Магниттік өріс және магниттер

Кіріспе

Магниттік өрісі бар объект. Магниттік өрістер тудыратын объектілер мен құрылғылар. Магнит – магниттік өріс тудыратын материал немесе объект. Бұл магниттік өріс көзге көрінбейді, бірақ магниттің ең маңызды қасиетіне жауапты: темір, болат, никель, кобальт және т.б. сияқты басқа ферромагниттік материалдарды тартатын күш, сондай-ақ басқа магниттерді тарту немесе итеру. Тұрақты магнит – магниттелген және өзінің тұрақты магниттік өрісін құрайтын материалдан жасалған объект. Күнделікті мысал – тоңазытқыш есігінде қағаздарды ұстауға арналған тоңазытқышқа ілінетін магнит. Магниттелген және магнитке күшті тартылатын материалдар ферромагниттік (немесе ферримагниттік) деп аталады. Оларға темір, никель және кобальт элементтері, олардың қорытпалары, сирек кездесетін металдардың кейбір қорытпалары және табиғи минералдар, мысалы, магниттік темір кен (магнетит) жатады. Ферромагниттік (және ферримагниттік) материалдар ғана магнитке соншалықты күшті тартылады ki, олар әдетте магниттік деп есептеледі, бірақ барлық басқа заттар да магниттік өріске әлсіз жауап береді, оның себебі басқа түрлі магнетизм түрлерінің болуында. Ферромагниттік материалдар магниттік жағынан "жұмсақ" материалдарға, мысалы, қайта кристалданған темірге бөлінеді, олар магниттелген, бірақ магниттік күйін ұзақ сақтамайды, және магниттік жағынан "қатты" материалдарға. Тұрақты магниттер "қатты" ферромагниттік материалдардан, мысалы, альнико және ферриттен жасалады, олар өндіріс кезінде күшті магниттік өрісте арнайы өңдеуден өтеді, бұл олардың ішкі микрокристалл құрылымын реттеуге және оларды магниттен шығаруды қиындатуға мүмкіндік береді. Қаныққан магнитті магниттен шығару үшін белгілі бір магниттік өріс қолданылуы керек, ал бұл шекті мән материалдың коэрцитивтілігіне байланысты. "Қатты" материалдардың коэрцитивтілігі жоғары, ал "жұмсақ" материалдардың коэрцитивтілігі төмен. Магниттің жалпы күші оның магниттік моментімен немесе, керісінше, оның тудыратын жалпы магниттік ағынымен өлшенеді. Материалдағы магнетизмнің жергілікті күші оның магниттелуі арқылы өлшенеді. Электромагнит – электр тогы өткен кезде магнит ретінде әрекет ететін, бірақ ток тоқтағанда магниттік қасиетін жоятын сымнан жасалған орам. Көбінесе, орам "жұмсақ" ферромагниттік материалдан жасалған өзекке оралған, мысалы, жұмсақ болат, бұл орам тудыратын магниттік өрісті күшейтеді.

Object that has a magnetic field

objects and devices that produce magnetic fields

A magnet is a material or object that produces a magnetic field. This magnetic field is invisible but is responsible for the most notable property of a magnet: a force that pulls on other ferromagnetic materials, such as iron, steel, nickel, cobalt, etc. and attracts or repels other magnets. A permanent magnet is an object made from a material that is magnetized and creates its own persistent magnetic field. An everyday example is a refrigerator magnet used to hold notes on a refrigerator door. Materials that can be magnetized, which are also the ones that are strongly attracted to a magnet, are called ferromagnetic (or ferrimagnetic). These include the elements iron, nickel and cobalt and their alloys, some alloys of rare earth metals, and some naturally occurring minerals such as lodestone. Although ferromagnetic (and ferrimagnetic) materials are the only ones attracted to a magnet strongly enough to be commonly considered magnetic, all other substances respond weakly to a magnetic field, by one of several other types of magnetism. Ferromagnetic materials can be divided into magnetically "soft" materials like annealed iron, which can be magnetized but do not tend to stay magnetized, and magnetically "hard" materials, which do. Permanent magnets are made from "hard" ferromagnetic materials such as alnico and ferrite that are subjected to special processing in a strong magnetic field during manufacture to align their internal microcrystalline structure, making them very hard to demagnetize. To demagnetize a saturated magnet, a certain magnetic field must be applied, and this threshold depends on coercivity of the respective material. "Hard" materials have high coercivity, whereas "soft" materials have low coercivity. The overall strength of a magnet is measured by its magnetic moment or, alternatively, the total magnetic flux it produces. The local strength of magnetism in a material is measured by its magnetization. An electromagnet is made from a coil of wire that acts as a magnet when an electric current passes through it but stops being a magnet when the current stops. Often, the coil is wrapped around a core of "soft" ferromagnetic material such as mild steel, which greatly enhances the magnetic field produced by the coil.

