stringtranslate.com

Магнит

Магнетитовый камень притягивается сверху неодимовым магнитом .

Магнит — это материал или объект, создающий магнитное поле . Это магнитное поле невидимо, но отвечает за наиболее заметное свойство магнита: силу, которая притягивает другие ферромагнитные материалы , такие как железо , сталь , никель , кобальт и т. д., и притягивает или отталкивает другие магниты.

Постоянный магнит — это объект, изготовленный из материала, который намагничивается и создает собственное постоянное магнитное поле. Повседневный пример — магнит на холодильнике , который используется для хранения заметок на дверце холодильника. Материалы, которые можно намагничивать, а также сильно притягиваются магнитом, называются ферромагнетиками (или ферримагнитниками ). К ним относятся элементы железо , никель и кобальт и их сплавы, некоторые сплавы редкоземельных металлов и некоторые природные минералы, такие как магнит . Хотя ферромагнитные (и ферримагнитные) материалы — единственные, которые притягиваются к магниту достаточно сильно, чтобы их можно было считать магнитными, все остальные вещества слабо реагируют на магнитное поле одним из нескольких других типов магнетизма .

Ферромагнитные материалы можно разделить на магнитно «мягкие» материалы, такие как отожженное железо , которое может намагничиваться, но не имеет тенденции оставаться намагниченным, и магнитно «твердые» материалы, которые это делают. Постоянные магниты изготавливаются из «твердых» ферромагнитных материалов, таких как алнико и феррит , которые во время производства подвергаются специальной обработке в сильном магнитном поле для выравнивания их внутренней микрокристаллической структуры, что делает их очень трудно размагничивать. Чтобы размагнитить насыщенный магнит, необходимо приложить определенное магнитное поле, и этот порог зависит от коэрцитивной силы соответствующего материала. «Твердые» материалы обладают высокой коэрцитивной силой, тогда как «мягкие» материалы имеют низкую коэрцитивную силу. Общая сила магнита измеряется его магнитным моментом или, альтернативно, общим магнитным потоком, который он производит. Локальная сила магнетизма в материале измеряется его намагниченностью .

Электромагнит состоит из катушки проволоки, которая действует как магнит, когда через нее проходит электрический ток, но перестает быть магнитом, когда ток прекращается . Часто катушку наматывают на сердечник из «мягкого» ферромагнитного материала, такого как мягкая сталь , что значительно усиливает магнитное поле, создаваемое катушкой.

Открытие и развитие

Древние люди узнали о магнетизме из магнитов (или магнетита ), которые естественным образом представляют собой намагниченные куски железной руды. Слово «магнит» было заимствовано в среднеанглийском языке от латинского « magnetum » «магнит», в конечном итоге от греческого μαγνῆτις [λίθος] ( magnetis [lithos] ) [1] что означает «[камень] из Магнезии», [2] место в Анатолии , где магниты были найден (сегодня Маниса на территории современной Турции ). Магниты, подвешенные так, чтобы они могли вращаться, были первыми магнитными компасами . Самые ранние из известных сохранившихся описаний магнитов и их свойств относятся к Анатолии, Индии и Китаю около 2500 лет назад. [3] [4] [5] Свойства магнитов и их сродство к железу были описаны Плинием Старшим в его энциклопедии Naturalis Historia . [6]

В Китае XI века было обнаружено, что закалка раскаленного железа в магнитном поле Земли оставляет железо намагниченным навсегда. Это привело к разработке навигационного компаса , описанного в «Очерках бассейна снов» в 1088 году. [7] [8] К 12-13 векам нашей эры магнитные компасы использовались в навигации в Китае, Европе, на Аравийском полуострове и в других местах. [9]

Прямой железный магнит имеет тенденцию размагничиваться собственным магнитным полем. Чтобы преодолеть эту проблему, Даниэль Бернулли изобрел подковообразный магнит в 1743 году. [7] [10] Подковообразный магнит позволяет избежать размагничивания, возвращая линии магнитного поля к противоположному полюсу. [11]

В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что стрелка компаса отклоняется под действием электрического тока. В том же году Андре-Мари Ампер показал, что железо можно намагничивать, поместив его в соленоид с электрическим питанием. Это побудило Уильяма Стерджена разработать электромагнит с железным сердечником в 1824 году. [7] Джозеф Генри развил электромагнит до коммерческого продукта в 1830–1831 годах, впервые предоставив людям доступ к сильным магнитным полям. В 1831 году он построил сепаратор руды с электромагнитом, способным поднимать 750 фунтов (340 кг). [12]

Физика

Магнитное поле

Железные опилки, ориентированные в магнитном поле, создаваемом стержневым магнитом.
Обнаружение магнитного поля с помощью компаса и железных опилок

Плотность магнитного потока (также называемая магнитным полем B или просто магнитным полем, обычно обозначаемым B ) представляет собой векторное поле . Вектор магнитного поля B в данной точке пространства определяется двумя свойствами:

  1. Его направление соответствует направлению стрелки компаса .
  2. Его величина (также называемая силой ), которая пропорциональна тому, насколько сильно стрелка компаса ориентирована в этом направлении.

