Dosud jsme uvažovali magnetické pole vytvářené vodiči s proudem. Vzniká však magnetické pole a permanentní magnety, ve kterém není elektrický proud, v tom smyslu, že nabité částice nevykonávají řízený pohyb podél vodiče. Ještě před Oerstedovým objevem byly učiněny pokusy vysvětlit magnetické pole permanentních magnetů přítomností magnetické náboje umístěné v těle, stejně jako elektrické náboje vytvářejí elektrické pole. Opačné póly magnetu byly považovány za koncentraci magnetických nábojů různých znaků. Prvním problémem však byla nemožnost tyto póly oddělit. Po odříznutí proužkového magnetu nebylo možné oddělit severní a jižní pól- ukázalo se, že jsou to dva magnety, z nichž každý měl severní i jižní pól. Hledání magnetických nábojů („monopolů“) pokračuje dodnes a zatím bez úspěchu. Ampere nabídl přirozenější vysvětlení. Protože cívka s proudem vytváří pole podobné poli páskového magnetu, Ampere navrhl, že ve hmotě, přesněji v atomech, existují nabité částice se pohybují kruhovým pohybem a vytvářejí tak kruhové „atomové“ proudy.
Tato myšlenka dobře souhlasila s následně navrženým Rutherfordovým modelem atomu. Je také jasné, proč látka v normálním stavu nevykazuje prakticky žádné magnetické vlastnosti. Aby se pole různých „otoček“ sčítala, musí být umístěny tak, jak je znázorněno na obrázku, aby jejich pole byla orientována stejným směrem. Ale v důsledku tepelného pohybu jsou jejich směry orientovány chaoticky vůči sobě ve všech směrech. A protože se magnetická pole sčítají podle vektorového zákona, celkové pole je nulové. To platí pro většinu kovů a dalších látek. Atomové proudy je možné objednat pouze v určitých kovech nazývaných feromagnetika. Právě v nich se magnetické vlastnosti projevují velmi nápadně. Mnoho kovů, jako je měď a hliník, nevykazuje znatelné magnetické vlastnosti, například je nelze zmagnetizovat. Nejznámějším příkladem feromagnetika je železo. Jsou v něm oblasti, které jsou poměrně velké v porovnání s velikostí atomu (10 -6 -10 -4 cm) - domény, ve kterém jsou atomové proudy již přísně uspořádané. Samotné oblasti jsou náhodně umístěny ve vzájemném vztahu - kov není magnetizován. Umístěním do magnetického pole můžeme domény převést do uspořádaného stavu - zmagnetizovat kov a odstraněním vnějšího pole jeho magnetizaci zachováme. Během magnetizace domény s atomárními proudy orientovanými podél vnějšího pole rostou, zatímco jiné ubývají. Viděli jsme, že cívka s proudem v magnetickém poli se otáčí ampérovou silou tak, že její magnetické pole je zarovnáno s vnějším polem. Toto je rovnovážná poloha cívky, kterou se snaží zaujmout. Po vypnutí vnějšího pole je orientace atomových proudů zachována. Některé druhy oceli si magnetizaci udržují velmi stabilně – lze z nich vyrobit permanentní magnety. Jiné odrůdy se snadno přemagnetizují a jsou vhodné pro výrobu elektromagnetů. Pokud do solenoidu umístíte feromagnetickou tyč, pole v ní vytvořené se zvýší 10-20 tisíckrát.
Tím pádem, magnetické pole je vždy vytvářeno elektrickým proudem, neboli proudění vodičem, kdy se náboje pohybují na vzdálenosti mnohonásobně větší než atomové (takové proudy se nazývají makroskopický), nebo mikroskopický(atomové) proudy.
Magnetické pole Země. Jedním z prvních pozorování magnetického pole a jeho využití pro aplikované účely byl objev magnetického pole Země. Ve starověké Číně se k určení směru severu používala magnetická střelka (tyčový magnet), což se dělá i v moderních kompasech. Je zřejmé, že uvnitř Země existují určité proudy, které vedou ke vzniku malého (asi 10 -4 Tesla) magnetického pole. Pokud předpokládáme, že je spojena s rotací Země, existují v ní kruhové proudy kolem její osy a odpovídající magnetické pole (jako pole cívky) musí být orientováno uvnitř Země podél její osy rotace. Indukční čáry by měly vypadat jako na obrázku.
Je vidět, že severní magnetický pól Země se nachází poblíž jejího jižního geografického pólu. Indukční čáry jsou uzavřeny ve vnějším prostoru a blízko povrchu Země jsou orientovány podél geografických poledníků. Právě podél nich ve směru na sever je instalován severní konec magnetické střelky. Další důležitý jev je spojen s magnetickým polem Země. Velké množství elementárních částic přichází z vesmíru do zemské atmosféry, některé z nich jsou nabité. Magnetické pole působí jako bariéra pro jejich vstup do spodní atmosféry, kde mohou představovat nebezpečí. Uvážíme-li pohyb nabité částice v magnetickém poli pod vlivem Lorentzovy síly, viděli jsme, že se začíná pohybovat po šroubovici podél linie indukce magnetického pole. To se děje s nabitými částicemi v horních vrstvách atmosféry. Pohybují se podél linií, „jdou“ k pólům a vstupují do atmosféry poblíž geografických pólů. Když interagují s molekulami, dochází k záři (emise světla z atomů), která vytváří polární záře. Nejsou pozorovány v nepolárních zeměpisných šířkách.
Tangentní měřicí přístroje. Pro měření indukční hodnoty neznámého magnetického pole (například Země) je rozumné navrhnout způsob, jak toto pole porovnat s nějakým známým. Například s dlouhým dopředným proudovým polem. Tangentní metoda dává takový způsob srovnání. Předpokládejme, že chceme v určitém bodě změřit horizontální složku magnetického pole Země. Položme k němu dlouhý svislý drát tak, aby jeho střed byl blízko tohoto bodu a jeho délka byla mnohem větší než vzdálenost k němu (obrázek, pohled shora).
