Введение
Объект, обладающий магнитным полем. Объекты и устройства, создающие магнитные поля.
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.
Магнит – это материал или объект, создающий магнитное поле. Это магнитное поле невидимо, но отвечает за наиболее заметное свойство магнита: силу, притягивающую другие ферромагнитные материалы, такие как железо, сталь, никель, кобальт и т. д., а также притягивающую или отталкивающую другие магниты. Постоянный магнит – это объект, изготовленный из материала, который намагничен и создает собственное устойчивое магнитное поле. Примером из повседневной жизни является магнит для холодильника, используемый для крепления записок на дверце холодильника. Материалы, которые могут быть намагничены и которые сильно притягиваются к магниту, называются ферромагнитными (или ферримагнитными). К ним относятся элементы железо, никель и кобальт и их сплавы, некоторые сплавы редкоземельных металлов и некоторые природные минералы, такие как магнетит. Хотя ферромагнитные (и ферримагнитные) материалы – единственные, которые притягиваются к магниту настолько сильно, что обычно считаются магнитными, все остальные вещества слабо реагируют на магнитное поле посредством одного из нескольких других типов магнетизма. Ферромагнитные материалы можно разделить на магнитно "мягкие" материалы, такие как отожженное железо, которые можно намагнитить, но они не склонны сохранять намагниченность, и магнитно "твердые" материалы, которые сохраняют её. Постоянные магниты изготавливаются из "твердых" ферромагнитных материалов, таких как альнико и феррит, которые подвергаются специальной обработке в сильном магнитном поле в процессе производства для выравнивания их внутренней микрокристаллической структуры, что делает их очень трудными для размагничивания. Для размагничивания насыщенного магнита необходимо приложить определенное магнитное поле, и этот порог зависит от коэрцитивной силы материала. "Твердые" материалы имеют высокую коэрцитивную силу, а "мягкие" – низкую. Общая сила магнита измеряется его магнитным моментом или, альтернативно, общим магнитным потоком, который он создает. Местная сила магнетизма в материале измеряется его намагниченностью. Электромагнит состоит из катушки проволоки, которая действует как магнит при прохождении через нее электрического тока, но перестает быть магнитом при прекращении тока. Часто катушка наматывается на сердечник из "мягкого" ферромагнитного материала, такого как мягкая сталь, что значительно усиливает магнитное поле, создаваемое катушкой.
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.
Открытие и развитие
Древние люди узнали о магнетизме из природных магнитов (или магнетитов) – кусков железной руды, обладающих естественной намагниченностью. Слово «магнит» было заимствовано в среднеанглийском языке из латинского *magnetum* – «магнитный камень», восходящего к греческому μαγνῆτις [λίθος] (*magnētis [lithos]*) – «[камень] из Магнезии», области в Анатолии, где находили природные магниты (современная Маниса в Турции). Природные магниты, подвешенные так, чтобы свободно вращаться, стали первыми магнитными компасами. Самые ранние сохранившиеся описания магнитов и их свойств относятся к Анатолии, Индии и Китаю, датируемые примерно 2500 лет назад. О свойствах природных магнитов и их способности притягивать железо писал Плиний Старший в своей энциклопедии «Naturalis Historia». В XI веке в Китае было открыто, что закалка раскалённого железа в магнитном поле Земли приводит к его постоянной намагниченности. Это привело к созданию навигационного компаса, описание которого содержится в «Записках у пруда снов» 1088 года. К XII–XIII векам нашей эры магнитные компасы использовались для навигации в Китае, Европе, на Аравийском полуострове и в других регионах. Прямой железный магнит склонен к саморазмагничиванию под воздействием собственного магнитного поля. Для решения этой проблемы в 1743 году Даниэль Бернулли изобрел подковообразный магнит. Подковообразная форма магнита предотвращает размагничивание, направляя линии магнитного поля к противоположному полюсу. В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что стрелка компаса отклоняется под воздействием близлежащего электрического тока. В том же году Андре-Мари Ампер показал, что железо можно намагнитить, поместив его внутрь соленоида, через который протекает электрический ток. Это привело к тому, что Уильям Старджен в 1824 году разработал электромагнит с железным сердечником.
Магнитное поле
Плотность магнитного потока (также называемая магнитным полем B или просто магнитным полем, обычно обозначается B) является векторным полем. Вектор магнитного поля B в заданной точке пространства характеризуется двумя свойствами:
Его направлением, которое совпадает с ориентацией стрелки компаса. Его величиной (также называемой напряжённостью), которая пропорциональна степени ориентации стрелки компаса вдоль этого направления. В системе СИ напряжённость магнитного поля B измеряется в теслах.