В единицах СИ напряженность магнитного поля B выражается в теслах . [13]

Магнитный момент

Магнитный момент магнита (также называемый магнитным дипольным моментом и обычно обозначаемый μ ) — это вектор , который характеризует общие магнитные свойства магнита. Для стержневого магнита направление магнитного момента указывает от южного полюса магнита к его северному полюсу [14] , а величина зависит от того, насколько сильны и насколько далеко друг от друга находятся эти полюса. В единицах СИ магнитный момент выражается в А·м 2 (амперы, умноженные на метры в квадрате).

Магнит одновременно создает собственное магнитное поле и реагирует на магнитные поля. Сила создаваемого им магнитного поля в любой данной точке пропорциональна величине его магнитного момента. Кроме того, когда магнит помещается во внешнее магнитное поле, созданное другим источником, на него действует крутящий момент , стремящийся направить магнитный момент параллельно полю. [15] Величина этого крутящего момента пропорциональна как магнитному моменту, так и внешнему полю. На магнит также может действовать сила, движущая его в том или ином направлении, в зависимости от положения и ориентации магнита и источника. Если поле однородно в пространстве, на магнит не действует результирующая сила, хотя на него действует крутящий момент. [16]

Провод в форме круга площадью А с током I имеет магнитный момент, равный IA .

Намагниченность

Намагниченность намагниченного материала — это локальное значение его магнитного момента на единицу объема, обычно обозначаемое М , с единицами А / м . [17] Это векторное поле , а не просто вектор (как магнитный момент), потому что разные области магнита могут быть намагничены с разными направлениями и силой (например, из-за доменов, см. ниже). Хороший стержневой магнит может иметь магнитный момент величиной 0,1 А·м 2 и объем 1 см 3 , или 1×10 -6  м 3 , и, следовательно, средняя величина намагничивания составляет 100 000 А/м. Железо может иметь намагниченность около миллиона ампер на метр. Столь большое значение объясняет, почему железные магниты так эффективно создают магнитные поля.

Моделирование магнитов

Поле цилиндрического стержневого магнита рассчитано точно

Для магнитов существуют две разные модели: магнитные полюса и атомные токи.

Хотя для многих целей удобно думать о магните как о наличии отдельных северного и южного магнитных полюсов, концепцию полюсов не следует понимать буквально: это просто способ обозначения двух разных концов магнита. Магнит не имеет четких северных или южных частиц на противоположных сторонах. Если стержневой магнит разбить на две части, пытаясь разделить северный и южный полюса, в результате получится два стержневых магнита, каждый из которых имеет северный и южный полюс. Однако версия подхода магнитного полюса используется профессиональными магнетиками для проектирования постоянных магнитов. [ нужна цитата ]

В этом подходе расходимость намагниченности ∇· M внутри магнетика трактуется как распределение магнитных монополей . Это математическое удобство, но оно не означает, что в магните действительно существуют монополи. Если распределение магнитных полюсов известно, то модель полюса дает магнитное поле H . Снаружи магнита поле B пропорционально H , а внутри намагниченность должна быть добавлена ​​к H. Расширение этого метода, учитывающее внутренние магнитные заряды, используется в теориях ферромагнетизма.

Другая модель — это модель Ампера , в которой вся намагниченность обусловлена ​​действием микроскопических или атомных круговых связанных токов , также называемых токами Ампера, проходящих по всему материалу. Для однородно намагниченного цилиндрического стержневого магнита конечный эффект микроскопических связанных токов заключается в том, что магнит ведет себя так, как будто вокруг поверхности течет макроскопический слой электрического тока с локальным направлением потока, перпендикулярным оси цилиндра. [18] Микроскопические токи в атомах внутри материала обычно нейтрализуются токами в соседних атомах, поэтому чистый вклад вносит только поверхность; сбривание внешнего слоя магнита не разрушит его магнитное поле, но оставит новую поверхность неустраненных токов из круговых токов по всему материалу. [19] Правило правой руки показывает, в каком направлении течет положительно заряженный ток. Однако ток, возникающий из-за отрицательно заряженного электричества, на практике гораздо более распространен. [ нужна цитата ]

Полярность

Северным полюсом магнита называют полюс, который при свободном подвешивании магнита направлен в сторону Северного магнитного полюса Земли в Арктике (магнитный и географический полюса не совпадают, см. магнитное склонение ). Поскольку противоположные полюса (северный и южный) притягиваются, Северный магнитный полюс фактически является южным полюсом магнитного поля Земли. [20] [21] [22] [23] На практике, чтобы определить, какой полюс магнита северный, а какой южный, вовсе не обязательно использовать магнитное поле Земли. Например, одним из методов было бы сравнить его с электромагнитом , полюса которого можно определить по правилу правой руки . По соглашению считается, что линии магнитного поля магнита выходят из северного полюса магнита и снова входят в южный полюс. [23]

Магнитные материалы

Термин « магнит» обычно применяется к объектам, которые создают собственное постоянное магнитное поле даже в отсутствие приложенного магнитного поля. Только определенные классы материалов могут это сделать. Однако большинство материалов создают магнитное поле в ответ на приложенное магнитное поле – явление, известное как магнетизм. Существует несколько типов магнетизма, и все материалы обладают хотя бы одним из них.