Ашу және дамыту

Ежелгі адамдар магниттік күшті темір кенінің табиғи түрде магниттелген бөліктерінен – магнетиттен білген. "Магнит" сөзі орта ғасырлардағы ағылшын тілінен латын тілінен алынған. Сөздің түбі грек тіліндегі "μαγνῆτις [λίθος]" (magnētis [lithos]) деген сөзден шыққан, яғни "Магнезиядан келген тас". Магнезия – Анатолиядағы (қазіргі Түркиядағы Маниса) магнит кені табылған жер. Айналуға мүмкіндік беретіндей ілінген магнит тастары – алғашқы магниттік компастар болды. Магниттер мен олардың қасиеттері туралы ең ерте белгілі жазбалар 2500 жыл бұрын Анатолия, Үндістан және Қытайда пайда болған. Плиний Ескісі өзінің "Naturalis Historia" энциклопедиясында магнит кенінің қасиеттері мен темірге деген тартымдылығы туралы жазған. 11 ғасырда Қытайда қызыл ыстық темірді Жердің магнит өрісіне салса, темірдің магниттік қасиеті сақталады деген жаңалық ашылды. Осының нәтижесінде 1088 жылы "Dream Pool Essays" еңбегінде сипатталғандай, теңіз саяхатында қолданылатын компас жасалды. 12-13 ғасырларда магниттік компастар Қытайда, Еуропада, Арабия түбегінде және басқа да елдерде навигация үшін пайдаланылды. Түзу темір магнит өзінің магнит өрісінен магниттік қасиетін жоя алады. Бұл мәселені шешу үшін 1743 жылы Даниэль Бернулли ат асты (подкова тәрізді) магнитті ойлап тапты. Ат асты магнит магнит өрісінің күш сызықтарын қарсы полюске қайтарады, соның арқасында магниттендіруден сақталады. 1820 жылы Ханс Кристиан Эрстед компастың инесінің жақын жердегі электр тогынан бұрылатынын ашты. Сол жылы Андре Мари Ампер темірді электр тогы бар соленоид ішіне салып магниттеуге болатынын көрсетті. Бұл Уильям Стердженге 1824 жылы темір өздігі бар электромагнит жасауға көмектесті.

Магниттік өріс

Магниттік ағын тығыздығы (магниттік B өрісі немесе жай ғана магниттік өріс деп аталады, әдетте B арқылы белгіленеді) – векторлық өріс. Белгілі бір нүктедегі магниттік B өрісі векторы екі қасиетімен сипатталады:

Оның бағыты, ол компастың мұнасының бағытына сәйкес келеді. Оның шамасы (күші деп те аталады), ол компастың мұнасы осы бағыт бойынша қаншалықты күшті бағдарланатынына пропорционал. СИ жүйесінде магниттік B өрісінің күші тесламен өлшенеді.

Магниттік момент

Магниттің магниттік моменті (магниттік дипольдік момент деп те аталады және әдетте μ деп белгіленеді) – магниттің жалпы магниттік қасиеттерін сипаттайтын вектор. Құбырша тәрізді магнит үшін магниттік момент бағыты магниттің оңтүстік полюсінен солтүстік полюсіне қарай көрсетіледі, ал шамасы бұл полюстердің қаншалықты күшті және алыс екендігімен байланысты. SI бірліктерінде магниттік момент А·м2 (амперлер есе метр квадрат) ретінде беріледі. Магнит өзінің магнит өрісін жасайды және магнит өрісіне әрекет етеді. Ол жасайтын магнит өрісінің күші кез келген нүктеде магниттік моментінің шамасына пропорционал. Сонымен қатар, магнит басқа көзден туындаған сыртқы магнит өрісіне енгізілген кезде, магниттік моментті өріске параллель бағыттауға бағытталған бұрылу моментіне ұшырайды. Бұл бұрылу моментінің шамасы магниттік моментке де, сыртқы өріске де пропорционал. Магниттің және оның көзінің орналасуы мен бағытына қарай, магниттің бір бағытта немесе екінші бағытта жылжытуға күш те әсер етуі мүмкін. Егер өріс кеңістікте біркелкі болса, магнит толық күшке ұшырамайды, бірақ бұрылу моментіне ұшырайды. Ауданы А және тогы I болатын шеңбер пішіндес сымның магниттік моменті IA шамасына тең.

Магниттеу

Магниттелген материалдың магниттелуі – оның көлем бірлігіне шаққандағы магниттік моментінің жергілікті мәні, әдетте M деп белгіленеді, өлшем бірлігі А/м. Бұл векторлық өріс, қарапайым вектор емес (мысалы, магниттік момент сияқты), себебі магниттің әртүрлі бөліктері әртүрлі бағыттарда және күшпен магниттелеуі мүмкін (мысалы, домендерге байланысты, төменде қараңыз). Сапалы магниттік таяқшаның магниттік моменті 0,1 А·м² және көлемі 1 см³ немесе 1×10⁻⁶ м³ болуы мүмкін, демек орташа магниттелу шамасы 100 000 А/м құрайды. Темірдің магниттелуі метрге шамамен миллион амперге жетеді. Осындай зор мән темір магниттердің магниттік өрістерді тиімді өндіру себебін түсіндіреді.

