Какие свойства у магнита
Магниты – это материалы, которые генерируют поле, которое притягивает или отталкивает некоторые другие материалы (например, железо и никель) с определенного расстояния. Это невидимое поле, известное как магнитное поле, отвечает за ключевые свойства магнита.
Древние люди использовали магниты по крайней мере с 500 г. до н.э., и самые ранние известные описания таких материалов и их характеристики происходят из Китая, Индии и Греции около 25 веков назад. Однако искусственные магниты были созданы еще в 1980-х годах.
Очевидно, что не все магниты состоят из одних и тех же веществ, и поэтому их можно разделить на разные классы в зависимости от их состава и источника магнетизма. Ниже приведен подробный список трех основных типов магнитов с указанием их свойств, прочности, а также промышленного и непромышленного применения.
1. Постоянные магниты
После намагничивания постоянные магниты могут сохранять магнетизм в течение продолжительного времени. Они сделаны из материалов, которые могут намагничиваться и создают собственное постоянное магнитное поле.
Обычно постоянные магниты изготавливаются из четырех различных типов материалов:
I) Ферритовые магниты
Ферритовые магниты (также называемые керамическими магнитами) являются электроизоляционными. Они темно-серого цвета и выглядят как карандашный грифель.
Ферриты обычно представляют собой ферромагнитные керамические соединения, получаемые путем смешивания больших количеств оксида железа с металлическими элементами, такими как марганец, барий, цинк и никель. Некоторые ферриты имеют кристаллическую структуру, например ферриты стронция и бария.
Они довольно популярны благодаря своей природе: они не подвержены коррозии и, следовательно, используются для продления жизненного цикла многих продуктов. Ферритовые магниты могут использоваться в чрезвычайно жарких условиях (до 300 градусов Цельсия), и стоимость изготовления таких магнитов также низкая, особенно если они производятся в больших объемах.
Они могут быть далее подразделены на «твердые», «полужесткие» или «мягкие» ферриты, в зависимости от их магнитных свойств.
Поскольку твердые ферриты трудно размагничивать, они обладают высокой коэрцитивной силой. Они используются для изготовления магнитов, например небольших электродвигателей и громкоговорителей. Мягкие ферриты, с другой стороны, имеют низкую коэрцитивную силу и используются для изготовления электронных индукторов, трансформаторов и различных микроволновых компонентов.
II) магниты Алнико
Магниты алнико состоят из алюминия (Al), никеля (Ni) и кобальта (Co), отсюда и название al-ni-co. Они часто включают титан и медь. В отличие от керамических магнитов, они являются электропроводящими и имеют высокие температуры плавления.
Чтобы классифицировать их (основываясь на их магнитных свойствах и химическом составе), Ассоциация производителей магнитных материалов присвоила им номера, такие как Alnico 3 или Alnico 7.
Алникос был самым сильным типом постоянных магнитов до развития редкоземельных магнитов в 1970-х годах. Известно, что они создают высокую напряженность магнитного поля на своих полюсах – до 0,15 Тесла, что в 3000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли.
Сплавы Alnico могут сохранять свои магнитные свойства при высоких рабочих температурах, вплоть до 800 градусов Цельсия. Фактически, они являются единственными магнитами, которые имеют магнетизм при нагревании раскаленным докрасна.
Эти магниты широко используются в бытовых и промышленных применениях: несколько примеров – это магнетронные трубки, датчики, микрофоны, электродвигатели, громкоговорители, электронные трубки, радары.
III) Редкоземельные магниты
Как следует из названия, редкоземельные магниты изготавливаются из сплавов редкоземельных элементов. Это самый сильный тип постоянных магнитов, разработанный в 1970-х годах. Их магнитное поле может легко превышать 1 Тесла.
Два типа редкоземельных магнитов – самарий-кобальтовые и неодимовые магниты. Оба уязвимы для коррозии и очень хрупкие. Таким образом, они покрыты определенным слоем (слоями), чтобы защитить их от сколов или поломок.
Самарий-кобальтовые магниты состоят из празеодима, церия, гадолиния, железа, меди и циркония. Они могут сохранять свои магнитные свойства при высоких температурах и обладают высокой устойчивостью к окислению.
Из-за их меньшей напряженности магнитного поля и высокой стоимости производства они используются реже, чем другие редкоземельные магниты. В настоящее время они используются в настольном ядерно-магнитно-резонансном спектрометре, высококачественных электродвигателях, турбомашиностроении и во многих областях, где производительность должна соответствовать изменению температуры.
Неодимовые магниты, с другой стороны, являются наиболее доступным и сильным типом редкоземельных магнитов. Они представляют собой тетрагональную кристаллическую структуру, изготовленную из сплавов неодима, бора и железа.
