Урок 9: Часть 1: Электромагнетизм - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Ручка ложки была направлена на юг. Это был северный полюс ложки магнита.

Содержание

Электромагнитные явления. Часть 1

Китайцы, как и греки, также отмечали любопытное свойство некоторых минералов притягивать к себе предметы, содержащие железо. Китайцы связывают слово “притягивать” со словами “приверженность” и “любовь”, поэтому они назвали такие минералы “чу-ши”, что означает “любящий камень”. Поскольку эти минералы были созданы природой и человек не мог повлиять на естественное действие камней, их стали называть постоянными магнитами.

Теперь мы знаем, почему природный магнитный минерал железный камень (магнетит) так интересен. Это довольно хрупкий черный минерал с плотностью около 5000 кг/м3 .

Старые люди приписывали магнитному железняку свойство “живой души”. По их словам, минерал притягивался к железу, как собака к куску мяса. Ученые объясняют отношение древних к природным явлениям их незнанием физики.

На самом деле речь идет об особом виде материи – поле.

Именно магнитное поле притягивает железные предметы к постоянному магниту, как, например, маленькие гвозди или пуговицы притягиваются к магниту даже не касаясь его, но на определенном расстоянии.

Магнетит (природный магнитный железный камень) не обладает сильными притягивающими свойствами. На его основе были созданы искусственные магниты с более сильным магнитным полем. В качестве материалов используются такие металлы, как кобальт, никель и, конечно же, железо. Такие металлы способны намагничиваться под воздействием магнитного поля, а затем сами по себе становятся магнитами.

Различные формы искусственных магнитов. Источник

Независимо от формы магнита, существуют области, обладающие наиболее сильными магнитными свойствами. Эти области называются магнитными полюсами. Каждый магнит, даже самый маленький, имеет два полюса. Современные технологии позволяют намагничивать металлические предметы так, что они имеют как 4, так и 6 полюсов.

Вы можете выяснить, как железные опилки по-разному притягиваются к магниту, проведя простой эксперимент со школьным магнитом в форме бантика. Просто поднесите магнит к опилкам, и опилки тут же “прилипнут” к нему:

Полюсами такого магнита будут края дуги, где скопилось больше всего железных опилок.

Полосовой магнит в форме параллелограммного прямоугольника имеет полюса, разнесенные друг от друга. Чем ближе к центру, тем ниже магнитные свойства.

Теоретически, при идеальной намагниченности и идеальном магните оба полюса имеют одинаковую силу.
Но это только в теории. В нашей практике мы измерили тысячи различных магнитов. Всегда один полюс был на несколько процентов сильнее другого. Иногда это был северный полюс, иногда – южный.

Часто задаваемые вопросы о постоянных магнитах

Для остановки счетчиков используются неодимовые магниты (но это незаконно и не рекомендуется).

Как распознать полюса магнитов?

Невозможно визуально определить полюс магнита.
Существует несколько простых методов, которые можно использовать для определения северного и южного полюсов магнитов.
Самый простой метод – использовать другой магнит с одним из полюсов, уже отмеченным (например, северным).
Северный полюс помеченного магнита будет притягиваться к южному полюсу проверяемого магнита. Если северный полюс отталкивается от испытуемого магнита, то испытуемый магнит также обращен северным полюсом к помеченному магниту.
Если у вас под рукой есть компас, стрелка компаса, указывающая на север Земли, будет притягиваться к южному полюсу магнита.
Используйте тесламетр.
Если поднести щуп тесламетра вплотную к магниту, на циферблате появится буква N или S. Буква N означает, что вы измеряете северный полюс магнита.
По вашему желанию мы помечаем магниты синей (север) и красной (юг) точкой.

Какой полюс магнита сильнее?

Какой самый сильный тип магнита?

Неодимовые магниты, а точнее магниты неодим-железо-бор (Nd-FeB), являются самыми сильными постоянными магнитами в мире.

Как можно заблокировать распространение магнитного поля магнита?

Магнитное поле магнита невозможно заблокировать. Его можно только перенаправить. Для этого используются материалы, которые являются ферромагнитными (притягиваются магнитом) – железо, сталь (которая содержит железо), кобальт и никель.
Например, если магниты отправляются воздушным транспортом, то контейнер (упаковка или ящики) дополнительно выстилается оловом (ферромагнитный материал). Олово шунтирует магнитное поле – т.е. проводит магнитное поле через себя и не позволяет магнитному полю распространяться.
Чем сильнее магнит, тем толще должен быть материал шунта.

