|
|
|
МАГНЕТИЗММагнитные свойства некоторых материалов были известны в очень древние времена. Фактически, это произошло тогда, когда были добыты образцы минерала железной руды, получившие название магнетита (Fe304). Было обнаружено, что кусочки мягкого железа после соприкосновения с магнитными материалами тоже начинают вести себя как магниты (к примеру, притягивать другие магниты или кусочки железа). Вильям Гильберт первым серьезно подошел к изучению магнетизма. Самым крупным его открытием было заключение, что Земля ведет себя как огромный магнит. Слово «магнетизм» произошло из названия округа Магнезия, расположенного в Азии, где были найдены одни из первых магнитных камней. У электричества и магнетизма есть много общих черт. Каждый кусок, вне зависимости от его величины, будет иметь северный и южный полюса. Это наводит на мысль, что причина магнетизма заключена либо в атомах, либо в их расположении, либо одновременно и в том, и другом. Рис. 3.10 А — поведение тестового магнита в магнитном поле, Б — стрелка компаса вращается в соответствии с направлением электрического тока Если поместить магнит в какую-либо точку пространства, то в окрестности этой точки произойдут определенные изменения. Для демонстрации этого поднесем к магниту кусочек железа. При этом на него будет действовать некоторая сила, которая исчезнет при удалении магнита. Этот простой опыт доказывает, что в пространстве рядом с магнитом существует магнитное поле, то действует на любые магнитные тела, попадающие в него. Если внесенное магнитное тело имеет форму
Рис. 3.11 Электрический ток является причиной возникновения
магнитного поля вокруг проводника
стержня или иглы, можно убедиться в том, что магнитное поле обладает определенной направленностью. По определению направление магнитного поля в любой точке задается направлением силы, действующей на очень маленький (единичный) северный полюс. Согласно этому определению, силовые линии поля идут с севера на юг. На рис. 3.10А при помощи стрелок отображены направления силовых линий магнитного поля. Крошечный тестовый магнит, внесенный в поле, будет перемещаться в направлении вектора силы F. Естественно, что на южный полюс тестового магнита будет действовать почти такая же, но имеющая противоположное направление сила. Вышеприведенное описание магнитного поля соответствует постоянному магниту. Однако магнитное поле не меняет своих свойств, если генерируется другими устройствами (к примеру, при протекании электрического поля через проводник). Первым ученым, обнаружившим в 1820 году тот факт, что магнитное поле может существовать даже при отсутствии магнитов, был датский профессор физики Ганс Христиан Эрстед. Он проводил серию экспериментов, где ему требовался очень большой ток, для чего он использовал огромную батарею. к примеру, у двух электрически заряженных стержней, также как и у двух магнитов, есть одноименные и разноименные концы. В магнитах эти концы называются южным (S) и северным (N) полюсами. Одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюса всегда располагаются парами, что можно доказать, разбив магнит на несколько кусков. Неожиданно ученый обнаружил, что стрелка компаса вблизи этого источника тока ведет себя очень странно. Дальнейшие исследования показали, что стрелка компаса всегда располагается под прямым углом по отношению к проводнику с током и меняет свою ориентацию на противоположную в двух ситуациях: либо когда ток начинает течь в другую сторону, либо компас располагается не под проводником, а над ним (рис. 3.10Б). Стационарные электрические заряды не оказывают никакого влияния на магнитный компас (в этом эксперименте роль тестового магнита выполняла стрелка компаса). Очевидно, что появление магнитного поля вызывают движущиеся электрические заряды. Можно показать, что линии магнитного поля вокруг проводника с током являются круговыми, а их направление зависит от направления электрического тока, т.е. от движения электронов (рис. 3.11). С двух сторон провода линии магнитного поля имеют противоположные направления. Именно поэтому стрелка компаса переворачивается, когда помещается снизу проводника. Возникновение магнитного поля вокруг движущихся электрических зарядов (проводника с электрическим током) является основным свойством магнетизма. Зная это, стало возможным объяснить природу постоянных магнитов. На рис. 3.12А отображена упрощенная модель процесса зарождения магнитного поля. Электрон находится в постоянном вихревом вращении внутри атома. Движение электрона создает круговой ток вокруг ядра атома, который является причиной возникновения очень маленького магнитного поля. Другими словами, вращающийся электрон формирует на атомном уровне постоянный магнит. Теперь