Магнетики — интернет энциклопедия для студентов

1. Механизм намагничивания и разновидности магнетиков
2. Что такое намагниченность?
3. Напряженность поля

Определение

Магнетики — это такие вещества, которые стали источником магнитного поля вследствие внесения тех или иных изменений.

В данном процессе полноценная индукция магнитного поля аналогична суммарной индукции внешнего поля, а также поля, формируемого самим магнетиком. Процесс, при котором изменяется состояние магнетика во внешнем поле, являясь намагничиванием. Магнетики в 1845 году открыл Фарадей.

Механизм намагничивания и разновидности магнетиков

Выделяют такие виды магнетиков:

• диамагнетики;
• парамагнетики;
• ферромагнетики;
• ферримагнетики.

Также сюда относят антиферромагнетики, хотя они и лишены возможности формировать в пространстве магнитное поле.

Интенсивности намагничивания свойственно то, что каждый элемент объема вещества обзаводится магнитным моментом.

Определение

Диамагнетики — это вещества, в которых в случае внесения во внешнее магнитное поле в атомах и молекулах наблюдается изменение движения электронов, вследствие чего формируется ориентированный ток кругового типа.

Данному току свойственен магнитный момент:

, где S является площадью витка с током.

В магнитном поле молекулы данного вещества обзаводятся индуцированным магнитным моментом, выступая в качестве источника дополнительного поля, чья индукция определяется как:

.

Диамагнетики попадает под магнитное воздействие во внешнем поле относительно к противоположному полю извне. Его магнитная восприимчивость находится на отметке меньше нуля и ощутимо меньше единицы. Диамагнетики подразделяются на сверхпроводники, а также «аномальные» и «классические» разновидности. Классическим диамагнетикам свойственна магнитная восприимчивость.

Парамагнетики — это те вещества, внутри которых электроны в молекулах перемещаются таким образом, что молекулы обзаводятся постоянным магнитным моментом и не обладают магнитным полем. Молекула данного вещества — это источник магнитного поля, без которого моменты тех или иных молекул обладают хаотичностью, результирующая индукция соответствует нулю, а тело не намагничено. Во внешнем поле регулярные магнитные моменты молекул определяются внешнем полем, в результате чего формируется актуальное направление ориентации моментов. Небольшие объемы вещества обзаводятся магнитными моментами, соответствующими сумме магнитных моментов конкретных молекул. Парамагнетик в итоге выступает в качестве источника поля, намагничиваясь по направлению к полю извне. Магнитная восприимчивость вещества превышает нуль, но, по аналогии с диамагнетиком, она довольно мала.

Парамагнетики подразделяются на нормальные, металлы, а также антиферромагнетики. К нормальным парамагнетикам относятся такие газы как оксид азота, платина, кислород, палладий и прочие. Для этих парамагнетиков ,зависящая от температурного показателя по закону Кюри:

либо согласно закону Кюри — Вейсса:

,

где C и C’ являются постоянными Кюри, а △ — постоянной, которая меньше и больше нуля.

Если говорить о металлах парамагнитного типа, то их магнитная восприимчивость независима от температуры. Данные металлы относятся к слабомагнитным .

Антиферромагнетики преобразуются в нормальные парамагнетики, при температуре выше некоторого температурного значения (точка Кюри).

Процесс намагничивания ферримагнетиков и ферромагнетиков объясняется наличием магнитного момента у электронов. Момент обладает конкретным соотношением с механическим моментом (спин). Спины в магнитном поле данных магнетиков ориентируются конкретным образом. Обычно, это кристаллические вещества. При невысоком температурном значении ферромагнетикам свойственна спонтанная намагниченность, сильно меняющаяся под влиянием внешнего поля, при деформации ферромагнетика, а также изменении его температурного значения.

Что такое намагниченность?

Для того чтобы описать состояние намагниченности магнетика прибегают к вектору намагниченности ().

Намагниченность это физическая величина, которая равна:

,

где △V является элементарным объемом, а магнитными молекулярными моментами. Суммирование происходит по каждой имеющейся в объеме △V молекуле. Отталкиваясь от формулы (5) можно отметить, что:

,

В слабых магнитных полях намагниченность парамагнетиков и диамагнетиков пропорциональна напряженности поля ().

,

где ϰ является магнитной восприимчивостью магнетика.

Для магнетиков (парамагнетики, диамагнетики) корреляция вектора намагниченности является линейной относительно напряженности поля (первый рисунок).

Ферромагнетикам характерно явление гистерезиса (второй рисунок).

Напряженность поля

При отсутствии магнетиков производится соотношение, указывающее на формирование магнитного поля:

.

Если магнетики присутствуют, порождение поля осуществляется не только благодаря токам проводимости , но и молекулярным токам . Отсюда можно вывести следующее преобразование:

.

Первый пример

Задание: Какое из свойств магнитного поля послужило основой соотношения для составляющей поля при переходе через границу раздела пары магнетиков:.

Решение

При отсутствии токов проводимости на границе раздела магнетиков прибегают к теореме Гаусса:

.

При этом за счет вычисления потока:

.

Как результат, получаем, что .

Второй пример

Задание: На границе раздела веществ наблюдается преломление силовых линий поля. Необходимо доказать, что закон преломления линий имеет вид .

Решение

В основу решения будет взят факт того, что линии индукции беспрерывно пересекают границу разделы пары магнетиков. Число приводящих к площади S линий из магнетика (номер 1), будет равно:

.

Число линий, которые выходят из площадки △S в магнетик (номер 2) равно:

.

Поскольку линии не разрываются, отсюда следует:

.

где

.