Магнитный момент
Магнитный момент магнита (также называемый магнитным дипольным моментом и обычно обозначаемый μ) — это вектор, характеризующий общие магнитные свойства магнита. Для стержневого магнита направление магнитного момента указывает от южного полюса к северному, а его величина связана с силой и расстоянием между этими полюсами. В единицах СИ магнитный момент измеряется в А·м² (ампер-метрах в квадрате). Магнит как создает собственное магнитное поле, так и реагирует на внешние магнитные поля. Сила создаваемого им магнитного поля в любой точке пропорциональна величине его магнитного момента. Кроме того, при помещении магнита во внешнее магнитное поле, созданное другим источником, он испытывает крутящий момент, стремящийся сориентировать магнитный момент параллельно полю. Величина этого крутящего момента пропорциональна как магнитному моменту, так и напряженности внешнего поля. Магнит также может испытывать силу, направленную в ту или иную сторону, в зависимости от положения и ориентации магнита и источника поля. Если поле однородно в пространстве, магнит не испытывает результирующей силы, хотя он подвержен крутящему моменту. Контур в форме круга площадью A, по которому течет ток I, имеет магнитный момент величиной IA.
Магнитизация
Магнетизация намагниченного материала — это локальное значение его магнитного момента в расчете на единицу объема, обычно обозначаемое M, с единицами измерения А/м. Это векторное поле, а не просто вектор (как магнитный момент), поскольку различные области магнита могут быть намагничены в разных направлениях и с разной интенсивностью (например, из-за доменов, см. ниже). Хороший стержневой магнит может иметь магнитный момент величиной 0,1 А·м² и объем 1 см³, или 1×10⁻⁶ м³, и, следовательно, средняя величина намагниченности составляет 100 000 А/м. Железо может иметь намагниченность около миллиона ампер на метр. Такая большая величина объясняет, почему железные магниты так эффективно создают магнитные поля.
Магниты для моделирования
Существуют две различные модели для описания магнитов: магнитные полюса и атомные токи. Хотя для многих целей удобно представлять магнит как имеющий отдельные северный и южный магнитные полюса, концепцию полюсов не следует воспринимать буквально: это лишь способ обозначения двух различных концов магнита. Магнит не содержит отдельных северных или южных частиц, расположенных на противоположных сторонах. Если разломить стержневой магнит на две части в попытке разделить северный и южный полюса, результатом будут два стержневых магнита, каждый из которых будет иметь как северный, так и южный полюс. Однако профессиональные специалисты по магнетизму используют вариант подхода, основанного на полюсах, для проектирования постоянных магнитов. В этом подходе дивергенция намагниченности ∇·M внутри магнита рассматривается как распределение магнитных монополей. Это математическое удобство, не подразумевающее фактическое существование монополей в магните. Если распределение магнитных полюсов известно, то модель полюсов позволяет определить магнитное поле H. Вне магнита поле B пропорционально H, а внутри необходимо учитывать намагниченность, добавляя её к H. Расширение этого метода, допускающее наличие внутренних магнитных зарядов, используется в теориях ферромагнетизма. Другая модель – модель Ампера, в которой вся намагниченность обусловлена влиянием микроскопических, или атомных, круговых связанных токов, также называемых амперовскими токами, в пределах всего материала. Для равномерно намагниченного цилиндрического стержневого магнита суммарный эффект микроскопических связанных токов заключается в том, что магнит ведет себя так, как будто вокруг его поверхности течет макроскопический лист электрического тока, с локальным направлением потока, нормальным к оси цилиндра. Микроскопические токи в атомах внутри материала обычно компенсируются токами в соседних атомах, поэтому вклад вносит только поверхность; удаление внешнего слоя магнита не уничтожит его магнитное поле, но создаст новую поверхность нескомпенсированных токов, обусловленных круговыми токами по всему материалу. Правило правой руки указывает направление потока положительно заряженного тока. Однако на практике ток, обусловленный отрицательно заряженным электричеством, встречается гораздо чаще.