Pokud proud neproudí drátem, pak se magnetická střelka v pozorovacím bodě ustaví podél zemského pole (na obrázku - nahoru, podél E-W). Zvýšíme proud v drátu. Šipka se začíná odchylovat doleva. Protože se objeví aktuální pole B T, orientované na obrázku vodorovně. Celé pole směřuje podél úhlopříčky obdélníku, jak vyžaduje pravidlo pro sčítání vektorů V Z a V T. Když proud dosáhne určité hodnoty I 0, bude úhel svíraný šipkou roven 45 0. To znamená, že je splněna rovnost В З =В Т Ale známe pole В Т. Měřením x a I 0 pomocí ampérmetru můžete vypočítat V T, a tedy V Z. Metoda se nazývá tangens, protože je splněna podmínka.
Každý je již dlouho zvyklý na takový předmět, jako je magnet. Nevidíme na něm nic zvláštního. Většinou si jej spojujeme s hodinami fyziky nebo ukázkami v podobě triků vlastností magnetu pro předškoláky. A jen zřídka se někdo zamyslí nad tím, kolik magnetů nás obklopuje v každodenním životě. V každém bytě jich jsou desítky. Magnet je přítomen v každém reproduktoru, magnetofonu, elektrickém holícím strojku a hodinkách. I sklenice hřebíků je taková.
Co jiného?
My lidé nejsme výjimkou. Díky bioproukům proudícím v těle je kolem nás neviditelný vzorec jeho silových čar. Planeta Země je obrovský magnet. A ještě grandióznější je plazmová koule slunce. Pro lidskou mysl nepochopitelné rozměry galaxií a mlhovin jen zřídka umožňují myšlenku, že všechny tyto jsou také magnety.
Moderní věda vyžaduje vytvoření nových velkých a supervýkonných magnetů, jejichž oblasti použití souvisejí s termonukleární fúzí, generováním elektrické energie, urychlováním nabitých částic v synchrotronech a obnovou potopených lodí. Vytvoření supersilného pole pomocí je jedním z úkolů moderní fyziky.
Pojďme si ujasnit pojmy
Magnetické pole je síla působící na nabitá tělesa, která jsou v pohybu. Se stacionárními předměty (nebo bez náboje) „nepracuje“ a slouží jako jedna z forem elektromagnetického pole, které existuje jako obecnější pojem.
Pokud tělesa dokážou kolem sebe vytvořit magnetické pole a sami zažijí sílu jeho vlivu, nazývají se magnety. To znamená, že tyto objekty jsou zmagnetizovány (mají odpovídající moment).
Různé materiály reagují na vnější pole různě. Ty, které vnitřně oslabují jeho působení, se nazývají paramagnety a ty, které jej posilují, se nazývají diamagnetika. Některé materiály mají schopnost tisíckrát zesílit své vnější magnetické pole. Jedná se o feromagnetika (kobalt, nikl se železem, gadolinium, dále sloučeniny a slitiny zmíněných kovů). Ty z nich, které při vystavení silnému vnějšímu poli samy získávají magnetické vlastnosti, se nazývají tvrdé magnetické. Jiné, schopné chovat se jako magnety pouze pod přímým vlivem pole a přestat být takové, když pole zmizí, jsou měkké magnetické.
Trochu historie
Lidé zkoumali vlastnosti permanentních magnetů již od pradávna. Jsou zmíněny v dílech vědců starověkého Řecka již 600 let před naším letopočtem. Přírodní (přirozeně se vyskytující) magnety lze nalézt v magnetických ložiskách rud. Nejznámější z velkých přírodních magnetů je uložen na univerzitě v Tartu. Váží 13 kilogramů a náklad, který lze s jeho pomocí zvednout, je 40 kg.
Lidstvo se naučilo vytvářet umělé magnety pomocí různých feromagnetik. Hodnota práškových (z kobaltu, železa atd.) spočívá ve schopnosti udržet zátěž o hmotnosti 5000násobku její vlastní hmotnosti. Umělé vzorky mohou být trvalé (získané z nebo elektromagnety mající jádro, jehož materiálem je měkké magnetické železo. Napěťové pole v nich vzniká průchodem elektrického proudu vodiči vinutí, které jádro obklopuje.
První seriózní knihou obsahující pokusy o vědecké studium vlastností magnetu je práce londýnského lékaře Gilberta, vydaná v roce 1600. Tato práce obsahuje celý soubor tehdy dostupných informací týkajících se magnetismu a elektřiny a také autorovy experimenty.
Člověk se snaží jakýkoli z existujících jevů přizpůsobit praktickému životu. Magnet samozřejmě nebyl výjimkou.
Jak se magnety používají?
Jaké vlastnosti magnetů lidstvo přijalo? Jeho rozsah použití je tak široký, že máme příležitost se jen krátce dotknout hlavních, nejznámějších zařízení a oblastí použití tohoto nádherného předmětu.
Kompas je známé zařízení pro určování směru na zemi. Díky ní jsou položeny trasy pro letadla a lodě, pozemní dopravu a pěší dopravu. Tato zařízení mohou být magnetická (typ ukazovátka), používaná turisty a topografy, nebo nemagnetická (rádiové a hydrokompasy).
První kompasy byly vyrobeny v 11. století a používaly se při navigaci. Jejich působení je založeno na volné rotaci v horizontální rovině dlouhé jehly z magnetického materiálu, vyvážené na ose. Jeden její konec vždy směřuje na jih, druhý - na sever. Tímto způsobem můžete vždy přesně zjistit hlavní směry týkající se světových stran.
Hlavní oblasti
Oblasti, kde vlastnosti magnetů našly své hlavní uplatnění, jsou rádio a elektrotechnika, výroba přístrojů, automatizace a telemechanika. Vyrábějí se z něj relé, magnetické obvody atd. V roce 1820 byla objevena vlastnost vodiče s proudem ovlivňovat jehlu magnetu a nutit ji k otáčení. Zároveň byl učiněn další objev - dvojice paralelních vodičů, kterými prochází proud stejného směru, má vlastnost vzájemné přitažlivosti.