Можете ли вы разрезать, распилить, разделить магнит на два полюса?

Вы можете разрезать магнит пополам… Но две половинки магнита “намагнитятся” и образуют два полюса друг над другом. Поэтому вы можете разрезать магнит, измельчить его до мельчайших частиц, но вы не сможете получить однополюсный магнит.

Существуют ли однополюсные магниты?

В магните всегда имеется только парное число полюсов – северный и южный (N и S) или северный и южный (N и S).
По крайней мере, таков современный взгляд на науку и технику.
Не существует магнита с одним полюсом. Пара всегда найдется!
Магнит может иметь один, два, три и т.д. полюса N. Но всегда будет одинаковое количество полюсов S.

Если склеить два магнита вместе, будут ли свойства склеенной сборки такими же, как у одного постоянного магнита?

Да, система с двумя (или более) магнитами будет вести себя почти так же, как один постоянный магнит тех же размеров.
Например, предел прочности на разрыв из трех соединенных неодимовых магнитов D45x15 мм в одном блоке (размер D45x45 мм) всего на 1,1-1,5% ниже z прочность на разрыв цельного неодимового магнитаD45x45 мм.
Усилие вытаскивания стального листа 100x100x15 мм (St3) тремя магнитами D45x15 мм NdFeB, приклеенными к одному блоку (D45x45 мм) на расстоянии 15 мм, всего на 0,8-1,1% меньше, чем сила сцепления только на 0,8-1,1% меньше z сила притяжения постоянного магнита NdFeBD45x45 мм при тех же условиях.
Подробнее об этом вы можете прочитать в моей статье “Сравнение магнитных характеристик цельного магнита и склеенного магнитного блока”.

Как влияет толщина магнита на его магнитные свойства?

Магниты с разной толщиной (h) имеют разные магнитные характеристики при одинаковом размере полюса.
Если сравнить магниты NdFeB одинаковой ширины и длины, но отличающиеся только толщиной, то разница в магнитных характеристиках будет следующей:
Прочность магнита на разрыв:
– для магнита толщиной 1h – 100%
– для магнита толщиной 2h между 145% и 150%.
– Для магнита с толщиной 3h между 165% и 170%.
Магнитная сила на расстоянии h
– для магнита толщиной 1h – 100%
– для 2ч магнита – в пределах 195 – 198%.
– для магнита с толщиной 3h – в диапазоне 248-255%.
Как видно из представленных данных, увеличение толщины магнита желательно для того, чтобы увеличить силу магнита (магнитной системы).
Подробнее об этом вы можете прочитать в моей статье “Как толщина магнита влияет на его магнитные характеристики”.

Скачать https://ukrms.com.uaЧто такое магнит?
Магнит – это объект, обладающий собственным магнитным полем. Они бывают трех видов: постоянные электромагниты, кратковременные электромагниты и электромагниты.

Почему у магнита всегда два полюса?

Хотя свойства магнита известны человечеству уже давно, некоторые из них могут показаться весьма загадочными. Почти каждый ученик знает, что магнит притягивает металлические предметы и имеет два полюса.

Магнит в форме подковы, изготовленный из альнико – сплава железа, алюминия, никеля и кобальта и стали. Магниты изготавливаются в форме подковы, чтобы сблизить полюса и создать сильное магнитное поле, с помощью которого можно поднимать большие куски железа.

Но вопрос: “Что произойдет, если разделить магнит на части и, что особенно важно, почему?”. – даже взрослый человек затруднился бы ответить. Однако ученые уже давно нашли ответ на этот вопрос.

Что такое магнит?
Магнит – это объект, обладающий собственным магнитным полем. Они бывают трех видов: постоянные электромагниты, кратковременные электромагниты и электромагниты.

Последние обладают магнитным полем и свойствами магнита только тогда, когда через них протекает ток. Временные магниты становятся магнитами только при воздействии сильного магнитного поля. Постоянные магниты – это предметы, которые сохраняют свой остаточный магнетизм даже при отключении от внешнего магнитного поля, а также встречающийся в природе минерал магнетит.