Линии магнитной индукции преломляются на границе магнетиков, а угол между линией индукции и нормалью к поверхности изменяется. Согласно первому рисунку:

.

А нам известно следующее:

.

Подставив граничные значения для компонентов вектора индукции (уравнение под номером 2. 5) получаем следующее

Ответ: нам удалось доказать, что закон преломления имеет вид .

Магнетики

В этом процессе полная индукция магнитного поля равна сумме индукций внешнего магнитного поля и магнитного поля, которое рождено самим магнетиком. Процесс изменения состояния магнетика во внешнем магнитном поле называют намагничиванием. Магнитики были открыты Фарадеем в 1845 г.

Механизм намагничивания. Виды магнетиков

В зависимости от механизма намагничивания магнетики делят на диа-, пара- ферро- и ферримагнетики. Антиферромагнетики относят тоже к магнетикам, несмотря на то, что они не создают магнитного поля в пространстве.

Интенсивность намагничивания характеризуется тем, что все элементы объема вещества приобретают магнитный момент.

Этот ток характеризуют магнитным моментом ($p_m$):

\[p_m=IS\ \left(1\right),\]

где $S$ — площадь витка с током.

Говорят, что молекулы такого вещества в магнитном поле обретают индуцированный магнитный момент. 3}\right\}\left(2\right).\]

Диамагнетики намагничиваются во внешнем поле в направлении противоположном внешнему полю. Магнитная восприимчивость диамагнетика меньше нуля. Причем она много меньше единицы.

Диамагнетики делятся на «классические», «аномальные» и сверхпроводники. Классические диамагнетики имеют магнитную восприимчивость $\varkappa

Парамагнетиками называют вещества, в которых движение электронов в молекулах происходит так, что молекулы имеют постоянный магнитный момент и без магнитного поля. Молекула парамагнетика сама источник магнитного поля. В отсутствии магнитного поля магнитные моменты разных молекул ориентированы хаотично, результирующая индукция поля равна нулю, в результате тело не намагничено. Во внешнем магнитном поле постоянные магнитные моменты молекул ориентируются по внешнему полю, образуется преимущественное направление ориентации магнитных моментов. Малые объемы вещества получают магнитные моменты, которые равны сумме магнитных моментов отдельных молекул.

{-6}.$

Антиферромагнетики при температуре выше некоторой температуры, которую называют точкой Кюри становятся нормальными парамагнетиками.

Намагничивание ферромагнетиков и ферримагнетиков связывают с тем, что электроны имеют магнитный момент, который имеет определенное соотношение с механическим моментом — спином. В магнитном поле спины этих магнетиков определенным образом ориентируются. Это, как правило, кристаллические вещества. При невысокой температуре ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью. Она сильно изменяется под действием внешнего поля, при деформации ферромагнетика и изменении его температуры.

Намагниченность

Для характеристики состояния намагниченного состояния магнетика используют вектор намагниченности ($\overrightarrow{J}$).

Намагниченностью ($\overrightarrow{J}$) называют физическую величину, которая равна:

\[\overrightarrow{J}=\frac{1}{\triangle V}\sum\limits_{\triangle V}{{\overrightarrow{p}}_{mi}(5)},\]

где $\triangle V$ — элементарный объем, $\overrightarrow{p_{mi}}$ — магнитные моменты молекул, суммирование осуществляется по всем молекулам в объеме $\triangle V$. Из формулы (5) можно заключить, что:

\[p_m=\overrightarrow{J}dV\left(6\right).\]

В несильных магнитных полях намагниченность диа- и парамагнетиках пропорциональна напряженности магнитного поля ($\overrightarrow{H}$):

\[\overrightarrow{J}=\varkappa {\mu }_0\overrightarrow{H\ }\left(7\right),\]

где $\varkappa $ — магнитная восприимчивость среды (магнетика).

Для парамагнетиков и диамагнетиков зависимость вектора намагниченности от напряженности магнитного поля линейна (рис.1).

Рис. 1

У ферромагнетиков наблюдается явление гистерезиса (рис 2).

Рис. 2

Напряжённость магнитного поля

Когда магнетики отсутствуют, выполняется соотношение, которое описывает возникновение магнитного поля:

\[rot\overrightarrow{B}={\mu }_0\overrightarrow{j}\left(8\right).\]

При наличии магнетиков поле порождается не только токами проводимости$\ (\overrightarrow{j)}$, но и молекулярными токами $(\overrightarrow{j_{mol})}$. Следовательно, (8) преобразуется к виду:

\[rot\overrightarrow{B}={\mu }_0\left(\overrightarrow{j}+\overrightarrow{j_{mol}}\right)={\mu }_0\overrightarrow{j}+rot\overrightarrow{J}\left(9\right).\]

Электричество и магнетизм

В присутствии магнетика вектор магнитной индукции  равен сумме векторов магнитной индукции внешнего магнитного поля , создаваемого независимыми от магнетика токами, и магнитной индукции собственного поля магнетика

 

(7.1)

Поле , создаваемое намагниченным магнетиком, разумеется, зависит от того, как намагничен магнетик, а намагничивается он суммарным полем , поэтому  само является функцией : . Исключением в этом смысле может быть постоянный магнит, намагниченность которого не зависит, или практически не зависит от наличия или отсутствия внешнего магнитного поля, в частности, такое вещество, которое может оставаться намагниченным и в отсутствие внешнего — намагничивающего — поля.

 

Далее будет показано, что если магнитное поле вне магнетика параллельно его поверхности, то поле  связано с магнитной индукцией  в вакууме (то есть в отсутствие магнетика) соотношением

Безразмерная величина m называется магнитной проницаемостью. Все магнетики, в зависимости от характера влияния их собственного поля на суммарное магнитное поле, можно разделить на три группы:

• парамагнетики, у которых m > 1, то есть вектор магнитной индукции собственного магнитного поля  направлен в ту же сторону, что и вектор внешнего магнитного поля ;

• диамагнетики, у которых m < 1, то есть векторы  и    направлены в противоположные стороны;

• ферромагнетики, это парамагнетики, у которых m >> 1.

 В парамагнитных телах собственное поле  увеличивает магнитный поток и, следовательно, парамагнитные тела притягиваются к магниту. В отличие от парамагнитных тел диамагнитные тела уменьшают магнитный поток. Это означает, как уже было сказано, что в диамагнитном теле под действием внешнего поля возникает собственное магнитное поле противоположное направлению внешнего магнитного поля. Следовательно, диамагнитные тела своим собственным магнитным полем отталкиваются от магнита. 

Видео 7.1. Поведение пара- и диамагнетиков в неоднородном магнитном поле.

Как показывает опыт, вектор магнитной индукции собственного поля пара- и диамагнетика пропорционален вектору магнитной индукции внешнего поля B₀

(7.2)

 

Безразмерный коэффициент пропорциональности c_m называется магнитной восприимчивостью вещества и является безразмерной величиной. У диамагнитных веществ магнитная восприимчивость является отрицательной величиной (c_m < 0), у парамагнитных положительной (c_m > 0). У ферромагнетиков магнитная восприимчивость c_m зависит от величины магнитной индукции внешнего поля B₀, поэтому в общем случае зависимость собственного поля ферромагнетика от внешнего нельзя считать линейной.  

Результирующее магнитное поле в присутствии магнетика равно:

(7.3)

Сравнивая (7.3) с (7.1), получим

(7.4)

Отсюда находим связь собственного поля с внешним

(7. 5)

аналогичную соответствующим выражениям для диэлектриков. 

Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил, что в атомах и молекулах вещества циркулируют особые круговые токи — молекулярные токи. Каждый такой ток создает в окружающем пространстве магнитное поле. В силу хаотической ориентации магнитных моментов отдельных молекулярных токов суммарный магнитный момент тела равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты молекулярных токов приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего вещество намагничивается — его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля, возникает дополнительное поле  (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Молекулярные токи в магнетике

Не вдаваясь пока в обсуждение природы молекулярных токов, получим соотношения, аналогичные тем, что были выведены для диэлектриков. Каждый молекулярный ток имеет магнитный момент . Намагничение (Степень намагниченности) магнетика естественно охарактеризовать магнитным моментом единицы объема, называемого вектором намагничивания (или намагниченностъю).

Вектор намагничивания (или Намагниченность)  — это плотность магнитного момента, то есть                        (7.6)

Здесь  — элементарный (физически бесконечно малый) объем магнетика, взятый в окрестности некоторой точки,  — магнитные моменты отдельных молекулярных токов. В формуле (7.6) суммируются магнитные моменты всех молекулярных токов, находящихся внутри объема .

В СИ единицей измерения вектора намагничивания является ампер на метр (А/м):

Поляризуемость диэлектрика (плотность электрического дипольного момента) связывалась с возникновением поверхностных зарядов, которые изменяли электрическое поле в среде. Аналогично этому, намагниченность магнетика приводит к возникновению поверхностных токов, что меняет магнитное поле. На рис. 7.2 показан образец магнетика, помещенный во внешнее магнитное поле .

Рис. 7.2. Молекулярные токи в магнетике, помещенном в магнитном поле,
создают собственное поле, подобное полю соленоида с током I 

Молекулярные токи, показанные на торце образца, ориентированы так, что их магнитные моменты выстроились параллельно вектору . Видно, что токи в толще магнетика компенсируют друг друга. Нескомпенсированными оказываются только токи вблизи поверхности образца. Складываясь, они приводят к поверхностным токам (показаны красными стрелками на рис. 7.2 и черными стрелками на рис. 7.3).

 

Рис. 7.3. Образование молекулярных токов на поверхностях магнетика 

Такая система эквивалентна соленоиду. В формуле для магнитной индукции поля соленоида

величина n есть число витков на единицу длины

С другой стороны, произведение   сть полный ток через элемент длиной . Поэтому формула для соленоида применима к нашему магнетику, если заменить произведение nI на линейную плотность поверхностного тока . Получаем тогда следующее выражение для величины магнитной индукции поля В ‘, создаваемого молекулярными токами

(7.7)

С другой стороны, магнитный момент элемента поверхностного тока, текущего по участку соленоида длиной , равен

(7.8)

где S — поперечное сечение образца. По определению вектора намагничивания

(7. 9)

Сравнивая (7.7) и (7.9), находим связь вектора намагниченности с полем, создаваемым молекулярными токами

(7.10)

С учетом (7.1) и (7.5) можем записать

(7.11)

 

 

Дополнительная информация 

http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3189.html — парамагнетики;

http://periodictable.com/Properties/A/MagneticType.html — магнитные материалы, парамагнетики, диамагнетики;

http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/MagParticle/Physics/MagneticMatls. htm — диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные материалы;

http://physics-animations.com/Physics/English/mag_txt.htm  — ферромагнетики.

ВРЕМЯ для детей | Что такое магниты?

Что общего у компасов, вентиляторов и высокоскоростных поездов? Все они используют магниты для работы. Магниты — это камни или металлы, создающие вокруг себя невидимое поле. Это поле притягивает другие магниты и некоторые металлы. Наличие магнитного поля — вот почему вы можете покрыть металлическую дверь холодильника магнитами.

Магнитное поле сосредоточено вокруг концов магнитов. Эти концы называются полюсами. Все магниты имеют два полюса: северный полюс и южный полюс. Вы можете почувствовать магнитную силу, если держите два магнита так, чтобы их полюса находились рядом друг с другом. Если полюса противоположны (север и юг), вы почувствуете притяжение между магнитами. Если полюса идентичны (север и север или юг и юг), вы почувствуете, как магниты отталкиваются. отталкивающий ДЖЕССИКА ПЕТЕРСОН/GETTY IMAGES оттолкнуть или разлучить (глагол) Меня отталкивал запах ее напитка. друг друга.

Некоторые материалы обладают магнитными свойствами. Одним из примеров является магнитный камень, горная порода, богатая железом. И некоторые металлы могут становиться магнитными. К ним относятся железо, кобальт и никель. Если вы пропустите немагнитный железный гвоздь через магнитное поле, вы можете превратить его в магнит. Этот процесс называется намагничиванием.

Земля — гигантский магнит. Это потому, что ядро ​​​​планеты состоит в основном из железа. Магнитное поле Земли простирается вокруг планеты. Она называется магнитосферой. Поле наиболее сильно вблизи Северного и Южного полюсов Земли.

Вы никогда не задумывались, почему компас всегда указывает на север? Причина в том, что компас — это магнит, который сидит на оси. вращаться ФОТОАЛЬТО — ЭРИК ОДРАС/GETTY IMAGES фиксированная точка, на которой что-то вращается или балансирует (существительное) Моя велосипедная педаль соскочила с оси. . Этот магнит часто называют иглой. Поскольку противоположные полюса притягиваются, южный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли.

Земля представляет собой гигантский магнит, поскольку содержит магнитный материал в виде расплавленной породы. Магнитное поле Земли, или магнитосфера, сильнее всего вокруг северного и южного полюсов планеты.

PETER HERMES FURIAN—GETTY IMAGES

Как работают магниты

Древние греки были одними из первых, кто открыл магнетит. Для них магнетизм мог казаться волшебным. Ведь магнитное поле нельзя увидеть. Но его последствия можно почувствовать.

За последнее столетие ученые узнали, что секрет магнита заключается в его атомном атомный СУПЕРСТОК/GETTY IMAGES относящийся к атомам или мельчайшим компонентам элемента (имя прилагательное) Атомные часы показывают очень точное время в соответствии с вибрациями внутри атома. структура. Все объекты во Вселенной состоят из атомов. Каждый атом имеет ядро ​​в центре. Крошечные частицы, называемые электронами, вращаются вокруг ядра. Этот процесс создает магнитные поля вокруг электронов. Магнетизм возникает, когда электроны вращаются в одном направлении. Поскольку все магнитные силы электронов складываются, они превращают объект в один большой магнит.

Электричество и магнетизм

Поток электронов называется электричеством. Когда электроны движутся по проводу, они создают магнитное поле. Ученые считают, что магнетизм и электричество являются частью единой силы. Она называется электромагнитной силой.

Датский физик Ганс Христиан Эрстед открыл электромагнетизм в 1820 году. Это открытие привело к значительному улучшению образа жизни людей. Ученые начали производить магниты, посылая электричество через катушку провода, намотанную на магнитный материал, например железо. Этот тип магнита называется электромагнитом. Электромагниты могут различаться по силе. Сила зависит от величины электрического тока и количества витков проволоки. Мощные электромагниты, например, используются для подъема автомобилей на свалках.

Электромагниты используются для самых разных целей, в том числе для подъема металлолома.

PETER AN—GETTY IMAGES

Магниты повсюду

Магниты используются во многих устройствах, которые люди используют каждый день. Они есть в любой машине, у которой есть мотор. Это включает в себя вентиляторы, стиральные машины и автомобили. В двигателях используются магниты и катушки с проволокой для преобразования электрической энергии в движение.

Магниты также помогли добиться значительных успехов в области здравоохранения и транспорта. Врачи могут диагностировать заболевания с помощью МРТ или магнитно-резонансной томографии. Устройства МРТ используют магнитное поле для создания изображений органов пациентов. В Японии, Китае и Германии скоростные поезда используют магниты для достижения скорости более 300 миль в час. Магниты позволяют поездам парить над путями. Это избавит от трения трение ЭНЕРГИЯ / ПОЛУЧИТЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ сопротивление, возникающее при соприкосновении одного тела с другим (существительное) Трение между тормозами и колесами помогает остановить машину, когда вы едете слишком быстро. в противном случае поезда будут двигаться с меньшей скоростью.

Магнетизм — основная сила природы. Оно окружает нас. Понимание того, как работают магниты, вдохновило людей на разработку новаторских и спасающих жизнь технологий.

Краткое руководство по магнитам, магнитным и немагнитным металлам

Первые магниты были обнаружены древними цивилизациями 2500 лет назад. Магнитные компасы широко использовались для навигации в Европе и Китае в XII и XIII веках нашей эры.

Магниты играют важную роль в современной технике. Рынок магнитов продолжает расти из-за растущего спроса на детали магнитных цепей, широко используемые в промышленном, автомобильном, научном и бытовом оборудовании.

Магнетизм: что это такое?

Магнетизм можно описать как силу, которая притягивает и отталкивает магнитные объекты. Эта сила опосредована магнитными полями, проникающими в различные среды.

Некоторые материалы естественным образом обладают магнетизмом по умолчанию. Однако некоторые материалы могут быть намагничены или размагничены в соответствии с требованиями.

Что создает магнетизм в металлах?

Магнетизм вызван движением электронов. Это похоже на электрический ток. Когда электроны вращаются, они создают небольшой диполь.

Чистая сила этих вращений может быть незначительной, если вращения сбалансированы. С другой стороны, если неспаренных элементов много, то магнитный момент может стать очень большим. В результате этого процесса вокруг металлов создаются магнитные поля.

Электрические токи также могут создавать магнитные поля. Электрический ток, проходящий по проводнику, создает круговое магнитное поле. Магнитное поле, создаваемое электрическим током вблизи проводника питания, также можно использовать для создания электрических токов.

Это привело к открытию многих инновационных устройств и приложений, использующих магнетизм и электричество. Электромагнитные теории объясняют так много современного технического прогресса.

Доступные магниты

Существует множество типов магнитов. Магнитный металл можно отличить по тому, как долго его свойства остаются активными. В результате магниты можно разделить на следующие категории:

• Постоянные
• Временные
• Электромагниты

Постоянные магниты

Когда речь идет о магнитах, на ум приходят постоянные магниты. Магнитное поле может быть создано путем намагничивания этих объектов. В качестве прекрасного примера можно привести магнит на холодильник, который обычно вешает записки на дверцу холодильника.

Большинство постоянных магнитов содержат железо, никель или кобальт.

Постоянные магниты изготавливаются двух типов: «жесткие» и «мягкие» магниты. Магнитные металлы, которые являются «твердыми», имеют тенденцию оставаться намагниченными в течение длительного времени. Ниже приведены некоторые распространенные примеры

• Alnico — это сплав алюминия, никеля и кобальта. Сильный постоянный магнит можно изготовить из сплавов алнико. Они широко используются в бытовой электронике и промышленных приложениях. Этот материал используется, например, в больших электродвигателях, микрофонах, громкоговорителях, звукоснимателях для электрогитар и микроволновых печах.
• Феррит представляет собой керамическое соединение, состоящее из оксида железа и других элементов (стронция или бария). Среди применений ферритов — магниты для холодильников и небольшие электродвигатели.
• Неодимовый магнит (NdFeB) представляет собой редкоземельный магнит, состоящий из сплавов неодима, железа и бора. General Motors и Sumitomo Special Metals изобрели их в 1982 году. Самыми сильными постоянными магнитами, доступными в настоящее время, являются неодимовые магниты. Среди их применений — беспроводные инструменты, жесткие диски и магнитные застежки.
• Самарий Кобальтовые сплавы также являются редкоземельными магнитами, часто используемыми в специальных приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность.

Намагничивание магнитомягких металлов возможно, но они быстро теряют свой магнетизм. Типичные примеры включают сплавы железо-кремний и сплавы никель-железо. Подобные материалы обычно используются в электронике, например, в трансформаторах и магнитном экранировании.

Внутренняя структура постоянных магнитов создает магнитные поля. Обычно они не склонны легко терять свой магнетизм. Ферромагнитные металлы можно превратить в постоянные магниты, не теряющие своего магнитного поля независимо от внешних воздействий. Они могут выдерживать силы размагничивания и, таким образом, стабильны.

Внутренняя структура магнитных материалов является ключом к пониманию постоянных магнитов. Когда домены материала выстраиваются в одном направлении, они проявляют магнитные свойства. Домены — это крошечные магнитные источники в структуре материала.

Домены ферромагнитного материала выровнены в сильных магнитах.

Ядро Земли ведет себя как постоянный магнит из-за схожих условий внутри него. Но обратите внимание, что географический Северный полюс Земли на самом деле является Магнитным Южным полюсом.

Временные магниты

Временный магнит — это магнит, который действует как постоянный магнит, когда находится в магнитном поле, но теряет свои магнитные свойства, когда находится вне магнитного поля. При определенных условиях временные магниты сохраняют свои магнитные свойства. Если этих условий больше не существует, магнитные поля исчезнут.

Примеры временных магнитов включают мягкие материалы с низкими магнитными свойствами, такие как отожженное железо и сталь. В присутствии сильного магнитного поля они становятся магнитными. Сила принуждения у них низкая.

Если вы когда-нибудь видели слипшиеся скрепки, когда поблизости находится постоянный магнит, то вы знаете, как это работает.

Магнитные поля могут привести к тому, что скрепки станут временными магнитами, притягивающими другие скрепки. В отсутствие постоянного магнита скрепки теряют свои магнитные свойства.

Электромагниты

Магнитные поля генерируются электромагнитами при прохождении через них электрического тока. Их применение разнообразно. Например, двигатели, генераторы, реле, наушники и т. д. используют электромагниты.

Электромагниты имеют ферромагнитный сердечник, окруженный катушкой из проволоки. При подключении провода к источнику электричества создается сильное магнитное поле. Он дополнительно усиливается ферромагнитным материалом. В зависимости от электрического тока электромагниты могут быть чрезвычайно мощными.

Магнитная сила также может включаться и выключаться нажатием кнопки. Магнитная сила обладает рядом особых свойств, которые мы можем использовать в наших приложениях благодаря этому особому свойству.

Из чего сделаны магниты

Магниты сделаны из группы металлов, называемых ферромагнитными металлами. Никель и железо являются примерами этих металлов. Такие металлы уникальны своей способностью намагничиваться равномерно. Говоря о том, как работает магнит, мы имеем в виду, как магнитное поле магнита действует на объект. Очень интересно узнать ответ.

Каждый материал содержит несколько небольших магнитных полей, называемых доменами. Обычно эти домены независимы друг от друга и обращены в разные стороны. Однако магнитные домены всех ферромагнитных металлов могут выравниваться при приложении сильного магнитного поля, создавая более сильное магнитное поле. Большинство магнитов сделаны таким образом.

Магнитная сила

Какие магниты самые сильные?

Магниты из редкоземельных металлов являются самыми мощными магнитами, доступными сегодня. Самыми сильными среди редкоземельных магнитов являются неодимовые магниты. Пока магнитная цепь находится в хорошем состоянии, самариево-кобальтовые магниты могут превзойти неомагниты при повышенных температурах (примерно 150 ° C и выше).

Что может повлиять на силу магнита?

Прочность магнита может быть затронут рядом факторов, в том числе:

• температуры

• Радиация

• Внешние магнитные поля, такие как от высокого потока

• A Magnet Rose Foretherte Loteret Leatherte Magnet Rose Enothersite Dotish Magnet. )

• Коррозия — некоторые магниты нуждаются в защитном покрытии, необходимом для предотвращения их коррозии в условиях высокой влажности (например, магниты NdFeB)

В современных магнитных материалах удары и вибрации не действуют, если только удары или вибрации не являются достаточно сильными, чтобы повредить магнит.

Может ли магнит вечно сохранять свою силу?

Пока магнит хранится вдали от факторов, негативно влияющих на его магнетизм, таких как линии электропередач, другие магниты, высокие температуры и т. д., он теоретически сохранит свой магнетизм навсегда.

Какие металлы обладают магнитными свойствами?

Магнитные поля могут взаимодействовать с металлом несколькими способами. Все зависит от внутренней структуры материала. Существует три основных типа металлов, взаимодействующих с магнитными полями, включая:

• Ферромагнитные
• Парамагнитные
• Диамагнитные

Магниты сильно притягиваются к ферромагнитным металлам, а остальные нет. Парамагнитные металлы также привлекают внимание к магнитам, хотя и очень слабо. С другой стороны, диамагнетики демонстрируют слабое отталкивание, если их поместить рядом с магнитом. Только ферромагнитные металлы считаются действительно магнитными.

Изображение — Магнитные металлы и немагнитные металлы (обратите внимание, что алюминий и медь взаимодействуют с изменяющимися магнитными полями)

Список магнитных металлов

Вот некоторые из наиболее известных магнитных металлов. Некоторые из них всегда магнитятся. Однако некоторые материалы, такие как нержавеющая сталь, не проявляют магнитных свойств, если они не имеют определенного химического состава.

Железо

Ферромагнитные металлы, такие как железо, очень хорошо известны. Фактически, это сильнейший ферромагнитный металл. Наша планета получает от него свои магнитные свойства, и он составляет существенную часть ее ядра. Таким образом, Земля сама по себе действует как постоянный магнит.

Есть много факторов, влияющих на магнетизм железа. В дополнение к его электронному спину на атомном уровне, его кристаллическая структура также играет важную роль. Без этого железо было бы немагнитным металлом.

В зависимости от кристаллической структуры железо имеет разные свойства.

Альфа-FE структура объемно-центрированной кубической (ОЦК) структуры железа делает его ферромагнитным. Между тем, он не проявляет магнетизма в гранецентрированных кубических (ГЦК) структурах гамма-Fe. Структура бета-Fe, например, проявляет парамагнитные свойства.

Рисунок. Железные опилки в магнитном поле

Никель

Никель также является популярным магнитным металлом с ферромагнитными свойствами. Его соединения также находятся в ядре Земли. Никель исторически использовался для изготовления монет. Сегодня никель используется в батареях, покрытиях, кухонном оборудовании, телефонах, зданиях, транспорте и ювелирных изделиях. Ферроникель, ключевой компонент нержавеющей стали, производится из никеля.

Никель также входит в состав магнитов Alnico (сделанных из алюминия, никеля и кобальта).

Кобальт

Кобальт является ферромагнитным металлом. За последние 100 лет кобальт широко использовался из-за его превосходных магнитных свойств.

Кобальт можно использовать для изготовления как мягких, так и твердых магнитов. По сравнению с другими мягкими магнитами магниты на основе кобальта имеют ряд преимуществ. В частности, у них высокая точка насыщения, температура Кюри находится в пределах 950…990°С. Поэтому их можно использовать в условиях высоких температур (до 500°C).

Сплавы кобальта используются в жестких дисках, ветряных турбинах, аппаратах МРТ, двигателях, приводах и датчиках.

Сталь

Благодаря содержанию железа сталь также обладает ферромагнитными свойствами. В большинстве случаев сталь притягивается к магнитам. Также возможно создание постоянных магнитов из стали.

Например, сталь марки EN C15D содержит от 98,81 до 99,26% железа. Эта марка стали содержит высокий процент железа. В результате ферромагнитные свойства железа передаются стали.

Нержавеющая сталь

Некоторые нержавеющие стали являются магнитными, а некоторые нет. Легированная сталь становится нержавеющей сталью при добавлении в сплав хрома. Состав и молекулярная структура приводят к тому, что ферритные и мартенситные нержавеющие стали являются магнитными.

Аустенитные стали, с другой стороны, не проявляют ферромагнитных свойств из-за своей молекулярной структуры. В результате его можно использовать в аппаратах МРТ.

Именно количество никеля является основной причиной магнитной разницы. Упрочнение оксидного слоя улучшает защиту от коррозии, но также изменяет структуру нержавеющей стали.

Редкоземельные металлы

Помимо упомянутых выше металлов, некоторые соединения редкоземельных элементов также являются ферромагнитными. Гадолиний, самарий и неодим — все это магнитные редкоземельные металлы.

Возможно изготовление магнитов с различными свойствами из вышеперечисленных металлов в сочетании с железом, никелем и кобальтом. Такие магниты обладают особыми свойствами, необходимыми для определенных приложений.

Например, самариево-кобальтовые магниты используются в турбомашинах и высокопроизводительных электродвигателях.

Какие металлы не магнитятся?

В таблице Менделеева только несколько металлов обладают магнитными свойствами. Другие распространенные металлы немагнитны. Вот несколько из них.

Список немагнитных металлов

Алюминий

Кристаллическая структура алюминия, как и у лития и магния, делает его немагнитным. Все эти три материала являются примерами парамагнитных металлов.

Несмотря на то, что коррозия алюминия может происходить различными путями, он известен своей устойчивостью к агрессивным средам. В сочетании с его легким весом это делает его полезным металлом во многих отраслях промышленности.

Золото

Золото является диамагнитным металлом, как и большинство металлов. Все диамагнитные металлы, в том числе и золото, обладают слабым магнитным притяжением к магнитам в чистом виде.

Серебро

Другим немагнитным металлом является серебро. Диамагнетизм делает этот металл немагнитным.

Известно, что такой металл, как серебро, обладает самой сильной электропроводностью, теплопроводностью и отражательной способностью. При нагревании становится очень мягким и податливым. Кроме того, он известен своей высокой коррозионной стойкостью.

Сегодня он широко используется в производстве ювелирных изделий и валюты. Он также используется в производстве солнечных батарей и фильтров для воды.

Медь

Сама по себе медь не обладает магнитными свойствами, но каким-то образом взаимодействует с магнитами (например, вихревые токи). Электростанции используют это свойство для выработки электроэнергии.

Используя этот принцип, металлоискатели могут обнаруживать немагнитные металлы, такие как золото и серебро. Однако для большинства практических целей этого взаимодействия недостаточно и оно ограничивает число возможных приложений.

Свяжитесь с нами сегодня

Если вы хотите обсудить ваши конкретные потребности в магнитах с нашей командой экспертов, почему бы не связаться с нами сегодня? Мы предлагаем бесплатные консультации, чтобы понять ваши требования и разработать решение, подходящее для вашего бизнеса. Нажмите здесь, чтобы узнать больше.

магнит | физика | Британика

магнит

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Джон Кантон Говин Найт

Похожие темы:

электромагнит реле автоматический выключатель соленоид постоянный магнит

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

Узнайте о магнитных полях и уровнях частиц, атомов, кристаллов и доменов

Посмотреть все видео к этой статье

магнит , любой материал, способный притягивать железо и создавать магнитное поле вне себя. К концу 19В 19 веке все известные элементы и многие соединения были проверены на магнетизм, и все они обладали тем или иным магнитным свойством. Наиболее распространенным было свойство диамагнетизма, так называли материалы, проявляющие слабое отталкивание обоими полюсами магнита. Некоторые материалы, такие как хром, проявляли парамагнетизм, будучи способными к слабой индуцированной намагниченности при приближении к магниту. Эта намагниченность исчезает, когда магнит удаляется. Только три элемента, железо, никель и кобальт, проявляли свойство ферромагнетизма (т. е. способность оставаться постоянно намагниченными).

Величины, которые сейчас используются для характеристики намагниченности, были определены и названы Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1850 году. Символ B обозначает величину плотности магнитного потока внутри намагниченного тела, а символ H обозначает величину намагничивания. сила или магнитное поле, создающее его. Оба они представлены уравнением B = μ H , в котором греческая буква мю, μ, символизирует проницаемость материала и является мерой интенсивности намагниченности, которая может быть создана в нем данным магнитным полем. поле. Современные единицы системы Международного стандарта (СИ) на B — тесла (T) или веберы на квадратный метр (Wb/m ² ), а для H — ампер на метр (A/m). Раньше единицы назывались соответственно гауссом и эрстедом. Единицы μ — генри на метр.

Все ферромагнитные материалы демонстрируют явление гистерезиса, запаздывание в ответ на изменение сил, основанное на потерях энергии в результате внутреннего трения. Если B измеряется для различных значений H и результаты отображаются в графической форме, результатом является петля типа, показанного на прилагаемом рисунке, называемая петлей гистерезиса. Имя описывает ситуацию, в которой путь, по которому следуют значения B , в то время как H увеличивается, отличается от следующего, поскольку H уменьшается. С помощью этой диаграммы можно определить характеристики, необходимые для описания характеристик материала, который будет использоваться в качестве магнита. B _s — это плотность потока насыщения и мера того, насколько сильно материал может намагничиваться. B _r — остаточная магнитная индукция и остаточная постоянная намагниченность, оставшаяся после удаления намагничивающего поля; это последнее, очевидно, является мерой качества постоянного магнита. Обычно измеряется в веберах на квадратный метр. Чтобы размагнитить образец из его остаточного состояния, необходимо приложить обратное намагничивающее поле, противоположное намагничиванию в образце. Величина поля, необходимая для уменьшения намагниченности до нуля, равна H _c , коэрцитивная сила, измеряемая в амперах на метр. Чтобы постоянный магнит сохранял свою намагниченность без потерь в течение длительного периода времени, H _c должно быть как можно больше. Комбинация больших B _r и больших H _c обычно встречается в материале с большой плотностью потока насыщения, для намагничивания которого требуется большое поле. Таким образом, материалы с постоянными магнитами часто характеризуются максимальным значением произведения B и H , ( B H ) _max , которых может достичь материал. Этот продукт ( B H ) _max является мерой минимального объема материала постоянного магнита, необходимого для создания требуемой плотности потока в заданном зазоре, и иногда его называют энергетическим продуктом.

В 1907 г. было высказано предположение, что ферромагнитный материал состоит из большого количества небольших объемов, называемых доменами, каждый из которых намагничивается до насыщения. В 1931 существование таких доменов было впервые продемонстрировано прямым экспериментом. Ферромагнитное тело в целом кажется ненамагниченным, когда направления намагниченности отдельных доменов распределяются случайным образом. Каждый домен отделен от своих соседей доменной стенкой. В пристеночной области направление намагниченности меняется с направления намагниченности одного домена на направление его соседа. Процесс намагничивания, начиная с совершенно ненамагниченного состояния, включает три этапа: (1) Слабое намагничивающее поле. Происходят обратимые движения доменных стенок, при которых домены, ориентированные в общем направлении намагничивающего поля, растут за счет неблагоприятно ориентированных; стенки возвращаются в исходное положение при снятии намагничивающего поля, и остаточная намагниченность отсутствует. (2) Среднее намагничивающее поле. Происходят большие перемещения доменных стенок, многие из которых необратимы, и значительно увеличивается объем благоприятно ориентированных доменов. При снятии поля все стенки не возвращаются в исходное положение и возникает остаточная намагниченность. (3) Высокое намагничивающее поле. Происходят большие перемещения доменных стенок, так что многие из них полностью выметаются из образца. Направления намагниченности в остальных доменах постепенно меняются по мере увеличения поля, пока намагниченность не станет везде параллельной полю и материал не намагничится до насыщения. При снятии поля вновь появляются доменные стенки, и намагниченность доменов может отклоняться от первоначального направления поля. Остаточная намагниченность имеет максимальное значение.

Значения B _R , H _C и ( B H ). и намагниченность домена может вращаться. Неоднородности или несовершенства материала создают препятствия для движения доменных стенок. Таким образом, как только намагничивающее поле протолкнет стену мимо препятствия, стена не сможет вернуться в исходное положение, если только не будет приложено обратное поле, чтобы снова отбросить ее. Таким образом, влияние этих препятствий заключается в увеличении остаточной намагниченности. Наоборот, в чистом однородном материале, в котором мало несовершенств, материал будет легко намагнитить до насыщения при относительно малых полях, и остаточная намагниченность будет небольшой.

Размагничивание и магнитная анизотропия. Что касается вращения доменов, необходимо учитывать два важных фактора: размагничивание и магнитную анизотропию (проявление различных магнитных свойств при измерении вдоль осей в разных направлениях). Первый из них касается формы намагниченного образца. Любой магнит создает магнитное поле в окружающем его пространстве. Направление силовых линий этого поля, определяемое направлением силы, действующей со стороны поля на (гипотетический) единственный магнитный северный полюс, противоположно направлению поля, использовавшегося для его первоначального намагничивания. Таким образом, каждый магнит существует в самогенерируемом поле, имеющем такое направление, которое имеет тенденцию размагничивать образец. Это явление описывается размагничивающим фактором. Если магнитные силовые линии могут быть ограничены магнитом и не могут выходить в окружающую среду, эффект размагничивания будет отсутствовать. Таким образом, тороидальный (кольцевой) магнит, намагниченный по своему периметру так, что все силовые линии представляют собой замкнутые петли внутри материала, не будет пытаться размагнититься. Для стержневых магнитов размагничивание можно свести к минимуму, если держать их парами, уложенными параллельно северному и южному полюсам рядом, и с держателем из мягкого железа, уложенным поперек каждого конца.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Связь размагничивания с вращением доменов возникает из-за того факта, что размагничивающее поле можно рассматривать как хранилище магнитной энергии. Как и все природные системы, магнит при отсутствии ограничений будет пытаться поддерживать свою намагниченность в таком направлении, чтобы минимизировать запасенную энергию; т. е. сделать размагничивающее поле как можно меньше. Чтобы повернуть намагниченность в сторону от этого положения с минимальной энергией, требуется совершить работу, чтобы обеспечить увеличение энергии, запасенной в усиленном размагничивающем поле. Таким образом, если делается попытка повернуть намагниченность домена от его естественного положения с минимальной энергией, можно сказать, что вращение затруднено в том смысле, что приложенное поле должно совершить работу, чтобы способствовать вращению против размагничивающего сил. Это явление часто называют анизотропией формы, поскольку оно возникает из-за геометрии домена, которая, в свою очередь, может определяться общей формой образца.

Аналогичные соображения минимальной энергии связаны со вторым механизмом, препятствующим вращению домена, а именно с магнитокристаллической анизотропией. Впервые в 1847 г. было замечено, что в кристаллах магнитного материала существуют предпочтительные направления намагниченности. Это явление связано с симметрией расположения атомов в кристалле. Например, в железе, имеющем кубическую кристаллическую форму, легче намагнитить кристалл вдоль направлений ребер куба, чем в любом другом направлении. Таким образом, шесть направлений ребер куба являются легкими направлениями намагничивания, а намагниченность кристалла называется анизотропной.

Магнитная анизотропия также может быть вызвана деформацией материала. Намагниченность стремится выровняться в соответствии или перпендикулярно направлению встроенной деформации. Некоторые магнитные сплавы также проявляют явление наведенной магнитной анизотропии. Если внешнее магнитное поле приложено к материалу во время его отжига при высокой температуре, оказывается, что легкое направление намагничивания индуцируется в направлении, совпадающем с направлением приложенного поля.

Приведенное выше описание объясняет, почему сталь является лучшим постоянным магнитом, чем мягкое железо.