτε από τις μετακινούμενες επαφές

Το πρόβλημα της δημιουργίας μιας σύγχρονης μηχανής χωρίς επαφή είναι γνωστό. Ο παραδοσιακός σχεδιασμός του με ηλεκτρομαγνητική διέγερση από τους πόλους του ρότορα με πηνία περιλαμβάνει την παροχή ρεύματος σε αυτούς μέσω κινούμενων επαφών - δακτυλίων επαφής με βούρτσες. Τα μειονεκτήματα μιας τέτοιας τεχνικής λύσης είναι γνωστά: αυτά είναι δυσκολίες συντήρησης, χαμηλή αξιοπιστία και μεγάλες απώλειες στις κινούμενες επαφές, ειδικά όταν πρόκειται για ισχυρές γεννήτριες στροβιλοκινητήρα και υδροηλεκτρικές γεννήτριες, στα κυκλώματα διέγερσης των οποίων καταναλώνεται σημαντική ηλεκτρική ενέργεια.

Εάν φτιάξετε μια τέτοια γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη, τότε το πρόβλημα επαφής εξαφανίζεται αμέσως. Είναι αλήθεια ότι υπάρχει πρόβλημα αξιόπιστης στερέωσης μαγνητών σε περιστρεφόμενο ρότορα. Εδώ μπορεί να φανεί χρήσιμη η εμπειρία που αποκτήθηκε στην κατασκευή τρακτέρ. Εδώ και πολύ καιρό χρησιμοποιείται μια γεννήτρια επαγωγής με μόνιμους μαγνήτες που βρίσκονται στις αυλακώσεις του ρότορα, γεμάτη με ένα κράμα χαμηλής τήξης.

Μοτέρ μόνιμου μαγνήτη

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένοι. Μια τέτοια μονάδα είναι στην πραγματικότητα ένας ηλεκτροκινητήρας και ένας ηλεκτρονικός διακόπτης της περιέλιξης του οπλισμού του, ο οποίος λειτουργεί ως συλλέκτης. Ο ηλεκτροκινητήρας είναι ένας σύγχρονος κινητήρας με μόνιμους μαγνήτες που βρίσκονται στον ρότορα, όπως στο Σχ. πάνω, με σταθερή περιέλιξη οπλισμού στον στάτορα. Το κύκλωμα του ηλεκτρονικού διακόπτη είναι ένας μετατροπέας σταθερή τάση(ή ρεύμα) του δικτύου τροφοδοσίας.

Το κύριο πλεονέκτημα ενός τέτοιου κινητήρα είναι η ανέπαφή του. Το ειδικό στοιχείο του είναι ένας αισθητήρας θέσης ρότορα φωτογραφίας, επαγωγής ή Hall που ελέγχει τη λειτουργία του μετατροπέα.

Υπάρχουν δύο διαφορετικοί τύποι μαγνητών. Μερικοί είναι οι λεγόμενοι μόνιμοι μαγνήτες, κατασκευασμένοι από «σκληρά μαγνητικά» υλικά. Οι μαγνητικές τους ιδιότητες δεν σχετίζονται με τη χρήση εξωτερικές πηγέςή ρεύματα. Ένας άλλος τύπος περιλαμβάνει τους λεγόμενους ηλεκτρομαγνήτες με πυρήνα από «μαλακό μαγνητικό» σίδηρο. Τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούν οφείλονται κυρίως στο γεγονός ότι διέρχεται το σύρμα περιέλιξης που περιβάλλει τον πυρήνα ηλεκτρική ενέργεια.

Μαγνητικοί πόλοι και μαγνητικό πεδίο.

Οι μαγνητικές ιδιότητες ενός μαγνήτη ράβδου είναι πιο αισθητές κοντά στα άκρα του. Εάν ένας τέτοιος μαγνήτης αιωρείται από το μεσαίο τμήμα έτσι ώστε να μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα προς τα μέσα οριζόντιο επίπεδο, τότε θα πάρει θέση που αντιστοιχεί περίπου στην κατεύθυνση από βορρά προς νότο. Το άκρο της ράβδου που δείχνει βόρεια ονομάζεται βόρειος πόλος και το αντίθετο άκρο ονομάζεται νότιος πόλος. Οι αντίθετοι πόλοι δύο μαγνητών έλκονται μεταξύ τους, ενώ σαν πόλοι απωθούνται μεταξύ τους.

Εάν μια ράβδος μη μαγνητισμένου σιδήρου πλησιάσει έναν από τους πόλους ενός μαγνήτη, ο τελευταίος θα μαγνητιστεί προσωρινά. Σε αυτήν την περίπτωση, ο πόλος της μαγνητισμένης ράβδου που βρίσκεται πιο κοντά στον πόλο του μαγνήτη θα είναι αντίθετος ως προς το όνομα και ο μακρινός θα έχει το ίδιο όνομα. Η έλξη μεταξύ του πόλου του μαγνήτη και του αντίθετου πόλου που προκαλείται από αυτόν στη ράβδο εξηγεί τη δράση του μαγνήτη. Μερικά υλικά (όπως ο χάλυβας) γίνονται αδύναμοι μόνιμοι μαγνήτες αφού βρίσκονται κοντά σε μόνιμο μαγνήτη ή ηλεκτρομαγνήτη. Μια χαλύβδινη ράβδος μπορεί να μαγνητιστεί περνώντας απλώς το άκρο ενός μόνιμου μαγνήτη στο άκρο της.

Έτσι, ο μαγνήτης έλκει άλλους μαγνήτες και αντικείμενα από μαγνητικά υλικά χωρίς να έρχεται σε επαφή μαζί τους. Μια τέτοια ενέργεια σε απόσταση εξηγείται από την ύπαρξη ενός μαγνητικού πεδίου στο χώρο γύρω από τον μαγνήτη. Κάποια ιδέα για την ένταση και την κατεύθυνση αυτού του μαγνητικού πεδίου μπορεί να ληφθεί ρίχνοντας ρινίσματα σιδήρου σε ένα φύλλο χαρτονιού ή γυαλιού τοποθετημένο σε μαγνήτη. Το πριονίδι θα παραταχθεί σε αλυσίδες προς την κατεύθυνση του χωραφιού και η πυκνότητα των γραμμών πριονιδιού θα αντιστοιχεί στην ένταση αυτού του πεδίου. (Είναι παχύτερα στα άκρα του μαγνήτη, όπου η ένταση του μαγνητικού πεδίου είναι μεγαλύτερη.)

Ο M. Faraday (1791–1867) εισήγαγε την έννοια των κλειστών γραμμών επαγωγής για μαγνήτες. Οι γραμμές επαγωγής βγαίνουν στον περιβάλλοντα χώρο από τον μαγνήτη που βρίσκεται Βόρειος πόλος, εισάγετε τον μαγνήτη στο νότιο πόλο και περάστε μέσα στο υλικό του μαγνήτη από τον νότιο πόλο πίσω στον βορρά, σχηματίζοντας έναν κλειστό βρόχο. Πλήρης αριθμόςΟι γραμμές επαγωγής που βγαίνουν από έναν μαγνήτη ονομάζονται μαγνητική ροή. Πυκνότητα μαγνητικής ροής ή μαγνητική επαγωγή ( ΣΕ) είναι ίσος με τον αριθμό των γραμμών επαγωγής που διέρχονται κατά μήκος της κανονικής μέσα από μια στοιχειώδη περιοχή μεγέθους μονάδας.

Η μαγνητική επαγωγή καθορίζει τη δύναμη με την οποία ένα μαγνητικό πεδίο δρα σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα που βρίσκεται σε αυτό. Εάν ο αγωγός που μεταφέρει το ρεύμα Εγώ, βρίσκεται κάθετα στις γραμμές επαγωγής, τότε σύμφωνα με το νόμο του Ampère, η δύναμη φά, που ενεργεί στον αγωγό, είναι κάθετο τόσο στο πεδίο όσο και στον αγωγό και είναι ανάλογο με τη μαγνητική επαγωγή, την ένταση του ρεύματος και το μήκος του αγωγού. Έτσι, για μαγνητική επαγωγή σιμπορείτε να γράψετε μια έκφραση

Οπου φάείναι η δύναμη σε νεύτονα, Εγώ- ρεύμα σε αμπέρ, μεγάλο- μήκος σε μέτρα. Η μονάδα μέτρησης για τη μαγνητική επαγωγή είναι το Tesla (T).

Γαλβανόμετρο.

Το γαλβανόμετρο είναι μια ευαίσθητη συσκευή για τη μέτρηση ασθενών ρευμάτων. Το γαλβανόμετρο χρησιμοποιεί τη ροπή που δημιουργείται από την αλληλεπίδραση ενός μόνιμου μαγνήτη σε σχήμα πετάλου με ένα μικρό πηνίο μεταφοράς ρεύματος (αδύναμο ηλεκτρομαγνήτη) που αιωρείται στο κενό μεταξύ των πόλων του μαγνήτη. Η ροπή, και ως εκ τούτου η εκτροπή του πηνίου, είναι ανάλογη με το ρεύμα και τη συνολική μαγνητική επαγωγή στο διάκενο αέρα, έτσι ώστε η κλίμακα του οργάνου να είναι σχεδόν γραμμική με μικρές παραμορφώσεις του πηνίου.

