Как работает магнит

Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг него. Электроны могут вращаться по различным орбитам, которые называются электронными уровнями. Каждый электронный уровень может иметь два электрона, которые вращаются в разных направлениях.

Содержание

Любая заряженная частица в движении создает магнитное поле. Если таких частиц много и они движутся вокруг одной оси, получается магнит.

Если вы собираетесь спросить лауреата Нобелевской премии по физике, знаете ли вы, как работает магнит, постарайтесь сформулировать свой вопрос более четко, иначе вы сильно рискуете, предупредил я.

Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг него. Электроны могут вращаться по различным орбитам, которые называются электронными уровнями. Каждый электронный уровень может иметь два электрона, вращающихся в разных направлениях.

Но в некоторых веществах не все электроны спарены и несколько электронов вращаются в одном направлении, такие вещества называются ферромагнитами. А поскольку электрон – это просто заряженная частица, электроны, вращающиеся вокруг атома в одном направлении, создают магнитное поле. В результате получается миниатюрный электромагнит.

Если атомы вещества расположены в случайном порядке, как это чаще всего бывает, поля этих наномагнитов компенсируют друг друга. Но если эти магнитные поля направлены в одну сторону, они складываются – и получается магнит.

В 1884 году французский физик Пьер Кюри предположил, что существование таких частиц и веществ, которые будут намагничиваться под действием электрического поля, не противоречит известным законам. Американский инженер-электронщик Бернард Теллеген позже предложил создать композит – магнитоэлектрическую среду в виде суспензии, в которой плавали бы частицы, представляющие собой магниты, соединенные с кусочками электрета. Электрет – это вещество, которое может быть “заряжено” внешним электрическим полем и затем создает вокруг себя электрическое поле в течение длительного периода времени, например, лет, подобно тому, как магнит создает вокруг себя магнитное поле. Многие хорошие диэлектрики являются электретными, но материалы, сочетающие в себе свойства электрета и магнита, еще не найдены или не созданы. Хотя для них было придумано название – “магнитоэлектрики”.

Магнит чувствует электрическое поле

Куда бы вы ни посмотрели, везде есть магнит. В свое время студентам рассказывали только о компасе, позже – о промышленном применении, совсем недавно говорили о будущем поезде на магнитной подвеске. Хотя можно сказать, что каждый электродвигатель и каждый трансформатор – это электромагнит. Сегодня убедить читателя в важности магнитов стало проще: достаточно сказать, что у вас почти наверняка есть магнит в доме (на дверце холодильника и в микроволновой печи), в кармане (в мобильном телефоне), десятки магнитов в компьютере и в машине. В промышленности и медицине их слишком много, чтобы сосчитать, и физика частиц не обходится без них – они встречаются вокруг колец ускорителей и в большинстве детекторов частиц.

Существуют постоянные магниты и электромагниты. Постоянные имеют одно большое преимущество – они не потребляют энергию, и несколько недостатков – их поле нельзя регулировать (а если и можно, то медленно – оно движется механически), и оно не может быть очень сильным. Электромагниты свободны от этих недостатков, но у них есть один, которого нет у постоянных магнитов – они потребляют энергию, и много. Иногда говорят, что электромагниты со сверхпроводящими обмотками, как в Токамаке, решают эту проблему. Однако, во-первых, ни жидкий гелий, ни жидкий азот нельзя выловить из озера на Земле, а во-вторых, магнитное поле таких электромагнитов также трудно регулировать.

Возникает идея: скрестить электрическое и магнитное поля, найти вещество или создать материал, который, будучи помещенным в электрическое поле, становится магнитом, а в магнитном поле, наоборот, проявляет электрические свойства. Такие вещества рассматриваются в статье А.П. Пятакова и А.К. Звездина из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Института общей физики имени А.М. Прохорова.

Переменный постоянный магнит

Магнитные и электрические явления были известны с древних времен, но связывать их стали гораздо позже, после работ классиков электромагнетизма: Эрстед, Ампер, Фарадей, Максвелл. После Ампера магнитные свойства постоянных магнитов объяснялись “молекулярными” токами, протекающими внутри вещества в каждой молекуле. Хотя природа молекулярных токов долгое время оставалась неясной, сама возможность существования вечного движения заряда в веществе казалась многообещающей (такая возможность существует и в сверхпроводниках, но при низких температурах). Если бы на молекулярные токи можно было влиять электрическим полем, то можно было бы управлять постоянными магнитами практически без потери энергии.

Слева направоСлева направо: Пьер Кюри (1859-1906), Бернар Теллеген (1900-1990), Л. Д. Ландау (1908-1968) (правильно) и E. М. Лифшиц (1915-1985), И. Е. Дзялошинский (слева) и D. N. Астров, Георгий Радо, Г. А. Смоленский (1910-1986).

В 1884 году французский физик Пьер Кюри предположил, что существование молекул и веществ, которые намагничиваются электрическим полем, не противоречит известным законам. Американский инженер-электронщик Бернард Теллеген позже предложил создать композит – магнитоэлектрическую среду в виде суспензии, в которой плавали бы молекулы, представляющие собой магниты, соединенные с кусочками электрета. Электрет – это вещество, которое может быть “заряжено” внешним электрическим полем и затем создает вокруг себя электрическое поле в течение длительного периода времени, например, лет, подобно тому, как магнит создает вокруг себя магнитное поле. Многие хорошие диэлектрики являются электретными, но материалы, сочетающие в себе свойства электрета и магнита, еще не найдены или не созданы. Хотя для них было придумано название – “магнитоэлектрики”.