Модельдеу магниттері

Магниттер үшін екі түрлі модель бар: магниттік полюстер және атомдық тоқтар. Магнитті анық солтүстік және оңтүстік магниттік полюстермен қарастыру ыңғайлы болғанымен, полюстер туралы түсінік әдеби мәнінде қабылдануы керек емес: ол магниттің екі түрлі ұшын атаудың ғана бір жолы. Магниттің қарама-қарсы жақтарында жеке солтүстік немесе оңтүстік бөлшектері жоқ. Егер таяқша магнитті екі бөлікке бөлсе, солтүстік және оңтүстік полюстерін бөліп алу ниетімен, нәтижесінде екі таяқша магнит пайда болады, олардың әрқайсысының солтүстік және оңтүстік полюстері болады. Дегенмен, кәсіби магнитшілер тұрақты магниттерді жобалау үшін магниттік полюс тәсілінің бір нұсқасын қолданады. Бұл тәсілде магниттің ішіндегі магниттеудің дивергенциясы (∇·M) магниттік монопольдердің таралуы ретінде қарастырылады. Бұл математикалық ыңғайлылық және магнитте монопольдердің бар екенін білдірмейді. Егер магниттік полюстердің таралуы белгілі болса, полюс моделі магниттік өріс H-ті береді. Магниттен тыс жерде өріс B, H-ге пропорционалды, ал магниттің ішінде H-ке магниттеуі қосылуы керек. Тағы бір модель – Ампер моделі, онда барлық магниттеу микроскопиялық немесе атомдық, дөңгелек байланысты тоқтардың әсерінен туындайды, бұл тоқтар Амперлік тоқтар деп те аталады және материалдың барлық бөлігінде болады. Біркелкі магниттелген цилиндрлі таяқша магнит үшін микроскопиялық байланысты тоқтардың жалпы әсері магниттің бетінен электр тогының макроскопиялық қабаты ағып жатқандай әрекет етуіне себеп болады, ал жергілікті ағын бағыты цилиндр осіне перпендикуляр болады. Материалдың ішіндегі атомдардағы микроскопиялық тоқтар көбінесе жақын орналасқан атомдардағы тоқтармен өшіріледі, сондықтан тек беткі қабат ғана жалпы үлес қосады; магниттің сыртқы қабатын жою оның магниттік өрісін жоймайды, бірақ материалдың ішіндегі дөңгелек тоқтардан өшірілмеген тоқтардың жаңа бетін қалдырады. Оң қол ережесі оң зарядталған тоқтың ағын бағытын көрсетеді. Алайда, практикада теріс зарядталған электр энергиясына байланысты ток көбірек кездеседі.

Two different models exist for magnets: magnetic poles and atomic currents. Although for many purposes it is convenient to think of a magnet as having distinct north and south magnetic poles, the concept of poles should not be taken literally: it is merely a way of referring to the two different ends of a magnet. The magnet does not have distinct north or south particles on opposing sides. If a bar magnet is broken into two pieces, in an attempt to separate the north and south poles, the result will be two bar magnets, each of which has both a north and south pole. However, a version of the magnetic pole approach is used by professional magneticians to design permanent magnets. In this approach, the divergence of the magnetization ∇·M inside a magnet is treated as a distribution of magnetic monopoles. This is a mathematical convenience and does not imply that there are actually monopoles in the magnet. If the magnetic pole distribution is known, then the pole model gives the magnetic field H. Outside the magnet, the field B is proportional to H, while inside the magnetization must be added to H. An extension of this method that allows for internal magnetic charges is used in theories of ferromagnetism. Another model is the Ampère model, where all magnetization is due to the effect of microscopic, or atomic, circular bound currents, also called Ampèrian currents, throughout the material. For a uniformly magnetized cylindrical bar magnet, the net effect of the microscopic bound currents is to make the magnet behave as if there is a macroscopic sheet of electric current flowing around the surface, with local flow direction normal to the cylinder axis. Microscopic currents in atoms inside the material are generally canceled by currents in neighboring atoms, so only the surface makes a net contribution; shaving off the outer layer of a magnet will not destroy its magnetic field, but will leave a new surface of uncancelled currents from the circular currents throughout the material. The right hand rule tells which direction positively charged current flows. However, current due to negatively charged electricity is far more prevalent in practice.

Полярлық

Магниттің солтүстік полюсі – магнит еркін ілінгенде, Арктикадағы Жердің солтүстік магниттік полюсіне бағытталатын полюс ретінде анықталады (магниттік және географиялық полюстер сәйкес келмейді, магниттік жатпайылымды қараңыз). Қарама-қарсы полюстер (солтүстік және оңтүстік) бір-бірін тартатындықтан, Солтүстік магниттік полюсі – шындығында Жердің магниттік өрісінің оңтүстік полюсі болып табылады. Магниттің қай полюсі солтүстік, қайсысы оңтүстік екенін анықтау үшін Жердің магниттік өрісін пайдаланудың қажеті жоқ. Мысалы, оны электромагнитпен салыстыруға болады, оның полюстерін оң қол ережесі арқылы анықтауға болады. Магниттің магниттік өріс сызықтары әдетте магниттің солтүстік полюсінен шығып, оңтүстік полюсіне қайта кіреді деп есептеледі. Олар магнит күшімен ауада сөреленіп, жүзіп тұра алады. Суперөткізгіштер магниттік өрістерді өз ішінде қайтарады және күшті диамагниттік қасиетке ие. Магнетизмнің спин шыны, суперпарамагнетизм, супердиамагнетизм және метамагнетизм сияқты түрлі түрлері де бар.

Жалпы қолданылу

Магниттік жазба құралдары: VHS таспалары магниттік таспаның бір орамасын қамтиды. Видео және дыбыс құрайтын ақпарат таспаның магниттік қабатында кодталады. Көптеген аудиокассеталар да магниттік таспаға негізделген. Сол сияқты, компьютерлерде дискеттер мен қатты дискілер деректерді жұқа магниттік қабатқа жазады. Кредиттік, дебеттік және банкомат карталары: Бұл карталардың барлығында бір жағында магниттік жолақ болады. Бұл жолақ жеке тұлғаның қаржы институтымен байланысу және олардың шоттарымен қосылу үшін қажетті ақпаратты кодтайды. Ескі үлгідегі телевизорлар (жазық емес) және үлкен компьютер мониторлары: катодты сәулелі түтіктерді пайдаланатын теледидар және компьютер экрандары электрондарды экранға бағыттау үшін электромагнитті қолданады. Динамиктер мен микрофондар: Көптеген динамиктер тұрақты магнит пен ток өткізетін катушканы қолданады. Катушка динамик конусына бекітілген боббинге оралған және тұрақты магнит өрісімен өзара әрекеттесетін өзгермелі ток ретінде сигналды тасымалдайды. Дауыстық катушка магниттік күшті сезінеді және жауап ретінде конусты қозғап, жақын ауаға қысым жасайды, осылайша дыбыс тудырады. Динамикалық микрофондар да осы принципті қолданады, бірақ керісінше. Микрофонда сым катушкасына бекітілген диафрагма немесе мембрана болады. Катушка арнайы пішінделген магниттің ішінде орналасқан. Дыбыс мембрананы тербеткенде, катушка да тербеледі. Катушка магниттік өріс арқылы қозғалғанда, катушкада кернеу туындайды. Бұл кернеу сымда бастапқы дыбысқа тән ток тудырады. Электр гитаралар гитараның ішектерінің тербелісін электр тогына түрлендіретін магниттік датчиктерді пайдаланады, содан кейін оны күшейтеді. Бұл динамикалық микрофон мен динамиктің принципінен өзгеше, себебі тербелістерді магнит тікелей сезінеді және диафрагма қолданылмайды. Хаммонд органы да осындай принципті қолданды, бірақ ішектердің орнына айналмалы дыбыс дөңгелектері болды. Электр моторлары мен генераторлары: Кейбір электр моторлары электромагнит пен тұрақты магниттің үйлесімін пайдаланады және динамиктер сияқты электр энергиясын механикалық энергияға түрлендіреді. Генератор керісінше: ол механикалық энергияны электр энергиясына түрлендіреді. Медицина: Ауруханалар магниттік-резонанстық томографияны (МРТ) науқастың органдарындағы проблемаларды хирургиялық араласусыз анықтау үшін пайдаланады. Химия: Химиктер синтезделген қосылыстарды сипаттау үшін ядролық магниттік резонансты қолданады. Металл өңдеу саласында заттарды бекіту үшін ұстағыштар қолданылады. Магниттер сондай-ақ бекіту құрылғыларының басқа түрлерінде де қолданылады, мысалы магниттік негіз, магниттік қысқыштар және тоңазытқыш магниттері. Компас: Компас (немесе теңізші компасы) - магнит өрісімен, көбінесе Жердің магнит өрісімен, сәйкес келуге еркіндік берілген магниттелген көрсеткіш. Өнер: Винил магнитті парақтарды суреттерге, фотосуреттерге және басқа да әшекей бұйымдарына бекітуге болады, оларды тоңазытқыштарға және басқа металл беттерге бекітуге мүмкіндік береді. Магнит бетіне тікелей заттар мен бояуларды жағып, коллаж өнері тудыруға болады. Металл магниттік тақталар, жолақтар, есіктер, микротолқынды пештер, ыдыс жуғыш машиналар, автомобильдер, металл арқалықтар және кез келген металл беттерді магниттік винил өнері үшін пайдалануға болады. Ғылыми жобалар: Көптеген тақырыптық сұрақтар магниттерге негізделген, соның ішінде ток өткізгіш сымдардың өзара тебуі, температураның әсері және магниттерді қолданатын моторлар. Ойыншықтар: Магниттердің жақын аралықта гравитация күшіне қарсы тұру қабілеті болғандықтан, олар балалар ойыншықтарында, мысалы Магниттік ғарыш доңғалағы мен Левитрон сияқты ойыншықтарда жиі қолданылады. Тоңазытқыш магниттерін ас үйді безендіру үшін, естелік ретінде немесе тоңазытқыш есігіне жазба немесе фотосурет ілу үшін пайдалануға болады. Магниттерден әшекейлер жасауға болады. Мұйқа және білезіктерде магниттік құлып немесе магниттер мен темір бұрандалардың тізбегі болуы мүмкін. Магниттер магниттік заттарды (темір шегелер, скрепкалар, түйреуіштер, қағаз қысқыштары) ұстай алады, олар саусақтармен ұстауға тым кішкентай, қол жеткізу қиын немесе тым жұқа болады. Кейбір бұрауыштар осы мақсатта магниттелген. Магниттерді металл қалдықтарын және металдарды (темір, кобальт және никель) магниттік емес металдардан (алюминий, темір емес қорытпалар және т.б.) бөлу үшін пайдалануға болады. Осы принципті «магниттік сынақ» деп аталатын сынақта да қолданады, онда автомобиль шассисіне фибергласс немесе пластик шпаттықпен жөнделген аймақтарды анықтау үшін магнит қолданылады. Магниттер өндіріс процестерінде, әсіресе тағам өндірісінде қолданылады, процеске кіретін материалдардан металл бөгде денелерді жою үшін немесе процестің соңында және қаптамадан бұрын ластану мүмкіндігін анықтау үшін қолданылады. Олар процестік жабдықтарды және соңғы тұтынушыны қорғаудың маңызды қабатын құрайды. Магниттік левитациялық көлік, немесе маглев, – электромагниттік күш арқылы көлік құралдарын (әсіресе пойыздарды) тоқтатуға, бағыттауға және жылдамдатуға мүмкіндік беретін көлік түрі. Дөңгелектердің қарсылығын жою тиімділікті арттырады. Маглев пойыздың тіркелген ең жоғары жылдамдығы – ... Магниттер кейбір кабельдік қосылымдар үшін қауіпсіздік құрылымы ретінде қолданылуы мүмкін. Мысалы, кейбір ноутбуктердің қуат сымдары портының зақымдануын болдырмау үшін магнитті болып келеді. Apple MacBook-қа қосылатын MagSafe қуат қосылымы осыған бір мысал.

