Il sera utile de fournir quelques définitions et explications au tout début de l'ouvrage.
Si, à un endroit, une force agit sur des corps en mouvement avec une charge qui n'agit pas sur des corps immobiles ou sans charge, alors on dit qu'il y a une force à cet endroit. un champ magnétique
- une des formes les plus générales Champ électromagnétique
.
Il existe des corps capables de créer un champ magnétique autour d'eux-mêmes (et un tel corps est également affecté par la force d'un champ magnétique) ; on dit qu'ils sont magnétisés et ont un moment magnétique, qui détermine la capacité du corps à créer un champ magnétique ; . De tels corps sont appelés aimants
.
Il convient de noter que différents matériaux réagissent différemment à un champ magnétique externe.
Il existe des matériaux qui affaiblissent l'effet du champ extérieur en eux-mêmes – para-aimants et améliorer le champ extérieur en eux-mêmes – matériaux diamagnétiques.
Il existe des matériaux avec une énorme capacité (des milliers de fois) à renforcer le champ extérieur à l'intérieur d'eux-mêmes - fer, cobalt, nickel, gadolinium, alliages et composés de ces métaux, on les appelle – les ferromagnétiques.
Parmi les ferromagnétiques, il existe des matériaux qui, après avoir été exposés à un champ magnétique externe suffisamment puissant, deviennent eux-mêmes des aimants - ce sont matériaux magnétiques durs.
Il existe des matériaux qui concentrent un champ magnétique externe et, lorsqu'il est actif, se comportent comme des aimants ; mais si le champ extérieur disparaît, ils ne deviennent pas des aimants - c'est matériaux magnétiques doux
INTRODUCTION.
Nous sommes habitués à l'aimant et le traitons avec un peu de condescendance comme un attribut dépassé des cours de physique à l'école, parfois sans même nous douter du nombre d'aimants qui nous entourent. Il y a des dizaines d'aimants dans nos appartements : dans les rasoirs électriques, les enceintes, les magnétophones, dans les montres, dans les pots de clous, enfin. Nous sommes nous-mêmes des aimants : les biocourants qui circulent en nous donnent naissance à un étrange motif de lignes de force magnétiques autour de nous. La Terre sur laquelle nous vivons est un aimant bleu géant. Le soleil est une boule de plasma jaune – un aimant encore plus grandiose. Les galaxies et les nébuleuses, à peine visibles au télescope, sont des aimants d’une taille incompréhensible. La fusion thermonucléaire, la production magnétodynamique d'électricité, l'accélération de particules chargées dans les synchrotrons, la récupération des navires coulés - autant de domaines dans lesquels d'énormes aimants d'une taille sans précédent sont nécessaires. Le problème de la création de champs magnétiques puissants, ultra-forts, ultra-forts et encore plus forts est devenu l'un des principaux problèmes de la physique et de la technologie modernes.
L'aimant est connu de l'homme depuis des temps immémoriaux. Nous avons reçu des mentions
sur les aimants et leurs propriétés dans les travaux de Thalès de Milet (vers 600 avant JC) et de Platon (427-347 avant JC). Le mot « aimant » lui-même est né du fait que des aimants naturels ont été découverts par les Grecs en Magnésie (Thessalie).
Les aimants naturels (ou naturels) se présentent dans la nature sous forme de gisements de minerais magnétiques. Le plus grand aimant naturel connu se trouve à l’Université de Tartu. Sa masse est de 13 kg et il est capable de soulever une charge de 40 kg.
Les aimants artificiels sont des aimants créés par l'homme à partir de divers ferromagnétiques. Les aimants dits « à poudre » (constitués de fer, de cobalt et de quelques autres additifs) peuvent supporter une charge représentant plus de 5 000 fois leur propre poids.
Il existe deux types différents d’aimants artificiels :
Certains sont ce qu'on appelle aimants permanents , fait à partir de " magnétiquement dur " matériaux. Leurs propriétés magnétiques ne sont pas liées à l’utilisation de sources ou de courants externes.
Un autre type comprend ce qu'on appelle les électro-aimants avec un noyau en " magnétique doux " fer. Les champs magnétiques qu'ils créent sont principalement dus au fait qu'un courant électrique traverse le fil de bobinage entourant le noyau.
En 1600, le livre du médecin royal W. Gilbert « Sur l'aimant, les corps magnétiques et le grand aimant - la Terre » fut publié à Londres. Ce travail constitue la première tentative connue d’étudier les phénomènes magnétiques d’un point de vue scientifique. Cet ouvrage contient les informations alors disponibles sur l’électricité et le magnétisme, ainsi que les résultats des propres expériences de l’auteur.
Dans mon travail, j'essaierai de retracer comment les aimants sont utilisés par les humains non pas pour la guerre, mais à des fins pacifiques, y compris l'utilisation des aimants en biologie, en médecine et dans la vie quotidienne.
BOUSSOLE, un dispositif pour déterminer les directions horizontales au sol. Utilisé pour déterminer la direction dans laquelle un navire, un avion ou un véhicule terrestre se déplace ; la direction dans laquelle marche le piéton ; directions vers un objet ou un point de repère. Les boussoles sont divisées en deux classes principales : les boussoles magnétiques du type à aiguille, qui sont utilisées par les topographes et les touristes, et les boussoles non magnétiques, comme le gyrocompas et le radio-compas.
Au 11ème siècle. fait référence au message des Chinois Shen Kua et Chu Yu sur la fabrication de boussoles à partir d'aimants naturels et leur utilisation en navigation. Si
Si une longue aiguille constituée d'un aimant naturel est en équilibre sur un axe qui lui permet de tourner librement dans un plan horizontal, elle fait toujours face à une extrémité au nord et à l'autre au sud. En marquant l’extrémité nord, vous pouvez utiliser une telle boussole pour déterminer les directions.
Les effets magnétiques étaient concentrés aux extrémités d’une telle aiguille et étaient donc appelés pôles (respectivement nord et sud).
Les aimants sont principalement utilisés dans l'électrotechnique, la radiotechnique, la fabrication d'instruments, l'automatisation et la télémécanique. Ici, les matériaux ferromagnétiques sont utilisés pour la fabrication de circuits magnétiques, de relais, etc.