Дело пошло в гору, когда Л. Д. Ландау и Е. M. Лифшиц указал, что магнитоэлектрики следует искать среди антиферромагнетиков, то есть кристаллов, состоящих из противоположно намагниченных подрешеток (рис. 1). I. E. Дзялошинский в 1959 году назвал это конкретное соединение Cr₂O₃а через год магнитоэлектрический эффект в этом материале был открыт Д.Н. Астровым. За несколько лет до этого американские ученые из группы профессора Джорджа Радо пытались обнаружить магнитоэлектрические свойства у различных веществ, но поиски оказались бесплодными, поскольку они не были знакомы с работами Ландау, Лифшица и Дзялошинского – переводы книг и статей появились с опозданием. Узнав об открытии Астрова, они продемонстрировали на Кр₂O₃ электрическая поляризация, индуцированная магнитным полем.

Рисунок 1. Антиферромагнетизм. Идея антиферромагнитного упорядочения была предвосхищена в рисунках Мориса Эшера, таких как “День и ночь” (а), в соседних узлах кристаллической ячейки магнитные стрелки (моменты) ионов противоположно направлены (б)

В это же время в Ленинградском физико-техническом институте, в группе Г.А. Смоленский, искали магнитные ферроэлектрики. Обычный ферроэлектрик – это вещество, которое само по себе, без внешнего воздействия, создает электрическое поле как внутри, так и снаружи себя, то есть, в некотором смысле, электрический аналог постоянного магнита. Магнитный ферроэлектрик – это материал, в котором в отсутствие внешнего поля наблюдается как намагниченность, так и электрическая поляризация. Было предложено заменить ионы в уже известных ферроэлектриках магнитными элементами, и первый “ферроэлектрик” (или “мультиферроик”, как теперь называют эти материалы) был “соединением”, это был твердый раствор (1-x)Pb(Fe_2/3W_1/3)O₃ – xPb(Mg._1/2W_1/2)O₃.

Сегнетомагнетики и мультиферроики: концепции химеры

К моему несчастью.
Духи, которых я вызвал.
И. В. Гете, Ученик колдуна

Многие из известных нам слов имеют сходство с мифологической химерой – животным с головой льва, туловищем козы и хвостом змеи. Таким образом, слово “автобус” является комбинацией частей слов “автомобиль” и “омнибус”. (лат. “omnibus”). омнибус – для всех, для каждого). Аналогично, термин “ферромагнитный” состоит из двух слов: “ферромагнитный” и “ферроэлектрический”. Слово “ферромагнетик” происходит от первого вещества, которое, как было показано, проявляет поляризацию в отсутствие электрического поля (спонтанная электрическая поляризация), соли сегнетовой кислоты, названной в честь французского химика Сенье.Seignette). Но есть и другое чудо – вещества, в которых при понижении температуры кристалл, оставаясь цельным, распадается на домены – области с различной ориентацией кристаллической решетки (это называется структурным фазовым переходом). Итак, слово “сегнетомагнитный” уже является довольно странным гибридом, но термин “мультиферроичный” еще более “химерный”.

Химера из античной мифологии

В англоязычной научной литературе названия всех трех этих классов веществ начинаются с префикса “ferro”: ферромагнетики, ферроэластики, ферроэлектрикихотя они не имеют ничего общего с железом. Это не помешало японскому ученому Кейитиро Айдзу в середине прошлого века назвать все три класса общим терминомжелезоферроики. Похожая история в английском языке, где часть “omnibus” стала “bus”, а затем автобус стало самостоятельным словом, означающим не только шину, но и канал передачи данных.

В случае с ферроиками история продолжилась: в начале 1990-х годов из бутылки был выпущен новый джинн – термин “мультиферроик” (от лат. мульти – много) – термин для обозначения вещества, которое одновременно принадлежит как минимум к двум классам черных металлов. В начале нынешнего века, когда появились новые носители с магнитными и электрическими свойствами, это слово неожиданно получило признание и заменило “магнитомагнитный”, так что создатель неологизма, швейцарский ученый Ганс Шмид, говоря о придуманном им термине, вспоминает стихотворение Гете, фрагмент которого он цитирует в качестве эпиграфа.

Смешанные или многослойные?

Позже были открыты более простые соединения, и феррит висмута BiFeO₃ (рис. 2). Большинство его необычных свойств являются следствием отличий от идеальной кубической структуры. Вращение кислородных октаэдров (рис. 2a) означает, что в этом антиферромагнетизме магнитные стрелки соседних ионов уже не являются строго противоположными, образуя угол менее 180 градусов. В результате они не полностью компенсируются, и возникает общая намагниченность кристалла (такие материалы называются слабыми ферромагнетиками). Электрические и магнитоэлектрические свойства являются результатом движения ионов вдоль главной диагонали куба, а также искажения октаэдра (рис. 2b). Кристалл феррита висмута также может растягиваться под воздействием света (Рисунок 2c) и превращаться в полупроводниковый диод под воздействием электрического поля (Рисунок 2d). Последнее преобразование происходит за счет кислородных вакансий – заряженных дефектов, которые изменяют тип проводимости.