Общее магнитное поведение материала может сильно различаться в зависимости от структуры материала, особенно от его электронной конфигурации . В различных материалах наблюдалось несколько форм магнитного поведения, в том числе:

Существуют и другие типы магнетизма, такие как спиновое стекло , суперпарамагнетизм , супердиамагнетизм и метамагнетизм .

Обычное использование

Жесткие диски записывают данные на тонкое магнитное покрытие.
Ручной магнитный сепаратор для тяжелых минералов
Магниты имеют множество применений в игрушках . M-tic использует для строительства магнитные стержни, соединенные с металлическими сферами .

Медицинские вопросы и безопасность

Поскольку ткани человека имеют очень низкий уровень восприимчивости к статическим магнитным полям, существует мало основных научных данных, показывающих влияние на здоровье, связанное с воздействием статических полей. Однако динамические магнитные поля могут представлять собой другую проблему; корреляция между электромагнитным излучением и уровнем рака была постулирована из-за демографических корреляций (см. Электромагнитное излучение и здоровье ).

Если в тканях человека присутствует ферромагнитное инородное тело, внешнее магнитное поле, взаимодействующее с ним, может представлять серьезную угрозу безопасности. [30]

Существует другой тип непрямого магнитного риска для здоровья, связанный с кардиостимуляторами. Если в грудную клетку пациента встроен кардиостимулятор (обычно с целью мониторинга и регулирования работы сердца на предмет устойчивых электрических сокращений ), следует позаботиться о том, чтобы держать его вдали от магнитных полей. Именно по этой причине пациента с установленным устройством нельзя обследовать с помощью аппарата магнитно-резонансной томографии.

Дети иногда глотают маленькие магниты из игрушек, и это может быть опасно, если проглотить два или более магнита, поскольку магниты могут защемить или проколоть внутренние ткани. [31]

Устройства магнитной визуализации (например, МРТ) генерируют огромные магнитные поля, поэтому помещения, предназначенные для их хранения, исключают присутствие черных металлов. Пронос предметов из черных металлов (например, баллонов с кислородом) в такое помещение создает серьезную угрозу безопасности, поскольку эти предметы могут быть сильно отброшены интенсивными магнитными полями.

Намагничивание ферромагнетиков

Ферромагнитные материалы можно намагничивать следующими способами:

Размагничивающие ферромагнетики

Намагниченные ферромагнитные материалы можно размагничивать (или размагничивать) следующими способами:

Виды постоянных магнитов

Магнитные металлические элементы

Многие материалы имеют неспаренные электронные спины, и большинство этих материалов являются парамагнитными . Когда спины взаимодействуют друг с другом таким образом, что спины выравниваются спонтанно, материалы называются ферромагнитными (то, что часто условно называют магнитными). Из-за того, как их регулярная кристаллическая атомная структура заставляет их спины взаимодействовать, некоторые металлы являются ферромагнитными, когда они находятся в их естественном состоянии, например, в руде . К ним относятся железная руда ( магнетит или магнит ), кобальт и никель , а также редкоземельные металлы гадолиний и диспрозий (при очень низкой температуре). Такие встречающиеся в природе ферромагнетики использовались в первых экспериментах с магнетизмом. С тех пор технологии расширили доступность магнитных материалов, включив в них различные искусственные продукты, однако все они основаны на естественных магнитных элементах.

Композиты

Стопка ферритовых магнитов

Керамические или ферритовые магниты изготавливаются из спеченного композита порошкообразного оксида железа и керамики из карбоната бария / стронция . Учитывая низкую стоимость материалов и методов производства, можно легко массово производить недорогие магниты (или ненамагниченные ферромагнитные сердечники для использования в электронных компонентах , таких как портативные AM-радиоантенны ) различной формы. Полученные магниты не подвержены коррозии, но хрупкие , и с ними следует обращаться, как с другой керамикой.

Магниты Alnico изготавливаются путем литья или спекания комбинации алюминия , никеля и кобальта с железом и небольшим количеством других элементов, добавляемых для улучшения свойств магнита. Спекание обеспечивает превосходные механические характеристики, тогда как литье создает более сильные магнитные поля и позволяет создавать сложные формы. Магниты из алнико устойчивы к коррозии и имеют более щадящие физические свойства, чем феррит, но не такие желательные, как металл. Торговые названия сплавов этого семейства включают: Alni, Alcomax, Hycomax, Columax и Ticonal . [34]

Магниты, изготовленные методом литья под давлением, представляют собой композит различных типов смол и магнитных порошков, позволяющий изготавливать детали сложной формы методом литья под давлением. Физические и магнитные свойства продукта зависят от сырья, но, как правило, имеют меньшую магнитную силу и по своим физическим свойствам напоминают пластмассы .

