Na samom začiatku práce bude užitočné uviesť niekoľko definícií a vysvetlení.
Ak na nejakom mieste pôsobí na pohybujúce sa telesá sila s nábojom, ktorý nepôsobí na stacionárne alebo beznábojové telesá, potom hovoria, že na tomto mieste je sila. magnetické pole
- jedna zo všeobecnejších foriem elektromagnetického poľa
.
Existujú telesá schopné okolo seba vytvárať magnetické pole (a na také teleso pôsobí sila magnetického poľa vraj sú zmagnetizované a majú magnetický moment, ktorý určuje schopnosť telesa vytvárať magnetické pole); . Takéto telesá sú tzv magnety
.
Je potrebné poznamenať, že rôzne materiály reagujú na vonkajšie magnetické pole odlišne.
Existujú materiály, ktoré v sebe oslabujú účinok vonkajšieho poľa – paramagnety a posilňovanie vonkajšieho poľa v sebe – diamagnetické materiály.
Existujú materiály s obrovskou schopnosťou (tisíckrát) zosilňovať vonkajšie pole vo svojom vnútri – železo, kobalt, nikel, gadolínium, zliatiny a zlúčeniny týchto kovov, tzv. - feromagnety.
Medzi feromagnetikmi sú materiály, ktoré sa po vystavení dostatočne silnému vonkajšiemu magnetickému poľu samy stanú magnetmi - sú to tvrdé magnetické materiály.
Existujú materiály, ktoré sústreďujú vonkajšie magnetické pole, a keď je aktívne, správajú sa ako magnety; ale ak vonkajšie pole zmizne, nestanú sa magnetmi - to je mäkké magnetické materiály
ÚVOD.
Na magnet sme si už zvykli a správame sa k nemu trochu povýšenecky ako k zastaralému atribútu školských hodín fyziky, niekedy ani netušíme, koľko magnetov je okolo nás. V našich bytoch sú desiatky magnetov: v elektrických holiacich strojčekoch, reproduktoroch, magnetofónoch, v hodinkách, nakoniec v nádobách s klincami. My sami sme tiež magnetmi: bioprúdy, ktoré v nás prúdia, vytvárajú okolo nás bizarný vzor magnetických siločiar. Zem, na ktorej žijeme, je obrovský modrý magnet. Slnko je žltá plazmová guľa - ešte grandióznejší magnet. Galaxie a hmloviny, sotva viditeľné cez ďalekohľady, sú magnety nepochopiteľnej veľkosti. Termonukleárna fúzia, magnetodynamická výroba elektriny, urýchľovanie nabitých častíc v synchrotrónoch, obnova potopených lodí – to všetko sú oblasti, kde sú potrebné obrovské magnety nebývalej veľkosti. Problém vytvárania silných, supersilných, ultrasilných a ešte silnejších magnetických polí sa stal jedným z hlavných v modernej fyzike a technike.
Magnet je človeku známy už od nepamäti. Dostali sme zmienky
o magnetoch a ich vlastnostiach v dielach Tálesa z Milétu (asi 600 pred Kr.) a Platóna (427 – 347 pred Kr.). Samotné slovo „magnet“ vzniklo v dôsledku skutočnosti, že prírodné magnety objavili Gréci v Magnesii (Tesália).
Prírodné (alebo prírodné) magnety sa v prírode vyskytujú vo forme ložísk magnetických rúd. Najväčší známy prírodný magnet sa nachádza na univerzite v Tartu. Jeho hmotnosť je 13 kg a je schopný zdvihnúť bremeno 40 kg.
Umelé magnety sú magnety vytvorené človekom na základe rôznych feromagnetiká. Takzvané „práškové“ magnety (vyrobené zo železa, kobaltu a niektorých ďalších prísad) dokážu udržať záťaž viac ako 5000-násobok svojej vlastnej hmotnosti.
Existujú dva rôzne typy umelých magnetov:
Niektoré sú tzv permanentné magnety , z " magneticky tvrdé » materiály. Ich magnetické vlastnosti nesúvisia s použitím externých zdrojov alebo prúdov.
Ďalším typom sú takzvané elektromagnety s jadrom vyrobeným z „ mäkké magnetické » železo. Magnetické polia, ktoré vytvárajú, sú spôsobené hlavne tým, že elektrický prúd prechádza drôtom vinutia obklopujúcim jadro.
V roku 1600 vyšla v Londýne kniha kráľovského lekára W. Gilberta „O magnete, magnetických telách a veľkom magnete – Zemi“. Táto práca bola prvým známym pokusom o štúdium magnetických javov z vedeckého hľadiska. Táto práca obsahuje vtedy dostupné informácie o elektrine a magnetizme, ako aj výsledky autorových vlastných experimentov.
Vo svojej práci sa pokúsim vysledovať, ako ľudia používajú magnety nie na vojnu, ale na mierové účely, vrátane použitia magnetov v biológii, medicíne a v každodennom živote.
KOMPAS, zariadenie na určovanie vodorovných smerov na zemi. Používa sa na určenie smeru, ktorým sa loď, lietadlo alebo pozemné vozidlo pohybuje; smer, ktorým chodec kráča; smery k nejakému objektu alebo orientačnému bodu. Kompasy sa delia na dve hlavné triedy: magnetické kompasy typu ukazovateľ, ktoré používajú topografi a turisti, a nemagnetické, ako je gyrokompas a rádiokompas.
Do 11. storočia odkazuje na posolstvo Číňanov Shen Kua a Chu Yu o výrobe kompasov z prírodných magnetov a ich využití v navigácii. Ak
Ak je dlhá ihla vyrobená z prírodného magnetu vyvážená na osi, ktorá jej umožňuje voľne sa otáčať v horizontálnej rovine, vždy smeruje jedným koncom na sever a druhým na juh. Označením konca smerujúceho na sever môžete použiť takýto kompas na určenie smeru.
Magnetické efekty boli sústredené na koncoch takejto ihly, a preto sa nazývali póly (severné a južné).
Magnety sa používajú najmä v elektrotechnike, rádiotechnike, výrobe prístrojov, automatizácii a telemechanike. Tu sa feromagnetické materiály používajú na výrobu magnetických obvodov, relé atď.
