From Wikipedia, the free encyclopedia
Магнет е материјал или објект кој произведува магнетно поле. Ова магнетно поле е невидливо, но е одговорно за најважните дејствија на магнетот: сила која ги привекува феромагнетните материјали како што се железо, и други видови магнет.
Постојан магнет е објект направен од материјал кој е магнетизиран и создава свои отпорни магнетно поле. Секојдневен пример се фрижидерските магнети, кои се користат за чување на белешки на вратата од фрижидерот. Материјали кои може да се магнетизираат, кои се, исто така,оние кои силно се привлекуваат од магнет, се нарекуваат феромагнетни материјали (или феромагнетици). Тоа вклучува железо, никел, кобалт, некои легури од ретки земни метали, и некои природни минерали како што е магнетитот.. Феромагнетиците се само оние материјали кои се привлечени кон магнетот доволно силно за да бидат вообичаени се сметаат за магнетни, сите други супстанции, одговараат слабо на магнетното поле.
Феромагнетните материјали можат да бидат поделени на "меки" материјали, како обложено железо, кое може да се магнетизира, но нема тенденција да остане мгнетизирано. И "тврди" материјали, кои не можат да се магнетизираат. Постојаните магнети се направени од "тврди" феромагнетички материјали како што се alnico и ferrite кои се предмет на посебна обработка во силно магнетно поле во текот на производството за да ја усогласат нивната внатрешна микрокристална структура, што ги прави многу тешко да се демагнетиираат. Да се демагнетизира на заситен магнет, одредено магнетно поле, мора да се примени, и овој стандард зависи од кооперативноста на соодветниот материјал. "Тврдите" материјали имаат висока коперативност, додека "меките" материјали имаат ниска . Целокупната сила на магнетот се мери со својот магнетен момент или, пак, вкупниот магнетен флукс , кој го произведува. Локалната сила на магнетот во некој материјал се мери со неговата магнетизација.
Електромагнетот е направен од серпентина на жица која делува како магнет кога електрична струја поминува низ него, но ќе престане да биде магнет кога тековната запира. Често, серпентината е завиткана околу јадрото на "меките" феромагнетни материјали, како челик, кој во голема мера го подобрува магнетно поле произведено од страна на клиентите.
Древните луѓе научиле за магнетизам од lodestones, кои се природно магнетизирани парчиња на железна руда. Зборот магнет бил усвоен во Средна Ангија од латинскиот збор magnetum "lodestone", на грчки μαγνῆτις [λίθος] (magnētis [lithos])[1] што значи "[камен] од Магнезија",[2] дел од Стара Грција каде lodestone бил пронајден. Lodestone, беа првите магнетни компаси. Најраните познати преживеаните описи на магнети и нивни својства се од Грција, Индија и Кина од пред околу 2500 години. Својствата на lodestones и нивниот афинитет за железо биле напишани од страна на Плиниј Постар во неговата енциклопедија Naturalis Historia.[3]
Од 12 до 13 век од Н.Е., магнетни компаси се користеле за навигацијата во Кина, Европа, на Арабискиот Полуостров и на други места.[4]
Во SI единиците, силата на магнетното Б поле е дадена во тесли[5]
Магнетен момент (исто така се нарекува магнетен дипл момент и обично се означува со μ) е вектор кој ги карактеризира магнетните целокупни својства. За еден бар магнет, на насоката на магнетниот момент почнува од магнетниот Јужен до Северниот Пол,[6] и магнитудата се однесува на тоа колку силни и колку се оддалечени овие столбови . Во SI единици, магнетен момент е специфициран во однос на·m2 (ампер пати метри на квадрат).
Магнетот произведува свое магнетно поле и одговара на магнетни полиња. Силата на магнетното поле се произведува во било која точка пропорционална на големината на својот магнетна момент. На пример, кога магнет ќе се стави во надворешно магнетно поле, произведено од различни извори, тоа е предмет на вртежен момент чија тенденција е да се ориентира магнетен момент паралелно на теренот.[7] износот на овој вртежен момент е пропорционален и на магнетен момент и надворешното поле. Магнетот исто така, може да биде предмет на присилно движење во една насока или некоја друга, според позиции и насоки на магнетот и на извор. Ако полето е единствено во просторот, магнетот е предмет на некаква нето сила, иако тоа е предмет на вртежен момент.[8]
Жица во облик на круг со област А и вршење на тековниот е магнет, со магнетен момент на големина еднаква на ВС.
Магнетизацијата на магнетизираниот материјал е локална вредност на неговиот магнетен момент по единица волумен, обично означена со M, со единици A/m.[9] е вектор поле, подобро отколку само еден вектор (како магнетниот момент), бидејќи различни области во магнетот може да се магнетизираат со различни насоки и слабости (на пример, поради домени, види подолу). Добар бар магнет може да има магнетен момент на големина 0.1 •м2 и волумен од 1 cм3или 1×10−6 м3, а со тоа и на средна магнетизирачка големина е 100,000 A/m. Железото може да има магнетизација од околу еден милион ампер по метар. Таквата голема вредност објаснува зошто железните магнети се толку ефикасни во производство на магнетни полиња.
Два различни модели постојат за магнети: магнетни полови и атомска струи.
Иако за многу цели, погодно е да се мисли на магнет што имаат различни северен и јужен магнетен пол, концептот на половите не треба да се сфати буквално: тоа е само начин на којшто се однесуваат два различни краеви на магнет. Магнетот не разликува северна или јужна честичка на спротивставените страни. Ако еден бар магнет е поделен на два дела, во обид да се одделат северните и јужните столбови, резултатот ќе бидат два бар магнети, едни кои ги има и на северниот и Јужниот Пол. Сепак, една верзија на магнетен пол пристап се користи од страна на професионални магнетичари да дизајнираат постојани магнети.
Со овој пристап, на дивергенција на магнетизацијата ∇·М внатре во магнетот и површината на нормална компонента M·n се третираат како распределба на магнетниот монопол. Ова е математичка практичност и не значи дека таму се всушност монополите на магнетот. Ако магнетната пол дистрибуција е позната, тогаш полот модел го дава H. Надвор од магнетот , полето Б е пропорционално на H, додека во внатрешноста на магнетизацијата мора да се додаде H. Продолжување на овој метод со кој се овозможуваат внатрешните магнетни пријави се користат во теориите на феромагнетизмот.
Друг модел е Ampère моделот, каде што сите магнетизации се должат на ефектот на микроскопски, или атомски, кружни граница на струја, исто така, наречени Ampèrian струи, во текот на материјалот. За рамномерно да се магнетизира цилиндричниот бар магнет, на нето-ефектот од микроскопската граница струи е да се направи магнет што се однесува како да не е макроскопичен лист на електрична струја која тече низ површината, со локалниот проток кој има насока нормална на цилиндар оската.[10] Микроскопските струи во атомите во внатрешноста на материјалот генерално се откажани од страна на струите во соседните атоми, па само на површината прават нето придонес; бришење надвор на надворешниот слој на магнет нема да го уништи нејзиното магнетно поле, но ќе остави нова површината на не откажани струи од кружни струи низ материјалот.[11] Правилото на десна рака ги кажува насоките на актуелните текови.
Северниот Пол на магнетот е дефиниран како пол, кој, се насочува кон Земјиниот северен магнетен пол во Арктикот (магнетни и географските полови не се совпаѓаат, видете магнетни намалување). Спротивните полови (север и југ) се привлекуваат, на Северниот магнетен пол е, всушност, на јужниот пол на Земјата магнетно поле.[12][13][14][15] Како практично прашање, да им кажете на кој пол на магнет е на север, и која е јужна, тоа не е неопходно да се користи на Земјата магнетното поле на сите. На пример, еден начин би било да се спореди со некој електромагнет, чии полови можат да бидат идентификувани од страна на правилото на десна рака. Магнетните силови линии на магнет се сметаат од страна на конвенцијата произлезена од магнетенот Северниот Пол и на Јужниот Пол.
Терминот магнет е обично резервиран за објекти кои произведуваат свое постојано магнетно поле, дури и во отсуство на применето магнетно поле. Само одредени класи на материјали може да го стори тоа. Повеќето материјали, сепак, произведуваат магнетно поле како одговор на применетото магнетно поле – феномен познат како магнетизам. Постојат неколку типови на магнетизам, и сите материјали покажуваат барем еден од нив.
Вкупното магнетно однесување на материјалот може да варира на широко, во зависност од структурата на материјалот, особено на неговите електрони конфигурација. Неколку облици на магнетно однесување се забележани во различни материјали, вклучувајќи:
Постојат разни други видови на магнетизам, како што се спин-стакло,суперпарамагнетизам, супердиамагнетизам и метамагнетизам.
Бидејќи човечките ткива имаат многу ниско ниво на подложност на статични магнетни полиња, постојат малку главни научни докази кои покажуваат здравствен ефект поврзан со изложеноста на статични полиња. Сепак, динамичките магнетни полиња може да бидат поинакво прашање; корелациите помеѓу електромагнетното зрачење и стапките на рак се претпоставуваа дека се поради демографски корелации (види Електромагнетно зрачење и здравје).
Ако ферромагнетното туѓо тело е присутно во човечкото ткиво, надворешното магнетно поле кое е во интеракција со него може да претставува сериозен безбедносен ризик.[19]
Постои поинаков тип на индиректен магнетен здравствен ризик кој вклучува пејсмејкери. Ако пејсмејкерот е вграден во градите на пациентот (обично со цел да се следи и да се регулира срцето), треба да се внимава да се оддалечи од магнетните полиња. Од оваа причина пациентот со инсталираниот уред не може да се тестира со употреба на уред за снимање со магнетна резонанца.
Децата понекогаш ги проголтаат малите магнети од играчки, а тоа може да биде опасно ако се проголтаат два или повеќе магнети, бидејќи магнетите можат да ги удираат или прободат внатрешните ткива; една ваква смрт е пријавена.[20]
Уреди за магнетни слики (на пример, МРИ) генерираат огромни магнетни полиња, и затоа просториите наменети за нивно чување ги исклучуваат обоените метали. Донесувањето предмети од црни метали (како што се канистри за кислород) во таква просторија создава тежок безбедносен ризик, бидејќи тие објекти може силно да се фрлат од интензивните магнетни полиња.
Ферромагнетните материјали може да се магнетизираат на следниве начини:
Магнетизираните феромагнетни материјали можат да бидат демагнетизирани (или дигализирани) на следните начини:
Многу материјали имаат несовршени електронски вртења, а поголемиот дел од овие материјали се парамагнетен. Кога вртежите комуницираат едни со други на таков начин што спините се спојуваат спонтано, материјалите се нарекуваат феромагнетни (она што често се нарекува магнетно). Поради начинот на кој нивната редовна кристална атомска структура ги поврзува нивните вртења, некои метали се ферромагнетни кога се наоѓаат во нивните природни состојби, како руди. Тие вклучуваат железна руда (магнетит или ловестон), кобалт и никел, како и гадолиниум и диспрозиум на ретки земни метали (кога се на многу ниска температура). Ваквите природни ферромагнети биле користени во првите експерименти со магнетизам. Технологијата оттогаш ја прошири достапноста на магнетни материјали за да вклучат разни производи направени од вештачки производи, сите засновани на природни магнетни елементи.
Керамички или феритни магнети се направени од синтетизиран композит од прав на железен оксид и бариум / стронциум карбонатна керамика. Со оглед на ниската цена на материјалите и методите на производство, евтини магнети (или не-магнетизирани феромагнетни јадра, за употреба во електронски компоненти, како што се преносни AM радио-антени) со различни форми се лесно и масовно произведени. Добиените магнети не се кородираат, но се кршливи и мора да се третираат како други керамики.
Магнитите Alnico се направени со кастинг или синтерување на комбинација од алуминиум, никел и кобалт со железо и мали количини на други елементи додадени за подобрување на својствата на магнетот. Синтеријата нуди супериорни механички одлики, додека кастингот обезбедува повисоки магнетни полиња и овозможува дизајнирање на сложените форми. Магнитите на Alnico се отпорни на корозија и имаат физички својства поквалитетни од феритни, но не толку пожелни како метал.[22]
Магнетите со вбризгување се составени од разни видови смола и магнетни правови, овозможувајќи делови од сложени форми да се произведуваат со вбризгување. Физичките и магнетните својства на производот зависат од суровините, но обично се пониски со магнетна јачина и личат на пластика во нивните физички својства.
Флексибилните магнети се составени од висококоертивно феромагнетно соединение (обично железен оксид), мешано со пластично врзивно средство. Ова е екструдирано како лист и поминало низ линија на моќни цилиндрични постојани магнети. Овие магнети се поставени во магацин со наизменични магнетни столбови свртени нагоре (N, S, N, S ...) на вртечкото вратило. За генерирање на магнети не се користи електромагнетизам. Растојанието меѓу пол-пол е со големина од 5 мм, но варира со производителот. Овие магнети се помали со магнетна јачина, но можат да бидат многу флексибилни, во зависност од употребеното врзувачко средство.[23]
Ретките земјени (лантаноидни) елементи имаат делумно окупирана електронска обвивка (која може да прими до 14 електрони). Спинот на овие електрони може да се усогласи, што резултира со многу силни магнетни полиња, и затоа овие елементи се користат во компактни високоцврсти магнети, каде што нивната повисока цена не е загрижувачка. Најчестите типови на магнети со ретки земји се самариум-кобалт и неодиум-железо-бор (NIB) магнети.
Во 1990-тите, беше откриено дека одредени молекули кои содржат парамагнетни метални јони се способни за складирање на магнетен момент на многу ниски температури. Овие се многу различни од конвенционалните магнети кои ги складираат информациите на ниво на магнетни домени и теоретски може да обезбедат далеку погуст простор за складирање од конвенционалните магнети. Во оваа насока, во тек е истражување на монослоите на SMM. Многу кратко, двете главни атрибути на SMM се:
Повеќето SMM содржат манган, но можат да се најдат и со ванадиум, железо, никел и кобалтни кластери. Неодамна, беше откриено дека некои синџирски системи, исто така, може да прикажат магнетизација која продолжува долго време на повисоки температури. Овие системи се нарекуваат магнети со еден ланец.
Некои нано-структурирани материјали покажуваат енергетски бранови, наречени магнони, кои се спојуваат во заедничка состојба на земјата во начинот на кондензатот Бозе-Ајнштајн.[24]
Одделот за енергетика на САД идентификуваше потреба да најде замена за ретките метали во технологијата со постојан магнет и почна да ги финансира такви истражувања. Агенцијата за напредни истражувачки проекти-Енергија (ARPA-E) спонзорираше програма за алтернативи на ретки земјени алтернативи во критичните технологии (REACT) за развој на алтернативни материјали. Во 2011 година АРПА-Е додели 31,6 милиони долари за финансирање на проекти за замена на ретки планети.[25]
Сегашните најевтини постојани магнети, кои дозволуваат сили на поле, се флексибилни и керамички магнети, но тие се исто така меѓу најслабите видови. Феритни магнети се главно ниски буџетни магнети, бидејќи тие се направени од евтини суровини: железен оксид и Ba- или Sr-карбонат. Сепак, новиот магнет со ниска цена, Mn-Al легура,[26] е развиен и сега доминира во областа на магнети со ниски трошоци. Таа има повисока заситеност на магнетизација од феритни магнети. Исто така има поповолни температурни коефициенти, иако може да биде топлински нестабилен. Магнетите од неодиум-железо-бор (NIB) се меѓу најсилните. Тие чинат повеќе за еден килограм од повеќето други магнетни материјали, но, поради нивната интензивна област, се помали и поевтини во многу апликации.[27]
Чувствителноста на температурата варира, но кога еден магнет се загрева до температура позната како точка на Кири, го губи целиот свој магнетизам дури и по ладењето под таа температура. Меѓутоа, магнетите често може да се ремагнетизираат.
Дополнително, некои магнети се кршливи и може да се скршат на високи температури.
Максималната корисна температура е највисока за магнетите на Alnico од над 540 °C, околу 300 °C (572 °F) за феритни и SmCo, околу 140 °C (284 °F) за NIB и пониски за флексибилна керамика , но точните броеви зависат од квалитетот на материјалот.
Електромагнет, во наједноставна форма, е жица која е свиткана во една или повеќе јамки, познати како соленоид. Кога електричната струја тече низ жицата, се генерира магнетно поле. Магнетното поле е концентрирано близу (а особено внатре во) калемот, а неговите полиња се многу слични на оние на магнет. Ориентацијата на овој делотворен магнет се одредува со правилото на десната рака. Магнетниот момент и магнетното поле на електромагнет се пропорционални на бројот на жиците, на пресекот на секоја јамка и на струјата што минува низ жицата.[28]
Ако калемот од жица е завиткан околу материјал без специјални магнетни својства (на пример, картон), тој ќе има тенденција да генерира многу слабо поле. Меѓутоа, ако е завиткано околу мек феромагнетен материјал, како што се железен лак, тогаш произведеното нето поле може да резултира со неколку стотици до илјадикратно зголемување на јачината на полето.
Употреба за електромагнети вклучуваат акцелератори на честички, електрични мотори, кранови за отпад и магнетна резонанца. Некои апликации вклучуваат конфигурации повеќе од едноставен магнетен дипол; на пример, квадруполни и сегтуполни магнети се користат за фокусирање на греди на честички.
За повеќето инженерски апликации, најчесто се користат МКС (рационализирани) или SI (Système International). Два други множества единици, Gaussian и CGS-EMU, се исти за магнетните својства и најчесто се користат во физиката. Во сите единици е погодно да се применат два вида на магнетно поле, Б и Х, како и магнетизацијата М, дефинирана како магнетен момент по единица волумен.
Материјалите што не се постојани магнети обично го задоволуваат односот M = χH во SI, каде што χ е (безразлична) магнетна осетливост. Повеќето немамагнетни материјали имаат релативно мал χ (од редот на еден милион), но меките магнети можат да имаат χ по редослед од стотици или илјадници. За материјали кои ги задоволуваат M = χH, можеме да напишеме и B = μ0 (1 + χ) H = μ0μrH = μH, каде што μr = 1 + χ е релативна пропустливост (без димензии), а μ = μ0μr е магнетна пропустливост. И тврдите и меки магнети имаат посложени, зависни од историјата, однесување опишано од она што се нарекува хистерезис петелки, кои даваат или Б наспроти H или M наспроти H. Во CGS, M = χH, но χSI = 4πχCGS и μ = μr.
Внимание: делумно затоа што нема доволно римски и грчки симболи, не постои вообичаено договорен симбол за јачина на магнетниот пол и магнетен момент. Симболот m се употребува и за двете јачини на половите (единица A • m, каде што тука исправеното m е за метар) и за магнетниот момент (единица А • м2). Симболот μ се користи во некои текстови за магнетна пропустливост и во други текстови за магнетен момент. Ќе користиме μ за магнетна пропустливост и m за магнетен момент. За полова сила, ние ќе користиме qm. За бар-магнет на напречниот пресек А со еднаква магнетизација M по оската, јачината на пол е дадена со qm = MA, така што M може да се смета како сила на половина од единица површина.
Далеку од магнет, магнетното поле создадено од тој магнет е скоро секогаш опишано (до добра апроксимација) со диполно поле карактеризирано со неговиот вкупен магнетен момент. Ова е точно без оглед на обликот на магнетот, сè додека магнетниот момент не е нула. Една одлика на диполовото поле е дека силата на полето паѓа обратно со коцката на растојанието од центарот на магнет.
Поблиску до магнет, магнетното поле станува посложено и повеќе зависи од деталната форма и магнетизацијата на магнетот. Формално, полето може да се изрази како мултиполна експанзија: диполно поле, плус квадруполно поле, плус октуполно поле итн.
Во близина, многу различни полиња се можни. На пример, за долгиот, слаб бар-магнет со својот Северен Пол на едниот крај и Јужниот Пол, на другата страна, магнетното поле во близина на секој крај паѓа обратно со квадратот на растојанието од тој пол.
Силата на даден магнет понекогаш се дава во смисла на неговата сила на влечење - неговата способност да придвижи (притисне / повлече) други објекти. Силата на влечење што ја врши или електромагнет или постојан магнет на "воздушниот јаз" (односно, точката во просторот каде што завршува магнет) е дадена со Максвеловата равенка:[29]
каде
Затоа, ако магнет дејствува вертикално, може да ја подигне масата m во килограми дадена со едноставна равенка:
Класично, силата меѓу два магнетни столба е дадена со:[30]
каде
Описот на полот е корисен за инженерите кои дизајнираат реални светски магнети, но вистинските магнети имаат повеќе комплексна дистрибуција од еден север и југ. Затоа, имплементацијата на идејата за пол не е едноставна. Во некои случаи, една од покомплексните формули дадени подолу ќе биде покорисна.
Механичката сила помеѓу две блиски магнетизирани површини може да се пресмета со следнава равенка. Равенката важи само за случаи во кои ефектот на решетката е занемарлив и обемот на воздушниот јаз е многу помал од оној на магнетизираниот материјал:[31][32]
каде
Силата помеѓу две идентични цилиндрични ленти за магнети поставени крај до крај на големо растојание Z>>R е приближно:,
каде
Имајте на ум дека сите овие формулации се засноваат на моделот на Гилберт, кој може да се употреби на релативно големи далечини. Во други модели (на пример, модел на Ампер), се користи покомплицирана формулација која понекогаш не може да се реши аналитички. Во овие случаи, мора да се користат бројчени методи.
За два цилиндрични магнети со полупречник R и должина L, со нивната магнетна дипола усогласена, силата може асимптотски да се прикаже приближна на големи растојанија кај,[33]
каде што М е магнетизацијата на магнетите и z е јазот меѓу магнетите. Мерењето на густината на магнетниот флукс многу блиску до магнет Б_ {0} е поврзано со М приближно со формулата
Делотворниот магнетен дипол може да биде напишан како
Каде што V е волуменот на магнетот. За цилиндар, ова е .
Кога , се добива точка на диполна аппроксимација,
што се совпаѓа со изразувањето на силата меѓу два магнетични диполи.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.