Гибкий магнит

Гибкие магниты состоят из ферромагнитного соединения с высокой коэрцитивной силой (обычно оксида железа ), смешанного со смолистым полимерным связующим. [35] Его выдавливают в виде листа и пропускают через ряд мощных цилиндрических постоянных магнитов. Эти магниты расположены стопкой с чередующимися магнитными полюсами вверх (N, S, N, S...) на вращающемся валу. Это впечатляет пластиковый лист магнитными полюсами в виде чередующихся линий. Для создания магнитов не используется электромагнетизм. Расстояние между полюсами составляет около 5 мм, но зависит от производителя. Эти магниты имеют меньшую магнитную силу, но могут быть очень гибкими, в зависимости от используемого связующего. [36]

Для магнитных соединений (например, Nd 2 Fe 14 B ), которые подвержены проблеме зернограничной коррозии, это обеспечивает дополнительную защиту. [35]

Редкоземельные магниты

Магниты овоидной формы (возможно, гематиновые ), свисающие один на другом.

Редкоземельные ( лантаноидные ) элементы имеют частично занятую f- электронную оболочку (в которой может разместиться до 14 электронов). Вращение этих электронов может быть выровнено, что приводит к образованию очень сильных магнитных полей, и поэтому эти элементы используются в компактных высокопрочных магнитах, где их более высокая цена не является проблемой. Наиболее распространенными типами редкоземельных магнитов являются самарий-кобальтовые и неодим-железо-борные (НИБ) магниты.

Одномолекулярные магниты (SMM) и одноцепочечные магниты (SCM)

В 1990-е годы было обнаружено, что некоторые молекулы, содержащие ионы парамагнитных металлов, способны сохранять магнитный момент при очень низких температурах. Они сильно отличаются от обычных магнитов, которые хранят информацию на уровне магнитных доменов, и теоретически могут обеспечить гораздо более плотный носитель информации, чем обычные магниты. В этом направлении в настоящее время ведутся исследования монослоев СММ. Вкратце, двумя основными атрибутами SMM являются:

  1. большое значение спина основного состояния ( S ), которое обеспечивается ферромагнитной или ферримагнитной связью между парамагнитными металлическими центрами
  2. отрицательное значение анизотропии расщепления нулевого поля ( D )

Большинство СММ содержат марганец, но их также можно найти с кластерами ванадия, железа, никеля и кобальта. Совсем недавно было обнаружено, что некоторые цепные системы могут также проявлять намагниченность, которая сохраняется в течение длительного времени при более высоких температурах. Эти системы получили название одноцепочечных магнитов.

Наноструктурированные магниты

Некоторые наноструктурированные материалы обладают энергетическими волнами , называемыми магнонами , которые сливаются в общее основное состояние наподобие конденсата Бозе-Эйнштейна . [37] [38]

Постоянные магниты, не содержащие редкоземельных элементов

Министерство энергетики США определило необходимость поиска заменителей редкоземельных металлов в технологии постоянных магнитов и начало финансировать такие исследования. Агентство перспективных исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E) спонсировало программу «Редкоземельные альтернативы в критических технологиях» (REACT) по разработке альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделило 31,6 миллиона долларов на финансирование проектов по замене редкоземельных элементов. [39] Нитриды железа являются перспективными материалами для редкоземельных свободных магнитов. [40]

Расходы

В настоящее время самые дешевые постоянные магниты, учитывающие напряженность поля, представляют собой гибкие и керамические магниты, но они также относятся к числу самых слабых типов. Ферритовые магниты в основном являются недорогими магнитами, поскольку изготавливаются из дешевого сырья: оксида железа и карбоната Ba- или Sr. Однако был разработан новый недорогой магнит, сплав Mn-Al, [35] [ необходим непервичный источник ] [41] , который в настоящее время доминирует в области недорогих магнитов. [ нужна цитация ] Он имеет более высокую намагниченность насыщения, чем ферритовые магниты. Он также имеет более благоприятные температурные коэффициенты, хотя может быть термически нестабильным.Неодим-железо-борные магниты (НИБ) являются одними из самых сильных. Они стоят дороже за килограмм, чем большинство других магнитных материалов, но из-за их сильного поля во многих приложениях они меньше и дешевле. [42]

Температура

Температурная чувствительность варьируется, но когда магнит нагревается до температуры, известной как точка Кюри , он теряет весь свой магнетизм даже после охлаждения ниже этой температуры. Однако магниты часто можно перемагнитить.

Кроме того, некоторые магниты хрупкие и могут сломаться при высоких температурах.

Максимальная полезная температура является самой высокой для магнитов из алнико и составляет более 540 °C (1000 °F), около 300 °C (570 °F) для феррита и SmCo, около 140 °C (280 °F) для NIB и ниже для гибкой керамики. , но точные цифры зависят от марки материала.