Рисунок 2. Кристаллическая структура феррита висмута: в центрах кубиков являются ионами железа, на пиках – ионы висмута, в центральной части – ионы кислорода: вращение кислородных октаэдров (а), смещение ионов вдоль диагонали куба и результирующее искажение октаэдров – показаны смещения ионов стрелки (б), электрострикция в феррите висмута – растяжение образца под действием светового излучения, под стоваттной лампочкой относительное удлинение составляет около одной тысячной процента, что не так уж мало для твердого тела (в), образование p-n-перехода под действием электрического поля в результате вытеснения кислородных вакансий (г)

Таких “высокотемпературных” магнитоэлектриков, как феррит висмута, очень мало, едва ли наберется десяток, и у них есть существенный недостаток – заметная проводимость при комнатной температуре. Это сводит на нет главное преимущество магнитоэлектрического метода создания магнитного поля – при наложении электрического поля в таком веществе начнет протекать ток, и, соответственно, расход энергии станет заметным. Поэтому в 1970-х годах были предприняты первые попытки получения искусственных композитных магнитоэлектрических носителей в виде смеси двух порошков (рис. 3a): магнитострикционные частицы изменяли форму в магнитном поле, взаимодействовали с пьезоэлектрическими частицами, которые в свою очередь деформировались и становились электрически поляризованными.

Идея была прекрасной, но эффект был небольшим и непостоянным. Смешивание приводило к образованию комков и сгустков, а образование каналов из проводящих магнитострикционных частиц приводило к “короткому замыканию” образца и, следовательно, к отсутствию электрического напряжения. Именно тогда возникла идея “слоеного пирога” или сэндвича из магнитострикционных и пьезоэлектрических материалов, склеенных вместе (рис. 3б). Теперь не образовывались проводящие каналы, а магнитоэлектрический эффект был в 50 раз больше, чем в Cr₂O₃. С помощью датчиков на многослойных структурах удалось измерить магнитные поля в миллион раз меньше земного, которые создает наше сердце, когда перекачивает кровь по кровеносным сосудам.

Когда структура влияет на свойства

Новый этап в развитии композитных материалов наступил с появлением современных технологий: искусственные магнитоэлектрики теперь изготавливаются на чипах в виде пленок с колоннами наноструктур (Рисунок 3c). Сэндвич-структуры в виде нанопленок работают плохо – их адгезия к подложке чипа не допускает свободной деформации, а колонны легко сжимаются и растягиваются в вертикальном направлении. Более того, такие структуры не нужно специально создавать, они “самоорганизуются” путем одновременного осаждения на подложку двух веществ: магнитострикционного, например, шпинели CoFe₂O₄и пьезоэлектрические, например, титанат бария BaTiO₃ или феррит висмута BiFeO₃. Изменяя кристаллографическую ориентацию подложки, можно выращивать как магнитострикционные столбики в пьезоэлектрической матрице, так и пьезоэлектрические столбики в магнитострикционной матрице (рис. 4).

Рисунок 4. Структура нанокомпозита зависит от кристаллографической ориентации плоскости подложки: подложка с ориентацией(001) (а), подложка с ориентацией (111) (б); кубы соответствуют пьезоэлектрическим кристаллам, а октаэдры – магнитострикционным кристаллам.

Что заставляет обе фазы выпадать в осадок таким образом? То же явление, которое заставляет каплю воды растворяться на прозрачном стекле и скатываться в шарик на покрытой воском поверхности – поверхностное натяжение. Если подложка разрезается перпендикулярно кристаллографическому направлению [001] (т.е. оси z Система координат), вещество магнитострикционного материала не смачивает поверхность, собираясь в капли, которые затем вырастают в столбики, в то время как пьезоэлектрическая фаза смачивает подложку и окружает столбики, образуя матрицу. На подложке (111) происходит обратное: столбчатая пьезоэлектрическая структура растет внутри магнитострикционной матрицы.

Когда характерные размеры наноструктур находятся на расстоянии нескольких межатомных расстояний друг от друга, составные фазы начинают влиять на внутреннюю структуру и свойства друг друга. Если слои титаната бария интерполированы магнитным материалом с аналогичной кристаллической структурой, например, манганатом лантана с кальциевым заместителем La_0.7Ca_0.3MnO₃мы получаем искусственную магнитоэлектрическую среду: кристаллические структуры обоих материалов взаимно деформируются из-за их близкого расположения, что приводит к взаимодействию электрической и магнитной подсистем. Другими словами, стало возможным не только создавать наноструктурированный материал, но и осуществлять инженерию на атомном уровне, изменяя свойства составляющих его веществ.

А как насчет оригинальной идеи Кюри о магнитоэлектрических молекулах? Он может быть реализован в органических молекулярных нанокластерах Dy₃в котором магнитными атомами являются три атома диспрозия, образующие правильный треугольник (рис. 5а). В самом низком энергетическом состоянии молекулы (основном состоянии) магнитные стрелки (моменты) ионов диспрозия ориентированы параллельно противоположным сторонам треугольника (рис. 5а). Если бы было больше магнитных ионов (как в недавно синтезированном Dy₆), они образуют “карусель” магнитных моментов (рис. 5b). Такой порядок называется “тороидальным”, поскольку круговой электромагнит может быть сформирован путем намотки провода на магнитопровод в форме пончика (тора). Структуры с тороидальным упорядочением, следуя традиции обозначать каждое упорядочение словом “ферро”, называются “ферротороидами”. Они обладают магнитоэлектрическим эффектом – приложение магнитного поля вызывает перераспределение магнитных моментов: количество ионов с магнитными моментами в магнитном поле увеличивается. Смещение магнитных ионов вызывает перераспределение заряда, так что возникает электрическая поляризация. Однако с равной вероятностью существуют состояния молекулы, в которых магнитные моменты направлены по часовой стрелке, и состояния с направлением моментов против часовой стрелки, и в этих случаях магнитоэлектрический эффект будет противоположным. Остается проблема, как получить тороидальные структуры с одним направлением вращения магнитных моментов.