Μαγνητική δύναμη και ένταση μαγνητικού πεδίου.

Στη συνέχεια, θα πρέπει να εισαχθεί μια ακόμη ποσότητα που να χαρακτηρίζει τη μαγνητική επίδραση του ηλεκτρικού ρεύματος. Ας υποθέσουμε ότι το ρεύμα διέρχεται από το σύρμα ενός μακριού πηνίου, μέσα στο οποίο βρίσκεται το μαγνητιζόμενο υλικό. Η δύναμη μαγνήτισης είναι το γινόμενο του ηλεκτρικού ρεύματος στο πηνίο και του αριθμού των στροφών του (αυτή η δύναμη μετριέται σε αμπέρ, αφού ο αριθμός των στροφών είναι αδιάστατη ποσότητα). Ισχύς μαγνητικού πεδίου Hίση με τη δύναμη μαγνήτισης ανά μονάδα μήκους του πηνίου. Έτσι, η αξία Hμετρημένο σε αμπέρ ανά μέτρο. καθορίζει τη μαγνήτιση που αποκτά το υλικό μέσα στο πηνίο.

Σε μαγνητική επαγωγή κενού σιανάλογη με την ένταση του μαγνητικού πεδίου H:

Οπου Μ 0 - λεγόμενο. μαγνητική σταθερά με καθολική τιμή 4 Π Ch 10 –7 H/m. Σε πολλά υλικά, η αξία σιπερίπου αναλογικά H. Ωστόσο, στα σιδηρομαγνητικά υλικά, η αναλογία μεταξύ σιΚαι Hκάπως πιο περίπλοκο (το οποίο θα συζητηθεί παρακάτω).

Στο σχ. 1 δείχνει έναν απλό ηλεκτρομαγνήτη που έχει σχεδιαστεί για να συλλαμβάνει φορτία. Η μπαταρία είναι η πηγή ενέργειας συνεχές ρεύμα. Το σχήμα δείχνει επίσης τις γραμμές δύναμης του πεδίου ενός ηλεκτρομαγνήτη, οι οποίες μπορούν να ανιχνευθούν με τη συνήθη μέθοδο ρινισμάτων σιδήρου.

Μεγάλοι ηλεκτρομαγνήτες με πυρήνες σιδήρου και πολύ ένας μεγάλος αριθμόςΟι στροφές αμπέρ, που λειτουργούν σε συνεχή λειτουργία, έχουν μεγάλη δύναμη μαγνήτισης. Δημιουργούν μαγνητική επαγωγή έως 6 Τ στο διάκενο μεταξύ των πόλων. αυτή η επαγωγή περιορίζεται μόνο από μηχανικές καταπονήσεις, θέρμανση των πηνίων και μαγνητικό κορεσμό του πυρήνα. Ένας αριθμός γιγάντιων ηλεκτρομαγνητών (χωρίς πυρήνα) με υδρόψυξη, καθώς και εγκαταστάσεις για τη δημιουργία παλμικών μαγνητικών πεδίων, σχεδιάστηκαν από τον P.L. Kapitza (1894–1984) στο Cambridge και στο Ινστιτούτο σωματικά προβλήματαΑκαδημία Επιστημών της ΕΣΣΔ και ο F. Bitter (1902–1967) στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης. Σε τέτοιους μαγνήτες ήταν δυνατό να επιτευχθεί επαγωγή έως και 50 T. Ένας σχετικά μικρός ηλεκτρομαγνήτης, που παράγει πεδία έως 6,2 Τ, καταναλώνει ηλεκτρική ισχύ 15 kW και ψύχεται από υγρό υδρογόνο, αναπτύχθηκε στο Εθνικό Εργαστήριο Λοσάλαμου. Παρόμοια πεδία λαμβάνονται σε κρυογονικές θερμοκρασίες.

Η μαγνητική διαπερατότητα και ο ρόλος της στον μαγνητισμό.

Μαγνητική διαπερατότητα Μείναι μια τιμή που χαρακτηρίζει τις μαγνητικές ιδιότητες του υλικού. Τα σιδηρομαγνητικά μέταλλα Fe, Ni, Co και τα κράματά τους έχουν πολύ υψηλές μέγιστες διαπερατότητες - από 5000 (για Fe) έως 800.000 (για supermalloy). Σε τέτοια υλικά σε σχετικά χαμηλές εντάσεις πεδίου Hσυμβαίνουν μεγάλες επαγωγές σι, αλλά η σχέση μεταξύ αυτών των μεγεθών είναι, σε γενικές γραμμές, μη γραμμική λόγω των φαινομένων κορεσμού και υστέρησης, τα οποία συζητούνται παρακάτω. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά έλκονται έντονα από τους μαγνήτες. Χάνουν τις μαγνητικές τους ιδιότητες σε θερμοκρασίες πάνω από το σημείο Κιουρί (770°C για τον Fe, 358°C για το Ni, 1120°C για το Co) και συμπεριφέρονται σαν παραμαγνήτες, για τους οποίους η επαγωγή σιέως πολύ υψηλές τιμές τάσης Hείναι ανάλογη με αυτό - ακριβώς όπως λαμβάνει χώρα στο κενό. Πολλά στοιχεία και ενώσεις είναι παραμαγνητικά σε όλες τις θερμοκρασίες. Οι παραμαγνητικές ουσίες χαρακτηρίζονται από το ότι μαγνητίζονται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Εάν αυτό το πεδίο είναι απενεργοποιημένο, οι παραμαγνήτες επιστρέφουν στη μη μαγνητισμένη κατάσταση. Η μαγνήτιση στους σιδηρομαγνήτες διατηρείται ακόμα και μετά την απενεργοποίηση του εξωτερικού πεδίου.

Στο σχ. Το σχήμα 2 δείχνει έναν τυπικό βρόχο υστέρησης για ένα μαγνητικά σκληρό (μεγάλες απώλειες) σιδηρομαγνητικό υλικό. Χαρακτηρίζει τη διφορούμενη εξάρτηση της μαγνήτισης ενός μαγνητικά διατεταγμένου υλικού από την ισχύ του μαγνητιστικού πεδίου. Με αύξηση της έντασης του μαγνητικού πεδίου από το αρχικό (μηδέν) σημείο ( 1 ) η μαγνήτιση πηγαίνει κατά μήκος της διακεκομμένης γραμμής 1 –2 , και την αξία Μαλλάζει σημαντικά καθώς αυξάνεται η μαγνήτιση του δείγματος. Στο σημείο 2 επιτυγχάνεται κορεσμός, δηλ. με περαιτέρω αύξηση της έντασης, η μαγνήτιση δεν αυξάνεται πλέον. Αν τώρα μειώσουμε σταδιακά την τιμή Hστο μηδέν και μετά την καμπύλη σι(H) δεν ακολουθεί πλέον την ίδια διαδρομή, αλλά διέρχεται από το σημείο 3 , αποκαλύπτοντας, λες, τη «μνήμη» του υλικού για την «παρελθούσα ιστορία», εξ ου και η ονομασία «υστέρηση». Προφανώς, σε αυτή την περίπτωση, διατηρείται κάποια υπολειπόμενη μαγνήτιση (το τμήμα 1 –3 ). Μετά την αλλαγή της κατεύθυνσης του πεδίου μαγνήτισης προς το αντίθετο, η καμπύλη ΣΕ (H) περνάει το σημείο 4 και το τμήμα ( 1 )–(4 ) αντιστοιχεί στη δύναμη καταναγκασμού που εμποδίζει τον απομαγνητισμό. Περαιτέρω αύξηση των αξιών (- H) οδηγεί την καμπύλη υστέρησης στο τρίτο τεταρτημόριο - το τμήμα 4 –5 . Η επακόλουθη μείωση της τιμής (- H) στο μηδέν και στη συνέχεια αυξανόμενες θετικές τιμές Hθα κλείσει τον βρόχο υστέρησης μέσα από τα σημεία 6 , 7 Και 2 .

Τα μαγνητικά σκληρά υλικά χαρακτηρίζονται από έναν ευρύ βρόχο υστέρησης που καλύπτει μια σημαντική περιοχή στο διάγραμμα και επομένως αντιστοιχεί σε μεγάλες τιμές υπολειπόμενης μαγνήτισης (μαγνητική επαγωγή) και δύναμη καταναγκασμού. Ένας στενός βρόχος υστέρησης (Εικ. 3) είναι χαρακτηριστικός μαλακών μαγνητικών υλικών όπως ο μαλακός χάλυβας και τα ειδικά κράματα με υψηλή μαγνητική διαπερατότητα. Τέτοια κράματα δημιουργήθηκαν για να μειωθούν οι απώλειες ενέργειας λόγω υστέρησης. Τα περισσότερα από αυτά τα ειδικά κράματα, όπως οι φερρίτες, έχουν υψηλό ηλεκτρική αντίσταση, εξαιτίας του οποίου δεν μειώνονται μόνο οι μαγνητικές απώλειες, αλλά και οι ηλεκτρικές απώλειες λόγω των δινορευμάτων.

