Электроника:Постоянный ток/Магнетизм и электромагнетизм/Постоянные магниты

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Постоянные магниты[1]

Ещё многие века назад люди заметили, что некоторые минеральные породы обладают удивительной способностью притягивать металлы (в частности, железо). Упоминания о таком минерале, как магнитный железняк (он же магнетит), встречаются в древних текстах (около 2500 лет назад в Европе, и гораздо раннее, на Дальнем Востоке), где способность притягивать железо подаётся как любопытный факт.

Позже магнетит использовали в простейших навигационных приборах, поскольку было замечено, что кусочек этой необычной породы ориентируется в примерном направлении север/юг, если создать условия для его свободного вращения (подвесить на нитке или сделать частью поплавка) .

В 1269 году французский физик Пьер Пелере́н де Марику́р (известный под псевдонимом Пётр Перегрин) написал научный трактат посвящённый магнитам и их свойствам. В этом труде исследовано и такое явление как «намагничивание»: показано, что обычное железо можно «зарядить» этим необычным свойством, если потереть его об один из «полюсов» магнитного камня.

В отличие от электрического заряда (можно наблюдать, к примеру, при трении янтаря о ткань), магнитные объекты обладают двумя полюсами противоположного действия, обозначаемые как «север» и «юг» в зависимости от их самопроизвольной ориентации по отношению к соответствующим полюсам Земли. Ещё Перегрин в XIII веке обнаружил, что невозможно отделить эти полюса друг от друга: если разрезать магнит надвое, то каждый кусок тут же обзаводится своей собственной парой полюсов:

Рис. 1. Постоянный магнит настолько постоянен, что даже если его разделить на 2 части, в каждой части возникнет пара противоположных полюсов, как и у первоначального неразделённого магнита.
Рис. 1. Постоянный магнит настолько постоянен, что даже если его разделить на 2 части, в каждой части возникнет пара противоположных полюсов, как и у первоначального неразделённого магнита.

Аналогично электрическому заряду (которые может быть или положительным или отрицательным), дуализм проявляется и для полюсов магнита: полюс может быть или «северным» или «южным». И подобно же электрическим зарядам, одинаковые полюсы отталкиваются друг от друга, а противоположные притягиваются. Эта сила, как и сила, вызываемая статическим электричеством, незримо распространяется в пространстве и даже может действовать сквозь бумажные или деревянные предметы, причём наличие подобных препятствий лишь в незначительной степени ослабляет магнитную силу.

Философ-ученый Рене Декарт придумал, как построить карту для направляющих невидимого магнитного «поля». Для этого он поместил магнит под натянутый кусок ткани (или, может, это была деревянная дощечка) и на эту поверхность насыпал железные опилки. Опилки выровнялись в соответствии с направляющими силовых линий магнитного поля, таким образом «отображая» его форму. Этот опыт продемонстрировал, что линии поля непрерывно проходят от одного полюса магнита к другому:

Рис. 2. Силовые линии магнитного поля показывают его форму.
Рис. 2. Силовые линии магнитного поля показывают его форму.

Общая величина любого поля (электрического, магнитного, гравитационного) и эффект от него называется потоком поля. Сила, приводящая в движение это поле, вызывающая образование потока в пространстве, называется силой поля. Майкл Фарадей ввёл термин «трубчатый поток», так как направляющие магнитного потока в пространстве можно представить в виде расширяющейся трубки. Сейчас чаще употребляют термин «магнитная линия».

Действительно, количество силовых линий во многом определяют измерение потока магнитного поля, хотя навряд ли подобные поля состоят из конечного набора дискретных постоянных линий.

Согласно современной теории магнетизма магнитное поле создаётся движущимся электрическим зарядом. Предполагается, что магнитное поле так называемых «постоянных» магнитов (к которым относится и магнитный камень) возникает в результате равномерной и однонаправленной циркуляции электронов в атомах магнитного материала.

Независимо от того, действительно ли электроны циркулируют в атомах материала подобным образом, наличие/отсутствие магнитных свойств зависит от атомарной структуры (аналогично электрической проводимости, которая определяется связью электронов в атомах). Таким образом, только определённые типы веществ вступают в реакцию с магнитными полями, и ещё меньше из них обладают способностью поддерживать постоянное магнитное поле.

Железо - одно из тех веществ, которые легко намагничиваются. Если кусок железа поднести к постоянному магниту, электроны в атомах железа ориентируют свои спины в соответствии с силовыми линиями магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, в результате чего железо становится «намагниченным». Намагничивание железа произойдёт таким образом, что линии его магнитного потока примут соответствующую форму, в результате чего металл начнёт притягиваться к постоянному магниту, при этом неважно каким полюсом постоянный магнит повёрнут к намагниченному материалу:

Рис. 3. Обычный кусок (не намагниченного) железа находится вне зоны действия магнитного потока, излучаемого постоянным магнитом.
Рис. 3. Обычный кусок (не намагниченного) железа находится вне зоны действия магнитного потока, излучаемого постоянным магнитом.

Не намагниченное железо намагничивается, если его приблизить к постоянному магниту. Независимо от того, какой полюс постоянного магнита направлен к куску железа, оно намагнитится таким образом, что начнёт притягиваться к магниту:

Рис. 4. Если приблизить ненамагниченный кусок железа достаточно близко к постоянному магниту, в металле возникнет собственное магнитное поле. Оно самопроизвольно будет ориентировано именно таким образом, чтобы кусок железа начал притягиваться к постоянному магниту.
Рис. 4. Если приблизить ненамагниченный кусок железа достаточно близко к постоянному магниту, в металле возникнет собственное магнитное поле. Оно самопроизвольно будет ориентировано именно таким образом, чтобы кусок железа начал притягиваться к постоянному магниту.

Поскольку железо (лат. ferrum) проявляет естественные магнитные свойства, материалы, которые легко намагничиваются, называются ферромагнетиками. В подобных веществах в атомах электроны легко ориентируют свои спины в соответствии с внешним магнитным полем. Вообще говоря, любые материалы в той или иной мере проявляют магнитные свойства. Легко намагничивающиеся – это ферромагнетики, слабо намагничивающиеся – парамагнетики, практически не намагничивающиеся – диамагнетики. Причём диамагнитные материалы самые странные. Под воздействием внешнего магнитного поля они на самом деле слегка намагничиваются в противоположном направлении, в результате чего отталкивают внешнее поле!

Рис. 5. Магнитное поле в диамагнетике самопроизвольно формируется именно таким образом, что происходит отталкивание от постоянного магнита.
Рис. 5. Магнитное поле в диамагнетике самопроизвольно формируется именно таким образом, что происходит отталкивание от постоянного магнита.

Если ферромагнитный материал на некоторое время сохраняет свою намагниченность после удаления внешнего поля, то говорят, что он имеет хорошую удерживающую способность. Само собой, это качество, которым обладают постоянные магниты.

Итог

См.также

Внешние ссылки