En 1820, G. Oersted (1777-1851) découvrit qu'un conducteur porteur de courant agit sur une aiguille magnétique et la fait tourner. À peine une semaine plus tard, Ampère a montré que deux conducteurs parallèles avec un courant dans la même direction sont attirés l'un vers l'autre. Plus tard, il a suggéré que tous les phénomènes magnétiques sont provoqués par des courants et que les propriétés magnétiques des aimants permanents sont associées aux courants circulant constamment à l'intérieur de ces aimants. Cette hypothèse est tout à fait conforme aux idées modernes.
Générateurs de machines électriques et moteurs électriques - machines rotatives qui convertissent soit l'énergie mécanique en énergie électrique (générateurs), soit l'énergie électrique en énergie mécanique (moteurs). Le fonctionnement des générateurs est basé sur le principe de l'induction électromagnétique : une force électromotrice (FEM) est induite dans un fil se déplaçant dans un champ magnétique. Le fonctionnement des moteurs électriques repose sur le fait qu’une force agit sur un fil porteur de courant placé dans un champ magnétique transversal.
Appareils magnétoélectriques. De tels dispositifs utilisent la force d'interaction du champ magnétique avec le courant dans les spires du bobinage de la partie mobile, tendant à faire tourner cette dernière
Compteurs d'électricité à induction. Un compteur à induction n'est rien de plus qu'un moteur électrique à courant alternatif de faible puissance avec deux enroulements : un enroulement de courant et un enroulement de tension. Un disque conducteur placé entre les enroulements tourne sous l'influence d'un couple proportionnel à la puissance consommée. Ce couple est équilibré par les courants induits dans le disque par un aimant permanent, de sorte que la vitesse de rotation du disque soit proportionnelle à la consommation électrique.
Montre-bracelet électrique alimenté par une batterie miniature. Leur fonctionnement nécessite beaucoup moins de pièces que les montres mécaniques ; Ainsi, le circuit d'une montre électrique portable typique comprend deux aimants, deux inductances et un transistor.
Verrouillage - un dispositif mécanique, électrique ou électronique qui limite la possibilité d'utilisation non autorisée de quelque chose. Le verrou peut être activé par un dispositif (clé) en possession d'une personne spécifique, des informations (code numérique ou alphabétique) saisies par cette personne, ou une caractéristique individuelle (par exemple, un motif rétinien) de cette personne. Une serrure relie généralement temporairement deux assemblages ou deux pièces ensemble dans un seul appareil. Le plus souvent, les serrures sont mécaniques, mais les serrures électromagnétiques sont de plus en plus utilisées.
Serrures magnétiques.
Certains modèles de serrures à cylindre utilisent des éléments magnétiques. La serrure et la clé sont équipées de jeux de codes correspondants à aimants permanents. Lorsque la bonne clé est insérée dans le trou de la serrure, elle attire et positionne les éléments magnétiques internes de la serrure, permettant ainsi à la serrure de s'ouvrir.
Dynamomètre - un dispositif mécanique ou électrique pour mesurer la force de traction ou le couple d'une machine, d'une machine-outil ou d'un moteur.
Dynamomètres de frein viennent dans une grande variété de modèles; Il s'agit par exemple du frein Prony, des freins hydrauliques et électromagnétiques.
Dynamomètre électromagnétique peut être réalisé sous la forme d'un appareil miniature adapté à la mesure des caractéristiques des moteurs de petite taille.
Galvanomètre– un appareil sensible pour mesurer les courants faibles. Un galvanomètre utilise le couple produit par l'interaction d'un aimant permanent en forme de fer à cheval avec une petite bobine conductrice de courant (un électroaimant faible) suspendue dans l'espace entre les pôles de l'aimant. Le couple, et donc la déflexion de la bobine, est proportionnel au courant et à l'induction magnétique totale dans l'entrefer, de sorte que l'échelle du dispositif est quasiment linéaire pour de faibles déflexions de la bobine. Les appareils basés sur celui-ci sont le type d’appareil le plus courant.
La gamme d'appareils fabriqués est large et variée : appareils de tableau de courant continu et alternatif (magnétoélectriques, magnétoélectriques avec redresseur et systèmes électromagnétiques), appareils combinés, ampère-voltmètres, pour le diagnostic et le réglage des équipements électriques des véhicules, la mesure de la température des surfaces planes. , instruments pour équiper les salles de classe, testeurs et compteurs de divers paramètres électriques
Production abrasifs - petites particules dures et pointues utilisées sous forme libre ou liée pour le traitement mécanique (y compris le façonnage, l'ébauche, le meulage, le polissage) de divers matériaux et produits fabriqués à partir de ceux-ci (des grandes plaques d'acier aux feuilles de contreplaqué, en passant par les verres optiques et les puces informatiques). Les abrasifs peuvent être naturels ou artificiels. L'action des abrasifs se réduit à éliminer une partie du matériau de la surface à traiter. Lors de la production d'abrasifs artificiels, le ferrosilicium présent dans le mélange se dépose au fond du four, mais de petites quantités sont incorporées dans l'abrasif puis éliminées par un aimant.
Les propriétés magnétiques de la matière sont largement utilisées en science et en technologie pour étudier la structure de divers corps. C'est ainsi qu'ils sont nés Les sciences:
Magnétochimie(magnétochimie) - une branche de la chimie physique qui étudie la relation entre les propriétés magnétiques et chimiques des substances ; De plus, la magnétochimie étudie l'influence des champs magnétiques sur les processus chimiques. La magnétochimie est basée sur la physique moderne des phénomènes magnétiques. L'étude de la relation entre les propriétés magnétiques et chimiques permet de clarifier les caractéristiques de la structure chimique d'une substance.
Détection de défauts magnétiques, une méthode de recherche de défauts basée sur l'étude des distorsions du champ magnétique qui se produisent au niveau des sites de défauts dans les produits en matériaux ferromagnétiques.
. Technologie micro-ondes
Gamme d'ultra-hautes fréquences (UHF) -
gamme de fréquences du rayonnement électromagnétique (100¸300 000 millions de hertz), située dans le spectre entre les fréquences de télévision ultra-élevées et les fréquences infrarouges lointaines
Connexion. Les ondes radio micro-ondes sont largement utilisées dans les technologies de communication. Outre les divers systèmes radio militaires, il existe de nombreuses lignes de communication commerciales par micro-ondes dans tous les pays du monde. Étant donné que ces ondes radio ne suivent pas la courbure de la surface terrestre mais voyagent en ligne droite, ces liaisons de communication consistent généralement en des stations relais installées au sommet des collines ou sur des tours radio à des intervalles d'environ 50 km.
