Использование постоянных магнитов в электротехнике и электроэнергетике.

Что такое постоянный магнит

Ферромагнитное изделие, способное сохранять значительную остаточную намагниченность после снятия внешнего магнитного поля, называется постоянным магнитом. Постоянные магниты изготавливают из различных металлов, таких как: кобальт, железо, никель, сплавы редкоземельных металлов (для неодимовых магнитов), а также из естественных минералов типа магнетитов.

Сфера применения постоянных магнитов сегодня очень широка, однако назначение их принципиально везде одно и то же - как источник постоянного магнитного поля без подвода электроэнергии. Таким образом, магнит - это тело, обладающее своим собственным .

Само же слово «магнит» происходит от греческого словосочетания, которое переводится как «камень из Магнесии», по названию азиатского города, где были в древности открыты залежи магнетита - магнитного железняка. С физической точки зрения элементарным магнитом является электрон, а магнитные свойства магнитов вообще обуславливаются магнитными моментами электронов, входящих в состав намагниченного материала.

Характеристики размагничивающего участка материала, из которого изготовлен постоянный магнит, определяют свойства того или иного постоянного магнита: чем выше коэрцитивная сила Нс, и чем выше остаточная магнитная индукция Вr – тем сильнее и стабильнее магнит.

Коэрцитивная сила (буквально в переводе с латинского - «удерживающая сила») - это , необходимого для полного размагничивания ферро- или ферримагнитного вещества. Таким образом, чем большей коэрцитивной силой обладает конкретный магнит, тем он устойчивее к размагничивающим факторам.

Единица измерения коэрцитивной силы - Ампер/метр. А , как известно, - это векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля. Характерное значение остаточной магнитной индукции постоянных магнитов - порядка 1 Тесла.

Виды и свойства постоянных магнитов

Ферритовые

Ферритовые магниты хоть и отличаются хрупкостью, но обладают хорошей коррозийной стойкостью, что при невысокой цене делает их наиболее распространенными. Такие магниты изготавливают из сплава оксида железа с ферритом бария или стронция. Данный состав позволяет материалу сохранять свои магнитные свойства в широком температурном диапазоне - от -30°C до +270°C.

Магнитные изделия в форме ферритовых колец, брусков и подков широко используются как в промышленности, так и в быту, в технике и электронике. Их используют в акустических системах, в генераторах, в . В автомобилестроении ферритовые магниты устанавливают в стартеры, в стеклоподъемники, в системы охлаждения и в вентиляторы.

Ферритовые магниты отличаются коэрцитивной силой порядка 200 кА/м и остаточной магнитной индукцией порядка 0,4 Тесла. В среднем, ферритовый магнит может прослужить от 10 до 30 лет.

Альнико (алюминий-никель-кобальт)

Постоянные магниты на основе сплава из алюминия, никеля и кобальта отличаются непревзойденной температурной устойчивостью и стабильностью: они способны сохранять свои магнитные свойства при температурах до +550°C, хотя коэрцитивная сила, характерная для них, относительно мала. Под действием относительно небольшого магнитного поля, такие магниты потеряют исходные магнитные свойства.

Посудите сами: типичная коэрцитивная сила порядка 50 кА/м при остаточной намагниченности порядка 0,7 Тесла. Однако несмотря на эту особенность, магниты альнико незаменимы для некоторых научных исследований.

Типичное содержание компонентов в сплавах альнико с высокими магнитными свойствами изменяется в следующих пределах: алюминий - от 7 до 10%, никель - от 12 до 15%, кобальт - от 18 до 40%, и от 3 до 4% меди.

Чем больше кобальта, тем выше индукция насыщения и магнитная энергия сплава. Добавки в виде от 2 до 8% титана и всего 1% ниобия способствуют получению большей коэрцитивной силы - до 145 кА/м. Добавка от 0,5 до 1% кремния обеспечивает изотропию магнитных свойств.

Самариевые

Если нужна исключительная устойчивость к коррозии, окислению и температуре до +350°C, то магнитный сплав самария с кобальтом - то что надо.

По стоимости самарий-кобальтовые магниты дороже неодимовых за счёт более дефицитного и дорогого металла - кобальта. Тем не менее, именно их целесообразно применять в случае необходимости иметь минимальные размеры и вес конечных изделий.

Наиболее целесообразно это в космических аппаратах, авиационной и компьютерной технике, миниатюрных электродвигателях и магнитных муфтах, в носимых приборах и устройствах (часах, наушниках, мобильных телефонах и т.д.)

Благодаря особой коррозийной стойкости, именно самариевые магниты применяются в стратегических разработках и военных приложениях. Электродвигатели, генераторы, подъемные системы, мототехника – сильный магнит из сплава самария-кобальта идеально подходит для агрессивных сред и сложных условий эксплуатации. Коэрцитивная сила порядка 700 кА/м при остаточной магнитной индукции порядка 1 Тесла.

Неодимовые

Неодимовые магниты на сегодняшний день очень востребованы и представляются наиболее перспективными. Сплав неодим-железо-бор позволяет создавать супермагниты для различных сфер, начиная с защелок и игрушек, заканчивая и мощными подъемными машинами.

Высокая коэрцитивная сила порядка 1000 кА/м и остаточная намагниченность порядка 1,1 Тесла, позволяют магниту сохраняться на протяжении многих лет, за 10 лет неодимовый магнит теряет лишь 1% своей намагниченности, если температура его в условиях эксплуатации не превышает +80°C (для некоторых марок до +200°C). Таким образом, лишь два недостатка есть у неодимовых магнитов - хрупкость и низкая рабочая температура.

Магнитный порошок вместе со связующим компонентом образует мягкий, гибкий и легкий магнит. Связующие компоненты, такие как винил, каучук, пластик или акрил позволяют получать магниты различных форм и размеров.

