Магнит — Википедия

Подковообразный магнит из альнико — сплава железа, алюминия, никеля и кобальта и стали. Магниты изготовляются в виде подковы для того, чтобы приблизить полюса друг к другу с целью создать сильное магнитное поле, с помощью которого можно поднимать большие куски железа. Рисунок линий силового поля магнита, полученный с помощью железных опилок

Магни́т — тело, обладающее собственным магнитным полем. Возможно, слово происходит от др.-греч. Μαγνῆτις λίθος (Magnētis líthos), «камень из Магнесии» — от названия региона Магнисия и древнего города Магнесия в Малой Азии^[1], где в древности были открыты залежи магнетита.

[2]

Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон. Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля).

Постоянный магнит — изделие, изготовленное из ферромагнетика, способного сохранять остаточную намагниченность после выключения внешнего магнитного поля. В качестве материалов для постоянных магнитов обычно служат железо, никель, кобальт, некоторые сплавы редкоземельных металлов (как, например, в неодимовых магнитах), а также некоторые естественные минералы, такие как магнетиты. Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля. Свойства магнита определяются характеристиками размагничивающего участка петли магнитного гистерезиса материала магнита: чем выше остаточная индукция

B_r и коэрцитивная сила H_c, тем выше намагниченность и стабильность магнита. Характерные поля постоянных магнитов — до 1 Тл (10 кГс).

Электромагнит — устройство, магнитное поле которого создаётся только при протекании электрического тока. Как правило, это катушка-соленоид, со вставленным внутрь ферромагнитным (обычно железным) сердечником с большой магнитной проницаемостью μ≃10000{\displaystyle \mu \simeq 10000}. Характерные поля электромагнитов 1,5—2 Тл определяются так называемым насыщением железа, то есть резким спадом дифференциальной магнитной проницаемости при больших значениях магнитного поля.

Старинная легенда рассказывает о пастухе по имени Магнус (у Льва Толстого в рассказе для детей «Магнит» этого пастуха зовут Магнис). Он обнаружил однажды, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к чёрному камню. Этот камень стали называть «камнем Магнуса» или просто «магнитом», по названию местности, где добывали железную руду (холмы Магнезии в Малой Азии). Таким образом, за много веков до нашей эры было известно, что некоторые каменные породы обладают свойством притягивать куски железа. Об этом упоминал в 6 веке до нашей эры греческий физик и философ Фалес. Первое научное изучение свойств магнита было предпринято в 13 веке ученым Петром Перегрином. В 1269 году вышло его сочинение «Книга о магните», где он писал о многих фактах магнетизма: у магнита есть два полюса, которые ученый назвал северным и южным; невозможно отделить полюса друг от друга разламыванием. Перегрин писал и о двух видах взаимодействия полюсов — притяжении и отталкивании. К 12—13 векам нашей эры магнитные компасы уже использовались в навигации в Европе, в Китае и других странах мира

[3] .

В 1600 году вышло сочинение английского врача Уильяма Гильберта «О магните». К известным уже фактам Гильберт прибавил важные наблюдения: усиление действия магнитных полюсов железной арматурой, потерю магнетизма при нагревании и другие. В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед на лекции попытался продемонстрировать своим студентам отсутствие связи между электричеством и магнетизмом, включив электрический ток вблизи магнитной стрелки. По словам одного из его слушателей, он был буквально «ошарашен», увидев, что магнитная стрелка после включения тока начала совершать колебания. Большой заслугой Эрстеда является то, что он оценил значения своего наблюдения и повторил опыт. Соединив длинным проводом полюса гальванической батареи, Эрстед протянул провод горизонтально и параллельно свободно подвешенной магнитной стрелке. Как только был включён ток, стрелка немедленно отклонилась, стремясь встать перпендикулярно к направлению провода. При изменении направления тока стрелка отклонилась в другую сторону. Вскоре Эрстед доказал, что магнит действует с некоторой силой на провод, по которому идёт ток.

Открытие взаимодействия между электрическим током и магнитом имело огромное значение. Оно стало началом новой эпохи в учении об электричестве и магнетизме. Это взаимодействие сыграло важную роль в развитии техники физического эксперимента.

Узнав об открытии Эрстеда, французский физик Доминик Франсуа Араго начал серию опытов. Он обмотал медной проволокой стеклянную трубку, в которую вставил железный стержень. Как только замкнули электрическую цепь, стержень сильно намагнитился и к его концу крепко прилипли железные ключи; когда выключили ток, ключи отпали. Араго рассматривал проводник, по которому идёт ток, как магнит. Правильное объяснение этого явления было дано после исследования французского физика Андре Ампера, который установил внутреннюю связь между электричеством и магнетизмом. В сентябре 1820 года он сообщил Французской Академии наук о полученных им результатах.

Затем Ампер в своем «станке» заменил раму свободно подвешенным спиральным проводником. Этот провод при пропускании по нему тока приобретал свойство магнита. Ампер назвал его соленоидом. Исходя из магнитных свойств соленоида, Ампер предложил рассматривать магнетизм как явление, обязанное круговым токам. Он считал, что магнит состоит из молекул, в которых имеются круговые токи. Каждая молекула представляет собой маленький магнитик, располагаясь одноимёнными полюсами в одну и ту же сторону, эти маленькие магнитики и образуют магнит. Проводя вдоль стальной полосы магнитом (несколько раз в одну и ту же сторону), мы заставляем молекулы с круговыми токами ориентироваться в пространстве одинаково. Таким образом, стальная пластинка превратится в магнит. Теперь стал понятен и опыт Араго со стеклянной трубкой, обмотанной медным проводом. Вдвинутый в неё железный стержень стал магнитом потому, что вокруг него шёл ток. Это был электромагнит.

В 1825 году английский инженер Уильям Стёрджен изготовил первый электромагнит, представляющий собой согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки. Для изолирования от обмотки стержень был покрыт лаком. При пропускании тока железный стержень приобретал свойства сильного магнита, но при прерывании тока он мгновенно их терял. Именно эта особенность электромагнитов позволила широко применять их в технике.

Термин «магнит», как правило, используется в отношении объектов, которые имеют собственное магнитное поле даже в отсутствие приложенного магнитного поля. Такое возможно лишь в некоторых классах материалов. В большинстве же материалов магнитное поле появляется в связи с приложенным внешним магнитным полем; это явление известно как магнетизм. Существует несколько типов магнетизма, и каждый материал имеет, по крайней мере, один из них.

В целом поведение магнитного материала может значительно варьироваться в зависимости от структуры материала и, не в последнюю очередь, его электронной конфигурации. Существует несколько типов взаимодействия материалов с магнитным полем, в том числе:

• Ферромагнетики и ферримагнетики — материалы, которые обычно и считаются магнитными. Они притягиваются к магниту достаточно сильно — так, что притяжение ощущается. Только эти материалы могут сохранять намагниченность и стать постоянными магнитами. Ферримагнетики сходны с ферромагнетиками, но слабее них. Различия между ферро- и ферримагнитными материалами связаны с их микроскопической структурой.
• Парамагнетики — такие вещества, как платина, алюминий и кислород, которые слабо притягиваются к магниту. Этот эффект в сотни тысяч раз слабее, чем притяжение ферромагнитных материалов, поэтому он может быть обнаружен только с помощью чувствительных инструментов или очень сильных магнитов.
• Диамагнетики — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. Диамагнитные, по сравнению с пара- и ферромагнитными, вещества, такие как углерод, медь, вода и пластики, отталкиваются от магнита. Все вещества, не обладающие одним из других типов магнетизма, являются диамагнитными; к ним относится большинство веществ. Силы, действующие на диамагнитные объекты от обычного магнита, слишком слабы, однако в сильных магнитных полях сверхпроводящих магнитов диамагнитные материалы, например кусочки свинца, могут пари́ть, а поскольку углерод и вода являются веществами диамагнитными, в мощном магнитном поле могут пари́ть даже органические объекты, например живые лягушки и мыши ^[4].