Díky tomu byl učiněn předpoklad o důvodu vlastností magnetu. Všechny tyto jevy vznikají v souvislosti s proudy, včetně těch, které cirkulují uvnitř magnetických materiálů. Moderní myšlenky ve vědě se s tímto předpokladem zcela shodují.
O motorech a generátorech
Na jeho základě bylo vytvořeno mnoho druhů elektromotorů a elektrických generátorů, to znamená strojů rotačního typu, jejichž princip činnosti je založen na přeměně mechanické energie na elektrickou energii (mluvíme o generátorech) nebo elektrickou energii. na mechanickou energii (mluvíme o motorech). Jakýkoli generátor pracuje na principu elektromagnetické indukce, to znamená, že EMF (elektromotorická síla) se vyskytuje v drátu, který se pohybuje v magnetickém poli. Elektrický motor funguje na základě jevu síly vznikající v drátu vedoucím proud umístěným v příčném poli.
Pomocí síly interakce pole s proudem, který prochází závity vinutí jejich pohyblivých částí, pracují zařízení nazývaná magnetoelektrická. Indukční elektroměr funguje jako nový výkonný střídavý elektromotor se dvěma vinutími. Vodivý kotouč umístěný mezi vinutími se otáčí kroutícím momentem, jehož síla je úměrná spotřebě energie.
A co v běžném životě?
Elektrické náramkové hodinky vybavené miniaturní baterií zná každý. Díky použití dvojice magnetů, dvojice induktorů a tranzistoru je jejich konstrukce co do počtu dostupných dílů mnohem jednodušší než u mechanických hodinek.
Stále častěji se používají zámky elektromagnetického typu nebo cylindrické zámky vybavené magnetickými prvky. Klíč i zámek jsou vybaveny kombinačním číselníkem. Po vložení správného klíče do otvoru zámku jsou vnitřní prvky magnetického zámku přitahovány do požadované polohy, což umožňuje jeho otevření.
Působení magnetů je základem pro konstrukci dynamometrů a galvanometrů (vysoce citlivý přístroj, kterým se měří slabé proudy). Vlastnosti magnetů se využívají při výrobě brusiva. Tak se nazývají ostré, malé a velmi tvrdé částice, které jsou potřebné pro mechanické zpracování (broušení, leštění, škrábání) široké škály předmětů a materiálů. Při jejich výrobě se ferosilicium potřebné jako součást směsi částečně usazuje na dně pecí a je částečně zabudováno do abrazivní kompozice. K jeho odstranění jsou potřeba magnety.
Věda a komunikace
Díky magnetickým vlastnostem látek má věda možnost studovat stavbu nejrůznějších těles. Zmínit můžeme pouze magnetochemii nebo (metoda zjišťování vad studiem zkreslení magnetického pole v určitých oblastech výrobků).
Používají se také při výrobě zařízení pro ultravysoký frekvenční rozsah, radiokomunikačních systémů (pro vojenské účely i na komerčních linkách), pro tepelné zpracování jak v domácnosti, tak v potravinářském průmyslu (mikrovlnné trouby zná každý). Je téměř nemožné v rámci jednoho článku vyjmenovat všechna ta vysoce složitá technická zařízení a oblasti použití, kde se dnes magnetické vlastnosti látek využívají.
Lékařský obor
Výjimkou nebyl ani obor diagnostika a léčebná terapie. Díky elektronovým lineárním urychlovačům generujícím rentgenové záření se nádorová terapie generuje v cyklotronech nebo synchrotronech, které mají oproti rentgenovému záření výhody v lokální směrovosti a zvýšené účinnosti při léčbě nádorů oka a mozku.
Pokud jde o biologickou vědu, ještě před polovinou minulého století nebyly životní funkce těla nijak spojeny s existencí magnetických polí. Vědecká literatura byla občas doplňována ojedinělými zprávami o jednom nebo druhém z jejich lékařských účinků. Od šedesátých let se však publikace o biologických vlastnostech magnetů hrnuly jako lavina.
Dříve a nyní
Pokusy léčit s ním lidi však dělali alchymisté již v 16. století. Došlo k mnoha úspěšným pokusům vyléčit bolesti zubů, nervové poruchy, nespavost a mnoho problémů s vnitřními orgány. Zdá se, že magnet našel své využití v lékařství nejpozději v navigaci.
Během posledního půlstoletí se hojně využívaly magnetické náramky, oblíbené mezi pacienty s poruchou krevního tlaku. Vědci vážně věřili ve schopnost magnetu zvýšit odolnost lidského těla. Pomocí elektromagnetických přístrojů se naučili měřit rychlost průtoku krve, odebírat vzorky nebo podávat potřebné léky z kapslí.
K odstranění malých kovových částeček, které se dostanou do oka, se používá magnet. Práce elektrických senzorů je založena na jeho působení (každý z nás zná postup při pořizování elektrokardiogramu). Spolupráce mezi fyziky a biology při studiu hlubokých mechanismů vlivu magnetického pole na lidský organismus je v dnešní době stále těsnější a potřebnější.
Neodymový magnet: vlastnosti a použití
Neodymové magnety jsou považovány za největší vliv na lidské zdraví. Skládají se z neodymu, železa a boru. Jejich chemický vzorec je NdFeB. Hlavní výhodou takového magnetu je silný dopad jeho pole při relativně malé velikosti. Hmotnost magnetu o síle 200 gaussů je tedy asi 1 g. Pro srovnání, železný magnet stejné síly má hmotnost přibližně 10krát větší.
Další nepochybnou výhodou zmíněných magnetů je jejich dobrá stabilita a schopnost uchovat si potřebné kvality po stovky let. V průběhu století ztratí magnet své vlastnosti pouze o 1 %.
Jak přesně jsou neodymové magnety ošetřeny?
S jeho pomocí zlepšují krevní oběh, stabilizují krevní tlak, bojují s migrénami.
Vlastnosti neodymových magnetů se k léčbě začaly využívat zhruba před 2000 lety. Zmínky o tomto typu terapie se nacházejí v rukopisech starověké Číny. Poté byly ošetřeny přikládáním magnetizovaných kamenů na lidské tělo.