V roku 1820 G. Oersted (1777–1851) zistil, že vodič s prúdom pôsobí na magnetickú ihlu a otáča ju. Len o týždeň neskôr Ampere ukázal, že dva paralelné vodiče s prúdom v rovnakom smere sa navzájom priťahujú. Neskôr navrhol, že všetky magnetické javy sú spôsobené prúdmi a magnetické vlastnosti permanentných magnetov sú spojené s prúdmi, ktoré neustále cirkulujú vo vnútri týchto magnetov. Tento predpoklad je plne v súlade s modernými myšlienkami.
Elektrické strojové generátory a elektromotory - rotačné stroje, ktoré premieňajú buď mechanickú energiu na elektrickú energiu (generátory) alebo elektrickú energiu na mechanickú energiu (motory). Činnosť generátorov je založená na princípe elektromagnetickej indukcie: v drôte pohybujúcom sa v magnetickom poli sa indukuje elektromotorická sila (EMF). Činnosť elektromotorov je založená na skutočnosti, že sila pôsobí na vodič s prúdom umiestnený v priečnom magnetickom poli.
Magnetoelektrické zariadenia. Takéto zariadenia využívajú silu interakcie magnetického poľa s prúdom v závitoch vinutia pohyblivej časti, pričom majú tendenciu otáčať ju.
Indukčné elektromery. Indukčný merač nie je nič iné ako striedavý elektromotor s nízkym výkonom s dvoma vinutiami - prúdovým vinutím a napäťovým vinutím. Vodivý kotúč umiestnený medzi vinutiami sa otáča pod vplyvom krútiaceho momentu úmerného spotrebovanej energii. Tento krútiaci moment je vyvážený prúdmi indukovanými v disku permanentným magnetom, takže rýchlosť otáčania disku je úmerná spotrebe energie.
Elektrické náramkové hodinky napájaný miniatúrnou batériou. Na fungovanie vyžadujú oveľa menej častí ako mechanické hodinky; Obvod typických elektrických prenosných hodiniek teda obsahuje dva magnety, dva induktory a tranzistor.
Zámok - mechanické, elektrické alebo elektronické zariadenie, ktoré obmedzuje možnosť neoprávneného použitia niečoho. Zámok môže byť aktivovaný zariadením (kľúčom), ktorý má konkrétna osoba, informáciami (číselný alebo abecedný kód) zadanými touto osobou alebo nejakou individuálnou charakteristikou (napríklad vzor sietnice) tejto osoby. Zámok zvyčajne dočasne spája dve zostavy alebo dve časti dohromady v jednom zariadení. Zámky sú najčastejšie mechanické, ale čoraz častejšie sa používajú zámky elektromagnetické.
Magnetické zámky.
Niektoré modely cylindrických zámkov používajú magnetické prvky. Zámok a kľúč sú vybavené zodpovedajúcimi kódovými sadami permanentných magnetov. Keď je do kľúčovej dierky vložený správny kľúč, pritiahne a umiestni vnútorné magnetické prvky zámku, čo umožní zámku otvoriť.
Dynamometer - mechanické alebo elektrické zariadenie na meranie ťažnej sily alebo krútiaceho momentu stroja, obrábacieho stroja alebo motora.
Brzdové dynamometre prichádzajú v širokej škále dizajnov; Medzi ne patrí napríklad brzda Prony, hydraulické a elektromagnetické brzdy.
Elektromagnetický dynamometer môže byť vyrobený vo forme miniatúrneho zariadenia vhodného na meranie charakteristík motorov malých rozmerov.
Galvanometer– citlivý prístroj na meranie slabých prúdov. Galvanometer využíva krútiaci moment vytvorený interakciou permanentného magnetu v tvare podkovy s malou cievkou vedúcou prúd (slabý elektromagnet) zavesenou v medzere medzi pólmi magnetu. Krútiaci moment, a teda výchylka cievky je úmerná prúdu a celkovej magnetickej indukcii vo vzduchovej medzere, takže mierka prístroja je pri malých výchylkách cievky takmer lineárna. Zariadenia na ňom založené sú najbežnejším typom zariadení.
Sortiment vyrábaných prístrojov je široký a pestrý: rozvádzačové prístroje na jednosmerný a striedavý prúd (magnetoelektrické, magnetoelektrické s usmerňovačom a elektromagnetické systémy), kombinované prístroje, ampérvoltmetre, na diagnostiku a nastavovanie elektrických zariadení vozidiel, meranie teploty rovných plôch , prístroje na vybavenie školských tried, testery a merače rôznych elektrických parametrov
Výroba abrazíva - malé, tvrdé, ostré častice používané vo voľnej alebo viazanej forme na mechanické spracovanie (vrátane tvarovania, hrubovania, brúsenia, leštenia) rôznych materiálov a výrobkov z nich (od veľkých oceľových plátov až po preglejkové dosky, optické sklá a počítačové čipy). Brúsivá môžu byť prírodné alebo umelé. Pôsobenie abrazív sa redukuje na odstránenie časti materiálu z ošetrovaného povrchu. Pri výrobe umelých brúsiv sa ferosilícium prítomné v zmesi usadzuje na dne pece, ale malé množstvá sú vložené do abrazíva a neskôr odstránené magnetom.
Magnetické vlastnosti hmoty sú široko používané vo vede a technike ako prostriedok na štúdium štruktúry rôznych telies. Takto vznikli vedy:
Magnetochémia(magnetochémia) - odvetvie fyzikálnej chémie, ktoré študuje vzťah medzi magnetickými a chemickými vlastnosťami látok; Okrem toho magnetochémia študuje vplyv magnetických polí na chemické procesy. Magnetochémia je založená na modernej fyzike magnetických javov. Štúdium vzťahu medzi magnetickými a chemickými vlastnosťami umožňuje objasniť vlastnosti chemickej štruktúry látky.
Magnetická detekcia defektov, metóda na vyhľadávanie defektov, založená na štúdiu skreslení magnetického poľa, ktoré sa vyskytujú pri defektoch výrobkov vyrobených z feromagnetických materiálov.
. Mikrovlnná technológia
Ultra-vysoký frekvenčný rozsah (UHF) -
frekvenčný rozsah elektromagnetického žiarenia (100¸300 000 miliónov hertzov), ktorý sa nachádza v spektre medzi ultravysokými televíznymi frekvenciami a vzdialenými infračervenými frekvenciami
Pripojenie. Mikrovlnné rádiové vlny sú široko používané v komunikačných technológiách. Okrem rôznych vojenských rádiových systémov existuje vo všetkých krajinách sveta množstvo komerčných mikrovlnných komunikačných liniek. Pretože takéto rádiové vlny nesledujú zakrivenie zemského povrchu, ale postupujú v priamej línii, tieto komunikačné spojenia zvyčajne pozostávajú z reléových staníc inštalovaných na vrcholoch kopcov alebo rádiových veží v intervaloch asi 50 km.
