В чем измеряется постоянное магнитное поле. Магнитное поле и электромагнетизм. Магнитное поле, его свойства и характеристики

Магнитное поле – это материальная среда, через которую осуществляется взаимодействие между проводниками с током или движущимися зарядами.

Свойства магнитного поля :

Характеристики магнитного поля :

Для исследования магнитного поля используют пробный контур с током. Он имеет малые размеры, и ток в нём много меньше тока в проводнике, создающем магнитное поле. На противоположные стороны контура с током со стороны магнитного поля действуют силы, равные по величине, но направленные в противоположные стороны, так как направление силы зависит от направления тока. Точки приложения этих сил не лежат на одной прямой. Такие силы называют парой сил . В результате действия пары сил контур не может двигаться поступательно, он поворачивается вокруг своей оси. Вращающее действие характеризуетсямоментом сил .

, гдеl –плечо пары сил (расстояние между точками приложения сил).

При увеличении тока в пробном контуре или площади контура пропорционально увеличится момент пары сил. Отношение максимального момента сил, действующего на контур с током, к величине силы тока в контуре и площади контура – есть величина постоянная для данной точки поля. Называется она магнитной индукцией .

, где
-магнитный момент контура с током.

Единица измерения магнитной индукции –Тесла [Тл].

Магнитный момент контура – векторная величина, направление которой зависит от направления тока в контуре и определяется поправилу правого винта : правую руку сжать в кулак, четыре пальца направить по направлению тока в контуре, тогда большой палец укажет направление вектора магнитного момента. Вектор магнитного момента всегда перпендикулярен плоскости контура.

За направление вектора магнитной индукции принимают направление вектора магнитного момента контура, ориентированного в магнитном поле.

Линия магнитной индукции – линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, никогда не пересекаются.Линии магнитной индукции прямого проводника с током имеют вид окружностей, расположенных в плоскости, перпендикулярной проводнику. Направление линий магнитной индукции определяют по правилу правого винта.Линии магнитной индукции кругового тока (витка с током) также имеют вид окружностей. Каждый элемент витка длиной
можно представить как прямолинейный проводник, который создаёт своё магнитное поле. Для магнитных полей выполняется принцип суперпозиции (независимого сложения). Суммарный вектор магнитной индукции кругового тока определяется как результат сложения этих полей в центре витка по правилу правого винта.

Если величина и направление вектора магнитной индукции одинаковы в каждой точке пространства, то магнитное поле называют однородным . Если величина и направление вектора магнитной индукции в каждой точке не изменяются с течением времени, то такое поле называютпостоянным.

Величина магнитной индукции в любой точке поля прямо пропорциональна силе тока в проводнике, создающем поле, обратно пропорциональна расстоянию от проводника до данной точки поля, зависит от свойств среды и формы проводника, создающего поле.

, где
Н/А 2 ; Гн/м– магнитная постоянная вакуума ,

-относительная магнитная проницаемость среды ,

-абсолютная магнитная проницаемость среды .

В зависимости от величины магнитной проницаемости все вещества разделяют на три класса:

При увеличении абсолютной проницаемости среды увеличивается и магнитная индукция в данной точке поля. Отношение магнитной индукции к абсолютной магнитной проницаемости среды – величина постоянная для данной точки поли, е называют напряжённостью.

.

Векторы напряжённости и магнитной индукции совпадают по направлению. Напряжённость магнитного поля не зависит от свойств среды.

Сила Ампера – сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.

Гдеl – длина проводника,- угол между вектором магнитной индукции и направлением тока.

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки : левую руку располагают так, чтобы составляющая вектора магнитной индукции, перпендикулярная проводнику, входила в ладонь, четыре вытянутых пальца направить по току, тогда отогнутый на 90 0 большой палец укажет направление силы Ампера.

Результат действия силы Ампера – движение проводника в данном направлении.

Если= 90 0 , тоF=max, если= 0 0 , тоF= 0.

Сила Лоренца – сила действия магнитного поля на движущийся заряд.

, гдеq– заряд,v– скорость его движения,- угол между векторами напряжённости и скорости.

Сила Лоренца всегда перпендикулярна векторам магнитной индукции и скорости. Направление определяют по правилу левой руки (пальцы – по движению положительного заряда). Если направление скорости частицы перпендикулярно линиям магнитной индукции однородного магнитного поля, то частица движется по окружности без изменения кинетической энергии.

Так как направление силы Лоренца зависит от знака заряда, то её используют для разделения зарядов.

Магнитный поток – величина, равная числу линий магнитной индукции, которые проходят через любую площадку, расположенную перпендикулярно линиям магнитной индукции.

, где- угол между магнитной индукцией и нормалью (перпендикуляром) к площадиS.

Единица измерения – Вебер [Вб].

Способы измерения магнитного потока:

Изменение ориентации площадки в магнитном поле (изменение угла)

Изменение площади контура, помещённого в магнитное поле

Изменение силы тока, создающего магнитное поле

Изменение расстояния контура от источника магнитного поля

Изменение магнитных свойств среды.

Фарадей регистрировал электрический ток в контуре, не содержащим источника, но находившемся рядом с другим контуром, содержащим источник. Причём ток в первом контуре возникал в следующих случаях: при любом изменении тока в контуре А, при относительном перемещении контуров, при внесении в контур А железного стержня, при движении относительно контура Б постоянного магнита. Направленное движение свободных зарядов (ток) возникает только в электрическом поле. Значит, изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, которое и приводит в движение свободные заряды проводника. Это электрическое поле называютиндуцированным иливихревым .

Отличия вихревого электрического поля от электростатического:

Источник вихревого поля – изменяющееся магнитное поле.

Линии напряжённости вихревого поля замкнуты.

Работа, совершаемая этим полем по перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю.

Энергетической характеристикой вихревого поля является не потенциал, а ЭДС индукции – величина, равная работе сторонних сил (сил не электростатического происхождения) по перемещению единицы заряда по замкнутому контуру.

.Измеряется в Вольтах [В].

Вихревое электрическое поле возникает при любом изменении магнитного поля, независимо от того, есть ли проводящий замкнутый контур или его нет. Контур только позволяет обнаружить вихревое электрическое поле.

Электромагнитная индукция – это возникновение ЭДС индукции в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока через его поверхность.

ЭДС индукции в замкнутом контуре порождает индукционный ток.

.

Направление индукционного тока определяют поправилу Ленца : индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле противодействует любому изменению магнитного потока, породившего этот ток.

Закон Фарадея для электромагнитной индукции : ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Токи Фуко – вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках больших размеров, помещённых в изменяющееся магнитное поле. Сопротивление такового проводника мало, так как он имеет большое сечениеS, поэтому токи Фуко могут быть большими по величине, в результате чего проводник нагревается.

Самоиндукция – это возникновение ЭДС индукции в проводнике при изменении силы тока в нём.

Проводник с током создаёт магнитное поле. Магнитная индукция зависит от силы тока, следовательно собственный магнитный поток тоже зависит от силы тока.

, гдеL– коэффициент пропорциональности,индуктивность .

Единица измерения индуктивности – Генри [Гн].

Индуктивность проводника зависит от его размеров, формы и магнитной проницаемости среды.

Индуктивность увеличивается при увеличении длины проводника, индуктивность витка больше индуктивности прямого проводника такой же длины, индуктивность катушки (проводника с большим числом витков) больше индуктивности одного витка, индуктивность катушки увеличивается, если в неё вставить железный стержень.

Закон Фарадея для самоиндукции :
.

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока.

ЭДС самоиндукции порождает ток самоиндукции, который всегда препятствует любому изменению тока в цепи, то есть, если ток увеличивается, ток самоиндукции направлен в противоположную сторону, при уменьшении тока в цепи, ток самоиндукции направлен в ту же сторону. Чем больше индуктивность катушки, тем больше ЭДС самоиндукции возникает в ней.

Энергия магнитного поля равна работе, которую совершает ток для преодоления ЭДС самоиндукции за время, пока ток возрастает от нуля до максимального значения.

.

Электромагнитные колебания – это периодические изменения заряда, силы тока и всех характеристик электрического и магнитного полей.

Электрическая колебательная система (колебательный контур) состоит из конденсатора и катушки индуктивности.

Условия возникновения колебаний :

Систему надо вывести из состояния равновесия, для этого сообщают заряд конденсатору. Энергия электрического поля заряженного конденсатора:

.

Система должна возвращаться в состояние равновесия. Под действием электрического поля заряд переходит с одной пластины конденсатора на другую, то есть в цепи возникает электрический ток, которые идёт по катушке. При увеличении тока в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, ток самоиндукции направлен в противоположную сторону. Когда ток в катушке уменьшается, ток самоиндукции направлен в ту же сторону. Таким образом, ток самоиндукции стремиться возвратить систему к состоянию равновесия.

Электрическое сопротивление цепи должно быть малым.

Идеальный колебательный контур не имеет сопротивления. Колебания в нём называютсвободными.

Для любой электрической цепи выполняется закон Ома, согласно которому ЭДС, действующая в контуре, равна сумме напряжений на всех участках цепи. В колебательном контуре источника тока нет, но в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, которая равна напряжению на конденсаторе.

Вывод: заряд конденсатора изменяется по гармоническому закону .

Напряжение на конденсаторе :
.

Сила тока в контуре :
.

Величина
- амплитуда силы тока.

Отличие от заряда на
.

Период свободных колебаний в контуре :

Энергия электрического поля конденсатора :

Энергия магнитного поля катушки :

Энергии электрического и магнитного полей изменяются по гармоническому закону, но фазы их колебаний разные: когда энергия электрического поля максимальна, энергия магнитного поля равна нулю.

Полная энергия колебательной системы :
.

В идеальном контуре полная энергия не изменяется.

В процессе колебаний энергия электрического поля полностью превращается в энергию магнитного поля и наоборот. Значит энергия в любой момент времени равна или максимальной энергии электрического поля, или максимальной энергии магнитного поля.

Реальный колебательный контур содержит сопротивление. Колебания в нём называютзатухающими.

Закон Ома примет вид:

При условии что затухание мало (квадрат собственной частоты колебаний много больше квадрата коэффициента затухания) логарифмический декремент затухания:

При сильном затухании (квадрат собственной частоты колебаний меньше квадрата коэффициента колебаний):

Это уравнение описывает процесс разрядки конденсатора на резистор. При отсутствии индуктивности колебаний не возникнет. По такому закону изменяется и напряжение на обкладках конденсатора.

Полная энергия в реальном контуре уменьшается, так как на сопротивлениеRпри прохождении тока выделяется теплота.

Переходный процесс – процесс, возникающий в электрических цепях при переходе от одного режима работы к другому. Оценивается временем (), в течение которого параметр, характеризующий переходный процесс изменится в е раз.

Для контура с конденсатором и резистором :
.

Теория Максвелла об электромагнитном поле :

1 положение:

Всякое переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное. Переменное электрическое поле было названо Максвеллом током смещения, так как оно подобно обычному току вызывает магнитное поле.

Для обнаружения тока смещения рассматривают прохождение тока по системе, в которую включён конденсатор с диэлектриком.

Плотность тока смещения :
. Плотность тока направлена в сторону изменения напряжённости.

Первое уравнение Максвелла :
- вихревое магнитное поле порождается как токами проводимости (движущимися электрическими зарядами) так и токами смещения (переменным электрическим полем Е).

2 положение:

Всякое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле – основной закон электромагнитной индукции.

Второе уравнение Максвелла :
- связывает скорость изменения магнитного потока сквозь любую поверхность и циркуляцию вектора напряжённости электрического поля, возникающего при этом.

Любой проводник с током создаёт в пространстве магнитное поле . Если ток постоянный (не изменяется с течением времени), то и связанное с ним магнитное поле тоже постоянное. Изменяющийся ток создаёт изменяющиеся магнитное поле. Внутри проводника с током существует электрическое поле. Следовательно, изменяющееся электрическое поле создаёт изменяющееся магнитное поле.

Магнитное поле вихревое, так как линии магнитной индукции всегда замкнуты. Величина напряженности магнитного поля Н пропорциональна скорости изменения напряжённости электрического поля . Направление вектора напряжённости магнитного полясвязано с изменением напряжённости электрического поляправилом правого винта: правую руку сжать в кулак, большой палец направить в сторону изменения напряжённости электрического поля, тогда согнутые 4 пальца укажут направление линий напряжённости магнитного поля.

Любое изменяющееся магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле , линии напряжённости которого замкнуты и расположены в плоскости, перпендикулярной напряжённости магнитного поля.

Величина напряжённости Е вихревого электрического поля зависит от скорости изменения магнитного поля . Направление вектора Е связано с направлением изменения магнитного пол Н правилом левого винта: левую руку сжать в кулак, большой палец направить в сторону изменения магнитного поля, согнутые четыре пальца укажут направление линий напряжённости вихревого электрического поля.

Совокупность связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей представляют электромагнитное поле . Электромагнитное поле не остаётся в месте зарождения, а распространяется в пространстве в виде поперечной электромагнитной волны.

Электромагнитная волна – это распространение в пространстве связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей.

Условие возникновения электромагнитной волны – движение заряда с ускорением.

Уравнение электромагнитной волны :

- циклическая частота электромагнитных колебаний

t– время от начала колебаний

l– расстояние от источника волны до данной точки пространства

- скорость распространения волны

Время движения волны от источника до данной точки.

Векторы Е и Н в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и скорости распространения волны.

Источник электромагнитных волн – проводники, по которым протекают быстропеременные токи (макроизлучатели), а также возбуждённые атомы и молекулы (микроизлучатели). Чем больше частота колебаний, тем лучше излучаются в пространстве электромагнитные волны.

Свойства электромагнитных волн:

Все электромагнитные волны – поперечные

В однородной среде электромагнитные волны распространяются с постоянной скоростью , которая зависит от свойств среды:

- относительная диэлектрическая проницаемость среды

- диэлектрическая постоянная вакуума,
Ф/м, Кл 2 /нм 2

- относительная магнитная проницаемость среды

- магнитная постоянная вакуума,
Н/А 2 ; Гн/м

Электромагнитные волны отражаются от препятствий, поглощаются, рассеиваются, преломляются, поляризуются, дифрагируют, интерферируют .

Объёмная плотность энергии электромагнитного поля складывается из объёмных плотностей энергии электрического и магнитного полей:

Плотность потока энергии волн – интенсивность волны :

-вектор Умова-Пойнтинга .

Все электромагнитные волны расположены в ряд по частотам или длинам волн (
). Этот ряд –шкала электромагнитных волн .

Низкочастотные колебания . 0 – 10 4 Гц. Получают в генераторах. Они плохо излучаются

Радиоволны . 10 4 – 10 13 Гц. Излучаются твёрдыми проводниками, по которым проходят быстропеременные токи.

Инфракрасное излучение – волны, излучаемые всеми телами при температуре свыше 0 К, благодаря внутриатомным и внутри молекулярным процессам.

Видимый свет – волны, оказывающие действие на глаз, вызывая зрительное ощущение. 380-760 нм

Ультрафиолетовое излучение . 10 – 380 нм. Видимый свет и УФ возникают при изменении движения электронов внешних оболочек атома.

Рентгеновское излучение . 80 – 10 -5 нм. Возникает при изменении движения электронов внутренних оболочек атома.

Гамма-излучение . Возникает при распаде ядер атомов.

К такому предмету, как магнит, все давно привыкли. Мы не видим в нём ничего особенного. Ассоциируется у нас он обычно с уроками физики или демонстрацией в виде фокусов свойств магнита для дошкольников. И редко кто задумывается, сколько магнитов окружает нас в повседневной жизни. В любой квартире их десятки. Магнит присутствует в устройстве каждого динамика, магнитофона, электробритвы, часов. Даже банка с гвоздями является таковым.

А еще?

Мы - люди - не исключение. Благодаря протекающим в организме биотокам вокруг нас существует невидимый узор его силовых линий. Огромным магнитом является планета Земля. А еще более грандиозным - плазменный шар солнца. Непостижимые человеческому разуму размеры галактик и туманностей редко допускают мысль о том, что всё это - тоже магниты.

Современной науке требуется создание новых больших и сверхмощных магнитов, области применения которых связаны с термоядерным синтезом, генерированием электрической энергии, ускорением в синхротронах заряженных частиц, подъемом затонувших судов. Создать сверхсильное поле, используя - одна из задач современной физики.

Уточним понятия

Магнитным полем называется сила, действующая на обладающие зарядом тела, находящиеся в движении. Она "не работает" с неподвижными объектами (либо лишенными заряда) и служит одной из форм электромагнитного поля, которое существует как более общее понятие.

Если тела могут создавать вокруг себя магнитное поле и сами испытывать силу его воздействия, их называют магнитами. То есть данные предметы - намагничены (обладают соответствующим моментом).

Разные материалы неодинаково реагируют на внешнее поле. Ослабляющие его действие внутри себя именуются парамагнетиками, усиливающие - диамагнетиками. Отдельные материалы обладают свойством тысячекратно усиливать в себе внешнее магнитное поле. Это - ферромагнетики (кобальт, никель с железом, гадолиний, а также соединения и сплавы упомянутых металлов). Те из них, которые, попав под воздействие сильного внешнего поля, сами приобретают магнитные свойства, именуются магнитотвердыми. Другие, способные вести себя как магниты лишь под непосредственным воздействием поля и перестающие быть таковыми с его исчезновением, - магнитомягкими.

Чуть-чуть истории

Изучением свойств постоянных магнитов люди занимаются с очень и очень давних времен. Упоминается о них в трудах ученых Древней Греции ещё за 600 лет до нашей эры. Природные (естественного происхождения) магниты можно обнаружить в залежах магнитной руды. Наиболее известный из крупных естественных магнитов хранится в Тартуском университете. Весит он 13 килограммов, а груз, который может быть поднят при его помощи, - 40 кг.

Человечество научилось создавать искусственные магниты, используя различные ферромагнетики. Ценность порошковых (из кобальта, железа и т. п.) заключается в способности удерживать груз весом в 5000 раз более собственной массы. Искусственные экземпляры могут быть постоянными (полученными из или электромагнитами, имеющими сердечник, материал которого - магнитомягкое железо. Поле напряжения в них возникает благодаря прохождению электрического тока по проводам обмотки, которой окружён сердечник.

Первая серьезная книга, содержащая попытки научного исследования свойств магнита, - труд лондонского врача Гильберта, вышедший в 1600 году. Данная работа содержит всю совокупность имеющихся на тот момент сведений, касающихся магнетизма и электричества, а также авторские эксперименты.

Любое из существующих явлений человек пытается приспособить к практической жизни. Разумеется, и магнит не стал исключением.

Как используют магниты

Какие свойства магнита человечество взяло на вооружение? Сфера применения его настолько широка, что мы имеем возможность лишь вкратце коснуться основных, самых известных устройств и областей применения данного замечательного предмета.

Компас является всем известным прибором для определения на местности направлений. Благодаря ему прокладывают пути воздушных и морских судов, наземного транспорта, цели пешеходного движения. Эти приборы могут быть магнитными (стрелочного типа), используемыми туристами и топографами, либо немагнитными (радио- и гидрокомпасы).

Первые компасы из были изготовлены в XI веке и использовались в навигации. Основано их действие на свободном повороте в горизонтальной плоскости длинной иглы из магнитного материала, уравновешенной на оси. Один её конец всегда обращен к югу, другой - к северу. Таким образом можно всегда точно узнать основные направления касательно сторон света.

Главные сферы

Области, где свойства магнита нашли основное применение - радио- и электротехника, приборостроение, автоматика и телемеханика. Из получают реле, магнитопроводы и т. п. В 1820 году было обнаружено свойство проводника с током воздействовать на стрелку магнита, принуждая ее к повороту. В это же время было сделано и другое открытие - пара параллельных проводников, сквозь которые проходит ток одного направления, обладают свойством взаимного притяжения.

Благодаря этому было сделано предположение о причине свойств магнита. Все подобные явления возникают в связи с токами, в том числе циркулирующими внутри магнитных материалов. Современные представления в науке полностью совпадают с данным предположением.

О двигателях и генераторах

На основе его создано множество разновидностей электродвигателей и электрогенераторов, то есть машин вращательного типа, принцип действия которых основан на преобразовании механической энергии в электрическую (речь идёт о генераторах) или же электрической в механическую (о двигателях). Любой генератор действует по принципу электромагнитной индукции, то есть ЭДС (электродвижущая сила) возникает в проводе, который движется в магнитном поле. Электродвигатель работает на основе явления возникновения силы в проводе с током, помещенном в поперечное поле.

Используя силу взаимодействия поля с током, который проходит через витки обмотки их подвижных частей, работают приборы, именуемые магнитоэлектрическими. В качестве нового мощного электродвигателя переменного тока, имеющего две обмотки, выступает индукционный счетчик электроэнергии. Расположенный между обмоток проводящий диск подвержен вращению крутящим моментом, сила которого пропорциональна потребляемой мощности.

А в быту?

Снабженные миниатюрной батарейкой электрические наручные часы знакомы всем. Устройство их благодаря использованию пары магнитов, пары катушек индуктивности и транзистора намного проще по числу имеющихся деталей, чем у механических часов.

Всё большее применение находят замки электромагнитного типа или такие цилиндровые замки, которые снабжены магнитными элементами. В них как ключ, так и замок оснащены кодовым набором. При попадании в скважину замка правильного ключа в нужное положение притягиваются внутренние элементы магнитного замка, что позволяет его открыть.

На действии магнитов основано устройство динамометров и гальванометра (высокочувствительного прибора, с помощью которого измеряют слабые токи). Свойства магнита нашли применение в производстве абразивов. Так именуют острые мелкие и очень твердые частицы, которые нужны для механической обработки (шлифовки, полирования, обдирки) самых разных предметов и материалов. При производстве их необходимый в составе смеси ферросилиций частично оседает на дно печей, частично внедряется в состав абразива. Для удаления его оттуда и требуются магниты.

Наука и связь

Благодаря магнитным свойствам веществ наука имеет возможность изучать структуру самых разных тел. Можно лишь упомянуть о магнитохимии или (методе обнаружения дефектов путем исследования искажения магнитного поля в определенных зонах изделий).

Применяют их и в производстве техники сверхвысокого частотного диапазона, радиосистемах связи (военного назначения и на коммерческих линиях), при термообработке, как в домашних условиях, так и в пищевой промышленности продуктов (всем хорошо знакомы микроволновые печи). Практически невозможно в рамках одной статьи перечислить все те сложнейшие технические устройства и области применения, где используются в наши дни магнитные свойства веществ.

Сфера медицины

Не стала исключением и сфера диагностики и медицинской терапии. Благодаря генерирующим рентгеновское излучение электронным линейным ускорителям осуществляется опухолевая терапия, в циклотронах или синхротронах генерируются пучки протонов, имеющие преимущества перед рентгеновскими лучами в локальной направленности и повышенной эффективности при лечении опухолей глаз и мозга.

Что касается биологической науки, то еще до середины прошлого века жизненные функции организма никак не связывались с существованием магнитных полей. Научная литература изредка пополнялась единичными сообщениями о том или ином их медицинском эффекте. Но с шестидесятых годов лавиной потекли публикации о биологических свойствах магнита.

Раньше и сейчас

Впрочем, попытки лечить им людей предпринимались алхимиками еще в XVI веке. Зафиксировано много успешных попыток излечения зубной боли, нервных расстройств, бессонницы и множества неполадок внутренних органов. Думается, что в медицине свое применение магнит нашел ничуть не позже, чем в мореплавании.

Последние полвека широко используются магнитные браслеты, популярные среди больных с нарушенным давлением крови. Ученые серьезно поверили в способность магнита повышать сопротивляемость человеческого организма. С помощью электромагнитных приборов научились измерять скорость кровеносного потока, брать пробы или вводить нужные медикаменты из капсул.

Магнитом удаляют попавшие в глаз мелкие металлические частицы. На его действии основана работа электродатчиков (любому из нас знакома процедура снятия электрокардиограммы). В наше время сотрудничество физиков с биологами для изучения глубинных механизмов воздействия на человеческий организм магнитного поля становится все более тесным и необходимым.

Неодимовый магнит: свойства и применение

Неодимовые магниты считаются обладающими максимальным влиянием на человеческое здоровье. Состоят они из неодима, железа и бора. Химическая формула их - NdFeB. Главным преимуществом такого магнита считается сильное воздействие его поля при относительно небольшом размере. Так, вес магнита силой в 200 гаусс составляет около 1 гр. Для сравнения, равный ему по силе железный магнит имеет вес, больший примерно в 10 раз.

Другое несомненное достоинство упомянутых магнитов - хорошая устойчивость и способность к сохранности нужных качеств на протяжении сотен лет. В течение века магнит теряет свои свойства лишь на 1 %.

Как именно лечатся неодимовым магнитом?

С его помощью улучшают кровообращение, стабилизируют давление, борются с мигренью.

Свойства неодимовых магнитов начали использовать для лечения порядка 2000 лет назад. Упоминания о таком виде терапии встречаются в манускриптах Древнего Китая. Лечили тогда прикладыванием намагниченных камней к человеческому телу.

Терапия существовала и в форме прикрепления их на теле. Легенда утверждает, что отличным здоровьем и неземной красотой Клеопатра обязана была постоянному ношению на голове магнитной повязки. В X веке персидскими учеными подробно описывалось благотворное влияние свойств неодимовых магнитов на человеческий организм в случае ликвидации воспалений и мышечных спазмов. По сохранившимся свидетельствам того времени можно судить о применении их для увеличения силы мышц, прочности костных тканей и снижения боли в суставах.

От всех недугов...

Доказательства эффективности такого воздействия были опубликованы в 1530 году знаменитым доктором из Швейцарии Парацельсом. В своих трудах врач описывал волшебные свойства магнита, могущего стимулировать силы организма и вызывать самоизлечение. Огромное множество болезней в те времена начали одолевать, используя магнит.

Широкое распространение получило самолечение при помощи данного средства в США в послевоенные годы (1861-1865), когда медикаментов категорически не хватало. Использовали его и как лекарство, и как обезболивающее.

Начиная с XX века лечебные свойства магнита получили научное обоснование. В 1976 году японским врачом Никагавой было введено понятие синдрома дефицита магнитного поля. Исследованиями установлены точные его симптомы. Заключаются они в слабости, утомляемости, пониженной работоспособности и нарушениях процесса сна. Также имеют место мигрени, суставные и позвоночные боли, неполадки с пищеварительной и сердечно-сосудистой системами в виде гипотонии или гипертонии. Касается синдром и области гинекологии, и кожных изменений. Применением магнитотерапии данные состояния довольно успешно удается нормализовать.

Наука не стоит на месте

Ученые продолжают экспериментировать с магнитными полями. Опыты проводятся как на животных и птицах, так и на бактериях. Условия ослабленного магнитного поля снижают успешность обменных процессов у подопытных птиц и мышей, бактерии резко прекращают размножаться. При длительном дефиците поля живые ткани подвергаются необратимым изменениям.

Именно для борьбы со всеми подобными явлениями и вызванными ими многочисленными негативными последствиями применяется магнитотерапия как таковая. Думается, что в настоящее время все полезные свойства магнитов еще не изучены в должной степени. Впереди у врачей множество интереснейших открытий и новых разработок.

Что же такое постоянный магнит? Постоянным магнитом называется тело, способное долгое время сохранять намагничивание. В результате многократных исследований, проведенных многочисленных опытов, мы можем сказать, что только три вещества на Земле могут быть постоянными магнитами (рис. 1).

Рис. 1. Постоянные магниты. ()

Только эти три вещества и их сплавы могут быть постоянными магнитами, только они могут намагничиваться и сохранять такое состояние долгое время.

Постоянные магниты использовались очень давно, и в первую очередь это приборы ориентирования в пространстве - первый компас был изобретен в Китае для того, чтобы ориентироваться в пустыне. На сегодняшний день о магнитных стрелках, о постоянных магнитах уже никто не спорит, их используют повсеместно в телефонах и в радиопередатчиках и просто в различных электротехнических изделиях. Они могут быть разными: есть полосовые магниты (рис. 2)

Рис. 2. Полосовой магнит ()

А есть магниты, которые называются дугообразными или подковообразными (рис. 3)

Рис. 3. Дугообразный магнит ()

Исследование постоянных магнитов связано исключительно с их взаимодействием. Магнитное поле может создаваться электрическим током и постоянным магнитом, поэтому первое, что было проведено, - это исследования с магнитными стрелками. Если поднести магнит к стрелке, то мы увидим взаимодействие - одноименные полюса будут отталкиваться, а разноименные будут притягиваться. Такое взаимодействие наблюдается со всеми магнитами.

Расположим вдоль полосового магнита маленькие магнитные стрелки (Рис. 4), южный полюс будет взаимодействовать с северным, а северный будет притягивать южный. Магнитные стрелки будут располагаться вдоль линии магнитного поля. Принято считать, что магнитные линии направлены вне постоянного магнита от северного полюса к южному, а внутри магнита от южного полюса к северному. Таким образом, магнитные линии замкнуты точно так же, как и у электрического тока, это концентрические окружности, они замыкаются внутри самого магнита. Получается, что вне магнита магнитное поле направлено от севера к югу, а внутри магнита от юга к северу.

Рис. 4. Лини магнитного поля полосового магнита ()

Для того чтобы пронаблюдать форму магнитного поля полосового магнита, форму магнитного поля дугообразного магнита, воспользуемся следующими приборами или деталями. Возьмем прозрачную пластину, железные опилки и проведем эксперимент. Посыплем железными опилками пластину, находящуюся на полосовом магните (рис. 5):

Рис. 5. Форма магнитного поля полосового магнита ()

Мы видим, что линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный полюс, по густоте линий можно судить о полюсах магнита, где линии гуще - там находятся полюса магнита (рис. 6).

Рис. 6. Форма магнитного поля дугообразного магнита ()

Аналогичный опыт проведем с дугообразным магнитом. Мы видим, что магнитные линии начинаются на северном и заканчиваются на южном полюсе по всему магниту.

Нам уже известно, что магнитное поле образуется только вокруг магнитов и электрических токов. Как же нам определить магнитное поле Земли? Любая стрелка, любой компас в магнитном поле Земли строго ориентированы. Раз магнитная стрелка строго ориентируется в пространстве, следовательно, на нее действует магнитное поле, и это магнитное поле Земли. Можно сделать вывод о том, что наша Земля - это большой магнит (Рис. 7) и, соответственно, этот магнит создает в пространстве достаточно мощное магнитное поле. Когда мы смотрим на стрелку магнитного компаса, мы знаем, что красная стрелочка показывает на юг, а синяя на север. Как же располагаются магнитные полюсы Земли? В этом случае необходимо помнить о том, что на северном географическом полюсе Земли располагается южный магнитный полюс и на южном географическом полюсе располагается северный магнитный полюс Земли. Если рассмотреть Землю как тело, находящееся в пространстве, то можно говорить о том, что, когда мы идем по компасу на север, мы придем на южный магнитный полюс, а когда идем на юг - мы попадем на северный магнитный полюс. На экваторе стрелочка компаса будет располагаться практически горизонтально относительно поверхности Земли, и чем ближе мы будем находиться к полюсам, тем вертикальнее будет расположение стрелки. Магнитное поле Земли могло изменяться, были времена, когда полюсы менялись относительно друг друга, то есть южный был там, где северный, и наоборот. По предположению ученых, это было предвестником больших катастроф на Земле. Последние несколько десятков тысячелетий этого не наблюдалось.

Рис. 7. Магнитное поле Земли ()

Магнитные и географические полюса не совпадают. Внутри самой Земли тоже существует магнитное поле, и, как в постоянном магните, оно направлено от южного магнитного полюса к северному.

Откуда же берется магнитное поле в постоянных магнитах? Ответ на этот вопрос дал французский ученый Андре-Мари Ампер. Он высказал идею о том, что магнитное поле постоянных магнитов объясняется элементарными, простейшими токами, протекающими внутри постоянных магнитов. Эти простейшие элементарные токи определенным образом усиливают друг друга и создают магнитное поле. Отрицательно заряженная частица - электрон - движется вокруг ядра атома, это движение можно считать направленным, и, соответственно, вокруг такого движущегося заряда создается магнитное поле. Внутри любого тела количество атомов и электронов просто огромно, соответственно, все эти элементарные токи принимают упорядоченное направление, и мы получаем достаточно значительное магнитное поле. То же самое мы можем сказать о Земле, то есть магнитное поле Земли очень напоминает магнитное поле постоянного магнита. А постоянный магнит - это достаточно яркая характеристика любого проявления магнитного поля.

Кроме существования магнитных бурь, существуют еще магнитные аномалии. Они связаны с солнечным магнитным полем. Когда на Солнце происходят достаточно мощные взрывы или выбросы, они происходят не без помощи проявления магнитного поля Солнца. Это эхо достигает Земли и сказывается на ее магнитном поле, в результате мы с вами наблюдаем магнитные бури. Магнитные аномалии связаны с залежами железных руд в Земле, огромные залежи в течение долгого времени намагничиваются магнитным полем Земли, и все тела, находящиеся вокруг, будут испытывать действие магнитного поля со стороны этой аномалии, стрелки компасов будут показывать неправильное направление.

На следующем уроке мы с вами рассмотрим другие явления, связанные с магнитными действиями.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Class-fizika.narod.ru ().
2. Class-fizika.narod.ru ().
3. Files.school-collection.edu.ru ().

Домашнее задание

1. Какой из концов стрелки компаса притягивается к северному полюсу Земли?
2. В каком месте Земли нельзя верить магнитной стрелке?
3. О чем говорит густота линий на магните?

ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ. Источниками постоянных магнитных полей (ПМП) на рабочих местах являются постоянные магниты, электромагниты, сильноточные системы постоянного тока (линии передачи постоянного тока, электролитные ванны и др. электротехнические устройства). Постоянные магниты и электромагниты широко используются в приборостроении, в магнитных шайбах подъемных кранов и др. фиксирующих устройствах, в магнитных сепараторах, устройствах для магнитной обработки воды, магнитогидродинамических генераторах (МГД), установках ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), а также в физиотерапевтической практике.

Основные физические параметры, характеризующие ПМП:

2,0 Тл (кратковременное воздействие на тело);

5,0 Тл (кратковременное воздействие на руки);

для населения –

0,01 Тл (непрерывная экспозиция).

Контроль ПМП на рабочих местах осуществляется в порядке предупредительного и текущего санитарного надзора путем измерения напряженности поля и магнитной индукции (плотности магнитного потока). Измерения проводят на постоянных рабочих местах возможного нахождения персонала. В случае отсутствия постоянного рабочего места в пределах рабочей зоны выбирается несколько точек, расположенных на различных расстояниях от источника. При выполнении ручных операций в зоне действия ПМП и при работах с намагниченными материалами (порошками) и постоянными магнитами, когда контакт с ПМП ограничен локальным воздействием (кисти рук, плечевой пояс), измерения следует проводить на уровне конечных фаланг пальцев кистей, середины предплечья, середины плеча.

Измерения магнитной индукции постоянных магнитов проводят путем непосредственного контакта датчика прибора с поверхностью магнита. В гигиенической практике используются приборы, основанные на законах индукции, эффекте Холла. Флюксметры (веберметры) или баллистические гальванометры непосредственно измеряют изменения магнитного потока, который замыкается на калиброванной измерительной катушке; наиболее часто используются баллистические гальванометры типа М-197/1 и М-197/2, флюксметры типа М-119 и М-119т, тесламетры.

Могут использоваться эрстедметры для измерений напряженности ПМП по степени отклонения намагниченной стрелки, т. е. по величине момента сил, поворачивающих стрелку в определенной точке пространства.

Участки производственной зоны с уровнями, превышающими ПДУ, следует обозначать специальными предупреждающими знаками с дополнительной поясняющей надписью «Осторожно! Магнитное поле!». Необходимо уменьшать воздействие ПМП на работников путем выбора рационального режима труда и отдыха, сокращения времени нахождения в условиях действия ПМП, определения маршрута, ограничивающего контакт с ПМП в рабочей зоне.

Профилактика воздействия ПМП. При проведении ремонтных работ систем шинопроводов следует предусматривать шунтирование. Лица, обслуживающие технологические установки постоянного тока, системы шинопроводов или контактирующие с источниками ПМП, должны проходить предварительный и периодические в установленном порядке.

На предприятиях электронной промышленности при сборке полупроводниковых приборов используют сквозные технологические кассеты, ограничивающие контакт кистей рук с ПМП. На предприятиях по производству постоянных магнитов автоматизируют процесс измерения магнитных параметров изделий посредством устройств, исключающих контакт с ПМП. Целесообразно применение дистанционных приспособлений (щипцы из немагнитных материалов, пинцеты, захваты), которые предупреждают возможность локального действия ПМП на работника. Должны применяться блокирующие устройства, отключающие электромагнитную установку при попадании кистей рук в зону действия ПМП.

Наряду с электризующимися трением кусочками янтаря постоянные магниты были для древних людей первым материальным свидетельством электромагнитных явлений (молнии на заре истории определенно относили к сфере проявления нематериальных сил). Объяснение природы ферромагнетизма всегда занимало пытливые умы ученых, однако и в настоящее время физическая природа постоянной намагниченности некоторых веществ, как природных, так и искусственно созданных, еще не до конца раскрыта, оставляя немалое поле деятельности для современных и будущих исследователей.

Традиционные материалы для постоянных магнитов

Они стали активно использоваться в промышленности, начиная с 1940 года с появления сплава алнико (AlNiCo). До этого постоянные магниты из различных сортов стали применялись лишь в компасах и магнето. Алнико сделал возможным замену на них электромагнитов и применение их в таких устройствах, как двигатели, генераторы и громкоговорители.

Это их проникновение в нашу повседневную жизнь получило новый импульс с созданием ферритовых магнитов, и с тех пор постоянные магниты стали обычным явлением.

Революция в магнитных материалах началась около 1970 года, с созданием самарий-кобальтового семейства жестких магнитных материалов с доселе невиданной плотностью магнитной энергии. Затем было открыто новое поколение редкоземельных магнитов на основе неодима, железа и бора с гораздо более высокой плотностью магнитной энергии, чем у самарий-кобальтовых (SmCo) и с ожидаемо низкой стоимостью. Эти две семьи редкоземельных магнитов имеют такие высокие плотности энергии, что они не только могут заменить электромагниты, но использоваться в областях, недоступных для них. Примерами могут служить крошечный шаговый двигатель на постоянных магнитах в наручных часах и звуковые преобразователи в наушниках типа Walkman.

Постепенное улучшение магнитных свойств материалов представлено на диаграмме ниже.

Неодимовые постоянные магниты

Они представляют новейшее и наиболее значительное достижение в этой области на протяжении последних десятилетий. Впервые об их открытии было объявлено почти одновременно в конце 1983 года специалистами по металлам компаний Sumitomo и General Motors. Они основаны на интерметаллическом соединении NdFeB: сплаве неодима, железа и бора. Из них неодим является редкоземельным элементом, добываемым из минерала моназита.

Огромный интерес, которые вызвали эти постоянные магниты, возникает потому, что в первый раз был получен новый магнитный материал, который не только сильнее, чем у предыдущего поколения, но является более экономичным. Он состоит в основном из железа, которое намного дешевле, чем кобальт, и из неодима, являющегося одним из наиболее распространенных редкоземельных материалов, запасы которого на Земле больше, чем свинца. В главных редкоземельных минералах моназите и бастанезите содержится в пять-десять раз больше неодима, чем самария.

Физический механизм постоянной намагниченности

Чтобы объяснить функционирование постоянного магнита, мы должны заглянуть внутрь его до атомных масштабов. Каждый атом имеет набор спинов своих электронов, которые вместе формируют его магнитный момент. Для наших целей мы можем рассматривать каждый атом как небольшой полосовой магнит. Когда постоянный магнитразмагничен (либо путем нагрева его до высокой температуры, либо внешним магнитным полем), каждый атомный момент ориентирован случайным образом (см. рис. ниже) и никакой регулярности не наблюдается.

Когда же он намагничен в сильном магнитном поле, все атомные моменты ориентируются в направлении поля и как бы сцепляются «в замок» друг с другом (см. рис. ниже). Это сцепление позволяет сохранить поле постоянного магнита при удалении внешнего поля, а также сопротивляться размагничиванию при изменении его направления. Мерой силы сцепления атомных моментов является величина коэрцитивной силы магнита. Подробнее об этом позже.

При более глубоком изложении механизма намагничивания оперируют не понятиями атомных моментов, а используют представления о миниатюрных (порядка 0,001 см) областях внутри магнита, изначально обладающих постоянной намагниченностью, но ориентированных при отсутствии внешнего поля случайным образом, так что строгий читатель при желании может отнести вышеизложенный физический механизм не к магниту в целом. а к отдельному его домену.

Индукция и намагниченность

Атомные моменты суммируются и образуют магнитный момент всего постоянного магнита, а его намагниченность M показывает величину этого момента на единицу объема. Магнитная индукция B показывает, что постоянный магнит является результатом внешнего магнитного усилия (напряженности поля) H, прикладываемого при первичном намагничивании, а также внутренней намагниченности M, обусловленной ориентацией атомных (или доменных) моментов. Ее величина в общем случае задаётся формулой:

B = µ 0 (H + M),

где µ 0 является константой.

В постоянном кольцевом и однородном магните напряженность поля H внутри него (при отсутствии внешнего поля) равна нулю, так как по закону полного тока интеграл от нее вдоль любой окружности внутри такого кольцевого сердечника равен:

H∙2πR = iw=0 , откуда H=0.

Следовательно, намагниченность в кольцевом магните:

В незамкнутом магните, например, в том же кольцевом, но с воздушным зазором шириной l заз в сердечнике длиной l сер, при отсутствии внешнего поля и одинаковой индукции B внутри сердечника и в зазоре по закону полного тока получим:

H сер l сер + (1/ µ 0)Bl заз = iw=0.

Поскольку B = µ 0 (H сер + М сер), то, подставляя ее выражение в предыдущее, получим:

H сер (l сер + l заз) + М сер l заз =0,

H сер = ─ М сер l заз (l сер + l заз).

В воздушном зазоре:

H заз = B/µ 0 ,

причем B определяется по заданной М сер и найденной H сер.

Кривая намагничивания

Начиная с ненамагниченного состояния, когда Н увеличивается от нуля, вследствие ориентации всех атомных моментов по направлению внешнего поля быстро увеличиваются М и B, изменяясь вдоль участка «а» основной кривой намагничивания (см. рисунок ниже).

Когда выровнены все атомные моменты, М приходит к своему значению насыщения, и дальнейшее увеличение В происходит исключительно из-за приложенного поля (участок b основной кривой на рис. ниже). При уменьшении внешнего поля до нуля индукция В уменьшается не по первоначальному пути, а по участку «c» из-за сцепления атомных моментов, стремящегося сохранить их в том же направлении. Кривая намагничивания начинает описывать так называемую петлю гистерезиса. Когда Н (внешнее поле) приближается к нулю, то индукция приближается к остаточной величине, определяемой только атомными моментами:

В r = μ 0 (0 + М г).

После того как направление H изменяется, Н и М действуют в противоположных направлениях, и B уменьшается (участок кривой «d» на рис.). Значение поля, при котором В уменьшается до нуля, называется коэрцитивной силой магнита B H C . Когда величина приложенного поля является достаточно большой, чтобы сломать сцепление атомных моментов, они ориентируются в новом направлением поля, а направление M меняется на противоположное. Значение поля, при котором это происходит, называется внутренней коэрцитивной силой постоянного магнита М Н C . Итак, есть две разных, но связанных коэрцитивных силы, связанных с постоянным магнитом.

На рисунке ниже показаны основные кривые размагничивания различных материалов для постоянных магнитов.

Из него видно, что наибольшей остаточной индукцией B r и коэрцитивной силой (как полной, так и внутренней, т. е. определяемой без учета напряженности H, только по намагниченности M) обладают именно NdFeB-магниты.

Поверхностные (амперовские) токи

Магнитные поля постоянных магнитов можно рассматривать как поля некоторых связанных с ними токов, протекающих по их поверхностям. Эти токи называют амперовскими. В обычном смысле слова токи внутри постоянных магнитов отсутствуют. Однако, сравнивая магнитные поля постоянных магнитов и поля токов в катушках, французский физик Ампер предположил, что намагниченность вещества можно объяснить протеканием микроскопических токов, образующих микроскопические же замкнутые контуры. И действительно, ведь аналогия между полем соленоида и длинного цилиндрического магнита почти полная: имеется северный и южный полюс постоянного магнита и такие же полюсы у соленоида, а картины силовых линий их полей также очень похожи (см. рисунок ниже).

Есть ли токи внутри магнита?

Представим себе, что весь объем некоторого стержневого постоянного магнита (с произвольной формой поперечного сечения) заполнен микроскопическими амперовскими токами. Поперечный разрез магнита с такими токами показан на рисунке ниже.

Каждый из них обладает магнитным моментом. При одинаковой ориентации их по направлению внешнего поля они образуют результирующий магнитный момент, отличный от нуля. Он и определяет существование магнитного поля при кажущемся отсутствии упорядоченного движения зарядов, при отсутствии тока через любое сечение магнита. Легко также понять, что внутри него токи смежных (соприкасающихся) контуров компенсируются. Нескомпенсированными оказываются только токи на поверхности тела, образующие поверхностный ток постоянного магнита. Плотность его оказывается равной намагниченности M.

Как избавиться от подвижных контактов

Известна проблема создания бесконтактной синхронной машины. Традиционная ее конструкция с электромагнитным возбуждением от полюсов ротора с катушками предполагает подвод тока к ним через подвижные контакты - контактные кольца со щетками. Недостатки такого технического решения общеизвестны: это и трудности в обслуживании, и низкая надежность, и большие потери в подвижных контактах, особенно если речь идет о мощных турбо- и гидрогенераторах, в цепях возбуждения которых расходуется немалая электрическая мощность.

Если сделать такой генератор на постоянных магнитах, то проблема контакта сразу же уходит. Правда, появляется проблема надежного крепления магнитов на вращающемся роторе. Здесь может пригодиться опыт, накопленный в тракторостроении. Там уже давно применяется индукторный генератор на постоянных магнитах, расположенных в пазах ротора, залитых легкоплавким сплавом.

Двигатель на постоянных магнитах

В последние десятилетия широкое распространение получили вентильные двигатели постоянного тока. Такой агрегат представляет собой собственно электродвигатель и электронный коммутатор его обмотки якоря, выполняющий функции коллектора. Электродвигатель представляет собой синхронный двигатель на постоянных магнитах, расположенных на роторе, как и на рис. выше, с неподвижной обмоткой якоря на статоре. Электронный коммутатор схемотехнически представляет собой инвертор постоянного напряжения (или тока) питающей сети.

Основным преимуществом такого двигателя является его бесконтактность. Специфическим его элементом является фото-, индукционный или холловский датчик положения ротора, управляющий работой инвертора.