Полярность
Северный полюс магнита определяется как полюс, который, когда магнит свободно подвешен, указывает в сторону Северного магнитного полюса Земли в Арктике (магнитный и географический полюсы не совпадают, см. магнитное склонение). Поскольку противоположные полюса (северный и южный) притягиваются, Северный магнитный полюс фактически является южным полюсом магнитного поля Земли. На практике, для определения северного и южного полюсов магнита, не обязательно использовать магнитное поле Земли. Например, можно сравнить его с электромагнитом, полюса которого можно определить по правилу правой руки. По соглашению считается, что линии магнитного поля магнита выходят из северного полюса и входят в южный полюс. Некоторые материалы могут левитировать, то есть парить в воздухе. Сверхпроводники выталкивают магнитные поля из своего объема и обладают сильной диамагнитностью. Существуют и другие типы магнетизма, такие как спиновое стекло, суперпарамагнетизм, супердиамагнетизм и метамагнетизм.
Общее применение
Магнитные носители записи: VHS-кассеты содержат катушку магнитной ленты. Информация, составляющая видео и звук, кодируется на магнитном покрытии ленты. Обычные аудиокассеты также используют магнитную ленту. Аналогично, в компьютерах дискеты и жесткие диски записывают данные на тонком магнитном слое. Кредитные, дебетовые и карты для банкоматов: все эти карты имеют магнитную полосу на одной стороне. Эта полоса кодирует информацию для связи с финансовым учреждением владельца и доступа к его счету(ам). Телевизоры и компьютерные мониторы старых моделей (не с плоским экраном): экраны телевизоров и компьютеров, использующие электронно-лучевую трубку, применяют электромагнит для управления электронами, направляемыми на экран. Большинство динамиков используют постоянный магнит и катушку, преобразующие электрическую энергию (сигнал) в механическую (движение, создающее звук). Катушка намотана на каркас, прикрепленный к диффузору динамика, и несет сигнал в виде переменного тока, взаимодействующего с магнитным полем постоянного магнита. Голосовая катушка испытывает магнитную силу и, в ответ, перемещает диффузор, создавая колебания воздуха и, таким образом, звук. Динамические микрофоны используют тот же принцип, но в обратном порядке. Микрофон имеет мембрану, прикрепленную к катушке провода. Катушка расположена внутри специально сформированного магнита. Когда звук заставляет вибрировать мембрану, катушка также вибрирует. При движении катушки в магнитном поле в ней индуцируется напряжение. Это напряжение создает ток в проводе, который соответствует исходному звуку. Электрические гитары используют магнитные звукосниматели для преобразования колебаний струн в электрический ток, который затем может быть усилен. Это отличается от принципа работы динамика и динамического микрофона, поскольку колебания воспринимаются непосредственно магнитом, а мембрана не используется. Орган Хаммонда использовал аналогичный принцип, но вместо струн использовались вращающиеся тоновые колеса. Электродвигатели и генераторы: некоторые электродвигатели используют комбинацию электромагнита и постоянного магнита и, подобно динамикам, преобразуют электрическую энергию в механическую. Генератор работает наоборот: он преобразует механическую энергию в электрическую, перемещая проводник в магнитном поле. Медицина: в больницах используют магнитно-резонансную томографию (МРТ) для выявления проблем в органах пациента без инвазивной хирургии. Химия: химики используют ядерный магнитный резонанс для характеристики синтезированных соединений. Тиски используются в металлообработке для фиксации деталей. Магниты также используются в других типах крепежных элементов, таких как магнитные основания, магнитные зажимы и магниты для холодильников. Компас: компас (или морской компас) – это намагниченная стрелка, свободно ориентирующаяся в магнитном поле, чаще всего в магнитном поле Земли. Искусство: виниловые магнитные листы можно прикреплять к картинам, фотографиям и другим декоративным изделиям, позволяя крепить их к холодильникам и другим металлическим поверхностям. Объекты и краску можно наносить непосредственно на магнитную поверхность для создания коллажей. Металлические магнитные доски, полосы, двери, микроволновые печи, посудомоечные машины, автомобили, металлические двутавры и любая металлическая поверхность могут использоваться для создания произведений искусства с использованием магнитного винила. Научные проекты: многие исследовательские вопросы основаны на магнитах, включая отталкивание проводников с током, влияние температуры и двигатели, использующие магниты. Игрушки: благодаря способности противодействовать силе тяжести на близком расстоянии, магниты