Tepelné spracovanie potravinárskych výrobkov. Mikrovlnné žiarenie sa používa na tepelnú úpravu potravinárskych výrobkov v domácnostiach a v potravinárskom priemysle. Energiu generovanú vysokovýkonnými vákuovými trubicami je možné koncentrovať do malého objemu pre vysoko efektívne tepelné spracovanie produktov v tzv. mikrovlnné alebo mikrovlnné rúry, vyznačujúce sa čistotou, nehlučnosťou a kompaktnosťou. Takéto zariadenia sa používajú v leteckých kuchyniach, železničných jedálenských vozňoch a predajných automatoch, kde sa vyžaduje rýchla príprava jedla a varenie. Priemysel vyrába aj mikrovlnné rúry pre domáce použitie.
Rýchly pokrok v oblasti mikrovlnnej technológie je do značnej miery spojený s vynálezom špeciálnych vákuových zariadení - magnetrónu a klystronu, schopných generovať veľké množstvo mikrovlnnej energie. Generátor založený na konvenčnej vákuovej trióde, ktorý sa používa pri nízkych frekvenciách, sa v mikrovlnnej oblasti ukazuje ako veľmi neúčinný.
Magnetron. Magnetrón, vynájdený vo Veľkej Británii pred druhou svetovou vojnou, nemá tieto nevýhody, pretože je založený na úplne inom prístupe ku generovaniu mikrovlnného žiarenia - princíp dutinového rezonátora.
Magnetrón má niekoľko objemových rezonátorov umiestnených symetricky okolo katódy umiestnenej v strede. Zariadenie je umiestnené medzi pólmi silného magnetu.
Lampa s pohyblivou vlnou (TWT).Ďalším elektrovákuovým zariadením na generovanie a zosilňovanie elektromagnetických vĺn v mikrovlnnej oblasti je lampa s postupnou vlnou. Skladá sa z tenkej vákuovej trubice vloženej do zaostrovacej magnetickej cievky.
Urýchľovač častíc,
zariadenie, v ktorom sa pomocou elektrických a magnetických polí získavajú usmernené lúče elektrónov, protónov, iónov a iných nabitých častíc s energiou výrazne prevyšujúcou tepelnú energiu.
Moderné urýchľovače využívajú početné a rôznorodé typy technológií, vrátane. výkonné presné magnety.
Zástupcovia rôznych vied pri svojom výskume zohľadňujú magnetické polia. Fyzik meria magnetické polia atómov a elementárnych častíc, astronóm študuje úlohu kozmických polí v procese vzniku nových hviezd, geológ využíva anomálie v magnetickom poli Zeme na nájdenie ložísk magnetických rúd a v poslednej dobe biológia sa tiež aktívne podieľal na štúdiu a používaní magnetov.
Biologická veda prvá polovica 20. storočia s istotou popisovala životné funkcie, pričom nebrala do úvahy existenciu akýchkoľvek magnetických polí. Niektorí biológovia navyše považovali za potrebné zdôrazniť, že ani silné umelé magnetické pole nemá na biologické objekty žiadny vplyv.
Encyklopédie nehovorili nič o vplyve magnetických polí na biologické procesy. Každý rok sa vo vedeckej literatúre na celom svete objavovali ojedinelé pozitívne úvahy o tom či onom biologickom účinku magnetických polí. Tento slabý pramienok však nedokázal roztopiť ľadovec nedôvery ani v samotnom formulovaní problému... A zrazu sa pramienok zmenil na búrlivý prúd. Lavína magnetobiologických publikácií, akoby padala z nejakého vrcholu, sa od začiatku 60. rokov neustále zvyšovala a prehlušovala skeptické vyhlásenia.
Od alchymistov 16. storočia až po súčasnosť si biologický účinok magnetu mnohokrát našiel obdivovateľov a kritikov. V priebehu niekoľkých storočí opakovane dochádzalo k prudkým nárastom a poklesom záujmu o liečivé účinky magnetov. S jeho pomocou sa pokúšali liečiť (a nie bez úspechu) nervové choroby, bolesti zubov, nespavosť, bolesti pečene a žalúdka – stovky chorôb.
Na lekárske účely sa magnety začali používať pravdepodobne skôr ako na určovanie svetových strán.
Ako miestny vonkajší liek a ako amulet sa magnet tešil veľkému úspechu medzi Číňanmi, Indmi, Egypťanmi a Arabmi. GRÉCI, Rimania atď. Filozof Aristoteles a historik Plínius spomínajú vo svojich dielach jeho liečivé vlastnosti.
V druhej polovici 20. storočia sa rozšírili magnetické náramky, ktoré priaznivo pôsobili na pacientov s poruchami krvného tlaku (hypertenzia a hypotenzia).
Okrem permanentných magnetov sa používajú aj elektromagnety. Používajú sa aj pri širokej škále problémov vo vede, technike, elektronike, medicíne (nervové ochorenia, cievne ochorenia končatín, kardiovaskulárne ochorenia, rakovina).
Vedci sa prikláňajú predovšetkým k názoru, že magnetické polia zvyšujú odolnosť organizmu.
Existujú elektromagnetické merače rýchlosti krvi, miniatúrne kapsuly, ktoré je možné pomocou vonkajších magnetických polí posúvať cez cievy a rozširovať ich, odoberať vzorky v určitých častiach cesty, alebo naopak lokálne odstraňovať rôzne lieky z kapsúl.
Magnetická metóda na odstraňovanie kovových častíc z oka je široko používaná.
Väčšina z nás pozná štúdium funkcie srdca pomocou elektrických senzorov – elektrokardiogramu. Elektrické impulzy generované srdcom vytvárajú magnetické pole srdca, ktoré je v maximálnych hodnotách 10-6 sily magnetického poľa Zeme. Hodnota magnetokardiografie je v tom, že umožňuje získať informácie o elektricky „tichých“ oblastiach srdca.