Τα μαγνητικά υλικά με υψηλή διαπερατότητα παράγονται με ανόπτηση, η οποία πραγματοποιείται σε θερμοκρασία περίπου 1000 ° C, ακολουθούμενη από σκλήρυνση (σταδιακή ψύξη) σε θερμοκρασία δωματίου. Σε αυτή την περίπτωση, η προκαταρκτική μηχανική και θερμική επεξεργασία, καθώς και η απουσία ακαθαρσιών στο δείγμα, είναι πολύ σημαντικές. Για πυρήνες μετασχηματιστών στις αρχές του 20ου αιώνα. αναπτύχθηκαν χάλυβες πυριτίου, η αξία Μη οποία αυξήθηκε με την αύξηση της περιεκτικότητας σε πυρίτιο. Μεταξύ 1915 και 1920, εμφανίστηκαν μόνιμα κράματα (κράματα Ni με Fe) με το χαρακτηριστικό στενό και σχεδόν ορθογώνιο βρόχο υστέρησης. Ειδικά υψηλές αξίεςμαγνητική διαπερατότητα Μγια μικρές αξίες HΤα υπερνικά (50% Ni, 50% Fe) και τα μεταλλικά (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr) κράματα διαφέρουν, ενώ στο perminvar (45% Ni, 30% Fe, 25% Co ) αξία Μπρακτικά σταθερό σε ένα ευρύ φάσμα μεταβολών της έντασης του πεδίου. Ανάμεσα στα σύγχρονα μαγνητικά υλικά, θα πρέπει να αναφέρουμε το supermalloy, ένα κράμα με την υψηλότερη μαγνητική διαπερατότητα (περιέχει 79% Ni, 15% Fe και 5% Mo).

Θεωρίες μαγνητισμού.

Για πρώτη φορά, η ιδέα ότι μαγνητικά φαινόμεναπου τελικά περιορίστηκε σε ηλεκτρικό, προέκυψε από το Ampère το 1825, όταν εξέφρασε την ιδέα των κλειστών εσωτερικών μικρορευμάτων που κυκλοφορούν σε κάθε άτομο ενός μαγνήτη. Ωστόσο, χωρίς καμία πειραματική επιβεβαίωση της παρουσίας τέτοιων ρευμάτων στην ύλη (το ηλεκτρόνιο ανακαλύφθηκε από τον J. Thomson μόλις το 1897 και η περιγραφή της δομής του ατόμου δόθηκε από τους Rutherford και Bohr το 1913), αυτή η θεωρία «εξασθενεί ". Το 1852, ο W. Weber πρότεινε ότι κάθε άτομο μαγνητική ουσίαείναι ένας μικροσκοπικός μαγνήτης ή μαγνητικό δίπολο, έτσι ώστε η πλήρης μαγνήτιση μιας ουσίας επιτυγχάνεται όταν όλοι οι μεμονωμένοι ατομικοί μαγνήτες παρατάσσονται σε μια συγκεκριμένη σειρά (Εικ. 4, σι). Ο Weber πίστευε ότι η μοριακή ή ατομική «τριβή» βοηθά αυτούς τους στοιχειώδεις μαγνήτες να διατηρήσουν την τάξη τους παρά την ενοχλητική επίδραση των θερμικών δονήσεων. Η θεωρία του ήταν σε θέση να εξηγήσει τη μαγνήτιση των σωμάτων κατά την επαφή με έναν μαγνήτη, καθώς και την απομαγνήτισή τους κατά την πρόσκρουση ή τη θέρμανση. Τέλος, ο «πολλαπλασιασμός» των μαγνητών εξηγήθηκε επίσης όταν μια μαγνητισμένη βελόνα ή μαγνητική ράβδος κόπηκε σε κομμάτια. Και όμως αυτή η θεωρία δεν εξηγούσε ούτε την προέλευση των ίδιων των στοιχειωδών μαγνητών, ούτε τα φαινόμενα κορεσμού και υστέρησης. Η θεωρία του Weber βελτιώθηκε το 1890 από τον J. Eving, ο οποίος αντικατέστησε την υπόθεσή του για την ατομική τριβή με την ιδέα των διατομικών περιοριστικών δυνάμεων που βοηθούν στη διατήρηση της τάξης των στοιχειωδών διπόλων που συνθέτουν έναν μόνιμο μαγνήτη.

Η προσέγγιση του προβλήματος, που προτάθηκε κάποτε από τον Ampère, έλαβε μια δεύτερη ζωή το 1905, όταν ο P. Langevin εξήγησε τη συμπεριφορά των παραμαγνητικών υλικών αποδίδοντας σε κάθε άτομο ένα εσωτερικό μη αντισταθμισμένο ρεύμα ηλεκτρονίων. Σύμφωνα με τον Langevin, αυτά τα ρεύματα σχηματίζουν μικροσκοπικούς μαγνήτες, που προσανατολίζονται τυχαία όταν το εξωτερικό πεδίο απουσιάζει, αλλά αποκτούν έναν διατεταγμένο προσανατολισμό μετά την εφαρμογή του. Στην περίπτωση αυτή, η προσέγγιση στην πλήρη σειρά αντιστοιχεί στον κορεσμό της μαγνήτισης. Επιπλέον, ο Langevin εισήγαγε την έννοια της μαγνητικής ροπής, η οποία για έναν ξεχωριστό ατομικό μαγνήτη ισούται με το προϊόν " μαγνητικό φορτίο» πόλων από την απόσταση μεταξύ των πόλων. Έτσι, ο ασθενής μαγνητισμός των παραμαγνητικών υλικών οφείλεται στη συνολική μαγνητική ροπή που δημιουργείται από μη αντισταθμισμένα ρεύματα ηλεκτρονίων.

Το 1907, ο P. Weiss εισήγαγε την έννοια του "domain", η οποία έγινε σημαντική συνεισφορά στη σύγχρονη θεωρία του μαγνητισμού. Ο Weiss φαντάστηκε τους τομείς ως μικρές «αποικίες» ατόμων, μέσα στις οποίες οι μαγνητικές ροπές όλων των ατόμων, για κάποιο λόγο, αναγκάζονται να διατηρήσουν τον ίδιο προσανατολισμό, έτσι ώστε κάθε τομέας να μαγνητίζεται σε κορεσμό. Ένας χωριστός τομέας μπορεί να έχει γραμμικές διαστάσεις της τάξης των 0,01 mm και, κατά συνέπεια, όγκο της τάξης των 10–6 mm 3 . Οι περιοχές χωρίζονται από τα λεγόμενα τοιχώματα Bloch, το πάχος των οποίων δεν υπερβαίνει τις 1000 ατομικές διαστάσεις. Ο "τοίχος" και δύο αντίθετα προσανατολισμένοι τομείς φαίνονται σχηματικά στο Σχ. 5. Τέτοια τοιχώματα είναι «στρώματα μετάβασης» στα οποία αλλάζει η κατεύθυνση της μαγνήτισης της περιοχής.

Στη γενική περίπτωση, τρία τμήματα μπορούν να διακριθούν στην αρχική καμπύλη μαγνήτισης (Εικ. 6). Στο αρχικό τμήμα, ο τοίχος, υπό τη δράση ενός εξωτερικού πεδίου, κινείται μέσα στο πάχος της ουσίας μέχρι να συναντήσει ένα ελάττωμα κρυσταλλικού πλέγματοςπου την σταματά. Αυξάνοντας την ένταση του πεδίου, ο τοίχος μπορεί να αναγκαστεί να μετακινηθεί περαιτέρω στο μεσαίο τμήμα μεταξύ των διακεκομμένων γραμμών. Εάν μετά από αυτό η ένταση του πεδίου μειωθεί ξανά στο μηδέν, τότε τα τοιχώματα δεν θα επιστρέψουν πλέον στην αρχική τους θέση, έτσι ώστε το δείγμα να παραμείνει μερικώς μαγνητισμένο. Αυτό εξηγεί την υστέρηση του μαγνήτη. Στο τέλος της καμπύλης, η διαδικασία τελειώνει με τον κορεσμό της μαγνήτισης του δείγματος λόγω της σειράς της μαγνήτισης εντός των τελευταίων διαταραγμένων περιοχών. Αυτή η διαδικασία είναι σχεδόν πλήρως αναστρέψιμη. Η μαγνητική σκληρότητα παρουσιάζεται από εκείνα τα υλικά στα οποία το ατομικό πλέγμα περιέχει πολλά ελαττώματα που εμποδίζουν την κίνηση των τοίχων μεταξύ τομέων. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με μηχανική και θερμική επεξεργασία, για παράδειγμα με συμπίεση και στη συνέχεια πυροσυσσωμάτωση του κονιοποιημένου υλικού. Στα κράματα alnico και τα ανάλογα τους, το ίδιο αποτέλεσμα επιτυγχάνεται με τη σύντηξη μετάλλων σε μια πολύπλοκη δομή.