Магнитная сила, конечно, уступает чистому магнитному материалу, но иногда такие решения необходимы для достижения определенных необычных для магнитов целей: в производстве рекламной продукции, при изготовлении съемных наклеек на авто, а также в изготовлении различных канцелярских и сувенирных товаров.

Одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные полюса притягиваются. Взаимодействие магнитов объясняется тем, что любой магнит имеет магнитное поле, и эти магнитные поля взаимодействуют между собой. В чем, например, причина намагничивания железа?

Согласно гипотезе французского ученого Ампера, внутри вещества существуют элементарные электрические токи (токи Ампера), которые образуются вследствие движения электронов вокруг ядер атомов и вокруг собственной оси.

При движении электронов возникают элементарные магнитные поля. И если кусок железа внести во внешнее магнитное поле, то все элементарные магнитные поля в этом железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, образуя собственное магнитное поле куска железа. Так, если приложенное внешнее магнитное поле было достаточно сильным, то после его отключения кусок железа станет постоянным магнитом.

Знание формы и намагниченности постоянного магнита позволяет для расчетов заменить его эквивалентной системой электрических токов намагничивания. Такая замена возможна как при расчете характеристик магнитного поля, так и при расчетах сил, действующих на магнит со стороны внешнего поля. Для примера проведем расчет силы взаимодействия двух постоянных магнитов.

Пусть магниты имеют форму тонких цилиндров, их радиусы обозначим r1 и r2, толщины h1, h2 , оси магнитов совпадают, расстояние между магнитами обозначим z, будем считать, что оно значительно больше размеров магнитов.

Возникновение силы взаимодействия между магнитами объясняется традиционным способом: один магнит создает магнитное поле, которое воздействует на второй магнит.

Для расчета силы взаимодействия мысленно заменим магниты с однородной намагниченностью J1 и J2 круговыми токами, текущими по боковой поверхности цилиндров. Силы этих токов выразим через намагниченности магнитов, а их радиусы будем считать равными радиусам магнитов.

Разложим вектор индукции B магнитного поля, создаваемого первым магнитом в месте расположения второго на две составляющие: осевую, направленную вдоль оси магнита, и радиальную - перпендикулярную ей.

Для вычисления суммарной силы, действующей на кольцо, необходимо мысленно разбить его на малые элементы IΔl и просуммировать , действующие на каждые такой элемент.

Используя правило левой руки, легко показать, что осевая составляющая магнитного поля приводит к появлению сил Ампера, стремящихся растянуть (или сжать) кольцо – векторная сумма этих сил равна нулю.

Наличие радиальной составляющей поля приводит к возникновению сил Ампера, направленных вдоль оси магнитов, то есть к их притяжению или отталкиванию. Останется вычислить силы Ампера - это и будут силы взаимодействия между двумя магнитами.

В самом начале работы полезно будет дать несколько определений и пояснений.

Если, в каком то месте, на движущиеся тела, обладающие зарядом, действует сила, которая не действует на неподвижные или лишенные заряда тела, то говорят, что в этом месте присутствует магнитное поле одна из форм более общего электромагнитного поля .

Есть тела, способные создавать вокруг себя магнитное поле (и на такое тело тоже действует сила магнитного поля), про них говорят, что эти тела намагничены и обладают магнитным моментом, который и определяет свойство тела создавать магнитное поле. Такие тела называют магнитами .

Следует отметить, что разные материалы по разному реагируют на внешнее магнитное поле.

Есть материалы ослабляющие действие внешнего поля внутри себяпарамагнетики и усиливающие внешнее поле внутри себядиамагнетики .

Есть материалы с огромной способностью (в тысячи раз) усиливать внешнее поле внутри себя - железо, кобальт, никель, гадолиний, сплавы и соединения этих металлов, их называют ферромагнетики .

Есть среди ферромагнетиков материалы которые после воздействия на них достаточно сильного внешнего магнитного поля сами становятся магнитами это магнитотвердые материалы.

Есть материалы концентрирующие в себе внешнее магнитное поле и, пока оно действует, ведут себя как магниты; но если внешнее поле исчезает они не становятся магнитами это магнитомягкие материалы

ВВЕДЕНИЕ.

Мы привыкли к магниту и относимся к нему чуточку снисходительно как к устаревшему атрибуту школьных уроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. В наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах, в банках с гвоздями, наконец. Сами мы тоже магниты: биотоки, текущие в нас, рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живём, - гигантский голубой магнит. Солнце жёлтый плазменный шар магнит ещё более грандиозный. Галактик и туманности, едва различимые телескопами, - непостижимые по размерам магниты. Термоядерный синтез, магнитодинамическое генерирование электроэнергии, ускорение заряженных частиц в синхротронах, подъём затонувших судов всё это области, где требуются грандиозные, невиданные раньше по размерам магниты. Проблема создания сильных, сверхсильных, ультрасильных и ещё более сильных магнитных полей стала одной из основных в современной физике и технике.

Магнит известен человеку с незапамятных времён. До нас дошли упоминания

о магнитах и их свойствах в трудах Фалеса Милетского (прибл. 600 до н.э.) и Платона (427347 до н.э.). Само слово магнит возникло в связи с тем, что природные магниты были обнаружены греками в Магнесии (Фессалия).

Естественные (или природные) магниты встречаются в природе в виде залежей магнитных руд. В Тартуском университете находится самый крупный известный естественный магнит. Его масса составляет 13 кг, и он способен поднять груз в 40 кг.

Искусственные магниты - это магниты созданные человеком на основе различных ферромагнетиков . Так называемые порошковые магниты (из железа, кобальта и некоторых других добавок) могут удержать груз более чем 5000 раз превышающий их собственную массу.

Существуют искусственные магниты двух разных видов:

Одни так называемые постоянные магниты , изготовляемые из магнитно-твердых материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов.

К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из магнитно-мягкого железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.