Легенда гласит, что этот минерал был назван в честь греческого пастуха Магнуса. Он обнаружил, что странный черный камень притягивает его сандалии с воткнутыми в них металлическими гвоздями. Хотя возможно, что магнетит был назван так из-за города, где он был обнаружен – Магнезии.

Эрнест Борд (1877 1934) Уильям Гильберт демонстрировал магнит королеве Елизавете I в 1598 году.

Впервые магнит был научно изучен в 13 веке французским физиком Питером Перегинусом. Он включил свои выводы в “Книгу о магните”, где описал наличие двух полюсов и невозможность их разделения путем разрушения магнита.

Так, уже в 1269 году было известно, что магнит нельзя разделить на два независимых полюса. В чем причина этого?

Природа магнита
Чтобы понять, почему в любом магните неизменно присутствуют два полюса, важно понять, почему один материал является магнитным, а другой – нет. Или почему один металл притягивается к магниту, а другой – нет.

Как известно, любое вещество состоит в основном из атомов, ядра которых вращаются вокруг электронов. Вращаясь вокруг собственной оси (спин), подобно волчкам, электроны создают вокруг себя микроскопические магнитные поля. Следовательно, электрон является своего рода микромагнитом.

В то же время электрон также кружит вокруг атома, создавая магнитное поле. Исходя из этого, каждый атом также обладает магнитными свойствами.

Но большинство материалов (стекло, резина) содержат атомы, магнитные поля которых направлены хаотично и поэтому отменяют друг друга. Такие объекты не обладают магнитными свойствами и не могут притягиваться.

Но некоторые атомы металлов объединены в группы, называемые доменами. В каждом из них магнитные поля атомов направлены строго в одну сторону. Таким образом, домен представляет собой уменьшенную модель магнита, имеющую свои преимущества.

Линейный рисунок магнитного поля, полученного с помощью железных опилок.

Когда вблизи такого металлического объекта нет магнитного поля, домены ориентированы в разных направлениях и поэтому ослабляют друг друга. Однако если они могут быть ориентированы в одном направлении, материал начинает “действовать” как магнит.

Природные магниты устроены так, что магнитные поля их атомов всегда находятся в упорядоченном состоянии. И все домены указывают в одном направлении. Направление магнитного поля каждого домена – с севера на юг.

Это создает два полюса в большом магните. И если вы разделите его, меньшие магниты (домены) внутри него все равно будут иметь все те же направления и все те же полюса.

Поэтому, как бы ни был разделен магнит, он все равно будет состоять из маленьких магнитов, имеющих два полюса. Это означает, что микротоки внутри большой и малой частей магнита всегда сохраняют свое направление и при разделении образуют новые магниты.

Как между двумя электронами существует отталкивающая сила, а между электроном и протоном – притягивающая сила, так и между двумя северными магнитными полюсами существует отталкивающая сила, а между северным и южным полюсами – притягивающая сила.

Что такое магнитные полюса и в чем разница между северным и южным магнитными полюсами?

Магнитный полюс – это полезное понятие в теории магнитного поля, аналогичное понятию электрического заряда. Определения север и юг по отношению к таким полюсам в рамках этой аналогии соответствуют определениям заряда как положительные и отрицательные..

Как между двумя электронами существует отталкивающая сила, а между электроном и протоном – притягивающая сила, так и между двумя северным и южным магнитными полюсами существует отталкивающая сила, а между северным и южным полюсами – притягивающая сила.

Магнитные поля могут быть описаны линии магнитного потока, или силовые линии. Эта концепция связана с гипотетическим поведением одного северного полюса, движущегося во внешнем магнитном поле.

Если бы такой полюс существовал, то при определенных условиях он стремился бы двигаться в направлении поля в каждой точке пространства и описывал бы траектории, называемые линиями силы. Южный полюс объекта движется вдоль линий силы в направлении, противоположном направлению движения северного полюса объекта.

Движение единичного полюса вдоль линии силы является следствием кулоновской силы, при этом влияние одного из двух единичных полюсов заменяется влиянием эквивалентного магнитного поля.

Сила, действующая на отдельный полюс, является результатом взаимодействия его собственного локального поля с полем, существующим в окружающем пространстве.