часто используются в детских игрушках, таких как «Магнитное космическое колесо» и «Левитрон», для создания забавного эффекта. Магниты для холодильников используются для украшения кухни, в качестве сувениров или просто для крепления записки или фотографии к дверце холодильника. Магниты можно использовать для изготовления ювелирных изделий. Ожерелья и браслеты могут иметь магнитную застежку или быть полностью изготовлены из соединенных магнитов и ферромагнитных бусин. Магниты могут поднимать магнитные предметы (железные гвозди, скрепки, кнопки, канцелярские зажимы), которые слишком малы, труднодоступны или слишком тонкие, чтобы их можно было удержать пальцами. Некоторые отвертки намагничены для этой цели. Магниты используются в операциях по утилизации и восстановлению металлолома для отделения магнитных металлов (железо, кобальт и никель) от немагнитных металлов (алюминий, цветные сплавы и т.д.). Та же идея используется в так называемом «магнитном тесте», когда шасси автомобиля проверяется магнитом для обнаружения участков, отремонтированных с использованием стекловолокна или пластиковой шпатлевки. Магниты используются в технологических процессах, особенно в пищевой промышленности, для удаления металлических посторонних тел из материалов, поступающих в процесс (сырья), или для обнаружения возможного загрязнения в конце процесса, перед упаковкой. Они являются важным уровнем защиты оборудования и конечного потребителя. Магнитная левитация, или маглев, – это вид транспорта, который поднимает, направляет и приводит в движение транспортные средства (особенно поезда) с помощью электромагнитной силы. Устранение сопротивления качению повышает эффективность. Максимальная зарегистрированная скорость поезда на магнитной подушке составляет… Магниты могут использоваться в качестве устройства аварийной защиты для некоторых кабельных соединений. Например, шнуры питания некоторых ноутбуков магнитные, чтобы предотвратить случайное повреждение порта при спотыкании. Магнитное соединение MagSafe для Apple MacBook является одним из таких примеров.
Медицинские вопросы и безопасность
Поскольку человеческие ткани обладают очень низкой восприимчивостью к статическим магнитным полям, существует немного убедительных научных данных, свидетельствующих о влиянии статических полей на здоровье. Однако динамические магнитные поля могут представлять иную проблему; предполагается наличие связи между электромагнитным излучением и заболеваемостью раком, основанной на демографических корреляциях (см. Электромагнитное излучение и здоровье). Если в тканях человека находится ферромагнитный инородный предмет, взаимодействие с ним внешнего магнитного поля может создать серьезную опасность. Существует также другой вид косвенной магнитной опасности для здоровья, связанной с кардиостимуляторами. Если пациенту имплантирован кардиостимулятор (обычно для мониторинга и регулирования сердечного ритма, обеспечивающего стабильные электрически вызванные сокращения), необходимо избегать его воздействия магнитными полями. Именно поэтому пациентам с установленным устройством нельзя проводить обследование с помощью магнитно-резонансного томографа. Дети иногда проглатывают мелкие магниты из игрушек, что может быть опасно, если проглочено два или более магнитов, поскольку они могут сдавливать или протыкать внутренние ткани. Аппараты магнитной визуализации (например, МРТ) создают очень сильные магнитные поля, поэтому помещения, в которых они установлены, не должны содержать ферромагнитные материалы. Внесение в такие помещения предметов из ферромагнитных металлов (например, кислородных баллонов) представляет серьезную опасность, поскольку эти предметы могут быть сильно притянуты и перемещены мощным магнитным полем.
Магнитные металлические элементы
Многие материалы обладают неспаренными спинами электронов, и большинство из них парамагнитны. Когда спины взаимодействуют друг с другом таким образом, что происходит их спонтанное упорядочение, материалы называются ферромагнитными (то, что часто неточно называют магнитными). Благодаря особенностям их регулярной кристаллической атомной структуры, вызывающей взаимодействие спинов, некоторые металлы являются ферромагнитными в своем естественном состоянии, в виде руд. К ним относятся железная руда (магнетит или природный магнит), кобальт и никель, а также редкоземельные металлы гадолиний и диспрозий (при очень низкой температуре). Именно такие природные ферромагнетики использовались в первых экспериментах по изучению магнетизма. С тех пор технологии расширили ассортимент магнитных материалов, включив в него различные изделия, созданные человеком, однако все они основаны на природных магнитных элементах.