В 1600 году в Лондоне вышла книга королевского врача В. Гильберта “О магните, магнитных телах и большом магните - Земле”. Это сочинение явилось первой известной нам попыткой исследования магнитных явлений с позиций науки. В этом труде собраны имевшиеся тогда сведения об электричестве и магнетизме, а также результаты собственных экспериментов автора.

Из всего, с чем сталкивается человек, он прежде всего стремится извлечь практическую пользу. Не миновал этой судьбы и магнит

В моей работе я попытаюсь проследить, как используются магниты человеком не для войны, а в мирных целях, в том числе применение магнитов в биологии, медицине, в быту.

КОМПАС, прибор для определения горизонтальных направлений на местности. Применяется для определения направления, в котором движется морское, воздушное судно, наземное транспортное средство; направления, в котором идет пешеход; направления на некоторый объект или ориентир. Компасы подразделяются на два основных класса: магнитные компасы типа стрелочных, которыми пользуются топографы и туристы, и немагнитные, такие, как гирокомпас и радиокомпас.

К 11 в. относится сообщение китайцев Шен Куа и Чу Ю об изготовлении компасов из природных магнитов и использовании их в навигации. Если

Основное применение магнит находит в электротехнике, радиотехнике, приборостроении, автоматике и телемеханике. Здесь ферромагнитные материалы идут на изготовление магнитопроводов, реле и т.д. .

Электромашинные генераторы и электродвигатели - машины вращательного типа, преобразующие либо механическую энергию в электрическую (генераторы), либо электрическую в механическую (двигатели). Действие генераторов основано на принципе электромагнитной индукции: в проводе, движущемся в магнитном поле, наводится электродвижущая сила (ЭДС). Действие электродвигателей основано на том, что на провод с током, помещенный в поперечное магнитное поле, действует сила.

Магнитоэлектрические приборы. В таких приборах используется сила взаимодействия магнитного поля с током в витках обмотки подвижной части, стремящаяся повернуть последнюю.

Индукционные счетчики электроэнергии. Индукционный счетчик представляет собой не что иное, как маломощный электродвигатель переменного тока с двумя обмотками - токовой и обмоткой напряжения. Проводящий диск, помещенный между обмотками, вращается под действием крутящего момента, пропорционального потребляемой мощности. Этот момент уравновешивается токами, наводимыми в диске постоянным магнитом, так что частота вращения диска пропорциональна потребляемой мощности.

Электрические наручные часы питаются миниатюрной батарейкой. Для их работы требуется гораздо меньше деталей, чем в механических часах; так, в схему типичных электрических портативных часов входят два магнита, две катушки индуктивности и транзистор.

Динамометр - механический или электрический прибор для измерения силы тяги или крутящего момента машины, станка или двигателя.

Тормозные динамометры бывают самых различных конструкций; к ним относятся, например, тормоз Прони, гидравлический и электромагнитный тормоза .

Электромагнитный динамометр может быть выполнен в виде миниатюрного прибора, пригодного для измерений характеристик малогабаритных двигателей.

Гальванометр - чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используется вращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна. Приборы на его базе - самый распространенный вид приборов .

Магнитные свойства вещества находят широкое применение в науке и технике как средство изучения структуры различных тел. Так возникли науки:

Магнитохимия - раздел физической химии, в котором изучается связь между магнитными и химическими свойствами веществ; кроме того, магнитохимия исследует влияние магнитных полей на химические процессы. магнитохимия опирается на современную физику магнитных явлений. Изучение связи между магнитными и химическими свойствами позволяет выяснить особенности химического строения вещества.

Магнитная дефектоскопия, метод поиска дефектов, основанный на исследовании искажений магнитного поля, возникающих в местах дефектов в изделиях из ферромагнитных материалов.

Ускоритель частиц, установка, в которой с помощью электрических и магнитных полей получаются направленные пучки электронов, протонов, ионов и других заряженных частиц с энергией, значительно превышающей тепловую энергию.

В современных ускорителях используются многочисленные и разнообразные виды техники, в т.ч. мощные прецизионные магниты.

В медицинской терапии и диагностике у скорители играют важную практическую роль. Многие больничные учреждения во всем мире сегодня имеют в своем распоряжении небольшие электронные линейные ускорители, генерирующие интенсивное рентгеновское излучение, применяемое для терапии опухолей. В меньшей мере используются циклотроны или синхротроны, генерирующие протонные пучки. Преимущество протонов в терапии опухолей перед рентгеновским излучением состоит в более локализованном энерговыделении. Поэтому протонная терапия особенно эффективна при лечении опухолей мозга и глаз, когда повреждение окружающих здоровых тканей должно быть по возможности минимальным .

Представители различных наук учитывают магнитные поля в своих исследованиях. Физик измеряет магнитные поля атомов и элементарных частиц, астроном изучает роль космических полей в процессе формирования новых звёзд, геолог по аномалиям магнитного поля Земли отыскивает залежи магнитных руд, с недавнего времени биология тоже активно включилась в изучение и использование магнитов.

Биологическая наука первой половины XX века уверенно описывала жизненные функции, вовсе не учитывая существования каких-либо магнитных полей. Более того, некоторые биологи считали нужным подчеркнуть, что даже сильное искусственное магнитное поле не оказывает никакого влияния на биологические объекты.

В энциклопедиях о влиянии магнитных полей на биологические процессы ничего не говорилось. В научной литературе всего мира ежегодно появлялись единичные позитивные соображения о том или ином биологическом эффекте магнитных полей. Однако этот слабый ручеёк не мог растопить айсберг недоверия даже к постановке самой проблемы… И вдруг ручеёк превратился в бурный поток. Лавина магнитобиологических публикаций, словно сорвавшись с какой - то вершины, с начала 60 - х годов непрестанно увеличивается и заглушает скептические высказывания.