Также существуют и другие виды магнетизма, например спиновые стёкла, суперпарамагнетизм, супердиамагнетизм и метамагнетизм.

В системе СИ единицей магнитного потока является вебер (Вб), магнитной проницаемости — генри на метр (Гн/м), напряжённости магнитного поля — ампер на метр (А/м), индукции магнитного поля — тесла.

Вебер — магнитный поток, при убывании которого до нуля в сцепленном с ним контуре сопротивлением 1 ом проходит количество электричества 1 кулон.

Генри — международная единица индуктивности и взаимной индукции. Если проводник обладает индуктивностью в 1 Гн и ток в нём равномерно изменяется на 1 А в секунду, то на его концах индуктируется ЭДС в 1 вольт. 1 генри = 1,00052 · 10⁹ абсолютных электромагнитных единиц индуктивности.

Тесла — единица измерения индукции магнитного поля в СИ, численно равная индукции такого однородного магнитного поля, в котором на 1 метр длины прямого проводника, перпендикулярного вектору магнитной индукции, с током силой 1 ампер действует сила 1 ньютон.

• Магнитные носители информации: VHS кассеты содержат катушки из магнитной ленты. Видео и звуковая информация кодируется на магнитном покрытии на ленте. Также в компьютерных дискетах и жёстких дисках запись данных происходит на тонком магнитном покрытии. Однако носители информации не являются магнитами в строгом смысле, так как они не притягивают предметы. Магниты в жёстких дисках используются в ходовом и позиционирующем электродвигателях.
• Кредитные, дебетовые и ATM карты — ранние модели всех этих карт имеют магнитную полосу на одной стороне (магнитные полосы постепенно вытесняются микросхемами cмарт-карт). Эта полоса кодирует информацию, необходимую для соединения с финансовым учреждением и связи с их счетами.
• Обычные телевизоры и компьютерные мониторы: телевизоры и компьютерные мониторы, содержащие электронно-лучевую трубку используют электромагнит для управления пучком электронов и формирования изображения на экране. Плазменные панели и ЖК-дисплеи используют другие технологии.
• Громкоговорители и микрофоны: большинство громкоговорителей используют постоянный магнит и токовую катушку для преобразования электрической энергии (сигнала) в механическую энергию (движение, которое создает звук). Обмотка намотана на катушку, прикрепляется к диффузору и по ней протекает переменный ток, который взаимодействует с полем постоянного магнита.
• Другой пример использования постоянных магнитов в звукотехнике — в головке звукоснимателя электрофона и в простейших магнитофонах в качестве экономичной стирающей головки.

Магнитный сепаратор тяжёлых минералов

• Электродвигатели и генераторы: некоторые электрические двигатели (так же, как громкоговорители) основываются на комбинации электромагнита и постоянного магнита. Они преобразовывают электрическую энергию в механическую энергию. Генератор, наоборот, преобразует механическую энергию в электрическую энергию путём перемещения проводника через магнитное поле.
• Трансформаторы: устройства передачи электрической энергии между двумя обмотками провода, которые электрически изолированы, но связаны магнитно.
• Магниты используются в поляризованных реле. Такие устройства запоминают своё состояние на время выключения питания.
• Компасы: компас (или морской компас) является намагниченным указателем, который может свободно вращаться и ориентируется на направление магнитного поля, чаще всего магнитного поля Земли.
• Искусство: виниловые магнитные листы могут быть присоединены к живописи, фотографии и другим декоративным изделиям, что позволяет присоединять их к холодильникам и другим металлическим поверхностям.

Магниты часто используются в игрушках. M-TIC использует магнитные стержни, связанные с металлическими сферами Магниты редкоземельных элементов в форме эллипсоида, которые притягиваются друг к другу

• Игрушки: учитывая их способность противостоять силе тяжести на близком расстоянии, магниты часто используются в детских игрушках с забавными эффектами.
• Магниты могут использоваться для производства ювелирных изделий. Ожерелья и браслеты могут иметь магнитную застёжку, или могут быть изготовлены полностью из серии связанных магнитов и чёрных бусин.
• Магниты встречаются в сумках в виде вставленной внутрь закрывающей сумку кнопки намагниченной железной пластины; магниты также вшивают внутрь верхней одежды для закрывания клапана одежды элегантной, невидимой глазу застёжкой.
• Магниты могут поднимать магнитные предметы (железные гвозди, скобы, кнопки, скрепки), которые либо являются слишком мелкими, либо их трудно достать или они слишком тонкие чтобы держать их пальцами. Некоторые отвёртки специально намагничиваются для этой цели.
• Магниты могут использоваться при обработке металлолома для отделения магнитных металлов (железа, стали и никеля) от немагнитных (алюминия, цветных сплавов и т. д.). Та же идея может быть использована в рамках так называемого «Магнитного испытания», в которой кузов автомобиля обследуется с магнитом для выявления областей, отремонтированных с использованием стекловолокна или пластиковой шпатлевки.
• Маглев: поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является лишь сила аэродинамического сопротивления.
• Магниты используются в фиксаторах мебельных дверей.
• Если магниты поместить в губки, то эти губки можно использовать для мытья тонких листовых немагнитных материалов сразу с обеих сторон, причём одна сторона может быть труднодоступной. Это могут быть, например, стёкла аквариума или балкона.
• Магниты используются для передачи вращающего момента «сквозь» стенку, которой может являться, например, герметичный контейнер электродвигателя. Так была устроена игрушка ГДР «Подводная лодка». Таким же образом в бытовых счётчиках расхода воды передаётся вращение от лопаток датчика на счётный узел.
• Магниты совместно с герконом применяются в специальных датчиках положения. Например, в датчиках дверей холодильников и охранных сигнализаций.
• Магниты совместно с датчиком Холла используют для определения углового положения или угловой скорости вала.
• Магниты используются в искровых разрядниках для ускорения гашения дуги.
• Магниты используются при неразрушающем контроле магнитопорошковым методом (МПК)
• Магниты используются для отклонения пучков радиоактивных и ионизирующих излучений, например при наблюдении в камерах.
• Магниты используются в показывающих приборах с отклоняющейся стрелкой, например, амперметр. Такие приборы весьма чувствительны и линейны.
• Магниты применяются в СВЧ вентилях и циркуляторах.
• Магниты применяются в составе отклоняющей системы электронно-лучевых трубок для подстройки траектории электронного пучка.
• До открытия закона сохранения энергии, было много попыток использовать магниты для построения «вечного двигателя». Людей привлекала, казалось бы, неисчерпаемая энергия магнитного поля постоянного магнита, которые были известны очень давно. Но рабочий макет так и не был построен.
• Магниты применяются в конструкциях бесконтактных тормозов, состоящих из двух пластин, одна — магнит, а другая из алюминия. Одна из них жёстко закреплена на раме, другая вращается с валом. Торможение регулируется зазором между ними.

Из-за того, что человеческие ткани имеют очень низкий уровень восприимчивости к статическому магнитному полю, не существует научных доказательств его эффективности для использования в лечении любых заболеваний^[5]. По той же причине отсутствуют научные свидетельства опасности для здоровья человека, связанной с воздействием этого поля. Однако если ферромагнитное инородное тело находится в человеческих тканях, магнитное поле будет взаимодействовать с ним, что может представлять собой серьёзную опасность^[6].

В частности, если кардиостимулятор был встроен в грудную клетку пациента, следует держать его подальше от магнитных полей. Именно по этой причине больные с установленным кардиостимулятором не могут быть протестированы с использованием МРТ, которое представляет собой магнитное устройство визуализации внутренних органов и тканей.

