Исследование удивительных свойств магнитов

Каковы свойства магнитов? Магниты – необычные предметы. Они могут толкать или тянуть другие предметы, даже не прикасаясь к ним! Люди узнали омагнитына тысячи лет. В Древней Греции люди нашли замечательные камни, называемые магнитами, которые действовали как магниты. Камни могли вращаться, указывая на север и юг, выравниваясь с магнитным полем Земли.

Сегодня магниты используются во многих вещах, которыми мы пользуемся каждый день. Нам еще многое предстоит узнать о свойствах магнитов и о том, как мы можем их использовать.

Магнитные материалы

Все вещи в мире обладают каким-то магнетизмом. Но сила магнетизма у разных вещей очень разная. По свойствам магнитов мы разделяем их на пять больших групп: ферромагнитные, парамагнетики, диамагнетики, ферримагнетики и антиферромагнетики.

Ферромагнитные вещества, такие как железо, кобальт и никель, обладают сильнейшим магнетизмом. Их крошечная структура может объяснить их сильное притяжение к магнитным полям. Атомы в ферромагнитных материалах имеют несовпадающие электроны, которые направлены в одном направлении в областях, называемых магнитными доменами. Это направление в том же направлении увеличивает магнитное поле и создает постоянный магнит.

Парамагнетики, такие как алюминий и платина, также притягиваются к магнитным полям, но эта сила гораздо слабее, чем у ферромагнитных материалов. Несогласованные электроны в парамагнитных атомах указывают направление приложенного поля, но не сохраняют намагниченности после снятия поля.

Диамагнитные предметы, такие как медь и золото, слабо отталкиваются от магнитных полей. Помещенные во внешнее поле, их атомы создают индуцированное магнитное поле противоположного направления. Однако у них нет постоянных атомных диполей.

Ферримагнетики демонстрируют сложное магнитное упорядочение, когда несовпадающие электроны атомов в разных решетках противостоят друг другу, как в антиферромагнетиках. Но ферримагнетики сохраняют постоянную намагниченность, поскольку противоположные несогласованные электроны неравны. Ферриты, такие как магнетит, — обычные ферромагнитные вещи.

Таблица 1: Магнитные материалы

Магнитные домены

Все ферромагнитные материалы содержат внутри себя крошечные магниты, называемые атомными диполями. Эти крошечные магниты обычно направлены в случайных направлениях, поэтому они нейтрализуют друг друга. Это означает, что материал не обладает общим магнетизмом, если оставить его в покое. Но когда материал намагничивается, крошечные магниты внутри выстраиваются в линию!

Намагничивание происходит, когда группы атомов, называемые магнитными доменами, направляют свои крошечные магниты в одну и ту же сторону. Крошечные магниты направлены вместе внутри каждого домена, потому что они прочно связаны. Но до того, как произойдет намагничивание, разные домены будут указывать в случайных направлениях.

Внешние силы, такие как магнитные поля, могут заставить домены расти и выравнивать свои крошечные магниты. Получается постоянный магнит. Нагревание материала также дает энергию крошечным магнитам для перемещения. Это позволяет доменам выстраивать свои крошечные магниты в ряд.

Другие факторы, влияющие на расположение доменов крошечных магнитов, включают напряжения, границы зерен, примеси и размагничивающие поля. Сила магнита зависит от того, сколько доменов выстраивают свои крошечные магниты в линию и насколько хорошо они сопротивляются внешним силам, пытающимся их испортить.

Магнитные поля

Магниты создают вокруг себя невидимые области, называемые магнитными полями. Магнитный поток — это пространство вокруг магнита, где вы можете почувствовать его силу. Чтобы увидеть магнитный поток, мы рисуем линии магнитного поля. Больше линий означает более сильное магнитное поле. Линии выходят из северного полюса магнита и огибают его южный полюс.

Магнитные поля возникают, когда вокруг движутся крошечные электрические заряды. Внутри атомов электроны вращаются и движутся по орбитам. Каждый атом — это крошечный магнит со своими северным и южным полюсами. В магнитных материалах крошечные магниты в доменах выстраиваются в линию. Это объединяет все их магнитные поля в одно большое магнитное поле, направленное в одну сторону. Именно поэтому постоянные магниты получают такие сильные магнитные поля.

Невидимое магнитное поле сильнее и ближе к магниту. Он становится слабее по мере удаления. Меньшие магниты имеют меньшие и более слабые магнитные поля. Большие магниты имеют большие и сильные магнитные поля.

Магнитные полюса

Магниты имеют северный и южный полюса. Это области, где магнитная сила самая сильная. Противоположные полюса притягивают друг друга. Северный и Южный полюса держатся вместе. Одни и те же полюса отталкиваются друг от друга. Два северных полюса или два южных полюса отталкиваются и раздвигаются.