Magnetic recording media: VHS tapes contain a reel of magnetic tape. The information that makes up the video and sound is encoded on the magnetic coating on the tape. Common audio cassettes also rely on magnetic tape. Similarly, in computers, floppy disks and hard disks record data on a thin magnetic coating. Credit, debit, and automatic teller machine cards: All of these cards have a magnetic strip on one side. This strip encodes the information to contact an individual's financial institution and connect with their account(s). Older types of televisions (non flat screen) and older large computer monitors: TV and computer screens containing a cathode ray tube employ an electromagnet to guide electrons to the screen. Speakers and microphones: Most speakers employ a permanent magnet and a current carrying coil to convert electric energy (the signal) into mechanical energy (movement that creates the sound). The coil is wrapped around a bobbin attached to the speaker cone and carries the signal as changing current that interacts with the field of the permanent magnet. The voice coil feels a magnetic force and in response, moves the cone and pressurizes the neighboring air, thus generating sound. Dynamic microphones employ the same concept, but in reverse. A microphone has a diaphragm or membrane attached to a coil of wire. The coil rests inside a specially shaped magnet. When sound vibrates the membrane, the coil is vibrated as well. As the coil moves through the magnetic field, a voltage is induced across the coil. This voltage drives a current in the wire that is characteristic of the original sound. Electric guitars use magnetic pickups to transduce the vibration of guitar strings into electric current that can then be amplified. This is different from the principle behind the speaker and dynamic microphone because the vibrations are sensed directly by the magnet, and a diaphragm is not employed. The Hammond organ used a similar principle, with rotating tonewheels instead of strings. Electric motors and generators: Some electric motors rely upon a combination of an electromagnet and a permanent magnet, and, much like loudspeakers, they convert electric energy into mechanical energy. A generator is the reverse: it converts mechanical energy into electric energy by moving a conductor through a magnetic field. Medicine: Hospitals use magnetic resonance imaging to spot problems in a patient's organs without invasive surgery. Chemistry: Chemists use nuclear magnetic resonance to characterize synthesized compounds. Chucks are used in the metalworking field to hold objects. Magnets are also used in other types of fastening devices, such as the magnetic base, the magnetic clamp and the refrigerator magnet. Compasses: A compass (or mariner's compass) is a magnetized pointer free to align itself with a magnetic field, most commonly Earth's magnetic field. Art: Vinyl magnet sheets may be attached to paintings, photographs, and other ornamental articles, allowing them to be attached to refrigerators and other metal surfaces. Objects and paint can be applied directly to the magnet surface to create collage pieces of art. Metal magnetic boards, strips, doors, microwave ovens, dishwashers, cars, metal I beams, and any metal surface can be used magnetic vinyl art. Science projects: Many topic questions are based on magnets, including the repulsion of current carrying wires, the effect of temperature, and motors involving magnets. Toys: Given their ability to counteract the force of gravity at close range, magnets are often employed in children's toys, such as the Magnet Space Wheel and Levitron, to amusing effect. Refrigerator magnets are used to adorn kitchens, as a souvenir, or simply to hold a note or photo to the refrigerator door. Magnets can be used to make jewelry. Necklaces and bracelets can have a magnetic clasp, or may be constructed entirely from a linked series of magnets and ferrous beads. Magnets can pick up magnetic items (iron nails, staples, tacks, paper clips) that are either too small, too hard to reach, or too thin for fingers to hold. Some screwdrivers are magnetized for this purpose. Magnets can be used in scrap and salvage operations to separate magnetic metals (iron, cobalt, and nickel) from non magnetic metals (aluminum, non ferrous alloys, etc.). The same idea can be used in the so called "magnet test", in which a car chassis is inspected with a magnet to detect areas repaired using fiberglass or plastic putty. Magnets are found in process industries, food manufacturing especially, in order to remove metal foreign bodies from materials entering the process (raw materials) or to detect a possible contamination at the end of the process and prior to packaging. They constitute an important layer of protection for the process equipment and for the final consumer. Magnetic levitation transport, or maglev, is a form of transportation that suspends, guides and propels vehicles (especially trains) through electromagnetic force. Eliminating rolling resistance increases efficiency. The maximum recorded speed of a maglev train is Magnets may be used to serve as a fail safe device for some cable connections. For example, the power cords of some laptops are magnetic to prevent accidental damage to the port when tripped over. The MagSafe power connection to the Apple MacBook is one such example.