Εκτός από τα παραμαγνητικά και τα σιδηρομαγνητικά υλικά, υπάρχουν υλικά με τις λεγόμενες αντισιδηρομαγνητικές και σιδηρομαγνητικές ιδιότητες. Η διαφορά μεταξύ αυτών των τύπων μαγνητισμού απεικονίζεται στο Σχ. 7. Με βάση την έννοια των περιοχών, ο παραμαγνητισμός μπορεί να θεωρηθεί ως φαινόμενο που οφείλεται στην παρουσία στο υλικό μικρών ομάδων μαγνητικών διπόλων, στα οποία μεμονωμένα δίπολα αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς μεταξύ τους (ή δεν αλληλεπιδρούν καθόλου) και επομένως , απουσία εξωτερικού πεδίου, λαμβάνουν μόνο τυχαίους προσανατολισμούς (Εικ. 7, ΕΝΑ). Στα σιδηρομαγνητικά υλικά, μέσα σε κάθε τομέα, υπάρχει μια ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ μεμονωμένων διπόλων, που οδηγεί στη διατεταγμένη παράλληλη ευθυγράμμισή τους (Εικ. 7, σι). Στα αντισιδηρομαγνητικά υλικά, αντίθετα, η αλληλεπίδραση μεταξύ των μεμονωμένων διπόλων οδηγεί στην αντιπαράλληλη διατεταγμένη ευθυγράμμισή τους, έτσι ώστε η συνολική μαγνητική ροπή κάθε τομέα να είναι μηδέν (Εικ. 7, V). Τέλος, στα σιδηρομαγνητικά υλικά (για παράδειγμα, οι φερρίτες) υπάρχει και παράλληλη και αντιπαράλληλη διάταξη (Εικ. 7, σολ), με αποτέλεσμα αδύναμο μαγνητισμό.

Υπάρχουν δύο επιτακτικά πειραματική επιβεβαίωσηύπαρξη τομέων. Το πρώτο από αυτά είναι το λεγόμενο φαινόμενο Barkhausen, το δεύτερο είναι η μέθοδος της σκόνης. Το 1919, ο G. Barkhausen διαπίστωσε ότι όταν ένα εξωτερικό πεδίο εφαρμόζεται σε ένα δείγμα σιδηρομαγνητικού υλικού, η μαγνήτισή του αλλάζει σε μικρά διακριτά τμήματα. Από τη σκοπιά της θεωρίας του τομέα, αυτό δεν είναι τίποτα άλλο από μια άλμα-όπως πρόοδος του τοίχου μεταξύ τομέων, που συναντά μεμονωμένα ελαττώματα που τον εμποδίζουν στο δρόμο του. Αυτό το φαινόμενο συνήθως ανιχνεύεται χρησιμοποιώντας ένα πηνίο στο οποίο τοποθετείται μια σιδηρομαγνητική ράβδος ή σύρμα. Εάν ένας ισχυρός μαγνήτης φέρεται εναλλάξ στο δείγμα και αφαιρείται από αυτό, το δείγμα θα μαγνητιστεί και θα επαναμαγνητιστεί. Αλλαγές που μοιάζουν με άλματα στη μαγνήτιση του δείγματος αλλάζουν τη μαγνητική ροή μέσω του πηνίου και διεγείρεται ρεύμα επαγωγής. Η τάση που προκύπτει σε αυτή την περίπτωση στο πηνίο ενισχύεται και τροφοδοτείται στην είσοδο ενός ζευγαριού ακουστικών. Τα κλικ που γίνονται αντιληπτά μέσω των ακουστικών υποδεικνύουν μια απότομη αλλαγή στη μαγνήτιση.

Για να αποκαλυφθεί η δομή πεδίου ενός μαγνήτη με τη μέθοδο των μορφών σκόνης, μια σταγόνα ενός κολλοειδούς εναιωρήματος μιας σιδηρομαγνητικής σκόνης (συνήθως Fe 3 O 4) εφαρμόζεται σε μια καλά γυαλισμένη επιφάνεια ενός μαγνητισμένου υλικού. Τα σωματίδια σκόνης εγκαθίστανται κυρίως σε σημεία μέγιστης ανομοιογένειας του μαγνητικού πεδίου - στα όρια των περιοχών. Μια τέτοια δομή μπορεί να μελετηθεί κάτω από ένα μικροσκόπιο. Έχει επίσης προταθεί μια μέθοδος που βασίζεται στη διέλευση πολωμένου φωτός μέσα από ένα διαφανές σιδηρομαγνητικό υλικό.

Η αρχική θεωρία του Weiss για τον μαγνητισμό στα κύρια χαρακτηριστικά της έχει διατηρήσει τη σημασία της μέχρι σήμερα, ωστόσο, έχοντας λάβει μια ενημερωμένη ερμηνεία βασισμένη στην έννοια των μη αντισταθμιζόμενων σπιν ηλεκτρονίων ως παράγοντα που καθορίζει τον ατομικό μαγνητισμό. Η υπόθεση της ύπαρξης μιας εγγενούς ροπής ενός ηλεκτρονίου προτάθηκε το 1926 από τους S. Goudsmit και J. Uhlenbeck, και επί του παρόντος είναι τα ηλεκτρόνια ως φορείς σπιν που θεωρούνται ως «στοιχειώδεις μαγνήτες».

Για να διευκρινιστεί αυτή η έννοια, θεωρήστε (Εικ. 8) ένα ελεύθερο άτομο σιδήρου, ένα τυπικό σιδηρομαγνητικό υλικό. Τα δύο κοχύλια του ( κΚαι μεγάλο), πιο κοντά στον πυρήνα, είναι γεμάτα με ηλεκτρόνια, με δύο στο πρώτο από αυτά και οκτώ στο δεύτερο. ΣΕ κ-κέλυφος, το σπιν ενός από τα ηλεκτρόνια είναι θετικό, και του άλλου είναι αρνητικό. ΣΕ μεγάλο-κέλυφος (ακριβέστερα, στους δύο υποφλοιούς του), τέσσερα από τα οκτώ ηλεκτρόνια έχουν θετικά σπιν, και τα άλλα τέσσερα έχουν αρνητικά σπιν. Και στις δύο περιπτώσεις, τα σπιν των ηλεκτρονίων μέσα στο ίδιο κέλυφος ακυρώνονται εντελώς, έτσι ώστε η συνολική μαγνητική ροπή να μηδενίζεται. ΣΕ Μ-κέλυφος, η κατάσταση είναι διαφορετική, λόγω των έξι ηλεκτρονίων στο τρίτο υποκέλυφος, πέντε ηλεκτρόνια έχουν σπιν κατευθυνόμενα προς τη μία κατεύθυνση και μόνο το έκτο - στην άλλη. Ως αποτέλεσμα, παραμένουν τέσσερα μη αντισταθμισμένα σπιν, τα οποία καθορίζουν τις μαγνητικές ιδιότητες του ατόμου του σιδήρου. (Στο εξωτερικό Ν-Το κέλυφος έχει μόνο δύο ηλεκτρόνια σθένους, τα οποία δεν συμβάλλουν στον μαγνητισμό του ατόμου του σιδήρου.) Ο μαγνητισμός άλλων σιδηρομαγνητών, όπως το νικέλιο και το κοβάλτιο, εξηγείται με παρόμοιο τρόπο. Δεδομένου ότι τα γειτονικά άτομα σε ένα δείγμα σιδήρου αλληλεπιδρούν έντονα μεταξύ τους και τα ηλεκτρόνια τους είναι μερικώς συλλογικοποιημένα, αυτή η εξήγηση θα πρέπει να θεωρηθεί μόνο ως ένα περιγραφικό, αλλά πολύ απλοποιημένο, σχήμα της πραγματικής κατάστασης.

Η θεωρία του ατομικού μαγνητισμού, που βασίζεται στο σπιν των ηλεκτρονίων, υποστηρίζεται από δύο ενδιαφέροντα γυρομαγνητικά πειράματα, το ένα από τα οποία πραγματοποιήθηκε από τους A. Einstein και W. de Haas και το άλλο από τον S. Barnett. Στο πρώτο από αυτά τα πειράματα, ένας κύλινδρος σιδηρομαγνητικού υλικού αιωρήθηκε όπως φαίνεται στο Σχ. 9. Αν περάσει ρεύμα από το σύρμα περιέλιξης, τότε ο κύλινδρος περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του. Όταν η κατεύθυνση του ρεύματος (και επομένως το μαγνητικό πεδίο) αλλάζει, μετατρέπεται σε αντίστροφη κατεύθυνση. Και στις δύο περιπτώσεις, η περιστροφή του κυλίνδρου οφείλεται στη σειρά των σπιν των ηλεκτρονίων. Στο πείραμα του Barnett, αντίθετα, ένας αιωρούμενος κύλινδρος, που φέρεται απότομα σε κατάσταση περιστροφής, μαγνητίζεται απουσία μαγνητικού πεδίου. Αυτό το φαινόμενο εξηγείται από το γεγονός ότι κατά την περιστροφή του μαγνήτη δημιουργείται μια γυροσκοπική ροπή, η οποία τείνει να στρέφει τις ροπές σπιν προς την κατεύθυνση δικός του άξοναπεριστροφή.