От алхимиков XVI века и до наших дней биологическое действие магнита много раз находило поклонников и критиков. Неоднократно в течение нескольких веков наблюдались всплески и спады интереса к лечебному действию магнита. С его помощью пытались лечить (и не безуспешно) нервные болезни, зубную боль, бессонницу, боли в печени и в желудке - сотни болезней .

Для лечебных целей магнит стал употребляться, вероятно, раньше, чем для определения сторон света.

Как местное наружное средство и в качестве амулета магнит пользовался большим успехом у китайцев, индусов, египтян, арабов, греков, римлян и т.д. О его лечебных свойствах упоминают в своих трудах философ Аристотель и историк Плиний.

Во второй половине XX века широко распространились магнитные браслеты, благотворно влияющие на больных с нарушением кровяного давления (гипертония и гипотония).

Кроме постоянных магнитов используются и электромагниты. Их также применяют для широкого спектра проблем в науке, технике, электронике, медицине (нервные заболевания, заболевания сосудов конечностей, сердечно - сосудистые заболевания, раковые заболевания).

Более всего учёные склоняются к мысли, что магнитные поля повышают сопротивляемость организма.

Существуют электромагнитные измерители скорости движения крови, миниатюрные капсулы, которые с помощью внешних магнитных полей можно перемещать по кровеносным сосудам чтобы расширять их, брать пробы на определённых участках пути или, наоборот, локально выводить из капсул различные медикаменты.

Широко распространён магнитный метод удаления металлических частиц из глаза.

Большинству из нас известно исследование работы сердца с помощью электрических датчиков - электрокардиограмма. Электрические импульсы, вырабатываемые сердцем, создают магнитное поле сердца, которое в max значениях составляет 10-6 напряжённости магнитного поля Земли. Ценность магнитокардиографии в том, что она позволяет получить сведения об электрически “немых” областях сердца.

Надо отметить, что биологи сейчас просят физиков дать теорию первичного механизма биологического действия магнитного поля, а физики в ответ требуют от биологов побольше проверенных биологических фактов. Очевидно, что успешным будет тесное сотрудничество различных специалистов .

Важным звеном, объединяющим магнитобиологические проблемы, является реакция нервной системы на магнитные поля. Именно мозг первым реагирует на любые изменения во внешней среде. Именно изучение его реакций будет ключом к решению многих задач магнитобиологии.

Среди технологических революций конца XX века одной из самых главных является перевод потребителей на атомное топливо. И снова магнитные поля оказались в центре внимания. Только они смогут обуздать своенравную плазму в «мирной» термоядерной реакции, которая должна прийти на смену реакциям деления радиоактивных ядер урана и тория.

Что бы еще сжечь? - навязчивым рефреном звучит вопрос, вечно мучающий энергетиков. Довольно долго нас выручали дрова, но у них малая энергоемкость, а потому дровяная цивилизация примитивна. Сегодняшнее наше благосостояние основано на сжигании ископаемого топлива, однако легкодоступные запасы нефти, угля и природного газа медленно, но верно иссякают. Волей-неволей приходится переориентировать топливно-энергетический баланс страны на что-то другое. В будущем веке остатки органического топлива придется сохранять для сырьевых нужд химии. А основным энергосырьем, как известно, станет ядерное топливо.

Идея магнитной термоизоляции плазмы основана на известном свойстве электрически заряженных частиц, движущихся в магнитном поле, искривлять свою траекторию и двигаться по спирали силовых линий поля. Это искривление траектории в неоднородном магнитном поле приводит к тому, что частица выталкивается в область, где магнитное поле более слабое. Задача состоит в том, чтобы плазму со всех сторон окружить более сильным полем. Эта задача решается во многих лабораториях мира. Магнитное удержание плазмы открыли советские ученые, которые в 1950 г. предложили удерживать плазму в так называемых магнитных ловушках (или, как часто их называют, в магнитных бутылках).

Примером весьма простой системы для магнитного удержания плазмы может служить ловушка с магнитными пробками или зеркалами (пробкотрон). Система представляет собой длинную трубу, в которой создано продольное магнитное поле. На концах трубы намотаны более массивные обмотки, чем в середине. Это приводит к тому, что магнитные силовые линии на концах трубы расположены гуще и магнитное поле в этих областях сильнее. Таким образом, частица, попавшая в магнитную бутылку, не может покинуть систему, ибо ей пришлось бы пересекать силовые линии и вследствие лоренцевой силы «накручиваться» на них. На этом принципе была построена огромная магнитная ловушка установки «Огра-1», пущенной в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова в 1958 г. Вакуумная камера «Огра-1» имеет длину 19 м при внутреннем диаметре 1,4 м. Средний диаметр обмотки, создающей магнитное поле, составляет 1,8 м, напряженность поля в середине камеры 0,5 Тл, в пробках 0,8 Тл.

Стоимость электроэнергии, получаемой от термоядерных электростанций, будет очень низкой вследствие дешевизны исходного сырья (воды). Настанет время, когда электростанции будут вырабатывать буквально океаны электроэнергии. С помощью этой электроэнергии станет возможным, быть может, не только кардинально изменить условия жизни на Земле - повернуть вспять реки, осушить болота, обводнить пустыни, - но и изменить облик окружающего космического пространства - заселить и «оживить» Луну, окружить Марс атмосферой.

Одна из основных трудностей на этом пути - создание магнитного поля заданной геометрии и величины. Магнитные поля в современных термоядерных ловушках относительно невелики. Тем не менее, если учесть громадные объемы камер, отсутствие ферромагнитного сердечника, а также специальные требования к форме магнитного поля, затрудняющие создание таких систем, то следует признать, что имеющиеся ловушки - большое техническое достижение.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что в настоящее время нет отрасли, в которой бы не применялся магнит или явление магнетизма.

Отталкивающие свойства магнитов и их применение в технике

Магниты и магнитные свойства вещества.