Благодаря своим меньшим размерам и небольшому весу они заменили ферритовые и алникомагниты в многочисленных применениях в современных технологиях. Например, неодимовые магниты в настоящее время используются в головном приводе для компьютерных жестких дисков, электродвигателей для аккумуляторных инструментов, механических переключателей электронных сигарет и динамиков мобильных телефонов.
IV) одномолекулярные магниты
К концу 20-го века ученые узнали, что некоторые молекулы [которые состоят из ионов парамагнитного металла] могут проявлять магнитные свойства при очень низких температурах. Теоретически они способны хранить информацию на уровне магнитных доменов и обеспечивать гораздо более плотный носитель, чем традиционные магниты.
Одномолекулярные магниты состоят из кластеров марганца, никеля, железа, ванадия и кобальта. Было обнаружено, что некоторые цепные системы, такие как одноцепные магниты, сохраняют магнетизм в течение длительного периода времени при более высоких температурах.
Исследователи в настоящее время изучают монослои таких магнитов. Одним из ранних соединений, которое было исследовано в качестве одно-молекулярного магнита, является додекануклеарная марганцевая клетка.
Потенциальные возможности применения этих магнитов огромны. К ним относятся квантовые вычисления, хранение данных, обработка информации и биомедицинские приложения, такие как контрастные агенты МРТ.
2. Временные магниты
Некоторые объекты могут быть легко намагничены даже слабым магнитным полем. Однако, когда магнитное поле удалено, они теряют свой магнетизм.
Временные магниты различаются по составу: они могут быть любым объектом, который действует как постоянный магнит в присутствии магнитного поля. Например, магнитомягкий материал, такой как никель и железо, не будет притягивать скрепки после удаления внешнего магнитного поля.
Когда постоянный магнит подносится к группе стальных гвоздей, гвозди прикрепляются друг к другу, а затем к постоянному магниту. В этом случае каждый гвоздь становится временным магнитом, а когда постоянный магнит удаляется, они больше не прикрепляются друг к другу.
Временные магниты в основном используются для изготовления временных электромагнитов, сила которых может варьироваться в соответствии с требованиями. Они также используются для разделения материалов, сделанных из металла, на складах металлолома и дают новый импульс современной технологии – от высокоскоростных поездов до высокотехнологичного пространства.
3. Электромагнит
Электромагнит был изобретен британским ученым Уильямом Стердженом в 1824 году. Затем он был систематически усовершенствован и популяризирован американским ученым Джозефом Генри в начале 1830-х годов.
Электромагниты представляют собой плотно намотанные витки провода, которые функционируют как магниты при прохождении электрического тока. Его также можно классифицировать как временный магнит, поскольку магнитное поле исчезает, как только ток отключается.
Полярность и напряженность магнитного поля, создаваемого электромагнитом, можно регулировать, изменяя направление и величину тока, протекающего через провод. Это главное преимущество электромагнитов перед постоянными магнитами.
Для усиления магнитного поля катушка обычно наматывается на сердечник из «мягкого» ферромагнитного материала, такого как мягкая сталь. Провод, свернутый в одну или несколько петель, называется соленоидом.
Эти типы магнитов широко используются в электрических и электромеханических устройствах, включая жесткие диски, громкоговорители, жесткие диски, трансформаторы, электрические звонки, МРТ-машины, ускорители частиц и различные научные приборы.
Электромагниты также используются в промышленности для захвата и перемещения тяжелых предметов, таких как металлолом и сталь.
Источник
Чтобы понять суть магнетизма и веществ, называемых магнитами, необходимо несколько углубиться в теорию электромагнитного взаимодействия и внутренней структуры твердых веществ. Физиками установлен основополагающий закон: «Вокруг любого движущегося электрического заряда возникает магнитное поле, а магнитное поле действует на любой движущийся заряд». Закон подтвержден экспериментально опытами Эрстеда и Ампера и ему подчиняются все электрические заряды — электроны, протоны, ионизированные атомы и молекулы.
Из курса школьной физики известно, что вся материя состоит из атомов и молекул, представляющих сложную структуру из нуклонов и вращающихся вокруг них электронов. То есть, в каждом физическом теле, независимо от его фазового состояния, находится огромное количество движущихся зарядов. Значит, должно возникать и магнитное поле. Почему же у одних веществ оно есть, у других его нет?
Почему вещества намагничиваются?
Дело в том, что движение электронов по орбитах носит хаотический характер, а магнитное поле имеет направленное действие. Если взять любой магнит, то у него легко заметить два полюса — северный и южный. Магниты взаимодействуют наподобие электрических зарядов «плюс» и «минус». Одноименные притягиваются, разноименные отталкиваются. Так же и магнитные полюса — северный притягивается к южному, но отталкивается от северного, и наоборот.