Композиты
Керамические, или ферритные, магниты изготавливаются из спеченного композита порошкообразного оксида железа и керамики на основе карбоната бария/стронция. Благодаря низкой стоимости материалов и методов производства, можно легко массово производить недорогие магниты (или немагниченные ферромагнитные сердечники для использования в электронных компонентах, таких как портативные антенны AM-радио). Полученные магниты не подвержены коррозии, но хрупкие и требуют обращения, как с другими керамическими изделиями. Магниты из сплава Alnico производятся методом литья или спекания комбинации алюминия, никеля и кобальта с железом и небольшим количеством других элементов, добавляемых для улучшения свойств магнита. Спекание обеспечивает превосходные механические характеристики, а литье – более высокие магнитные поля и возможность создания сложных форм. Магниты Alnico устойчивы к коррозии и обладают физическими свойствами, более устойчивыми к механическим воздействиям, чем феррит, но не столь желательными, как у металла. Торговые марки сплавов этой группы включают: Alni, Alcomax, Hycomax, Columax и Ticonal. Магниты, изготовленные литьем под давлением, представляют собой композит из различных типов смол и магнитных порошков, что позволяет производить детали сложной формы методом литья под давлением. Физические и магнитные свойства изделия зависят от используемого сырья, но, как правило, обладают меньшей магнитной силой и по своим физическим свойствам напоминают пластмассы.
Гибкий магнит
Гибкие магниты состоят из ферромагнитного соединения с высокой коэрцитивной силой (обычно оксида железа), смешанного со смолистым полимерным связующим. Это обеспечивает дополнительную защиту для магнитных соединений (например, Nd2Fe14B), подверженных коррозии границ зерен.
Постоянные магниты, не содержащие редкоземельных элементов
Министерство энергетики США выявило потребность в поиске заменителей редкоземельных металлов в технологии постоянных магнитов и приступило к финансированию соответствующих исследований. Агентство передовых исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E) учредило программу REACT (Rare Earth Alternatives in Critical Technologies – Альтернативы редкоземельным элементам в критических технологиях) для разработки альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделило 31,6 миллиона долларов на финансирование проектов по разработке заменителей редкоземельных элементов. Нитриды железа представляют собой перспективные материалы для создания магнитов, не содержащих редкоземельные элементы.
Расходы
Самыми дешевыми постоянными магнитами, обеспечивающими заданную силу поля, являются гибкие и керамические магниты, но они также одни из самых слабых по своим характеристикам. Ферритные магниты преимущественно используются благодаря низкой стоимости, обусловленной дешевым сырьем: оксидом железа и карбонатом бария или стронция. Однако, был разработан новый недорогой магнит – сплав марганца и алюминия (Mn–Al), который сейчас занимает лидирующие позиции в сегменте магнитов с низкой стоимостью. Он обладает более высокой намагниченностью насыщения, чем ферритные магниты, а также более благоприятными температурными коэффициентами, хотя и может быть термически нестабильным. Неодимово-железо-борные (NIB) магниты – одни из самых мощных. Они дороже за килограмм, чем большинство других магнитных материалов, но благодаря высокой напряженности поля, во многих применениях они оказываются меньше и экономичнее.
Температура
Чувствительность к температуре варьируется, но когда магнит нагревается до температуры, известной как точка Кюри, он полностью теряет свои магнитные свойства, даже после охлаждения ниже этой температуры. Однако магниты часто можно повторно намагнитить. Кроме того, некоторые магниты хрупкие и могут разрушаться при высоких температурах. Максимально допустимая рабочая температура самая высокая для магнитов из алнико – более 540 °C (1004 °F), около 300 °C (572 °F) для ферритов и SmCo, примерно 140 °C (284 °F) для NIB и ниже для гибкой керамики, но точные значения зависят от марки материала.
Электромагниты
Электромагнит, в своей простейшей форме, представляет собой проводник, свернутый в одну или несколько петель, известных как соленоид. При протекании электрического тока через проводник генерируется магнитное поле, которое концентрируется вблизи (и особенно внутри) катушки. Его линии магнитного поля очень похожи на линии поля постоянного магнита. Ориентация этого эквивалентного магнита определяется правилом правой руки. Магнитный момент и магнитное поле электромагнита пропорциональны числу витков провода, площади поперечного сечения каждого витка и силе тока, протекающего по проводу. Если катушка из провода намотана на материал, не обладающий особыми магнитными свойствами (например, картон), то генерируемое поле будет очень слабым. Однако, если она намотана на мягкий ферромагнитный материал, такой как железный гвоздь, то результирующее поле может увеличиться в несколько сотен или даже тысяч раз. Электромагниты используются в ускорителях частиц, электродвигателях, кранах для металлолома и аппаратах магнитно-резонансной томографии. В некоторых приложениях используются конфигурации, более сложные, чем простой магнитный диполь; например, квадрупольные и секстопольные магниты применяются для фокусировки пучков частиц.