Για μια πληρέστερη εξήγηση της φύσης και της προέλευσης των δυνάμεων μικρής εμβέλειας που διατάσσουν γειτονικούς ατομικούς μαγνήτες και εξουδετερώνουν τη διαταραγμένη επίδραση της θερμικής κίνησης, θα πρέπει να αναφερθούμε στο κβαντική μηχανική. Μια κβαντομηχανική εξήγηση της φύσης αυτών των δυνάμεων προτάθηκε το 1928 από τον W. Heisenberg, ο οποίος υπέθεσε την ύπαρξη αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής μεταξύ γειτονικών ατόμων. Αργότερα, οι G. Bethe και J. Slater έδειξαν ότι οι δυνάμεις ανταλλαγής αυξάνονται σημαντικά με τη μείωση της απόστασης μεταξύ των ατόμων, αλλά αφού φτάσουν σε μια ορισμένη ελάχιστη διατομική απόσταση, πέφτουν στο μηδέν.

ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΟΥΣΙΑΣ

Μία από τις πρώτες εκτεταμένες και συστηματικές μελέτες των μαγνητικών ιδιοτήτων της ύλης έγινε από τον P. Curie. Βρήκε ότι σύμφωνα με τις μαγνητικές τους ιδιότητες, όλες οι ουσίες μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες. Το πρώτο περιλαμβάνει ουσίες με έντονες μαγνητικές ιδιότητες, παρόμοιες με αυτές του σιδήρου. Τέτοιες ουσίες ονομάζονται σιδηρομαγνητικές. Το μαγνητικό τους πεδίο είναι ορατό σε σημαντικές αποστάσεις ( εκ. πιο ψηλά). Οι ουσίες που ονομάζονται παραμαγνητικές εμπίπτουν στη δεύτερη κατηγορία. Οι μαγνητικές τους ιδιότητες είναι γενικά παρόμοιες με εκείνες των σιδηρομαγνητικών υλικών, αλλά πολύ πιο αδύναμες. Για παράδειγμα, η δύναμη έλξης στους πόλους ενός ισχυρού ηλεκτρομαγνήτη μπορεί να τραβήξει ένα σιδερένιο σφυρί από τα χέρια σας και για να ανιχνεύσετε την έλξη μιας παραμαγνητικής ουσίας στον ίδιο μαγνήτη, κατά κανόνα χρειάζονται πολύ ευαίσθητες αναλυτικές ισορροπίες . Η τελευταία, τρίτη κατηγορία περιλαμβάνει τις λεγόμενες διαμαγνητικές ουσίες. Απωθούνται από ηλεκτρομαγνήτη, δηλ. η δύναμη που ασκεί στους διαμαγνήτες κατευθύνεται αντίθετα από αυτή που ασκεί στους σιδηρο- και παραμαγνήτες.

Μέτρηση μαγνητικών ιδιοτήτων.

Στη μελέτη των μαγνητικών ιδιοτήτων, οι μετρήσεις δύο τύπων είναι πιο σημαντικές. Το πρώτο από αυτά είναι η μέτρηση της δύναμης που ασκείται στο δείγμα κοντά στον μαγνήτη. Έτσι προσδιορίζεται η μαγνήτιση του δείγματος. Το δεύτερο περιλαμβάνει μετρήσεις «συντονιζόμενων» συχνοτήτων που σχετίζονται με τη μαγνήτιση της ύλης. Τα άτομα είναι μικροσκοπικά «γυροσκόπια» και βρίσκονται σε προεξοχή μαγνητικού πεδίου (όπως μια κανονική περιστρεφόμενη κορυφή υπό την επίδραση μιας ροπής που δημιουργείται από τη βαρύτητα) σε μια συχνότητα που μπορεί να μετρηθεί. Επιπλέον, μια δύναμη δρα σε ελεύθερα φορτισμένα σωματίδια που κινούνται σε ορθή γωνία προς τις γραμμές μαγνητικής επαγωγής, καθώς και στο ρεύμα ηλεκτρονίων σε έναν αγωγό. Αναγκάζει το σωματίδιο να κινείται σε μια κυκλική τροχιά, η ακτίνα της οποίας δίνεται από

R = mv/eB,

Οπου Μείναι η μάζα του σωματιδίου, v- η ταχύτητά της μιείναι η χρέωση του, και σιείναι η μαγνητική επαγωγή του πεδίου. Η συχνότητα τέτοιων κυκλική διασταύρωσηείναι ίσο με

Οπου φάμετρημένο σε hertz μι- σε μενταγιόν, Μ- σε κιλά, σι- στην Tesla. Αυτή η συχνότητα χαρακτηρίζει την κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων σε μια ουσία σε ένα μαγνητικό πεδίο. Και οι δύο τύποι κίνησης (μετάπτωση και κίνηση σε κυκλικές τροχιές) μπορούν να διεγερθούν από εναλλασσόμενα πεδία με συχνότητες συντονισμού ίσες με τις «φυσικές» συχνότητες που χαρακτηρίζουν αυτό το υλικό. Στην πρώτη περίπτωση, ο συντονισμός ονομάζεται μαγνητικός, και στη δεύτερη - κυκλοτρόνιο (λόγω της ομοιότητας με κυκλική κίνησηυποατομικό σωματίδιο σε ένα κυκλοτρόνιο).

Μιλώντας για τις μαγνητικές ιδιότητες των ατόμων, είναι απαραίτητο να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στη γωνιακή τους ορμή. Το μαγνητικό πεδίο δρα σε ένα περιστρεφόμενο ατομικό δίπολο, προσπαθώντας να το περιστρέψει και να το βάλει παράλληλα με το πεδίο. Αντίθετα, το άτομο αρχίζει να προχωρά γύρω από την κατεύθυνση του πεδίου (Εικ. 10) με συχνότητα που εξαρτάται από τη διπολική ροπή και την ισχύ του εφαρμοζόμενου πεδίου.

Η μετάπτωση των ατόμων δεν είναι άμεσα παρατηρήσιμη επειδή όλα τα άτομα στο δείγμα προχωρούν μέσα διαφορετική φάση. Εάν, ωστόσο, εφαρμοστεί ένα μικρό εναλλασσόμενο πεδίο που κατευθύνεται κάθετα στο πεδίο σταθερής τάξης, τότε δημιουργείται μια ορισμένη σχέση φάσης μεταξύ των ατόμων που προηγούνται και η συνολική μαγνητική ροπή τους αρχίζει να προχωρά με συχνότητα ίση με τη συχνότητα της μετάπτωσης ενός μεμονωμένου μαγνητικές στιγμές. Η γωνιακή ταχύτητα μετάπτωσης έχει μεγάλη σημασία. Κατά κανόνα, αυτή είναι μια τιμή της τάξης των 10 10 Hz/T για τη μαγνήτιση που σχετίζεται με τα ηλεκτρόνια και της τάξης των 10 7 Hz/T για τη μαγνήτιση που σχετίζεται με θετικά φορτίαστους πυρήνες των ατόμων.

Ένα σχηματικό διάγραμμα της εγκατάστασης για παρατήρηση πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) φαίνεται στο Σχ. 11. Η υπό μελέτη ουσία εισάγεται σε ένα ομοιόμορφο σταθερό πεδίο μεταξύ των πόλων. Εάν ένα πεδίο ραδιοσυχνοτήτων διεγείρεται στη συνέχεια με ένα μικρό πηνίο γύρω από τον δοκιμαστικό σωλήνα, ο συντονισμός μπορεί να επιτευχθεί σε ορισμένη συχνότητα, ίση με τη συχνότητα μετάπτωσης όλων των πυρηνικών «γυροσκόπιων» του δείγματος. Οι μετρήσεις είναι παρόμοιες με τον συντονισμό ενός ραδιοφωνικού δέκτη στη συχνότητα ενός συγκεκριμένου σταθμού.

Οι μέθοδοι μαγνητικού συντονισμού καθιστούν δυνατή τη μελέτη όχι μόνο των μαγνητικών ιδιοτήτων συγκεκριμένων ατόμων και πυρήνων, αλλά και των ιδιοτήτων του περιβάλλοντος τους. Το θέμα είναι ότι τα μαγνητικά πεδία στα στερεά και τα μόρια είναι ανομοιογενή, αφού παραμορφώνονται από ατομικά φορτία και οι λεπτομέρειες της πορείας της πειραματικής καμπύλης συντονισμού καθορίζονται από το τοπικό πεδίο στην περιοχή όπου βρίσκεται ο προηγούμενος πυρήνας. Αυτό καθιστά δυνατή τη μελέτη των χαρακτηριστικών της δομής ενός συγκεκριμένου δείγματος με μεθόδους συντονισμού.

Υπολογισμός μαγνητικών ιδιοτήτων.

Η μαγνητική επαγωγή του γήινου πεδίου είναι 0,5×10 -4 Τ, ενώ το πεδίο μεταξύ των πόλων ενός ισχυρού ηλεκτρομαγνήτη είναι της τάξης των 2 Τ ή περισσότερο.

Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από οποιαδήποτε διαμόρφωση ρευμάτων μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο Biot-Savart-Laplace για τη μαγνητική επαγωγή του πεδίου που δημιουργείται από το στοιχείο ρεύματος. Υπολογισμός του πεδίου που δημιουργήθηκε από περιγράμματα διαφορετικά σχήματακαι κυλινδρικά πηνία, είναι σε πολλές περιπτώσεις πολύ περίπλοκο. Παρακάτω υπάρχουν τύποι για έναν αριθμό απλών περιπτώσεων. Μαγνητική επαγωγή (σε teslas) του πεδίου που δημιουργείται από ένα μακρύ ευθύ σύρμα με ρεύμα Εγώ

Το πεδίο μιας μαγνητισμένης σιδερένιας ράβδου είναι παρόμοιο με το εξωτερικό πεδίο μιας μακράς ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας με τον αριθμό των στροφών αμπέρ ανά μονάδα μήκους που αντιστοιχεί στο ρεύμα στα άτομα στην επιφάνεια της μαγνητισμένης ράβδου, καθώς τα ρεύματα μέσα στη ράβδο ακυρώνουν το καθένα άλλο έξω (Εικ. 12). Με το όνομα Ampere, ένα τέτοιο επιφανειακό ρεύμα ονομάζεται Ampère. Ισχύς μαγνητικού πεδίου H α, που δημιουργείται από το ρεύμα Ampere, είναι ίση με τη μαγνητική ροπή του μοναδιαίου όγκου της ράβδου Μ.

Εάν μια σιδερένια ράβδος εισαχθεί στην ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, τότε εκτός από το γεγονός ότι το ρεύμα της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο H, η διάταξη των ατομικών διπόλων στο μαγνητισμένο υλικό της ράβδου δημιουργεί μαγνήτιση Μ. Σε αυτή την περίπτωση, η συνολική μαγνητική ροή προσδιορίζεται από το άθροισμα του πραγματικού και του αμπέρ ρεύματος, έτσι ώστε σι = Μ 0(H + H α), ή σι = Μ 0(Η+Μ). Στάση Μ/Hπου ονομάζεται μαγνητική επιδεκτικότητα και συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα ντο; ντοείναι μια αδιάστατη ποσότητα που χαρακτηρίζει την ικανότητα ενός υλικού να μαγνητίζεται σε μαγνητικό πεδίο.

αξία σι/H, που χαρακτηρίζει τις μαγνητικές ιδιότητες του υλικού, ονομάζεται μαγνητική διαπερατότητα και συμβολίζεται με μ α, και μ α = Μ 0Μ, Οπου μ αείναι απόλυτο, και Μ- σχετική διαπερατότητα,

Στις σιδηρομαγνητικές ουσίες η τιμή ντομπορεί να έχει πολύ μεγάλες τιμές - έως 10 4 ё 10 6 . αξία ντοτα παραμαγνητικά υλικά έχουν λίγα Πάνω απο το μηδέν, και για τα διαμαγνητικά - λίγο λιγότερο. Μόνο στο κενό και σε πολύ αδύναμα πεδία είναι οι ποσότητες ντοΚαι Μείναι σταθερές και δεν εξαρτώνται από το εξωτερικό πεδίο. Επαγωγή εξάρτησης σιαπό Hείναι συνήθως μη γραμμικό, και τα γραφήματα του, τα λεγόμενα. καμπύλες μαγνήτισης, για διαφορετικά υλικάκαι μάλιστα πότε διαφορετικές θερμοκρασίεςμπορεί να διαφέρουν σημαντικά (παραδείγματα τέτοιων καμπυλών φαίνονται στα Σχ. 2 και 3).

Οι μαγνητικές ιδιότητες της ύλης είναι πολύ περίπλοκες, και η διεξοδική κατανόησή τους απαιτεί μια ενδελεχή ανάλυση της δομής των ατόμων, των αλληλεπιδράσεών τους στα μόρια, των συγκρούσεων στα αέρια και αμοιβαία επιρροήσε στερεά και υγρά? οι μαγνητικές ιδιότητες των υγρών εξακολουθούν να είναι οι λιγότερο μελετημένες.

Στο σπίτι, στη δουλειά, στο δικό σας αυτοκίνητο ή μέσα δημόσια συγκοινωνίαείμαστε περιτριγυρισμένοι από διάφορους τύπους μαγνητών. Τροφοδοτούν κινητήρες, αισθητήρες, μικρόφωνα και πολλά άλλα κοινά πράγματα. Παράλληλα, σε κάθε περιοχή χρησιμοποιούνται συσκευές που διαφέρουν ως προς τα χαρακτηριστικά και τα χαρακτηριστικά τους. Γενικά, διακρίνονται αυτοί οι τύποι μαγνητών:

Τι είναι οι μαγνήτες

Ηλεκτρομαγνήτες.Ο σχεδιασμός τέτοιων προϊόντων αποτελείται από έναν σιδερένιο πυρήνα, στον οποίο τυλίγονται πηνία σύρματος. Εφαρμόζοντας ηλεκτρικό ρεύμα με διαφορετικές παραμέτρους μεγέθους και κατεύθυνσης, είναι δυνατό να ληφθούν μαγνητικά πεδία απαραίτητη δύναμηκαι πολικότητα.

Το όνομα αυτής της ομάδας μαγνητών είναι συντομογραφία των ονομάτων των συστατικών της: αλουμίνιο, νικέλιο και κοβάλτιο. Το κύριο πλεονέκτημα του κράματος alnico είναι η αξεπέραστη σταθερότητα θερμοκρασίας του υλικού. Άλλοι τύποι μαγνητών δεν μπορούν να καυχηθούν ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε θερμοκρασίες έως +550 ⁰ C. Ταυτόχρονα, αυτό το ελαφρύ υλικό χαρακτηρίζεται από μια ασθενή δύναμη καταναγκασμού. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να απομαγνητιστεί πλήρως όταν εκτεθεί σε ισχυρό εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Ταυτόχρονα, λόγω της προσιτής τιμής του, το alnico είναι μια απαραίτητη λύση σε πολλούς επιστημονικούς και βιομηχανικούς τομείς.

Σύγχρονα μαγνητικά προϊόντα

Έτσι, καταλάβαμε τα κράματα. Τώρα ας προχωρήσουμε στο τι είναι οι μαγνήτες και τι εφαρμογή μπορούν να βρουν στην καθημερινή ζωή. Στην πραγματικότητα, υπάρχει μια τεράστια ποικιλία επιλογών για τέτοια προϊόντα:

1) Παιχνίδια.Βελάκια χωρίς αιχμηρά βελάκια, επιτραπέζια παιχνίδια, αναπτυσσόμενες δομές - οι δυνάμεις του μαγνητισμού κάνουν τη συνηθισμένη ψυχαγωγία πολύ πιο ενδιαφέρουσα και συναρπαστική.

2) Βάσεις και βάσεις.Τα άγκιστρα και τα πάνελ θα βοηθήσουν στην άνετη οργάνωση του χώρου χωρίς σκονισμένη εγκατάσταση και διάτρηση τοίχων. Η μόνιμη μαγνητική δύναμη των συνδετήρων είναι απαραίτητη στο οικιακό εργαστήριο, σε μπουτίκ και καταστήματα. Επιπλέον, θα βρουν μια άξια εφαρμογή σε οποιοδήποτε δωμάτιο.

3) μαγνήτες γραφείου.Για παρουσιάσεις και συναντήσεις, χρησιμοποιούνται μαγνητικές πινακίδες, οι οποίες σας επιτρέπουν να παρουσιάσετε οποιαδήποτε πληροφορία οπτικά και αναλυτικά. Είναι επίσης εξαιρετικά χρήσιμα σε σχολικές τάξεις και πανεπιστημιακές τάξεις.

Μαγνήτες νεοδυμίου και φερρίτη
Πολλά μέταλλα έχουν μαγνητικές ιδιότητες, γεγονός που τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται σε πολλούς τομείς της βιομηχανίας και στην καθημερινή ζωή. Μέχρι πρόσφατα, οι μαγνήτες φερρίτη χρησιμοποιούνταν ευρέως, αλλά τώρα αντικαθίστανται όλο και περισσότερο από μαγνήτες κατασκευασμένους από ένα κράμα του μετάλλου σπανίων γαιών νεοδύμιο, σίδηρο και βόριο. Τα τελευταία κερδίζουν όλο και μεγαλύτερη δημοτικότητα. Ποιος μαγνήτης είναι καλύτερος - φερρίτης ή νεοδύμιο, ας προσπαθήσουμε να το καταλάβουμε σε αυτό το άρθρο.

Μαγνήτης νεοδυμίου
Πολλοί από εμάς έχουμε ακούσει για μαγνήτες νεοδυμίου. Τι είναι? Οι μοναδικές ιδιότητες του μαγνήτη οφείλονται στην παρουσία νεοδυμίου στο κράμα - χημικό στοιχείοαπό την ομάδα των λανθανιδών του περιοδικού πίνακα. Εκτός από το κύριο συστατικό, η σύνθεση του μαγνήτη νεοδυμίου περιλαμβάνει σίδηρο και βόριο ή κοβάλτιο και ύττριο. Ένας μαγνήτης νεοδυμίου δημιουργείται με θέρμανση μιας μάζας σε σκόνη από ενεργά συστατικά. Το περισσότερο διακριτικό χαρακτηριστικόμαγνήτης νεοδυμίου - η ισχύς του σε αρκετά μικρό μέγεθος. Ένας τέτοιος μαγνήτης έχει μια συγκολλητική δύναμη που είναι 10 ή περισσότερες φορές μεγαλύτερη από αυτή των μαγνητών φερρίτη.

