Магнит

Подковообразный магнит

Рисунок линий силового поля магнита, полученный с помощью железной стружки

Магнит — тело, обладающее собственным магнитным полем. Слово происходит от др.-греч. Μαγνῆτις λίθος (Magnētis líthos), «камень из Магнесии» — от названия региона Магнисия и древнего города Магнесия в Малой Азии, где в древности были открыты залежи магнетита.

Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон. Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля).

Постоянный магнит — изделие, изготовленное из ферромагнетика, способного сохранять остаточную намагниченность после выключения внешнего магнитного поля. Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля. Свойства магнита определяются характеристиками размагничивающего участка петли магнитного гистерезиса материала магнита: чем выше остаточная индукция B_r и коэрцитивная сила H_c, тем выше намагниченность и стабильность магнита. Характерные поля постоянных магнитов — до 1 Тл (10 кг·с).

Электромагнит — устройство, магнитное поле которого создаётся только при протекании электрического тока. Как правило, это катушка-соленоид, со вставленным внутрь железным сердечником с большой магнитной проницаемостью $\mu \simeq 10000$. Характерные поля электромагнитов 1,5-2 Тл определяются т. н. насыщением железа, то есть резким спадом дифференциальной магнитной проницаемости при больших значениях магнитного поля.

История открытия

Старинная легенда рассказывает о пастухе по имени Магнус. Он обнаружил однажды, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к черному камню. Этот камень стали называть «камнем Магнуса» или просто «магнитом», по названию местности, где добывали железную руду (холмы Магнезии в Малой Азии). Таким образом, за много веков до нашей эры было известно, что некоторые каменные породы обладают свойством притягивать куски железа. Об этом упоминал в 6 в. до н. э. греческий физик и философ Фалес. Первое научное изучение свойств магнита было предпринято в 13 веке ученым Петром Перегрином. В 1269 г. вышло его сочинение «Книга о магните», где он писал о многих фактах магнетизма: у магнита есть два полюса, которые ученый назвал северным и южным; невозможно отделить полюса друг от друга разламыванием. Перегрин писал и о двух видах взаимодействия полюсов — притяжении и отталкивании.

В 1600 г. вышло сочинение английского врача В. Гильберта «О магните». К известным уже фактам Гильберт прибавил важные наблюдения: усиление действия магнитных полюсов железной арматурой, потерю магнетизма при нагревании и другие. В 1820 г. датский физик Ганс Христиан Эрстед на лекции попытался продемонстрировать своим студентам отсутствие связи между электричеством и магнетизмом, включив электрический ток вблизи магнитной стрелки. По словам одного из его слушателей, он был буквально «ошарашен», увидев, что магнитная стрелка после включения тока начала совершать колебания. Большой заслугой Эрстеда является то, что он оценил значения своего наблюдения и повторил опыт. Соединив длинным проводом полюса гальванической батареи, Эрстед протянул провод горизонтально и параллельно свободно подвешенной магнитной стрелке. Как только был включен ток, стрелка немедленно отклонилась, стремясь встать перпендикулярно к направлению провода. При изменении направления тока стрелка отклонилась в другую сторону. Вскоре Эрстед доказал, что магнит действует с некоторой силой на провод, по которому идет ток.

Открытие взаимодействия между электрическим током и магнитом имело огромное значение. Оно стало началом новой эпохи в учении об электричестве и магнетизме. Это взаимодействие сыграло важную роль в развитии техники физического эксперимента.

Узнав об открытии Эрстеда, французский физик Доминик Франсуа Араго начал серию опытов. Он обмотал медной проволокой стеклянную трубку, в которую вставил железный стержень. Как только замкнули электрическую цепь, стержень сильно намагнитился и к его концу крепко прилипли железные ключи; когда выключили ток, ключи отпали. Араго рассматривал проводник, по которому идет ток, как магнит. Правильное объяснение этого явления было дано после исследования французского физика Андре Ампера, который установил внутреннюю связь между электричеством и магнетизмом. В сентябре 1820 г. он сообщил Французской Академии наук о полученных им результатах.

Затем Ампер в своем «станке» заменил раму свободно подвешенным спиральным проводником. Этот провод при пропускании по нему тока приобретал свойство магнита. Ампер назвал его соленоидом. Исходя из магнитных свойств соленоида, Ампер предложил рассматривать магнетизм как явление, обязанное круговым токам. Он считал, что магнит состоит из молекул, в которых имеются круговые токи. Каждая молекула представляет собой маленький магнитик, располагаясь одноименными полюсами в одну и ту же сторону, эти маленькие магнитики и образуют магнит. Проводя вдоль стальной полосы магнитом (несколько раз в одну и ту же сторону), мы заставляем молекулы с круговыми токами ориентироваться в пространстве одинаково. Таким образом стальная пластинка превратится в магнит. Теперь стал понятен и опыт Араго со стеклянной трубкой, обмотанной медным проводом. Вдвинутый в нее железный стержень стал магнитом потому, что вокруг него шел ток. Это был электромагнит.

В 1825 г. английский инженер Вильям Стерджен изготовил первый электромагнит, представляющий собой согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки. Для изолирования от обмотки стержень был покрыт лаком. При пропускании тока железный стержень приобретал свойства сильного магнита, но при прерывании тока он мгновенно их терял. Именно эта особенность электромагнитов позволила широко применять их в технике.

Магнитные материалы

Термин магнит, как правило, используется для объектов, которые имеют свое собственное магнитное поле, даже в отсутствие приложенного магнитного поля. Такое возможно лишь в некоторых классах материалов. В большинстве материалов магнитное поле появляется в связи с приложенным внешним магнитным полем; это явление известно как магнетизм. Есть несколько типов магнетизма, и все материалы имеют по крайней мере один из них.

В целом поведение магнитного материала, может значительно варьироваться, в зависимости от структуры материала и, в частности, от его электронной конфигурации. Существует несколько типов взаимодействия материалов с магнитным полем, в том числе:

• Ферромагнетики и ферримагнетики: материалы которые, обычно, и считаются 'магнитными'; они притягиваются к магниту достаточно сильно, так что притяжение ощущается. Только эти материалы могут сохранять намагниченность и стать постоянными магнитами. Ферримагнитные материалы, сходны, но слабее, чем ферромагнетики. Различие между ферро- и ферримагнитными материалами, связаны с их микроскопической структурой.
• Парамагнетики: вещества, такие, как платина, алюминий, и кислород которые слабо притягиваются к магниту. Этот эффект в сотни тысяч раз слабее, чем притяжение ферромагнитных материалов, поэтому оно может быть обнаружено только с помощью чувствительных инструментов, либо с помощью очень сильных магнитов.
• Диамагнетики: вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. По сравнению с парамагнитными и ферромагнитными веществами, диамагнитные вещества, такие как углерод, медь, вода и пластики ещё слабее отталкиваются от магнита. Проницаемость диамагнитных материалов меньше проницаемости вакуума. Все вещества, не обладающие одним из других типов магнетизма, являются диамагнитными; к ним относится большинство веществ. Силы, действующие на диамагнитные объекты от обычного магнита, слишком слабы. Однако в сильных магнитных полях сверхпроводящих магнитов диамагнитные материалы, например, кусочки свинца, могут парить. Ну а поскольку углерод и вода являются веществами диамагнитными, то в мощном магнитном поле могут парить даже и органические объекты. Например, живые лягушки.

Существуют другие виды магнетизма, например, спиновые стёкла, суперпарамагнетизм, супердиамагнетизм и метамагнетизм.

Использование магнитов

Жесткие диски записывают данные на тонких магнитных покрытиях.

Магнит линейного двигателя, который перемещает головку жесткого диска.

• Магнитные носители информации: VHS кассеты содержат катушки из магнитной ленты. Видео и звуковая информация кодируется на магнитном покрытии на ленте. Также в компьютерных дискетах и жестких дисках запись данных происходит на тонком магнитном покрытии. Однако носители информации не являются магнитами в строгом смысле, так как они не притягивают предметы. Магниты в жёстких дисках используются в ходовом и позиционирующем электродвигателях.
• Кредитные, дебетовые, и ATM карты: Все эти карточки имеют магнитную полосу на одной стороне. Эта полоса кодирует информацию, необходимую для соединения с финансовым учреждением и связи с их счетами.
• Обычные телевизоры и компьютерные мониторы: телевизоры и компьютерные мониторы, содержащие электронно-лучевую трубку используют электромагнит для управления пучком электронов и формирования изображения на экране. Плазменные панели и ЖК мониторы используют другие технологии.
• Громкоговорители и микрофоны: большинство громкоговорителей используют постоянный магнит и токовую катушку для преобразования электрической энергии (сигнала) в механическую энергию (движение, которое создает звук). Обмотка намотана на катушку, прикрепляется к диффузору и по ней протекает переменный ток, который взаимодействует с полем постоянного магнита.
• Другой пример использования магнитов в звукотехнике — в головке звукоснимателя электрофона и в кассетных диктофонах в качестве экономичной стирающей головки.

Магнитный сепаратор тяжелых минералов

• Электродвигатели и генераторы: некоторые электрические двигатели (так же, как громкоговорители) основываются на комбинации электромагнита и постоянного магнита. Они преобразовывают электрическую энергию в механическую энергию. Генератор, наоборот, преобразует механическую энергию в электрическую энергию путем перемещения проводника через магнитное поле.
• Трансформаторы: устройства передачи электрической энергии между двумя обмотками провода, которые электрически изолированы, но связаны магнитно.
• Магниты используются в поляризованных реле. Такие устройства запоминают своё состояние на время выключения питания.
• Компасы: компас (или морской компас) является намагниченным указателем, который может свободно вращаться и ориентируется на направление магнитного поля, чаще всего магнитного поля Земли.
• Искусство: виниловые магнитные листы могут быть присоединены к живописи, фотографии и другим декоративным изделиям, что позволяет присоединять их к холодильникам и другим металлическим поверхностям.

Магниты часто используются в игрушках. M-TIC использует магнитные стержни, связанные с металлическими сферами

• Игрушки: Учитывая их способность противостоять силе тяжести на близком расстоянии, магниты часто используются в детских игрушках с забавными эффектами.
• Магниты могут использоваться для производства ювелирных изделий. Ожерелья и браслеты могут иметь магнитную застежку, или могут быть изготовлены полностью из серии связанных магнитов и черных бусин.
• Магниты могут поднимать магнитные предметы (железные гвозди, скобы, кнопки, скрепки), которые либо являются слишком мелкими, либо их трудно достать или они слишком тонкие чтобы держать их пальцами. Некоторые отвертки специально намагничиваются для этой цели.
• Магниты могут использоваться при обработке металлолома для отделения магнитных металлов (железа, стали и никеля) от немагнитных (алюминия, цветных сплавов и т. д.). Та же идея может быть использована в рамках так называемого «Магнитного испытания», в которой кузов автомобиля обследуется с магнитом для выявления областей, отремонтированых с использованием стекловолокна или пластиковой шпатлевки.
• Маглев: поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления..
• Магниты используются в фиксаторах мебельных дверей.
• Если магниты поместить в губки, то эти губки можно использовать для мытья тонких листовых немагнитных материалов сразу с обеих сторон, причём одна сторона может быть труднодоступной. Это могут быть, например, стёкла аквариума или балкона.
• Магниты используются для передачи вращающего момента «сквозь» стенку, которой может являться, например, герметичный контейнер электродвигателя. Так была устроена игрушка ГДР «Подводная лодка».
• Магниты совместно с герконом применяются в специальных датчиках положения. Например, в датчиках дверей холодильников и охранных сигнализаций.
• Магниты совместно с датчиком Холла используют для определения углового положения или угловой скорости вала.
• Магниты используются в искровых разрядниках для ускорения гашения дуги.
• Магниты используются при неразрушающем контроле магнитопорошковым методом (МПК)
• Магниты используются для отклонения пучков радиоактивных и ионизирующих излучений, например при наблюдении в камерах.
• Магниты используются в показывающих приборах с отклоняющейся стрелкой, например, амперметр. Такие приборы весьма чувствительны и линейны.
• Магниты применяются в СВЧ вентилях и циркуляторах.
• Магниты применяются в составе отклоняющей системы электронно-лучевых трубок для подстройки траектории электронного пучка.
• До открытия закона сохранения энергии, было много попыток использовать магниты для построения «вечного двигателя». Людей привлекала, казалось бы, неисчерпаемая энергия магнитного поля постоянного магнита, которые были известны очень давно. Но рабочий макет так и не был построен.
• Магниты применяются в конструкциях бесконтактных тормозов состоящих из двух пластин, одна - магнит, а другая из алюминия. Одна из них жёстко закреплёна на раме, другая вращается с валом. Торможение регулируется зазором между ними.

Игрушки из магнитов

• NeoCube
• Uberorbs
• Магнитный конструктор
• Магнитная доска для рисования
• Магнитные буквы и цифры
• Магнитные шашки и шахматы
• Магнит на холодильник

Медицина и вопросы безопасности

Из-за того, что человеческие ткани имеют очень низкий уровень восприимчивости к статическому магнитному полю, не существует научных доказательств его эффективности для использования в лечении любых заболеваний. По той же причине отсутствуют научные свидетельства опасности для здоровья человека, связанной с воздействием этого поля. Однако если ферромагнитное инородное тело находится в человеческих тканях, магнитное поле будет взаимодействовать с ним, что может представлять собой серьёзную опасность.

В частности, если кардиостимулятор был встроен в грудную клетку пациента, следует держать его подальше от магнитных полей. Именно по этой причине больные с установленным кардиостимулятором не могут быть протестированы с использованием МРТ, которое представляет собой магнитное устройство визуализации внутренних органов и тканей.

Дети иногда могут глотать небольшие магниты из игрушек. Это может быть опасно если ребенок проглотил два или более магнита, так как магниты могут повредить внутренние ткани; был зафиксирован один смертельный случай.

См. также

• Электромагнитное взаимодействие
• Магнитный момент
• Магнитное поле
• Магнетизм
• Постоянный магнит
• Редкоземельный магнит
• Электромагнит
• Магнит на холодильник