Treba poznamenať, že biológovia teraz žiadajú fyzikov, aby predložili teóriu primárneho mechanizmu biologického pôsobenia magnetického poľa, a fyzici v reakcii požadujú od biológov viac overených biologických faktov. Je zrejmé, že úzka spolupráca medzi rôznymi odborníkmi bude úspešná.
Dôležitým článkom spájajúcim magnetobiologické problémy je reakcia nervového systému na magnetické polia. Je to mozog, ktorý ako prvý reaguje na akékoľvek zmeny vonkajšieho prostredia. Práve štúdium jeho reakcií bude kľúčom k riešeniu mnohých problémov magnetobiológie.
Najjednoduchší záver, ktorý možno z vyššie uvedeného vyvodiť, je, že neexistuje oblasť aplikovanej ľudskej činnosti, kde by sa magnety nepoužívali.
Referencie:
1) TSB, druhé vydanie, Moskva, 1957.
3) Materiály z internetovej encyklopédie
4) Putilov K.A. „Fyzikálny kurz“, „Fizmatgiz“, Moskva, 1964.
Čo je permanentný magnet
Feromagnetický produkt, ktorý si po odstránení vonkajšieho magnetického poľa dokáže zachovať výraznú zvyškovú magnetizáciu, sa nazýva permanentný magnet. Permanentné magnety sa vyrábajú z rôznych kovov, ako je kobalt, železo, nikel, zliatiny vzácnych zemín (pre neodýmové magnety), ako aj z prírodných minerálov, ako sú magnetity.
Rozsah použitia permanentných magnetov je dnes veľmi široký, ale ich účel je v podstate všade rovnaký – ako zdroj konštantného magnetického poľa bez dodávky elektriny. Magnet je teda teleso, ktoré má svoje vlastné.
Samotné slovo „magnet“ pochádza z gréckej frázy, ktorá sa prekladá ako „kameň z Magnézie“, podľa názvu ázijského mesta, kde boli v staroveku objavené ložiská magnetitu – magnetickej železnej rudy. Z fyzikálneho hľadiska je elementárny magnet elektrón a magnetické vlastnosti magnetov sú vo všeobecnosti určené magnetickými momentmi elektrónov, ktoré sú súčasťou magnetizovaného materiálu.
Charakteristiky demagnetizačnej časti materiálu, z ktorého je permanentný magnet vyrobený, určujú vlastnosti konkrétneho permanentného magnetu: čím vyššia je koercitívna sila Hc a čím vyššia je zvyšková magnetická indukcia Br, tým silnejší a stabilnejší je magnet.
Koercitívna sila (v doslovnom preklade z latinčiny - „prídržná sila“) je to, čo je potrebné na úplnú demagnetizáciu fero- alebo ferimagnetickej látky. Čím väčšiu koercitívnu silu konkrétny magnet má, tým je odolnejší voči demagnetizačným faktorom.
Jednotkou donucovacej sily je ampér/meter. A, ako je známe, je vektorová veličina, ktorá je silová charakteristika magnetického poľa. Charakteristická hodnota zvyškovej magnetickej indukcie permanentných magnetov je asi 1 Tesla.
Druhy a vlastnosti permanentných magnetov
Ferit
Feritové magnety, aj keď sú krehké, majú dobrú odolnosť proti korózii, vďaka čomu sú najbežnejšie za nízku cenu. Takéto magnety sú vyrobené zo zliatiny oxidu železa s báriom alebo feritom stroncia. Toto zloženie umožňuje materiálu zachovať si svoje magnetické vlastnosti v širokom rozsahu teplôt - od -30°C do +270°C.
Magnetické výrobky vo forme feritových krúžkov, tyčí a podkov sú široko používané v priemysle aj v každodennom živote, v technike a elektronike. Používajú sa v akustických systémoch, generátoroch atď. V automobilovom priemysle sa feritové magnety používajú v štartéroch, ovládačoch okien, chladiacich systémoch a ventilátoroch.
Feritové magnety majú koercitívnu silu približne 200 kA/m a zvyškovú magnetickú indukciu približne 0,4 Tesla. V priemere môže feritový magnet trvať 10 až 30 rokov.
Alnico (hliník-nikel-kobalt)
Permanentné magnety na báze zliatiny hliníka, niklu a kobaltu sa vyznačujú neprekonateľnou teplotnou odolnosťou a stabilitou: sú schopné udržať si svoje magnetické vlastnosti pri teplotách do +550°C, hoci koercitívna charakteristika je pre nich relatívne nízka. Vplyvom relatívne malého magnetického poľa takéto magnety stratia svoje pôvodné magnetické vlastnosti.
Posúďte sami: typická koercitívna sila je asi 50 kA/m so zvyškovou magnetizáciou asi 0,7 Tesla. Avšak aj napriek tejto vlastnosti sú alnico magnety pre niektoré vedecké výskumy nevyhnutné.
Typický obsah vysoko magnetických alniko zliatin sa pohybuje od 7 do 10 % hliníka, 12 až 15 % niklu, 18 až 40 % kobaltu a 3 až 4 % medi.
Čím viac kobaltu, tým vyššia je indukcia nasýtenia a magnetická energia zliatiny. Aditíva vo forme 2 až 8 % titánu a len 1 % nióbu pomáhajú získať vyššiu donucovaciu silu – až 145 kA/m. Prídavok 0,5 až 1 % kremíka zaisťuje izotropné magnetické vlastnosti.
Samariaceae
Ak potrebujete výnimočnú odolnosť voči korózii, oxidácii a teplotám do +350°C, potom je potrebná magnetická zliatina samária s kobaltom.
Čo sa týka nákladov, samárium-kobaltové magnety sú drahšie ako neodýmové magnety kvôli vzácnejšiemu a drahšiemu kovu – kobaltu. Je však vhodné ich použiť, ak je potrebné mať minimálne rozmery a hmotnosť finálnych produktov.
To je najvhodnejšie v kozmických lodiach, letectve a počítačovom vybavení, miniatúrnych elektromotoroch a magnetických spojkách, v nositeľných nástrojoch a zariadeniach (hodinky, slúchadlá, mobilné telefóny atď.)
Vďaka svojej špeciálnej odolnosti proti korózii sa samáriové magnety používajú v strategickom vývoji a vojenských aplikáciách. Elektromotory, generátory, zdvíhacie systémy, motocykle - silný magnet zo samáriovo-kobaltovej zliatiny je ideálny do agresívneho prostredia a sťažených prevádzkových podmienok. Koercitívna sila je asi 700 kA/m so zvyškovou magnetickou indukciou asi 1 Tesla.