Προκειμένου ο μαγνήτης νεοδυμίου να διαρκέσει όσο το δυνατόν περισσότερο, εφαρμόζεται ειδική σύνθεση νικελίου στην επιφάνειά του. Εάν ο μαγνήτης σχεδιάζεται να χρησιμοποιηθεί σε επιθετικά ή υψηλής θερμοκρασίας περιβάλλοντα, τότε συνιστάται να επιλέξετε μια επίστρωση ψευδαργύρου.

Οι μαγνήτες νεοδυμίου χρησιμοποιούνται ευρέως:
Ως μέγγενη ή σφιγκτήρας - η ισχύς νεοδυμίου εξασφαλίζει ομοιόμορφη σύσφιξη του υλικού που τοποθετείται μεταξύ των μαγνητών.
Για ψυχαγωγία - τόσο τα παιδιά όσο και οι ενήλικες ενδιαφέρονται εξίσου να παρακολουθήσουν τα κόλπα που στήνονται με τη βοήθεια αυτού του μαγνήτη.
Για αναζήτηση αντικειμένων από χάλυβα και σίδηρο.
Για μαγνητισμό μεταλλικών αντικειμένων. Τα πράγματα που μαγνητίζει ένας μαγνήτης νεοδυμίου περιλαμβάνουν κατσαβίδια, βελόνες, μαχαίρια και άλλα προϊόντα.
Για αξιόπιστη στερέωση στην επιφάνεια διαφόρων αντικειμένων.

Τύποι μαγνητών νεοδυμίου
Οι μαγνήτες νεοδυμίου διατίθενται σε διάφορες διαμορφώσεις και βάρη. Ακόμη και ένας μικρός μαγνήτης, διαστάσεων 25 * 5 mm, μπορεί να αντέξει βάρος έως και εννέα κιλά και, αν τον χειριστεί κανείς απρόσεκτα, μπορεί να βλάψει το δέρμα. Και όταν χρησιμοποιείτε μαγνήτες μεγαλύτερης μάζας, είναι ακόμη πιο απαραίτητο να τηρείτε ορισμένα μέτρα ασφαλείας για να αποκλείσετε πιθανούς τραυματισμούς.

Μαγνήτης φερρίτη - τι είναι
Οι πιο συνηθισμένοι μεταξύ των συνηθισμένων είναι οι μαγνήτες φερρίτη, οι οποίοι είναι ένα κράμα οξειδίου του σιδήρου με οξείδια άλλων μετάλλων. Οι απλοί μαγνήτες κατασκευάζονται συχνότερα με τη μορφή πετάλου. Μεταξύ των κύριων χαρακτηριστικών των σιδηρομαγνητών είναι:
Καλή αντοχή στη θερμοκρασία.
Υψηλή μαγνητική διαπερατότητα.
Χαμηλό κόστος.
Οι μαγνήτες φερρίτη συνήθως επισημαίνονται με σημάδια πόλων σε κόκκινο και μπλε χρώμα.

Σύγκριση μαγνητών
Ποια είναι λοιπόν η διαφορά μεταξύ ενός μαγνήτη νεοδυμίου και ενός κανονικού μαγνήτη και πώς μπορούν να προσδιοριστούν οπτικά αυτές οι διαφορές; Οι μαγνήτες νεοδυμίου έχουν γίνει πολύ δημοφιλείς όχι πολύ καιρό πριν (οι τεχνολογίες παραγωγής τους είναι μόλις περίπου 30 ετών), αλλά χρησιμοποιούνται ήδη σχεδόν σε όλους τους τομείς της ζωής. Όπως αναφέρθηκε ήδη, η πιο σημαντική διαφορά μεταξύ ενός μαγνήτη νεοδυμίου και ενός συμβατικού είναι η αντοχή πρόσφυσής του και η κύρια μαγνητικά χαρακτηριστικά: μαγνητική ενέργεια, παραμένουσα μαγνητική επαγωγή και καταναγκαστική δύναμη. Οι τιμές αυτών των χαρακτηριστικών είναι πολλές φορές υψηλότερες από αυτές των σιδηρομαγνητών. Ο ευκολότερος τρόπος για να προσδιορίσετε τον τύπο του μαγνήτη είναι να προσπαθήσετε να τον αφαιρέσετε από μια σιδερένια επιφάνεια. Εάν διαχωρίζεται εύκολα, τότε είναι σιδηρομαγνήτης, αλλά εάν είναι δυνατό να αφαιρεθεί ο μαγνήτης μόνο μετά από ορισμένες προσπάθειες, τότε έχουμε έναν μαγνήτη νεοδυμίου. Εκτός από αυτό το χαρακτηριστικό, οι μαγνήτες διαφέρουν με διάφορους τρόπους.

Διάρκεια Ζωής
Εάν οι σιδηρομαγνήτες λειτουργούν για περίπου 10 χρόνια στο σωστή χρήσηκαι μετά εντελώς απομαγνητισμένος, η διάρκεια ζωής ενός μαγνήτη νεοδυμίου είναι πρακτικά απεριόριστη. Πίσω ανθρώπινη ηλικίαΗ δύναμη των μαγνητών νεοδυμίου χάνεται μόνο κατά 1%.

Δύναμη της βαρύτητας
Η ελκτική δύναμη ενός μαγνήτη νεοδυμίου με τις ίδιες διαστάσεις είναι περίπου 10 φορές μεγαλύτερη από τη δύναμη ενός σιδηρομαγνήτη. Επομένως, ένας μικρός αλλά πολύ ισχυρός μαγνήτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υπολογιστές και ακουστικά συστήματα, καθώς και για την κατασκευή διαφόρων αναμνηστικών και κοσμημάτων.

Μορφή
Οι σιδηρομαγνήτες παράγονται κυρίως με τη μορφή πετάλου με κόκκινα και μπλε πόδια που δείχνουν τους αρνητικούς και θετικούς πόλους. Το σχήμα πετάλου σάς επιτρέπει να κλείσετε τις γραμμές μαγνητικού πεδίου για να αυξήσετε τη διάρκεια ζωής του σιδηρομαγνήτη. Οι μαγνήτες νεοδυμίου παράγονται σε διάφορα σχήματα και διαμορφώσεις - παραλληλεπίπεδο, δακτύλιος, δίσκος και άλλα. Στην επιφάνειά τους μπορείτε να τοποθετήσετε αρκετούς στύλους, να τους κάνετε δηλαδή «πολυπολικούς».

Τιμή
Ένας μαγνήτης νεοδυμίου είναι πιο ακριβός από έναν φερρίτη, κάτι που δικαιολογείται από τα χαρακτηριστικά και τη διάρκεια ζωής του. Έχοντας αγοράσει έναν μαγνήτη νεοδυμίου, παίρνετε έναν σχεδόν "αιώνιο" μαγνήτη, τουλάχιστον οι ιδιότητές του δύσκολα θα αλλάξουν κατά τη διάρκεια της ζωής σας.

Πλεονεκτήματα και εφαρμογές του μαγνήτη νεοδυμίου
Έτσι, ένας μαγνήτης νεοδυμίου, παρά τα περισσότερα υψηλή τιμή, έχει αναμφισβήτητα πλεονεκτήματα έναντι του συμβατικού φερρίτη. Αυξημένη ισχύς, μεγάλη διάρκεια ζωής, διάφορα σχήματαΗ κατασκευή παρείχε στον μαγνήτη κράματος νεοδυμίου-σιδήρου-βορίου μεγάλη ζήτηση μεταξύ των καταναλωτών.

Γιατί χρειάζεστε έναν μαγνήτη νεοδυμίου
Τι σημαίνει ένας μαγνήτης νεοδυμίου για έναν σύγχρονο άνθρωπο Καθημερινή ζωή? Εκτός από τις παραπάνω χρήσεις, το δημοφιλές υλικό χρησιμοποιείται για:
Καθαρισμός ενυδρείων και άλλων δοχείων, καθώς και λιπαντικών κινητήρα και κιβωτίων ταχυτήτων που χρησιμοποιούνται σε εξοπλισμό αυτοκινήτων.
Ακριβής ευθυγράμμιση μεταλλικών επιφανειών.
Απομαγνητισμός δίσκων, ταινιών και για πολλές άλλες δράσεις.
Φυσικά, όλα τα χαρακτηριστικά των μαγνητών νεοδυμίου που αναφέρονται στο άρθρο έχουν σημασία μόνο κατά την αγορά υλικών υψηλής ποιότητας. Όλοι όσοι αγόρασαν ξεχωριστά νεοδύμιο στο World of Magnets γνωρίζουν ότι το ηλεκτρονικό κατάστημα παρέχει όλες τις απαραίτητες εγγυήσεις και πιστοποιητικά ποιότητας και παρέχει επίσης σε κάθε αγοραστή ικανές συμβουλές.

