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 притягиваться к магниту, называются ферромагнетиками (или ферримагнетиками ). 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.
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 известные сохранившиеся описания 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 в 1 веке нашей эры. [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 , как описано 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]
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 задается двумя свойствами:
В единицах СИ напряженность магнитного поля B выражается в теслах . [13]
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 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.
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 четко выраженных 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 неуничтоженных токов 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 ]
Северный полюс магнита определяется как полюс, который, когда магнит свободно подвешен, 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]
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:
There are various other types of magnetism, such as spin glass, superparamagnetism, superdiamagnetism, and metamagnetism.
Because human tissues have a very low level of susceptibility to static magnetic fields, there is little mainstream scientific evidence showing a health effect associated with exposure to static fields. Dynamic magnetic fields may be a different issue, however; correlations between electromagnetic radiation and cancer rates have been postulated due to demographic correlations (see Electromagnetic radiation and health).
If a ferromagnetic foreign body is present in human tissue, an external magnetic field interacting with it can pose a serious safety risk.[30]
A different type of indirect magnetic health risk exists involving pacemakers. If a pacemaker has been embedded in a patient's chest (usually for the purpose of monitoring and regulating the heart for steady electrically induced beats), care should be taken to keep it away from magnetic fields. It is for this reason that a patient with the device installed cannot be tested with the use of a magnetic resonance imaging device.
Children sometimes swallow small magnets from toys, and this can be hazardous if two or more magnets are swallowed, as the magnets can pinch or puncture internal tissues.[31]
Magnetic imaging devices (e.g. MRIs) generate enormous magnetic fields, and therefore rooms intended to hold them exclude ferrous metals. Bringing objects made of ferrous metals (such as oxygen canisters) into such a room creates a severe safety risk, as those objects may be powerfully thrown about by the intense magnetic fields.
Ferromagnetic materials can be magnetized in the following ways:
Magnetized ferromagnetic materials can be demagnetized (or degaussed) in the following ways:
Many materials have unpaired electron spins, and the majority of these materials are paramagnetic. When the spins interact with each other in such a way that the spins align spontaneously, the materials are called ferromagnetic (what is often loosely termed as magnetic). Because of the way their regular crystalline atomic structure causes their spins to interact, some metals are ferromagnetic when found in their natural states, as ores. These include iron ore (magnetite or lodestone), cobalt and nickel, as well as the rare earth metals gadolinium and dysprosium (when at a very low temperature). Such naturally occurring ferromagnets were used in the first experiments with magnetism. Technology has since expanded the availability of magnetic materials to include various man-made products, all based, however, on naturally magnetic elements.
Ceramic, or ferrite, magnets are made of a sintered composite of powdered iron oxide and barium/strontium carbonate ceramic. Given the low cost of the materials and manufacturing methods, inexpensive magnets (or non-magnetized ferromagnetic cores, for use in electronic components such as portable AM radio antennas) of various shapes can be easily mass-produced. The resulting magnets are non-corroding but brittle and must be treated like other ceramics.
Alnico magnets are made by casting or sintering a combination of aluminium, nickel and cobalt with iron and small amounts of other elements added to enhance the properties of the magnet. Sintering offers superior mechanical characteristics, whereas casting delivers higher magnetic fields and allows for the design of intricate shapes. Alnico magnets resist corrosion and have physical properties more forgiving than ferrite, but not quite as desirable as a metal. Trade names for alloys in this family include: Alni, Alcomax, Hycomax, Columax, and Ticonal.[34]
Injection-molded magnets are a composite of various types of resin and magnetic powders, allowing parts of complex shapes to be manufactured by injection molding. The physical and magnetic properties of the product depend on the raw materials, but are generally lower in magnetic strength and resemble plastics in their physical properties.