Traitement thermique des produits alimentaires. Le rayonnement micro-ondes est utilisé pour le traitement thermique des produits alimentaires à la maison et dans l'industrie alimentaire. L'énergie générée par les tubes à vide de haute puissance peut être concentrée dans un petit volume pour un traitement thermique très efficace des produits dans ce qu'on appelle. fours à micro-ondes ou à micro-ondes, caractérisés par la propreté, le silence et la compacité. De tels dispositifs sont utilisés dans les cuisines d'avions, les wagons-restaurants et les distributeurs automatiques, où une préparation et une cuisson rapides des aliments sont nécessaires. L'industrie produit également des fours à micro-ondes à usage domestique.
Les progrès rapides dans le domaine de la technologie des micro-ondes sont largement associés à l'invention de dispositifs à vide spéciaux - magnétron et klystron, capables de générer de grandes quantités d'énergie micro-ondes. Un générateur basé sur une triode à vide classique, utilisée aux basses fréquences, s'avère très inefficace dans le domaine des micro-ondes.
Magnétron. Le magnétron, inventé en Grande-Bretagne avant la Seconde Guerre mondiale, ne présente pas ces inconvénients, puisqu'il repose sur une approche complètement différente de la génération de rayonnement micro-onde - le principe d'un résonateur à cavité
Le magnétron possède plusieurs résonateurs volumétriques situés symétriquement autour de la cathode située au centre. L'appareil est placé entre les pôles d'un aimant puissant.
Lampe à ondes progressives (TWT). Un autre dispositif à électrovide pour générer et amplifier des ondes électromagnétiques dans la gamme des micro-ondes est une lampe à ondes progressives. Il se compose d'un mince tube sous vide inséré dans une bobine magnétique de focalisation.
Accélérateur de particules,
une installation dans laquelle, à l'aide de champs électriques et magnétiques, sont obtenus des faisceaux dirigés d'électrons, de protons, d'ions et d'autres particules chargées dont l'énergie dépasse largement l'énergie thermique.
Les accélérateurs modernes utilisent des types de technologies nombreux et variés, incl. aimants puissants de précision.
Les représentants de diverses sciences tiennent compte des champs magnétiques dans leurs recherches. Un physicien mesure les champs magnétiques des atomes et des particules élémentaires, un astronome étudie le rôle des champs cosmiques dans le processus de formation de nouvelles étoiles, un géologue utilise les anomalies du champ magnétique terrestre pour trouver des gisements de minerais magnétiques, et récemment la biologie a a également été activement impliqué dans l’étude et l’utilisation des aimants.
Biologie la première moitié du XXe siècle décrivait avec assurance les fonctions vitales, sans tenir compte de l'existence d'aucun champ magnétique. De plus, certains biologistes ont jugé nécessaire de souligner que même un champ magnétique artificiel puissant n'a aucun effet sur les objets biologiques.
Les encyclopédies ne disent rien de l’influence des champs magnétiques sur les processus biologiques. Chaque année, des considérations positives isolées sur l'un ou l'autre effet biologique des champs magnétiques apparaissent dans la littérature scientifique du monde entier. Cependant, ce faible filet n'a pas pu faire fondre l'iceberg de la méfiance, même dans la formulation du problème lui-même... Et soudain, le filet s'est transformé en un torrent orageux. L'avalanche de publications magnétobiologiques, comme si elle tombait d'un sommet, n'a cessé de croître depuis le début des années 60 et a noyé les déclarations sceptiques.
Depuis les alchimistes du XVIe siècle jusqu'à nos jours, l'effet biologique de l'aimant a trouvé à maintes reprises admirateurs et critiques. À plusieurs reprises, au cours de plusieurs siècles, l’intérêt pour les effets curatifs des aimants a connu des montées et des baisses. Avec son aide, ils ont essayé de traiter (et non sans succès) les maladies nerveuses, les maux de dents, l'insomnie, les douleurs au foie et à l'estomac - des centaines de maladies.
À des fins médicinales, les aimants ont probablement commencé à être utilisés plus tôt que pour déterminer les directions cardinales.
Comme remède externe local et comme amulette, l'aimant connut un grand succès auprès des Chinois, des Indiens, des Egyptiens et des Arabes. GRECS, Romains, etc. Le philosophe Aristote et l'historien Pline mentionnent ses propriétés médicinales dans leurs ouvrages.
Dans la seconde moitié du XXe siècle, les bracelets magnétiques se sont généralisés, ayant un effet bénéfique sur les patients souffrant de troubles de la tension artérielle (hypertension et hypotension).
En plus des aimants permanents, des électro-aimants sont également utilisés. Ils sont également utilisés pour une large gamme de problèmes en science, technologie, électronique, médecine (maladies nerveuses, maladies vasculaires des extrémités, maladies cardiovasculaires, cancer).
Surtout, les scientifiques ont tendance à penser que les champs magnétiques augmentent la résistance du corps.
Il existe des compteurs électromagnétiques de vitesse du sang, des capsules miniatures qui, à l'aide de champs magnétiques externes, peuvent être déplacées dans les vaisseaux sanguins pour les dilater, prélever des échantillons à certaines parties du trajet ou, à l'inverse, retirer localement divers médicaments des capsules.
Une méthode magnétique pour éliminer les particules métalliques de l’œil est largement utilisée.
La plupart d'entre nous connaissent l'étude de la fonction cardiaque à l'aide de capteurs électriques - un électrocardiogramme. Les impulsions électriques générées par le cœur créent un champ magnétique du cœur qui, en valeurs maximales, est égal à 10 -6 de la force du champ magnétique terrestre. L’intérêt de la magnétocardiographie est qu’elle permet d’obtenir des informations sur les zones électriquement « silencieuses » du cœur.