Ας καταλάβουμε μαζί τι είναι μαγνητικό πεδίο. Εξάλλου, πολλοί άνθρωποι ζουν σε αυτόν τον τομέα όλη τους τη ζωή και δεν το σκέφτονται καν. Καιρός να το φτιάξεις!

Ένα μαγνητικό πεδίο

Ένα μαγνητικό πεδίοείναι ένα ιδιαίτερο είδος θέματος. Εκδηλώνεται με τη δράση σε κινούμενα ηλεκτρικά φορτία και σώματα που έχουν τη δική τους μαγνητική ροπή (μόνιμοι μαγνήτες).

Σημαντικό: ένα μαγνητικό πεδίο δεν δρα σε σταθερά φορτία! Ένα μαγνητικό πεδίο δημιουργείται επίσης με την κίνηση ηλεκτρικά φορτία, ή από ένα χρονικά μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο, ή μαγνητικές στιγμέςηλεκτρόνια στα άτομα. Δηλαδή, οποιοδήποτε σύρμα από το οποίο περνάει ρεύμα γίνεται και μαγνήτης!

Ένα σώμα που έχει το δικό του μαγνητικό πεδίο.

Ένας μαγνήτης έχει πόλους που ονομάζονται βόρειοι και νότιοι. Οι ονομασίες «βόρειος» και «νότιος» δίνονται μόνο για λόγους ευκολίας (ως «συν» και «μείον» στον ηλεκτρισμό).

Το μαγνητικό πεδίο αντιπροσωπεύεται από δύναμη μαγνητικές γραμμές. Οι γραμμές δύναμης είναι συνεχείς και κλειστές και η κατεύθυνσή τους συμπίπτει πάντα με την κατεύθυνση των δυνάμεων πεδίου. Εάν τα μεταλλικά ρινίσματα είναι διασκορπισμένα γύρω από έναν μόνιμο μαγνήτη, τα μεταλλικά σωματίδια θα δείξουν μια καθαρή εικόνα των γραμμών του μαγνητικού πεδίου που αναδύονται από τον βορρά και εισέρχονται στον νότιο πόλο. Γραφικό χαρακτηριστικό του μαγνητικού πεδίου - γραμμές δύναμης.

Χαρακτηριστικά μαγνητικού πεδίου

Τα κύρια χαρακτηριστικά του μαγνητικού πεδίου είναι μαγνητική επαγωγή, μαγνητική ροήΚαι μαγνητική διαπερατότητα. Αλλά ας μιλήσουμε για όλα με τη σειρά.

Αμέσως σημειώνουμε ότι όλες οι μονάδες μέτρησης δίνονται στο σύστημα ΣΙ.

Μαγνητική επαγωγή σι – διάνυσμα φυσική ποσότητα, που είναι το κύριο χαρακτηριστικό ισχύος του μαγνητικού πεδίου. Υποδηλώνεται με γράμμα σι . Η μονάδα μέτρησης της μαγνητικής επαγωγής - Tesla (Tl).

Η μαγνητική επαγωγή δείχνει πόσο ισχυρό είναι ένα πεδίο προσδιορίζοντας τη δύναμη με την οποία δρα σε ένα φορτίο. Αυτή η δύναμη ονομάζεται Δύναμη Lorentz.

Εδώ q - χρέωση, v - η ταχύτητά του σε μαγνητικό πεδίο, σι - επαγωγή, φά είναι η δύναμη Lorentz με την οποία το πεδίο δρα στο φορτίο.

φά- φυσική ποσότητα, ίσο με το γινόμενομαγνητική επαγωγή στην περιοχή του περιγράμματος και του συνημιτόνου μεταξύ του διανύσματος επαγωγής και του κάθετου προς το επίπεδο του περιγράμματος από το οποίο διέρχεται η ροή. μαγνητική ροή- βαθμωτό χαρακτηριστικό του μαγνητικού πεδίου.

Μπορούμε να πούμε ότι η μαγνητική ροή χαρακτηρίζει τον αριθμό των γραμμών μαγνητικής επαγωγής που διαπερνούν μια μονάδα επιφάνειας. Η μαγνητική ροή μετριέται σε Weberach (WB).

Μαγνητική διαπερατότηταείναι ο συντελεστής που καθορίζει τις μαγνητικές ιδιότητες του μέσου. Μία από τις παραμέτρους από τις οποίες εξαρτάται η μαγνητική επαγωγή του πεδίου είναι η μαγνητική διαπερατότητα.

Ο πλανήτης μας είναι ένας τεράστιος μαγνήτης για αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια. Η επαγωγή του μαγνητικού πεδίου της Γης ποικίλλει ανάλογα με τις συντεταγμένες. Στον ισημερινό, είναι περίπου 3,1 επί 10 προς την μείον πέμπτη δύναμη του Τέσλα. Επιπλέον, υπάρχουν μαγνητικές ανωμαλίες, όπου η τιμή και η κατεύθυνση του πεδίου διαφέρουν σημαντικά από τις γειτονικές περιοχές. Μία από τις μεγαλύτερες μαγνητικές ανωμαλίες στον πλανήτη - ΚουρσκΚαι Μαγνητική ανωμαλία της Βραζιλίας.

Η προέλευση του μαγνητικού πεδίου της Γης παραμένει ακόμα ένα μυστήριο για τους επιστήμονες. Υποτίθεται ότι η πηγή του πεδίου είναι ο υγρός μεταλλικός πυρήνας της Γης. Ο πυρήνας κινείται, πράγμα που σημαίνει ότι το λιωμένο κράμα σιδήρου-νικελίου κινείται και η κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων είναι το ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο. Το πρόβλημα είναι ότι αυτή η θεωρία γεωδύναμο) δεν εξηγεί πώς το πεδίο διατηρείται σταθερό.

Η γη είναι ένα τεράστιο μαγνητικό δίπολο.Οι μαγνητικοί πόλοι δεν συμπίπτουν με τους γεωγραφικούς, αν και είναι μέσα σε κοντινή απόσταση. Επιπλέον, οι μαγνητικοί πόλοι της Γης κινούνται. Η μετατόπισή τους καταγράφεται από το 1885. Για παράδειγμα, τα τελευταία εκατό χρόνια, ο μαγνητικός πόλος μέσα Νότιο ημισφαίριομετακινήθηκε σχεδόν 900 χιλιόμετρα και τώρα βρίσκεται στον Νότιο Ωκεανό. Ο πόλος του αρκτικού ημισφαιρίου κινείται κατά μήκος του Αρκτικού Ωκεανού προς την μαγνητική ανωμαλία της Ανατολικής Σιβηρίας, η ταχύτητα της κίνησής του (σύμφωνα με τα δεδομένα του 2004) ήταν περίπου 60 χιλιόμετρα ετησίως. Τώρα υπάρχει μια επιτάχυνση της κίνησης των πόλων - κατά μέσο όρο, η ταχύτητα αυξάνεται κατά 3 χιλιόμετρα ετησίως.

Ποια είναι η σημασία του μαγνητικού πεδίου της Γης για εμάς;Πρώτα απ 'όλα, το μαγνητικό πεδίο της Γης προστατεύει τον πλανήτη από κοσμικές ακτίνεςκαι ηλιακός άνεμος. Τα φορτισμένα σωματίδια από το βαθύ διάστημα δεν πέφτουν απευθείας στο έδαφος, αλλά εκτρέπονται από έναν τεράστιο μαγνήτη και κινούνται κατά μήκος των γραμμών δύναμής του. Έτσι, όλα τα έμβια όντα προστατεύονται από την επιβλαβή ακτινοβολία.

Κατά τη διάρκεια της ιστορίας της Γης, υπήρξαν πολλά αναστροφές(αλλαγές) μαγνητικούς πόλους. Αναστροφή πόλουείναι όταν αλλάζουν θέσεις. Την τελευταία φορά που αυτό το φαινόμενο συνέβη πριν από περίπου 800 χιλιάδες χρόνια και υπήρξαν περισσότερες από 400 γεωμαγνητικές ανατροπές στην ιστορία της Γης. Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι, δεδομένης της παρατηρούμενης επιτάχυνσης της κίνησης των μαγνητικών πόλων, η επόμενη αντιστροφή πόλων θα πρέπει να είναι αναμένεται τα επόμενα δύο χιλιάδες χρόνια.

Ευτυχώς δεν αναμένεται αντιστροφή πόλων στον αιώνα μας. Έτσι, μπορείτε να σκεφτείτε τα ευχάριστα και να απολαύσετε τη ζωή στο παλιό καλό σταθερό πεδίο της Γης, έχοντας αναλογιστεί τις κύριες ιδιότητες και χαρακτηριστικά του μαγνητικού πεδίου. Και για να μπορέσετε να το κάνετε αυτό, υπάρχουν οι συγγραφείς μας, στους οποίους μπορούμε να εμπιστευτούμε μερικά από τα εκπαιδευτικά προβλήματα με εμπιστοσύνη στην επιτυχία! και άλλα είδη εργασίας που μπορείτε να παραγγείλετε στον σύνδεσμο.