Простейшие проявления магнетизма известны очень давно, и знакомы большинству из нас. Существуют магниты двух разных видов. Одни – так называемые постоянные магниты, изготовляемые из «магнитно-твердых» материалов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитно-мягкого» железа.

Наиболее вероятно, что слово «магнит » произошло от названия древнего города Магнезия в Малой Азии, где находились большие залежи этого минерала

Магнитные полюса и магнитное поле.

Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок не намагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний – одноименным.

С помощью крутильных весов учёный Кулон исследовал взаимодействие двух длинных и тонких магнитов. Кулон показал, что можно характеризовать каждый полюс определенным «количеством магнетизма», или «магнитным зарядом», причем закон взаимодействия магнитных полюсов такой же, как закон взаимодействия электрических зарядов: два одноименных полюса отталкиваются друг от друга, а два разноименных полюса притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна «магнитным зарядам», сосредоточенным в этих полюсах, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Применение магнитов

Неисчислимы примеры применения магнитных материалов. Постоянные магниты являются очень важной частью многих устройств, применяемых в нашей повседневной жизни. Их можно встретить в головке звукоснимателя, в громкоговорителе, электрогитаре, электрогенераторе автомобиля, в небольших моторчиках магнитофонов, в радиомикрофоне, электросчетчиках и прочих устройствах. Изготовляют даже «магнитные челюсти», т. е. сильно намагниченные стальные челюсти, взаимно отталкивающиеся и вследствие этого не нуждающиеся в креплениях.

Магниты широко применяют и в современной науке. Магнитные материалы нужны для работы в СВЧ-диапазонах, для магнитозаписи и воспроизведения, создания магнитных запоминающих устройств. Магнитострикционные преобразователи позволяют определять глубину моря. Без магнитометров с высокочувствительными магнитными элементами трудно обойтись, если нужно измерить ничтожно слабые магнитные поля, сколь угодно изощренно распределенные в пространстве.

А бывали случаи, когда с магнитами боролись, когда они оказывались вредными. Вот какая история времен Великой Отечественной войны иллюстрирует ответственную работу специалистов по магнетизму в те суровые годы... Возьмем, например, намагничивание корпуса корабля. Такая «спонтанная» намагниченность совсем не безобидна: мало того, что компасы корабля начинают «врать», принимая поле самого судна за поле Земли и неправильно указывая направление, плавающие корабли-магниты могут притягивать железные предметы. Если такие предметы будут связаны с минами, результат притяжения очевиден. Вот почему ученым пришлось вмешаться в проделки Природы и специально размагничивать корабли, что бы они разучились действовать на магнитные мины.

Основное применение магнит находит в электротехнике , радиотехнике, приборостроении , автоматике и телемеханике.

Электромашинные генераторы и электродвигатели - машины вращательного типа, преобразующие либо механическую энергию в электрическую (генераторы), либо электрическую в механическую (двигатели). Действие генераторов основано на принципе электромагнитной индукции: в проводе, движущемся в магнитном поле, наводится электродвижущая сила (ЭДС). Действие электродвигателей основано на том, что на провод с током, помещенный в поперечное магнитное поле, действует сила.

Электромагнитный динамометр может быть выполнен в виде миниатюрного прибора, пригодного для измерений характеристик малогабаритных двигателей.

Магнитные свойства вещества находят широкое применение в науке и технике как средство изучения структуры различных тел. Так возникли науки:

Магнетохимия (магнитохимия) - раздел физической химии, в котором изучается связь между магнитными и химическими свойствами веществ; кроме того, магнитохимия исследует влияние магнитных полей на химические процессы. магнитохимия опирается на современную физику магнитных явлений. Изучение связи между магнитными и химическими свойствами позволяет выяснить особенности химического строения вещества.

Техника сверхвысокочастотного диапазона

Связь. Радиоволны СВЧ-диапазона широко применяются в технике связи. Кроме различных радиосистем военного назначения, во всех странах мира имеются многочисленные коммерческие линии СВЧ-связи. Поскольку такие радиоволны не следуют за кривизной земной поверхности, а распространяются по прямой, эти линии связи, как правило, состоят из ретрансляционных станций, установленных на вершинах холмов или на радиобашнях с интервалами около 50 км.

Термообработка пищевых продуктов. СВЧ-излучение применяется для термообработки пищевых продуктов в домашних условиях и в пищевой промышленности . Энергия, генерируемая мощными электронными лампами, может быть сконцентрирована в малом объеме для высокоэффективной тепловой обработки продуктов в т. н. микроволновых или СВЧ-печах, отличающихся чистотой, бесшумностью и компактностью. Такие устройства применяются на самолетных бортовых кухнях, в железнодорожных вагонах-ресторанах и торговых автоматах, где требуются быстрые подготовка продуктов и приготовление блюд. Промышленность выпускает также СВЧ-печи бытового назначения.

С помощью магнита пытались лечить (и не безуспешно) нервные болезни, зубную боль, бессонницу , боли в печени и в желудке - сотни болезней.

Один «исследователь » - башмачных дел мастер Спенс из шотландского городка Линлитгоу, живший на рубеже XVIII и XIX вв., утверждал, что обнаружил некое черное вещество, нейтрализующее притягивающую и отталкивающую силу магнита. По его словам, с помощью этого загадочного вещества и двух постоянных магнитов он якобы легко мог поддерживать непрерывное движение двух перпетуум мобиле собственного изготовления. Эти сведения мы приводим сегодня в качестве типичного примера наивных представлений и простодушных верований, от которых наука с трудом избавлялась даже в более поздние времена. Можно было бы предположить, что у современников Спенса не возникнет и тени сомнения по поводу бессмысленности фантазий честолюбивого башмачника. Тем не менее один шотландский физик посчитал необходимым упомянуть об этом случае в своем письме, опубликованном в журнале «Анналы химии » в 1818 г., где он пишет:

«... господин Плейфер и капитан Кейтер осмотрели обе эти машины и выразили удовлетворение тем, что проблема вечного движения наконец решена».

Таким образом, получается, что свойства магнитов широко применяются во многих вещах, и являются довольно полезными для всего человчества в целом.

В самом начале работы полезно будет дать несколькоопределений ипояснений.

Если, в каком то месте, на движущиеся тела, обладающиезарядом, действует сила, которая не действует на неподвижные или лишенныезаряда тела, то говорят, что в этом месте присутствует магнитное поле – одна из форм более общего электромагнитного поля .

Есть тела, способные создавать вокруг себя магнитноеполе (и на такое тело тоже действует сила магнитного поля), про них говорят,что эти тела намагничены и обладают магнитным моментом, который и определяетсвойство тела создавать магнитное поле. Такие тела называют магнитами .

Следует отметить, что разные материалы по разномуреагируют на внешнее магнитное поле.

Есть материалы ослабляющие действие внешнего поля внутрисебя– парамагнетики и усиливающие внешнее поле внутри себя– диамагнетики .

Есть материалы с огромной способностью (в тысячи раз) усиливать внешнее поле внутри себя - железо,кобальт, никель, гадолиний, сплавы и соединения этих металлов, их называют– ферромагнетики.

Есть среди ферромагнетиков материалы которыепосле воздействия на них достаточно сильного внешнего магнитного поля самистановятся магнитами – это магнитотвердые материалы.

Есть материалы концентрирующие в себе внешнее магнитное поле и, пока онодействует, ведут себя как магниты; но если внешнее поле исчезает они нестановятся магнитами – это магнитомягкие материалы

ВВЕДЕНИЕ.

Мы привыкли к магниту иотносимся к нему чуточку снисходительно как к устаревшему атрибуту школьныхуроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. В нашихквартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах,в банках с гвоздями, наконец. Сами мы – тоже магниты: биотоки, текущие в нас,рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на котороймы живём, - гигантский голубой магнит. Солнце – жёлтый плазменный шар – магнитещё более грандиозный. Галактик и туманности, едва различимые телескопами, - непостижимые по размерам магниты. Термоядерный синтез, магнитодинамическоегенерирование электроэнергии, ускорение заряженных частиц в синхротронах,подъём затонувших судов – всё это области, где требуются грандиозные,невиданные раньше по размерам магниты. Проблема создания сильных, сверхсильных,ультрасильных и ещё более сильных магнитных полей стала одной из основных всовременной физике и технике.

Магнит известен человеку снезапамятных времён. До нас дошли упоминания

о магнитах и их свойствах втрудах Фалеса Милетского (прибл. 600 до н.э.) и Платона (427–347 дон.э.). Само слово «магнит» возникло в связи с тем, что природные магниты былиобнаружены греками в Магнесии (Фессалия).

Естественные (илиприродные) магниты встречаются в природе в виде залежей магнитных руд. ВТартуском университете находится самый крупный известный естественный магнит. Его масса составляет 13 кг, и он способен поднять груз в 40 кг.

Искусственные магниты - это магниты созданные человеком на основе различных ферромагнетиков . Такназываемые «порошковые» магниты (из железа, кобальта и некоторых другихдобавок) могут удержать груз более чем 5000 раз превышающий их собственнуюмассу.

Существуютискусственные магниты двух разных видов:

Одни – так называемыепостоянныемагниты ,изготовляемые из «магнитно-твердых » материалов.Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов.

К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитно-мягкого » железа.Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводуобмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.

В 1600 году в Лондоне вышла книга королевского врачаВ. Гильберта “О магните, магнитных телах и большом магните - Земле”. Этосочинение явилось первой известной нам попыткой исследования магнитных явленийс позиций науки. В этом труде собраны имевшиеся тогда сведения об электричествеи магнетизме, а также результаты собственных экспериментов автора.

Из всего, с чемсталкивается человек, он прежде всего стремится извлечь практическую пользу. Неминовал этой судьбы и магнит

В моей работе я попытаюсь проследить, как используютсямагниты человеком не для войны, а в мирных целях, в том числе применениемагнитов в биологии, медицине, в быту.

КОМПАС, прибор для определения горизонтальных направлений на местности.Применяется для определения направления, в котором движется морское, воздушноесудно, наземное транспортное средство; направления, в котором идет пешеход;направления на некоторый объект или ориентир. Компасы подразделяются на дваосновных класса: магнитные компасы типа стрелочных, которыми пользуютсятопографы и туристы, и немагнитные, такие, как гирокомпас и радиокомпас.

К 11 в. относитсясообщение китайцев Шен Куа и Чу Ю об изготовлении компасов из природныхмагнитов и использовании их в навигации.Если

длинная игла из природногомагнита уравновешена на оси, позволяющей ей свободно поворачиваться в горизонтальнойплоскости, то она всегда обращена одним концом к северу, а другим – к югу.Пометив указывающий на север конец, можно пользоваться таким компасом дляопределения направлений.

Магнитные эффектыконцентрировались у концов такой иглы, и поэтому их назвали полюсами(соответственно северным и южным).

Основное применение магнитнаходит в электротехнике, радиотехнике, приборостроении, автоматике ителемеханике. Здесь ферромагнитные материалы идут на изготовлениемагнитопроводов, реле и т.д.

В 1820 Г.Эрстед (1777–1851) обнаружил, что проводник стоком воздействует на магнитную стрелку, поворачивая ее. Буквально неделейпозже Ампер показал, что два параллельных проводника с током одного направленияпритягиваются друг к другу. Позднее он высказал предположение, что всемагнитные явления обусловлены токами, причем магнитные свойства постоянныхмагнитов связаны с токами, постоянно циркулирующими внутри этих магнитов. Этопредположение полностью соответствует современным представлениям.