Il convient de noter que les biologistes demandent maintenant aux physiciens de donner une théorie du mécanisme primaire de l'action biologique du champ magnétique, et les physiciens en réponse exigent des biologistes des faits biologiques plus prouvés. Il est évident qu’une coopération étroite entre différents spécialistes sera couronnée de succès.
Un lien important unissant les problèmes magnétobiologiques est la réaction du système nerveux aux champs magnétiques. C'est le cerveau qui est le premier à réagir à tout changement de l'environnement extérieur. C'est l'étude de ses réactions qui sera la clé pour résoudre de nombreux problèmes en magnétobiologie.
La conclusion la plus simple que l'on puisse tirer de ce qui précède est qu'il n'existe aucun domaine d'activité humaine appliquée où les aimants ne sont pas utilisés.
Les références:
1) TSB, deuxième édition, Moscou, 1957.
3) Documents de l'encyclopédie Internet
4) Poutilov K.A. « Cours de physique », « Fizmatgiz », Moscou, 1964.
Qu'est-ce qu'un aimant permanent
Un produit ferromagnétique capable de conserver une magnétisation résiduelle importante après suppression du champ magnétique externe est appelé aimant permanent. Les aimants permanents sont fabriqués à partir de divers métaux, tels que le cobalt, le fer, le nickel, des alliages de terres rares (pour les aimants en néodyme), ainsi que de minéraux naturels tels que les magnétites.
Le champ d'application des aimants permanents est aujourd'hui très large, mais leur objectif est fondamentalement le même partout : en tant que source d'un champ magnétique constant sans apport d'électricité. Ainsi, un aimant est un corps qui possède le sien.
Le mot « aimant » lui-même vient de l'expression grecque, qui se traduit par « pierre de magnésie », du nom de la ville asiatique où des gisements de magnétite - minerai de fer magnétique - ont été découverts dans l'Antiquité. D'un point de vue physique, l'aimant élémentaire est un électron, et les propriétés magnétiques des aimants sont généralement déterminées par les moments magnétiques des électrons qui composent le matériau magnétisé.
Les caractéristiques de la section démagnétisante du matériau à partir duquel l'aimant permanent est fabriqué déterminent les propriétés d'un aimant permanent particulier : plus la force coercitive Hc est élevée et plus l'induction magnétique résiduelle Br est élevée, plus l'aimant est fort et stable.
La force coercitive (traduit littéralement du latin - « force de maintien ») est ce qui est nécessaire à la démagnétisation complète d'une substance ferro- ou ferrimagnétique. Ainsi, plus la force coercitive d’un aimant particulier est grande, plus il est résistant aux facteurs démagnétisants.
L'unité de force coercitive est l'Ampère/mètre. A, comme on le sait, est une quantité vectorielle, qui est une force caractéristique du champ magnétique. La valeur caractéristique de l'induction magnétique résiduelle des aimants permanents est d'environ 1 Tesla.
Types et propriétés des aimants permanents
Ferrite
Les aimants en ferrite, bien que fragiles, ont une bonne résistance à la corrosion, ce qui en fait les plus courants à bas prix. Ces aimants sont fabriqués à partir d’un alliage d’oxyde de fer avec de la ferrite de baryum ou de strontium. Cette composition permet au matériau de conserver ses propriétés magnétiques sur une large plage de températures - de -30°C à +270°C.
Les produits magnétiques sous forme d'anneaux, de barres et de fers à cheval en ferrite sont largement utilisés tant dans l'industrie que dans la vie quotidienne, dans la technologie et l'électronique. Ils sont utilisés dans les systèmes acoustiques, les générateurs, etc. Dans l'industrie automobile, les aimants en ferrite sont utilisés dans les démarreurs, les lève-vitres, les systèmes de refroidissement et les ventilateurs.
Les aimants en ferrite ont une force coercitive d'environ 200 kA/m et une induction magnétique résiduelle d'environ 0,4 Tesla. En moyenne, un aimant en ferrite peut durer de 10 à 30 ans.
Alnico (aluminium-nickel-cobalt)
Les aimants permanents à base d'un alliage d'aluminium, de nickel et de cobalt se caractérisent par une résistance à la température et une stabilité inégalées : ils sont capables de conserver leurs propriétés magnétiques à des températures allant jusqu'à +550°C, bien que leur caractéristique de coercivité soit relativement faible. Sous l’influence d’un champ magnétique relativement faible, ces aimants perdent leurs propriétés magnétiques d’origine.
Jugez par vous-même : une force coercitive typique est d'environ 50 kA/m avec une magnétisation résiduelle d'environ 0,7 Tesla. Cependant, malgré cette caractéristique, les aimants alnico sont indispensables pour certaines recherches scientifiques.
Les teneurs typiques des alliages alnico hautement magnétiques vont de 7 à 10 % d'aluminium, de 12 à 15 % de nickel, de 18 à 40 % de cobalt et de 3 à 4 % de cuivre.
Plus il y a de cobalt, plus l'induction de saturation et l'énergie magnétique de l'alliage sont élevées. Des additifs sous forme de 2 à 8 % de titane et seulement 1 % de niobium permettent d'obtenir une force coercitive plus élevée - jusqu'à 145 kA/m. L'ajout de 0,5 à 1 % de silicium assure des propriétés magnétiques isotropes.
Samariacées
Si vous avez besoin d'une résistance exceptionnelle à la corrosion, à l'oxydation et à des températures allant jusqu'à +350°C, alors un alliage magnétique de samarium et de cobalt est ce qu'il vous faut.
En termes de coût, les aimants au samarium-cobalt sont plus chers que les aimants au néodyme en raison du métal plus rare et plus cher - le cobalt. Cependant, il est conseillé de les utiliser s'il est nécessaire d'avoir des dimensions et un poids minimes des produits finaux.
Ceci est particulièrement approprié dans les engins spatiaux, les équipements aéronautiques et informatiques, les moteurs électriques miniatures et les couplages magnétiques, dans les instruments et appareils portables (montres, écouteurs, téléphones portables, etc.)
En raison de leur résistance particulière à la corrosion, les aimants en samarium sont utilisés dans les développements stratégiques et les applications militaires. Moteurs électriques, générateurs, systèmes de levage, motos - un aimant puissant en alliage samarium-cobalt est idéal pour les environnements agressifs et les conditions de fonctionnement difficiles. La force coercitive est d'environ 700 kA/m avec une induction magnétique résiduelle d'environ 1 Tesla.