Электромагниты

Электромагнит в своей простейшей форме представляет собой провод, намотанный в одну или несколько петель, известных как соленоид . Когда электрический ток протекает по проводу, создается магнитное поле. Он сосредоточен вблизи (и особенно внутри) катушки, и ее силовые линии очень похожи на линии магнита. Ориентация этого эффективного магнита определяется правилом правой руки . Магнитный момент и магнитное поле электромагнита пропорциональны числу витков провода, сечению каждого витка и току, протекающему по проводу. [43]

Если катушка с проводом обернута материалом, не имеющим особых магнитных свойств (например, картоном), она будет генерировать очень слабое поле. Однако, если его обернуть вокруг мягкого ферромагнитного материала, такого как железный гвоздь, то создаваемое чистое поле может привести к увеличению напряженности поля в несколько сотен или тысяч раз.

Электромагниты используются в ускорителях частиц , электродвигателях , кранах на свалках и машинах магнитно-резонансной томографии . Некоторые приложения включают в себя конфигурации, выходящие за рамки простого магнитного диполя; например, квадрупольные и секступольные магниты используются для фокусировки пучков частиц .

Единицы измерения и расчеты

Для большинства инженерных приложений обычно используются единицы MKS (рационализированные) или SI (Système International). Два других набора единиц, Гауссовы и CGS-EMU , одинаковы для магнитных свойств и обычно используются в физике. [ нужна цитата ]

Во всех единицах удобно использовать два типа магнитного поля B и H , а также намагниченность M , определяемую как магнитный момент единицы объема.

  1. Поле магнитной индукции B выражается в единицах системы СИ – теслах (Тл). B — магнитное поле, изменение которого во времени создает, согласно закону Фарадея, циркулирующие электрические поля (которые продают энергетические компании). B также создает силу отклонения движущихся заряженных частиц (как в телевизионных трубках). Тесла эквивалентен магнитному потоку (в веберах) на единицу площади (в квадратных метрах), что дает B единицу плотности потока. В CGS единицей B является гаусс (G). Одна тесла равна 10 4  Г.
  2. Магнитное поле H выражается в единицах СИ: ампер-витки на метр (А-виток/м). Витки появляются потому, что когда H создается проводом с током, его значение пропорционально количеству витков этого провода. В СГС единицей измерения H является эрстед (Э). Один А-виток/м равен 4π×10 −3 Э.
  3. Намагниченность M выражается в единицах СИ — ампер на метр (А/м). В СГС единицей М является эрстед (Э). Один А/м равен 10 -3  эме/см 3 . Хороший постоянный магнит может иметь намагниченность до миллиона ампер на метр.
  4. В единицах СИ справедливо соотношение B  = µ 0 ( H  +  M ), где µ 0 — проницаемость пространства, равная 4π×10 −7  T•m/A. В CGS это записывается как B  = H  + 4π M. (Полюсный подход дает μ 0 H в единицах СИ. Затем к этому μ 0 H необходимо добавить термин μ 0 M в единицах СИ , чтобы дать правильное поле внутри B , магнита. Оно будет согласовываться с полем B , рассчитанным с использованием амперовых токов).

Материалы, не являющиеся постоянными магнитами, обычно удовлетворяют соотношению M  = χ H в системе SI, где χ — (безразмерная) магнитная восприимчивость. Большинство немагнитных материалов имеют относительно небольшое значение χ (порядка миллионной доли), но мягкие магниты могут иметь значение χ порядка сотен или тысяч. Для материалов, удовлетворяющих M  = χ H , мы также можем написать B  = µ 0 (1 +  χ ) H  = µ 0 µ r H  = µ H , где µ r  = 1 +  χ — (безразмерная) относительная проницаемость и µ = µ 0 µ r – магнитная проницаемость. Как твердые, так и мягкие магниты имеют более сложное, зависящее от истории поведение, описываемое так называемыми петлями гистерезиса , которые дают либо B против H , либо M против H. В CGS M  = χ H , но χ SI  = 4 πχ CGS и µ = µ r .

Внимание: отчасти из-за недостаточного количества римских и греческих символов не существует общепринятого символа силы магнитного полюса и магнитного момента. Символ m использовался как для силы полюса (единица А•м, где здесь вертикальная стойка m обозначает метр), так и для магнитного момента (единица А•м 2 ). Символ μ использовался в некоторых текстах для обозначения магнитной проницаемости и в других текстах для обозначения магнитного момента. Мы будем использовать μ для магнитной проницаемости и m для магнитного момента. Для прочности полюса мы будем использовать q m . Для стержневого магнита поперечного сечения A с однородной намагниченностью M вдоль своей оси сила полюса определяется выражением q m  = MA , так что M можно рассматривать как силу полюса на единицу площади.

Поля магнита

Силовые линии цилиндрических магнитов различного удлинения.

Вдали от магнита магнитное поле, создаваемое этим магнитом, почти всегда (в хорошем приближении) описывается дипольным полем , характеризуемым его полным магнитным моментом. Это верно независимо от формы магнита, если магнитный момент отличен от нуля. Одной из характеристик дипольного поля является то, что напряженность поля падает обратно пропорционально кубу расстояния от центра магнита.

