Виды магнитов

Что такое магнит. Из чего сделан магнит?

Существуют три основных вида магнитов:Постоянные магниты;.Временные магниты;.Электромагниты.Постоянные магниты.

Постоянные магниты — наиболее привычный нам вид магнитов. Они постоянные в том смысле, что будучи однажды намагничены, эти магниты сохраняют некоторый уровень остаточной намагниченности. Разные виды постоянных магнитов имеют различные характеристики или свойства, относящиеся к тому, как легко они размагничиваются, насколько они сильные, как их сила меняется с температурой и т. д.

Для производства постоянных магнитов используются четыре основных класса материалов:

Неодим — железо — бор (Nd — Fe — B, Ndfeb, NIB);.Самарий — кобальт (Smco);.Альнико (Alnico);.Керамические (ферриты.

Временные магниты.

Временные магниты — это магниты, которые действуют как постоянные магниты только тогда, когда находятся в сильном магнитном поле, и теряют свой магнетизм, когда магнитное поле исчезает. В качестве примера можно привести скрепки и гвозди, а также другие изделия из «Мягкого» железа.Электромагниты.

Электромагнит — это туго намотанные на каркас витки провода, обычно с железным сердечником, который действует как постоянный магнит только тогда, когда по проводу течет ток. Сила и полярность магнитного поля, создаваемого электромагнитом, обусловлены изменением величины и направления электрического тока, текущего по проводу.

Использование магнитных элементов в быту

«Народные умельцы» нашли множество способов решения бытовых проблем с помощью этого замечательного сплава. Предела «полета мысли» русского человек нет —неодимовые магниты пригодятся в каждом доме.

Элементы крепления

Держатель проводов (кабелей). Закрепить в удобном месте неодимовый магнит, надеть на провод пружину подходящего диаметра, и готова рациональная конструкция.

Держатель метиза, инструмента, кухонных принадлежностей. Чтобы шурупы, гвозди всегда были под рукой, положить в карман куртки (рубашки) неодимовый магнит, и не придется таскать за собой баночку с нужным крепежом.

Неодимовый магнит поможет усовершенствовать бытовой инструмент. Закрепленный скотчем на шуруповерте, резко повышает производительность – не нужно тратить время на поиски шурупов.

Не всегда получается удерживать метиз пальцами. Ограниченное пространство, сложность доступа к основе – причин хватает. Неодимовый магнит выручит в подобных ситуациях. Им несложно зафиксировать крепежную деталь в нужном положении, забить гвоздь без риска попасть молотком по пальцам.

Проблема хранения отверток, пассатижей, гаечных ключей, ножей также решается просто. Порядок в гараже, на балконе, кухне обеспечен.

Магнитные держатели дверей. Закрепив на створке пластину («пятак»), не придется беспокоиться, что полотно резко закроет проем при сквозняке. Двери пластиковые, деревянные не выдерживают ударных нагрузок, деформируются, приходят в негодность. На основе неодимовых магнитиков изготавливаются антимоскитные сетки, востребованные для жилых строений, садовых участков.

Зажимы из магнитов выполняют функцию мини-тисков. Помещение между двумя образцами скрепляемых деталей за счет силы притяжения достигается быстрое, надежное склеивание фрагментов. Если они сложной конфигурации, реализация иного способа потребует больше времени и усилий.

Восстановление утраченных свойств инструмента

Отвертками приходится пользоваться регулярно. Если магнитное напыление наконечника изначально отсутствует или истерлось, возникают проблемы в работе. Удержать крепеж поможет неодимовая шайба, закрепленная на стержне. Без каких-либо затрат превращает обычную отвертку в магнитный инструмент.

Поиск скрытых металлических конструкций

Неодимовый магнит помогает точно определить местоположение швеллера, трубы, арматуры под облицовкой. Кто занимался ремонтом, сверлением стен, потолка, знает, сколько сверл, буров, коронок приходится менять в процессе работы «вслепую».

Очистка моторного масла

Сливная пробка с неодимовым магнитом в поддоне картера «собирает» металлическую пыль, препятствует ее попаданию в двигатель.

Причины возникновения индукционного тока в движущихся и неподвижных проводниках

Причин, по которым может происходить изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, две:

  1. Изменение магнитного потока вследствие перемещения всего контура или отдельных его частей в магнитном поле, которое не изменяется со временем;
  2. Изменение магнитного поля при неподвижном контуре.

Перейдем к рассмотрению этих случаев подробнее.