Néodyme
Les aimants en néodyme sont aujourd'hui très demandés et semblent être les plus prometteurs. L'alliage néodyme-fer-bore permet de créer des super-aimants pour diverses applications, des loquets et jouets aux puissantes machines de levage.
Une force coercitive élevée de l'ordre de 1000 kA/m et une aimantation résiduelle de l'ordre de 1,1 Tesla permettent de conserver l'aimant pendant de nombreuses années ; sur 10 ans, un aimant néodyme ne perd que 1% de son aimantation si sa température est inférieure ; les conditions de fonctionnement ne dépassent pas +80°C (pour certaines marques jusqu'à +200°C). Ainsi, les aimants en néodyme n'ont que deux inconvénients : la fragilité et la faible température de fonctionnement.
La poudre magnétique et le composant de liaison forment un aimant doux, flexible et léger. Des composants de liaison tels que le vinyle, le caoutchouc, le plastique ou l'acrylique permettent d'obtenir des aimants de formes et de tailles variées.
La force magnétique, bien sûr, est inférieure au matériau magnétique pur, mais de telles solutions sont parfois nécessaires pour atteindre certains objectifs inhabituels pour les aimants : dans la production de produits publicitaires, dans la fabrication d'autocollants amovibles sur les voitures, ainsi que dans la fabrication de divers produits de papeterie et de souvenirs.
Comme les pôles des aimants, ils se repoussent et, contrairement aux pôles, ils s'attirent. L'interaction des aimants s'explique par le fait que tout aimant possède un champ magnétique et que ces champs magnétiques interagissent les uns avec les autres. Quelle est, par exemple, la raison de la magnétisation du fer ?
Selon l'hypothèse du scientifique français Ampère, il existe des courants électriques élémentaires (courants Ampère) à l'intérieur de la matière, qui se forment à la suite du mouvement des électrons autour des noyaux atomiques et autour de leur propre axe.
Lorsque les électrons se déplacent, des champs magnétiques élémentaires apparaissent. Et si un morceau de fer est amené dans un champ magnétique externe, alors tous les champs magnétiques élémentaires de ce fer sont orientés de manière égale dans le champ magnétique externe, formant ainsi le propre champ magnétique du morceau de fer. Ainsi, si le champ magnétique externe appliqué était suffisamment puissant, après l'avoir éteint, un morceau de fer deviendra un aimant permanent.
Connaître la forme et l'aimantation d'un aimant permanent permet de le remplacer pour les calculs par un système équivalent de courants électriques magnétisants. Un tel remplacement est possible à la fois lors du calcul des caractéristiques du champ magnétique et lors du calcul des forces agissant sur l'aimant à partir du champ externe. A titre d'exemple, calculons la force d'interaction entre deux aimants permanents.
Supposons que les aimants aient la forme de cylindres minces, leurs rayons seront notés r1 et r2, leurs épaisseurs seront h1, h2, les axes des aimants coïncident, la distance entre les aimants sera notée z, et nous supposerons qu'il est nettement plus grand que les dimensions des aimants.
L'émergence de la force d'interaction entre les aimants s'explique de manière traditionnelle : un aimant crée un champ magnétique qui affecte le deuxième aimant.
Pour calculer la force d'interaction, remplaçons mentalement les aimants à magnétisation uniforme J1 et J2 par des courants circulaires circulant le long de la surface latérale des cylindres. Nous exprimerons les intensités de ces courants à travers la magnétisation des aimants, et leurs rayons seront considérés comme égaux aux rayons des aimants.
Décomposons le vecteur induction B du champ magnétique créé par le premier aimant à l'emplacement du second en deux composantes : axiale, dirigée le long de l'axe de l'aimant, et radiale, perpendiculaire à celui-ci.
Pour calculer la force totale agissant sur l'anneau, il est nécessaire de la diviser mentalement en petits éléments IΔl et de résumer les forces agissant sur chacun de ces éléments.
A l'aide de la règle de gauche, il est facile de montrer que la composante axiale du champ magnétique conduit à l'apparition de forces Ampère tendant à étirer (ou comprimer) l'anneau - la somme vectorielle de ces forces est nulle.
La présence d'une composante radiale du champ conduit à l'émergence de forces Ampère dirigées le long de l'axe des aimants, c'est-à-dire à leur attraction ou leur répulsion. Il reste à calculer les forces Ampère - ce seront les forces d'interaction entre deux aimants.
Il sera utile de fournir quelques définitions et explications au tout début de l'ouvrage.
Si, à un endroit, une force agit sur des corps en mouvement avec une charge qui n'agit pas sur des corps immobiles ou sans charge, alors on dit qu'il y a une force à cet endroit. un champ magnétique l'une des formes les plus générales Champ électromagnétique .
Il existe des corps capables de créer un champ magnétique autour d'eux-mêmes (et un tel corps est également affecté par la force d'un champ magnétique) ; on dit qu'ils sont magnétisés et ont un moment magnétique, qui détermine la capacité du corps à créer un champ magnétique ; . De tels corps sont appelés aimants .
Il convient de noter que différents matériaux réagissent différemment à un champ magnétique externe.
Il existe des matériaux qui affaiblissent l'effet du champ extérieur en eux-mêmes para-aimants et améliorer le champ extérieur en eux-mêmes matériaux diamagnétiques .
Il existe des matériaux avec une énorme capacité (des milliers de fois) à renforcer le champ extérieur à l'intérieur d'eux-mêmes - fer, cobalt, nickel, gadolinium, alliages et composés de ces métaux, on les appelle ferromagnétiques .
Parmi les ferromagnétiques, il existe des matériaux qui, après avoir été exposés à un champ magnétique externe suffisamment puissant, deviennent eux-mêmes des aimants. matériaux magnétiques durs.
Il existe des matériaux qui concentrent un champ magnétique externe et, lorsqu'il est actif, se comportent comme des aimants ; mais si le champ extérieur disparaît ils ne deviennent pas des aimants matériaux magnétiques doux
INTRODUCTION.