Дети иногда могут глотать небольшие магниты из игрушек. Это может быть опасно, если ребёнок проглотил два или более магнита, так как магниты могут повредить внутренние ткани; был зафиксирован как минимум один смертельный случай^[7].

Иногда намагниченность материалов становится нежелательной и возникает необходимость в их размагничивании. Размагничивание материалов может быть осуществлено тремя способами:

• нагревание магнита выше температуры Кюри всегда ведёт к размагничиванию;
• сильный удар молотком по магниту, или просто сильный удар ведет к размагничиванию.
• поместить магнит в переменное магнитное поле, превышающее коэрцитивную силу материала, а затем постепенно уменьшать воздействие магнитного поля или вывести магнит из него.

Последний способ применяется в промышленности для размагничивания инструментов, жёстких дисков, стирания информации на магнитных карточках и так далее.

Частичное размагничивание материалов происходит в результате ударов, так как резкое механическое воздействие ведёт к разупорядочению доменов.

3.5.3. Силы в магнитном поле

ленный перпендикулярно вектору B и нормали к плоскости контура. Как видно, из полученного выражения, момент силы не зависит от координат выбранной точки, а определяется только площадью контура. Величина

называется магнитным моментом тока, протекающего по контуру. Направление pm совпадает с направлением нормали к контуру. Таким образом, всякий ток, протекающий по замкнутому контуру, можно характеризовать вектором магнитного момента (рис.).

В терминах магнитного момента вращательный момент контура можно записать в виде:

N = p	× B .	(3.97)
m

Из (3.97) видно, что составляющая магнитной индукции Bn нормальная к плоскости контура, не вносит вклад во вращатель-

ный момент, pm × Bn = 0 .

Магнитный момент контура с электрическим током играет такую же роль по отношению к внешнему магнитному полю, что и электрический дипольный момент по отношению к электрическо-

му полю (см. (3.43)).

В самом деле, согласно механике, работа, которую необходимо

совершить для поворота контура на угол dα
dA = Nda = pm B sinα dα.	(3.98)

Эта работа затрачивается на изменение положения контура в пространстве, то есть изменяет потенциальную энергию контура dA = dU. При повороте контура на конечный угол потенциальная энергия изменяется на величину

U = ∫dU = ∫α pm B sin α dα = −pm B cos α +U0 . (3.99)

0

Выбрав величину U0 за начало отсчета, получим, что потенциальная энергия контура с током во внешнем поле имеет вид:

U = –pm B cosa = −p	B .	(3.100)
m

Как и для электрических диполей в электрическом поле, выражение (3.100) принимает наименьшее значение при ориентации магнитного момента параллельно вектору магнитной индукции.

2.5. Механические силы и работа тока в магнитном поле

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует механическая сила F, стремящаяся сместить проводник (рис. 17). Направление этой силы удобно определять, пользуясь правилом левой руки: нужно поставить ладонь навстречу направлению поля (чтобы магнитные линии входили в ладонь) и вытянуть четыре пальца вдоль проводника по направлению тока, тогда отставленный большой палец покажет направление механической силы, действующей на проводник и стремящейся сместить этот проводник. Так как эта сила есть следствие взаимодействия тока и магнитного поля, то она часто именуется электромагнитной силой.

Эта сила F пропорциональна произведению силы тока I на маг­нитную индукцию В поля, в котором находится проводник. Она про­порциональна также активной длине проводника l (т. е. длине той части проводника, которая находится в магнитном поле) и зависит от направления проводника по отношению F. Если прямолинейный проводник образует с направлением магнитных линий угол α, а магнитная индукция вдоль всей длины l одинакова (т. е. магнитное поле равномерно), то электромагнитная сила

F=B·I·l sin α, (2.1)

Рис. 17

Если проводник расположен практически пер­пендикулярно к направлению магнитного поля sin α = 1, что имеет место в большом числе элек­трических машин и аппаратов, то

F=B·I·l (2.2)

В системе СИ электромеханическое действие магнитного поля можно использовать для опре­деления единицы магнитной индукции. Тесла (Тл) — это индукция в таком равномерном маг­нитном поле, в котором на прямолинейный про­водник длиной в 1 м, когда по нему проходит ток силой в 1 А, дей­ствует сила в 1 Н; при этом направление проводника образует с нап-равлением поля угол 90°. Следовательно, 1 Тл = (Н/А)·м. Напом­ним, что Н•м = Дж = В•А•сек, на основании чего тесла Тл = (Дж/А) •м² = В •А •(сек/А) •м² = сек/м² = Вб/м²,

1 Тл=10⁴ Гс.

Рис. 18

Если длина измерена в сантиметрах, что делается в большинстве случаев при практических электротехнических расчетах, то

F = 0,01B I l sin, Н

или, если же индукция измерена в гауссах и длина в сантиметрах, а желательно определить силу в килограммах,

F= 10,2B I l sin10^-8, кГ. (2.3)

Электромагнитные силы используются во всех электродвигателях для получения вращающего момента, а в генераторах они создают тормозящий момент, который должен преодолевать первичный двигатель.

В обоих случаях проводники на вращающейся части машины расположены практически перпендикулярно к направлению магнитного поля, следовательно,  = 90°, sin  = 1, а электромагнитная сила в этих условиях будет:

F=B·I·l.

2.6. Электромагнитная индукция

Закон электромагнитной индукции можно рассматривать как пря­мое следствие закона электромагнитной силы, хотя он был выведен на основании экспериментов.

В проводнике, движущемся в магнитном поле, возбуждается электрическое поле, пропорциональное магнитной индукции и скорости движения проводника. В проводнике происходит смещение зарядов против направления сил элек­трического поля, как это имеет место внутри вся­кого источника электроэнергии. Следовательно, здесь действует э.д.с., называемая индуктирован­ной э.д.с. Если проводник движется под углом α к направлению магнитного поля, то э.д.с. будет:

E = —υBl sinα (2.4)

Рис. 19

Направление смещения зарядов в проводнике можно определить при помощи правила левой руки. Но проще определять непосредственно направление э. д. с. по правилу правой руки (рис. 18): если поставить правую руку ладонью навстречу магнитным линиям и направить отставленный большой палец по направлению движения проводника, то вытянутые пальцы покажут направление индуктированной э.д.с.

Знак минус в уравнении э.д.с. выражает собой принцип Ленца — то обстоятельство, что индуктированная э.д.с. стремится противодействовать причине, ее вызывающей. Например, если замк­нуть проводник на некоторое сопротивление (рис.19), то э. д. с. вызовет в созданном таким образом контуре ток i. Взаимодействие этого тока с магнитным полем создаст электромагнитную силу, про­тиводействующую движению проводника, т. е. причине, возбуждаю­щей э. д. с. в контуре.

Закон электромагнитной индукции может быть выражен и другой формулой, имеющей более общее значение. Скорость движения про­водника может быть выражена через путь dx, проходимый им за время dt, т, е. υ = dх / dt. На основании этого

Произведение индукции В на площадь ldx есть магнитный поток dФ = Вldх, пересеченный проводником за время dt; следовательно,

. (2.5)

Вэтом уравненииdФ — поток, который проводник пересек за время dt, но вместе с тем dФ есть изменение потока Ф, сцепленного с контуром, в котором индуктируется э. д. с. Следовательно, индуктированная э. д. с. равна скорости изменения потока, сцепленного с контуром. На основании закона электромагнитной индукции опре­деляется единица магнитного потока. Один вебер есть магнитный поток, при убывании которого до нуля за 1 сек в контуре, сцепленном с этим потоком, индуктируется э. д. с., равная 1 В.