Terapie existovala i v podobě jejich přikládání k tělu. Legenda tvrdí, že Kleopatra vděčila za své vynikající zdraví a nadpozemskou krásu neustálému nošení magnetického obvazu na hlavě. V 10. století perští vědci podrobně popsali příznivé účinky vlastností neodymových magnetů na lidský organismus v případě odstranění zánětů a svalových křečí. Na základě dochovaných důkazů z té doby lze soudit o jejich použití ke zvýšení svalové síly, pevnosti kostí a snížení bolesti kloubů.
Od všech nemocí...
Důkaz o účinnosti tohoto účinku publikoval v roce 1530 slavný švýcarský lékař Paracelsus. Doktor ve svých spisech popsal magické vlastnosti magnetu, který může stimulovat síly těla a způsobit samoléčení. Velké množství nemocí v té době začalo být překonáno pomocí magnetu.
Samoléčba tímto prostředkem se ve Spojených státech rozšířila v poválečných letech (1861-1865), kdy byl kategorický nedostatek léků. Používal se jako lék i jako prostředek proti bolesti.
Od 20. století jsou léčivé vlastnosti magnetů vědecky podloženy. V roce 1976 japonský lékař Nikagawa představil koncept syndromu nedostatku magnetického pole. Výzkum prokázal jeho přesné příznaky. Zahrnují slabost, únavu, sníženou výkonnost a poruchy spánku. Objevují se také migrény, bolesti kloubů a páteře, problémy s trávicím a kardiovaskulárním systémem v podobě hypotenze či hypertenze. Syndrom se týká jak oboru gynekologie, tak kožních změn. Použití magnetoterapie může tyto stavy celkem úspěšně normalizovat.
Věda nestojí na místě
Vědci pokračují v experimentech s magnetickými poli. Experimenty se provádějí jak na zvířatech a ptácích, tak na bakteriích. Podmínky oslabeného magnetického pole snižují úspěšnost metabolických procesů u pokusných ptáků a myší se bakterie náhle přestanou množit. Při dlouhodobém nedostatku pole procházejí živé tkáně nevratnými změnami.
Právě k boji proti všem takovým jevům a četným negativním důsledkům jimi způsobeným se využívá magnetoterapie jako taková. Zdá se, že v současnosti nejsou všechny užitečné vlastnosti magnetů ještě dostatečně prozkoumány. Lékaři mají před sebou mnoho zajímavých objevů a novinek.
Prameny konstantní magnetická pole (PMF) na pracovištích jsou permanentní magnety, elektromagnety, silnoproudé stejnosměrné systémy (stejnosměrné přenosové vedení, elektrolytové lázně atd.).
Permanentní magnety a elektromagnety jsou široce používány v přístrojovém vybavení, v magnetických pračkách jeřábů, v magnetických separátorech, v zařízeních pro magnetickou úpravu vody, v magnetohydrodynamických generátorech (MHD), nukleární magnetické rezonanci (NMR) a elektronově paramagnetické rezonanci (EPR), as i ve fyzioterapeutické praxi.
Hlavní fyzikální parametry charakterizující PMP jsou síla pole (N), magnetický tok (F) a magnetická indukce (V). Jednotkou SI pro intenzitu magnetického pole je ampér na metr (A/m), magnetický tok - Weber (Wb ), hustota magnetického toku (magnetická indukce) - Tesla (T ).
Byly identifikovány změny zdravotního stavu osob pracujících se zdroji PMF. Nejčastěji se tyto změny projevují formou vegetativní dystonie, asthenovegetativního a periferního vazovegetativního syndromu nebo jejich kombinací.
Podle platné normy u nás („Maximální přípustné úrovně expozice konstantním magnetickým polím při práci s magnetickými zařízeními a magnetickými materiály“ č. 1742-77) by napětí PMF na pracovištích nemělo překročit 8 kA/m (10 mT ). Přípustné úrovně PMF doporučené Mezinárodním výborem pro neionizující záření (1991) jsou rozlišeny podle populace, místa expozice a doby práce. Pro profesionály: 0,2 T - s celodenní expozicí (8 hodin); 2 T - s krátkodobým vystavením tělu; 5 T - při krátkodobé expozici rukou. Pro populaci by úroveň trvalé expozice PMF neměla překročit 0,01 T.
Radiofrekvenční zdroje EMR jsou široce používány v celé řadě odvětví národního hospodářství. Používají se k přenosu informací na dálku (rozhlasové vysílání, radiotelefonní komunikace, televize, radar atd.). V průmyslu se rádiové vlny EMR používají pro indukční a dielektrický ohřev materiálů (kalení, tavení, pájení, svařování, nástřik kovů, ohřev vnitřních kovových částí elektrických vakuových zařízení při čerpání, sušení dřeva, ohřev plastů, lepení plastových směsí, teplo ošetření potravinářských výrobků atd.) . EMR je široce používáno ve vědeckém výzkumu (radiová spektroskopie, radioastronomie) a medicíně (fyzioterapie, chirurgie, onkologie). V některých případech se EMI vyskytuje jako vedlejší nevyužitý faktor, například v blízkosti venkovních elektrických vedení (OHT), transformátorových rozvoden, elektrických spotřebičů včetně domácích. Hlavními zdroji RF EMF záření do okolí jsou anténní systémy radarových stanic, rozhlasové a televizní stanice včetně mobilních radiokomunikačních systémů a nadzemní elektrické vedení.
Lidské a zvířecí tělo je velmi citlivé na účinky RF EMF.
Mezi kritické orgány a systémy patří: centrální nervový systém, oči, pohlavní žlázy a podle některých autorů také hematopoetický systém. Biologický účinek těchto záření závisí na vlnové délce (resp. frekvenci záření), generačním režimu (kontinuální, pulzní) a podmínkách expozice organismu (kontinuální, přerušovaná; celková, místní; intenzita; trvání). Je třeba poznamenat, že biologická aktivita klesá s rostoucí vlnovou délkou (nebo klesající frekvencí) záření. Nejaktivnější jsou centi-, deci a metrové rozsahy rádiových vln. Léze způsobené RF EMR mohou být akutní nebo chronické. Akutní vznikají pod vlivem výrazných intenzit tepelného záření. Vyskytují se extrémně zřídka - v případě nehod nebo hrubého porušení bezpečnostních předpisů na radaru. Pro profesionální stavy jsou typičtější chronické léze, které jsou obvykle detekovány po několika letech práce s mikrovlnnými zdroji EMR.
Hlavní regulační dokumenty upravující přípustné úrovně vystavení RF EMR jsou: GOST 12.1.006 - 84 „SSBT. Elektromagnetická pole rádiových frekvencí.
Přípustné úrovně" a SanPiN 2.2.4/2.1.8.055-96 "Elektromagnetické záření v oblasti rádiových frekvencí." Standardizují energetickou expozici (EE) pro elektrická (E) a magnetická (H) pole a také hustotu energetického toku (EF) pro pracovní den (tabulka 5.11).
Tabulka 5.11.
Maximální přípustné úrovně (MAL) za pracovní den pro pracovníky
S EMR RF
| Parametr | Frekvenční rozsahy, MHz | ||||
| název | Jednotka | 0,003-3 | 3-30 | 30-300 | 300-300000 |
| EE E | (V/m) 2*h | - | |||
| uh n | (A/m) 2*h | - | - | - | |
| ppe | (μW/cm 2)* h | - | - | - |
Pro celou populaci s nepřetržitou expozicí byly stanoveny následující MLR pro intenzitu elektrického pole, V/m:
Frekvenční rozsah MHz
0,03-0,30........................................................... 25
0,3-3,0.............................................................. 15
3-30.................................................................. 10
30-300............................................................... 3*
300-300000...................................................... 10
* S výjimkou televizních stanic, jejichž dálkové ovladače se rozlišují podle
v závislosti na frekvenci od 2,5 do 5 V/m.
Zařízení pracující v rozsahu rádiových frekvencí zahrnují video displeje terminálů osobních počítačů. V dnešní době jsou osobní počítače (PC) široce používány ve výrobě, ve vědeckém výzkumu, ve zdravotnických zařízeních, v každodenním životě, na univerzitách, školách a dokonce i v mateřských školách. Při použití ve výrobě mohou PC v závislosti na technologických úkolech působit na lidský organismus dlouhodobě (v rámci pracovního dne). V každodenním životě je čas, kdy používáte PC, zcela nekontrolovatelný.
Pro PC video terminály (VDT) jsou instalovány následující EMI PDU (SanPiN 2.2.2.542-96 „Hygienické požadavky na video terminály, osobní elektronické počítače a organizaci práce“) - tabulka. 5.12.
Tabulka 5.12. Maximální přípustné úrovně EMR generované RCCB
Magnetické pole a jeho vlastnosti
Osnova přednášky:
Magnetické pole, jeho vlastnosti a charakteristiky.
Magnetické pole- forma existence hmoty obklopující pohybující se elektrické náboje (vodiče s proudem, permanentní magnety).
Tento název je způsoben tím, že, jak zjistil v roce 1820 dánský fyzik Hans Oersted, má orientační účinek na magnetickou střelku. Oerstedův experiment: magnetická jehla byla umístěna pod drátem s proudem, otáčejícím se na jehle. Když byl proud zapnut, byl instalován kolmo k drátu; když se změnil směr proudu, otočil se opačným směrem.
Základní vlastnosti magnetického pole:
generované pohybujícími se elektrickými náboji, vodiči s proudem, permanentními magnety a střídavým elektrickým polem;
působí silou na pohybující se elektrické náboje, vodiče s proudem a magnetizovaná tělesa;
střídavé magnetické pole vytváří střídavé elektrické pole.
Z Oerstedovy zkušenosti vyplývá, že magnetické pole je směrové a musí mít vektorovou silovou charakteristiku. Označuje se a nazývá se magnetická indukce.
Magnetické pole je znázorněno graficky pomocí magnetických siločar nebo magnetických indukčních čar. Magnetická síla linky Jsou to linie, podél kterých se v magnetickém poli nacházejí železné piliny nebo osy malých magnetických jehel. V každém bodě takové přímky směřuje vektor podél tečny.
Magnetické indukční čáry jsou vždy uzavřené, což naznačuje nepřítomnost magnetických nábojů v přírodě a vírový charakter magnetického pole.
Obvykle opouštějí severní pól magnetu a vstupují na jižní. Hustota čar se volí tak, aby počet čar na jednotku plochy kolmých k magnetickému poli byl úměrný velikosti magnetické indukce.
N 
Magnetický solenoid s proudem
Směr čar je určen správným šroubovým pravidlem. Solenoid je cívka s proudem, jejíž závity jsou umístěny blízko sebe a průměr závitu je mnohem menší než délka cívky.
Magnetické pole uvnitř solenoidu je rovnoměrné. Magnetické pole se nazývá rovnoměrné, pokud je vektor konstantní v libovolném bodě.
Magnetické pole solenoidu je podobné magnetickému poli tyčového magnetu.
S 
Solenoid s proudem je elektromagnet.
Zkušenosti ukazují, že pro magnetické pole, stejně jako pro elektrické pole, princip superpozice: indukce magnetického pole vytvořeného několika proudy nebo pohybujícími se náboji se rovná vektorovému součtu indukce magnetických polí vytvořených každým proudem nebo nábojem:
Vektor se zadává jedním ze 3 způsobů:
a) z Amperova zákona;
b) účinkem magnetického pole na rám s proudem;
c) z výrazu pro Lorentzovu sílu.
A 
Mpper experimentálně zjistil, že síla, kterou magnetické pole působí na prvek vodiče s proudem I umístěný v magnetickém poli, je přímo úměrná síle
proud I a vektorový součin prvku délky a magnetické indukce:
- Amperův zákon
N 
Směr vektoru lze zjistit podle obecných pravidel vektorového součinu, ze kterého vyplývá pravidlo levé ruky: pokud je dlaň levé ruky umístěna tak, že do ní vstupují magnetické siločáry, a 4 vytažené prsty směřují podél proudu, pak ohnutý palec ukáže směr síly.
Sílu působící na drát konečné délky lze zjistit integrací po celé délce.
Když I = konst, B = konst, F = BIlsin
Pokud =90 0, F = BIl
Indukce magnetického pole- vektorová fyzikální veličina, číselně rovna síle působící v rovnoměrném magnetickém poli na vodič jednotkové délky s jednotkovým proudem, umístěný kolmo na magnetické siločáry.
1T je indukce rovnoměrného magnetického pole, při kterém působí síla 1N na vodič o délce 1m s proudem 1A, umístěný kolmo na magnetické siločáry.
Dosud jsme uvažovali makroproudy tekoucí ve vodičích. Podle Amperova předpokladu však v každém tělese existují mikroskopické proudy způsobené pohybem elektronů v atomech. Tyto mikroskopické molekulární proudy vytvářejí své vlastní magnetické pole a mohou se otáčet v polích makroproudů, čímž vytvářejí v těle další magnetické pole. Vektor charakterizuje výsledné magnetické pole vytvořené všemi makro- a mikroproudy, tzn. při stejném makroproudu má vektor v různých prostředích různé hodnoty.
Magnetické pole makroproudů je popsáno vektorem magnetické intenzity.
Pro homogenní izotropní prostředí
0 = 410 -7 H/m - magnetická konstanta, 0 = 410 -7 N/A 2,
je magnetická permeabilita média, která ukazuje, kolikrát se magnetické pole makroproudů změní vlivem pole mikroproudů média.
Magnetický tok. Gaussova věta pro magnetický tok.
Vektorový tok(magnetický tok) platformou dS nazývá se skalární veličina rovna
kde je projekce na směr normály k místu;
- úhel mezi vektory a.
Směrový plošný prvek,
Vektorový tok je algebraická veličina,
Li 
- při opuštění povrchu;
Li 
- při vstupu na povrch.
Tok vektoru magnetické indukce libovolnou plochou S je roven
Pro rovnoměrné magnetické pole = konst,
1 Wb - magnetický tok procházející plochým povrchem o ploše 1 m 2 umístěným kolmo k rovnoměrnému magnetickému poli, jehož indukce je 1 T.
Magnetický tok povrchem S je číselně roven počtu magnetických siločar protínajících tento povrch.
Protože magnetické indukční čáry jsou vždy uzavřené, pro uzavřený povrch je počet čar vstupujících do povrchu (Ф 0), proto je celkový tok magnetické indukce uzavřeným povrchem nulový.
- Gaussova věta: Tok vektoru magnetické indukce jakýmkoli uzavřeným povrchem je nulový.
Tato věta je matematickým vyjádřením skutečnosti, že v přírodě neexistují žádné magnetické náboje, na kterých by začínaly nebo končily magnetické indukční čáry.
Biot-Savart-Laplaceův zákon a jeho aplikace na výpočet magnetických polí.
Magnetické pole stejnosměrných proudů různých tvarů podrobně studoval Fr. vědci Biot a Savard. Zjistili, že ve všech případech je magnetická indukce v libovolném bodě úměrná síle proudu a závisí na tvaru, velikosti vodiče, umístění tohoto bodu ve vztahu k vodiči a na prostředí.
Výsledky těchto experimentů shrnul Fr. matematik Laplace, který vzal v úvahu vektorovou povahu magnetické indukce a vyslovil hypotézu, že indukce v každém bodě je podle principu superpozice vektorovým součtem indukcí elementárních magnetických polí vytvořených každým úsekem tohoto vodiče.
Laplace formuloval v roce 1820 zákon, který se nazýval Biot-Savart-Laplaceův zákon: každý prvek vodiče s proudem vytváří magnetické pole, jehož indukční vektor v nějakém libovolném bodě K je určen vzorcem:
- Biot-Savart-Laplaceův zákon.
Z Biot-Sauvar-Laplaceova zákona vyplývá, že směr vektoru se shoduje se směrem vektorového součinu. Stejný směr udává pravidlo pravého šroubu (gimletu).
Vezmeme-li v úvahu, že,
Vodivý prvek společně s proudem;
Vektor poloměru připojení k bodu K;
Biot-Savart-Laplaceův zákon má praktický význam, protože umožňuje najít v daném bodě prostoru indukci magnetického pole proudu protékajícího vodičem konečných rozměrů a libovolného tvaru.
Pro proud libovolného tvaru je takový výpočet složitým matematickým problémem. Pokud má však rozložení proudu určitou symetrii, pak aplikace principu superpozice spolu s Biot-Savart-Laplaceovým zákonem umožňuje poměrně jednoduše vypočítat specifická magnetická pole.
Podívejme se na několik příkladů.
A. Magnetické pole přímého vodiče, kterým prochází proud.
pro vodič konečné délky:
pro vodič nekonečné délky: 1 = 0, 2 =
B. Magnetické pole ve středu kruhového proudu:
=90 0 , sin=1,
Oersted v roce 1820 experimentálně objevil, že cirkulace v uzavřené smyčce obklopující systém makroproudů je úměrná algebraickému součtu těchto proudů. Koeficient úměrnosti závisí na volbě soustavy jednotek a v SI je roven 1.
C 
Cirkulace vektoru se nazývá integrál s uzavřenou smyčkou.
Tento vzorec se nazývá cirkulační věta nebo zákon totálního proudu:
cirkulace vektoru intenzity magnetického pole podél libovolného uzavřeného obvodu se rovná algebraickému součtu makroproudů (nebo celkového proudu) pokrytých tímto obvodem. jeho vlastnosti V prostoru obklopujícím proudy a permanentní magnety vzniká síla pole, volal magnetický. Dostupnost magnetický pole je odhaleno...
O skutečné struktuře elektromagnetického pole A jeho vlastnostišíření ve formě rovinných vln.
Článek >> FyzikaO SKUTEČNÉ STRUKTUŘE ELEKTROMAGNETICKÉ POLE A JEHO CHARAKTERISTIKAŠÍŘENÍ V PODOBĚ ROVINNÝCH VLN... další složky singlu pole: elektromagnetické pole s vektorovými komponentami a elektrickými pole s komponenty a magnetický pole s komponenty...
Magnetický pole, obvody a indukce
Abstrakt >> Fyzika... pole). Základní charakteristický magnetický pole je jeho síla určená vektorem magnetický indukce (indukční vektor magnetický pole). V SI magnetický... mít magnetický moment. Magnetický pole A jeho Parametry Směr magnetický linky a...
Magnetický pole (2)
Abstrakt >> FyzikaÚsek vodiče AB s proudem v magnetický pole kolmý jeho magnetický linky. Když je zobrazeno na obrázku... hodnota závisí pouze na magnetický pole a může sloužit jeho kvantitativní charakteristický. Tato hodnota je akceptována...
Magnetický materiály (2)
Abstrakt >> EkonomikaMateriály, které přicházejí do styku magnetický pole, vyjádřen v jeho změna, stejně jako v jiných... a po ukončení expozice magnetický pole.1. Základní vlastnosti magnetický materiályMagnetické vlastnosti materiálů se vyznačují...
Spolu s kusy jantaru elektrifikovanými třením byly permanentní magnety pro starověké lidi prvním hmotným důkazem elektromagnetických jevů (blesky na úsvitu dějin byly definitivně připisovány sféře projevu nehmotných sil). Vysvětlování podstaty feromagnetismu vždy zaměstnávalo zvídavé hlavy vědců, nicméně ani nyní nebyla fyzikální podstata permanentní magnetizace některých látek, jak přírodních, tak uměle vytvořených, dosud plně odhalena, což ponechává značné pole působnosti pro moderní a budoucí výzkumníci.
Tradiční materiály pro permanentní magnety
V průmyslu se aktivně používají od roku 1940 s příchodem slitiny alnico (AlNiCo). Dříve se permanentní magnety z různých druhů oceli používaly pouze v kompasech a magnetech. Alnico umožnilo nahradit jimi elektromagnety a použít je v zařízeních, jako jsou motory, generátory a reproduktory.
Tento průnik do našeho každodenního života dostal nový impuls s vytvořením feritových magnetů a od té doby se permanentní magnety staly běžnou záležitostí.
Revoluce v magnetických materiálech začala kolem roku 1970 vytvořením samarium-kobaltové rodiny tvrdých magnetických materiálů s dříve neslýchanými hustotami magnetické energie. Poté byla objevena nová generace magnetů vzácných zemin na bázi neodymu, železa a boru s mnohem vyšší hustotou magnetické energie než samarium kobalt (SmCo) a za očekávaně nízkou cenu. Tyto dvě rodiny magnetů vzácných zemin mají tak vysokou hustotu energie, že mohou nejen nahradit elektromagnety, ale mohou být použity v oblastech, které jsou pro ně nepřístupné. Příklady zahrnují malý krokový motor s permanentním magnetem v náramkových hodinkách a zvukové měniče ve sluchátkách typu Walkman.
Postupné zlepšování magnetických vlastností materiálů ukazuje schéma níže.
Neodymové permanentní magnety
Představují nejnovější a nejvýznamnější vývoj v této oblasti za poslední desetiletí. Jejich objev byl poprvé oznámen téměř současně na konci roku 1983 specialisty na kov ze Sumitomo a General Motors. Jsou založeny na intermetalické sloučenině NdFeB: slitina neodymu, železa a boru. Z nich neodym je prvek vzácných zemin extrahovaný z minerálu monazitu.
Obrovský zájem, který tyto permanentní magnety vyvolaly, vzniká proto, že poprvé byl vyroben nový magnetický materiál, který je nejen pevnější než předchozí generace, ale je i ekonomičtější. Skládá se především ze železa, které je mnohem levnější než kobalt, a neodymu, který je jedním z nejběžnějších materiálů vzácných zemin a má na Zemi větší zásoby než olovo. Hlavní minerály vzácných zemin monazit a bastanesit obsahují pětkrát až desetkrát více neodymu než samarium.
Fyzikální mechanismus permanentní magnetizace
Abychom vysvětlili fungování permanentního magnetu, musíme se podívat do jeho nitra až po atomovou stupnici. Každý atom má sadu spinů svých elektronů, které dohromady tvoří jeho magnetický moment. Pro naše účely můžeme každý atom považovat za malý tyčový magnet. Při demagnetizaci permanentního magnetu (buď jeho zahřátím na vysokou teplotu nebo vnějším magnetickým polem) je každý atomový moment orientován náhodně (viz obrázek níže) a není pozorována žádná pravidelnost.
Když je magnetizován v silném magnetickém poli, všechny atomové momenty jsou orientovány ve směru pole a jakoby vzájemně propojeny (viz obrázek níže). Tato vazba umožňuje udržení pole permanentního magnetu, když je vnější pole odstraněno, a také odolává demagnetizaci při změně jeho směru. Mírou kohezní síly atomových momentů je velikost koercitivní síly magnetu. Více o tom později.
Při podrobnějším představení magnetizačního mechanismu se nepracuje s koncepty atomových momentů, ale využívá představy o miniaturních (řádově 0,001 cm) oblastech uvnitř magnetu, které mají zpočátku permanentní magnetizaci, ale jsou náhodně orientovaný v nepřítomnosti vnějšího pole, takže přísný čtenář, je-li to žádoucí, může přiřadit výše uvedené fyzikální Mechanismus nesouvisí s magnetem jako celkem. ale do své samostatné domény.
Indukce a magnetizace
Atomové momenty se sečtou a tvoří magnetický moment celého permanentního magnetu a jeho magnetizace M ukazuje velikost tohoto momentu na jednotku objemu. Magnetická indukce B ukazuje, že permanentní magnet je výsledkem vnější magnetické síly (síla pole) H působící během primární magnetizace, stejně jako vnitřní magnetizace M v důsledku orientace atomových (nebo doménových) momentů. Jeho hodnota v obecném případě je dána vzorcem:
B = u 0 (H + M),
kde µ 0 je konstanta.
V permanentním prstenci a homogenním magnetu je síla pole H uvnitř (v nepřítomnosti vnějšího pole) rovna nule, protože podle zákona o celkovém proudu je jeho integrál podél libovolného kruhu uvnitř takového prstencového jádra. je rovný:
H∙2πR = iw=0, odkud H=0.
Proto magnetizace v prstencovém magnetu je:
V otevřeném magnetu, například ve stejném prstencovém magnetu, ale se vzduchovou mezerou šířky l v jádru délky l šedé, při absenci vnějšího pole a stejné indukci B uvnitř jádra a v mezeře, podle zákona celkového proudu získáme:
H ser l ser + (1/ u 0) Bl zaz = iw=0.
Protože B = µ 0 (H ser + M ser), pak dosazením jeho výrazu do předchozího dostaneme:
H ser (l ser + l zaz) + M ser l zaz =0,
H ser = ─ M ser l zaz (l ser + l zaz).
Ve vzduchové mezeře:
Hzaz = B/µ 0,
kde B je určeno daným M ser a nalezeným H ser.
Magnetizační křivka
Počínaje nemagnetizovaným stavem, kdy se H zvyšuje od nuly, v důsledku orientace všech atomových momentů ve směru vnějšího pole, M a B rychle rostou a mění se podél části „a“ hlavní magnetizační křivky (viz obrázek níže) .
Když jsou všechny atomové momenty vyrovnány, M dosáhne své saturační hodnoty a k dalšímu nárůstu B dochází pouze v důsledku aplikovaného pole (část b hlavní křivky na obrázku níže). Když se vnější pole sníží na nulu, indukce B se nezmenší podél původní dráhy, ale podél úseku „c“ v důsledku spojení atomových momentů, což má tendenci udržovat je ve stejném směru. Magnetizační křivka začíná popisovat tzv. hysterezní smyčku. Když se H (vnější pole) blíží nule, indukce se blíží zbytkové hodnotě určené pouze atomovými momenty:
Br = μo (0 + M g).
Po změně směru H působí H a M v opačných směrech a B klesá (část křivky „d“ na obrázku). Hodnota pole, při které B klesá k nule, se nazývá koercitivní síla magnetu B H C . Když je velikost aplikovaného pole dostatečně velká, aby narušila soudržnost atomových momentů, jsou orientovány v novém směru pole a směr M se obrátí. Hodnota pole, při které k tomu dochází, se nazývá vnitřní koercitivní síla permanentního magnetu M H C . Takže existují dvě různé, ale související donucovací síly spojené s permanentním magnetem.
Níže uvedený obrázek ukazuje základní demagnetizační křivky různých materiálů pro permanentní magnety.
Je z ní vidět, že NdFeB magnety mají nejvyšší zbytkovou indukci B r a koercitivní sílu (celkovou i vnitřní, tj. určenou bez zohlednění síly H, pouze magnetizací M).
Povrchové (ampérové) proudy
Magnetická pole permanentních magnetů lze považovat za pole některých přidružených proudů protékajících jejich povrchy. Tyto proudy se nazývají ampérové proudy. V obvyklém smyslu slova uvnitř permanentních magnetů nejsou žádné proudy. Francouzský fyzik Ampere však při srovnání magnetických polí permanentních magnetů a polí proudů v cívkách navrhl, že magnetizaci látky lze vysvětlit tokem mikroskopických proudů, tvořících mikroskopické uzavřené obvody. A skutečně, analogie mezi polem solenoidu a dlouhým válcovým magnetem je téměř úplná: existuje severní a jižní pól permanentního magnetu a stejné póly solenoidu a vzory siločar jejich polí jsou také velmi podobné (viz obrázek níže).
Jsou uvnitř magnetu proudy?
Představme si, že celý objem tyčového permanentního magnetu (s libovolným tvarem průřezu) je vyplněn mikroskopickými ampérovými proudy. Průřez magnetem s takovými proudy je znázorněn na obrázku níže.
Každý z nich má magnetický moment. Při stejné orientaci ve směru vnějšího pole tvoří výsledný magnetický moment, který je odlišný od nuly. Určuje existenci magnetického pole při zjevné nepřítomnosti uspořádaného pohybu nábojů, při nepřítomnosti proudu jakýmkoli průřezem magnetu. Je také snadné pochopit, že uvnitř jsou kompenzovány proudy sousedních (kontaktních) obvodů. Nekompenzované jsou pouze proudy na povrchu těla, které tvoří povrchový proud permanentního magnetu. Jeho hustota se rovná magnetizaci M.
Jak se zbavit pohyblivých kontaktů
Problém vytvoření bezkontaktního synchronního stroje je známý. Jeho tradiční konstrukce s elektromagnetickým buzením z pólů rotoru s cívkami spočívá v přivádění proudu k nim přes pohyblivé kontakty - sběrací kroužky s kartáčky. Nevýhody takového technického řešení jsou dobře známé: jsou to potíže s údržbou, malá spolehlivost a velké ztráty v pohyblivých kontaktech, zejména pokud jde o výkonné turbogenerátory a vodíkové generátory, jejichž budicí obvody spotřebovávají značnou elektrickou energii.
Pokud vytvoříte takový generátor pomocí permanentních magnetů, problém s kontaktem okamžitě zmizí. Existuje však problém spolehlivého upevnění magnetů na rotujícím rotoru. Zde se mohou hodit zkušenosti získané při výrobě traktorů. Již dlouho používají indukční generátor s permanentními magnety umístěnými ve štěrbinách rotoru vyplněných nízkotavnou slitinou.
Motor s permanentním magnetem
V posledních desetiletích se stejnosměrné motory rozšířily. Taková jednotka se skládá ze samotného elektromotoru a elektronického komutátoru pro jeho vinutí kotvy, který plní funkce kolektoru. Elektromotor je synchronní motor s permanentními magnety umístěnými na rotoru, jako na Obr. výše, se stacionárním vinutím kotvy na statoru. Elektronický spínací obvod je střídač stejnosměrného napětí (nebo proudu) napájecí sítě.
Hlavní výhodou takového motoru je jeho bezkontaktní charakter. Jeho specifickým prvkem je foto-, indukční nebo Hallův snímač polohy rotoru, který řídí chod měniče.