Это происходит из-за того, как текут невидимые силовые линии магнитного поля. Линии идут от северного полюса к южному внутри магнита. На атомном уровне каждый крошечный магнит внутри имеет линии магнитного поля, текущие с севера на юг. В магните все крошечные магниты выстраивают свои магнитные поля в линию.

Постоянные магниты

Хотя некоторые материалы, такие как железо, обладают естественными магнитными свойствами, постоянные магниты часто создаются искусственно путем намагничивания. Железо, никель, кобальт или их сплавы обычно являются лучшими постоянными магнитами.

Намагничивание предполагает воздействие на материал сильного внешнего магнитного поля электромагнита или другого постоянного магнита. Это заставляет магнитные домены расти и выравниваться с внешним полем, создавая сильный постоянный магнит. Твердые магниты сопротивляются размагничиванию, тогда как мягкие магниты легче теряют свой магнетизм.

Сила постоянного магнита коррелирует с его коэрцитивностью — напряженностью поля, необходимой для его размагничивания. Из высококоэрцитивных материалов можно сделать мощные постоянные магниты, но на начальном этапе их сложнее намагничивать. Максимальная плотность магнитного потока или намагниченность насыщения и остаточная намагниченность также влияют на силу магнита.

Электромагниты

Помимо постоянных магнитов, электромагниты используют электрические токи для создания временного магнетизма. Когда электрический ток проходит по спиральному проводу, он создает магнитное поле, параллельное оси катушки. Напряженность поля увеличивается с увеличением количества витков и более высоким током.

Материал внутри катушки также имеет значение. Мягкое железо усиливает магнитное поле. Железо может увеличить подъемную силу электромагнита в 100 раз. Но железо также замедляет скорость реакции магнита.

Электромагнитам нужна энергия, чтобы оставаться магнитными. Постоянные магниты этого не делают. Но электромагниты могут быстро включаться и выключаться. Их сила тоже может мгновенно измениться. Это делает их пригодными для подъема тяжелого железа и проведения МРТ, требующих изменения магнитных полей.

Магнитная сила и магнитный момент

Насколько магнитным является что-либо, зависит от того, насколько сильно магнетизм возникает вблизи магнитного поля. Насколько хорошо он совпадает с магнитным полем, называется магнитным моментом. Это зависит от крошечных строительных блоков материала, называемых атомами, в основном от электронов, которые находятся поодиночке, а не в парах. Они действуют как маленькие магниты.

Сильный магнит может удерживать большую магнитную энергию, протекающую через него. Это называется намагниченностью насыщения. Сильный магнит сохраняет большую часть своего магнетизма, когда внешнее поле исчезает. Это называется остаточной намагниченностью. Магнетизм возникает из-за вращения и вращения электронов. Итак, крошечные правила квантовой физики контролируют магнитную силу.

Магнитные свойства

Несколько фундаментальных свойств магнитов помогают охарактеризовать магнитные характеристики:

● Намагниченность насыщения: максимально возможная плотность магнитного потока, которую материал может создать в приложенном поле. Измеряется в Теслах.

● Остаточная намагниченность: Остаточная намагниченность при удалении движущего поля. Сколько магнетизма осталось?

● Принудительно: Напряженность обратного магнитного поля необходима для размагничивания материала до нуля. Устойчив к размагничиванию.

● Проницаемость: Способность поддерживать формирование магнитного поля внутри себя. Высокая проницаемость концентрирует магнитный поток.

● Гистерезис: Тенденция сохранять наложенный магнетизм. Материалы со значительным гистерезисом создают эффективные постоянные магниты.

Оптимизация этих свойств магнитов важна при выборе подходящего магнитного материала для конкретного применения, будь то достижение максимальной постоянной напряженности поля или максимизация обратимых изменений магнитного потока.

Магнитный гистерезис

Магниты могут действовать захватывающим образом! Магниты демонстрируют явление, называемое гистерезисом. Их намагниченность следует по другому пути каждый раз, когда вы меняете внешнее магнитное поле. Точный путь зависит от предыдущей истории намагничивания магнита.

Вы можете увидеть это, построив график изменения плотности магнитного потока B при изменении приложенного магнитного поля H. Этот график образует петлю, называемую петлей гистерезиса.

Сначала крошечные магнитные области в магните, называемые доменами, медленно выстраиваются в линию по мере увеличения H. Как только они все выстроятся, дальнейшее увеличение H больше не меняет B. Затем, когда вы уменьшаете H, B следует другой кривой. Когда H равен нулю, некоторая намагниченность остается от выровненных доменов. Вам нужно приложить магнитное поле в противоположном направлении, чтобы вернуть намагниченность к нулю.

Область внутри петли гистерезиса показывает потерю энергии при изменении доменов в каждом цикле. Жесткие магниты имеют широкие петли и значительные потери энергии. Форма петли также расскажет вам о свойствах магнита, например, насколько хорошо он остается намагниченным и насколько трудно его размагнитить.