Рисунок 5. Органический молекулярный нанокластер на основе редкоземельных ионов: взаимная ориентация магнитных моментов катионов диспрозия (а); при тороидальном упорядочении магнитных моментов во внешнем магнитном поле H, помимо намагниченности, возникает электрическая поляризация P (б); для сравнения, тороидальный электромагнит (в центре)

Вы не можете сделать память из монитора.

Идея Теллегена о композите, состоящем из магнитоэлектрических частиц, вращающихся в жидкости, была реализована в первой модели электронных чернил – гириконе (в переводе с греческого – “вращающееся изображение”). Гирикон представляет собой полимерную среду, в которую внедрены двухцветные сферические полиэтиленовые частицы, вращающиеся внутри жидких полостей (рис. 6). Полусферы частиц различались не только по цвету, но и по электрическому заряду. Это позволило ориентировать их под действием электрического поля, при этом черные буквы появлялись на белом фоне. Когда в частицы были добавлены магнитные примеси, электрическое поле управляло намагниченностью системы. Однако на его вращение уходило около секунды, поэтому возникла идея не “намагничивать” электронную бумагу, а использовать основной ингредиент в другом типе дисплеев – жидких кристаллах.

В нематических (в переводе с греческого “нить”) жидких кристаллах вытянутые молекулы расположены вдоль одного направления (рис. 7a). Жидкокристаллические мониторы работают благодаря свойствам нематических молекул, которые ориентируются вдоль поля (Рисунок 7b), но если в жидкий кристалл добавить магнитные нанооболочки, они будут вращаться вместе с молекулами. Это позволило создать управляемый электрическим полем магнитный материал, который гораздо быстрее реагировал на изменения в электрическом поле – частота переключения составляла порядка килогерца.

Рисунок 7. Жидкий кристалл с магнитными нанокристаллами: в отсутствие электрического напряжения (a), при включении напряжения (b)

Это быстрее, но гирические и жидкокристаллические ячейки ни по размеру, ни по скорости не могут конкурировать с полупроводниковыми компонентами микрочипов и поэтому не подходят для устройств магнитной памяти. Вместо жидкого кристалла в устройствах магнитной памяти было предложено поместить между электродами слой полупроводникового магнитоэлектрика, но из-за малого количества высокотемпературных магнитоэлектриков и больших токов утечки магнитоэлектрическая память еще далека от реализации.

Умная пыль” накапливает энергию

Миниатюризация электронных устройств – это путь вперед для беспроводных сенсорных сетей, состоящих из множества датчиков, способных собирать, обрабатывать и обмениваться информацией друг с другом. Такие структуры иногда называют “умной пылью”. Наиболее очевидными областями применения являются экологический и медицинский мониторинг и системы безопасности. Но датчикам нужно питание, и здесь возникает проблема: если датчик находится внутри объекта (например, во вращающейся детали или в теле человека), то проводного доступа к нему нет, батареи недостаточно малы и прочны, а солнечные батареи бесполезны в темноте.

Интересной альтернативой является сбор энергии – что является интересной альтернативой сбору энергии. Это могут быть системы, накапливающие энергию от механических факторов, изменения температуры или радиоволн, но поток энергии от природных источников невелик – менее 1 мкВт/см2 . Однако можно создать источник излучения, который создает переменное магнитное поле в месте установки датчика. Энергия магнитного поля может быть преобразована в электростатическую энергию для заряженных конденсаторов с помощью магнитоэлектрического элемента, который состоит из слоев магнитострикционных и пьезоэлектрических материалов, расположенных на общей металлической подложке в виде пластины, сужающейся к одному концу (рис. 8). Переменное магнитное поле вызывает периодическую деформацию магнитострикционной пластины на ее резонансной частоте. Эти механические колебания передаются на подложку и распространяются через нее, так что концентрация акустической энергии и амплитуда колебаний увеличиваются по мере приближения к узкому концу. Колебания подложки передаются на пьезоэлектрические пластины, и в них генерируется переменное электрическое напряжение. Структура представляет собой разновидность магнитоэлектрического композита, но акустический концентратор обеспечивает вдвое большее усиление, чем обычная многослойная структура, состоящая из комбинированных магнитных и пьезоэлектрических слоев.

Для питания имплантатов в медицине, автономных датчиков, коммуникационной и мобильной электроники лучше использовать механическое движение или вибрацию, например, вибрацию гибкой пластины (в современной микромеханике и нанотехнологиях их называют кантилеверами), изготовленной из пьезоэлектрического материала (рис. 9а). Когда кантилевер из композитного магнитоэлектрического материала колеблется в магнитном поле Земли, магнитострикционный слой испытывает дополнительную деформацию, которая передается на пьезоэлектрический слой, в результате чего возникает переменное напряжение с амплитудой до нескольких вольт. Такое устройство предлагается использовать на подводных лодках и буях, где постоянно присутствуют океанские волны и магнитное поле Земли.

На этом этапе следует сделать еще одно замечание: частоты колебаний, встречающихся в естественных условиях, малы – герцы, максимум десятки герц. Это означает, с одной стороны, малую мощность, производимую устройством (мощность пропорциональна кубу частоты), и, с другой стороны, совсем не микроскопические размеры устройств, способных колебаться на таких низких частотах. В результате зарядные устройства производят лишь микроватты на кубический сантиметр. Лучшие результаты можно ожидать для других типов колебательного движения: человеческое тело при ходьбе (пьезоэлектрические элементы в обуви (рис. 9b) уже передают до 1 мВт/см 3 ) и даже более высокие частоты вибраций автомобильного двигателя – до 30 мВт/см 3 . В любом случае, мы пока не говорим о замене батарей мобильных телефонов. Сбор энергии”Сбор энергии“Сам процесс сбора энергии напоминает хорошо известный процесс “выгребания и выскребания”, что объясняет, почему в таких случаях часто используется другой термин:”поглощение энергии» (удаление отходов – сжигание отходов).

Проблема взаимосвязи между магнитными и электрическими явлениями в твердых телах чрезвычайно многогранна, и в этой статье мы покажем лишь некоторые из них. В настоящее время эта область науки находится в стадии бурного развития, и многие неизвестные и неизвестные эффекты ждут своего открытия.

Сильные магниты, которые можно включать и выключать, используются на свалках для перемещения тяжелых металлических предметов. Эти магниты, называемые электромагнитами, работают за счет использования электрического тока для создания магнитного поля, когда он течет по проводу. Это явление называется электромагнетизмом. Многие машины, которые работают на предприятиях и в вашем доме, работают по этому принципу.

Как работает магнит?

Магнит содержит миллионы частиц, которые обладают небольшой магнитной силой. Эти частицы выстраиваются в определенном порядке и создают однонаправленную силу, которая может притягивать или отталкивать конкретные металлы, находящиеся в зоне действия магнита или магнитного поля.

Лишь немногие металлы, такие как железо, содержат магнитные частицы. В железе эти частицы легко располагаются в правильном порядке, образуя магнит. Если ударить по нему молотком, то “структура” магнитных частиц нарушается, и железо теряет свою магнитную силу, т.е. размагничивается.

Частицы внутри железного магнита
Размагниченные частицы
Гвозди, притягиваемые магнитом

Как работает магнит на свалке?

Мощные магниты, которые можно включать и выключать, используются на свалках для перемещения тяжелых металлических предметов. Эти магниты, называемые электромагнитами, работают путем пропускания электрического тока через провод и создания магнитного поля. Это явление называется электромагнетизмом. Тот же принцип используется во многих машинах на заводах и в вашем доме.

Чтобы сделать электромагнит, достаточно обмотать электрический провод вокруг прута легко намагничивающегося металла, например, железа. Когда через него проходит электрический ток, магнетизм металлического прута и проволоки, обернутой вокруг него, объединяются и создают сильное магнитное поле.

Поэтому, когда оператор магнита на свалке хочет поднять с земли кусок металла, он включает ток. Затем оператор приводит в движение подвешенный гигантский магнит и перемещает груз. Чтобы опустить груз, оператор отключает электричество, и кусок металла падает на землю.

Как работает электродвигатель?

Если катушку проволоки поместить в магнитное поле и пропустить через нее электрический ток, то магнитное поле, окружающее катушку, будет притягивать ее, заставляя вращаться. Вращательное движение катушки проволоки можно передать машине, т.е. запустить ее. Такое устройство называется электродвигателем. Электродвигатели используются во многих приборах, например, в электрическом вентиляторе или миксере.

Диамагнетизм проявляется во всех веществах, независимо от их атомной структуры и типа связи, т.е. в жидком, твердом и газообразном состояниях. Она возникает в тех веществах, в которых происходит полная компенсация как орбитальных, так и спиновых магнитных моментов.

Магнетизм и его практическое применение

Бесчисленные природные явления определяются магнитными силами. Современная наука достаточно глубоко проникла в суть магнитных явлений и открыла их основные закономерности.

Сегодня научные и технические приложения магнетизма настолько широки и разнообразны, что делают физику магнитных явлений одной из важнейших областей естествознания.

Магнитные свойства можно обнаружить во всем мире, от мельчайших элементарных частиц до бесконечных пространств, заполненных магнитными полями.

Что такое магнетизм

Магнетизм – это специфическая форма материального взаимодействия между движущимися заряженными частицами. В то время как электрические заряды являются источником электрического поля, электрический ток является источником магнитного поля.

Все вещества обладают магнитными свойствами, т.е. они все магнетики. Все вещества реагируют на внешнее магнитное поле: некоторые производят диамагнитный эффектдругие парамагнитный эффект.

В природе существуют различные поля: гравитационное, магнитное, электрическое и т.д., каждое из которых имеет характерные особенности. Поля недоступны нашему восприятию, но вид полей, полученный с помощью спектров полей, то есть изучение сил, действующих в поле, позволяет представить поле в виде потока.

Магнитный поток, в отличие от потоков других полей, всегда является замкнутым потоком. Вектор магнитного потока служит физической величиной, характеризующей интенсивность магнитного потока.