Внутри обычного вещества вокруг каждого атома возникают магнитные поля с определенной ориентацией силовых линий. Направление их такое же хаотичное, как и вращение электронов. Поля взаимно погашаются и вокруг массивного тела их нет.
Но есть ряд веществ, у которых значительная часть атомов выстраивается в определенном порядке. Атомы образуют пространственные структуры, домены, с ориентированным магнитным полем. Полюса доменов направлены в одну сторону, и вещество превращается в магнит на макроскопическом уровне. Что мы называем магнитом? Предмет, который может притягивать некоторые металлы, действовать на проводник с током, или другой магнит на расстоянии. Магнитное поле, как и электрическое, дистанционно. Для начала взаимодействия тела не должны касаться друг друга, а только находится вблизи. Величина расстояния различна — от нескольких миллиметров, до сотен и тысяч километров.
Виды магнитов
Необходимо отметить, что магнитное поле возникает вокруг любого твердого тела. Но большинство таких полей столь мало по интенсивности, что мы их не обнаруживаем даже при помощи специальных приборов. В то же время в природе есть вещества, у которых расположение атомов в кристаллической решетке отличается определенной направленностью и магнитное поле их окружает постоянно. Одно из таких веществ — магнитных железняк, или магнетит.
В процессе развития техники необходимость в магнитах возрастала. Ученые разработали рецептуры сплавов на основе железа, которые обладали более высокими магнитными свойствами — это стали с содержанием вольфрама, кобальта, хрома, никеля, алюминия, меди. Такие вещества, помещенные в электромагнитное поле, легко намагничиваются, а после отключения поля, сохраняют намагниченность. Изделия из такого материала получило название постоянного магнита. Широкое распространение получили ферритовые магниты на основе оксида железа и окислов бария и стронция.
Неодимовые магниты обладают более сильным полем. Они производятся из сплава железа, неодима и бора. Отличаются небольшими размерами, но очень большой силой сцепления на близком расстоянии.
Электромагниты — класс веществ, у которых магнетизм проявляется только при прохождении тока по катушке, намотанной вокруг сердечника из этого материала. Это так называемые ферромагниты. Они отлично намагничиваются, но не сохраняют остаточного поля после отключения тока. Пример — стали Э1, Э2, Э3, Э4.
Читайте также
Источник
Количество просмотров:3095
Что такое магниты?
Магниты – это тела, обладающие способностью притягивать железные и стальные предметы и отталкивать некоторые другие благодаря действию своего магнитного поля.
Магнитное поле постоянных магнитов создается электрическими микротоками, циркулирующими внутри молекул вещества (гипотеза Ампера).Силовые линии магнитного поля проходят с южного полюса магнита, а выходят с северного полюса.
Магнитные термины
Постоянный магнит — изделие из магнитотвердого материала с высокой остаточной магнитной индукцией, сохраняющее состояние намагниченности в течение длительного времени.
Магнитная индукция — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства.
Магнитная сила «Br» – это способность намагниченных железных и металлических тел или магнитов притягивать другие железные намагниченные с противоположных знаком полярности тела. Измеряется в тестах (Тл) или гауссах (Гс).
Коэрцитивная сила «Hс» (от лат. coercitio «удерживание») – это значение напряжённости магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферро- или ферримагнитного вещества.
Максимальная энергия – «Bhmax». Рассчитывается путем умножения остаточной магнитной силы «Br» и коэрцитивности «Нс». Измеряется в МГсЭ (мегагауссэрстед).
Коэффициент температуры остаточной магнитной силы – «Тс» и «Br». Характеризует зависимость «Br» от температурного значения;
Tmax – наивысшее значение температуры, при достижении которого постоянные магниты утрачивают свойства с возможностью обратного восстановления;
Tcur – наивысшее значение температуры, когда магнитный материал безвозвратно утрачивает свойства. Этот показатель называется температурой «Кюри».
Виды магнитов
Электромагниты – это туго намотанные на каркас витки провода, обычно с железным сердечником, который действует как постоянный магнит только тогда, когда по проводу течет ток. Сила и полярность магнитного поля, создаваемого электромагнитом, обусловлены изменением величины и направления электрического тока, текущего по проводу.
Временные магниты – это магниты, которые действуют как постоянные магниты только тогда, когда находятся в сильном магнитном поле, и теряют свой магнетизм, когда магнитное поле исчезает. Например: скрепки и гвозди, а также другие изделия из мягкого железа.