Температурные эффекты

Тепловая энергия может повлиять на поведение магнитов! По мере повышения температуры крошечные выровненные магнитные области в магните, называемые доменами, раскачиваются под действием тепловой энергии. Это приводит к снижению намагниченности. При высокой температуре Кюри тепловая энергия нарушает магнитный порядок, и постоянный магнетизм полностью исчезает.

Насколько легко магниту потерять намагниченность, зависит от его температуры Кюри. Самая высокая температура Кюри среди всех чистых элементов — у железа, составляющая 1043 К. Добавление таких веществ, как никель и кобальт, для изготовления сплавов повышает точку Кюри выше. Термостойкие постоянные магниты позволяют использовать магниты в таких устройствах, как генераторы и двигатели.

Охлаждение магнитов ниже точки Кюри заставляет намагниченность снова возрастать. Сверхпроводящие электромагниты работают только при низких температурах, когда электрическое сопротивление исчезает, создавая мощные и продолжительные магнитные поля.

Таблица 2: Влияние температуры на магнетизм

Магнитные приложения

Магниты — это универсальный инструмент, который можно найти в промышленности в таких областях, как:

● Двигатели. Вращающиеся электродвигатели основаны на магнитах, которые преобразуют механическую и электрическую энергию посредством электромагнитной индукции. Маленькие двигатели приводят в движение устройства от вентиляторов до жестких дисков.

● Генераторы. Турбинные генераторы производят электричество, вращая магниты рядом с проволочными катушками, вызывая ток.

● Магнитное хранилище. Жесткие диски записывают данные, меняя намагниченность крошечных доменов на ферромагнитном диске.

● Левитация. В поездах на магнитной подвеске магниты парят над рельсами, устраняя трение и обеспечивая бесшумное и плавное движение.

● Медицинские приборы. В аппаратах МРТ используются сильные сверхпроводящие магниты для обнаружения изменений магнитного поля тела с целью диагностической визуализации.

● Исследования. Масс-спектрометры изгибают заряженные частицы с помощью магнитных полей для определения их массы и химической структуры.

● Возобновляемая энергия. Магнитные подшипники стабилизируют маховики, сохраняя кинетическую энергию, полученную от ветровых или солнечных источников.

Магнитная левитация

Магнитная левитация, или маглев, использует магниты, чтобы заставить предметы плавать! Магниты отталкиваются друг от друга. Но уникальные установки магнитов могут обеспечить стабильное плавание.

Скоростные поезда на магнитной подвеске уже курсируют в Азии и Европе. Плавание над рельсами означает отсутствие трения колес, поэтому поезда на магнитной подвеске могут развивать скорость более 600 км/ч! Без колес и подшипников они тише и плавнее ускоряются и останавливаются. Они также потребляют меньше энергии, чем обычные поезда.

Маглев действителен не только для поездов! Он может помочь в запуске космических кораблей, создании ускорителей частиц, создании подшипников качения и прекращении вибрации в зданиях. Инженеры все еще совершенствуют сверхсильные магниты. Это может позволить поездам на магнитной подвеске соединять целые города в будущем.

Добавление дополнительной информации о том, как работает магнитная подвеска, ее практическое использование и будущие возможности, просто объясняет эту продвинутую концепцию. Юные студенты могут понять, как плывут поезда, с помощью магнитных сил, не вызывающих трения, и представить себе другие применения этой крутой технологии.

Заключение

От крошечных магнитов на холодильник до магнитов длиной в милю, питающих термоядерные реакторы, магниты неоценимы в нашей повседневной жизни. Понимание уникальных свойств магнитов продолжает стимулировать открытия, ведущие к новым приложениям. Передовые области, такие как спинтроника и магнитные монополи, открывают возможности для электроники следующего поколения и даже квантовых компьютеров.

Поскольку еще многое предстоит понять в квантовых основах магнетизма, исследования еще больше раскроют их огромный потенциал. Нам еще многое предстоит узнать о том, чего мы можем достичь с помощью свойств магнитов.

Часто задаваемые вопросы о свойствах магнитов

В каких единицах измеряется напряженность магнитного поля?

Напряженность магнитного поля измеряется количественно в амперах на метр (А/м) или теслах (Тл). Одна тесла равна одному ньютону на ампер-метр. Напряженность магнитного поля Земли составляет около 0,5 гаусс или 50 микротесла.

Как рассчитать магнитный поток?

Магнитный поток через поверхность рассчитывается путем умножения напряженности магнитного поля, площади перпендикуляра и косинуса угла.

Какие материалы используются в сверхпроводящих магнитах?

В сверхпроводящих магнитах обычно используются сверхпроводники, такие как катушки ниобий-титан или ниобий-олово, охлаждаемые жидким гелием. Новые высокотемпературные сверхпроводники позволяют снизить потребность в охлаждении при высокой напряженности поля.

Мета-описание

Исследуйте увлекательный мир магнитов. Узнайте о материалах, доменах, полях и других свойствах магнитов!