Magnes - Magnet

A „ podkowa magnes ” wykonane z Alnico , stop żelaza. Magnes, wykonany w kształcie podkowy , ma dwa bieguny magnetyczne blisko siebie. Ten kształt tworzy silne pole magnetyczne między biegunami, pozwalając magnesowi na podniesienie ciężkiego kawałka żelaza.
Linie pola magnetycznego o cewki elektromagnesu , które są podobne do magnesu, jak zilustrowano poniżej z opiłkami

Magnes jest materiał lub przedmiot, który wytwarza pole magnetyczne . To pole magnetyczne jest niewidoczne, ale odpowiada za najbardziej znaczącą właściwość magnesu: siłę, która przyciąga inne materiały ferromagnetyczne , takie jak żelazo , stal , nikiel , kobalt itp. i przyciąga lub odpycha inne magnesy.

Magnes trwały jest obiekt wykonany z materiału, który jest namagnetyzowanej i tworzy własny trwałe pole magnetyczne. Przykładem codziennego użytku jest magnes na lodówkę używany do przechowywania notatek na drzwiach lodówki. Materiały, które można namagnesować, a także te, które są silnie przyciągane przez magnes, nazywane są ferromagnetycznymi (lub ferrimagnetycznymi ). Należą do nich pierwiastki żelaza , niklu i kobaltu oraz ich stopy, niektóre stopy metali ziem rzadkich oraz niektóre naturalnie występujące minerały, takie jak lodowód . Chociaż materiały ferromagnetyczne (i ferrimagnetyczne) są jedynymi, które przyciągają magnes na tyle silnie, że są powszechnie uważane za magnetyczne, wszystkie inne substancje reagują słabo na pole magnetyczne, przez jeden z kilku innych rodzajów magnetyzmu .

Materiały ferromagnetyczne można podzielić na magnetycznie „miękkie” materiały, takie jak wyżarzone żelazo , które można namagnesować, ale nie mają tendencji do pozostawania namagnesowanym, oraz magnetycznie „twarde” materiały, które tak. Magnesy trwałe są wykonane z „twardych” materiałów ferromagnetycznych, takich jak alnico i ferryt, które są poddawane specjalnej obróbce w silnym polu magnetycznym podczas produkcji w celu wyrównania ich wewnętrznej struktury mikrokrystalicznej , co czyni je bardzo trudnymi do rozmagnesowania. Aby rozmagnetyzować nasycony magnes, należy przyłożyć określone pole magnetyczne, a próg ten zależy od koercji odpowiedniego materiału. Materiały „twarde” mają wysoką koercję, podczas gdy materiały „miękkie” mają niską koercję. Całkowita siła magnesu jest mierzona jego momentem magnetycznym lub, alternatywnie, całkowitym strumieniem magnetycznym, który wytwarza. Lokalną siłę magnetyzmu w materiale mierzy się jego namagnesowaniem .

Elektromagnes jest wykonana ze zwoju drutu, który działa jak magnes, gdy prąd elektryczny przepływa przez niego, ale przestaje być magnes gdy prąd przestaje. Często cewka jest owinięta wokół rdzenia z „miękkiego” materiału ferromagnetycznego, takiego jak stal miękka , co znacznie wzmacnia pole magnetyczne wytwarzane przez cewkę.

Odkrycie i rozwój

Starożytni uczyli się o magnetyzmie z lodestone (lub magnetytu ), które są naturalnie namagnesowanymi kawałkami rudy żelaza. Słowo magnes zostało zapożyczone w średnioangielskim od łacińskiego magnetumlodestone ”, ostatecznie od greckiego μαγνῆτις [λίθος] ( magnētis [lithos] ) oznaczającego „[kamień] z Magnezji”, części starożytnej Grecji, w której znaleziono kamień. Lodestones zawieszone tak, aby mogły się obracać, były pierwszymi kompasami magnetycznymi . Najwcześniejsze znane zachowane opisy magnesów i ich właściwości pochodzą z Grecji, Indii i Chin około 2500 lat temu. O właściwościach kamieni lodowych i ich powinowactwie do żelaza napisał Pliniusz Starszy w swojej encyklopedii Naturalis Historia .

W XII-XIII wieku naszej ery kompasy magnetyczne były używane w nawigacji w Chinach, Europie, na Półwyspie Arabskim i innych miejscach.

Fizyka

Pole magnetyczne

Opiłki żelaza zorientowane w polu magnetycznym wytwarzanym przez magnes sztabkowy
Wykrywanie pola magnetycznego kompasem i opiłkami żelaza

Indukcja magnetyczna (zwany również magnetyczne B pola lub tylko pole magnetyczne, zwykle oznaczony B ) jest pole wektorowe . Wektor pola magnetycznego B w danym punkcie przestrzeni jest określony przez dwie własności:

  1. Jego kierunek , który jest zgodny z orientacją igły kompasu .
  2. Jego wielkość (zwana również siłą ), która jest proporcjonalna do tego, jak mocno igła kompasu jest zorientowana w tym kierunku.

W jednostkach SI siła pola magnetycznego B jest podawana w teslach .

Moment magnetyczny

Moment magnetyczny magnesu (nazywany również magnetycznym momentem dipolowym i zwykle oznaczany jako μ ) jest wektorem charakteryzującym ogólne właściwości magnetyczne magnesu. W przypadku magnesu sztabkowego kierunek momentu magnetycznego wskazuje od bieguna południowego magnesu do jego bieguna północnego, a wielkość odnosi się do siły i odległości tych biegunów. W jednostkach SI moment magnetyczny jest określany jako A · m 2 (amper razy metry do kwadratu).

Magnes zarówno wytwarza własne pole magnetyczne, jak i reaguje na pola magnetyczne. Siła wytwarzanego pola magnetycznego jest w dowolnym punkcie proporcjonalna do wielkości jego momentu magnetycznego. Ponadto, gdy magnes zostanie umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym, wytwarzanym przez inne źródło, podlega momentowi obrotowemu, który ma tendencję do orientowania momentu magnetycznego równolegle do pola. Wielkość tego momentu jest proporcjonalna zarówno do momentu magnetycznego, jak i pola zewnętrznego. Magnes może również podlegać sile napędzającej go w tym lub innym kierunku, w zależności od położenia i orientacji magnesu i źródła. Jeśli pole jest jednorodne w przestrzeni, na magnes nie działa żadna siła netto, chociaż działa na niego moment obrotowy.

Drut w kształcie koła o powierzchni A i przewodzący prąd I ma moment magnetyczny o wielkości IA .

Namagnesowanie

Namagnesowanie namagnesowanego materiału jest lokalną wartością jego momentu magnetycznego na jednostkę objętości, zwykle oznaczaną M , z jednostkami A / m . Jest to pole wektorowe , a nie tylko wektor (jak moment magnetyczny), ponieważ różne obszary magnesu mogą być namagnesowane różnymi kierunkami i siłą (na przykład z powodu domen, patrz poniżej). Dobry magnes sztabkowy może mieć moment magnetyczny o wielkości 0,1 A·m 2 i objętość 1 cm 3 lub 1× 10-6  m 3 , a zatem średnia wielkość namagnesowania wynosi 100 000 A/m. Żelazo może mieć namagnesowanie około miliona amperów na metr. Tak duża wartość wyjaśnia, dlaczego magnesy żelazne są tak skuteczne w wytwarzaniu pól magnetycznych.

Magnesy modelujące

Dokładnie obliczone pole cylindrycznego magnesu sztabkowego

Istnieją dwa różne modele magnesów: bieguny magnetyczne i prądy atomowe.

Chociaż z wielu powodów wygodnie jest myśleć, że magnes ma odrębne bieguny północne i południowe, pojęcia biegunów nie należy traktować dosłownie: jest to jedynie sposób odniesienia się do dwóch różnych końców magnesu. Magnes nie ma wyraźnych cząstek północy lub południa po przeciwnych stronach. Jeśli magnes sztabkowy zostanie rozbity na dwie części, w celu oddzielenia bieguna północnego i południowego, wynikiem będą dwa magnesy sztabkowe, z których każdy ma zarówno biegun północny, jak i południowy. Jednak wersja podejścia z biegunem magnetycznym jest wykorzystywana przez profesjonalnych magnetystów do projektowania magnesów trwałych.

W tym podejściu rozbieżność namagnesowania ∇· M wewnątrz magnesu i składowej normalnej powierzchni M · n są traktowane jako rozkład monopoli magnetycznych . Jest to matematyczne udogodnienie i nie oznacza, że ​​magnes faktycznie zawiera monopole. Jeśli znany jest rozkład biegunów magnetycznych, model biegunowy daje pole magnetyczne H . Na zewnątrz magnesu pole B jest proporcjonalne do H , natomiast wewnątrz namagnesowanie należy dodać do H . Rozszerzenie tej metody, które pozwala na wewnętrzne ładunki magnetyczne, jest wykorzystywane w teoriach ferromagnetyzmu.

Innym modelem jest model Ampère'a , w którym całe namagnesowanie wynika z efektu mikroskopijnych lub atomowych, kołowo związanych prądów , zwanych również prądami Ampèriana, w całym materiale. W przypadku równomiernie namagnesowanego cylindrycznego magnesu prętowego, efektem netto mikroskopijnych związanych prądów jest sprawienie, by magnes zachowywał się tak, jakby wokół powierzchni przepływał makroskopowy arkusz prądu elektrycznego o lokalnym kierunku przepływu prostopadłym do osi cylindra. Mikroskopijne prądy w atomach wewnątrz materiału są generalnie znoszone przez prądy w sąsiednich atomach, więc tylko powierzchnia wnosi wkład netto; golenie zewnętrznej warstwy magnesu nie zniszczy jego pola magnetycznego, ale pozostawi nową powierzchnię nieusuwanych prądów z kołowych prądów w całym materiale. Reguła prawej dłoni opowiada którym kierunku dodatnio naładowany płynie prąd. Jednak prąd z powodu ujemnie naładowanej energii elektrycznej jest w praktyce znacznie bardziej rozpowszechniony.

Biegunowość

Północny biegun magnesu definiuje się jako biegun, który, gdy magnes jest swobodnie zawieszony, wskazuje na północny biegun magnetyczny Ziemi w Arktyce (bieguny magnetyczne i geograficzne nie pokrywają się, patrz deklinacja magnetyczna ). Ponieważ przeciwne bieguny (północny i południowy) się przyciągają, Północny Biegun Magnetyczny jest w rzeczywistości biegunem południowym pola magnetycznego Ziemi. Z praktycznego punktu widzenia , aby określić, który biegun magnesu jest na północ, a który na południe, wcale nie jest konieczne użycie pola magnetycznego Ziemi. Na przykład jedną z metod byłoby porównanie go do elektromagnesu , którego bieguny można zidentyfikować za pomocą reguły prawej ręki . Zgodnie z konwencją, linie pola magnetycznego magnesu wychodzą z bieguna północnego magnesu i ponownie wchodzą na biegun południowy.

Materiały magnetyczne

Termin magnes jest zwykle zarezerwowany dla obiektów, które wytwarzają własne trwałe pole magnetyczne, nawet przy braku przyłożonego pola magnetycznego. Tylko niektóre klasy materiałów mogą to zrobić. Jednak większość materiałów wytwarza pole magnetyczne w odpowiedzi na przyłożone pole magnetyczne – zjawisko znane jako magnetyzm. Istnieje kilka rodzajów magnetyzmu, a wszystkie materiały wykazują przynajmniej jeden z nich.

Ogólne zachowanie magnetyczne materiału może się znacznie różnić w zależności od struktury materiału, zwłaszcza od jego konfiguracji elektronowej . W różnych materiałach zaobserwowano kilka form zachowania magnetycznego, w tym:

  • Materiały ferromagnetyczne i ferrimagnetyczne są zwykle uważane za magnetyczne; są przyciągane do magnesu na tyle silnie, że przyciąganie jest odczuwalne. Te materiały są jedynymi, które mogą zatrzymać namagnesowanie i stać się magnesami; typowym przykładem jest tradycyjny magnes na lodówkę . Materiały ferrimagnetyczne, do których należą ferryty i najstarsze materiały magnetyczne magnetyt i jodestone , są podobne do ferromagnetyków, ale słabsze. Różnica między materiałami ferro- i ferrimagnetycznymi jest związana z ich mikroskopijną strukturą, jak wyjaśniono w Magnetism .
  • Substancje paramagnetyczne , takie jak platyna , aluminium i tlen , są słabo przyciągane do obu biegunów magnesu. To przyciąganie jest setki tysięcy razy słabsze niż w przypadku materiałów ferromagnetycznych, więc można je wykryć tylko za pomocą czułych instrumentów lub bardzo silnych magnesów. Ferrofluidy magnetyczne , mimo że składają się z maleńkich cząstek ferromagnetycznych zawieszonych w cieczy, są czasami uważane za paramagnetyczne, ponieważ nie można ich namagnesować.
  • Diamagnetyczny oznacza odpychany przez oba bieguny. W porównaniu do substancji paramagnetycznych i ferromagnetycznych, substancje diamagnetyczne, takie jak węgiel , miedź , woda i plastik , są jeszcze słabiej odpychane przez magnes. Przepuszczalność materiałów diamagnetycznych jest mniejsza niż przepuszczalność próżni . Wszystkie substancje, które nie posiadają żadnego z pozostałych typów magnetyzmu, są diamagnetyczne; dotyczy to większości substancji. Chociaż siła działająca na przedmiot diamagnetyczny ze zwykłego magnesu jest zbyt słaba, aby ją wyczuć, przy użyciu niezwykle silnych magnesów nadprzewodzących przedmioty diamagnetyczne, takie jak kawałki ołowiu, a nawet myszy, mogą być lewitowane , dzięki czemu unoszą się w powietrzu. Nadprzewodniki odpychają pola magnetyczne ze swojego wnętrza i są silnie diamagnetyczne.

Istnieją różne inne rodzaje magnetyzmu, takie jak szkło spinowe , superparamagnetyzm , superdiamagnetyzm i metamagnetyzm .

Typowe zastosowania

Dyski twarde zapisują dane na cienkiej powłoce magnetycznej
Magnetyczny separator ręczny do ciężkich minerałów
  • Magnetyczne nośniki zapisu: taśmy VHS zawierają szpulę taśmy magnetycznej . Informacje składające się na obraz i dźwięk są kodowane na powłoce magnetycznej na taśmie. Zwykłe kasety audio również opierają się na taśmie magnetycznej. Podobnie w komputerach dyskietki i dyski twarde zapisują dane na cienkiej powłoce magnetycznej.
  • Karty kredytowe , debetowe i do bankomatów : wszystkie te karty mają pasek magnetyczny po jednej stronie. Ten pasek koduje informacje umożliwiające skontaktowanie się z instytucją finansową danej osoby i połączenie z jej kontem (kontami).
  • Starsze typy telewizorów (nie z płaskim ekranem) i starsze duże monitory komputerowe : ekrany telewizyjne i komputerowe zawierające lampę katodową wykorzystują elektromagnes do kierowania elektronów na ekran.
  • Głośniki i mikrofony : Większość głośników wykorzystuje magnes stały i cewkę przenoszącą prąd, aby przekształcić energię elektryczną (sygnał) w energię mechaniczną (ruch, który wytwarza dźwięk). Cewka jest owinięta wokół szpulki przymocowanej do stożka głośnika i przenosi sygnał jako zmieniający się prąd, który oddziałuje z polem magnesu trwałego. Cewka czuje się siłę magnetyczną w odpowiedzi, przesuwa stożek i spręża powietrze sąsiedni, generując dźwięk . Mikrofony dynamiczne wykorzystują tę samą koncepcję, ale na odwrót. Mikrofon ma membranę lub membranę przymocowaną do zwoju drutu. Cewka spoczywa wewnątrz specjalnie ukształtowanego magnesu. Kiedy dźwięk wibruje membranę, wibruje również cewka. Gdy cewka porusza się w polu magnetycznym, na cewce indukowane jest napięcie . To napięcie napędza prąd w przewodzie charakterystyczny dla oryginalnego dźwięku.
  • Gitary elektryczne wykorzystują przetworniki magnetyczne do przetwarzania wibracji strun gitarowych na prąd elektryczny, który można następnie wzmocnić . Różni się to od zasady działania głośnika i mikrofonu dynamicznego, ponieważ wibracje są wyczuwane bezpośrednio przez magnes, a membrana nie jest stosowana. Organy Hammonda stosować podobną zasadę, z obrotowym tonewheels zamiast strun.
  • Silniki elektryczne i generatory : Niektóre silniki elektryczne opierają się na połączeniu elektromagnesu i magnesu trwałego i, podobnie jak głośniki, przekształcają energię elektryczną w energię mechaniczną. Generator jest odwrotny: przekształca energię mechaniczną w energię elektryczną, przesuwając przewodnik przez pole magnetyczne.
  • Medycyna : Szpitale wykorzystują rezonans magnetyczny do wykrywania problemów w narządach pacjenta bez inwazyjnych zabiegów chirurgicznych.
  • Chemia: Chemicy używają magnetycznego rezonansu jądrowego do charakteryzowania syntetyzowanych związków.
  • Uchwyty są używane w dziedzinie obróbki metali do trzymania przedmiotów. Magnesy są również stosowane w innych typach urządzeń do mocowania, takie jak podstawy magnetycznej , na zacisk magnetyczny i magnes chłodziarki .
  • Kompasy : Kompas (lub kompas żeglarski) to namagnesowany wskaźnik, który może zrównać się z polem magnetycznym, najczęściej polem magnetycznym Ziemi .
  • Art : Arkusze magnesów winylowych można przymocować do obrazów, fotografii i innych artykułów ozdobnych, co pozwala przymocować je do lodówek i innych metalowych powierzchni. Przedmioty i farbę można nakładać bezpośrednio na powierzchnię magnesu, aby tworzyć dzieła sztuki kolażu. Sztuka magnetyczna jest przenośna, niedroga i łatwa do stworzenia. Magnetyczne sztuki winylowe nie nadają się już do lodówki. Kolorowe metalowe tablice magnetyczne, listwy, drzwi, kuchenki mikrofalowe, zmywarki, samochody, metalowe belki i każda metalowa powierzchnia może być podatna na magnetyczną sztukę winylową. Będąc stosunkowo nowym medium dla sztuki, kreatywne wykorzystanie tego materiału dopiero się zaczyna.
  • Projekty naukowe : Wiele pytań tematycznych dotyczy magnesów, w tym odpychanie przewodów przewodzących prąd, wpływ temperatury i silniki z magnesami.
Magnesy mają wiele zastosowań w zabawkach . M-tic wykorzystuje do budowy pręty magnetyczne połączone z metalowymi kulami . Zwróć uwagę na czworościan geodezyjny
  • Zabawki : Ze względu na ich zdolność do przeciwdziałania sile grawitacji z bliskiej odległości, magnesy są często używane w zabawkach dla dzieci, takich jak Magnetyczne Koło Kosmiczne i Lewitron , aby uzyskać zabawny efekt.
  • Magnesy na lodówkę służą do ozdabiania kuchni, jako pamiątka lub po prostu do przytrzymania notatki lub zdjęcia na drzwiach lodówki.
  • Magnesy można wykorzystać do wykonania biżuterii. Naszyjniki i bransoletki mogą mieć zapięcie magnetyczne lub mogą być wykonane w całości z połączonych serii magnesów i koralików żelaznych.
  • Magnesy mogą chwytać przedmioty magnetyczne (żelazne gwoździe, zszywki, pinezki, spinacze do papieru), które są albo zbyt małe, zbyt trudno dostępne, albo zbyt cienkie, aby można je było utrzymać palcami. Niektóre wkrętaki są w tym celu namagnesowane.
  • Magnesy mogą być używane w operacjach złomowania i odzysku do oddzielania metali magnetycznych (żelaza, kobaltu i niklu) od metali niemagnetycznych (aluminium, stopy nieżelazne itp.). Ten sam pomysł można zastosować w tak zwanym „teście magnetycznym”, w którym nadwozie samochodu jest sprawdzane za pomocą magnesu w celu wykrycia obszarów naprawianych za pomocą szpachli z włókna szklanego lub tworzywa sztucznego.
  • Magnesy znajdują zastosowanie w przemyśle przetwórczym, zwłaszcza w przemyśle spożywczym, w celu usunięcia metalowych ciał obcych z materiałów wprowadzanych do procesu (surowców) lub wykrycia ewentualnego zanieczyszczenia pod koniec procesu i przed pakowaniem. Stanowią one ważną warstwę ochronną dla urządzeń procesowych i dla końcowego odbiorcy.
  • Transport lewitacji magnetycznej lub maglev , to forma transportu, która zawiesza, prowadzi i napędza pojazdy (zwłaszcza pociągi) za pomocą siły elektromagnetycznej. Wyeliminowanie oporów toczenia zwiększa wydajność. Maksymalna zarejestrowana prędkość pociągu maglev wynosi 581 kilometrów na godzinę (361 mph).
  • Magnesy mogą służyć jako urządzenie zabezpieczające w przypadku niektórych połączeń kablowych. Na przykład kable zasilające niektórych laptopów są magnetyczne, aby zapobiec przypadkowemu uszkodzeniu portu w przypadku potknięcia się. MagSafe podłączenie zasilania do Apple MacBook jest jednym z takich przykładów.

Kwestie medyczne i bezpieczeństwo

Ponieważ tkanki ludzkie mają bardzo niski poziom podatności na statyczne pola magnetyczne, istnieje niewiele dowodów naukowych z głównego nurtu wskazujących na wpływ na zdrowie związany z narażeniem na pola statyczne. Innym problemem mogą być dynamiczne pola magnetyczne; korelacje między promieniowaniem elektromagnetycznym a zachorowalnością na raka zostały postulowane ze względu na korelacje demograficzne (patrz Promieniowanie elektromagnetyczne a zdrowie ).

Jeśli w tkance ludzkiej obecne jest ferromagnetyczne ciało obce, oddziałujące z nim zewnętrzne pole magnetyczne może stanowić poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa.

Inny rodzaj pośredniego magnetycznego ryzyka zdrowotnego dotyczy rozruszników serca. Jeśli rozrusznik serca został wbudowany w klatkę piersiową pacjenta (zwykle w celu monitorowania i regulowania pracy serca w celu uzyskania stabilnych uderzeń indukowanych elektrycznie ), należy zachować ostrożność, aby trzymać go z dala od pól magnetycznych. Z tego powodu pacjent z zainstalowanym urządzeniem nie może być badany za pomocą urządzenia do rezonansu magnetycznego.

Dzieci czasami połykają małe magnesy z zabawek, co może być niebezpieczne, jeśli dwa lub więcej magnesów zostanie połkniętych, ponieważ magnesy mogą uszczypnąć lub przekłuć tkanki wewnętrzne.

Urządzenia do obrazowania magnetycznego (np. Rezonans magnetyczny) generują ogromne pola magnetyczne, dlatego pomieszczenia przeznaczone do ich przechowywania wykluczają metale żelazne. Wnoszenie przedmiotów wykonanych z metali żelaznych (takich jak butle z tlenem) do takiego pomieszczenia stwarza poważne zagrożenie bezpieczeństwa, ponieważ przedmioty te mogą być silnie odrzucane przez intensywne pola magnetyczne.

Magnesy ferromagnetyzujące

Materiały ferromagnetyczne można namagnesować w następujący sposób:

  • Ogrzanie obiektu powyżej jego temperatury Curie , pozwalając mu ostygnąć w polu magnetycznym i uderzając w niego podczas stygnięcia. Jest to najskuteczniejsza metoda i jest podobna do procesów przemysłowych stosowanych do tworzenia magnesów trwałych.
  • Umieszczenie przedmiotu w zewnętrznym polu magnetycznym spowoduje, że przedmiot zatrzyma część magnetyzmu po usunięciu. Wykazano, że wibracje zwiększają efekt. Wykazano, że materiały żelazne ustawione w linii z polem magnetycznym Ziemi, które podlegają wibracjom (np. rama przenośnika), uzyskują znaczny magnetyzm szczątkowy. Podobnie uderzanie młotkiem w stalowy gwóźdź trzymany palcami w kierunku NS, tymczasowo namagnesuje gwóźdź.
  • Głaskanie: Istniejący magnes jest przesuwany z jednego końca przedmiotu na drugi wielokrotnie w tym samym kierunku ( metoda pojedynczego dotknięcia ) lub dwa magnesy są przesuwane na zewnątrz od środka trzeciego ( metoda podwójnego dotknięcia ).
  • Prąd elektryczny: pole magnetyczne wytwarzane przez przepuszczanie prądu elektrycznego przez cewkę może spowodować wyrównanie domen. Gdy wszystkie domeny zostaną ustawione w jednej linii, zwiększenie prądu nie zwiększy namagnesowania.

Rozmagnesowywanie ferromagnesów

Namagnesowane materiały ferromagnetyczne można rozmagnesować (lub rozmagnesować) w następujący sposób:

  • Podgrzanie magnesu powyżej jego temperatury Curie ; ruch molekularny niszczy wyrównanie domen magnetycznych. To zawsze usuwa wszelkie namagnesowanie.
  • Umieszczenie magnesu w zmiennym polu magnetycznym o natężeniu powyżej koercji materiału, a następnie powolne wyciąganie magnesu lub powolne zmniejszanie pola magnetycznego do zera. Jest to zasada stosowana w komercyjnych demagnetyzatorach do rozmagnesowywania narzędzi, kasowania kart kredytowych, dysków twardych i cewek rozmagnesowujących używanych do rozmagnesowywania CRT .
  • Pewna demagnetyzacja lub namagnesowanie odwrotne nastąpi, jeśli jakakolwiek część magnesu zostanie poddana działaniu odwróconego pola powyżej koercji materiału magnetycznego .
  • Rozmagnesowanie następuje progresywnie, gdy magnes jest poddawany cyklicznym polom wystarczającym do odsunięcia magnesu od części liniowej w drugiej ćwiartce krzywej B-H materiału magnetycznego (krzywa rozmagnesowania).
  • Uderzanie lub wstrząsanie: zakłócenia mechaniczne mają tendencję do losowego losowania domen magnetycznych i zmniejszania namagnesowania obiektu, ale mogą powodować niedopuszczalne uszkodzenia.

Rodzaje magnesów trwałych

Metalowe elementy magnetyczne

Wiele materiałów ma niesparowane spiny elektronów, a większość z nich jest paramagnetyczna . Kiedy spiny oddziałują ze sobą w taki sposób, że spiny układają się spontanicznie, materiały nazywane są ferromagnetycznymi (co często jest luźno określane jako magnetyczne). Ze względu na sposób, w jaki ich regularna krystaliczna struktura atomowa powoduje wzajemne oddziaływanie spinów, niektóre metale są ferromagnetyczne, gdy znajdują się w ich naturalnym stanie, jako rudy . Należą do nich rudy żelaza ( magnetytu lub jodestone ), kobalt i nikiel , a także metale ziem rzadkich gadolin i dysproz (w bardzo niskiej temperaturze). Takie naturalnie występujące ferromagnetyki zostały wykorzystane w pierwszych eksperymentach z magnetyzmem. Od tego czasu technologia rozszerzyła dostępność materiałów magnetycznych o różne produkty stworzone przez człowieka, wszystkie oparte jednak na elementach naturalnie magnetycznych.

Kompozyty

Magnesy ceramiczne lub ferrytowe są wykonane ze spiekanego kompozytu sproszkowanego tlenku żelaza i ceramiki z węglanu baru / strontu . Biorąc pod uwagę niski koszt materiałów i metod produkcji, niedrogie magnesy (lub nienamagnesowane rdzenie ferromagnetyczne do stosowania w komponentach elektronicznych, takich jak przenośne anteny radiowe AM ) o różnych kształtach mogą być łatwo produkowane masowo. Powstałe magnesy nie korodują, ale są kruche i muszą być traktowane jak inne materiały ceramiczne.

Magnesy Alnico powstają poprzez odlewanie lub spiekanie połączenia aluminium , niklu i kobaltu z żelazem oraz niewielką ilością innych pierwiastków dodawanych w celu polepszenia właściwości magnesu. Spiekanie zapewnia doskonałe właściwości mechaniczne, podczas gdy odlewanie zapewnia wyższe pola magnetyczne i pozwala na projektowanie skomplikowanych kształtów. Magnesy Alnico są odporne na korozję i mają właściwości fizyczne bardziej wybaczające niż ferryt, ale nie tak pożądane jak metal. Nazwy handlowe stopów z tej rodziny to: Alni, Alcomax, Hycomax, Columax i Ticonal .

Magnesy formowane wtryskowokompozytem różnych rodzajów żywic i proszków magnetycznych, co umożliwia wytwarzanie części o skomplikowanych kształtach metodą formowania wtryskowego. Fizyczne i magnetyczne właściwości produktu zależą od surowców, ale generalnie mają mniejszą siłę magnetyczną i przypominają tworzywa sztuczne pod względem właściwości fizycznych.

Magnesy elastyczne składają się ze związku ferromagnetycznego o wysokiej koercji (zwykle tlenku żelaza ) zmieszanego ze spoiwem z tworzywa sztucznego. Jest wytłaczany jako arkusz i przepuszczany przez linię potężnych cylindrycznych magnesów trwałych. Magnesy te są ułożone w stos z naprzemiennymi biegunami magnetycznymi skierowanymi w górę (N, S, N, S ...) na obracającym się wale. To sprawia wrażenie na arkuszu plastiku z biegunami magnetycznymi w naprzemiennym formacie linii. Do generowania magnesów nie wykorzystuje się elektromagnetyzmu. Odległość między biegunami jest rzędu 5 mm, ale różni się w zależności od producenta. Te magnesy mają mniejszą siłę magnetyczną, ale mogą być bardzo elastyczne, w zależności od użytego spoiwa.

Magnesy ziem rzadkich

Magnesy w kształcie owalu (ewentualnie hematynowe ), jeden zwisający z drugiego

Pierwiastki ziem rzadkich ( lantanoidy ) mają częściowo zajętą powłokę elektronową f (która może pomieścić do 14 elektronów). Spin tych elektronów może być wyrównany, co skutkuje bardzo silnymi polami magnetycznymi, dlatego elementy te są stosowane w kompaktowych magnesach o wysokiej wytrzymałości, gdzie ich wyższa cena nie stanowi problemu. Najpopularniejszymi rodzajami magnesów ziem rzadkich są magnesy samarowo-kobaltowe i neodymowo-żelazowo-borowe (NIB) .

Magnesy jednocząsteczkowe (SMM) i magnesy jednołańcuchowe (SCM)

W latach 90. odkryto, że pewne cząsteczki zawierające jony metali paramagnetycznych są zdolne do przechowywania momentu magnetycznego w bardzo niskich temperaturach. Różnią się one bardzo od konwencjonalnych magnesów, które przechowują informacje na poziomie domeny magnetycznej i teoretycznie mogą zapewnić znacznie gęstszy nośnik danych niż magnesy konwencjonalne. W tym kierunku trwają obecnie badania nad monowarstwami SMM. Krótko mówiąc, dwa główne atrybuty SMM to:

  1. duża wartość spinu stanu podstawowego ( S ), która jest zapewniona przez sprzężenie ferromagnetyczne lub ferrimagnetyczne między centrami metali paramagnetycznych
  2. ujemna wartość anizotropii podziału pola zerowego ( D )

Większość SMM zawiera mangan, ale można je również znaleźć z klastrami wanadu, żelaza, niklu i kobaltu. Niedawno odkryto, że niektóre systemy łańcuchowe mogą również wykazywać namagnesowanie, które utrzymuje się przez długi czas w wyższych temperaturach. Systemy te nazwano magnesami jednołańcuchowymi.

Magnesy o nanostrukturze

Niektóre materiały o nanostrukturze wykazują fale energii , zwane magnonami , które łączą się we wspólny stan podstawowy na wzór kondensatu Bosego-Einsteina .

Magnesy trwałe niezawierające metali ziem rzadkich

Departament Energii Stanów Zjednoczonych zidentyfikowała potrzebę znalezienia zastępstwa dla metali ziem rzadkich w technologii magnesem trwałym, i rozpoczęła finansowanie takich badań. Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) sponsoruje ziem rzadkich alternatyw w kluczowych technologii (REACT) program rozwoju alternatywnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E przyznała 31,6 miliona dolarów na finansowanie projektów substytutów ziem rzadkich.

Koszty

Obecnie najtańszymi magnesami trwałymi, uwzględniającymi natężenia pola, są magnesy elastyczne i ceramiczne, ale są to również jedne z najsłabszych typów. Magnesy ferrytowe to głównie magnesy tanie, ponieważ są wykonane z tanich surowców: tlenku żelaza i węglanu Ba lub Sr. Jednakże opracowano nowy, tani magnes, stop Mn – Al, który obecnie dominuje w dziedzinie tanich magnesów. Ma większe namagnesowanie nasycenia niż magnesy ferrytowe. Ma też korzystniejsze współczynniki temperaturowe, chociaż może być niestabilna termicznie. Magnesy neodymowo-żelazowo-borowe (NIB) należą do najsilniejszych. Kosztują więcej za kilogram niż większość innych materiałów magnetycznych, ale ze względu na intensywne pole są mniejsze i tańsze w wielu zastosowaniach.

Temperatura

Czułość na temperaturę jest różna, ale gdy magnes zostanie podgrzany do temperatury zwanej punktem Curie , traci cały swój magnetyzm, nawet po schłodzeniu poniżej tej temperatury. Magnesy można jednak często ponownie namagnesować.

Dodatkowo niektóre magnesy są kruche i mogą pękać w wysokich temperaturach.

Maksymalna temperatura użytkowa jest najwyższa dla magnesów alnico: ponad 540 °C (1 000 °F), około 300 °C (570 °F) dla ferrytu i SmCo, około 140 °C (280°F) dla NIB i niższa dla elastycznej ceramiki , ale dokładne liczby zależą od gatunku materiału.

Elektromagnesy

Elektromagnes, w najprostszej postaci, to przewód zwinięty w jedną lub więcej pętli, zwany solenoidem . Kiedy prąd elektryczny przepływa przez drut, generowane jest pole magnetyczne. Jest skoncentrowany w pobliżu (a zwłaszcza wewnątrz) cewki, a jego linie pola są bardzo podobne do linii magnesu. Orientację tego efektywnego magnesu określa zasada prawej ręki . Moment magnetyczny i pole magnetyczne elektromagnesu są proporcjonalne do liczby pętli drutu, przekroju każdej pętli i prądu przepływającego przez drut.

Jeśli zwój drutu jest owinięty wokół materiału bez specjalnych właściwości magnetycznych (np. tektury), będzie miał tendencję do generowania bardzo słabego pola. Jednakże, jeśli jest owinięty wokół miękkiego materiału ferromagnetycznego, takiego jak żelazny gwóźdź, wówczas wytworzone pole netto może skutkować kilkuset-tysięcznym wzrostem natężenia pola.

Zastosowania elektromagnesów obejmują akceleratory cząstek , silniki elektryczne , dźwigi na złomowisku i maszyny do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego . Niektóre aplikacje wymagają konfiguracji więcej niż prostego dipola magnetycznego; na przykład do ogniskowania wiązek cząstek stosuje się magnesy kwadrupolowe i sześciopolowe .

Jednostki i obliczenia

W większości zastosowań inżynierskich powszechnie stosowane są jednostki MKS (zracjonalizowane) lub SI (Système International). Dwa inne zestawy jednostek, Gaussa i CGS-EMU , są takie same dla właściwości magnetycznych i są powszechnie stosowane w fizyce.

We wszystkich jednostkach wygodnie jest stosować dwa rodzaje pola magnetycznego, B i H , a także namagnesowanie M , definiowane jako moment magnetyczny na jednostkę objętości.

  1. Pole indukcji magnetycznej B jest podane w jednostkach SI teslasu (T). B to pole magnetyczne, którego zmienność w czasie wytwarza, zgodnie z prawem Faradaya, krążące pola elektryczne (które sprzedają firmy energetyczne). B wytwarza również siłę odchylającą poruszające się naładowane cząstki (jak w lampach telewizyjnych). Tesla jest równoważna strumieniowi magnetycznemu (w weberach) na jednostkę powierzchni (w metrach kwadratowych), co daje B jednostkę gęstości strumienia. W CGS jednostką B są gausy (G). Jedna tesla to 10 4  G.
  2. Pole magnetyczne H jest podane w jednostkach SI amperoobrotów na metr (A-turn/m). Te zakręty wydają bo gdy H jest produkowany przez drut prądową, jego wartość jest proporcjonalna do liczby zwojów tego drutu. W CGS jednostką H jest orsted (Oe). Jeden obrót A/m równa się 4π× 10-3 Oe.
  3. Namagnesowanie M jest podane w jednostkach SI amperów na metr (A/m). W CGS jednostką M jest orsted (Oe). Jeden A / m równa się 10-3  emu / cm 3 . Dobry magnes trwały może mieć namagnesowanie rzędu miliona amperów na metr.
  4. W jednostkach SI zachodzi zależność B  = μ 0 ( H  +  M ), gdzie μ 0 jest przepuszczalnością przestrzeni, która wynosi 4π×10 -7  T•m/A. W CGS jest to zapisane jako B  = H  + 4π M . (Podejście biegunowe daje μ 0 H w jednostkach SI. Składnik μ 0 M w SI musi następnie uzupełnić ten μ 0 H, aby dać prawidłowe pole w B , magnesie. Będzie ono zgodne z polem B obliczonym przy użyciu prądów Ampèrian).

Materiały, które nie są magnesami trwałymi, zwykle spełniają zależność M  = χ H w SI, gdzie χ jest (bezwymiarową) podatnością magnetyczną. Większość materiałów niemagnetycznych mają stosunkowo małą × (rzędu milionowej), ale magnesy miękkie może mieć χ rzędu setek lub tysięcy. Dla materiałów spełniających M  = χ H , możemy również zapisać B  = μ 0 (1 +  χ ) H  = μ 0 μ r H  = μ H , gdzie μ r  = 1 +  χ jest (bezwymiarową) przepuszczalnością względną, a μ = μ 0 μ r to przenikalność magnetyczna. Zarówno twarde, jak i miękkie magnesy mają bardziej złożone, zależne od historii zachowanie opisane przez tak zwane pętle histerezy , które dają B vs. H lub M vs. H . W CGS, M  = χ H , ale χ SI  = 4 πχ CGS i μ = μ r .

Uwaga: po części dlatego, że nie ma wystarczającej liczby symboli rzymskich i greckich, nie ma powszechnie uzgodnionego symbolu siły bieguna magnetycznego i momentu magnetycznego. Symbol m został użyty zarówno dla siły bieguna (jednostka A•m, gdzie tutaj słupek m oznacza metr) oraz momentu magnetycznego (jednostka A•m 2 ). Symbol μ jest używany w niektórych tekstach dla przenikalności magnetycznej, a w innych dla momentu magnetycznego. Użyjemy μ dla przenikalności magnetycznej i m dla momentu magnetycznego. Dla siły słupa użyjemy q m . W przypadku magnesu sztabkowego o przekroju A z równomiernym namagnesowaniem M wzdłuż jego osi, siła bieguna jest dana jako q m  = MA , tak że M można traktować jako siłę bieguna na jednostkę powierzchni.

Pola magnesu

Linie pola magnesów cylindrycznych o różnych proporcjach

Z dala od magnesu, pole magnetyczne wytworzone przez ten magnes jest prawie zawsze opisane (z dobrym przybliżeniem) przez pole dipolowe charakteryzujące się całkowitym momentem magnetycznym. Dzieje się tak niezależnie od kształtu magnesu, o ile moment magnetyczny jest niezerowy. Jedną z cech pola dipolowego jest to, że siła pola spada odwrotnie proporcjonalnie do sześcianu odległości od środka magnesu.

Bliżej magnesu pole magnetyczne staje się bardziej skomplikowane i bardziej zależne od szczegółowego kształtu i namagnesowania magnesu. Formalnie pole można wyrazić jako rozwinięcie multipolowe : pole dipolowe, plus pole kwadrupolowe , plus pole oktupolowe itp.

Z bliskiej odległości możliwych jest wiele różnych pól. Na przykład w przypadku długiego, chudego magnesu sztabkowego z biegunem północnym na jednym końcu i biegunem południowym na drugim, pole magnetyczne przy każdym końcu spada odwrotnie do kwadratu odległości od tego bieguna.

Obliczanie siły magnetycznej

Siła przyciągania pojedynczego magnesu

Siła danego magnesu jest czasami podawana w postaci siły przyciągania — jego zdolności do przyciągania obiektów ferromagnetycznych . Siła przyciągania wywierana przez elektromagnes lub magnes stały bez szczeliny powietrznej (tj. Przedmiot ferromagnetyczny jest w bezpośrednim kontakcie z biegunem magnesu) jest określona równaniem Maxwella :

,

gdzie

F to siła (jednostka SI: niuton )
A to przekrój powierzchni słupa w metrach kwadratowych
B to indukcja magnetyczna wywierana przez magnes

Wynik ten można łatwo wyprowadzić za pomocą modelu Gilberta , który zakłada, że ​​biegun magnesu jest naładowany monopolami magnetycznymi, które indukują to samo w obiekcie ferromagnetycznym.

Jeśli magnes działa pionowo, może unieść masę m w kilogramach daną przez proste równanie:

gdzie g jest przyspieszeniem grawitacyjnym .

Siła między dwoma biegunami magnetycznymi

Klasycznie siła między dwoma biegunami magnetycznymi jest dana wzorem:

gdzie

F to siła (jednostka SI: niuton )
q m 1 i q m 2 to wielkości biegunów magnetycznych (jednostka SI: amperomierz )
μ jest przepuszczalnością środka pośredniczącego (jednostka SI: tesla metr na amper , henryk na metr lub niuton na amper do kwadratu)
r jest separacją (jednostka SI: metr).

Opis biegunów jest przydatny dla inżynierów projektujących magnesy w świecie rzeczywistym, ale rzeczywiste magnesy mają bardziej złożony rozkład biegunów niż pojedyncza północ i południe. Dlatego realizacja idei słupa nie jest prosta. W niektórych przypadkach bardziej przydatna będzie jedna z bardziej złożonych formuł podanych poniżej.

Siła między dwiema pobliskimi namagnesowanymi powierzchniami obszaru A

Siłę mechaniczną między dwiema pobliskimi namagnesowanymi powierzchniami można obliczyć z następującego równania. Równanie obowiązuje tylko w przypadkach, w których efekt frędzli jest znikomy, a objętość szczeliny powietrznej jest znacznie mniejsza niż w przypadku materiału namagnesowanego:

gdzie:

A to powierzchnia każdej powierzchni, wm 2
H jest ich polem magnesującym, w A/m
μ 0 jest przepuszczalnością przestrzeni, która wynosi 4π×10 -7  T•m/A
B to gęstość strumienia w T.

Siła między dwoma magnesami sztabkowymi

Siła między dwoma identycznymi cylindrycznymi magnesami prętowymi umieszczonymi w dużej odległości od końca do końca wynosi w przybliżeniu :,

gdzie:

B 0 to gęstość strumienia magnetycznego bardzo blisko każdego bieguna, w T,
A to powierzchnia każdego bieguna w m 2 ,
L to długość każdego magnesu w m,
R jest promieniem każdego magnesu w m, a
z to odległość między dwoma magnesami, wm.
wiąże gęstość strumienia na biegunie z namagnesowaniem magnesu.

Zauważ, że wszystkie te sformułowania oparte są na modelu Gilberta, który jest użyteczny na stosunkowo duże odległości. W innych modelach (np. model Ampère'a) stosuje się bardziej skomplikowane sformułowanie, którego czasami nie można rozwiązać analitycznie. W takich przypadkach należy zastosować metody numeryczne .

Siła między dwoma cylindrycznymi magnesami

Dla dwóch magnesów cylindrycznych o promieniu i długości , z wyrównanym dipolem magnetycznym, siłę można aproksymować asymptotycznie z dużej odległości przez,

gdzie jest namagnesowanie magnesów i jest to szczelina między magnesami. Pomiar gęstości strumienia magnetycznego bardzo blisko magnesu jest powiązany w przybliżeniu wzorem

Efektywny dipol magnetyczny można zapisać jako

Gdzie jest objętość magnesu. To jest dla cylindra .

Gdy otrzymujemy punktowe przybliżenie dipolowe,

co odpowiada wyrażeniu siły między dwoma dipolami magnetycznymi.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

  • „Wczesna historia magnesu trwałego”. Edward Neville Da Costa Andrade, Endeavour, tom 17, numer 65, styczeń 1958. Zawiera doskonały opis wczesnych metod wytwarzania magnesów trwałych.
  • „biegun dodatni n”. Zwięzły Oxford English Dictionary . Catherine Soanes i Angus Stevenson. Oxford University Press , 2004. Oxford Reference Online. Oxford University Press.
  • Wayne M. Saslow, Elektryczność, magnetyzm i światło , akademicki (2002). ISBN  0-12-619455-6 . Rozdział 9 omawia magnesy i ich pola magnetyczne za pomocą pojęcia biegunów magnetycznych, ale dostarcza również dowodów na to, że bieguny magnetyczne tak naprawdę nie istnieją w zwykłej materii. Rozdziały 10 i 11, zgodnie z podejściem, które wydaje się być dziewiętnastowiecznym, wykorzystują koncepcję bieguna, aby uzyskać prawa opisujące magnetyzm prądów elektrycznych.
  • Edward P. Furlani, Magnesy trwałe i urządzenia elektromechaniczne: materiały, analiza i zastosowania, seria pras akademickich w elektromagnetyzmie (2001). ISBN  0-12-269951-3 .

Linki zewnętrzne