Ближе к магниту магнитное поле становится более сложным и более зависимым от детальной формы и намагниченности магнита. Формально поле можно выразить как мультипольное разложение : дипольное поле плюс квадрупольное поле плюс октупольное поле и т. д.

На близком расстоянии возможно множество различных полей. Например, для длинного и тонкого стержневого магнита с северным полюсом на одном конце и южным полюсом на другом, магнитное поле возле обоих концов спадает обратно пропорционально квадрату расстояния от этого полюса.

Расчет магнитной силы

Сила притяжения одного магнита

Силу данного магнита иногда определяют с точки зрения его силы притяжения — его способности притягивать ферромагнитные объекты. [44] Сила тяги, создаваемая электромагнитом или постоянным магнитом без воздушного зазора (т. е. ферромагнитный объект находится в непосредственном контакте с полюсом магнита [45] ), определяется уравнением Максвелла : [46]

,

где

F — сила (единица СИ: ньютон )
А — сечение площади опоры в квадратных метрах.
B — магнитная индукция, создаваемая магнитом.

Этот результат можно легко получить, используя модель Гилберта , которая предполагает, что полюс магнита заряжен магнитными монополями , которые индуцируют то же самое в ферромагнитном объекте.

Если магнит действует вертикально, он может поднять массу m в килограммах, определяемую простым уравнением:

где g — ускорение свободного падения .

Сила между двумя магнитными полюсами

Классически сила между двумя магнитными полюсами определяется формулой: [47]

где

F — сила (единица СИ: ньютон )
q m 1 и q m 2 — величины магнитных полюсов (единица СИ: амперметр ).
μ — проницаемость промежуточной среды (единицы СИ: тесла- метр на ампер , генри на метр или ньютон на ампер в квадрате)
r — расстояние (единица СИ: метр).

Описание полюсов полезно инженерам, проектирующим реальные магниты, но настоящие магниты имеют более сложное распределение полюсов, чем отдельные север и юг. Поэтому реализация идеи полюса непроста. В некоторых случаях более полезной будет одна из более сложных формул, приведенных ниже.

Сила между двумя близлежащими намагниченными поверхностями области A

Механическую силу между двумя близлежащими намагниченными поверхностями можно рассчитать с помощью следующего уравнения. Уравнение справедливо только для случаев, когда влияние окантовки незначительно и объем воздушного зазора значительно меньше объема намагниченного материала: [48] [49]

где:

А – площадь каждой поверхности, м 2
H — их намагничивающее поле, А/м.
µ 0 — проницаемость пространства, равная 4π×10 −7  Т•м/А.
B — плотность потока, в Тл.

Сила между двумя стержневыми магнитами

Сила между двумя одинаковыми цилиндрическими стержневыми магнитами, расположенными встык на большом расстоянии, составляет примерно: [ сомнительно – обсудить ] , [48]

где:

B 0 — плотность магнитного потока очень близко к каждому полюсу, в Т,
А — площадь каждого столба, м 2 ,
L — длина каждого магнита, м,
R — радиус каждого магнита, м,
z — расстояние между двумя магнитами, м.
связывает плотность потока на полюсе с намагниченностью магнита.

Обратите внимание, что все эти формулировки основаны на модели Гилберта, которую можно использовать на относительно больших расстояниях. В других моделях (например, модели Ампера) используется более сложная формулировка, которую иногда невозможно решить аналитически. В этих случаях необходимо использовать численные методы .

Сила между двумя цилиндрическими магнитами

Для двух цилиндрических магнитов радиусом и длиной с выровненными магнитными диполями сила может быть асимптотически аппроксимирована на большом расстоянии формулой [50]

где – намагниченность магнитов, – зазор между магнитами. Измерение плотности магнитного потока очень близко к магниту связано примерно с формулой

Эффективный магнитный диполь можно записать как

Где объём магнита. Для цилиндра это .

При , получается приближение точечного диполя:

что соответствует выражению силы между двумя магнитными диполями.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Опера Платониса. Архивировано 14 января 2018 г. в Wayback Machine , Мейер и Целлер, 1839, стр. 989.
  2. ^ Местоположение Магнезии обсуждается; это может быть регион материковой Греции или Магнезия и Сипилум . См., например, «Магнит». Блог Language Hat . 28 мая 2005 г. Архивировано из оригинала 19 мая 2012 г. Проверено 22 марта 2013 г.
  3. ^ Фаулер, Майкл (1997). «Историческое начало теорий электричества и магнетизма». Архивировано из оригинала 15 марта 2008 г. Проверено 2 апреля 2008 г.
  4. ^ Воулз, Хью П. (1932). «Ранняя эволюция энергетики». Исида . 17 (2): 412–420 [419–20]. дои : 10.1086/346662. S2CID  143949193.
  5. ^ Ли Шу-хуа (1954). «Происхождение де ла Буссоль II. Aimant et Boussole». Исида . 45 (2): 175–196. дои : 10.1086/348315. JSTOR  227361. S2CID  143585290.
  6. ^ Плиний Старший, Естественная история, КНИГА XXXIV. ЕСТЕСТВЕННАЯ ИСТОРИЯ МЕТАЛЛОВ., Гл. 42.—МЕТАЛЛ, НАЗВАННЫЙ ЖИВЫМ ЖЕЛЕЗОМ. Архивировано 29 июня 2011 г. в Wayback Machine . Персей.tufts.edu. Проверено 17 мая 2011 г.
  7. ^ abc Coey, JMD (2009). Магнетизм и магнитные материалы. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр. 1–3. ISBN 978-0-511-68515-6. ОСЛК  664016090.
  8. ^ «Четыре великих изобретения Древнего Китая». Посольство Китайской Народной Республики в Южно-Африканской Республике . 13 декабря 2004 г. Проверено 8 января 2023 г.
  9. ^ Шмидл, Петра Г. (1996–1997). «Два ранних арабских источника о магнитном компасе» (PDF) . Журнал арабских и исламских исследований . 1 : 81–132. дои : 10.5617/jais.4547 . Архивировано (PDF) из оригинала 24 мая 2012 г.
  10. ^ «Семь магнитных моментов - современные магниты». Тринити-колледж Дублина . Проверено 8 января 2023 г.
  11. ^ Мюллер, Карл-Хартмут; Савацки, Саймон; Гаусс, Роланд; Гутфляйш, Оливер (2021), Кои, JMD; Паркин, Стюарт С.П. (ред.), «Материалы и приложения для постоянных магнитов», Справочник по магнетизму и магнитным материалам , Cham: Springer International Publishing, стр. 1391, номер домена : 10.1007/978-3-030-63210-6_29, ISBN 978-3-030-63210-6, S2CID  244736617 , получено 8 января 2023 г.
  12. ^ "Джозеф Генри - Зал инженерной славы" . Технологический центр Эдисона . Проверено 8 января 2023 г.
  13. ^ Гриффитс, Дэвид Дж. (1999). Введение в электродинамику (3-е изд.). Прентис Холл . стр. 255–8. ISBN 0-13-805326-Х. ОСЛК  40251748.
  14. ^ Найт, Джонс и Филд, «Физика в колледже» (2007), с. 815.
  15. ^ Каллити, BD и Грэм, компакт-диск (2008). Введение в магнитные материалы (2-е изд.). Wiley-IEEE Press . п. 103. ИСБН 978-0-471-47741-9.
  16. ^ Бойер, Тимоти Х. (1988). «Сила на магнитном диполе». Американский журнал физики . 56 (8): 688–692. Бибкод : 1988AmJPh..56..688B. дои : 10.1119/1.15501.
  17. ^ «Единицы измерения магнитных свойств» (PDF) . Lake Shore Cryotronics, Inc. Архивировано из оригинала (PDF) 14 июля 2011 г. Проверено 5 ноября 2012 г.
  18. ^ Аллен, Захария (1852). Философия механики природы, источника и способов действия естественной движущей силы. Д. Эпплтон и компания. п. 252.
  19. ^ Саслоу, Уэйн М. (2002). Электричество, магнетизм и свет (3-е изд.). Академическая пресса. п. 426. ИСБН 978-0-12-619455-5. Архивировано из оригинала 27 июня 2014 г.
  20. ^ Сервей, Раймонд А.; Крис Вуй (2006). Основы студенческой физики. США: Cengage Learning. п. 493. ИСБН 0-495-10619-4. Архивировано из оригинала 4 июня 2013 г.
  21. ^ Эмилиани, Чезаре (1992). Планета Земля: космология, геология и эволюция жизни и окружающей среды. Великобритания: Издательство Кембриджского университета. п. 228. ИСБН 0-521-40949-7. Архивировано из оригинала 24 декабря 2016 г.
  22. ^ Манеры, Джой (2000). Статические поля и потенциалы. США: CRC Press. п. 148. ИСБН 0-7503-0718-8. Архивировано из оригинала 24 декабря 2016 г.
  23. ^ ab Nave, Карл Р. (2010). "Стержневой магнит". Гиперфизика . Кафедра физики и астрономии, Университет штата Джорджия. Архивировано из оригинала 8 апреля 2011 г. Проверено 10 апреля 2011 г.
  24. ^ Мыши левитировали в лаборатории НАСА. Архивировано 9 февраля 2011 г. в Wayback Machine . Livescience.com (9 сентября 2009 г.). Проверено 8 октября 2011 г.