Единицей магнитного потока в СИ является вебер (Вб). Единицей магнитной индукции является индукция, при которой поток 1 Вб проходит через площадь 1 м 2 , перпендикулярную направлению магнитного потока. Эта единица измерения называется тесла (Tesla).

Графически магнитный поток является скалярной целочисленной величиной и изображается линиями, расположенными так, что во всех точках касательные к ним совпадают по направлению с векторами магнитной индукции.

Магнитные материалы

Название магнит происходит от места, где впервые была найдена железная руда с магнитными свойствами.

Магниты, представляющие собой куски магнитной железной руды, называются природными магнитами. Они способны притягивать к себе другие стальные предметы. Притянутые объекты приобретают способность намагничиваться. Такие магниты называются искусственными.

Отличительной особенностью магнита является то, что он притягивает другие предметы неравномерно по всей своей поверхности. Сила притяжения сильнее всего на концах магнита. Эти места называются полюсами магнита. Основным магнитным материалом является железо.

Неочищенное железо обладает наилучшими магнитными свойствами. Электротехническая (легированная) сталь также обладает хорошими магнитными свойствами. Поэтому он используется для производства магнитопроводов в трансформаторах и другом электрическом оборудовании и машинах.

В зависимости от процесса производства электротехническая сталь подразделяется на холоднокатаную и горячекатаную.

В качестве магнитных материалов также используются специальные магнитные сплавы.

Магнитное поле электрического тока

Когда в проводнике течет ток, в пространстве вокруг него создается магнитное поле, энергия которого действует на вещество. Чтобы охарактеризовать свойства магнитного поля, его действие выражают в терминах так называемых магнитных линий. Их направление соответствует направлению вращения буры, движущейся вдоль тока.

В отличие от электрических силовых линий, которые начинаются на одном электрическом заряде и заканчиваются на другом, магнитные линии замкнуты. Фактически, они распределены по всему проводнику. По мере увеличения тока магнитное поле становится сильнее. Чем ближе проводник, тем сильнее эффект магнитного поля.

Если проводник используется в виде спирали (соленоид, катушка), то при протекании по нему тока магнитное поле намного сильнее, чем в прямом проводнике. Чем больше витков имеет эта катушка и чем выше ток, тем сильнее магнитное поле.

В катушке магнитные поля отдельных витков складываются, образуя общее магнитное поле. Для этого в катушку вставляется железный сердечник, который намагничивается под действием магнитного поля катушки и значительно увеличивает магнитный поток.

Катушка из изолированного провода, в которой сердечник изготовлен из материала, хорошо проводящего магнитные линии, называется электромагнитом.

Большинство электромагнитов изготовлены из сердечников, которые быстро намагничиваются под действием относительно небольшого тока, но почти полностью размагничиваются при прекращении тока. Электромагнит начинает работать только тогда, когда через него проходит ток.

Электромагниты имеют самый широкий спектр практического применения. Они используются для индукции магнитного потока в электрических машинах, электромагнитных реле и т.д.

Подробнее о том, как работают магниты и электромагниты, читайте здесь:

Виды магнетизма

В зависимости от величины и знака восприимчивости все вещества делятся на диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные.

Диамагнетик имеют отрицательную магнитную восприимчивость, которая в большинстве случаев не зависит от напряженности поля. Во внешнем магнитном поле диамагнетики намагничиваются в направлении, противоположном направлению внешнего поля.

Диамагнетизм проявляется во всех веществах, независимо от их атомной структуры и типа связи, причем в жидком, твердом и газообразном состояниях. Она возникает в веществах, где происходит полная компенсация как орбитальных, так и спиновых магнитных моментов.

Существует ряд диамагнетиков с аномальным поведением; их восприимчивость намного больше, чем указано, и зависит от температуры. К таким веществам относятся сурьма, висмут, галлий и таллий. Из-за своей малости диамагнитный эффект относительно редко используется в технике.

Парамагнетизм Они обладают положительной магнитной восприимчивостью. К ним относятся большинство газов, щелочные металлы, многие соли на основе железа и ферромагниты при температуре выше точки Кюри.

Парамагнитный эффект возникает в веществах с нескомпенсированными магнитными моментами. Падающий магнитный момент парамагнетика равен нулю.

Внешнее магнитное поле создает результирующий магнитный момент, который совпадает с направлением поля. Для большинства парамагнетиков намагниченность зависит от температуры и уменьшается с ее увеличением (закон Кюри).

Разновидностью парамагнетизма является суперпарамагнетизмОбычно он наблюдается в мелкодисперсных осадках ферромагнитных частиц в матрице, таких как осадки суперпарамагнитных частиц в сплаве меди и железа (Cu+1%Fe). Кривые намагничивания суперпарамагнитов значительно изменяются с температурой.

Один из признаков ферромагниты являются высокая магнитная восприимчивость и ее сильная зависимость от напряженности магнитного поля.

Зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля неоднозначна, а гистерезис наблюдается при всех температурах ниже точки Кюри.

Даже в отсутствие внешнего магнитного поля отдельные ферромагнитные частицы (домены) самопроизвольно намагничиваются и обладают результирующим магнитным моментом. При приложении внешнего поля магнитные моменты доменов ориентируются в направлении поля, и ферромагнитное вещество намагничивается.

Среди чистых химических элементов ферромагнитными свойствами обладают металлы 3d группы (железо, кобальт, никель) и металлы 4f группы (гадолиний, диспрозий, тербий, гольмий, эрбий, тулий). Существует практически неограниченное количество ферромагнитных материалов, в основном это металлы и их сплавы.

Существует группа материалов под названием антиферромагнетики .. Антиферромагнитный эффект заключается в том, что в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты одинаковых соседних атомов меняются местами, так что результирующий магнитный момент домена равен нулю.

Магнитное расположение сохраняется до температуры, называемой точкой Нееля. Выше этой температуры вещество переходит в парамагнитное состояние. При приложении внешнего поля магнитные моменты атомов ориентируются в соответствии с направлением поля, и антиферромагнитное вещество становится намагниченным.

К антиферромагнитам относятся чистые металлы: хром и марганец, редкоземельные металлы (церий, празеодим, самарий, неодим, европий).

Материалы с некомпенсированным антиферромагнетизмом называются ферримагнетики. При температуре выше точки Кюри для ферромагнетиков и точки Нееля для антиферромагнетиков атомное магнитное упорядочение меняется на противоположное, и материал переходит в парамагнитное состояние.

Ферромагниты получили свое название от ферритов первой группы – нескомпенсированных антиферромагнетиков. К ним относятся соединения оксида железа Fe₂O₃ с оксидами других металлов, например, с соединениями формулы MeOxFe₂О₃где Me – металл (железо, никель, марганец, цинк, кобальт, медь, магний и т.д.).

Ферромагниты характеризуются такой же зависимостью намагниченности от напряженности магнитного поля, как и ферромагнетики.

Подробнее о диамагнетике:

Подробная информация о ферромагнитах:

Применение магнетизма

Универсальность магнетизма открыла широкий спектр применения в науке и технике. Первая – это использование магнитных материалов в различных технических областях (энергетика, электроника, автоматизация и т.д.). Во-вторых, используя информационный аспект магнетизма и измеряя магнитные свойства, можно получить подробную информацию о физических свойствах веществ и их химическом составе.

Использование методов и средств магнитных измерений составляет основу методов структурного анализа, магнитной дефектоскопии и обнаружения дефектов, важнейших неразрушающих методов контроля качества промышленной продукции, которые широко применяются в технике.

Производство конструкционных и электротехнических сталей, низкокоэрцитивных сплавов со специальными свойствами (без гистерезиса, с прямоугольными петлями герезиса и т.д.), а также магнитных материалов с высокой коэрцитивной силой постоянно растет.

Все чаще используются миниатюрные магнитопроводы и цепи, энергоемкие постоянные магниты и магнитные пленки. Сегодня трудно найти отрасль, в которой не используются магнитные системы, в том числе системы с постоянными магнитами.

Поэтому контроль качества магнитных материалов и магнитных изделий, измерение параметров магнитного поля и испытания ферромагнитных материалов и магнитных систем в лабораториях и на производстве становятся важными задачами.

В последние годы достигнуты значительные результаты в развитии автоматического магнитного измерительного оборудования. Использование унифицированных блоков, узлов и микропроцессоров, серийно выпускаемых промышленностью, значительно ускоряет процесс создания магнитоизмерительных систем и комплексов, обеспечивая автоматическое управление процессом перемагничивания, измерение и обработку результатов с высокой точностью и эффективностью.

Методы неразрушающего контроля ферромагнитных материалов

В настоящее время контроль качества ферромагнитных изделий с использованием методов неразрушающего контроля охватывает многие отрасли промышленности. Широко используются железнодорожные рельсы, проверяются сварные швы различных изделий, детали машин и механизмов в процессе их производства.

Неразрушающий контроль ферромагнитных материалов использует магнитные и вихретоковые методы для оценки структурного состояния деталей во время термообработки, обнаружения повреждений во время эксплуатации и определения развития трещин, возникающих в деталях, подвергающихся высоким нагрузкам.

Неразрушающий контроль обеспечивает запас прочности машин и оборудования и снижает материалоемкость машин и оборудования. Подробнее читайте здесь: Магнитная дефектоскопия

Применение ферромагнитных материалов в электрооборудовании

Наиболее распространенным компонентом ферромагнитных материалов является железо. Поэтому естественно стремление использовать его как можно больше, но получить железо без примесей практически невозможно.

Наиболее распространенное применение – технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь). Он используется для изготовления сердечников электромагнитов постоянного и переменного тока, полюсов, магнитопроводов, реле и многих других устройств, работающих в постоянных и низкочастотных магнитных полях.

Использование низкоуглеродистой стали для высокочастотных переменных полей ограничено из-за ее низкого удельного сопротивления, что приводит к высоким потерям на вихревые токи.

При производстве магнитопроводов для асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт основными требованиями к магнитным материалам являются высокая проницаемость, низкая коэрцитивная сила и как можно более высокое значение индукции насыщения.

Низкоуглеродистая сталь для этих целей выпускается в горячекатаном и холоднокатаном виде. Механические напряжения, возникающие при механической обработке материала, значительно ухудшают его магнитные свойства. Внутренние напряжения, возникающие после механической обработки, снимаются отжигом при температуре 725-1000 °C.

Если требуются особо высокие магнитные свойства, термообработка проводится в вакууме при высокой температуре. Для получения материалов с высоким электрическим сопротивлением и высокой магнитной проницаемостью при индукции 1,2-1,7 Тесла железо легируют кремнием (от 0,5 до 4%).