Neodym
Neodymové magnety sú dnes veľmi žiadané a zdajú sa byť najsľubnejšie. Zliatina neodýmu, železa a bóru umožňuje vytvárať supermagnety pre rôzne aplikácie, od západiek a hračiek až po výkonné zdvíhacie stroje.
Vysoká koercitívna sila rádovo 1000 kA/m a zvyšková magnetizácia rádovo 1,1 Tesla umožňujú uchovanie magnetu na mnoho rokov počas 10 rokov, neodýmový magnet stráca pri nižšej teplote iba 1 % magnetizácie prevádzkové podmienky nepresahujú +80°C (u niektorých značiek až +200°C). Neodymové magnety teda majú len dve nevýhody – krehkosť a nízku prevádzkovú teplotu.
Magnetický prášok spolu s väzbovou zložkou tvorí mäkký, pružný a ľahký magnet. Viazacie komponenty ako vinyl, guma, plast alebo akryl umožňujú získať magnety rôznych tvarov a veľkostí.
Magnetická sila je, samozrejme, nižšia ako čistý magnetický materiál, ale niekedy sú takéto riešenia potrebné na dosiahnutie určitých účelov neobvyklých pre magnety: pri výrobe reklamných produktov, pri výrobe odnímateľných nálepiek na autá, ako aj pri výrobe. rôznych papiernických a suvenírových výrobkov.
Rovnako ako póly magnetov sa odpudzujú a na rozdiel od pólov sa priťahujú. Interakcia magnetov sa vysvetľuje skutočnosťou, že každý magnet má magnetické pole a tieto magnetické polia sa navzájom ovplyvňujú. Aký je napríklad dôvod magnetizácie železa?
Podľa hypotézy francúzskeho vedca Ampere existujú vo vnútri hmoty elementárne elektrické prúdy (Ampérové prúdy), ktoré vznikajú v dôsledku pohybu elektrónov okolo jadier atómov a okolo vlastnej osi.
Pri pohybe elektrónov vznikajú elementárne magnetické polia. A ak sa kus železa dostane do vonkajšieho magnetického poľa, potom všetky elementárne magnetické polia v tomto železe sú orientované rovnako vo vonkajšom magnetickom poli, čím sa vytvorí vlastné magnetické pole kusu železa. Ak teda bolo aplikované vonkajšie magnetické pole dostatočne silné, tak po jeho vypnutí sa z kusu železa stane permanentný magnet.
Poznanie tvaru a magnetizácie permanentného magnetu nám umožňuje nahradiť ho pre výpočty ekvivalentným systémom elektrických magnetizačných prúdov. Takáto náhrada je možná tak pri výpočte charakteristík magnetického poľa, ako aj pri výpočte síl pôsobiacich na magnet z vonkajšieho poľa. Ako príklad si vypočítajme silu interakcie medzi dvoma permanentnými magnetmi.
Nech majú magnety tvar tenkých valcov, ich polomery označíme r1 a r2, ich hrúbky budú h1, h2, osi magnetov sa zhodujú, vzdialenosť medzi magnetmi označíme z a budeme predpokladať že je podstatne väčšia ako rozmery magnetov.
Vznik interakčnej sily medzi magnetmi sa vysvetľuje tradičným spôsobom: jeden magnet vytvára magnetické pole, ktoré ovplyvňuje druhý magnet.
Na výpočet interakčnej sily mentálne nahraďme magnety s rovnomernou magnetizáciou J1 a J2 s kruhovými prúdmi prúdiacimi po bočnom povrchu valcov. Sily týchto prúdov vyjadríme magnetizáciou magnetov a ich polomery budeme považovať za rovnaké ako polomery magnetov.
Rozložme indukčný vektor B magnetického poľa vytvoreného prvým magnetom v mieste druhého na dve zložky: axiálnu, smerujúcu pozdĺž osi magnetu, a radiálnu, na ňu kolmú.
Na výpočet celkovej sily pôsobiacej na prstenec je potrebné ju mentálne rozdeliť na malé prvky IΔl a sčítať sily pôsobiace na každý takýto prvok.
Pomocou pravidla ľavej ruky je ľahké ukázať, že axiálna zložka magnetického poľa vedie k vzniku ampérových síl, ktoré majú tendenciu naťahovať (alebo stláčať) krúžok - vektorový súčet týchto síl je nulový.
Prítomnosť radiálnej zložky poľa vedie k vzniku ampérových síl nasmerovaných pozdĺž osi magnetov, to znamená k ich priťahovaniu alebo odpudzovaniu. Zostáva vypočítať ampérové sily - budú to sily interakcie medzi dvoma magnetmi.
Na samom začiatku práce bude užitočné uviesť niekoľko definícií a vysvetlení.
Ak na nejakom mieste pôsobí na pohybujúce sa telesá sila s nábojom, ktorý nepôsobí na stacionárne alebo beznábojové telesá, potom hovoria, že na tomto mieste je sila. magnetické pole jedna zo všeobecnejších foriem elektromagnetického poľa .
Existujú telesá schopné okolo seba vytvárať magnetické pole (a na také teleso pôsobí sila magnetického poľa vraj sú zmagnetizované a majú magnetický moment, ktorý určuje schopnosť telesa vytvárať magnetické pole); . Takéto telesá sú tzv magnety .
Je potrebné poznamenať, že rôzne materiály reagujú na vonkajšie magnetické pole odlišne.
Existujú materiály, ktoré v sebe oslabujú účinok vonkajšieho poľa paramagnety a posilňovanie vonkajšieho poľa v sebe diamagnetické materiály .
Existujú materiály s obrovskou schopnosťou (tisíckrát) zosilňovať vonkajšie pole vo svojom vnútri – železo, kobalt, nikel, gadolínium, zliatiny a zlúčeniny týchto kovov, tzv. feromagnetiká .
Medzi feromagnetikmi sú materiály, ktoré sa po vystavení dostatočne silnému vonkajšiemu magnetickému poľu samy stanú magnetmi. tvrdé magnetické materiály.
Existujú materiály, ktoré sústreďujú vonkajšie magnetické pole, a keď je aktívne, správajú sa ako magnety; ale ak vonkajšie pole zmizne, nestanú sa magnetmi mäkké magnetické materiály
ÚVOD.