Электрические токи индуктируются не только в проводах обмоток электрических машин, аппа­ратов и приборов, но они возникают в любых проводящих телах, находящихся в переменном маг­нитном поле. Они называются вихревыми токами. В электрических цепях токи направлены вдоль проводников и замыкаются по точно определенным путям. Вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящей массе образуя в ней вихреобразные контуры, сцепляющиеся с индуктирующим эти токи магнитным потоком.

Согласно принципу Ленца магнитное поле вихревых токов стре­мится противодействовать изменениям магнитного потока, их индук­тирующего, вследствие чего при переменном намагничивающем токе вихревые токи обладают сильным размагничивающим действием, в частности в массивном железном сердечнике они почти полностью уничтожают переменный магнитный поток. Кроме того, они вызывают значительные потери энергии на нагревание сердечника.

Магнитотерапия (статическое поле) — Википедия

Магнитотерапевтический низкочастотный аппарат в санатории Заполярье, Сочи

Магнитотерапи́я (англ. magnet therapy, magnetic therapy, magnotherapy) — группа методов альтернативной медицины, подразумевающих применение статического магнитного поля или переменного магнитного поля.

Согласия относительно того, считать ли магнитотерапию лечебным методом, в мировом медицинском сообществе нет. Эти методы одними странами (в частности, СССР^[1] и Россией^[2]) признаются медицинскими, физиотерапевтическими, а другими (в частности, США^[3]) нет. Всемирная организация здравоохранения считает, что имеющейся на сегодняшний день информации о возможных долгосрочных или отсроченных последствиях воздействия на здоровье людей статических магнитных полей недостаточно для окончательных выводов, и работает в направлении изучения и оценки рисков для здоровья человека, которые представляют эти поля^[4].

Практикующие магнитотерапию заявляют, что воздействие статического магнитного поля оказывает положительный эффект на здоровье человека, однако в некоторых странах с развитой системой клинических исследований, распространено мнение о невозможности заявляемых положительных эффектов, об отсутствии их достоверного подтверждения. Зачастую магнитотерапия характеризуется как псевдонаука^[5][6][7].

Применяемые в медицинских целях магнитные поля могут быть переменными (высоко- или низкочастотными) или постоянными. При этом как постоянные, так и переменные магнитные поля можно использовать как в непрерывном, так и в импульсном (прерывистом) режимах; в зависимости от метода, импульсы могут иметь различную частоту, длительность и форму^[8]. Быстрые колебания магнитного поля используются в современной медицинской диагностике (например в МРТ),но признаны неэффективными в ортопедии^[9], и современные обзоры клинических исследований приходят к выводу, что в настоящий момент не существует достаточных свидетельств в пользу эффективности применения переменных магнитных полей в ортопедии^[10][11] и в некоторых других областях медицины.

Метод альтернативной медицины под широко распространённым названием «магнитотерапия» подразумевает использование статического магнитного поля (обычно в виде постоянных магнитов, рекомендуемых к ношению на теле человека), которое практически не взаимодействует с человеческим организмом^[12].

Достоверность этого раздела статьи поставлена под сомнение. Необходимо проверить точность фактов, изложенных в этом разделе. На странице обсуждения могут быть пояснения.

Сторонники применения магнитотерапии объясняют предполагаемое действие магнитного поля на тело так: «При воздействии на ткани человека переменного магнитного поля в них могут возникать электрические токи. Под их воздействием изменяются физико-химические свойства водных систем организма, ориентация крупных ионизированных биологических молекул и свободных радикалов. Это влечет за собой преобразование скорости биохимических и биофизических процессов. Возможная переориентация жидких кристаллов, формирующих оболочку клетки и внутриклеточные мембраны, изменяет проницаемость этих мембран»^[8].

Однако такое объяснение имеет ряд недостатков:

1) При воздействии статического электрического поля в тканях человека могут протекать только очень слабые токи из за низкого содержания металла в крови и тканях — железа до 30 мкмоль/л, эти токи и их воздействие на организм сложно зафиксировать даже чувствительными приборами. При воздействии достаточно мощного переменного магнитного поля на человеческое тело (например, в аппарате МРТ) наблюдается небольшой нагрев тканей. Однако этот небольшой нагрев тканей сам по себе не является лечением, так МРТ используют лишь в качестве диагностической процедуры, медицинские работники не преподносят его в качестве лечебной процедуры с множеством показаний.

2) Неизвестно что дает изменение ориентации свободных ионизированных биологических молекул и свободных радикалов (кроме крайне небольшого нагрева тканей).

3) Клеточная мембрана и внутриклеточные мембраны состоят из белков и липидов, а не из растворов называемых жидкими кристаллами, свойство этих растворов изменять свою оптическую прозрачность в магнитном поле используется при производстве ЖК-дисплеев, однако не ясно какую роль в организме может играть оптическое изменение оптической прозрачности растворов. В целом, большинство тканей организма (кроме глаза) оптически непрозрачны.

Некоторые контролируемые рандомизированные слепые испытания, показывают отсутствие лечебного действия магнитного поля, некоторые показывают положительный эффект, но качество проведения, методология, достоверность подтверждающих испытаний оставляют желать лучшего. Клинические исследования ношения пациентами с собой постоянных магнитов (браслетов или иных форм), использующие двойной слепой метод, осложнены тем, что пациенты распознают носят ли они настоящий магнит или фальшивый (плацебо), так как в быту магнит притягивает скрепки, иголки и другие металлические предметы^[13].

Магнит как лечебный метод[править | править код]

По мнению сторонников магнитотерапии, влияние статических магнитных полей на организм человека осуществляется через нервные, иммунные и обменные процессы в тканях^[14].

Спорный статус магнитотерапии как лечебного метода[править | править код]

В России магнитотерапевтические методы признаны медицинскими^[1] и используются как в государственных больницах^[15], так и в частных клиниках в физиотерапевтических кабинетах.

В США нормативы Управления по надзору за пищевыми продуктами и лекарственными препаратами (FDA) запрещают продажу и рекламу любых магнитотерапевтических продуктов как медицинских устройств, поскольку утверждения о лечебном эффекте таких устройств в США считаются необоснованными^[3].

В 2002 году в отчёте Национального научного фонда США магнитотерапия названа «полностью ненаучной»^[16]. Американские медицинские специалисты называют магнитотерапию псевдонаучным методом, объяснения механизмов её действия — «фантастическими», и утверждают об отсутствии клинических доказательств её эффективности^[5][6][7]. В то же время ежегодные мировые обороты индустрии магнитотерапии превышают миллиард долларов^[17][12], только в США — $ 300 млн.