  25. ^ Мэллинсон, Джон К. (1987). Основы магнитной записи (2-е изд.). Академическая пресса . ISBN 0-12-466626-4.
  26. ^ «Полоска на кредитной карте» . Как это работает . Архивировано из оригинала 24 июня 2011 г. Проверено 19 июля 2011 г.
  27. ^ «Электромагнитное отклонение в электронно-лучевой трубке, I» . Национальная лаборатория сильных магнитных полей . Архивировано из оригинала 3 апреля 2012 года . Проверено 20 июля 2011 г.
  28. ^ «Закуски о магнетизме». Научные закуски «Эксплораториум» . Эксплораториум. Архивировано из оригинала 7 апреля 2013 года . Проверено 17 апреля 2013 г.
  29. ^ «Неодимовые магниты: прочность, конструкция для удаления металлических примесей» . Архивировано из оригинала 10 мая 2017 г. Проверено 5 декабря 2016 г.Источник по магнитам в перерабатывающей промышленности
  30. ^ Шенк Дж. Ф. (2000). «Безопасность сильных статических магнитных полей». J-магнитно-резонансная томография . 12 (1): 2–19. doi : 10.1002/1522-2586(200007)12:1<2::AID-JMRI2>3.0.CO;2-V . PMID  10931560. S2CID  19976829.
  31. ^ Острайх А.Е. (2008). «Всемирный обзор ущерба от проглатывания нескольких магнитов». Педиатр Радиол . 39 (2): 142–7. дои : 10.1007/s00247-008-1059-7. PMID  19020871. S2CID  21306900.
  32. ^ Маккензи, AEE (1961). Магнетизм и электричество . Кембридж. стр. 3–4.
  33. ^ «Ферромагнитные материалы». Фарес Электроникс . Архивировано из оригинала 27 июня 2015 года . Проверено 26 июня 2015 г.
  34. ^ Брэди, Джордж Стюарт; Генри Р. Клаузер; Джон А. Ваккари (2002). Справочник материалов: энциклопедия для менеджеров. МакГроу-Хилл Профессионал. п. 577. ИСБН 0-07-136076-Х. Архивировано из оригинала 24 декабря 2016 г.
  35. ^ abc «Наноструктурированные постоянные магниты Mn-Al (патент)» . Проверено 18 февраля 2017 г.
  36. ^ «Пресс-релиз: Магнит на холодильник преобразился» . Рикен. 11 марта 2011 г. Архивировано из оригинала 7 августа 2017 г.
  37. ^ «Наномагнетики нарушают правила». Архивировано из оригинала 7 декабря 2005 года . Проверено 14 ноября 2005 г.
  38. ^ Делла Торре, Э.; Беннетт, Л.; Уотсон, Р. (2005). «Распространение закона Блоха Т 3/2 на магнитные наноструктуры: конденсация Бозе-Эйнштейна». Письма о физических отзывах . 94 (14): 147210. Бибкод : 2005PhRvL..94n7210D. doi : 10.1103/PhysRevLett.94.147210. ПМИД  15904108.
  39. ^ «Финансирование исследований постоянных магнитов, не содержащих редкоземельных элементов» . АРПА-Э. Архивировано из оригинала 10 октября 2013 года . Проверено 23 апреля 2013 г.
  40. ^ Автор (01 сентября 2022 г.). «Нитриды железа: мощные магниты без редкоземельных элементов». Хакадей . Проверено 8 ноября 2023 г.
  41. ^ Обзор постоянных магнитов MnAl с исследованием их потенциала в электрических машинах.
  42. ^ Часто задаваемые вопросы. Архивировано 12 марта 2008 г. в Wayback Machine . Продажи магнитов и Mfct Co Inc. Проверено 8 октября 2011 г.
  43. ^ Раскелл, Тодд; Типлер, Пол А.; Моска, Джин (2007). Физика для ученых и инженеров (6-е изд.). Пэлгрейв Макмиллан . ISBN 978-1-4292-0410-1.
  44. ^ «Сколько выдержит магнит?». www.kjMagnetics.com . Проверено 20 января 2020 г.
  45. ^ «Объяснение силы магнитного притяжения - Что такое сила притяжения магнита? | Dura Magnetics USA» . 19 октября 2016 г. Проверено 20 января 2020 г.
  46. ^ Кардарелли, Франсуа (2008). Справочник материалов: краткий настольный справочник (второе изд.). Спрингер. п. 493. ИСБН 9781846286681. Архивировано из оригинала 24 декабря 2016 г.
  47. ^ «Основные отношения». Геофизика.ou.edu. Архивировано из оригинала 9 июля 2010 г. Проверено 19 октября 2009 г.
  48. ^ ab «Магнитные поля и силы». Архивировано из оригинала 20 февраля 2012 г. Проверено 24 декабря 2009 г.
  49. ^ «Сила, создаваемая магнитным полем». Архивировано из оригинала 17 марта 2010 г. Проверено 9 марта 2010 г.
  50. ^ Дэвид Вокоун; Марко Беледжиа; Людек Хеллер; Петр Ситтнер (2009). «Магнитостатические взаимодействия и силы между цилиндрическими постоянными магнитами». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 321 (22): 3758–3763. Бибкод : 2009JMMM..321.3758V. дои : 10.1016/j.jmmm.2009.07.030 .

Рекомендации

Внешние ссылки

Найдите магнит в Викисловаре, бесплатном словаре.
Викискладе есть медиафайлы, связанные с Магнитом.