Единицы и расчеты
Для большинства инженерных приложений обычно используются единицы МКС (рационализированные) или СИ (Système International). Два других набора единиц, гауссова и СГС ЭМУ, совпадают для магнитных свойств и обычно используются в физике. Во всех системах единиц удобно использовать два типа магнитного поля – B и H, а также намагниченность M, определяемую как магнитный момент на единицу объема. Магнитная индукция B выражается в единицах СИ в теслах (Т). B – это магнитное поле, изменение которого во времени, согласно закону Фарадея, порождает циркулирующие электрические поля (которые продают энергокомпании). B также создает силу отклонения на движущиеся заряженные частицы (как в электронно-лучевых трубках). Тесла эквивалентна магнитному потоку (в веберах) на единицу площади (в метрах квадратных), таким образом, B имеет размерность плотности потока. В СГС единицей B является гаус (G). Одна тесла равна 10⁴ Г.
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.
Магнитное поле H выражается в единицах СИ в ампер-ви́тках на метр (А·виток/м). Единица измерения содержит витки, поскольку при создании H током в проводнике его значение пропорционально числу витков этого проводника. В СГС единицей H является оерстед (Oe). Один А·виток/м равен 4π×10⁻³ Oe. Намагниченность M выражается в единицах СИ в амперах на метр (А/м). В СГС единицей M является оерстед (Oe). Один А/м равен 10⁻³ эму/см³. Хороший постоянный магнит может иметь намагниченность до миллиона ампер на метр. В единицах СИ выполняется соотношение B = μ₀(H + M), где μ₀ – магнитная проницаемость вакуума, равная 4π×10⁻⁷ Т·м/А. В СГС оно записывается как B = H + 4πM. (Полевой подход дает μ₀H в единицах СИ. Для получения корректного поля внутри магнита B к этому μ₀H необходимо добавить член μ₀M. Он будет согласовываться с полем B, рассчитанным с использованием амперовских токов). Материалы, не являющиеся постоянными магнитами, обычно удовлетворяют соотношению M = χH в СИ, где χ – (безразмерная) магнитная восприимчивость. Большинство немагнитных материалов имеют относительно небольшую χ (порядка миллионной части), но мягкие магниты могут иметь χ порядка сотен или тысяч. Для материалов, удовлетворяющих M = χH, можно также записать B = μ₀(1 + χ)H = μ₀μrH = μH, где μr = 1 + χ – (безразмерная) относительная проницаемость, а μ = μ₀μr – магнитная проницаемость. И твёрдые, и мягкие магниты демонстрируют более сложное поведение, зависящее от истории намагничивания, которое описывается так называемыми петлями гистерезиса, представляющими собой графики либо B от H, либо M от H. В СГС выполняется M = χH, но χСИ = 4πχСГС, и μ = μr.
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.
Внимание: отчасти из-за недостатка римских и греческих символов не существует общепринятого обозначения для магнитной силы полюса и магнитного момента. Символ m использовался как для силы полюса (единица А·м, где вертикальный m обозначает метр), так и для магнитного момента (единица А·м²). Символ μ использовался в некоторых текстах для магнитной проницаемости, а в других – для магнитного момента. Мы будем использовать μ для магнитной проницаемости и m для магнитного момента. Для силы полюса мы будем использовать qm. Для стержневого магнита с поперечным сечением A и равномерной намагниченностью M вдоль его оси сила полюса определяется как qm = MA, таким образом, M можно рассматривать как силу полюса на единицу площади.
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.
Поля магнита
Вдали от магнита магнитное поле, создаваемое этим магнитом, почти всегда описывается (с хорошей точностью) дипольным полем, характеризующимся его полным магнитным моментом. Это справедливо независимо от формы магнита, пока магнитный момент не равен нулю. Одной из особенностей дипольного поля является то, что напряженность поля уменьшается обратно пропорционально кубу расстояния от центра магнита. Ближе к магниту магнитное поле становится более сложным и в большей степени зависит от детальной формы и намагниченности магнита. Формально, поле можно представить в виде многополюсного разложения: дипольное поле, плюс квадрупольное поле, плюс октупольное поле и так далее. На близком расстоянии возможно существование множества различных полей. Например, для длинного и узкого стержневого магнита с северным полюсом на одном конце и южным полюсом на другом, магнитное поле вблизи каждого из концов уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от этого полюса.