Nous sommes habitués à l'aimant et le traitons avec un peu de condescendance comme un attribut dépassé des cours de physique à l'école, parfois sans même nous douter du nombre d'aimants qui nous entourent. Il y a des dizaines d'aimants dans nos appartements : dans les rasoirs électriques, les enceintes, les magnétophones, dans les montres, dans les pots de clous, enfin. Nous sommes nous-mêmes des aimants : les biocourants qui circulent en nous donnent naissance à un étrange motif de lignes de force magnétiques autour de nous. La Terre sur laquelle nous vivons est un aimant bleu géant. Le soleil est une boule de plasma jaune, un aimant encore plus grandiose. Les galaxies et les nébuleuses, à peine visibles au télescope, sont des aimants d’une taille incompréhensible. La fusion thermonucléaire, la production magnétodynamique d'électricité, l'accélération de particules chargées dans les synchrotrons, la récupération des navires coulés - autant de domaines dans lesquels d'énormes aimants d'une taille sans précédent sont nécessaires. Le problème de la création de champs magnétiques puissants, ultra-forts, ultra-forts et encore plus forts est devenu l'un des principaux problèmes de la physique et de la technologie modernes.
L'aimant est connu de l'homme depuis des temps immémoriaux. Nous avons reçu des mentions
sur les aimants et leurs propriétés dans les travaux de Thalès de Milet (environ 600 avant JC) et de Platon (427 347 avant JC). Le mot aimant lui-même est né du fait que des aimants naturels ont été découverts par les Grecs en Magnésie (Thessalie).
Les aimants naturels (ou naturels) se présentent dans la nature sous forme de gisements de minerais magnétiques. Le plus grand aimant naturel connu se trouve à l’Université de Tartu. Sa masse est de 13 kg et il est capable de soulever une charge de 40 kg.
Les aimants artificiels sont des aimants créés par l'homme à partir de divers ferromagnétiques. Les aimants dits à poudre (constitués de fer, de cobalt et de quelques autres additifs) peuvent supporter une charge représentant plus de 5 000 fois leur propre poids.
Il existe deux types différents d’aimants artificiels :
Certains soi-disant aimants permanents , fait à partir de magnétiquement dur matériaux. Leurs propriétés magnétiques ne sont pas liées à l’utilisation de sources ou de courants externes.
Un autre type comprend ce qu'on appelle les électro-aimants avec un noyau en magnétique doux glande. Les champs magnétiques qu'ils créent sont principalement dus au fait qu'un courant électrique traverse le fil de bobinage entourant le noyau.
En 1600, le livre du médecin royal W. Gilbert « Sur l'aimant, les corps magnétiques et le grand aimant - la Terre » fut publié à Londres. Ce travail constitue la première tentative connue d’étudier les phénomènes magnétiques d’un point de vue scientifique. Cet ouvrage contient les informations alors disponibles sur l’électricité et le magnétisme, ainsi que les résultats des propres expériences de l’auteur.
De tout ce qu'une personne rencontre, elle s'efforce avant tout d'en tirer un bénéfice pratique. L’aimant n’a pas non plus échappé à ce sort.
Dans mon travail, j'essaierai de retracer comment les aimants sont utilisés par les humains non pas pour la guerre, mais à des fins pacifiques, y compris l'utilisation des aimants en biologie, en médecine et dans la vie quotidienne.
BOUSSOLE, un dispositif pour déterminer les directions horizontales au sol. Utilisé pour déterminer la direction dans laquelle un navire, un avion ou un véhicule terrestre se déplace ; la direction dans laquelle marche le piéton ; directions vers un objet ou un point de repère. Les boussoles sont divisées en deux classes principales : les boussoles magnétiques du type à aiguille, qui sont utilisées par les topographes et les touristes, et les boussoles non magnétiques, comme le gyrocompas et le radio-compas.
Au 11ème siècle. fait référence au message des Chinois Shen Kua et Chu Yu sur la fabrication de boussoles à partir d'aimants naturels et leur utilisation en navigation. Si
À la maison, au travail, dans notre propre voiture ou dans les transports en commun, nous sommes entourés de différents types d'aimants. Ils alimentent des moteurs, des capteurs, des microphones et bien d’autres choses courantes. De plus, dans chaque domaine, des appareils présentant des caractéristiques et des fonctionnalités différentes sont utilisés. En général, on distingue les types d'aimants suivants :
Quels types d'aimants existe-t-il ?
Électro-aimants. La conception de ces produits consiste en un noyau de fer sur lequel sont enroulées des tours de fil. En appliquant un courant électrique avec différents paramètres d'amplitude et de direction, il est possible d'obtenir des champs magnétiques de la force et de la polarité requises.
Le nom de ce groupe d'aimants est une abréviation des noms de ses composants : aluminium, nickel et cobalt. Le principal avantage de l’alliage alnico est la stabilité inégalée du matériau en matière de température. D'autres types d'aimants ne peuvent pas se vanter de pouvoir être utilisés à des températures allant jusqu'à +550 ⁰ C. En même temps, ce matériau léger se caractérise par une faible force coercitive. Cela signifie qu'il peut être complètement démagnétisé lorsqu'il est exposé à un champ magnétique externe puissant. Parallèlement, de par son prix abordable, alnico constitue une solution indispensable dans de nombreux secteurs scientifiques et industriels.
Produits magnétiques modernes
Nous avons donc trié les alliages. Passons maintenant aux types d'aimants et aux utilisations qu'ils peuvent trouver dans la vie de tous les jours. En fait, il existe une grande variété d'options pour de tels produits :
3) Aimants de bureau. Les tableaux magnétiques sont utilisés pour les présentations et les réunions de planification, ce qui vous permet de présenter clairement et en détail toute information. Ils s’avèrent également extrêmement utiles dans les salles de classe des écoles et des universités.
Les aimants sont principalement utilisés dans l'électrotechnique, la radiotechnique, la fabrication d'instruments, l'automatisation et la télémécanique. Ici, les matériaux ferromagnétiques sont utilisés pour la fabrication de circuits magnétiques, de relais, etc. .
Les générateurs de machines électriques et les moteurs électriques sont des machines rotatives qui convertissent soit l'énergie mécanique en énergie électrique (générateurs), soit l'énergie électrique en énergie mécanique (moteurs). Le fonctionnement des générateurs est basé sur le principe de l'induction électromagnétique : une force électromotrice (FEM) est induite dans un fil se déplaçant dans un champ magnétique. Le fonctionnement des moteurs électriques repose sur le fait qu’une force agit sur un fil porteur de courant placé dans un champ magnétique transversal.