Na magnet sme si už zvykli a správame sa k nemu trochu povýšenecky ako k zastaralému atribútu školských hodín fyziky, niekedy ani netušíme, koľko magnetov je okolo nás. V našich bytoch sú desiatky magnetov: v elektrických holiacich strojčekoch, reproduktoroch, magnetofónoch, v hodinkách, nakoniec v nádobách s klincami. My sami sme tiež magnetmi: bioprúdy, ktoré v nás prúdia, vytvárajú okolo nás bizarný vzor magnetických siločiar. Zem, na ktorej žijeme, je obrovský modrý magnet. Slnko je žltá plazmová guľa, magnet, ktorý je ešte grandióznejší. Galaxie a hmloviny, sotva viditeľné cez ďalekohľady, sú magnety nepochopiteľnej veľkosti. Termonukleárna fúzia, magnetodynamická výroba elektriny, urýchľovanie nabitých častíc v synchrotrónoch, obnova potopených lodí – to všetko sú oblasti, kde sú potrebné obrovské magnety nebývalej veľkosti. Problém vytvárania silných, supersilných, ultrasilných a ešte silnejších magnetických polí sa stal jedným z hlavných v modernej fyzike a technike.
Magnet je človeku známy už od nepamäti. Dostali sme zmienky
o magnetoch a ich vlastnostiach v dielach Tálesa z Milétu (cca 600 pred Kr.) a Platóna (427 347 pred Kr.). Samotné slovo magnet vzniklo vďaka tomu, že prírodné magnety objavili Gréci v Magnesii (Tesália).
Prírodné (alebo prírodné) magnety sa v prírode vyskytujú vo forme ložísk magnetických rúd. Najväčší známy prírodný magnet sa nachádza na univerzite v Tartu. Jeho hmotnosť je 13 kg a je schopný zdvihnúť bremeno 40 kg.
Umelé magnety sú magnety vytvorené človekom na základe rôznych feromagnetiká. Takzvané práškové magnety (vyrobené zo železa, kobaltu a niektorých ďalších prísad) dokážu udržať záťaž viac ako 5000-násobok svojej vlastnej hmotnosti.
Existujú dva rôzne typy umelých magnetov:
Niektoré tzv permanentné magnety , z magneticky tvrdé materiálov. Ich magnetické vlastnosti nesúvisia s použitím externých zdrojov alebo prúdov.
Ďalším typom sú takzvané elektromagnety s jadrom vyrobeným z mäkké magnetické žľaza. Magnetické polia, ktoré vytvárajú, sú spôsobené hlavne tým, že elektrický prúd prechádza drôtom vinutia obklopujúcim jadro.
V roku 1600 vyšla v Londýne kniha kráľovského lekára W. Gilberta „O magnete, magnetických telách a veľkom magnete – Zemi“. Táto práca bola prvým známym pokusom o štúdium magnetických javov z vedeckého hľadiska. Táto práca obsahuje vtedy dostupné informácie o elektrine a magnetizme, ako aj výsledky autorových vlastných experimentov.
Zo všetkého, s čím sa človek stretáva, sa v prvom rade snaží získať praktický úžitok. Tomuto osudu neunikol ani magnet.
Vo svojej práci sa pokúsim vysledovať, ako ľudia používajú magnety nie na vojnu, ale na mierové účely, vrátane použitia magnetov v biológii, medicíne a v každodennom živote.
KOMPAS, zariadenie na určovanie vodorovných smerov na zemi. Používa sa na určenie smeru, ktorým sa loď, lietadlo alebo pozemné vozidlo pohybuje; smer, ktorým chodec kráča; smery k nejakému objektu alebo orientačnému bodu. Kompasy sa delia na dve hlavné triedy: magnetické kompasy typu ukazovateľ, ktoré používajú topografi a turisti, a nemagnetické, ako je gyrokompas a rádiokompas.
Do 11. storočia odkazuje na posolstvo Číňanov Shen Kua a Chu Yu o výrobe kompasov z prírodných magnetov a ich využití v navigácii. Ak
Doma, v práci, vo vlastnom aute alebo v MHD sme obklopení rôznymi druhmi magnetov. Poháňajú motory, senzory, mikrofóny a mnoho ďalších bežných vecí. Okrem toho sa v každej oblasti používajú zariadenia s rôznymi vlastnosťami a vlastnosťami. Vo všeobecnosti sa rozlišujú tieto typy magnetov:
Aké druhy magnetov existujú?
Elektromagnety. Konštrukcia takýchto výrobkov pozostáva zo železného jadra, na ktorom sú navinuté závity drôtu. Aplikáciou elektrického prúdu s rôznymi parametrami veľkosti a smeru je možné získať magnetické polia požadovanej sily a polarity.
Názov tejto skupiny magnetov je skratkou názvov jej komponentov: hliník, nikel a kobalt. Hlavnou výhodou alnico zliatiny je neprekonateľná teplotná stabilita materiálu. Iné typy magnetov sa nemôžu pochváliť možnosťou použitia pri teplotách do +550 ⁰ C. Zároveň sa tento ľahký materiál vyznačuje slabou koercitívnou silou. To znamená, že pri vystavení silnému vonkajšiemu magnetickému poľu sa môže úplne odmagnetizovať. Zároveň je alnico vďaka svojej dostupnej cene nepostrádateľným riešením v mnohých vedeckých a priemyselných odvetviach.
Moderné magnetické produkty
Takže sme vytriedili zliatiny. Teraz prejdime k tomu, aké typy magnetov existujú a aké využitie môžu nájsť v bežnom živote. V skutočnosti existuje pre takéto produkty veľké množstvo možností:
3) Kancelárske magnety. Magnetické tabule sa používajú na prezentácie a plánovacie stretnutia, ktoré umožňujú jasne a podrobne prezentovať akékoľvek informácie. Mimoriadne sa osvedčujú aj v školských triedach a univerzitných učebniach.
Magnety sa používajú najmä v elektrotechnike, rádiotechnike, výrobe prístrojov, automatizácii a telemechanike. Tu sa feromagnetické materiály používajú na výrobu magnetických obvodov, relé atď. .