Flexible magnets are composed of a high-coercivity ferromagnetic compound (usually ferric oxide) mixed with a resinous polymer binder.[35] This is extruded as a sheet and passed over a line of powerful cylindrical permanent magnets. These magnets are arranged in a stack with alternating magnetic poles facing up (N, S, N, S...) on a rotating shaft. This impresses the plastic sheet with the magnetic poles in an alternating line format. No electromagnetism is used to generate the magnets. The pole-to-pole distance is on the order of 5 mm, but varies with manufacturer. These magnets are lower in magnetic strength but can be very flexible, depending on the binder used.[36]
For magnetic compounds (e.g. Nd2Fe14B) that are vulnerable to a grain boundary corrosion problem it gives additional protection.[35]
Rare earth (lanthanoid) elements have a partially occupied f electron shell (which can accommodate up to 14 electrons). The spin of these electrons can be aligned, resulting in very strong magnetic fields, and therefore, these elements are used in compact high-strength magnets where their higher price is not a concern. The most common types of rare-earth magnets are samarium–cobalt and neodymium–iron–boron (NIB) magnets.
In the 1990s, it was discovered that certain molecules containing paramagnetic metal ions are capable of storing a magnetic moment at very low temperatures. These are very different from conventional magnets that store information at a magnetic domain level and theoretically could provide a far denser storage medium than conventional magnets. In this direction, research on monolayers of SMMs is currently under way. Very briefly, the two main attributes of an SMM are:
Most SMMs contain manganese but can also be found with vanadium, iron, nickel and cobalt clusters. More recently, it has been found that some chain systems can also display a magnetization that persists for long times at higher temperatures. These systems have been called single-chain magnets.
Some nano-structured materials exhibit energy waves, called magnons, that coalesce into a common ground state in the manner of a Bose–Einstein condensate.[37][38]
The United States Department of Energy has identified a need to find substitutes for rare-earth metals in permanent-magnet technology, and has begun funding such research. The Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) has sponsored a Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT) program to develop alternative materials. In 2011, ARPA-E awarded 31.6 million dollars to fund Rare-Earth Substitute projects.[39] Iron nitrides are promising materials for rare-earth free magnets.[40]
The current[update] cheapest permanent magnets, allowing for field strengths, are flexible and ceramic magnets, but these are also among the weakest types. The ferrite magnets are mainly low-cost magnets since they are made from cheap raw materials: iron oxide and Ba- or Sr-carbonate. However, a new low cost magnet, Mn–Al alloy,[35][non-primary source needed][41] has been developed and is now dominating the low-cost magnets field.[citation needed] It has a higher saturation magnetization than the ferrite magnets. It also has more favorable temperature coefficients, although it can be thermally unstable.Neodymium–iron–boron (NIB) magnets are among the strongest. These cost more per kilogram than most other magnetic materials but, owing to their intense field, are smaller and cheaper in many applications.[42]
Temperature sensitivity varies, but when a magnet is heated to a temperature known as the Curie point, it loses all of its magnetism, even after cooling below that temperature. The magnets can often be remagnetized, however.
Additionally, some magnets are brittle and can fracture at high temperatures.
The maximum usable temperature is highest for alnico magnets at over 540 °C (1,000 °F), around 300 °C (570 °F) for ferrite and SmCo, about 140 °C (280 °F) for NIB and lower for flexible ceramics, but the exact numbers depend on the grade of material.
An electromagnet, in its simplest form, is a wire that has been coiled into one or more loops, known as a solenoid. When electric current flows through the wire, a magnetic field is generated. It is concentrated near (and especially inside) the coil, and its field lines are very similar to those of a magnet. The orientation of this effective magnet is determined by the right hand rule. The magnetic moment and the magnetic field of the electromagnet are proportional to the number of loops of wire, to the cross-section of each loop, and to the current passing through the wire.[43]
If the coil of wire is wrapped around a material with no special magnetic properties (e.g., cardboard), it will tend to generate a very weak field. However, if it is wrapped around a soft ferromagnetic material, such as an iron nail, then the net field produced can result in a several hundred- to thousandfold increase of field strength.
Uses for electromagnets include particle accelerators, electric motors, junkyard cranes, and magnetic resonance imaging machines. Some applications involve configurations more than a simple magnetic dipole; for example, quadrupole and sextupole magnets are used to focus particle beams.