Appareils magnétoélectriques. De tels dispositifs utilisent la force d'interaction entre le champ magnétique et le courant dans les spires du bobinage de la partie mobile, ce qui tend à faire tourner cette dernière.
Compteurs d'électricité à induction. Un compteur à induction n'est rien de plus qu'un moteur électrique à courant alternatif de faible puissance avec deux enroulements : un enroulement de courant et un enroulement de tension. Un disque conducteur placé entre les enroulements tourne sous l'influence d'un couple proportionnel à la puissance consommée. Ce couple est équilibré par les courants induits dans le disque par un aimant permanent, de sorte que la vitesse de rotation du disque soit proportionnelle à la consommation électrique.
Les montres-bracelets électriques sont alimentées par une pile miniature. Leur fonctionnement nécessite beaucoup moins de pièces que les montres mécaniques ; Ainsi, le circuit d'une montre électrique portable typique comprend deux aimants, deux inductances et un transistor.
Dynamomètre - un appareil mécanique ou électrique pour mesurer la force de traction ou le couple d'une machine, d'une machine-outil ou d'un moteur.
Les dynamomètres de frein sont disponibles dans une variété de modèles ; Il s'agit par exemple du frein Prony, des freins hydrauliques et électromagnétiques.
Un dynamomètre électromagnétique peut être réalisé sous la forme d'un appareil miniature adapté à la mesure des caractéristiques des moteurs de petite taille.
Un galvanomètre est un instrument sensible pour mesurer les courants faibles. Un galvanomètre utilise le couple produit par l'interaction d'un aimant permanent en forme de fer à cheval avec une petite bobine conductrice de courant (un électroaimant faible) suspendue dans l'espace entre les pôles de l'aimant. Le couple, et donc la déflexion de la bobine, est proportionnel au courant et à l'induction magnétique totale dans l'entrefer, de sorte que l'échelle du dispositif est quasiment linéaire pour de faibles déflexions de la bobine. Les appareils basés sur celui-ci sont le type d’appareil le plus courant.
Les propriétés magnétiques de la matière sont largement utilisées en science et en technologie pour étudier la structure de divers corps. C’est ainsi qu’est née la science :
La magnétochimie est une branche de la chimie physique qui étudie la relation entre les propriétés magnétiques et chimiques des substances ; De plus, la magnétochimie étudie l'influence des champs magnétiques sur les processus chimiques. La magnétochimie est basée sur la physique moderne des phénomènes magnétiques. L'étude de la relation entre les propriétés magnétiques et chimiques permet de clarifier les caractéristiques de la structure chimique d'une substance.
Détection de défauts magnétiques, méthode de recherche de défauts basée sur l'étude des distorsions du champ magnétique qui se produisent au niveau des défauts des produits en matériaux ferromagnétiques.
Accélérateur de particules, installation dans laquelle, à l'aide de champs électriques et magnétiques, sont obtenus des faisceaux dirigés d'électrons, de protons, d'ions et d'autres particules chargées dont l'énergie dépasse largement l'énergie thermique.
Les accélérateurs modernes utilisent des types de technologies nombreux et variés, incl. aimants puissants de précision.
Les accélérateurs jouent un rôle pratique important dans la thérapie médicale et le diagnostic. De nombreux hôpitaux dans le monde disposent désormais de petits accélérateurs linéaires d’électrons qui génèrent des rayons X intenses utilisés pour traiter les tumeurs. Dans une moindre mesure, des cyclotrons ou des synchrotrons générant des faisceaux de protons sont utilisés. L'avantage des protons par rapport aux rayons X dans le traitement des tumeurs est une libération d'énergie plus localisée. Par conséquent, la protonthérapie est particulièrement efficace dans le traitement des tumeurs du cerveau et des yeux, où les dommages aux tissus sains environnants doivent être aussi minimes que possible.
Les représentants de diverses sciences tiennent compte des champs magnétiques dans leurs recherches. Un physicien mesure les champs magnétiques des atomes et des particules élémentaires, un astronome étudie le rôle des champs cosmiques dans le processus de formation de nouvelles étoiles, un géologue utilise les anomalies du champ magnétique terrestre pour trouver des gisements de minerais magnétiques, et récemment la biologie a a également été activement impliqué dans l’étude et l’utilisation des aimants.
La science biologique de la première moitié du XXe siècle a décrit avec assurance les fonctions vitales sans prendre en compte l'existence d'un quelconque champ magnétique. De plus, certains biologistes ont jugé nécessaire de souligner que même un champ magnétique artificiel puissant n'a aucun effet sur les objets biologiques.
Les encyclopédies ne disent rien de l’influence des champs magnétiques sur les processus biologiques. Chaque année, des considérations positives isolées sur l'un ou l'autre effet biologique des champs magnétiques apparaissent dans la littérature scientifique du monde entier. Cependant, ce faible filet n'a pas pu faire fondre l'iceberg de la méfiance, même dans la formulation du problème lui-même... Et soudain, le filet s'est transformé en un torrent orageux. L'avalanche de publications magnétobiologiques, comme si elle tombait d'un sommet, n'a cessé de croître depuis le début des années 60 et a noyé les déclarations sceptiques.
Depuis les alchimistes du XVIe siècle jusqu'à nos jours, l'effet biologique de l'aimant a trouvé à maintes reprises admirateurs et critiques. À plusieurs reprises, au cours de plusieurs siècles, l’intérêt pour les effets curatifs des aimants a connu des montées et des baisses. Avec son aide, ils ont essayé de traiter (et sans succès) les maladies nerveuses, les maux de dents, l'insomnie, les douleurs au foie et à l'estomac - des centaines de maladies.
À des fins médicinales, les aimants ont probablement commencé à être utilisés plus tôt que pour déterminer les directions cardinales.
Comme remède externe local et comme amulette, l'aimant connut un grand succès auprès des Chinois, des Hindous, des Egyptiens, des Arabes, des Grecs, des Romains, etc. Le philosophe Aristote et l'historien Pline mentionnent ses propriétés médicinales dans leurs ouvrages.