Generátory elektrických strojov a elektromotory sú rotačné stroje, ktoré premieňajú buď mechanickú energiu na elektrickú energiu (generátory) alebo elektrickú energiu na mechanickú energiu (motory). Činnosť generátorov je založená na princípe elektromagnetickej indukcie: v drôte pohybujúcom sa v magnetickom poli sa indukuje elektromotorická sila (EMF). Činnosť elektromotorov je založená na skutočnosti, že sila pôsobí na vodič s prúdom umiestnený v priečnom magnetickom poli.
Magnetoelektrické zariadenia. Takéto zariadenia využívajú silu interakcie medzi magnetickým poľom a prúdom v závitoch vinutia pohyblivej časti, ktorá má tendenciu otáčať ju.
Indukčné elektromery. Indukčný merač nie je nič iné ako striedavý elektromotor s nízkym výkonom s dvoma vinutiami - prúdovým vinutím a napäťovým vinutím. Vodivý kotúč umiestnený medzi vinutiami sa otáča pod vplyvom krútiaceho momentu úmerného spotrebovanej energii. Tento krútiaci moment je vyvážený prúdmi indukovanými v disku permanentným magnetom, takže rýchlosť otáčania disku je úmerná spotrebe energie.
Elektrické náramkové hodinky sú napájané miniatúrnou batériou. Na fungovanie vyžadujú oveľa menej častí ako mechanické hodinky; Obvod typických elektrických prenosných hodiniek teda obsahuje dva magnety, dva induktory a tranzistor.
Dynamometer - mechanické alebo elektrické zariadenie na meranie ťažnej sily alebo krútiaceho momentu stroja, obrábacieho stroja alebo motora.
Brzdové dynamometre sa dodávajú v rôznych prevedeniach; Medzi ne patrí napríklad brzda Prony, hydraulické a elektromagnetické brzdy.
Elektromagnetický dynamometer môže byť vyrobený vo forme miniatúrneho zariadenia vhodného na meranie charakteristík motorov malých rozmerov.
Galvanometer je citlivý prístroj na meranie slabých prúdov. Galvanometer využíva krútiaci moment vytvorený interakciou permanentného magnetu v tvare podkovy s malou cievkou vedúcou prúd (slabý elektromagnet) zavesenou v medzere medzi pólmi magnetu. Krútiaci moment, a teda výchylka cievky je úmerná prúdu a celkovej magnetickej indukcii vo vzduchovej medzere, takže mierka prístroja je pri malých výchylkách cievky takmer lineárna. Zariadenia na ňom založené sú najbežnejším typom zariadení.
Magnetické vlastnosti hmoty sú široko používané vo vede a technike ako prostriedok na štúdium štruktúry rôznych telies. Takto vznikla veda:
Magnetochémia je odvetvie fyzikálnej chémie, ktoré študuje vzťah medzi magnetickými a chemickými vlastnosťami látok; Okrem toho magnetochémia študuje vplyv magnetických polí na chemické procesy. Magnetochémia je založená na modernej fyzike magnetických javov. Štúdium vzťahu medzi magnetickými a chemickými vlastnosťami umožňuje objasniť vlastnosti chemickej štruktúry látky.
Magnetická detekcia defektov, metóda vyhľadávania defektov založená na štúdiu skreslení magnetického poľa, ktoré vznikajú pri defektoch výrobkov z feromagnetických materiálov.
Urýchľovač častíc, zariadenie, v ktorom sa pomocou elektrických a magnetických polí získavajú usmernené lúče elektrónov, protónov, iónov a iných nabitých častíc s energiou výrazne prevyšujúcou tepelnú energiu.
Moderné urýchľovače využívajú početné a rôznorodé typy technológií, vrátane. výkonné presné magnety.
Urýchľovače zohrávajú dôležitú praktickú úlohu v liečebnej terapii a diagnostike. Mnoho nemocníc po celom svete má dnes k dispozícii malé elektrónové lineárne urýchľovače, ktoré generujú intenzívne röntgenové lúče používané na liečbu nádorov. V menšej miere sa využívajú cyklotróny alebo synchrotróny generujúce zväzky protónov. Výhodou protónov oproti röntgenovému žiareniu pri liečbe nádorov je viac lokalizované uvoľňovanie energie. Preto je protónová terapia účinná najmä pri liečbe nádorov mozgu a očí, kde by poškodenie okolitého zdravého tkaniva malo byť čo najmenšie.
Zástupcovia rôznych vied pri svojom výskume zohľadňujú magnetické polia. Fyzik meria magnetické polia atómov a elementárnych častíc, astronóm študuje úlohu kozmických polí v procese vzniku nových hviezd, geológ využíva anomálie v magnetickom poli Zeme na nájdenie ložísk magnetických rúd a v poslednej dobe biológia sa tiež aktívne podieľal na štúdiu a používaní magnetov.
Biologická veda prvej polovice 20. storočia s istotou popisovala životné funkcie bez toho, aby brala do úvahy existenciu akýchkoľvek magnetických polí. Niektorí biológovia navyše považovali za potrebné zdôrazniť, že ani silné umelé magnetické pole nemá na biologické objekty žiadny vplyv.
Encyklopédie nehovorili nič o vplyve magnetických polí na biologické procesy. Každý rok sa vo vedeckej literatúre na celom svete objavovali ojedinelé pozitívne úvahy o tom či onom biologickom účinku magnetických polí. Tento slabý pramienok však nedokázal roztopiť ľadovec nedôvery ani v samotnom formulovaní problému... A zrazu sa pramienok zmenil na búrlivý prúd. Lavína magnetobiologických publikácií, akoby padala z nejakého vrcholu, sa od začiatku 60. rokov neustále zvyšovala a prehlušovala skeptické vyhlásenia.
Od alchymistov 16. storočia až po súčasnosť si biologický účinok magnetu mnohokrát našiel obdivovateľov a kritikov. V priebehu niekoľkých storočí opakovane dochádzalo k prudkým nárastom a poklesom záujmu o liečivé účinky magnetov. S jeho pomocou sa pokúšali liečiť (a nie neúspešne) nervové choroby, bolesti zubov, nespavosť, bolesti pečene a žalúdka – stovky chorôb.
Na lekárske účely sa magnety začali používať pravdepodobne skôr ako na určovanie svetových strán.
Ako miestny vonkajší prostriedok a ako amulet sa magnet tešil veľkému úspechu medzi Číňanmi, Hindmi, Egypťanmi, Arabmi, Grékmi, Rimanmi atď. Filozof Aristoteles a historik Plínius spomínajú vo svojich dielach jeho liečivé vlastnosti.