Перемещение контура или его частей в неизменном магнитном поле

При движении проводников и свободных носителей заряда в магнитном поле возникает ЭДС индукции. Объяснить возникновение δинд можно действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца здесь – это сторонняя сила.

Пример 2

На рисунке мы изобразили пример индукции, когда прямоугольный контур помещен в однородное магнитное поле B→ направленное перпендикулярно плоскости контура. Одна из сторон контура перемещается по двум другим сторонам с некоторой скоростью.

Рисунок 1.20.3. Возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике. Отражена составляющая силы Лоренца, которая действует на свободный электрон

На свободные заряды подвижной части контура воздействует сила Лоренца. Основная составляющая силы Лоренца в данном случае направлена вдоль проводника и связана с переносной скоростью зарядов υ→. Модуль этой сторонней силы равен:

FЛ=eυ→B.

Работа силы FЛ на пути l равна:

A=FЛ·l=eυBl.

По определению ЭДС: 

δинд=Ae=υBl.

Значение сторонней силы для неподвижных частей контура равно нулю. Для соотношения δинд можно записать другой вариант формулы. Площадь контура с течением времени изменяется на ΔS=lυΔt. Соответственно, магнитный поток тоже будет с течением времени изменяться: ΔΦ=BlυΔt.

Следовательно, 

δинд=∆Φ∆t.

Знаки в формуле, которая связывает δинд и ∆Φ∆t, можно установить в зависимости от того, какие направления нормали и направления контура будут выбраны. В случае выбора согласованных между собой по правилу правого буравчика направлений нормали n→ и положительного направления обхода контура l→ можно прийти к формуле Фарадея.

При условии, что сопротивление всей цепи – это R, то по ней будет протекать индукционный ток, который равен Iинд=δиндR. За время Δt на сопротивлении R выделится джоулево тепло:

∆Q=RIинд2∆t=υ2B2l2R∆t

Парадокса здесь нет. Мы просто не учли воздействие на систему еще одной силы. Объяснение заключается в том, что при протекании индукционного тока по проводнику, расположенному в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, которая связана с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Благодаря этой составляющей появляется сила Ампера FА→.

Для рассмотренного выше примера модуль силы Ампера равен FA =IBl. Направление силы Ампера таково, что она совершает отрицательную механическую работу Aмех. Вычислить эту механическую работу за определенный период времени можно по формуле:

Aмех=-Fυ∆t=-IBlυ∆t=-υ2B2l2R∆t

Проводник, перемещающийся в магнитном поле, испытывает магнитное торможение. Это приводит к тому, что полная работа силы Лоренца равна нулю. Джоулево тепло может выделяться либо за счет уменьшения кинетической энергии движущегося проводника, либо за счет энергии, которая поддерживает скорость перемещения проводника в пространстве.

Изменение магнитного поля при неподвижном контуре

Определение 3

Вихревое электрическое поле – это электрическое поле, которое вызывается изменяющимся магнитным полем.

В отличие от потенциального электрического поля работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому проводящему контуру равна δинд в неподвижном проводнике.

В неподвижном проводнике электроны могут приводиться в движение только под действием электрического поля. А возникновение δинд нельзя объяснить действием силы Лоренца.

Первым, кто ввел понятие вихревого электрического поля, был английский физик Джон Максвелл. Случилось это в 1861 году.

Фактически, явления индукции в подвижных и неподвижных проводниках протекают одинаково. Так что в этом случае мы тоже можем использовать формулу Фарадея. Отличия касаются физической причины возникновения индукционного тока: в движущихся проводниках δинд обусловлена силой Лоренца, в неподвижных – действием на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Рисунок 1.20.4. Модель электромагнитной индукции

Рисунок 1.20.5. Модель опытов Фарадея

Рисунок 1.20.6. Модель генератора переменного тока

Всё ещё сложно?
Наши эксперты помогут разобраться

Все услуги

Решение задач

от 1 дня / от 150 р.

Курсовая работа

от 5 дней / от 1800 р.

Реферат

от 1 дня / от 700 р.

Типы постоянных магнитов

Генератор на неодимовых магнитах

Всего существует пять типов постоянных магнитов, каждый из которых изготовляется по-разному на основе материалов с отличающимися свойствами:

  • альнико;
  • ферриты;
  • редкоземельные SmCo на основе кобальта и самария;
  • неодимовые;
  • полимерные.

Альнико

Это постоянные магниты, состоящие в основном из комбинации алюминия, никеля и кобальта, но могут также включать медь, железо и титан. Благодаря свойствам магнитов альнико, они могут работать при самых высоких температурах, сохраняя свой магнетизм, однако они легче размагничиваются, чем ферритовые или редкоземельные SmCo. Они были первыми серийными постоянными магнитами, заменяющими намагниченные металлы и дорогие электромагниты.

Магниты в электродвигателях

Применение:

  • электродвигатели;
  • термическая обработка;
  • подшипники;
  • аэрокосмические аппараты;
  • военная техника;
  • высокотемпературное погрузо-разгрузочное оборудование;
  • микрофоны.

Ферриты

Для изготовления ферритовых магнитов, известных еще как керамические, применяются карбонат стронция и оксид железа, в соотношении 10/90. Оба материала в изобилии и экономически доступны.

Из-за низких издержек производства, устойчивости к нагреву (до 250°C) и коррозии ферритовые магниты – одни из самых популярных для повседневного применения. Они имеют большую внутреннюю коэрцитивность, чем альнико, но меньшую магнитную силу, чем неодимовые аналоги.

Применение:

  • звуковые колонки;
  • охранные системы;
  • большие пластинчатые магниты для удаления загрязнения железом технологических линий;
  • электродвигатели и генераторы;
  • медицинские инструменты;
  • подъемные магниты;
  • морские поисковые магниты;
  • устройства, основанные на работе вихревых токов;
  • выключатели и реле;
  • тормоза.

Магнит в звуковом динамике

Редкоземельные магниты SmCo

Магниты из кобальта и самария работают в широком температурном диапазоне, имеют высокие температурные коэффициенты и высокую коррозионную стойкость. Этот вид сохраняет магнитные свойства даже при температурах ниже абсолютного нуля, что делает их популярными для использования в криогенных установках.

Применение:

  • турботехника;
  • насосные муфты;
  • влажные среды;
  • высокотемпературные устройства;
  • миниатюрные гоночные автомобили с электроприводом;
  • радиоэлектронные устройства для работы в критических условиях.

Неодимовые магниты

Сильнейшие существующие магниты, состоящие из сплава неодима, железа и бора. Благодаря их огромной силе, даже миниатюрные магниты эффективны. Это обеспечивает универсальность использования. Каждый человек постоянно находится рядом с одним из неодимовых магнитов. Они есть, например, в смартфоне. Изготовление электродвигателей, медтехника, радиоэлектроника опираются на сверхпрочные неодимовые магниты. Из-за их сверхпрочности, огромной магнитной силы и стойкости к размагничиванию возможно изготовление образцов до 1 мм.

Неодимовые магниты разной формы

Применение:

  • жесткие диски;
  • звуковоспроизводящие устройства – микрофоны, акустические датчики, наушники, громкоговорители;
  • протезы;
  • насосы с магнитной связью;
  • дверные доводчики;
  • двигатели и генераторы;
  • замки на ювелирных изделиях;
  • сканеры МРТ;
  • магнитотерапия;
  • датчики ABS в автомобилях;
  • подъемное оборудование;
  • магнитные сепараторы;
  • герконовые переключатели и т. д.

Полимерные магниты

Гибкие магниты содержат магнитные частицы, находящиеся внутри полимерного связующего. Используются для уникальных устройств, где невозможна установка твердых аналогов.

Применение:

  • дисплейная реклама – быстрая фиксация и быстрое удаление на выставках и мероприятиях;
  • знаки транспортных средств, учебные школьные панели, логотипы компаний;
  • игрушки, головоломки и игры;
  • маскирование поверхностей для окраски;
  • календари и магнитные закладки;
  • оконные и дверные уплотнения.

Полимерные магниты

Большинство постоянных магнитов являются хрупкими и не должны использоваться в качестве структурных элементов. Они изготавливаются в стандартных формах: кольца, стержни, диски, и индивидуальных: трапеции, дуги и др. Неодимовые магниты из-за высокого содержания железа подвержены коррозии, поэтому покрываются сверху никелем, нержавеющей сталью, тефлоном, титаном, каучуком и другими материалами.

Магнит в Новое время и наши дни

Настоящий прорыв произошёл в 1820 году. Как всякие великие открытия, и это произошло случайно. Просто преподаватель в университете, Ганс Христиан Эрстед, на лекции решил продемонстрировать студентам, что между электричеством и магнитом нет никакой связи, они не влияют друг на друга. Для этого физик включил электрический ток рядом с магнитной стрелкой. Велик же был его шок, когда стрелка отклонилась! Это позволило открыть связь электричества и магнитных полей. Так наука сделал огромный рывок вперёд.

Узнав об открытии Эрстеда, французский физик Андре Ампер провёл ряд опытов. Он объяснил связь электричества и магнитного поля. На основе его исследований в 1825 году английский инженер Уильям Стёрджен изобрёл первый электромагнит. Так зародилась современная электротехника. Увы, сам изобретатель умер в бедности и безвестности: слишком сложным для умов того времени было его открытие.

Опыт Эрстеда

Первый электромагнит

Простейший электромагнит своими руками

В начале XX века, опираясь на связь магнитных бурь с количеством пятен на солнце, наш соотечественник Александр Чижевский предположил, что солнечная активность влияет на живых существ и на явления социума: революции, войны, эпидемии. В то время его труд сочили абсурдным и смешным, но теперь факт такого влияния Солнца на человечество доказан.

Ныне магниты используются повсеместно, подробнее об этом мы рассказываем в статье про виды магнитов.

Оставьте комментарий или задайте вопрос!Показать комментарии

Рекомендуем статьи

История вышивки

История логотипа

Изготовление магнитов

Промвышивка: вышиваем всем на радость!

Взаимодействие магнитов

На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс

июжный полюс . Два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Магниты могут действовать друг на друга даже сквозь вакуум! Всё это напоминает взаимодействие электрических зарядов, однаковзаимодействие магнитов не является электрическим . Об этом свидетельствуют следующие опытные факты.

• Магнитная сила ослабевает при нагревании магнита. Сила же взаимодействия точечных зарядов не зависит от их температуры.

• Магнитная сила ослабевает, если трясти магнит. Ничего подобного с электрически заряженными телами не происходит.

• Положительные электрические заряды можно отделить от отрицательных (например, при электризации тел). А вот разделить полюса магнита не получается: если разрезать магнит на две части, то в месте разреза также возникают полюса, и магнит распадается на два магнита с разноимёнными полюсами на концах (ориентированных точно так же, как и полюса исходного магнита).

Таким образом, магниты всегда

двухполюсные, они существуют только в видедиполей . Изолированных магнитных полюсов (так называемыхмагнитных монополей — аналогов электрического заряда)в при роде не существует (во всяком случае, экспериментально они пока не обнаружены). Это, пожалуй, самая впечатляющая асимметрия между электричеством и магнетизмом.

• Как и электрически заряженные тела, магниты действуют на электрические заряды. Однако магнит действует только на движущийся

заряд; если заряд покоится относительно магнита, то действия магнитной силы на заряд не наблюдается. Напротив, наэлектризованное тело действует на любой заряд ,вне зависимости от того, покоится он или движется.

По современным представлениям теории близкодействия, взаимодействие магнитов осуществляется посредством магнитного поля

.А именно, магнит создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует на другой магнит и вызывает видимое притяжение или отталкивание этих магнитов.

Примером магнита служит магнитная стрелка

компаса. С помощью магнитной стрелки можно судить о наличии магнитного поля в данной области пространства, а также о направлении поля.

Наша планета Земля является гигантским магнитом. Неподалёку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Отсюда, собственно, и возникло название «северный полюс» магнита.

Размагничивание

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.

Уход за поисковым магнитом

Чтобы пользоваться поисковым магнитом долго, важно правильно за ним ухаживать. Особых требований к обработке покрытия нет, но нужно ее протирать сухой тряпочкой и очищать от мелких налипших металлических частичек. . Магнит довольно надежный инструмент, срок его службы зависит от особенностей эксплуатации

За десятилетие он теряет не более 1% мощности. 

Магнит довольно надежный инструмент, срок его службы зависит от особенностей эксплуатации. За десятилетие он теряет не более 1% мощности. 

Запрещено прибор ударять и нагревать. Под воздействием температуры свыше 80 °С он потеряет свои магнитные свойства и превратится в бесполезный кусок металла. 

Важно! Конструкция негативно сказывается на работе электроники, радиус поражения зависит от мощности. При поиске артефактов следует держать смартфоны и ноутбуки на безопасном расстоянии, а хранить поисковые магниты лучше в специальных сумках (подробней ниже). 

Размагничивание поисковых магнитов

Даже самые мощные магниты теряют свои свойства с течением времени. Ферритовые изделия прослужат несколько десятилетий, а вот неодимовые – 200-300 лет. 

Причины непроизвольного размагничивания:

  1. Высокая температура. При нагреве свыше 80 ⁰C магнит полностью утратит свою силу притяжения. Лишь некоторые модели обладают повышенной устойчивостью к температурным изменениям и выдерживают до 200 ⁰C.
  2. Сильные удары. Механические воздействия на магнит (удар, падение с высоты) лишают его своей ценности.
  3. Ошибки при резке и сверлении. Сильное давление при обработке магнита болгаркой может привести к потере характеристик.   
  4. Воздействие внешних факторов. При попадании в магнитное поле с индукцией около 3-4 Тесла можно размагнитить магнит.

Вернуть утерянные свойства получится только в условиях широкомасштабного производства с помощью промышленной намагничивающей установки.

Магнитная проницаемость

Опыты показывают, что магнитное поле, создаваемое одним и тем же источником, в вакууме и в веществе имеет неодинаковую индукцию. Это объясняется тем, что магнитное поле взаимодействует с движущимися зарядами, а любое вещество состоит из заряженных частиц, которые совершают хаотические температурные колебания. Когда возникает внешнее магнитное поле, на колеблющиеся частицы (элементарные токи) начинает действовать сила Лоренца, которая смещает их из положения равновесия.

Рис. 1. Элементарные токи в молекулах вещества.

Это приводит к тому, что в веществе возникает собственное магнитное поле, которое складывается с внешним, и результирующее магнитное поле в веществе отличается от внешнего.

Для характеристики изменения магнитного поля в веществе введена специальная безразмерная величина — магнитная проницаемость $\mu$. Для однородного магнитного поля:

$$\mu = {B\over B_0}$$

Строение вещества и магнетизм

Первая теория, объясняющая природу магнетизма через взаимосвязь электрических и магнитных явлений, создана французским физиком Ж.-М. Ампером в 20-х годах XIX века. В рамках этой теории Ампер предположил наличие в физических телах микроскопических замкнутых токов, обычно компенсирующих друг друга. Но у веществ, обладающих магнитными свойствами, такие «молекулярные токи» создают поверхностный ток, в результате чего материал становится постоянным магнитом. Эта гипотеза не нашла подтверждения, за исключением одной важнейшей идеи – о микротоках как источниках магнитных полей.

Микротоки в веществе действительно существуют благодаря движению электронов в атомах и создают магнитный момент. Кроме того, электроны имеют собственный магнитный момент квантовой природы.

Суммарный магнитный момент вещества, то есть совокупности элементарных токов в нем, в отношении к единице объема, определяет состояние намагниченности макроскопического тела. У большей части веществ моменты частиц ориентированы неупорядоченно (ведущую роль в этом играют тепловые хаотические колебания), и намагниченность практически равна нулю.

Магнитные термины

Постоянный магнит — изделие из магнитотвердого материала с высокой остаточной магнитной индукцией, сохраняющее состояние намагниченности в течение длительного времени.

Магнитная индукция — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства.

Магнитная сила «Br» – это способность намагниченных железных и металлических тел или магнитов притягивать другие железные намагниченные с противоположных знаком полярности тела. Измеряется в тестах (Тл) или гауссах (Гс).

Коэрцитивная сила «Hс» (от лат. coercitio «удерживание») – это значение напряжённости магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферро- или ферримагнитного вещества.

Максимальная энергия – «Bhmax». Рассчитывается путем умножения остаточной магнитной силы «Br» и коэрцитивности «Нс». Измеряется в МГсЭ (мегагауссэрстед).

Коэффициент температуры остаточной магнитной силы – «Тс» и «Br». Характеризует зависимость «Br» от температурного значения;

Tmax – наивысшее значение температуры, при достижении которого постоянные магниты утрачивают свойства с возможностью обратного восстановления;

Tcur – наивысшее значение температуры, когда магнитный материал безвозвратно утрачивает свойства. Этот показатель называется температурой «Кюри».

Как избавиться от подвижных контактов

Известна проблема создания бесконтактной синхронной машины. Традиционная ее конструкция с электромагнитным возбуждением от полюсов ротора с катушками предполагает подвод тока к ним через подвижные контакты – контактные кольца со щетками. Недостатки такого технического решения общеизвестны: это и трудности в обслуживании, и низкая надежность, и большие потери в подвижных контактах, особенно если речь идет о мощных турбо- и гидрогенераторах, в цепях возбуждения которых расходуется немалая электрическая мощность.

Если сделать такой генератор на постоянных магнитах, то проблема контакта сразу же уходит. Правда, появляется проблема надежного крепления магнитов на вращающемся роторе. Здесь может пригодиться опыт, накопленный в тракторостроении. Там уже давно применяется индукторный генератор на постоянных магнитах, расположенных в пазах ротора, залитых легкоплавким сплавом.