Dans la seconde moitié du XXe siècle, les bracelets magnétiques se sont généralisés, ayant un effet bénéfique sur les patients souffrant de troubles de la tension artérielle (hypertension et hypotension).
En plus des aimants permanents, des électro-aimants sont également utilisés. Ils sont également utilisés pour une large gamme de problèmes en science, technologie, électronique, médecine (maladies nerveuses, maladies vasculaires des extrémités, maladies cardiovasculaires, cancer).
Surtout, les scientifiques ont tendance à penser que les champs magnétiques augmentent la résistance du corps.
Il existe des compteurs électromagnétiques de vitesse du sang, des capsules miniatures qui, à l'aide de champs magnétiques externes, peuvent être déplacées dans les vaisseaux sanguins pour les dilater, prélever des échantillons à certaines parties du trajet ou, à l'inverse, retirer localement divers médicaments des capsules.
Une méthode magnétique pour éliminer les particules métalliques de l’œil est largement utilisée.
La plupart d'entre nous connaissent l'étude de la fonction cardiaque à l'aide de capteurs électriques - un électrocardiogramme. Les impulsions électriques générées par le cœur créent un champ magnétique du cœur qui, en valeurs maximales, est égal à 10 à 6 de la force du champ magnétique terrestre. L’intérêt de la magnétocardiographie est qu’elle permet d’obtenir des informations sur les zones électriquement « silencieuses » du cœur.
Il convient de noter que les biologistes demandent maintenant aux physiciens de donner une théorie du mécanisme primaire de l'action biologique du champ magnétique, et les physiciens en réponse exigent des biologistes des faits biologiques plus prouvés. Il est évident qu’une coopération étroite entre différents spécialistes sera couronnée de succès.
Un lien important unissant les problèmes magnétobiologiques est la réaction du système nerveux aux champs magnétiques. C'est le cerveau qui est le premier à réagir à tout changement de l'environnement extérieur. C'est l'étude de ses réactions qui sera la clé pour résoudre de nombreux problèmes en magnétobiologie.
Parmi les révolutions technologiques de la fin du XXe siècle, l’une des plus importantes est la transition des consommateurs vers le combustible nucléaire. Une fois de plus, les champs magnétiques sont devenus visibles. Eux seuls pourront freiner le plasma capricieux dans une réaction thermonucléaire « pacifique », qui devrait remplacer les réactions de fission des noyaux radioactifs d'uranium et de thorium.
Que brûlerais-tu d'autre ? - la question qui taraude toujours les travailleurs de l'énergie est un refrain obsessionnel. Pendant longtemps, le bois de chauffage nous a aidé, mais il consomme peu d'énergie et la civilisation du chauffage au bois est donc primitive. Notre richesse actuelle repose sur la combustion de combustibles fossiles, mais les réserves facilement disponibles de pétrole, de charbon et de gaz naturel s’épuisent lentement mais sûrement. Bon gré mal gré, nous devons réorienter le bilan énergétique et énergétique du pays vers autre chose. Au siècle prochain, les restes de combustible organique devront être préservés pour les besoins en matières premières de la chimie. Et comme on le sait, la principale matière première énergétique sera le combustible nucléaire.
L'idée de l'isolation thermique magnétique du plasma est basée sur la propriété bien connue des particules chargées électriquement se déplaçant dans un champ magnétique pour plier leur trajectoire et se déplacer le long d'une spirale de lignes de champ. Cette courbure de la trajectoire dans un champ magnétique non uniforme conduit au fait que la particule est poussée dans une région où le champ magnétique est plus faible. La tâche consiste à entourer le plasma de tous côtés d’un champ plus puissant. Ce problème est en train d'être résolu dans de nombreux laboratoires à travers le monde. Le confinement magnétique du plasma a été découvert par des scientifiques soviétiques qui, en 1950, ont proposé de confiner le plasma dans ce qu'on appelle des pièges magnétiques (ou, comme on les appelle souvent, des bouteilles magnétiques).
Un exemple de système très simple de confinement magnétique du plasma est un piège à bouchons magnétiques ou à miroirs (piège à miroir). Le système est un long tuyau dans lequel un champ magnétique longitudinal est créé. Des enroulements plus massifs sont enroulés aux extrémités du tuyau qu'au milieu. Cela conduit au fait que les lignes de champ magnétique aux extrémités du tuyau sont plus denses et que le champ magnétique dans ces zones est plus fort. Ainsi, une particule piégée dans une bouteille magnétique ne peut pas quitter le système, car elle devrait traverser les lignes de champ et, sous l’effet de la force de Lorentz, « s’enrouler » sur celles-ci. C'est sur ce principe que l'immense piège magnétique de l'installation Ogra-1, lancé à l'Institut de l'énergie atomique du nom de I.V., a été construit. Kurchatov en 1958. La chambre à vide Ogra-1 a une longueur de 19 m et un diamètre interne de 1,4 m. Le diamètre moyen de l'enroulement créant le champ magnétique est de 1,8 m, l'intensité du champ au milieu de la chambre est de 0,5 T. , dans les embouteillages 0,8 T.
Le coût de l'électricité obtenue à partir des centrales thermonucléaires sera très faible en raison du faible coût de la matière première (eau). Le temps viendra où les centrales électriques produiront littéralement des océans d’électricité. Avec l'aide de cette électricité, il sera peut-être possible non seulement de changer radicalement les conditions de vie sur Terre - de refouler les rivières, d'assécher les marécages, les déserts d'eau - mais aussi de changer l'apparence de l'espace environnant - pour peupler et « faire revivre » la Lune, pour entourer Mars d’une atmosphère.
L'une des principales difficultés de ce chemin est la création d'un champ magnétique d'une géométrie et d'une ampleur données. Les champs magnétiques des pièges thermonucléaires modernes sont relativement faibles. Cependant, si l'on prend en compte les volumes énormes des chambres, l'absence de noyau ferromagnétique, ainsi que les exigences particulières liées à la forme du champ magnétique, qui compliquent la création de tels systèmes, il faut admettre que les pièges existants sont une grande prouesse technique.
Sur la base de ce qui précède, nous pouvons conclure qu'à l'heure actuelle, il n'existe aucune industrie dans laquelle un aimant ou le phénomène du magnétisme ne soit pas utilisé.