V druhej polovici 20. storočia sa rozšírili magnetické náramky, ktoré priaznivo pôsobili na pacientov s poruchami krvného tlaku (hypertenzia a hypotenzia).
Okrem permanentných magnetov sa používajú aj elektromagnety. Používajú sa aj pri širokej škále problémov vo vede, technike, elektronike, medicíne (nervové ochorenia, cievne ochorenia končatín, kardiovaskulárne ochorenia, rakovina).
Vedci sa prikláňajú predovšetkým k názoru, že magnetické polia zvyšujú odolnosť organizmu.
Existujú elektromagnetické merače rýchlosti krvi, miniatúrne kapsuly, ktoré je možné pomocou vonkajších magnetických polí posúvať cez cievy a rozširovať ich, odoberať vzorky v určitých častiach cesty, alebo naopak lokálne odstraňovať rôzne lieky z kapsúl.
Magnetická metóda na odstraňovanie kovových častíc z oka je široko používaná.
Väčšina z nás pozná štúdium funkcie srdca pomocou elektrických senzorov – elektrokardiogramu. Elektrické impulzy generované srdcom vytvárajú magnetické pole srdca, ktoré je v maximálnych hodnotách 10-6 sily magnetického poľa Zeme. Hodnota magnetokardiografie je v tom, že umožňuje získať informácie o elektricky „tichých“ oblastiach srdca.
Treba poznamenať, že biológovia teraz žiadajú fyzikov, aby predložili teóriu primárneho mechanizmu biologického pôsobenia magnetického poľa, a fyzici v reakcii požadujú od biológov viac overených biologických faktov. Je zrejmé, že úzka spolupráca medzi rôznymi odborníkmi bude úspešná.
Dôležitým článkom spájajúcim magnetobiologické problémy je reakcia nervového systému na magnetické polia. Je to mozog, ktorý ako prvý reaguje na akékoľvek zmeny vonkajšieho prostredia. Práve štúdium jeho reakcií bude kľúčom k riešeniu mnohých problémov magnetobiológie.
Spomedzi technologických revolúcií konca 20. storočia je jednou z najdôležitejších prechod spotrebiteľov na jadrové palivo. Opäť sa do centra pozornosti dostali magnetické polia. Iba oni budú môcť obmedziť rozbúrenú plazmu v „pokojnej“ termonukleárnej reakcii, ktorá by mala nahradiť štiepne reakcie jadier rádioaktívneho uránu a tória.
Čo by ste ešte spálili? - otázka, ktorá vždy potrápi pracovníkov v energetike, je obsedantný refrén. Pomerne dlho nám pomáhalo palivové drevo, ktoré má však nízku spotrebu energie, a preto je civilizácia spaľujúca drevo primitívna. Naše súčasné bohatstvo je založené na spaľovaní fosílnych palív, no ľahko dostupné zásoby ropy, uhlia a zemného plynu sa pomaly, ale isto míňajú. Chtiac nechtiac musíme preorientovať palivovú a energetickú bilanciu krajiny na niečo iné. V budúcom storočí bude treba zachovať zvyšky organického paliva pre surovinové potreby chémie. A hlavnou energetickou surovinou, ako je známe, bude jadrové palivo.
Myšlienka magnetickej tepelnej izolácie plazmy je založená na známej vlastnosti elektricky nabitých častíc pohybujúcich sa v magnetickom poli ohýbať svoju trajektóriu a pohybovať sa po špirále siločiar. Toto zakrivenie trajektórie v nerovnomernom magnetickom poli vedie k tomu, že častica je tlačená do oblasti, kde je magnetické pole slabšie. Úlohou je obklopiť plazmu zo všetkých strán silnejším poľom. Tento problém sa rieši v mnohých laboratóriách po celom svete. Magnetické zadržiavanie plazmy objavili sovietski vedci, ktorí v roku 1950 navrhli zadržiavať plazmu v takzvaných magnetických pasciach (alebo, ako sa často nazývajú, magnetických fľašiach).
Príkladom veľmi jednoduchého systému na magnetické zadržiavanie plazmy je pasca s magnetickými zátkami alebo zrkadlami (mirror trap). Systém je dlhé potrubie, v ktorom sa vytvára pozdĺžne magnetické pole. Na koncoch potrubia sú navinuté masívnejšie vinutia ako v strede. To vedie k tomu, že siločiary magnetického poľa na koncoch potrubia sú hustejšie a magnetické pole v týchto oblastiach je silnejšie. Častica zachytená v magnetickej fľaši teda nemôže opustiť systém, pretože by musela prekročiť siločiary a vplyvom Lorentzovej sily sa na ne „navinúť“. Na tomto princípe bola postavená obrovská magnetická pasca zariadenia Ogra-1, spustená v Ústave atómovej energie pomenovanej po I.V. Kurchatov v roku 1958. Vákuová komora Ogra-1 má dĺžku 19 m s vnútorným priemerom 1,4 m Stredný priemer vinutia vytvárajúceho magnetické pole je 1,8 m, intenzita poľa v strede komory je 0,5 T. , v zápchach 0,8 T.
Náklady na elektrinu získanú z termonukleárnych elektrární budú veľmi nízke vzhľadom na nízke náklady na surovinu (vodu). Príde čas, keď budú elektrárne vyrábať doslova oceány elektriny. S pomocou tejto elektriny bude možno možno nielen radikálne zmeniť podmienky života na Zemi - vrátiť rieky, odvodniť močiare, vodné púšte - ale aj zmeniť vzhľad okolitého vesmíru. osídliť a „oživiť“ Mesiac, aby obklopil Mars atmosférou.
Jednou z hlavných ťažkostí na tejto ceste je vytvorenie magnetického poľa danej geometrie a veľkosti. Magnetické polia v moderných termonukleárnych lapačoch sú relatívne malé. Ak však vezmeme do úvahy obrovské objemy komôr, absenciu feromagnetického jadra, ako aj špeciálne požiadavky na tvar magnetického poľa, ktoré komplikujú vytváranie takýchto systémov, musíme priznať, že existujúce pasce sú veľkým technickým úspechom.
Na základe vyššie uvedeného môžeme konštatovať, že v súčasnosti neexistuje odvetvie, v ktorom by sa magnet alebo fenomén magnetizmu nevyužíval.