Хотя интенсивность этого внешнего поля ощущается отдельным полюсом, местоположение источника внешнего поля не обязательно знать, если рассматривать только силу, действующую на отдельный полюс.

Внешнее поле просто действует на полюс в данной точке пространства. Интенсивность реакции единичного полюса на внешнее поле определяет количественную меру, по которой оценивается сила этого внешнего поля.

Таким образом, и электрическое, и магнитное поля могут быть представлены в общем виде линиями поля. Единичные электрические заряды стремятся двигаться вдоль линий электрического поля, и единичные магнитные полюса перемещаются вдоль линий магнитного поля. Однако между этими двумя типами линий поля существует принципиальная разница.

В частности, существует два типа электрически заряженных частиц, положительные и отрицательные, и частицы каждого типа выступают в качестве источников электрического потока.

Если в пространстве присутствуют оба типа частиц, то линии электрических сил начинаются у частиц одного типа и заканчиваются у частиц другого типа. В этих условиях каждая линия электрического поля имеет начало, конец и направление.

Если присутствуют электрически заряженные частицы только одного вида, то линии электрического поля простираются между этими частицами до бесконечности. В этом случае каждая линия силы имеет начало и направление, но не имеет конца.

Линии магнитного поля, в отличие от линий электрического поля, хотя и имеют направление, не имеют ни начала, ни конца. Линии магнитного поля всегда непрерывны. Следовательно, не может существовать единичный магнитный полюс в виде частицы, аналогичной единичному заряду, представленному электроном или протоном.

Хотя понятия северного и южного магнитных полюсов полезны для количественного описания магнитных полей, такие частицы не могут существовать в природе. Тем не менее, магнитные силовые линии могут выходить из одного конца тела и входить в другой конец. В таких случаях говорят, что тело магнитно поляризовано..

Аналогично, тело электрически поляризовано, если линии электрической силы выходят из одного конца тела и входят в другой конец.

При электрической поляризации линия электрического поля начинается в точке внутри поляризованного тела. Конец линии поля закрепляется за конкретным электроном или конкретным протоном. В отличие от этого, в случае магнитной поляризации линия магнитного поля просто проходит через тело, и в теле нет точек, где она начинается или заканчивается.

В качестве примера рассмотрим магнитное поле, окружающее стержневой магнит. Это поле имеет наибольшую напряженность на обоих концах полосы.

На первый взгляд, это может означать, что внутри бруса на его концах есть источники магнитного поля – северный полюс на одном конце и южный полюс на другом.

Однако это только при взгляде со стороны, поскольку в действительности поле имеет наибольшую интенсивность в центральной части металлического стержня, а не на его концах. Так вот магнитные полюса характеризуют точки входа и выхода линий поля, а не точки их начала и конца.

Названия север и юг возникли на основе исторических ассоциаций. Магнитное поле глобуса ориентировано таким образом, что его полюса физически находятся в непосредственной близости от географических полюсов.

На самом деле, игла компаса во многих точках Земли указывает направление на географический Северный полюс. В сознании многих людей эти два совершенно разных понятия (географический и магнитный полюса) слились воедино.

Даже при принятом соглашении о северном и южном полюсах, все еще существует некоторая путаница относительно необходимости различать северный полюс, который является истинным северным полюсом магнита, и южный магнитный полюс, который имел бы те же свойства, что и географический северный полюс, если бы физически существовал один полюс.

Короче говоря, хотя тело может быть поляризовано таким образом, что магнитные силовые линии выходят из одного его конца и входят в другой, не существует такого понятия, как магнитный монополь.

Давайте проведем эксперимент с дугообразный постоянный магнит, показан слева. Положите его в коробку с железными опилками, слегка встряхните и выньте. Мы видим, что опилки прилипли не ко всей поверхности магнита, а только к нескольким местам, где магнитное взаимодействие наиболее сильное. Они называются полюса магнита.

10-в. Постоянные магниты

Давайте проведем эксперимент с постоянный магнит в форме дуги показан слева. Положите его в коробку с железными опилками, слегка встряхните и выньте. Видно, что опилки прилипли не ко всей поверхности магнита, а только к нескольким местам, где магнитное взаимодействие наиболее сильное. Они называются полюса магнита.