Электромашинныегенераторы и электродвигатели - машинывращательного типа, преобразующие либо механическую энергию в электрическую(генераторы), либо электрическую в механическую (двигатели). Действиегенераторов основано на принципе электромагнитной индукции: в проводе,движущемся в магнитном поле, наводится электродвижущая сила (ЭДС). Действиеэлектродвигателей основано на том, что на провод с током, помещенный впоперечное магнитное поле, действует сила.

Магнитоэлектрическиеприборы. В таких приборахиспользуется сила взаимодействия магнитного поля с током в витках обмоткиподвижной части, стремящаяся повернуть последнюю

Индукционныесчетчики электроэнергии . Индукционныйсчетчик представляет собой не что иное, как маломощный электродвигательпеременного тока с двумя обмотками – токовой и обмоткой напряжения. Проводящийдиск, помещенный между обмотками, вращается под действием крутящего момента,пропорционального потребляемой мощности. Этот момент уравновешивается токами,наводимыми в диске постоянным магнитом, так что частота вращения дискапропорциональна потребляемой мощности.

Электрические наручные часы питаются миниатюрной батарейкой. Для их работытребуется гораздо меньше деталей, чем в механических часах; так, в схемутипичных электрических портативных часов входят два магнита, две катушкииндуктивности и транзистор.

Замок- механическое, электрическое или электронное устройство,ограничивающее возможность несанкционированного пользования чем-либо. Замокможет приводиться в действие устройством (ключом), имеющимся в распоряженииопределенного лица, информацией (цифровым или буквенным кодом), вводимой этимлицом, или какой либо индивидуальной характеристикой (например, рисункомсетчатки глаза) этого лица. Замок обычно временно соединяет друг с другом два узлаили две детали в одном устройстве. Чаще всего замки бывают механическими, новсе более широкое применение находят электромагнитные замки.

Магнитные замки . Вцилиндровых замках некоторых моделей применяются магнитные элементы. Замок иключ снабжены ответными кодовыми наборами постоянных магнитов. Когда в замочнуюскважину вставляется правильный ключ, он притягивает и устанавливает в нужноеположение внутренние магнитные элементы замка, что и позволяет открыть замок.

Динамометр - механический или электрический прибор для измерениясилы тяги или крутящего момента машины, станка или двигателя.

Тормозные динамометры бывают самых различныхконструкций; к ним относятся, например, тормоз Прони, гидравлический иэлектромагнитный тормоза.

Электромагнитный динамометр может бытьвыполнен в виде миниатюрного прибора, пригодного для измерений характеристикмалогабаритных двигателей.

Гальванометр –чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используетсявращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянногомагнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешеннойв зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, иотклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушномзазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна.Приборы на его базе - самый распространенный вид приборов.

Спектр выпускаемых приборов широк иразнообразен: приборы щитовые постоянного и переменного тока(магнитоэлектрической, магнитоэлектри- ческой с выпрямителем и электромагнитнойсистем), комбинированные приборы ампервольтомметры, для диагностирования ирегулировки электрооборудования автомашин, измерения температуры плоскихповерхностей, приборы для оснащения школьных учебных кабинетов, тестеры иизмерители всевозможных электрических параметров

Производство абразивов- мелких, твердых, острых частиц, используемых в свободном или связанномвиде для механической обработки (в т.ч. для придания формы, обдирки,шлифования, полирования) разнообразных материалов и изделий из них (от большихстальных плит до листов фанеры, оптических стекол и компьютерных микросхем).Абразивы бывают естественные или искусственные. Действие абразивов сводится кудалению части материала с обрабатываемой поверхности. Впроцессе производства искусственных абразивов ферросилиций, присутствующий всмеси, оседает на дно печи, но небольшие его количества внедряются в абразив ипозже удаляются магнитом.

Магнитные свойства вещества находят широкое применение внауке и технике как средство изучения структуры различных тел. Так возникли науки:

Магнетохимия (магнитохимия) - раздел физической химии, в которомизучается связь между магнитными и химическими свойствами веществ; кроме того,магнитохимия исследует влияние магнитных полей на химические процессы.магнитохимия опирается на современную физику магнитных явлений. Изучение связимежду магнитными и химическими свойствами позволяет выяснить особенностихимического строения вещества.

Магнитная дефектоскопия , методпоиска дефектов, основанный на исследовании искажений магнитного поля,возникающих в местах дефектов в изделиях из ферромагнитных материалов.

. Техника сверхвысокочастотного диапазона

Сверхвысокочастотный диапазон (СВЧ)- частотный диапазон электромагнитногоизлучения (100¸300 000 млн. герц), расположенный в спектре между ультравысокимителевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области

Связь. Радиоволны СВЧ-диапазона широкоприменяются в технике связи. Кроме различных радиосистем военного назначения,во всех странах мира имеются многочисленные коммерческие линии СВЧ-связи.Поскольку такие радиоволны не следуют за кривизной земной поверхности, араспространяются по прямой, эти линии связи, как правило, состоят изретрансляционных станций, установленных на вершинах холмов или на радиобашнях синтервалами около 50 км.

Термообработка пищевых продуктов. СВЧ-излучениеприменяется для термообработки пищевых продуктов в домашних условиях и в пищевойпромышленности. Энергия, генерируемая мощными электронными лампами, может бытьсконцентрирована в малом объеме для высокоэффективной тепловой обработкипродуктов в т.н. микроволновых или СВЧ-печах, отличающихся чистотой,бесшумностью и компактностью. Такие устройства применяются на самолетныхбортовых кухнях, в железнодорожных вагонах-ресторанах и торговых автоматах, гдетребуются быстрые подготовка продуктов и приготовление блюд. Промышленностьвыпускает также СВЧ-печи бытового назначения.

Быстрый прогресс в области СВЧ-техники в значительной мересвязан с изобретением специальных электровакуумных приборов – магнетрона иклистрона, способных генерировать большие количества СВЧ-энергии. Генератор наобычном вакуумном триоде, используемый на низких частотах, в СВЧ-диапазонеоказывается весьма неэффективным.