1. ↑ ^{1 2} Министерство здравоохранения СССР. Приказ от 21 декабря 1984 г. N 1440 Об утверждении условных единиц на выполнение физиотерапевтических процедур, норм времени по массажу, положений о физиотерапевтических подразделениях и их персонале
2. ↑ Правительство Москвы. Комитет здравоохранения. Приказ от 12 октября 2001 г. N 454 «О метрологическом обслуживании физиотерапевтической аппаратуры»
3. ↑ ^{1 2} Magnets (неопр.). CDRH Consumer Information. Food and Drug Administration (1 марта 2000). Дата обращения 27 ноября 2008. Архивировано 7 ноября 2004 года.
4. ↑ Электромагнитные поля и общественное здравоохранение (неопр.). // Всемирная организация здравоохранения, Информационный бюллетень N°299. Март 2006. Дата обращения 30 сентября 2011. Архивировано 15 марта 2012 года.
5. ↑ ^{1 2} Park R. L. Voodoo Science: The Road from Foolishness to Fraud (англ.). — New York: Oxford University Press, 2000. — P. 58–63. — ISBN 0-19-513515-6.
6. ↑ ^{1 2} Wanjek C. Bad Medicine: misconceptions and misuses revealed from distance healing to vitamin O. — Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2003. — 288 p. — (Wiley Bad Science Series). — ISBN 9780471463153.
7. ↑ ^{1 2} Science and Engineering Indicators — 2006 (неопр.). // National Science Foundation, Division of Resources Statistics.— Arlington, VA.— Chapter 7. Дата обращения 22 апреля 2013. Архивировано 28 апреля 2013 года.
8. ↑ ^{1 2} Ясногородский В.Г. Электротерапия. — Москва: Медицина, 1987. — С. 140. — 240 с. — 40 000 экз.
9. ↑ Singh S., Ernst E. Are we being hoodwinked by alternative medicine? Two leading scientists examine the evidence (неопр.). // Daily Mail Online, 28.04.2008. Дата обращения 30 сентября 2011. Архивировано 15 марта 2012 года.
10. ↑ Mollon B., da Silva V., Busse J.W., Einhorn T.A., Bhandari M. Electrical stimulation for long-bone fracture-healing: a meta-analysis of randomized controlled trials // The Journal of bone and joint surgery. American volume. 2008 Nov;90(11):2322-30. PMID 18978400
11. ↑ Griffin X.L., Costa M.L., Parsons N., Smith N. Electromagnetic field stimulation for treating delayed union or non-union of long bone fractures in adults // Cochrane Database Syst Rev. 2011 Apr 13;(4):CD008471. PMID 21491410
12. ↑ ^{1 2} Flamm B. L. Magnet Therapy: a billion-dollar boondoggle (англ.). // Skeptical Inquirer. Committee for Skeptical Inquiry (July 2006). Дата обращения 1 марта 2011. Архивировано 28 апреля 2013 года.
13. ↑ Магнитная терапия (англ.) = Magnetic Therapy // American cancer society(Американское онкологическое общество). — Атланта, штат Джорджия, США, 2008. — 11 January. Архивировано 12 ноября 2012 года. Американское онкологическое общество рассказывает о безвредности и безрезультатности применения магнитотерапии
14. ↑ Оржешковский В. В., Оржешковский Вас. В. Бишофитотерапия // Вестник физиотерапии и курортологии, 2005. № 3, С.62-71.
15. ↑ Нижегородская детская клиническая больница — физиотерапевтическое отделение (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 27 ноября 2008. Архивировано 11 декабря 2008 года.
16. ↑ Научные и инженерные показатели — 2002 (англ.) = Science and Engineering Indicators — 2002. — Arlington, Virginia: National Science Foundation, 2002. — ISBN 978-016066579-0. Архивировано 28 апреля 2013 года.
    Цитата: «Среди тех кто слышал о магнитной терапии, 14 процентов сказали что она очень научная, другие 54 процента сказали что она вроде бы научная. Только 25 процентов опрошенных ответили правильно, следующим образом, что она полностью не научная»
17. ↑ Magnet therapies ‘have no effect’ (неопр.). // BBC (6 января 2006). Дата обращения 18 августа 2009. Архивировано 28 апреля 2013 года.

Свойства магнита и энергия магнитного поля

К такому предмету, как магнит, все давно привыкли. Мы не видим в нём ничего особенного. Ассоциируется у нас он обычно с уроками физики или демонстрацией в виде фокусов свойств магнита для дошкольников. И редко кто задумывается, сколько магнитов окружает нас в повседневной жизни. В любой квартире их десятки. Магнит присутствует в устройстве каждого динамика, магнитофона, электробритвы, часов. Даже банка с гвоздями является таковым.

А еще?

Мы — люди — не исключение. Благодаря протекающим в организме биотокам вокруг нас существует невидимый узор его силовых линий. Огромным магнитом является планета Земля. А еще более грандиозным — плазменный шар солнца. Непостижимые человеческому разуму размеры галактик и туманностей редко допускают мысль о том, что всё это — тоже магниты.

Современной науке требуется создание новых больших и сверхмощных магнитов, области применения которых связаны с термоядерным синтезом, генерированием электрической энергии, ускорением в синхротронах заряженных частиц, подъемом затонувших судов. Создать сверхсильное поле, используя магнитные свойства магнита — одна из задач современной физики.

Уточним понятия

Магнитным полем называется сила, действующая на обладающие зарядом тела, находящиеся в движении. Она «не работает» с неподвижными объектами (либо лишенными заряда) и служит одной из форм электромагнитного поля, которое существует как более общее понятие.

Если тела могут создавать вокруг себя магнитное поле и сами испытывать силу его воздействия, их называют магнитами. То есть данные предметы — намагничены (обладают соответствующим моментом).

Разные материалы неодинаково реагируют на внешнее поле. Ослабляющие его действие внутри себя именуются парамагнетиками, усиливающие — диамагнетиками. Отдельные материалы обладают свойством тысячекратно усиливать в себе внешнее магнитное поле. Это — ферромагнетики (кобальт, никель с железом, гадолиний, а также соединения и сплавы упомянутых металлов). Те из них, которые, попав под воздействие сильного внешнего поля, сами приобретают магнитные свойства, именуются магнитотвердыми. Другие, способные вести себя как магниты лишь под непосредственным воздействием поля и перестающие быть таковыми с его исчезновением, — магнитомягкими.

Чуть-чуть истории

Изучением свойств постоянных магнитов люди занимаются с очень и очень давних времен. Упоминается о них в трудах ученых Древней Греции ещё за 600 лет до нашей эры. Природные (естественного происхождения) магниты можно обнаружить в залежах магнитной руды. Наиболее известный из крупных естественных магнитов хранится в Тартуском университете. Весит он 13 килограммов, а груз, который может быть поднят при его помощи, — 40 кг.

Человечество научилось создавать искусственные магниты, используя различные ферромагнетики. Ценность порошковых (из кобальта, железа и т. п.) заключается в способности удерживать груз весом в 5000 раз более собственной массы. Искусственные экземпляры могут быть постоянными (полученными из магнитотвердых материалов) или электромагнитами, имеющими сердечник, материал которого — магнитомягкое железо. Поле напряжения в них возникает благодаря прохождению электрического тока по проводам обмотки, которой окружён сердечник.

Первая серьезная книга, содержащая попытки научного исследования свойств магнита, — труд лондонского врача Гильберта, вышедший в 1600 году. Данная работа содержит всю совокупность имеющихся на тот момент сведений, касающихся магнетизма и электричества, а также авторские эксперименты.

Любое из существующих явлений человек пытается приспособить к практической жизни. Разумеется, и магнит не стал исключением.

Как используют магниты

Какие свойства магнита человечество взяло на вооружение? Сфера применения его настолько широка, что мы имеем возможность лишь вкратце коснуться основных, самых известных устройств и областей применения данного замечательного предмета.

Компас является всем известным прибором для определения на местности направлений. Благодаря ему прокладывают пути воздушных и морских судов, наземного транспорта, цели пешеходного движения. Эти приборы могут быть магнитными (стрелочного типа), используемыми туристами и топографами, либо немагнитными (радио- и гидрокомпасы).

Первые компасы из природных магнитов были изготовлены в XI веке и использовались в навигации. Основано их действие на свободном повороте в горизонтальной плоскости длинной иглы из магнитного материала, уравновешенной на оси. Один её конец всегда обращен к югу, другой — к северу. Таким образом можно всегда точно узнать основные направления касательно сторон света.

Главные сферы

Области, где свойства магнита нашли основное применение — радио- и электротехника, приборостроение, автоматика и телемеханика. Из ферромагнитных материалов получают реле, магнитопроводы и т. п. В 1820 году было обнаружено свойство проводника с током воздействовать на стрелку магнита, принуждая ее к повороту. В это же время было сделано и другое открытие — пара параллельных проводников, сквозь которые проходит ток одного направления, обладают свойством взаимного притяжения.

Благодаря этому было сделано предположение о причине свойств магнита. Все подобные явления возникают в связи с токами, в том числе циркулирующими внутри магнитных материалов. Современные представления в науке полностью совпадают с данным предположением.

О двигателях и генераторах

На основе его создано множество разновидностей электродвигателей и электрогенераторов, то есть машин вращательного типа, принцип действия которых основан на преобразовании механической энергии в электрическую (речь идёт о генераторах) или же электрической в механическую (о двигателях). Любой генератор действует по принципу электромагнитной индукции, то есть ЭДС (электродвижущая сила) возникает в проводе, который движется в магнитном поле. Электродвигатель работает на основе явления возникновения силы в проводе с током, помещенном в поперечное поле.

Используя силу взаимодействия поля с током, который проходит через витки обмотки их подвижных частей, работают приборы, именуемые магнитоэлектрическими. В качестве нового мощного электродвигателя переменного тока, имеющего две обмотки, выступает индукционный счетчик электроэнергии. Расположенный между обмоток проводящий диск подвержен вращению крутящим моментом, сила которого пропорциональна потребляемой мощности.

А в быту?

Снабженные миниатюрной батарейкой электрические наручные часы знакомы всем. Устройство их благодаря использованию пары магнитов, пары катушек индуктивности и транзистора намного проще по числу имеющихся деталей, чем у механических часов.

Всё большее применение находят замки электромагнитного типа или такие цилиндровые замки, которые снабжены магнитными элементами. В них как ключ, так и замок оснащены кодовым набором. При попадании в скважину замка правильного ключа в нужное положение притягиваются внутренние элементы магнитного замка, что позволяет его открыть.

На действии магнитов основано устройство динамометров и гальванометра (высокочувствительного прибора, с помощью которого измеряют слабые токи). Свойства магнита нашли применение в производстве абразивов. Так именуют острые мелкие и очень твердые частицы, которые нужны для механической обработки (шлифовки, полирования, обдирки) самых разных предметов и материалов. При производстве их необходимый в составе смеси ферросилиций частично оседает на дно печей, частично внедряется в состав абразива. Для удаления его оттуда и требуются магниты.

Наука и связь

Благодаря магнитным свойствам веществ наука имеет возможность изучать структуру самых разных тел. Можно лишь упомянуть о магнитохимии или магнитной дефектоскопии (методе обнаружения дефектов путем исследования искажения магнитного поля в определенных зонах изделий).

Применяют их и в производстве техники сверхвысокого частотного диапазона, радиосистемах связи (военного назначения и на коммерческих линиях), при термообработке, как в домашних условиях, так и в пищевой промышленности продуктов (всем хорошо знакомы микроволновые печи). Практически невозможно в рамках одной статьи перечислить все те сложнейшие технические устройства и области применения, где используются в наши дни магнитные свойства веществ.

Сфера медицины

Не стала исключением и сфера диагностики и медицинской терапии. Благодаря генерирующим рентгеновское излучение электронным линейным ускорителям осуществляется опухолевая терапия, в циклотронах или синхротронах генерируются пучки протонов, имеющие преимущества перед рентгеновскими лучами в локальной направленности и повышенной эффективности при лечении опухолей глаз и мозга.

Что касается биологической науки, то еще до середины прошлого века жизненные функции организма никак не связывались с существованием магнитных полей. Научная литература изредка пополнялась единичными сообщениями о том или ином их медицинском эффекте. Но с шестидесятых годов лавиной потекли публикации о биологических свойствах магнита.

Раньше и сейчас

Впрочем, попытки лечить им людей предпринимались алхимиками еще в XVI веке. Зафиксировано много успешных попыток излечения зубной боли, нервных расстройств, бессонницы и множества неполадок внутренних органов. Думается, что в медицине свое применение магнит нашел ничуть не позже, чем в мореплавании.

Последние полвека широко используются магнитные браслеты, популярные среди больных с нарушенным давлением крови. Ученые серьезно поверили в способность магнита повышать сопротивляемость человеческого организма. С помощью электромагнитных приборов научились измерять скорость кровеносного потока, брать пробы или вводить нужные медикаменты из капсул.

Магнитом удаляют попавшие в глаз мелкие металлические частицы. На его действии основана работа электродатчиков (любому из нас знакома процедура снятия электрокардиограммы). В наше время сотрудничество физиков с биологами для изучения глубинных механизмов воздействия на человеческий организм магнитного поля становится все более тесным и необходимым.

Неодимовый магнит: свойства и применение

Неодимовые магниты считаются обладающими максимальным влиянием на человеческое здоровье. Состоят они из неодима, железа и бора. Химическая формула их — NdFeB. Главным преимуществом такого магнита считается сильное воздействие его поля при относительно небольшом размере. Так, вес магнита силой в 200 гаусс составляет около 1 гр. Для сравнения, равный ему по силе железный магнит имеет вес, больший примерно в 10 раз.

Другое несомненное достоинство упомянутых магнитов — хорошая устойчивость и способность к сохранности нужных качеств на протяжении сотен лет. В течение века магнит теряет свои свойства лишь на 1 %.

Как именно лечатся неодимовым магнитом?

С его помощью улучшают кровообращение, стабилизируют давление, борются с мигренью.

Свойства неодимовых магнитов начали использовать для лечения порядка 2000 лет назад. Упоминания о таком виде терапии встречаются в манускриптах Древнего Китая. Лечили тогда прикладыванием намагниченных камней к человеческому телу.

Терапия существовала и в форме прикрепления их на теле. Легенда утверждает, что отличным здоровьем и неземной красотой Клеопатра обязана была постоянному ношению на голове магнитной повязки. В X веке персидскими учеными подробно описывалось благотворное влияние свойств неодимовых магнитов на человеческий организм в случае ликвидации воспалений и мышечных спазмов. По сохранившимся свидетельствам того времени можно судить о применении их для увеличения силы мышц, прочности костных тканей и снижения боли в суставах.

От всех недугов…

Доказательства эффективности такого воздействия были опубликованы в 1530 году знаменитым доктором из Швейцарии Парацельсом. В своих трудах врач описывал волшебные свойства магнита, могущего стимулировать силы организма и вызывать самоизлечение. Огромное множество болезней в те времена начали одолевать, используя магнит.

Широкое распространение получило самолечение при помощи данного средства в США в послевоенные годы (1861-1865), когда медикаментов категорически не хватало. Использовали его и как лекарство, и как обезболивающее.

Начиная с XX века лечебные свойства магнита получили научное обоснование. В 1976 году японским врачом Никагавой было введено понятие синдрома дефицита магнитного поля. Исследованиями установлены точные его симптомы. Заключаются они в слабости, утомляемости, пониженной работоспособности и нарушениях процесса сна. Также имеют место мигрени, суставные и позвоночные боли, неполадки с пищеварительной и сердечно-сосудистой системами в виде гипотонии или гипертонии. Касается синдром и области гинекологии, и кожных изменений. Применением магнитотерапии данные состояния довольно успешно удается нормализовать.

Наука не стоит на месте

Ученые продолжают экспериментировать с магнитными полями. Опыты проводятся как на животных и птицах, так и на бактериях. Условия ослабленного магнитного поля снижают успешность обменных процессов у подопытных птиц и мышей, бактерии резко прекращают размножаться. При длительном дефиците поля живые ткани подвергаются необратимым изменениям.

Именно для борьбы со всеми подобными явлениями и вызванными ими многочисленными негативными последствиями применяется магнитотерапия как таковая. Думается, что в настоящее время все полезные свойства магнитов еще не изучены в должной степени. Впереди у врачей множество интереснейших открытий и новых разработок.

Электромагнит — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Прямой провод с током. Ток (I), протекая через провод, создаёт магнитное поле (B) вокруг провода

Электромагнит — устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока через него. Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке электрического тока. В электромагнитах, предназначенных, прежде всего, для создания механического усилия также присутствует якорь (подвижная часть магнитопровода), передающий усилие.

Обмотку электромагнитов изготавливают из изолированного алюминиевого или медного провода, хотя есть и сверхпроводящие электромагниты. Магнитопроводы изготавливают из магнитно-мягких материалов — обычно из электротехнической или качественной конструкционной стали, литой стали и чугуна, железо-никелевых и железо-кобальтовых сплавов. Для снижения потерь на вихревые токи (токи Фуко) магнитопроводы выполняют из набора листов.

Извлечение осколков из глаза с помощью электромагнита. 1915

В 1825 году английский инженер Уильям Стёрджен изготовил первый электромагнит, представляющий собой согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки. Для изолирования от обмотки, стержень был покрыт лаком. При пропускании тока железный стержень приобретал свойства сильного магнита, но при прерывании тока он мгновенно их терял. Именно эта особенность электромагнитов и позволила широко применять их в технике^[1][2].

Помимо промышленного использования, магниты стали широко применяться в медицине. Еще в конце XIX — начале XX века на страницах Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона Мендельсон М. Э. писал, что электромагнит «служит самым лучшим способом для извлечения инородных тел из полости глаза»^[3].

Простейший электромагнит: вокруг ферромагнитного сердечника намотан электропровод в изоляции

Выделяют три типа электромагнитов по способу создания магнитного потока.

Нейтральные электромагниты постоянного тока

Постоянный магнитный поток создается постоянным током в обмотке таким образом, что сила притяжения зависит только от величины и не зависит от направления тока в обмотке.

Поляризованные электромагниты постоянного тока

Присутствуют два независимых магнитных потока — рабочий и поляризующий. Первый создается рабочей (или управляющей) обмоткой. Поляризующий поток чаще всего создается постоянными магнитами, иногда дополнительными электромагнитами, и используется для обеспечения наличия притягивающей силы при выключенной рабочей обмотке. В целом действие такого магнита зависит как от величины, так и от направления электрического тока в рабочей обмотке.

Электромагниты переменного тока

В этих магнитах питание обмотки осуществляется от источника переменного тока, магнитный поток периодически изменяется по величине и направлению, а однонаправленная сила притяжения меняется только по величине, в результате чего сила притяжения пульсирует от нуля до максимального значения с удвоенной частотой по отношению к частоте питающего тока. Широко применяют в электротехнике, начиная от бытовой техники до плит электромагнитных для станков, при магнитопорошковом методе неразрушающего контроля.

Другие классификации[править | править код]

Электромагниты различают также по ряду других признаков: по способу включения обмоток — с параллельными и последовательными обмотками; по характеру работы — работающие в длительном, прерывистом и кратковременном режимах; по скорости действия — быстродействующие и замедленного действия, создающие постоянное или переменное магнитное поле и т. д.

1. ↑ Sturgeon, W. Improved Electro Magnetic Apparatus (неопр.) // Trans. Royal Society of Arts, Manufactures, & Commerce. — London, 1825. — Т. 43. — С. 37—52. cited in Miller, T.J.E. Electronic Control of Switched Reluctance Machines (англ.). — Newnes, 2001. — P. 7. — ISBN 0-7506-5073-7.
2. ↑ Windelspecht, Michael. Groundbreaking Scientific Experiments, Inventions, and Discoveries of the 19th Century, xxii, Greenwood Publishing Group, 2003, ISBN 0-313-31969-3.
3. ↑ Электромагнит в хирургии // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Вещества в магнитном поле. Взаимодействие магнитного поля с веществом

Сколько необъяснимых явлений и неразгаданных тайн скрывает наша планета! Но наблюдательные обитатели Земли из века в век изучают закономерности, ставят опыты, изобретают, делают выводы и пользуются своими изобретениями. Тайны космоса и природы постоянно манят людей, толкая их на все новые эксперименты в поисках истины и разгадок. Одной из таких загадок является поведение вещества в магнитном поле.

Первые магнитные наблюдения

По существующей легенде, древний пастух по имени Магнус однажды обнаружил, что его посох пристал металлической стороной к камню. Ему (камню) и посвящено это открытие. Согласно еще одной теории, слово «магнит» с греческого языка переводится как «камень из магнесии», по имени города Магнесии, где были обнаружены месторождения магнита. Еще за несколько веков до нашей эры китайцы подметили, что некоторые камни, скрепленные таким образом, чтобы они могли свободно вращаться, неизменно поворачиваются в определенном направлении.

Как появился компас

Самые первые компасы представляли собой ложечки из магнетита с коротким стержнем, который можно было вращать по кругу. Через некоторое время после того, как ложечку поворачивали, она останавливалась, причем ее стержень всегда указывал на север. Но эти силы настолько небольшие, что они могут вращать только свободно закрепленные стрелки компаса.

Позже моряки вставляли магнитные иголки в соломинки и ставили в миску с водой. Соломинка всегда указывала направление север — юг. Причина этого, тогда еще неизученного явления, — некое поле вокруг Земли, обладающее способностью влиять на вещества, находящиеся в нем и определяющие их направленность.

Магнитная сфера вокруг Земли

Наша Земля опоясана сферой, в которой работают магнитные силы, ее название — магнитное поле. Хотя версия о возникновении его не подтверждена, но геофизики в основном согласны с утверждением, что магнитное поле существует благодаря железному составу ядра нашей планеты. Вращение Земли способствует формированию в расплавленном металлическом ядре непрерывных потоков электрических зарядов, которые ведут к возникновению вокруг них магнитного поля.Земля, таким образом, выступает громадным магнитом, на который и реагируют стрелки компасов.

Свойства и природа магнитов

Магниты, подобные тем, которыми любят украшать холодильники или удерживать записки на кухне, обладают довольно интересными свойствами. Поведение веществ в магнитных полях зависит от материалов, из которых состоят эти вещества. Всем известно, что магниты прилипают к железным или стальным предметам. А почему так происходит? В каждом магните имеется два полюса. Если провести эксперимент и держать пару магнитов близко друг напротив друга, то окажется, что северный полюс одного притягивает противоположный — южный — полюс другого. Однако если развернуть магниты одинаковыми полюсами, они всегда будут отталкивать друг друга. Электроны, которые совершают обороты вокруг ядра атома, имеют отрицательный электрический заряд. Поток заряженных частиц порождает магнитное поле, которое выгибается большой петлей вокруг них.

Например, когда горит лампочка, электрический ток движется по ее проводку, а электроны переходят из одного атома на другой, и вокруг проводка возникает слабое магнитное поле. Подобным образом возникает сильное магнитное поле, идущее от проводов высокого напряжения. Электричество и магнетизм выступают как две составляющих электромагнетизма. Каждый электрон, вертящийся вокруг собственной оси, как планета, которая оборачивается, на своей орбите строит маленькую петлю электрического тока и создает свое магнитное поле в веществе. Вещества в магнитном поле ведут себя по-разному.

Например, при действии магнитного поля на пластик происходит следующее: миниатюрные магнитные поля каждого из атомов нейтрализуют друг друга, потому что их полюса направлены в разные стороны. Но вот в железе атомы размещены таким образом, что материал способен намагничиваться. Атомы в них собраны в группы и называются магнитными доменами. Каждый такой крошечный домен состоит из миллиардов частиц со всеми их магнитными полями, которые направлены в одну сторону, и он сам становится крошечным магнитом. В железном куске сами домены направлены в разные стороны, поэтому они нейтрализуют друг друга, и самостоятельно железо не проявляет магнитных свойств. Для создания магнита все домены должны быть расположены в одном направлении, тогда кусок железа намагнитился бы и притягивал к себе все металлические предметы, находящиеся поблизости. Как заставить железо расположить домены в одном порядке? Достаточно просто: для этого следует поместить железный кусок в магнитное поле. Выстраиваясь друг за дружкой, домены разворачиваются в направлении поля. При этом они начнут притягивать атомы от других доменов, увеличиваясь в размерах.

Вскоре множество таких элементов создадут линию, и железный кусок сам станет магнитом и будет притягивать к себе каждую булавку, гвоздь или другие металлические предметы, находящиеся поблизости. Так появляется намагниченность: магнитное поле в веществе значительно увеличивается. Но, как говорится, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Не исключение и рассматриваемое нами явление. Как убедиться в сказанном?

Магнитное поле и намагниченность веществ можно рассмотреть на примере в домашних условиях. Достаточно провести простой опыт. Взять маленький железный гвоздь и положить его на магнит с холодильника. Его домены быстро выстроятся, и на некоторое время гвоздь сам превратится в магнит, с помощью которого легко можно будет поднять булавку.

Определение магнитного поля

Для исследования магнитного поля в веществе изучают два вида токов – макротоки и микротоки. Макротоками являются те, что созданы движением заряженных макроскопических тел. Микротоками именуют токи, созданные движущимися электронами в атомах, молекулах и ионах. Магнитное поле в веществе создают два поля: внешнее, созданное макротоками, и внутреннее — образованное микротоками.

Самое магнитное вещество

Интересным фактом является то, что в природе существует настоящий магнит – минерал магнитный железняк. Но основная часть тел, обладающих собственным магнитным полем, все же создана человеком искусственно. Сильнейшими из них являются те, что представляют собой сплав неодима, железа и бора. А какое вещество является самым магнитным на сегодняшний день? Ученые смогли дать ответ на этот вопрос. Группа физиков из штата Миннесота создала новый материал, состоящий из 16 атомов железа и 2 атомов азота, который характеризуется магнитной проницаемостью на 18 % выше, чем у самого сильного — неодимового — магнита.

Какие существуют магнетики

Магнитное поле в веществе, кратко говоря, зависит от магнетиков. Помещение любого из них в магнитное поле формирует свое магнитное поле в веществе. Виды магнетиков различают следующие: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Самые мощные поля создают ферромагнетики, ведь они имеют высокие магнитные свойства. К таким веществам относятся железо, никель, кобальт, редкоземельные металлы и их сплавы, а также сплавы хрома и марганца. Из них делают постоянные магниты, ведь поле ферромагнетика не пропадает после прекращения действия магнитного поля.

Парамагнетики обладают магнитной проницаемостью, которая чуть выше единицы при комнатной температуре. Такие вещества в магнитном поле плохо намагничиваются, но по мере снижения температуры магнитные свойства их увеличиваются. К парамагнетикам относятся, например, кислород, платина, алюминий, редкоземельные металлы.

Диамагнетики – еще один вид веществ, магнитная проницаемость которых чуть меньше единицы, их магнитные свойства еще слабее. К таковым причисляют многие металлы, такие как висмут, серебро, золото, медь, а также воду и органические соединения. Интересный факт, что при нагревании до определенной температуры (точка Кюри) ферромагнитные свойства исчезают, и металлы размагничиваются и становятся парамагнитными.

Использование магнитного поля

Люди научились использовать себе во благо упомянутые свойства вещества в магнитном поле: ферромагнетики незаменимы при производстве электро- и вычислительной техники. Их можно обнаружить в трансформаторах, электродвигателях и различных измерительных приборах, они позволяют в несколько раз увеличить магнитное поле, не меняя силы тока в катушке.

Задействование таких материалов позволяет значительно уменьшить потребление электроэнергии. Их применяют для магнитной звукозаписи и дефектоскопии, обогащения руд. В наше время медицина использует магниты для диагностики и лечения различных заболеваний. В основном работа диагностического оборудования базируется на действии постоянных магнитов. Например, глазной тонометр-индикатор необходим для выявления глаукомы на начальной стадии. Используются в хирургии и микрохирургии магнитные устройства для удаления из организма человека металлических осколков. Принцип действия их также основан на свойствах магнитов без подключения сети. Широкое лечебное действие оказывают различные магнитные повязки и аппликаторы. Они снимают болевой синдром и останавливают процесс воспаления, а также лечат многие болезни методом влияния магнитного поля на активные зоны человеческого организма. Известно, что еще царица Клеопатра использовала магнитные украшения, чтобы улучшить кровоток и отсрочить старение.

Значение магнитного поля для планеты

Магнитное поле играет огромную роль в жизни планеты. В первую очередь оно служит защитой для обитателей Земли и спутников от небезопасного влияния космических тел. Под влиянием магнитного поля меняется их траектория. Исследователи допускают, что некоторые планеты не имеют металлического ядра, а значит, и магнитного поля, что значительно уменьшает численность возможно обитаемых планет. Земляне тоже рискуют остаться без защиты поля. Но сообщить, когда это случится, геофизики не берутся. Исследования выявили, что за 160 миллионов лет магнитные полюса — север и юг — менялись между собой около сотни раз. Последнее такое явление имело место 720 тысяч лет назад, и Земля подвергалась атаке космических частиц. Одна из теорий, поясняющих вымирание динозавров, гласит, что эти великаны исчезли как раз по этой причине.

Магнитное поле становится тоньше

Геофизики, проанализировав свойства магнитного поля, открыли, что в нем возникают небезопасные сдвиги, которые не фиксировались раньше. На юге Атлантического океана слой магнитного поля постепенно истончается. За последние 150 лет поле здесь стало слабее на десять процентов. Ученые утверждают, что смена полюсов будет происходить достаточно быстро, в пределах 100 лет от начала инверсии. Какое поколение будет наблюдать это явление и как оно отразится на обитателях Земли, пока неизвестно, но есть утверждение, что такая смена полюсов пагубно скажется на электротехнике.

Иногда в магнитном поле Земли происходят возмущения – это магнитные бури, напрямую зависящие от Солнца. В период повышения солнечной активности наблюдается огромный выброс энергии, что способствует образованию солнечных вспышек. При этом гигантский поток заряженных частиц устремляется к Земле с высокой скоростью – 500–1000 километров в секунду, создавая сильное магнитное поле. Этот поток достигает планеты всего за несколько дней. Сталкиваются два мощных магнитных поля, и в итоге нарушается магнитное поле Земли. Человек привык к нормальному магнитному полю, и при магнитных бурях его самочувствие меняется.

Люди обладают различной магниточувствительностью, влияние на человека магнитной бури напрямую зависит от его состояния здоровья. Ухудшается самочувствие, снижается жизненный тонус, падает трудоспособность, возникает слабость, болит голова, нарушается сон, ухудшается работа нервной системы (увеличивается число ошибок, возрастает количество аварий и катастроф). В связи с возникновением поверхностного электричества на приборах в такие дни возможно нарушение их работы.

Реакция животных на магнитное поле

Доказано, что птицы очень хорошо ощущают магнитное поле Земли и даже видят его. Ученые считают, что пернатые — уникальные существа в этом роде: магнитная сила помогает им в поиске собственного жилища при перелетах на колоссальные дистанции.

Магнитное поле в качестве навигатора используют морские черепахи. Животные с высокой магниточувствительностью, например кошки, заранее реагируют на изменения напряжения магнитного поля. Непривычное поведение животных наблюдается перед ураганами и землетрясениями. Для определения приближения цунами или землетрясения в Японии в больших аквариумах содержат угрей, которые перед катаклизмами поднимаются к поверхности и беспокоятся, чувствуя сильные возмущения магнитного поля.

Вместо послесловия

Влияние магнитного поля на обитателей нашей планеты пока не изучено полностью, ученые всего мира лишь приоткрыли занавес тайны планеты Земля и пытаются найти ответы на особо важные вопросы. Но прогресс не стоит на месте, и наука развивается стремительно в наши дни, так что кто знает, возможно, уже следующее поколение будет знать ответ на большинство вопросов, над которыми бились лучшие умы человечества.