Магнитные полюса бывают двух видов: северные (N) и южные (S). Чтобы выяснить, откуда берутся эти названия, давайте проведем эксперимент. Повесить полосовой магнит на веревке, чтобы он мог свободно раскачиваться. Когда магнит перестает качаться, он обязательно выравнивается так, чтобы один из его полюсов указывал на север от горизонта, а другой – на юг.

Все магниты связаны между собой взаимодействием: их …их одинаковые полюса… …отталкивать и… их противоположные полюса – привлекают. Взгляните на рисунок. Две магнитные стрелки на заостренных концах полюсов должны вращаться противоположно друг другу.

Можно изготовить постоянный магнит с несколькими южными и несколькими северными полюсами. Таким образом можно намагнитить, например, длинную стальную проволоку или пластину. Однако невозможно сделать магнит только с одним полюсом.

Теперь установим линии магнитного поля постоянного магнита. Давайте проведем эксперимент. Положите два полосовых магнита на стол и накройте их стаканом, на который высыпано немного железных опилок (см. фотографии).

На рисунках “d” и “f” показано расположение линий поля двух одноименных магнитных полюсов, а на рисунке “e” – полюсов с разными названиями. Причем это могут быть как полюса одного и того же магнита (например, дугообразного магнита), так и полюса двух разных магнитов.

Наша планета также является постоянным магнитом. Южный магнитный полюс Земли находится вблизи северных границ Канады, на 82° с.ш. и 114° з.д. Северный магнитный полюс находится рядом с географическим южным полюсом на краю Антарктиды на 63° южной широты и 138° восточной долготы.

Из этих координат следует, что Магнитные полюса Земли не совпадают с ее географическими полюсами. Поэтому стрелка каждого компаса указывает не точно на север, а только приблизительно.

Известно, что Солнце постоянно выбрасывает потоки быстрых заряженных частиц: протонов, электронов и т.д. (“солнечный ветер”). (“солнечный ветер”). (“солнечный ветер”). Они летят во всех направлениях, в том числе и в сторону Земли. Магнитное поле Земли взаимодействует с этими потоками частиц, отклоняя их в сторону магнитных полюсов планеты. Там они попадают в верхние слои атмосферы, что вызывает их ионизацию и свечение. Именно это и порождает эти прекрасные явления. Авроры.

Подковообразный магнит это магнит, выполненный в форме подковы или буквы U, которая стала самым узнаваемым символом магнитов. Он был изобретен Уильямом Стердженом в 1825 году. Этот тип магнита может быть постоянным или электромагнитным. Основное преимущество подковообразного магнита перед другими типами магнитов заключается в том, что магнитные полюса расположены близко друг к другу, создавая гораздо более сильное магнитное поле.

Форма

Форма магнита была первоначально создана как замена стержневому магниту, поскольку она делает магнит сильнее. Со временем он стал универсальным символом для всех магнитов. Подковообразный магнит сильнее, потому что два полюса магнита расположены ближе друг к другу и в одной плоскости, что позволяет линиям магнитного потока следовать по более прямому пути между полюсами и концентрировать магнитное поле.

Форма подковообразного магнита также значительно уменьшает его размагничивание со временем. Это происходит благодаря коэрцитивной силе, также известной как “намагничивающая сила” этого магнита. Коэрцитивная сила слабее в форме диска или кольца, немного сильнее в форме цилиндра или стержня и сильнее всего в форме подковы. Для увеличения коэрцитивной силы подковообразных магнитов используются стальные держатели или подставки для магнитов. Магнитное поле сохраняет свою силу лучше всего, когда все магнитное поле пропускается через ферромагнитное вещество, а не через воздух. Близкое расположение полюсов подковообразного магнита делает эти магнитные держатели более удобными в использовании, чем другие типы магнитов.

Подковообразный магнит из железного сплава AlNiCo. Прикрепленный железный прут является держателем магнита, который предотвращает размагничивание.

Магнитное поле подковообразного магнита. Поле наибольшее там, где линии наиболее плотные, вокруг полюсов (внизу)

Подковообразный альниковый магнит, использовавшийся в магнетронной трубке в первых микроволновых печах. Длина около 8 см.

Подковообразные магниты AlNiCo выпускаются производителем с 1956 года.

Читайте далее: