Сначала немного об истории открытия магнитов. Старинная легенда рассказывает о пастухе по имени Магнус. У Льва Толстого есть рассказ для детей «Магнит», в котором этого легендарного пастуха зовут Магнис. Он обнаружил однажды, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к чёрному камню. Этот камень стали называть «камнем Магнуса» или просто «магнитом», по названию местности, где добывали железную руду (холмы Магнезии (Магнесии) в Малой Азии).
Уже за много веков до нашей эры было известно, что некоторые каменные породы обладают свойством притягивать куски железа. Об этом упоминал в 6 веке до нашей эры греческий физик и философ Фалес.
Первое изучение свойств магнита было предпринято в 13 веке ученым Петром Перегрином.
В 1269 году 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.
К 12—13 векам нашей эры магнитные компасы уже использовались в навигации в Европе, в Китае и других странах мира.
Что же такое магнит? Какой силой он обладает, и какие виды магнитов существуют?
Есть вот такое толкование понятия "магнит": это минерал, образующийся при остывании лавы. Он содержит железо и его окислы, за счет чего обладает свойствами притягивания.
Какие виды магнитов бывают?
Очевидно, что не все магниты состоят из одних и тех же веществ, и поэтому их можно разделить на разные классы в зависимости от их состава и источника магнетизма.
1. Постоянные магниты (природные и искусственные)
Природные магниты - это постоянные магниты, которые встречаются в природе естественным образом. В отличие от искусственных магнитов, они никогда не теряют своей магнитной силы при нормальных условиях.
Самый сильный природный магнит - магнитный камень, кусок минерального магнетита. Он чёрный или коричневато-чёрный и блестит при полировке. Кусочки магнитного камня фактически использовались в самых первых магнитных компасах.
После намагничивания постоянные искусственные магниты могут сохранять магнетизм в течение продолжительного времени. Они состоят из материалов, которые могут намагничиваться и создают собственное постоянное магнитное поле.
Первый мощный искусственный магнит был создан американским ученым Джозефом Генри в 1831 г.. Все искусственные магниты можно разделить на следующие группы:
I) Ферритовые магниты (или керамические магниты) являются электроизоляционными. Они тёмно-серого цвета и выглядят как карандашный грифель.
Ферриты обычно представляют собой ферромагнитные керамические соединения, получаемые путём смешивания больших количеств оксида железа с металлическими элементами, такими как марганец, барий, цинк и никель. Некоторые ферриты имеют кристаллическую структуру, например ферриты стронция и бария.
Они не подвержены коррозии и, следовательно, используются для продления жизненного цикла многих изделий. Ферритовые магниты могут использоваться в чрезвычайно жарких условиях (до 300 градусов Цельсия), стоимость изготовления таких магнитов низкая, особенно если они производятся в больших объёмах. Они могут быть далее подразделены на «твёрдые», «полужесткие» или «мягкие» ферриты, в зависимости от их магнитных свойств.
Поскольку твёрдые ферриты трудно размагничивать, они обладают высокой коэрцитивной силой (значение напряжённости внешнего магнитного поля, необходимого для полного размагничивания ферро- или ферримагнитного вещества). Они используются для изготовления магнитов, например, небольших электродвигателей и громкоговорителей.
Мягкие ферриты, с другой стороны, имеют низкую коэрцитивную силу и используются для изготовления электронных индукторов, трансформаторов и различных микроволновых компонентов.
II) Магниты Алнико (российкое название ЮНДК).
Магниты алнико состоят из алюминия (Al), никеля (Ni) и кобальта (Co), отсюда и название al-ni-co. Они часто включают титан и медь. В отличие от керамических магнитов они являются электропроводящими и имеют высокие температуры плавления.
U-образная форма алнико образует мощное магнитное поле между полюсами, позволяя магниту захватывать тяжелые ферромагнитные материалы.
Алнико был самым сильным типом постоянных магнитов до развития редкоземельных магнитов в 1970-х годах.
Они создают высокую напряжённость магнитного поля на своих полюсах - до 0,15 Тесла (Те́сла — единица индукции магнитного поля в Международной системе единиц (СИ)), что в 3000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли.
Они являются единственными магнитами, которые сохраняют свои магнитные свойства при высоких рабочих температурах, вплоть до 800 градусов Цельсия, т.е. имеют магнетизм при нагревании докрасна.
Широко используются в бытовых и промышленных конструкциях: несколько примеров - это магнетронные трубки, датчики, микрофоны, электродвигатели, громкоговорители, электронные трубки, радары.
III) Редкоземельные магниты.
Изготавливаются из сплавов редкоземельных элементов. Это самый сильный тип постоянных магнитов, разработанный в 1970-х годах. Их магнитное поле может легко превышать 1 Тесла.
Существует 2 типа редкоземельных магнитов - самарий-кобальтовые и неодимовые магниты. Они уязвимы для коррозии и очень хрупкие. Чтобы защитить их от сколов или поломок, они покрыты определенным слоем (слоями).
Самарий-кобальтовые магниты.
Состоят из празеодима, церия, гадолиния, железа, меди и циркония. Они могут сохранять свои магнитные свойства при высоких температурах и обладают высокой устойчивостью к окислению.
Из-за их меньшей напряжённости магнитного поля и высокой стоимости производства они используются реже, чем другие редкоземельные магниты.
В настоящее время они используются в настольном ядерно-магнитно-резонансном спектрометре, высококачественных электродвигателях, турбомашиностроении и во многих областях, где производительность должна соответствовать изменению температуры.
Неодимовые магниты.
Являются наиболее доступным и сильным типом редкоземельных магнитов. Они представляют собой тетрагональную кристаллическую структуру, изготовленную из сплавов неодима, бора и железа.
Благодаря своим меньшим размерам и небольшому весу, они заменили ферритовые и алникомагниты в многочисленных применениях в современных технологиях. Например, неодимовые магниты в настоящее время используются в головном приводе для компьютерных жёстких дисков, электродвигателей для аккумуляторных инструментов, механических переключателей электронных сигарет и динамиков мобильных телефонов.
IV) Одномолекулярные (мономолекулярные) магниты.
Сначала познакомимся с таким магнитом, обнаруженном в клетках человека - это универсальный внутриклеточный белок, называемый ферритином, считается магнитом с одной молекулой. Он хранит железо и выпускает его контролируемым образом.
К концу 20-го века ученые узнали, что некоторые молекулы, которые состоят из ионов парамагнитного металла (парамагнитные металлы проявляют слабую способность к намагничиванию - алюминий, хром, титан и большая часть лантаноидов), могут проявлять магнитные свойства при очень низких температурах. Теоретически они способны хранить информацию на уровне магнитных доменов ( это макроскопическая область в магнитном кристалле, в которой намагниченность находится в равномерном направлении) и обеспечивать гораздо более плотный носитель, чем традиционные магниты.
Одномолекулярные магниты состоят из кластеров марганца, никеля, железа, ванадия и кобальта.
Было обнаружено, что некоторые цепные системы (это совокупность устройств, содержащих ферримагнитные тела и образующих замкнутую систему, в которой существует магнитный поток, и вдоль которой замыкаются линии магнитной индукции), такие как одноцепные магниты, сохраняют магнетизм в течение длительного периода времени при более высоких температурах.
В настоящее время исследователи изучают монослои таких магнитов. Одним из ранних соединений, которое было исследовано в качестве одно-молекулярного магнита, является додекануклеарная марганцевая клетка.
Потенциальные возможности применения этих магнитов огромны. К ним относятся квантовые вычисления, хранение данных, обработка информации и биомедицинские приложения, такие как контрастные агенты МРТ.
2. Временные магниты
Некоторые объекты могут быть легко намагничены даже слабым магнитным полем. Но при удалении магнитного поля, они теряют свой магнетизм.
Временные магниты различаются по составу: они могут быть любым объектом, который действует как постоянный магнит в присутствии магнитного поля.
Например, магнитомягкий материал, такой как никель и железо, не будет притягивать скрепки после удаления внешнего магнитного поля. Когда постоянный магнит подносится к группе стальных гвоздей, гвозди прикрепляются друг к другу, а затем к постоянному магниту. В этом случае каждый гвоздь становится временным магнитом, а когда постоянный магнит удаляется, они больше не прикрепляются друг к другу.
Временные магниты в основном используются для изготовления временных электромагнитов, сила которых может варьироваться в соответствии с требованиями. Они также используются для разделения материалов, сделанных из металла, на складах металлолома и дают новый импульс современной технологии - от высокоскоростных поездов до высокотехнологичного пространства.
3. Электромагнит
Был изобретен британским ученым Уильямом Стердженом в 1824 году.
Затем электромагнит был систематически усовершенствован и популяризирован американским ученым Джозефом Генри в начале 1830-х годов.
Электромагниты представляют собой плотно намотанные витки провода, которые функционируют как магниты при прохождении электрического тока.
Его также можно классифицировать как временный магнит, поскольку магнитное поле исчезает, как только ток отключается.
Полярность и напряженность магнитного поля, создаваемого электромагнитом, можно регулировать, изменяя направление и величину тока, протекающего через провод. Это главное преимущество электромагнитов перед постоянными магнитами.
Для усиления магнитного поля катушка обычно наматывается на сердечник из «мягкого» ферромагнитного материала, такого как мягкая сталь. Провод, свернутый в одну или несколько петель, называется соленоидом.
Эти типы магнитов широко используются в электрических и электромеханических устройствах, включая жёсткие диски, громкоговорители, трансформаторы, электрические звонки, МРТ-машины, ускорители частиц и различные научные приборы. Электромагниты также используются в промышленности для захвата и перемещения тяжелых предметов, таких как металлолом и сталь.
Какой магнит самый сильный?
Самым сильным типом постоянного магнита являются неодимовые (Nd) магниты. Они изготавливаются путем смешивания неодима, железа и бора с образованием тетрагональной кристаллической структуры Nd2Fe14B. Это соединение было впервые обнаружено компаниями General Motors и Sumitomo Special Metals (работавшими независимо друг от друга) в 1984 году.
Технологии с использованием магнитов
Пожалуй, самыми известными на данный момент технологиями с использованием магнитов является скоростной транспорт на магнитной подушке. Поезд на магнитной подушке называется маглев.
Маглев (поезд или трамвай) удерживается над полотном дороги, движимый и управляемый силой электромагнитного поля. Состав, в отличие от традиционных поездов и трамваев, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью полотна существует зазор, трение между ними исключается, и единственной тормозящей силой является аэродинамическое сопротивление.
В основу маглева положено базовое свойство магнитов: одинаковые полюса отталкиваются, а разные – притягиваются. Существуют разные технологии магнитного подвеса маглевов.
Сейчас очень много говорится о магнитных двигателях.
В настоящее время существуют примеры реально разработанных альтернативных двигателей, которые призваны создать конкуренцию классическим электрическим машинам. Одним из таких вариантов является магнитный двигатель.
Магнитная машина - наиболее вероятный вариант бестопливных двигателей и генераторов. В таких конструкциях основной движущей силой будет магнитное взаимодействие между постоянными магнитами, электромагнитными полями или ферромагнитными материалами.
Ниже представленная схема показывает принцип действия магнитных двигателей.
Как видите на рисунке, мотор состоит из следующих компонентов:
- Магнит статора здесь только один и расположен он на пружинном маятнике, но такое размещение требуется только в экспериментальных целях. Если вес ротора окажется достаточным, то инерции движения хватит для преодоления самого малого расстояния между магнитами и статор может иметь стационарный магнит без маятника.
- Ротор дискового типа из немагнитного материала.
- Постоянные магниты, установленные на роторе в форме улитки в одинаковое положение.
- Балласт — любой увесистый предмет, который даст нужную инерционность (в рабочих моделях эту функцию может выполнять нагрузка).
Все, что нужно для работы такого агрегата — это придвинуть магнит статора на достаточное расстояние к ротору в точке самого наибольшего удаления. После этого магниты начнут притягиваться по мере приближения формы улитки по кругу, и начнется вращение ротора. Чем меньше размер магнитов и чем более плавная форма получится, тем легче произойдет движение.
Еще в 2013 году новостные ленты пестрели «сенсационной» новостью: японцы выпустили самый экологичный из возможных видов транспорта – уникальный японский мотоцикл на магнитном двигателе, который никогда не нужно заправлять. Но до сих пор производство таких моделей не налажено. Существует даже мнение, что таким образом японцы "пыль в глаза пустили", дескать, хотите верьте, а хотите - нет, что такой чудо-мотоцикл существует: в семь раз эффективнее, чем его эквивалент на бензине, может разгоняться до 150 км в час, при этом абсолютно бесшумен.
Точный принцип работы такого двигателя был изложен намного ранее в трудах изобретателя Ф.И. Свинтицкого и запатентован в России в 1997 году.
Из всей ситуации ясно только одно, что за магнитными двигателями большое будущее.
Магниты в медицине.
О положительном воздействии магнитных полей на организм человека писали еще древние китайские ученые, греческие философы и врачи. В России магниты начал применять Боткин С.П. – для лечения нервных заболеваний, нарушений опорно-двигательного аппарата.
Наличие в крови кобальта, меди, марганца улучшает усвоение железа организмом. При воздействии магнита одинаковые химические элементы притягиваются друг к другу. То есть, при воздействии магнита на человеческий организм в этом месте кровоток активизируется, и уровень притока кислорода значительно увеличивается, что очень важно для многих физиологических процессов.
По мнению немецких учёных, воздействие магнитным полем, стимулирует не только материальную структуру организма человека, но, в большей степени, воздействует на его биополе.
За счёт биологического резонансного эффекта стимулируется поступление кислорода в ткани, ускоряется выведение молочной кислоты и токсинов.
Благодаря увеличению поступления кислорода к повреждённым тканям они начинают восстанавливаться, снимается болевой синдром. По результатам многочисленных исследований было установлено, что магнитотерапия по своей эффективности приближена к результативности гомеопатии.
Воздействие магнитного поля даёт высокие результаты в процессе восстановления повреждённых тканей – за счет синтеза белков и углеводов, которые образуются в магнитном поле. Таким образом, происходит быстрое заживление ран – при наружных и внутренних повреждениях (переломы, гематомы, язвы). Низкочастотная магнитотерапия повышает иммунитет, насыщает кровь лимфоцитами.
Благодарю всех, кто дочитал эту статью до конца, оценил труд, поставив "класс", поделившись информацией, или подписался.