Такая электротехническая сталь широко используется при производстве магнитопроводов для электрических машин, силовых трансформаторов и распределительных устройств силовых цепей.

Сегодня холоднокатаные стали вытесняют горячекатаные. Это объясняется более высокими магнитными свойствами первого.

Кроме того, более гладкая поверхность холоднокатаных сталей позволяет увеличить коэффициент заполнения объема на 20-30% по сравнению с горячекатаными сталями, а их более высокая стоимость компенсируется значительным снижением потерь и, в конечном итоге, веса готового изделия.

Другие требования предъявляются к материалам для магнитных цепей электрооборудования, работающего на более высоких частотах (вплоть до субмегагерцовых). Эти материалы должны обладать высоким электрическим сопротивлением. Наиболее распространенными материалами являются никель-цинк, марганец-цинк, ферриты и магнитодиэлектрики.

Как правило, параметрами, определяющими выбор ферритов и магнитодиэлектриков для этих применений, являются начальная магнитная проницаемость, диэлектрическая проницаемость и удельное электрическое сопротивление.

Сегодня на смену магнитодиэлектрикам приходят ферриты, обладающие лучшими магнитными свойствами, но худшей стабильностью и чувствительностью к внешним воздействиям.

Повышенная стабильность ферритов и их меньшая чувствительность к внешним воздействиям (температура, время, подмагничивание) ведут к еще более широкому применению.

Применение ферромагнитных материалов:

Ферромагнитные материалы для специальных применений

В измерительной, электронной и коммуникационной технике часто требуются материалы с постоянной магнитной проницаемостью в определенном диапазоне напряженности магнитного поля (сердечники катушек с постоянной индуктивностью, дроссели фильтров, измерительные трансформаторы и т.д.) Здесь широко используются пермины, изопермы.

Для построения магнитных цепей магнитоэлектрических устройств, микрофонов и т.д. широко используются перминдастеры с индукцией насыщения 2,5 Тесла. Этот материал также используется для магнитопроводов электромагнитов, силовых трансформаторов, сердечников роторов и статоров электрических машин.

Магнитные материалы широко используются для экранирования оборудования от внешних магнитных полей. Существует два типа экранирования: магнитостатическое и электромагнитное.

В первом случае экранируемый объект окружен кожухом из материала с высокой магнитной проницаемостью, через который проходят линии потока внешнего постоянного или медленно меняющегося магнитного поля.

Электромагнитное экранирование основано на эффекте смещения линий потока внешнего переменного поля магнитным полем вихревых токов, индуцированных в высокопроводящем корпусе. При увеличении частоты внешних интерференционных полей магнитостатический эффект экранирования уменьшается, а электромагнитный эффект экранирования увеличивается.

Магнитные материалы с высокой проницаемостью, низкой коэрцитивной силой и низким электрическим сопротивлением используются для электромагнитного экранирования, например, пермаллой 79HM. Иногда используется легированная или обычная сталь 50H.

Подробнее об электромагнитном экранировании читайте здесь:

Магнитострикционные материалы широко используются в технологиях звуковых и ультразвуковых частот. Эти материалы должны иметь максимально возможный коэффициент магнитного потока при минимально возможной напряженности магнитного поля.

Сплавы на основе платины и кобальта обладают наилучшими свойствами в этом отношении, но их техническое применение ограничено высокой стоимостью. Сегодня основными материалами, используемыми в этой области, являются металлические и, в меньшей степени, ферритовые материалы.

Вы могли заметить, что материалы, из которых сделаны хорошие магниты, также способны притягивать сами магниты. Это происходит потому, что магниты притягивают материалы с неспаренными электронами, которые вращаются в том же направлении. Другими словами, характеристика, которая делает металл магнитом, также притягивает металл к магнитам. Многие другие элементы являются диамагнитными – они состоят из неспаренных атомов, которые создают магнитное поле, слегка отталкивающее магнит. Некоторые материалы вообще не взаимодействуют с магнитами.

Измерение магнитного поля

Магнитное поле можно измерить с помощью специальных приборов, таких как флюксметр. Его можно описать несколькими способами: — Магнитные силовые линии измеряются в единицах Вебера (WB). В электромагнитных системах этот поток сравнивается с током.

— Напряженность поля, или плотность потока, измеряется в Теслах (Т) или в единицах Гаусса (Hs). Один Тесла равен 10 000 гаусс.

Напряженность поля также может быть измерена в веберах на квадратный метр. — Величина магнитного поля измеряется в амперах на метр или эрштейнах.

Формирование постоянного магнита

Магнитный эффект

Теперь очевидно, что это не вопрос чудес, а скорее более чем уникальная особенность внутренней работы электронных систем, из которых состоят магниты. Электрон, который постоянно вращается вокруг атома, создает именно такое магнитное поле. Микроатомы взаимодействуют магнитно и находятся в полном равновесии, но магниты взаимодействуют с некоторыми металлами, притягивая их, например, с железом, никелем и кобальтом.
Эти металлы также называют ферромагнитами. Атомы в непосредственной близости от магнита немедленно начинают перестраиваться и образовывать магнитные полюса. Атомные магнитные поля существуют в упорядоченном расположении, также называемом доменами. В этом характерном расположении есть два полюса напротив друг друга – северный и южный.

Читайте далее: