Технические устройства

Магнит

Магни́т [от греч. Μαγνῆτις (λίθος), буквально – ка­мень из г. Маг­не­сия], природное или искусственное тело или техническое устройство, обладающее способностью создавать постоянное или переменное . Из-за наличия все окружающие нас тела обладают способностью и проявляют сильно или слабо выраженные магнитные свойства. Тела, изготовленные из (обладающих большой , а также заметными величинами и ), создающие собственное магнитное поле (после снятия внешнего намагничивающего поля), сохраняющееся в течение длительного времени (до 50 лет и более) в определённом интервале температур и внешних магнитных полей, – принято называть . Вещества, обладающие только в присутствии внешнего магнитного поля («временный» магнит) или не сохраняющие данное состояние длительное время либо под действием даже слабых изменений температуры или внешнего магнитного поля относят к .

Магнитные поля могут создаваться не только постоянными магнитами, но и протекающими , поэтому магнитами также называют , , а также импульсные источники магнитного поля (). При этом импульсные магниты могут использовать разные источники энергии (электрическую, химическую и др.) и быть многоразовыми – использоваться многократно для научных или военных целей (электромагнитные пушки, стреляющие до 200 км) или одноразовыми – разрушаться после 1-го импульса. Максимальная величина магнитного поля в искусственных импульсных магнитах ограничена и на практике лежит в диапазоне от долей Гс до 28 МГс (2,8 ‧ 103 Тл) в зависимости от величины внутреннего диаметра соленоида и времени импульса. Причём величина искусственного магнитного поля, которое на данный момент может создать многоразовый импульсный магнит, ограничена сверху прочностью нити из «зайлон» (выдерживает нагрузку на растяжение до 6 ‧ 106 Па), которая используется для бандажа соленоида.

Размеры магнитов могут существенно различаться. Известным каждому из нас магнитом гигантских размеров является (открытие впервые опубликовано в 6-и томном трактате «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» в 1600). Однако если средняя величина (геомагнитного поля) составляет 0,5 Э (0,5 ‧ 10-4 Тл), то такие природные магниты, как компактные и быстро вращающиеся астрономические объекты (, и ), могут создавать поля до 108 Тл.

К одним из самых маленьких искусственно созданных магнитов относятся, например, , или один информации в устройстве , с характерным размером несколько нанометров. Самые большие магниты весят десятки тонн и применяются для ускорения и в , , а также высокополевой (7 Тл).

Железные опилки, расположенные по силовым линиям магнитного поляРис. 1. Железные опилки, расположенные по силовым линиям магнитного поля. Windell Oskay / flickr.com. CC BY 2.0Распределение силовых линий магнитного поля постоянного магнита представлено на рис 1. При этом на поверхности магнита формируются южный (S\text{S}) и северный (N\text{N}) . Силовые линии направлены от полюса N\text{N} к S\text{S}. Производятся также многоплюсные постоянные магниты. В любых магнитах одноимённые полюса отталкиваются, а разноимённые притягиваются. В таком природном магните, как Земля, магнитные полюса находятся в постоянном движении, а иногда даже происходит их (при этом географические полюса – Северный и Южный – остаются неизменными). В настоящее время северный магнитный полюс Земли смещается в сторону РФ (от канадской Арктики в сторону Сибири) со скоростью 40–55 км в год.

В течение примерно 25 столетий люди использовали и продолжают использовать постоянные магниты на основе , как наиболее дешёвые и устойчивые к ; так, первыми природными магнитами были куски ( FeOFe2O3\text{FeOFe}_2\text{O}_3), и до сих пор , оксиды BaO6Fe2O3\text{BaO} \cdot 6\text{Fe}_2\text{O}_3 и SrO6Fe2O3\text{SrO} \cdot 6\text{Fe}_2\text{O}_3 занимают 85 % (в весовом выражении) и 35 % (в ценовом выражении) мирового рынка постоянных магнитов.

В настоящее время магниты производятся в объёмах сотен тысяч тонн. Одними из наиболее сильных – с максимальным энергетическим произведением (BH)max(BH)_{max} до 54 МГсЭ – являются постоянные магниты марки NdFeB\text{NdFeB}. В каждом современном встроено по 3 магнита данной марки. Магниты широко используются в , , магнитных , магнитных муфтах и т. д.

Само название «магнит» происходит от греческого μαγνῆτις или от Μαγνῆτις λίϑος, буквально – камень из , и, по преданиям, связано либо с именем греческого пастуха Магнеса, гвозди на подошвах ботинок которого прилипали к намагниченной , либо с наименованием македонского племени магнетов, происходящего от Магнета – сына Зевса и Фии.

Намагниченный кусок железной рудыРис. 2. Намагниченный кусок железной руды. Фото: Phil Degginger / Alamy / legion-media.ruПредположительно, первый природный постоянный магнит [естественно намагниченный ударом молнии кусок оксида железа FeOFe2O3\text{FeOFe}_2\text{O}_3 или Fe3O4\text{Fe}_3\text{O}_4 (природная железная руда магнетита, содержащая включения γ-Fe2O3γ\text{-Fe}_2\text{O}_3; рис. 2.)] использовался в первых на судах ещё в 6 в. до н. э.

Первое применение магнитов в медицинских целях восходит к (около 460 до н. э. – около 370 до н. э.), который использовал оксиды железа (магнетит и ) для остановки кровотечения.

Магнитный компас в форме ложкиРис. 3. Магнитный компас в форме ложки, который использовался в Китае в начале нашей эры.В доколумбовой Америке, , и магниты использовались в культовых целях. На рисунках представлены первые магнитные компасы, например в форме ложки (рис. 3) – использовался в Китае в начале нашей эры, а также компас английских моряков (рис. 4).

Морской компасРис. 4. Э. Кальпепер. Компас морской. Лондон (Великобритания). Первая четверть 18 в.Первыми искусственными постоянными магнитами были стальные иглы, намагниченные в поле Земли за счёт процесса термомагнитного намагничивания при закаливании (эффект открыт китайским учёным Цзэн Гунляном в 1064), которые при плавании в воде ориентируются в магнитном поле Земли. Данный шаг привёл к изобретению навигационного компаса, который был описан около 1088 г.

Овальный магнит Петруса ПерегринусаРис. 5. Овальный магнит Петруса Перегринуса. Иллюстрация из книги: Пьер де Марикур. Petri Peregrini Maricurtensis De magnete, seu, Rota perpetui motus, libellus. 1558. Библиотека и архивы Смитсоновского института, Вашингтон.Через два столетия, в 1269 г., представил своё изобретение – овальный магнит, установленный внутри деревянной коробки (рис. 4). Инструмент также помещался в чашу с водой, чтобы определить Солнца.

В 1820 г. изобрёл соленоид для усиления, магнитного действия проводника с током, открытого , а первый электромагнит был изобретён (1825). в 1933 г. сконструировал электромагнит для создания сильного (до 10 Тл) стационарного магнитного поля (т. н. катушка, или ). В 1923 г. выдвинул идею генерации импульсного магнитного поля и реализовал её, получив импульсные магнитные поля до 50 Тл. Существенный вклад в развитие учения о магнитах и внесли , , , , , , , , , , , , , , и многие другие.

Научные исследования в области показали наличие собственного механического момента у электрона приводит к возникновению спинового (собственного) . Спиновый магнитный момент электрона в магнитном поле может иметь только две, равные и противоположно направленные, проекции на направление поля H\boldsymbol{H}, которые равны по модулю : μВ=ħe/2mc \mu _В = \textit{ħ}e/2mc. Спиновые и орбитальные магнитные моменты электронов и создают суммарные магнитные моменты и , что обусловливает возникновение намагниченности у магнитов и других магнитных материалов.

  • Физика магнитных явлений
  • Электромагнитные явления