Постоянные магниты – наиболее привычный нам вид магнитов. Они постоянные в том смысле, что будучи однажды намагничены, эти магниты сохраняют некоторый уровень остаточной намагниченности. Разные виды постоянных магнитов имеют различные характеристики или свойства, относящиеся к тому, как легко они размагничиваются, насколько они сильные, как их сила меняется с температурой и т. д.
Ферритовые магниты
Ферритовые магниты – это магниты, полученные в результате соединения оксида железа с оксидами других металлов: Барий (Ba) или Стронций (Sr). Формула: MeO*6Fe2O3, где Ме — Барий (Ba) или Стронций (Sr)
Плюсы:
- Температурный диапазон: от -40°C до +300°C
- Обладают антикоррозийными свойствами, им не нужна дополнительная защита от неблагоприятной окружающей среды и влаги
- Доступная ценовая категория
Минусы:
- Хрупкость, высокая твердость, низкая прочность
- Магнитные свойства сохраняются от 10 до 30 лет
Применение ферритовых магнитов
Назначение феррита – защитить технику от внешних помех и не допустить порчи сигнала, получаемого по кабелю. Благодаря этому свойству магниты используют при производстве навигаторов, мониторов, принтеров и другого оборудования, где важно получить чистый сигнал или изображение. Применяется ферритовый магнит в автомобилестроении и промышленности. Используется в различной технике и электроприборах, а также бытовых установках, генераторах, системах акустики. При производстве автомобилей магниты используют в системах охлаждения, стеклоподъемниках и вентиляторах.
Ферритовый магнит – один из самых важных элементов электродинамического динамика. Переменный ток, протекающий через обмотку динамика, взаимодействует с магнитным полем этого магнита, что вызывает в соответствии с законом Ампера, переменную силу, воздействующую на диффузор динамика.
Геркон «герметичный контакт»- миниатюрная цилиндрическая стеклянная колбочка, в противоположные концы которой впаяны два контакта, обладающие ферромагнитными свойствами: подвижный и неподвижный. Если поднести к ней магнит, то подвижный контакт соприкоснется с неподвижным и цепь.
Неодимовые магниты
Неодимовые магниты – это сплав трёх элементов: неодима (Nd) 33%, железа (Fe) 65% и бора (B) 2%.
Полная химическая формула неодимового магнита – Nd2Fe14B
Nd неодим – относится к цериевой группе лантаноидов и группе редкоземельных элементов (содержание которых в земной коре сравнительно мало и в чистом виде эти элементы не встречаются). Месторождения неодима находятся в США, Казахстане, Украине, Австралии, Индии, Норвегии, Швеции и Финляндии. В РФ это Мурманская область и Республика Саха (Якутия). За последние десятилетия КНР стала главным производителем и экспортёром неодима на мировой рынок с долей 90-94%.
Сила сцепления неодимовых магнитов
Факторы влияющие на силу сцепления неодимового магнита:
- Самый важный фактор – это расстояние между магнитом и объектом, на который направлена сила притяжения. Если непосредственный контакт отсутствует сила сцепления быстро уменьшается по мере увеличения расстояния. Даже незначительный разрыв в полмиллиметра, между объектом и магнитом, способен при определенных обстоятельствах наполовину снизить силу сцепления. Наличие тонкого слоя краски или грязи на объекте притяжения также значительно уменьшает силу сцепления.
- Важную роль играет материал, из которого изготовлен объект притяжения. Сила сцепления, приведенная в технических характеристиках неодимового магнита, достигается в том случае, если объект притяжения изготовлен из чистого железа.
- Поверхность объекта притяжения. Более гладкая поверхность объекта притяжения усиливает силу сцепления. В случае наличия шероховатостей на поверхности сила сцепления значительно уменьшается.
- Направление усилия на отрыв. Теоретически, максимальная сила сцепления достигается, если усилие на отрыв направлено вертикально по отношению к контактной поверхности, т.е., под углом 90 градусов относительно плоскости.
- Толщина объекта притяжения. Чем толще объект притяжения, тем сильнее сила сцепления. Если объект притяжения обладает слишком тонкой толщиной – происходит эффект магнитного насыщения и часть энергии магнитного поля пропадает впустую.
Применение неодимовых магнитов
Промышленность – изготовление ГПУ (грузоподъемных устройств), держатели, хранение металлических вещей, гаражи.
Упаковка и рекламная продукция (сувениры, рекламные материалы)
Приборостроение медицина – изготовление магнитно-резонансной томографии, хирургического оборудования, для диагностики и лечения
Производство игрушек и подарков – развивающие игры для детей, пазлы, конструкторы, мозайки и т.д.
Неодимовые магниты применяют везде: в науке, промышленности, изготовлении рекламной или упаковочной продукции, в электротехнике и радиотехнике, в сельском хозяйстве, в медицине и просто в быту.
Источник