Медициналық мәселелер мен қауіпсіздік

Адам тіндері статикалық магнит өрістеріне өте төмен сезімталдыққа ие болғандықтан, статикалық өрістерге ұшыраумен байланысты денсаулыққа зиянды екенін көрсететін негізгі ғылыми дәлелдер аз. Дегенмен, динамикалық магнит өрістері басқаша мәселе болуы мүмкін; электромагниттік сәулелену мен қатерлі ісік арасындағы байланыс демографиялық сәйкестіктерге байланысты болжамдар жасалды (Электромагниттік сәулелену және денсаулыққа қараңыз). Егер адам тінінде ферромагниттік шетелдік зат болса, сыртқы магнит өрісі онымен өзара әрекеттесу қауіпсіздікке қауіп тудыруы мүмкін. Магниттік денсаулыққа қатысты тағы бір түрлі жанама тәуекел – жүрек стимуляторы. Егер пациенттің кеудесіне кардиостимулятор орнатылған болса (әдетте жүректің тұрақты электрлік соғуын бақылау және реттеу үшін), оны магнит өрістерінен аулақ ұстау қажет. Сондықтан, құрылғысы бар пациентті магниттік-резонанстық томография (МРТ) аппаратымен тексеруге болмайды. Балалар кейде ойыншықтардан кішкентай магниттерді жұтып қояды, егер екі немесе одан көп магнит жұтылса, бұл қауіпті болуы мүмкін, себебі магниттер ішкі тіндерді қысып немесе жарып жіберуі мүмкін. Магниттік бейнелеу құрылғылары (мысалы, МРТ) зор магнит өрістерін тудырады, сондықтан оларды орналастыруға арналған бөлмелерде темір металдарға рұқсат етілмейді. Мұндай бөлмеге темір металдан жасалған заттарды (мысалы, оттегі баллондары) әкелу қауіпті, себебі олар күшті магнит өрістерімен күшпен лақтырылуы мүмкін.

Магниттік металл элементтері

Көптеген материалдар жұпталмаған электрондық спиндерге ие, және олардың көпшілігі парамагниттік. Егер спиндер бір-бірімен осылайша әрекеттесіп, өздігінен бағытталса, онда бұл материалдар ферромагниттік деп аталады (көбінесе «магниттік» деп шатастырады). Олардың реттелген кристалдық атомдық құрылымы спиндердің өзара әрекеттесуіне себеп болатындықтан, кейбір металдар табиғи күйінде, кендерде кездескенде ферромагниттік болады. Оларға темір кені (магнетит немесе магниттас), кобальт және никель, сондай-ақ сирек кездесетін гадолиний және диспрозий (өте төмен температурада) жатады. Осындай табиғи ферромагниттер магнетизм бойынша алғашқы тәжірибелерде пайдаланылды. Технология содан бері магниттік материалдардың қолжетімділігін кеңейтіп, түрлі жасанды өнімдерді қамтиды, бірақ олардың барлығы табиғи магниттік элементтерге негізделген.

Композиттер

Керамикалық немесе феррит магниттері ұнтақ темір оксиді мен барий/стронций карбонаты керамикасының қыздырылып біріктірілген қоспасынан жасалады. Материалдардың және өндіріс әдістерінің төмен құны ескеріле отырып, арзан магниттерді (немесе магниттелмеген ферромагниттік өзектерді, мысалы, портативті AM радио антенналары сияқты электрондық компоненттерде пайдалану үшін) әртүрлі пішінде жаппай өндіруге болады. Соның салдарынан алынған магниттер тоттанбайды, бірақ хрупкий және басқа керамика сияқты күтімді қажет етеді. Алнико магниттері алюминий, никель және кобальтты темірмен және магниттің қасиеттерін жақсарту үшін басқа элементтердің шағын мөлшерін қосып, құю немесе қыздырып біріктіру арқылы жасалады. Қыздырып біріктіру артықша механикалық сипаттамаларды ұсынады, ал құю жоғары магниттік өрістерді қамтамасыз етеді және күрделі пішіндерді жасауға мүмкіндік береді. Алнико магниттері коррозияға төзімді және ферритке қарағанда жақсы физикалық қасиеттерге ие, бірақ металл сияқты толыққанды емес. Бұл отбасыдағы қорытпалардың тауарлық атаулары: Alni, Alcomax, Hycomax, Columax және Ticonal. Инъекциялық қалыптау арқылы жасалған магниттер – әртүрлі түрдегі шайыр және магниттік ұнтақтардың қоспасы, бұл күрделі пішіндегі бөлшектерді инъекциялық қалыптау арқылы өндіруге мүмкіндік береді. Өнімнің физикалық және магниттік қасиеттері қолданылатын шикізаттарға байланысты, бірақ әдетте магниттік күші төмен және физикалық қасиеттері пластикке ұқсас.

Иілгіш магнит

Иілгіш магниттер жоғары коэрцитивті ферромагниттік қосылыстан (әдетте темір оксиді) және шайырлы полимер байланыстырғыштан тұрады. Магниттік қосылыстар (мысалы, Nd2Fe14B) үшін, егер олар түйіршік шекарасының коррозиясына осал болса, ол қосымша қорғаныс қамтамасыз етеді.

Сирек кездесетін жерлерсіз тұрақты магниттер

АҚШ Энергетика министрлігі тұрақты магнит технологиясында сирек кездесетін металдарға балама табу қажеттігін анықтады және осы зерттеулерді қаржыландыруды бастады. Advanced Research Projects Agency Energy (ARPA E) маңызды технологияларда сирек кездесетін металдардың баламаларын (Rare Earth Alternatives in Critical Technologies – REACT) әзірлеу үшін бағдарламаны демеушілік етті. 2011 жылы ARPA E сирек кездесетін металдарды алмастыру жобаларын қаржыландыруға 31,6 миллион доллар бөлді. Темір нитридтері сирек кездесетін металдарсыз магниттерді жасау үшін үміт беретін материалдар болып табылады.

Шығындар

Қазіргі ең арзан тұрақты магниттер, өріс күшін ескерсек, икемді және керамикалық магниттер, бірақ олар да ең әлсіз түрлерге жатады. Феррит магниттері негізінен төмен құнмен ерекшеленеді, себебі олар арзан шикізаттан – темір оксиді мен Ba немесе Sr карбонатынан жасалады. Дегенмен, жаңа, төмен құнды магнит – Mn–Al қорытпасы әзірленді және қазір төмен құнды магниттер нарығында жетекшілік етеді. Оның қанығу магниттелуі феррит магниттерінен жоғары. Ол сондай-ақ жақсы температуралық коэффициенттерге ие, бірақ жылулық тұрақсыздыққа бейім. Неодим-темір-борон (NIB) магниттері ең күштілерінің қатарында. Бұл материалдардың бір килограмы көптеген басқа магниттік материалдардан қымбатқа түседі, бірақ олардың жоғары өріс күшінің арқасында көптеген қолданыстарда кішкентай және арзан болып келеді.

Температура

Температураға сезімталдығы әртүрлі, бірақ магнитті Кюри нүктесі деп аталатын температураға дейін қыздырғанда, ол барлық магниттік қасиеттерін жоғалтады, тіпті сол температурадан төмен салқындағаннан кейін де. Дегенмен, магниттерді көбінесе қайта магниттеуге болады. Сонымен қатар, кейбір магниттердің құрылысы нашар болып, жоғары температурада сынуы мүмкін. Алнико магниттері үшін максималды пайдалану температурасы 540 °C (1004 °F) жоғары, феррит және SmCo магниттері үшін шамамен 300 °C (572 °F), NIB магниттері үшін шамамен 140 °C (284 °F), ал иілгіш керамикалар үшін одан да төмен, бірақ нақты мәндер материалдың сапасына байланысты.

Электромагниттер

Электромагнит – ең қарапайым түрінде, соленоид деп аталатын бір немесе бірнеше иірімге оралған сым. Электр тогы сым арқылы өткен кезде магнит өрісі пайда болады. Ол орамның жанында (әсіресе оның ішінде) шоғырланады, ал оның өріс сызықтары магниттің өріс сызықтарына өте ұқсас. Осы тиімді магниттің бағыты оң қол ережесімен анықталады. Электромагниттің магниттік моменті мен магниттік өрісі сым иірімдерінің санына, әрбір иірімнің көлденең қимасына және сымнан өтетін токқа пропорционал. Егер сым катушкасы ешқандай арнайы магниттік қасиеттері жоқ материалға (мысалы, картонға) оралса, ол өте әлсіз өріс тудырады. Бірақ, егер ол темір шеге сияқты жұмсақ ферромагниттік материалға оралса, онда пайда болатын жалғыз өріс өріс күшін бірнеше жүз еседен мың есеге дейін арттыра алады. Электромагниттерді қолдануға бөлшектерді үдеткіштері, электр моторлары, металл қоймасының крандары және магниттік-резонанстық томография машиналары жатады. Кейбір қолданулар қарапайым магниттік дипольден артық конфигурацияларды қамтиды; мысалы, квадруполь және секступоль магниттері бөлшектер шоғын шоғырландыру үшін қолданылады.

Бөлшектер мен есептеулер

Көптеген инженерлік қолданбалар үшін MKS (рационалдастырылған) немесе SI (Système International) бірліктері жиі қолданылады. Гаусс және CGS EMU деген тағы екі бірлік жиынтығы магниттік қасиеттер үшін бірдей және физикада жиі қолданылады. Барлық бірліктерде магнит өрісінің екі түрі, B және H, сондай-ақ магниттеу M, көлем бірлігіне шағын магниттік момент ретінде анықталады. Магниттік индукциялық өріс B СИ бірліктерімен теслада (T) беріледі. B - магнит өрісі, оның уақыт бойынша өзгеруі Фарадей заңы бойынша айналмалы электр өрістерін тудырады (электр компаниялары сатады). B сондай-ақ қозғалған зарядталған бөлшектерге (теледидар түтіктеріндегідей) бұрылу күшін әсер етеді. Тесла – бірлік ауданына (метр квадрат) шағын магниттік ағынға (веберлерде) тең, осылайша B ағын тығыздығының бірлігін анықтайды. CGS жүйесінде B бірлігі гаусс (G) болып табылады. Бір тесла 104 Г-қа тең. Магниттік өріс H метрге ампер-айналымдар (А айналым/м) СИ бірліктерімен беріледі. Айналымдардың болу себебі, H тоқ өткізетін сым арқылы туындағанда, оның шамасы сол сымның айналымдарының санына пропорционал. CGS жүйесінде H бірлігі – эрстед (Oe). Бір А айналым/м 4π×10−3 Oe-ге тең. Магниттеу M метрге ампер (А/м) СИ бірліктерімен беріледі. CGS жүйесінде M бірлігі – эрстед (Oe). Бір А/м 10−3 эму/см3-ке тең. Жақсы тұрақты магниттің магниттелуі метрге миллион амперге жете алады. СИ бірліктерінде B = μ0(H + M) қатынасы орындалады, мұнда μ0 – кеңістіктің магниттік өткізгіштігі, ол 4π×10−7 Т•м/А-ға тең. CGS жүйесінде ол B = H + 4πM деп жазылады. (Полюстік тәсіл SI бірліктерінде μ0H-ды береді. СИ-дегі μ0M мүшесі осы μ0H-ты толықтырып, B-дегі магниттің дұрыс өрісін беруі керек. Бұл амперлік токтарды пайдалана отырып есептелген B өрісімен сәйкес келеді). Тұрақты магнит емес материалдар әдетте M = χH қатынасын қанағаттандырады, мұнда χ – магниттік сезімталдық (өлшемсіз шама). Көптеген магниттік емес материалдардың χ шамасы салыстырмалы түрде кішкентай (миллиондық шамада), бірақ жұмсақ магниттерде χ жүздеген немесе мыңдаған болуы мүмкін. M = χH қатынасын қанағаттандыратын материалдар үшін біз B = μ0(1 + χ)H = μ0μrH = μH деп те жаза аламыз, мұнда μr = 1 + χ – (өлшемсіз) салыстырмалы магниттік өткізгіштік, ал μ = μ0μr – магниттік өткізгіштік. Қатты және жұмсақ магниттердің екеуі де гистерезис циклдары деп аталатын, тарихқа тәуелді күрделі мінез-құлқына ие, олар B-тің H-ге немесе M-нің H-ге қатысты өзгеруін көрсетеді. CGS жүйесінде M = χH, бірақ χSI = 4πχCGS және μ = μr. Ескерту: Рим және грек символдары жеткіліксіз болғандықтан, магниттік полюстің күші мен магниттік моментке жалпы қабылданған белгі жоқ. m символы полюстің күшіне (бірлік А•м, мұнда тік m метрді білдіреді) және магниттік моментке (бірлік А•м2) қолданылған. μ символы кейбір мәтіндерде магниттік өткізгіштік үшін, ал басқаларында магниттік момент үшін қолданылады. Біз μ символын магниттік өткізгіштік үшін, ал m символын магниттік момент үшін қолданамыз. Полюс күші үшін qm белгісін қолданамыз. Біркелкі магниттелу M-ге ие және A көлденең қимасы бар барма магнит үшін полюстің күші qm = MA арқылы беріледі, сондықтан M бірлік ауданына шаққандағы полюстің күші ретінде қарастырылуы мүмкін.