Магнетрон. В магнетроне, изобретенном в Великобританииперед Второй мировой войной, эти недостатки отсутствуют, поскольку за основувзят совершенно иной подход к генерации СВЧ-излучения – принцип объемногорезонатора

В магнетроне предусмотрено несколько объемных резонаторов,симметрично расположенных вокруг катода, находящегося в центре. Прибор помещаютмежду полюсами сильного магнита.

Лампа бегущей волны (ЛБВ). Еще одинэлектровакуумный прибор для генерации и усиления электромагнитных волнСВЧ-диапазона – лампа бегущей волны. Она представляет собой тонкую откачаннуютрубку, вставляемую в фокусирующую магнитную катушку.

Ускоритель частиц , установка, в которой с помощью электрических и магнитных полейполучаются направленные пучки электронов, протонов, ионов и других заряженныхчастиц с энергией, значительно превышающей тепловую энергию.

В современных ускорителях используются многочисленные иразнообразные виды техники, в т.ч. мощные прецизионные магниты.

В медицинскойтерапии и диагностике у скорители играют важную практическую роль. Многиебольничные учреждения во всем мире сегодня имеют в своем распоряжении небольшиеэлектронные линейные ускорители, генерирующие интенсивное рентгеновскоеизлучение, применяемое для терапии опухолей. В меньшей мере используютсяциклотроны или синхротроны, генерирующие протонные пучки. Преимущество протоновв терапии опухолей перед рентгеновским излучением состоит в болеелокализованном энерговыделении. Поэтому протонная терапия особенно эффективнапри лечении опухолей мозга и глаз, когда повреждение окружающих здоровых тканейдолжно быть по возможности минимальным.

Представители различных наук учитывают магнитные поля всвоих исследованиях. Физик измеряет магнитные поля атомов и элементарныхчастиц, астроном изучает роль космических полей в процессе формирования новыхзвёзд, геолог по аномалиям магнитного поля Земли отыскивает залежи магнитныхруд, с недавнего времени биология тоже активно включилась в изучение ииспользование магнитов.

Биологическая наука первой половины XX века уверенно описывала жизненные функции, вовсе неучитывая существования каких-либо магнитных полей. Более того, некоторыебиологи считали нужным подчеркнуть, что даже сильное искусственное магнитноеполе не оказывает никакого влияния на биологические объекты.

В энциклопедиях о влияниимагнитных полей на биологические процессы ничего не говорилось. В научнойлитературе всего мира ежегодно появлялись единичные позитивные соображения отом или ином биологическом эффекте магнитных полей. Однако этот слабый ручеёкне мог растопить айсберг недоверия даже к постановке самой проблемы… И вдругручеёк превратился в бурный поток. Лавина магнитобиологических публикаций,словно сорвавшись с какой – то вершины, с начала 60 – х годов непрестанноувеличивается и заглушает скептические высказывания.

От алхимиков XVIвека и до наших дней биологическое действие магнита много раз находилопоклонников и критиков. Неоднократно в течение нескольких веков наблюдалисьвсплески и спады интереса к лечебному действию магнита. С его помощью пыталисьлечить (и не безуспешно) нервные болезни, зубную боль, бессонницу, боли впечени и в желудке – сотни болезней.

Для лечебных целей магнитстал употребляться, вероятно, раньше, чем для определения сторон света.

Как местное наружноесредство и в качестве амулета магнит пользовался большим успехом у китайцев,индусов, египтян, арабов. ГРЕКОВ, римлян и т.д. О его лечебных свойствахупоминают в своих трудах философ Аристотель и историк Плиний.

Во второй половине XXвека широко распространились магнитные браслеты, благотворно влияющие набольных с нарушением кровяного давления (гипертония и гипотония).

Кроме постоянных магнитовиспользуются и электромагниты. Их также применяют для широкого спектра проблемв науке, технике, электронике, медицине (нервные заболевания, заболеваниясосудов конечностей, сердечно – сосудистые заболевания, раковыезаболевания).

Более всего учёныесклоняются к мысли, что магнитные поля повышают сопротивляемость организма.

Существуют электромагнитныеизмерители скорости движения крови, миниатюрные капсулы, которые с помощью внешнихмагнитных полей можно перемещать по кровеносным сосудам чтобы расширять их,брать пробы на определённых участках пути или, наоборот, локально выводить изкапсул различные медикаменты.

Широко распространёнмагнитный метод удаления металлических частиц из глаза.

Большинству из нас известноисследование работы сердца с помощью электрических датчиков –электрокардиограмма. Электрические импульсы, вырабатываемые сердцем, создаютмагнитное поле сердца, которое в max значениях составляет 10-6 напряжённостимагнитного поля Земли. Ценность магнитокардиографии в том, что она позволяетполучить сведения об электрически “немых” областях сердца.

Надо отметить, что биологисейчас просят физиков дать теорию первичного механизма биологического действиямагнитного поля, а физики в ответ требуют от биологов побольше проверенныхбиологических фактов. Очевидно, что успешным будет тесное сотрудничестворазличных специалистов.

Важным звеном, объединяющиммагнитобиологические проблемы, является реакция нервной системы на магнитныеполя. Именно мозг первым реагирует на любые изменения во внешней среде. Именноизучение его реакций будет ключём к решению многих задач магнитобиологии.

Самый простой вывод, которыйможно сделать из выше сказанного – нет области прикладной деятельностичеловека, где бы не применялись магниты.

Использованная литература:

1) БСЭ, второе издание, Москва, 1957г.

2) Холодов Ю.А. “Человек в магнитнойпаутине”, “Знание”, Москва, 1972 г.

3) Материалы из интернет - энциклопедии

4) Путилов К.А. «Курс физики»,«Физматгиз», Москва, 1964г.