Досега разгледахме магнитното поле, създадено от проводници с ток. Въпреки това се създава магнитно поле и постоянни магнити, в които няма електрически ток, в смисъл че заредените частици не извършват насочено движение по протежение на проводника. Още преди откритието на Ерстед бяха направени опити да се обясни магнитното поле на постоянните магнити с присъствието магнитни зарядиразположени в тялото, точно както електрическите заряди създават електрическо поле. Противоположните полюси на магнита се считат за концентрация на магнитни заряди с различни знаци. Първата трудност обаче беше невъзможността да се разделят тези полюси. След рязане на лентата магнит не беше възможно да се разделят северният и южният полюс- оказаха се два магнита, всеки от които имаше северен и южен полюс. Търсенето на магнитни заряди („монополи”) продължава и до днес и засега без успех. Ампер предлага по-естествено обяснение. Тъй като намотка с ток създава поле, подобно на полето на лентовия магнит, Ампер предположи, че в материята, или по-точно в атомите, има заредени частици, движещи се в кръгово движение, като по този начин създават кръгови „атомни“ токове.
Тази идея се съгласува добре с предложения впоследствие модел на Ръдърфорд на атома. Също така е ясно защо едно вещество в нормалното си състояние практически не проявява магнитни свойства. За да се сумират полетата на различните „завои“, те трябва да са разположени, както е показано на фигурата, така че полетата им да са ориентирани в една и съща посока. Но поради термично движение, техните посоки са ориентирани хаотично една спрямо друга във всички посоки. И тъй като магнитните полета се сумират според векторен закон, общото поле е нула. Това важи за повечето метали и други вещества. Възможно е да се наредят атомни токове само в определени метали, наречени феромагнетици.Именно в тях магнитните свойства се проявяват много забележимо. Много метали, като мед и алуминий, не проявяват забележими магнитни свойства, например не могат да бъдат магнетизирани. Най-известният пример за феромагнетик е желязото. В него има области, които са доста големи в сравнение с размера на атома (10 -6 -10 -4 cm) - домейни, в които атомните токове вече са строго подредени. Самите области са произволно разположени една спрямо друга - металът не е магнетизиран. Поставяйки го в магнитно поле, можем да преведем домейните в подредено състояние - да намагнетизираме метала, а като премахнем външното поле, поддържаме намагнитването му. По време на намагнитването домените с атомни токове, ориентирани по външното поле, растат, докато други намаляват. Видяхме, че намотка с ток в магнитно поле се върти от силата на Ампер, така че нейното магнитно поле да е подравнено с външното поле. Това е равновесното положение на бобината, което тя се стреми да заеме. След изключване на външното поле ориентацията на атомните токове се запазва. Някои видове стомана запазват магнетизацията много стабилно - те могат да бъдат направени в постоянни магнити. Други разновидности лесно се ремагнетизират и са подходящи за производство на електромагнити. Ако поставите феромагнитен прът в соленоида, създаденото в него поле ще се увеличи 10-20 хиляди пъти.
По този начин, магнитното поле винаги се създава от електрически ток, или протичане през проводник, когато зарядите се движат на разстояния, многократно по-големи от атомните (такива токове се наричат макроскопичен), или микроскопичен(атомни) токове.
Земното магнитно поле.Едно от първите наблюдения на магнитното поле и използването му за приложни цели е откриването на магнитното поле на Земята. В древен Китай за определяне на посоката на север се е използвала магнитна стрелка (лентов магнит), което се прави и в съвременните компаси. Очевидно във вътрешността на Земята има определени течения, които водят до появата на малко (около 10 -4 Тесла) магнитно поле. Ако приемем, че е свързано с въртенето на Земята, вътре в нея има кръгови токове около нейната ос и съответното магнитно поле (като полето на намотка) трябва да бъде ориентирано вътре в Земята по оста на въртене. Индукционните линии трябва да изглеждат както е показано на фигурата.
Вижда се, че северният магнитен полюс на Земята се намира близо до южния й географски полюс. Индукционните линии са затворени във външното пространство, а близо до повърхността на земята са ориентирани по географски меридиани. Именно по тях в посока на север е монтиран северният край на магнитната стрелка. Друго важно явление е свързано с магнитното поле на Земята. Голям брой елементарни частици идват от космоса в земната атмосфера, някои от тях са заредени. Магнитното поле действа като бариера за навлизането им в ниските слоеве на атмосферата, където те могат да представляват опасност. Разглеждайки движението на заредена частица в магнитно поле под въздействието на силата на Лоренц, видяхме, че тя започва да се движи по спирална линия по линията на индукция на магнитното поле. Това се случва със заредените частици в горните слоеве на атмосферата. Движейки се по линиите, те „отиват“ до полюсите и навлизат в атмосферата близо до географските полюси. Когато взаимодействат с молекулите, възниква сияние (излъчване на светлина от атоми), което създава северното сияние. Те не се наблюдават в неполярни ширини.
Инструменти за измерване на тангенс.За да се измери стойността на индукция на неизвестно магнитно поле (например Земята), е разумно да се предложи начин за сравняване на това поле с известно. Например с дълго предно текущо поле. Тангентен методдава такъв начин за сравнение. Да предположим, че искаме да измерим хоризонталната компонента на магнитното поле на Земята в дадена точка. Нека поставим дълъг вертикален проводник до него, така че средата му да е близо до тази точка, а дължината му да е много по-голяма от разстоянието до него (фигура, изглед отгоре).
Ако токът не тече в проводника, тогава магнитната стрелка в точката на наблюдение ще бъде установена по протежение на полето на Земята (на фигурата - нагоре, по протежение на E-W). Ще увеличим тока в жицата. Стрелката започва да се отклонява наляво. Тъй като се появява текущо поле B T, насочено хоризонтално на фигурата. Пълното поле е насочено по диагонала на правоъгълника, както се изисква от правилото за добавяне на вектори V Z и V T. Когато токът достигне определена стойност I 0, ъгълът, образуван от стрелката, ще бъде равен на 45 0. Това означава, че е изпълнено равенството В З =В Т. Но ние знаем полето В Т. Чрез измерване на x и I 0 с помощта на амперметър можете да изчислите V T и следователно V Z. Методът се нарича тангенс, защото условието е изпълнено.
Всеки отдавна е свикнал с такъв предмет като магнит. Не виждаме нищо особено в него. Обикновено го свързваме с уроци по физика или демонстрации под формата на трикове на свойствата на магнит за предучилищна възраст. И рядко някой се замисля колко много магнити ни заобикалят в ежедневието. Има десетки от тях във всеки апартамент. Във всеки високоговорител, магнетофон, електрическа самобръсначка и часовник има магнит. Дори един буркан с пирони е такъв.
И какво друго?
Ние, хората, не сме изключение. Благодарение на протичащите в тялото биотокове, около нас има невидим модел на неговите силови линии. Планетата Земя е огромен магнит. И още по-грандиозна е плазмената топка на слънцето. Размерите на галактиките и мъглявините, непонятни за човешкия ум, рядко позволяват идеята, че всички те също са магнити.
Съвременната наука изисква създаването на нови големи и свръхмощни магнити, чиито области на приложение са свързани с термоядрен синтез, генериране на електрическа енергия, ускоряване на заредени частици в синхротрони и изваждане на потънали кораби. Създаването на свръхсилно поле е една от задачите на съвременната физика.
Нека изясним понятията
Магнитното поле е сила, действаща върху заредени тела, които се движат. То „не работи“ със стационарни обекти (или такива без заряд) и служи като една от формите на електромагнитното поле, което съществува като по-общо понятие.
Ако телата могат да създават около себе си магнитно поле и сами да изпитват силата на неговото влияние, те се наричат магнити. Тоест тези обекти са намагнетизирани (имат съответния момент).
Различните материали реагират различно на външните полета. Тези, които отслабват действието му вътрешно, се наричат парамагнетици, а тези, които го засилват, се наричат диамагнетици. Някои материали имат свойството да усилват своето външно магнитно поле хилядократно. Това са феромагнетици (кобалт, никел с желязо, гадолиний, както и съединения и сплави на споменатите метали). Тези от тях, които при въздействие на силно външно поле сами придобиват магнитни свойства, се наричат твърдо магнитни. Други, способни да се държат като магнити само под прякото въздействие на полето и престават да бъдат такива, когато то изчезне, са меки магнитни.
Малко история
Хората са изучавали свойствата на постоянните магнити от много, много древни времена. Те се споменават в трудовете на учени от Древна Гърция още преди 600 години пр.н.е. Естествени (естествено срещащи се) магнити могат да бъдат намерени в находищата на магнитни руди. Най-известният от големите естествени магнити се съхранява в университета в Тарту. Тежи 13 килограма, а товарът, който може да се вдигне с негова помощ е 40 кг.
Човечеството се е научило да създава изкуствени магнити с помощта на различни феромагнетици. Стойността на прахообразните (изработени от кобалт, желязо и др.) се крие в способността да държат товар с тегло 5000 пъти собственото си тегло. Изкуствените образци могат да бъдат постоянни (получени от или електромагнити със сърцевина, чийто материал е меко магнитно желязо. Полето на напрежение в тях възниква поради преминаването на електрически ток през проводниците на намотката, която обгражда сърцевината.
Първата сериозна книга, съдържаща опити за научно изследване на свойствата на магнита, е работата на лондонския лекар Гилбърт, публикувана през 1600 г. Тази работа съдържа целия набор от налична информация по това време относно магнетизма и електричеството, както и експериментите на автора.
Човекът се опитва да адаптира всяко от съществуващите явления към практическия живот. Разбира се, магнитът не беше изключение.
Как се използват магнитите?
Какви свойства на магнитите е възприело човечеството? Обхватът му на приложение е толкова широк, че имаме възможност само накратко да се докоснем до основните, най-известните устройства и области на приложение на този прекрасен предмет.
Компасът е добре известно устройство за определяне на посоки на земята. Благодарение на него се прокарват маршрути за самолети и кораби, наземен транспорт и пешеходен трафик. Тези инструменти могат да бъдат магнитни (тип показалка), използвани от туристи и топографи, или немагнитни (радио и хидрокомпаси).
Първите компаси са направени през 11 век и са използвани в навигацията. Тяхното действие се основава на свободното въртене в хоризонтална равнина на дълга игла от магнитен материал, балансирана на ос. Единият му край винаги е обърнат на юг, а другият на север. По този начин винаги можете точно да разберете основните посоки по отношение на кардиналните точки.
Основни области
Областите, в които свойствата на магнитите са намерили своето основно приложение, са радио- и електротехниката, уредостроенето, автоматиката и телемеханиката. От него се изработват релета, магнитни вериги и др. През 1820 г. е открито свойството на проводник с ток да влияе върху стрелката на магнита, принуждавайки я да се върти. По същото време беше направено и друго откритие - двойка успоредни проводници, през които преминава ток с една и съща посока, имат свойството взаимно привличане.
Благодарение на това беше направено предположение за причината за свойствата на магнита. Всички подобни явления възникват във връзка с токове, включително тези, циркулиращи вътре в магнитни материали. Съвременните представи в науката напълно съвпадат с това предположение.
Относно двигателите и генераторите
Въз основа на него са създадени много разновидности на електрически двигатели и електрически генератори, т.е. ротационни машини, чийто принцип на работа се основава на преобразуването на механичната енергия в електрическа енергия (говорим за генератори) или електрическа енергия в механична енергия (говорим за двигатели). Всеки генератор работи на принципа на електромагнитната индукция, тоест ЕМП (електродвижеща сила) възниква в проводник, който се движи в магнитно поле. Електрическият мотор работи въз основа на явлението сила, възникваща в проводник с ток, поставен в напречно поле.
Използвайки силата на взаимодействие на полето с тока, който преминава през намотките на техните движещи се части, работят устройства, наречени магнитоелектрически. Индукционният електромер действа като нов мощен AC електродвигател с две намотки. Проводящ диск, разположен между намотките, се върти от въртящ момент, чиято сила е пропорционална на консумацията на енергия.
Ами в ежедневието?
Електрическите ръчни часовници, оборудвани с миниатюрна батерия, са познати на всички. Благодарение на използването на чифт магнити, чифт индуктори и транзистор, техният дизайн е много по-опростен по отношение на броя на наличните части от този на механичен часовник.
Все повече се използват електромагнитни брави или цилиндрични брави, оборудвани с магнитни елементи. И ключът, и ключалката са оборудвани с комбиниран диск. Когато правилният ключ се постави в отвора на ключалката, вътрешните елементи на магнитната брава се привличат в желаната позиция, което позволява отварянето й.
Действието на магнитите е в основата на проектирането на динамометри и галванометри (високочувствителен уред, с който се измерват слаби токове). Свойствата на магнитите са намерили приложение в производството на абразиви. Това е името, дадено на остри, малки и много твърди частици, които са необходими за механична обработка (шлайфане, полиране, груба обработка) на голямо разнообразие от предмети и материали. По време на тяхното производство феросилицийът, необходим като част от сместа, частично се утаява на дъното на пещите и частично се включва в абразивния състав. Необходими са магнити, за да го извадите от там.
Наука и комуникация
Благодарение на магнитните свойства на веществата науката има възможност да изучава структурата на голямо разнообразие от тела. Можем да споменем само магнитохимията или (метод за откриване на дефекти чрез изследване на изкривяването на магнитното поле в определени области на продуктите).
Те се използват и в производството на оборудване с ултрависок честотен диапазон, радиокомуникационни системи (за военни цели и по търговски линии), за топлинна обработка, както у дома, така и в хранително-вкусовата промишленост (всеки е запознат с микровълновите фурни). Почти невъзможно е в рамките на една статия да се изброят всички тези изключително сложни технически устройства и области на приложение, където днес се използват магнитните свойства на веществата.
Медицинска област
Областта на диагностиката и медицинската терапия не беше изключение. Благодарение на електронните линейни ускорители, генериращи рентгенови лъчи, се провежда терапия на тумори; протонни лъчи се генерират в циклотрони или синхротрони, които имат предимства пред рентгеновите лъчи в локалната насоченост и повишена ефективност при лечението на очни и мозъчни тумори.
Що се отнася до биологичната наука, дори преди средата на миналия век жизнените функции на тялото по никакъв начин не са били свързани с наличието на магнитни полета. Научната литература от време на време се попълваше с отделни съобщения за едни или други техни медицински ефекти. Но от шейсетте години насам публикациите за биологичните свойства на магнитите текат лавинообразно.
Преди и сега
Въпреки това, опити за лечение на хора с него са правени от алхимици още през 16 век. Има много успешни опити за лечение на зъбобол, нервни разстройства, безсъние и много проблеми с вътрешните органи. Изглежда, че магнитът е намерил своето приложение в медицината не по-късно от навигацията.
През последния половин век магнитните гривни са широко използвани, популярни сред пациентите с нарушено кръвно налягане. Учените сериозно вярваха в способността на магнита да увеличи устойчивостта на човешкото тяло. С помощта на електромагнитни устройства те се научиха да измерват скоростта на кръвния поток, да вземат проби или да дават необходимите лекарства от капсули.
Използва се магнит за отстраняване на малки метални частици, които попадат в окото. Работата на електрическите сензори се основава на неговото действие (всеки от нас е запознат с процедурата за вземане на електрокардиограма). В днешно време сътрудничеството на физици с биолози за изследване на дълбоките механизми на влиянието на магнитното поле върху човешкото тяло става все по-тясно и необходимо.
Неодимов магнит: свойства и приложения
Смята се, че неодимовите магнити имат най-голямо въздействие върху човешкото здраве. Те се състоят от неодим, желязо и бор. Тяхната химична формула е NdFeB. Основното предимство на такъв магнит е силното въздействие на неговото поле при относително малък размер. Така теглото на магнит със сила 200 гауса е около 1 g. За сравнение, железен магнит с еднаква сила има приблизително 10 пъти по-голямо тегло.
Друго несъмнено предимство на споменатите магнити е добрата им стабилност и способността да запазват необходимите качества в продължение на стотици години. В течение на един век магнитът губи свойствата си само с 1%.
Как точно се третират неодимовите магнити?
С негова помощ те подобряват кръвообращението, стабилизират кръвното налягане и се борят с мигрена.
Свойствата на неодимовите магнити започват да се използват за лечение преди около 2000 години. Споменавания за този вид терапия се срещат в ръкописи на древен Китай. След това те били лекувани чрез прилагане на магнетизирани камъни върху човешкото тяло.
Съществувала е и терапия под формата на прикрепването им към тялото. Легендата твърди, че Клеопатра дължала отличното си здраве и неземна красота на постоянното носене на магнитна превръзка на главата. През 10-ти век персийски учени описват подробно благоприятното въздействие на свойствата на неодимовите магнити върху човешкото тяло в случай на премахване на възпаление и мускулни спазми. Въз основа на оцелелите доказателства от това време може да се прецени използването им за увеличаване на мускулната сила, здравината на костите и намаляване на болките в ставите.
От всички болести...
Доказателство за ефективността на този ефект е публикувано през 1530 г. от известния швейцарски лекар Парацелз. В своите писания лекарят описва магическите свойства на магнит, който може да стимулира силите на тялото и да предизвика самолечение. Огромен брой болести в онези дни започнаха да се преодоляват с помощта на магнит.
Самолечението с това лекарство стана широко разпространено в САЩ в следвоенните години (1861-1865), когато имаше категоричен недостиг на лекарства. Използван е както като лекарство, така и като болкоуспокояващо.
От 20-ти век лечебните свойства на магнитите са получили научно доказателство. През 1976 г. японският лекар Никагава въвежда концепцията за синдром на дефицит на магнитно поле. Изследванията са установили точните му симптоми. Те се състоят от слабост, умора, намалена работоспособност и нарушения на съня. Има и мигрена, болки в ставите и гръбначния стълб, проблеми с храносмилателната и сърдечно-съдовата система под формата на хипотония или хипертония. Синдромът засяга както областта на гинекологията, така и кожните промени. Използването на магнитна терапия може доста успешно да нормализира тези състояния.
Науката не стои неподвижна
Учените продължават да експериментират с магнитни полета. Експериментите се провеждат както върху животни и птици, така и върху бактерии. Условията на отслабено магнитно поле намаляват успеха на метаболитните процеси при опитни птици и мишки; бактериите рязко спират да се възпроизвеждат. При продължителен дефицит на полето живите тъкани претърпяват необратими промени.
Магнитната терапия като такава се използва за борба с всички подобни явления и многобройните негативни последици, причинени от тях. Изглежда, че в момента всички полезни свойства на магнитите все още не са достатъчно проучени. На лекарите им предстоят много интересни открития и нови разработки.
Източници постоянни магнитни полета (PMF)на работните места има постоянни магнити, електромагнити, системи за постоянен ток с голям ток (проводи за постоянен ток, електролитни бани и др.).
Постоянните магнити и електромагнити се използват широко в апаратурата, в магнитните шайби за кранове, в магнитните сепаратори, в устройствата за магнитна обработка на вода, в магнитохидродинамичните генератори (MHD), инсталации за ядрено-магнитен резонанс (NMR) и електронен парамагнитен резонанс (EPR), като както и във физиотерапевтичната практика.
Основните физични параметри, характеризиращи PMP са напрегнатост на полето (N), магнитен поток (F) и магнитна индукция (V). Мерната единица SI за силата на магнитното поле е ампер на метър (A/m), магнитен поток - Вебер (Wb ), плътност на магнитния поток (магнитна индукция) - тесла (Т ).
Установени са промени в здравословното състояние на хората, работещи с източници на ФПМ. Най-често тези промени се проявяват под формата на вегетативна дистония, астеновегетативни и периферни вазовегетативни синдроми или комбинация от тях.
Съгласно действащия стандарт у нас (“Максимално допустими нива на излагане на постоянни магнитни полета при работа с магнитни устройства и магнитни материали” № 1742-77), напрежението на ФМП на работните места не трябва да надвишава 8 kA/m (10 mT ). Допустимите нива на PMF, препоръчани от Международния комитет по нейонизиращи лъчения (1991 г.), са диференцирани според населението, местоположението на експозиция и времето на работа. За професионалисти: 0,2 T - с експозиция на пълен работен ден (8 часа); 2 Т - с краткотрайно излагане на тялото; 5 T - с краткотрайно излагане на ръце. За населението нивото на продължителна експозиция на ФПЧ не трябва да надвишава 0,01 T.
Радиочестотните ЕМР източници се използват широко в голямо разнообразие от сектори на националната икономика. Използват се за предаване на информация на разстояние (радиоразпръскване, радиотелефонни комуникации, телевизия, радар и др.). В промишлеността радио вълната EMR се използва за индукционно и диелектрично нагряване на материали (втвърдяване, топене, запояване, заваряване, метално пръскане, нагряване на вътрешни метални части на електрически вакуумни устройства по време на изпомпване, сушене на дърво, нагряване на пластмаси, лепене на пластмасови съединения, топлина обработка на хранителни продукти и др.). ЕМР се използва широко в научните изследвания (радиоспектроскопия, радиоастрономия) и медицината (физиотерапия, хирургия, онкология). В някои случаи EMI възниква като страничен неизползван фактор, например в близост до въздушни електропроводи (OHT), трансформаторни подстанции, електрически уреди, включително битови. Основните източници на радиочестотно ЕМП излъчване в околната среда са антенните системи на радарни станции, радио и телевизионни станции, включително мобилни радиокомуникационни системи и въздушни електропроводи.
Човешкият и животинският организъм е много чувствителен към въздействието на RF EMF.
Критичните органи и системи включват: централната нервна система, очите, половите жлези, а според някои автори и хемопоетичната система. Биологичният ефект на тези лъчения зависи от дължината на вълната (или честотата на излъчване), начина на генериране (непрекъснато, импулсно) и условията на облъчване на тялото (продължително, периодично; общо, локално; интензивност; продължителност). Отбелязва се, че биологичната активност намалява с увеличаване на дължината на вълната (или намаляване на честотата) на радиацията. Най-активни са санти-, деци- и метровите диапазони на радиовълните. Лезиите, причинени от RF EMR, могат да бъдат остри или хронични. Острите възникват под въздействието на значителни интензитети на топлинно излъчване. Те се случват изключително рядко - при аварии или груби нарушения на правилата за безопасност на радара. За професионални условия хроничните лезии са по-типични, обикновено се откриват след няколко години работа с микровълнови източници на ЕМР.
Основните нормативни документи, регулиращи допустимите нива на излагане на RF EMR, са: GOST 12.1.006 - 84 „SSBT. Електромагнитни полета на радиочестоти.
Допустими нива" и SanPiN 2.2.4/2.1.8.055-96 „Електромагнитно излъчване в радиочестотния диапазон". Те стандартизират енергийната експозиция (EE) за електрически (E) и магнитни (H) полета, както и плътността на енергийния поток (EF) за работен ден (Таблица 5.11).
Таблица 5.11.
Максимално допустими нива (МДН) за работен ден за работници
С EMR RF
| Параметър | Честотни диапазони, MHz | ||||
| Име | Мерна единица | 0,003-3 | 3-30 | 30-300 | 300-300000 |
| ЕЕ Е | (V/m) 2 *h | - | |||
| ъ-ъ н | (A/m) 2 *h | - | - | - | |
| PPE | (μW/cm 2)* h | - | - | - |
За цялата популация с продължителна експозиция са установени следните МДГОВ за напрегнатост на електрическото поле, V/m:
Честотен диапазон MHz
0,03-0,30........................................................... 25
0,3-3,0.............................................................. 15
3-30.................................................................. 10
30-300............................................................... 3*
300-300000...................................................... 10
* С изключение на телевизионните станции, дистанционните управления за които се различават според
в зависимост от честотата от 2,5 до 5 V/m.
Устройствата, работещи в радиочестотния диапазон, включват видео дисплеи на терминали за персонални компютри. В днешно време персоналните компютри (PC) се използват широко в производството, в научните изследвания, в медицинските институции, в бита, в университетите, училищата и дори в детските градини. Когато се използват в производството, компютрите, в зависимост от технологичните задачи, могат да въздействат върху човешкото тяло за дълго време (в рамките на работния ден). В ежедневието времето, през което използвате компютър, е напълно неконтролируемо.
За компютърни видеодисплейни терминали (VDT) са инсталирани следните EMI PDU (SanPiN 2.2.2.542-96 „Хигиенни изисквания за видеодисплейни терминали, персонални електронни компютри и организация на работа“) - таблица. 5.12.
Таблица 5.12. Максимално допустими нива на ЕМР, генерирани от RCCB
Магнитно поле и неговите характеристики
Конспект на лекцията:
Магнитно поле, неговите свойства и характеристики.
Магнитно поле- формата на съществуване на материята около движещи се електрически заряди (проводници с ток, постоянни магнити).
Това име се дължи на факта, че, както датският физик Ханс Оерстед открива през 1820 г., има ориентиращ ефект върху магнитната стрелка. Експериментът на Ерстед: магнитна игла се поставя под проводник с ток, въртящ се върху игла. Когато токът беше включен, той беше инсталиран перпендикулярно на жицата; когато посоката на тока се промени, той се обърна в обратна посока.
Основни свойства на магнитното поле:
генерирани от движещи се електрически заряди, проводници с ток, постоянни магнити и променливо електрическо поле;
действа със сила върху движещи се електрически заряди, проводници с ток и намагнитни тела;
променливото магнитно поле генерира променливо електрическо поле.
От опита на Ерстед следва, че магнитното поле е насочено и трябва да има векторна силова характеристика. Означава се и се нарича магнитна индукция.
Магнитното поле се представя графично с помощта на магнитни силови линии или линии на магнитна индукция. Магнитна сила линииТова са линиите, по които са разположени железните стружки или осите на малките магнитни игли в магнитно поле. Във всяка точка на такава линия векторът е насочен по допирателна.
Линиите на магнитната индукция винаги са затворени, което показва липсата на магнитни заряди в природата и вихровия характер на магнитното поле.
Обикновено те напускат северния полюс на магнита и навлизат в южния. Плътността на линиите е избрана така, че броят на линиите на единица площ, перпендикулярна на магнитното поле, да е пропорционален на големината на магнитната индукция.
н 
Магнитен соленоид с ток
Посоката на линиите се определя от правилото за десния винт. Соленоидът е намотка с ток, чиито завои са разположени близо един до друг, а диаметърът на завоя е много по-малък от дължината на намотката.
Магнитното поле вътре в соленоида е равномерно. Магнитното поле се нарича равномерно, ако векторът е постоянен във всяка точка.
Магнитното поле на соленоида е подобно на магнитното поле на пръчковия магнит.
СЪС 
Соленоидът с ток е електромагнит.
Опитът показва, че за магнитно поле, както и за електрическо поле, принцип на суперпозиция: индукцията на магнитно поле, създадено от няколко тока или движещи се заряди, е равна на векторната сума на индукцията на магнитните полета, създадени от всеки ток или заряд:
Векторът се въвежда по един от 3 начина:
а) от закона на Ампер;
б) чрез въздействието на магнитно поле върху рамка с ток;
в) от израза за силата на Лоренц.
А 
mpper експериментално установи, че силата, с която магнитното поле действа върху елемент от проводник с ток I, разположен в магнитно поле, е право пропорционална на силата
ток I и векторното произведение на елемента на дължината и магнитната индукция:
- Закон на Ампер
н 
Посоката на вектора може да се намери според общите правила на векторното произведение, от което следва правилото на лявата ръка: ако дланта на лявата ръка е разположена така, че магнитните силови линии да влизат в нея, а 4 изпънатите пръсти са насочени по течението, тогава свитият палец ще покаже посоката на силата.
Силата, действаща върху тел с крайна дължина, може да се намери чрез интегриране по цялата дължина.
Когато I = const, B=const, F = BIlsin
Ако =90 0, F = BIl
Индукция на магнитно поле- векторна физическа величина, числено равна на силата, действаща в еднородно магнитно поле върху проводник с единична дължина с единичен ток, разположен перпендикулярно на магнитните силови линии.
1T е индукция на еднородно магнитно поле, при което сила от 1N действа върху проводник с дължина 1m с ток от 1A, разположен перпендикулярно на магнитните силови линии.
Досега разглеждахме макротокове, протичащи в проводници. Въпреки това, според предположението на Ампер, във всяко тяло има микроскопични токове, причинени от движението на електрони в атомите. Тези микроскопични молекулярни токове създават собствено магнитно поле и могат да се въртят в полетата на макротокове, създавайки допълнително магнитно поле в тялото. Векторът характеризира полученото магнитно поле, създадено от всички макро- и микротокове, т.е. при един и същ макроток векторът в различни среди има различни стойности.
Магнитното поле на макротоковете се описва от вектора на магнитния интензитет.
За хомогенна изотропна среда
0 = 410 -7 H/m - магнитна константа, 0 = 410 -7 N/A 2,
е магнитната проницаемост на средата, показваща колко пъти се променя магнитното поле на макротоковете поради полето на микротоковете на средата.
Магнитен поток. Теорема на Гаус за магнитния поток.
Векторен поток(магнитен поток) през обекта dSнаречена скаларна величина, равна на
където е проекцията върху посоката на нормалата към обекта;
е ъгълът между векторите и.
Насочен повърхностен елемент,
Векторният поток е алгебрична величина,
Ако 
- при напускане на повърхността;
Ако 
- при навлизане на повърхността.
Потокът на вектора на магнитната индукция през произволна повърхност S е равен на
За еднородно магнитно поле = const,
1 Wb - магнитен поток, преминаващ през плоска повърхност с площ от 1 m 2, разположена перпендикулярно на равномерно магнитно поле, чиято индукция е 1 T.
Магнитният поток през повърхността S е числено равен на броя на линиите на магнитното поле, пресичащи тази повърхност.
Тъй като линиите на магнитна индукция винаги са затворени, за затворена повърхност броят на линиите, влизащи в повърхността (Ф 0), следователно общият поток на магнитна индукция през затворена повърхност е нула.
- Теорема на Гаус: Потокът на вектора на магнитната индукция през всяка затворена повърхност е нула.
Тази теорема е математически израз на факта, че в природата няма магнитни заряди, върху които започват или завършват линиите на магнитната индукция.
Законът на Био-Савар-Лаплас и приложението му за изчисляване на магнитни полета.
Магнитното поле на постоянни токове с различни форми е подробно изследвано от Фр. учени Био и Савар. Те установиха, че във всички случаи магнитната индукция в произволна точка е пропорционална на силата на тока и зависи от формата, размера на проводника, местоположението на тази точка по отношение на проводника и от околната среда.
Резултатите от тези експерименти са обобщени от о. математик Лаплас, който взе предвид векторния характер на магнитната индукция и предположи, че индукцията във всяка точка е, според принципа на суперпозицията, векторната сума на индукциите на елементарни магнитни полета, създадени от всяка секция на този проводник.
Лаплас формулира закон през 1820 г., наречен закон на Био-Савар-Лаплас: всеки елемент от проводник с ток създава магнитно поле, чийто вектор на индукция в произволна точка K се определя по формулата:
- Закон на Био-Савар-Лаплас.
От закона на Био-Совар-Лаплас следва, че посоката на вектора съвпада с посоката на векторния продукт. Същата посока се дава от правилото на десния винт (Gimlet).
като се има предвид това,
Проводник, сънасочен с тока;
Радиус вектор, свързващ точка K;
Законът на Био-Савар-Лаплас има практическо значение, тъй като ви позволява да намерите в дадена точка в пространството индукцията на магнитното поле на ток, протичащ през проводник с крайни размери и произволна форма.
За ток с произволна форма такова изчисление е сложен математически проблем. Въпреки това, ако разпределението на тока има определена симетрия, тогава прилагането на принципа на суперпозицията заедно със закона на Biot-Savart-Laplace прави възможно сравнително просто да се изчислят специфичните магнитни полета.
Нека да разгледаме някои примери.
А. Магнитно поле на прав проводник, по който тече ток.
за проводник с крайна дължина:
за проводник с безкрайна дължина: 1 = 0, 2 =
B. Магнитно поле в центъра на кръговия ток:
=90 0 , sin=1,
Ерстед експериментално открива през 1820 г., че циркулацията в затворен контур около система от макротокове е пропорционална на алгебричната сума на тези токове. Коефициентът на пропорционалност зависи от избора на единица система и е равен на 1 в SI.
° С 
Циркулацията на вектор се нарича интеграл със затворен контур.
Тази формула се нарича теорема за циркулацията или закон за тоталния ток:
циркулацията на вектора на силата на магнитното поле по произволна затворена верига е равна на алгебричната сума на макротоковете (или общия ток), обхванати от тази верига. неговият характеристикиВ пространството около токове и постоянни магнити възниква сила поле, Наречен магнитен. Наличност магнитен полетасе разкрива...
За реалната структура на електромагнитното полетаИ неговият характеристикиразпространение под формата на плоски вълни.
Статия >> ФизикаЗА РЕАЛНАТА СТРУКТУРА НА ЕЛЕКТРОМАГНИТА ПОЛЕТАИ НЕГОВОТО ХАРАКТЕРИСТИКИРАЗПРОСТРАНЕНИЕ ПОД ФОРМАТА НА РАВНИ ВЪЛНИ... други компоненти на единичен полета: електромагнитни полес векторни компоненти и ел полес компоненти и магнитен полес компоненти...
Магнитни поле, вериги и индукция
Резюме >> Физика... полета). Основен Характеристика магнитен полетае неговиятсила, определена от вектор магнитениндукция (индукционен вектор магнитен полета). В SI магнитен... имайки магнитенмомент. Магнитни полеИ неговиятПараметри Посока магнитенлинии и...
Магнитни поле (2)
Резюме >> ФизикаУчастък от проводник AB с ток в магнитен полеперпендикулярен неговият магнитенлинии. Когато е показано на фигурата... стойността зависи само от магнитен полетаи може да служи неговиятколичествен Характеристика. Тази стойност се приема...
Магнитниматериали (2)
Резюме >> ИкономикаМатериали, които влизат в контакт с магнитен поле, изразена в неговиятизменение, както и в други... и след прекратяване на експозицията магнитен полета.1. Основен характеристики магнитенматериалиМагнитните свойства на материалите се характеризират...
Заедно с парчета кехлибар, наелектризирани чрез триене, постоянните магнити са били за древните хора първото материално доказателство за електромагнитни явления (мълнията в зората на историята определено се приписва на сферата на проявление на нематериалните сили). Обясняването на природата на феромагнетизма винаги е занимавало любознателните умове на учените, но дори и сега физическата природа на постоянната магнетизация на някои вещества, както естествени, така и изкуствено създадени, все още не е напълно разкрита, оставяйки значително поле за дейност на съвременните и бъдещи изследователи.
Традиционни материали за постоянни магнити
Те се използват активно в промишлеността от 1940 г. с появата на алнико сплав (AlNiCo). Преди това постоянните магнити, изработени от различни видове стомана, се използваха само в компаси и магнето. Alnico направи възможно замяната на електромагнитите с тях и използването им в устройства като двигатели, генератори и високоговорители.
Това навлизане в нашето ежедневие получи нов тласък със създаването на феритните магнити и оттогава постоянните магнити станаха нещо обичайно.
Революцията в магнитните материали започва около 1970 г. със създаването на фамилията самарий-кобалт от твърди магнитни материали с нечувани преди това плътности на магнитна енергия. Тогава беше открито ново поколение редкоземни магнити, базирани на неодим, желязо и бор, с много по-висока плътност на магнитната енергия от самариевия кобалт (SmCo) и на очаквано ниска цена. Тези две семейства редкоземни магнити имат толкова висока енергийна плътност, че могат не само да заменят електромагнитите, но и да се използват в зони, които са недостъпни за тях. Примерите включват малкия стъпков двигател с постоянен магнит в ръчните часовници и звуковите преобразуватели в слушалките тип Walkman.
Постепенното подобряване на магнитните свойства на материалите е показано на диаграмата по-долу.
Неодимови постоянни магнити
Те представляват най-новото и значимо развитие в тази област през последните десетилетия. Тяхното откритие беше обявено за първи път почти едновременно в края на 1983 г. от специалисти по метали от Sumitomo и General Motors. Те се основават на интерметалното съединение NdFeB: сплав от неодим, желязо и бор. От тях неодимът е редкоземен елемент, извлечен от минерала монацит.
Огромният интерес, който тези постоянни магнити са генерирали, възниква, защото за първи път е произведен нов магнитен материал, който е не само по-силен от предишното поколение, но е и по-икономичен. Състои се главно от желязо, което е много по-евтино от кобалта, и неодим, който е един от най-често срещаните редкоземни материали и има повече запаси на Земята от оловото. Основните редкоземни минерали монацит и бастанезит съдържат пет до десет пъти повече неодим от самария.
Физически механизъм на постоянно намагнитване
За да обясним функционирането на постоянен магнит, трябва да погледнем вътре в него до атомен мащаб. Всеки атом има набор от завъртания на своите електрони, които заедно формират неговия магнитен момент. За нашите цели можем да разглеждаме всеки атом като малък пръчков магнит. Когато постоянен магнит се демагнетизира (или чрез нагряване до висока температура, или чрез външно магнитно поле), всеки атомен момент е ориентиран произволно (вижте фигурата по-долу) и не се наблюдава закономерност.
Когато се намагнетизира в силно магнитно поле, всички атомни моменти са ориентирани в посоката на полето и, така да се каже, са свързани един с друг (вижте фигурата по-долу). Това свързване позволява постоянното магнитно поле да се поддържа, когато външното поле е премахнато, и също така се противопоставя на размагнитването, когато посоката му се промени. Мярка за кохезионната сила на атомните моменти е величината на коерцитивната сила на магнита. Повече за това по-късно.
При по-задълбочено представяне на механизма на намагнитване не се работи с понятията за атомни моменти, а се използват идеи за миниатюрни (от порядъка на 0,001 cm) региони вътре в магнита, които първоначално имат постоянна намагнитност, но произволно ориентиран в отсъствието на външно поле, така че стриктен читател, ако желае, може да припише горното физическо Механизмът не е свързан с магнита като цяло. но към своя отделен домейн.
Индукция и намагнитване
Атомните моменти се сумират и образуват магнитния момент на целия постоянен магнит, а намагнитването му M показва големината на този момент за единица обем. Магнитната индукция B показва, че постоянен магнит е резултат от външна магнитна сила (напрегнатост на полето) H, приложена по време на първичното намагнитване, както и вътрешно намагнитване M, дължащо се на ориентацията на атомните (или доменни) моменти. Стойността му в общия случай се определя по формулата:
B = µ 0 (H + M),
където µ 0 е константа.
В постоянен пръстен и хомогенен магнит силата на полето H вътре в него (при липса на външно поле) е равна на нула, тъй като според закона за общия ток интегралът от него по всяка окръжност вътре в такова пръстеновидно ядро е равно на:
H∙2πR = iw=0, откъдето H=0.
Следователно намагнитването в пръстеновидния магнит е:
В отворен магнит, например, в същия пръстеновиден магнит, но с въздушна междина с ширина l в сърцевина с дължина l сиво, при липса на външно поле и същата индукция B вътре в сърцевината и в междината, съгласно закона за общия ток получаваме:
H ser l ser + (1/ µ 0)Bl zaz = iw=0.
Тъй като B = µ 0 (H ser + M ser), тогава, замествайки неговия израз в предишния, получаваме:
H ser (l ser + l zaz) + M ser l zaz =0,
Н сер = ─ М сер л заз (л сер + л заз).
Във въздушната междина:
H zaz = B/µ 0,
където B се определя от даденото M ser и намереното H ser.
Крива на намагнитване
Започвайки от немагнетизирано състояние, когато H се увеличава от нула, поради ориентацията на всички атомни моменти в посоката на външното поле, M и B бързо се увеличават, променяйки се по протежение на участък „a“ на основната крива на намагнитване (вижте фигурата по-долу) .
Когато всички атомни моменти са изравнени, M достига стойността си на насищане и по-нататъшно увеличение на B възниква единствено поради приложеното поле (секция b от основната крива на фигурата по-долу). Когато външното поле намалее до нула, индукцията B намалява не по първоначалния път, а по участъка "c" поради свързването на атомните моменти, като се стреми да ги поддържа в същата посока. Кривата на намагнитване започва да описва така наречената хистерезисна верига. Когато H (външно поле) се доближи до нула, индукцията се приближи до остатъчна стойност, определена само от атомните моменти:
B r = μ 0 (0 + M g).
След промяна на посоката на H, H и M действат в противоположни посоки и B намалява (част от кривата "d" на фигурата). Стойността на полето, при което B намалява до нула, се нарича коерцитивна сила на магнита B H C . Когато величината на приложеното поле е достатъчно голяма, за да наруши сцеплението на атомните моменти, те се ориентират в новата посока на полето и посоката на М се обръща. Стойността на полето, при която това се случва, се нарича вътрешна коерцитивна сила на постоянния магнит M H C . И така, има две различни, но свързани коерцитивни сили, свързани с постоянен магнит.
Фигурата по-долу показва основните криви на размагнитване на различни материали за постоянни магнити.
От него се вижда, че NdFeB магнитите имат най-висока остатъчна индукция B r и коерцитивна сила (обща и вътрешна, т.е. определена без отчитане на силата H, само от намагнитването M).
Повърхностни (амперни) токове
Магнитните полета на постоянните магнити могат да се разглеждат като полета на някои свързани токове, протичащи по техните повърхности. Тези токове се наричат токове на Ампер. В обичайния смисъл на думата вътре в постоянните магнити няма токове. Въпреки това, сравнявайки магнитните полета на постоянните магнити и полетата на токовете в бобините, френският физик Ампер предположи, че намагнитването на веществото може да се обясни с потока от микроскопични токове, образуващи микроскопични затворени вериги. И наистина, аналогията между полето на соленоид и дълъг цилиндричен магнит е почти пълна: има северен и южен полюс на постоянен магнит и същите полюси на соленоида, а моделите на силовите линии на техните полета също са много подобни (вижте фигурата по-долу).
Има ли токове вътре в магнит?
Нека си представим, че целият обем на прътов постоянен магнит (с произволна форма на напречното сечение) е изпълнен с микроскопични амперови токове. Напречното сечение на магнит с такива токове е показано на фигурата по-долу.
Всеки от тях има магнитен момент. С еднаква ориентация по посока на външното поле, те образуват резултатен магнитен момент, който е различен от нула. Той определя съществуването на магнитно поле при видима липса на подредено движение на заряди, при липса на ток през всяко напречно сечение на магнита. Също така е лесно да се разбере, че вътре в него токовете на съседни (контактни) вериги се компенсират. Само токовете на повърхността на тялото, които образуват повърхностния ток на постоянен магнит, са некомпенсирани. Плътността му се оказва равна на намагнитването М.
Как да се отървете от подвижните контакти
Проблемът за създаване на безконтактна синхронна машина е известен. Традиционният му дизайн с електромагнитно възбуждане от полюсите на ротор с намотки включва подаване на ток към тях чрез подвижни контакти - контактни пръстени с четки. Недостатъците на такова техническо решение са добре известни: това са трудностите при поддръжката, ниската надеждност и големите загуби в подвижните контакти, особено когато става дума за мощни турбо и водородни генератори, чиито възбудителни вериги консумират значителна електрическа мощност.
Ако направите такъв генератор с помощта на постоянни магнити, тогава проблемът с контакта веднага изчезва. Съществува обаче проблем с надеждното закрепване на магнити върху въртящ се ротор. Тук опитът, натрупан в производството на трактори, може да бъде полезен. Те отдавна използват индуктивен генератор с постоянни магнити, разположени в роторни слотове, запълнени с нискотопима сплав.
Мотор с постоянен магнит
През последните десетилетия постояннотоковите двигатели са широко разпространени. Такова устройство се състои от самия електродвигател и електронен комутатор за неговата намотка на котвата, който изпълнява функциите на колектор. Електрическият двигател е синхронен двигател с постоянни магнити, разположени върху ротора, както е на фиг. по-горе, със стационарна котва, навита на статора. Схемата на електронния превключвател е инвертор на постоянно напрежение (или ток) на захранващата мрежа.
Основното предимство на такъв двигател е неговият безконтактен характер. Специфичният му елемент е фото-, индукционен или сензор за положение на ротора на Хол, който контролира работата на инвертора.