For most engineering applications, MKS (rationalized) or SI (Système International) units are commonly used. Two other sets of units, Gaussian and CGS-EMU, are the same for magnetic properties and are commonly used in physics.[citation needed]
In all units, it is convenient to employ two types of magnetic field, B and H, as well as the magnetization M, defined as the magnetic moment per unit volume.
Materials that are not permanent magnets usually satisfy the relation M = χH in SI, where χ is the (dimensionless) magnetic susceptibility. Most non-magnetic materials have a relatively small χ (on the order of a millionth), but soft magnets can have χ on the order of hundreds or thousands. For materials satisfying M = χH, we can also write B = μ0(1 + χ)H = μ0μrH = μH, where μr = 1 + χ is the (dimensionless) relative permeability and μ =μ0μr is the magnetic permeability. Both hard and soft magnets have a more complex, history-dependent, behavior described by what are called hysteresis loops, which give either B vs. H or M vs. H. In CGS, M = χH, but χSI = 4πχCGS, and μ = μr.
Caution: in part because there are not enough Roman and Greek symbols, there is no commonly agreed-upon symbol for magnetic pole strength and magnetic moment. The symbol m has been used for both pole strength (unit A•m, where here the upright m is for meter) and for magnetic moment (unit A•m2). The symbol μ has been used in some texts for magnetic permeability and in other texts for magnetic moment. We will use μ for magnetic permeability and m for magnetic moment. For pole strength, we will employ qm. For a bar magnet of cross-section A with uniform magnetization M along its axis, the pole strength is given by qm = MA, so that M can be thought of as a pole strength per unit area.
Far away from a magnet, the magnetic field created by that magnet is almost always described (to a good approximation) by a dipole field characterized by its total magnetic moment. This is true regardless of the shape of the magnet, so long as the magnetic moment is non-zero. One characteristic of a dipole field is that the strength of the field falls off inversely with the cube of the distance from the magnet's center.
Closer to the magnet, the magnetic field becomes more complicated and more dependent on the detailed shape and magnetization of the magnet. Formally, the field can be expressed as a multipole expansion: A dipole field, plus a quadrupole field, plus an octupole field, etc.
At close range, many different fields are possible. For example, for a long, skinny bar magnet with its north pole at one end and south pole at the other, the magnetic field near either end falls off inversely with the square of the distance from that pole.
The strength of a given magnet is sometimes given in terms of its pull force — its ability to pull ferromagnetic objects.[44] The pull force exerted by either an electromagnet or a permanent magnet with no air gap (i.e., the ferromagnetic object is in direct contact with the pole of the magnet[45]) is given by the Maxwell equation:[46]
where
This result can be easily derived using Gilbert model, which assumes that the pole of magnet is charged with magnetic monopoles that induces the same in the ferromagnetic object.
If a magnet is acting vertically, it can lift a mass m in kilograms given by the simple equation:
where g is the gravitational acceleration.
Classically, the force between two magnetic poles is given by:[47]
where
The pole description is useful to the engineers designing real-world magnets, but real magnets have a pole distribution more complex than a single north and south. Therefore, implementation of the pole idea is not simple. In some cases, one of the more complex formulae given below will be more useful.
The mechanical force between two nearby magnetized surfaces can be calculated with the following equation. The equation is valid only for cases in which the effect of fringing is negligible and the volume of the air gap is much smaller than that of the magnetized material:[48][49]
where:
The force between two identical cylindrical bar magnets placed end to end at large distance is approximately:[dubious – discuss],[48]
where:
Note that all these formulations are based on Gilbert's model, which is usable in relatively great distances. In other models (e.g., Ampère's model), a more complicated formulation is used that sometimes cannot be solved analytically. In these cases, numerical methods must be used.
For two cylindrical magnets with radius and length , with their magnetic dipole aligned, the force can be asymptotically approximated at large distance by,[50]
where is the magnetization of the magnets and is the gap between the magnets. A measurement of the magnetic flux density very close to the magnet is related to approximately by the formula
The effective magnetic dipole can be written as
Where is the volume of the magnet. For a cylinder, this is .
When , the point dipole approximation is obtained,
which matches the expression of the force between two magnetic dipoles.