For most engineering applications, MKS (rationalized) or SI (Système International) units are commonly used. Two other sets of units, Gaussian and CGS EMU, are the same for magnetic properties and are commonly used in physics. In all units, it is convenient to employ two types of magnetic field, B and H, as well as the magnetization M, defined as the magnetic moment per unit volume. The magnetic induction field B is given in SI units of teslas (T). B is the magnetic field whose time variation produces, by Faraday's Law, circulating electric fields (which the power companies sell). B also produces a deflection force on moving charged particles (as in TV tubes). The tesla is equivalent to the magnetic flux (in webers) per unit area (in meters squared), thus giving B the unit of a flux density. In CGS, the unit of B is the gauss (G). One tesla equals 104 G.
The magnetic field H is given in SI units of ampere turns per meter (A turn/m). The turns appear because when H is produced by a current carrying wire, its value is proportional to the number of turns of that wire. In CGS, the unit of H is the oersted (Oe). One A turn/m equals 4π×10−3 Oe. The magnetization M is given in SI units of amperes per meter (A/m). In CGS, the unit of M is the oersted (Oe). One A/m equals 10−3 emu/cm3. A good permanent magnet can have a magnetization as large as a million amperes per meter. In SI units, the relation B = μ0(H + M) holds, where μ0 is the permeability of space, which equals 4π×10−7 T•m/A. In CGS, it is written as B = H + 4πM. (The pole approach gives μ0H in SI units. A μ0M term in SI must then supplement this μ0H to give the correct field within B, the magnet. It will agree with the field B calculated using Ampèrian currents). Materials that are not permanent magnets usually satisfy the relation M = χH in SI, where χ is the (dimensionless) magnetic susceptibility. Most non magnetic materials have a relatively small χ (on the order of a millionth), but soft magnets can have χ on the order of hundreds or thousands. For materials satisfying M = χH, we can also write B = μ0(1 + χ)H = μ0μrH = μH, where μr = 1 + χ is the (dimensionless) relative permeability and μ =μ0μr is the magnetic permeability. Both hard and soft magnets have a more complex, history dependent, behavior described by what are called hysteresis loops, which give either B vs. H or M vs. H. In CGS, M = χH, but χSI = 4πχCGS, and μ = μr. Caution: in part because there are not enough Roman and Greek symbols, there is no commonly agreed upon symbol for magnetic pole strength and magnetic moment. The symbol m has been used for both pole strength (unit A•m, where here the upright m is for meter) and for magnetic moment (unit A•m2). The symbol μ has been used in some texts for magnetic permeability and in other texts for magnetic moment. We will use μ for magnetic permeability and m for magnetic moment. For pole strength, we will employ qm. For a bar magnet of cross section A with uniform magnetization M along its axis, the pole strength is given by qm = MA, so that M can be thought of as a pole strength per unit area.

Магниттің өрістері

Магниттен алыс қашықтықта, осы магнит тудырған магнит өрісі, әдетте (жақсы жуықтаумен) оның жалпы магнит моментімен сипатталатын дипольдік өріс ретінде сипатталады. Бұл магниттің пішініне қарамастан дұрыс, егер магниттік моменті нөлге тең болмаса. Дипольдік өрістің бір ерекшелігі – өрістің күші магниттің ортасынан қашықтықтың кубына кері пропорционалды түрде кемиді. Магнитке жақындағанда, магнит өрісі күрделенеді және магниттің нақты пішіні мен магниттелуіне көбірек байланысты болады. Формальды түрде, өріс көпполюстік қатар түрінде көрсетілуі мүмкін: дипольдік өріс, содан кейін төртполюстік өріс, одан кейін сегізполюстік өріс және т.б. Жақын қашықтықта әртүрлі өрістер мүмкін. Мысалы, бір жағында солтүстік полюсі, екінші жағында оңтүстік полюсі орналасқан ұзын, жіңішке магнит үшін, екі полюске жақын магнит өрісі сол полюстен қашықтықтың квадратына кері пропорционалды түрде кемиді.