представим себе ситуацию, при той много таких атомных магнитов выстроятся в одном направлении (рис. 3.12Б). Это приведет к тому, что их магнитные поля сложатся, формируя одно большое магнитное поле. После таких рассуждений процесс магнетизма становится более понятным: ничего не привносится извне, ничего не удаляется из материала, только происходит переориентация атомов. В некоторых материалах атомные магниты всегда имеют одинаковую ориентацию. Такие материалы, как правило, обладают кристаллической структурой и определенным химическим составом и называются ферромагнетиками. Закон Фарадея М. Фарадей сам себе задал вопрос: «Если электрический ток способен породить магнитное поле, как использовать явление магнетизма для получения электричества?» Для ответа на этот вопрос ему потребовалось 9 или 10 лет. При движении электрического заряда через магнитное поле на него действует отклоняющая сила. рекомендуется подчеркнуть, что на самом деле неважно, что движется: заряд или источник магнитного поля. Существенным здесь является их относительное смещение. Открытие того, что движущийся электрический заряд может изменить свою траекторию из-за действия на него магнитного поля, положено в основу всей электромагнитной теории. Отклонение электрических зарядов приводит к формированию электрического поля, то, в свою очередь, вызывает появление разности потенциалов в проводящем материале, что означает, протекание в нем электрического тока. Интенсивность магнитного поля в любой отдельно взятой точке определяется вектором В, касательным к силовой линии поля, проходящей через эту точку. Для лучшей наглядности будем считать, что количество силовых линий, проходящих через единицу площади поперечного сечения (перпендикулярного этим линиям), пропорционально модулю вектора В. Тогда можно утверждать, что там, где силовые линии расположены ближе друг к другу, плотность магнитного потока В больше, а там, где они значительно отстоят друг от друга, плотность меньше. (В часто называется магнитной индукцией). Поток магнитного поля определяется соотношением. 
Рис. 3.12 А — движение электрона порождает магнитное поле, Б
— сложение атомных магнитных полей приводит к образованию магнитного поля
постоянного магнита
Для определения вектора магнитной индукции В можно воспользоваться лабораторной методикой, где в качестве тестового объекта применяется элементарный положительный электрический заряд qQ. Пусть заряд перемещается в магнитном поле со скоростью V. При этом на заряд действует отклоняющая сила FB (рис. 3.1 ЗА), направленная под прямым углом к вектору скорости. рекомендуется отметить, что вектор V во время движения заряда в магнитном поле меняет свое направление. Это приводит к тому, что заряд перемещается по спиральной, а не по параболической траектории (рис. 3.13Б). Движение по спирали является причиной возникновения магниторезистивного эффекта, на основе того можно реализовать магниторезистивные датчики. Отклоняющая сила FB пропорциональна величине заряда, скорости его движения и магнитной индукции. Вектор FB всегда направлен под прямым углом к плоскости, сформированной векторами V и В, т.е. он всегда перпендикулярен этим векторам. Для перевода единиц из одной системы в другую можно воспользоваться соотношением: 1 Тл = 104 Гаусс. 
Рис. 3.13 А — положительный заряд при перемещении через
магнитное поле подвергается действию отклоняющей силы, Б — спиральное движение
электрического заряда в магнитном поле.
Соленоид Устройство, применяемое на практике для формирования магнитного поля, называется соленоидом. Он представляет собой длинный провод, намотанный в форме спирали, по которому протекает электрический ток /. При этом длина спирали намного превышает ее диаметр. Магнитное поле соленоида является векторной суммой полей, образованных его отдельными витками. Когда витки соленоида расположены на значительном расстоянии друг от друга, поля в проводниках стремятся взаимно уничтожить друг друга. В точках внутри соленоида, достаточно отдаленных от его витков, вектора В проходят параллельно его оси. Если витки расположены вплотную или очень близко друг к другу, соленоид представляет собой систему последовательно соединенных круговых витков одинакового радиуса, имеющих общую ось. Тогда для определения величины магнитной индукции внутри соленоида можно применить закон Ампера: 
где п — количество витков на единицу длины, i0 — ток через
соленоид, д0 — магнитная постоянная. Хотя эта формула справедлива только для
соленоидов бесконечной длины, она достаточно хорошо работает для точек,
расположенных рядом с его осью и достаточно удаленных от концов. рекомендуется
отметить, что величина В не зависит ни от диаметра, ни от длины соленоида, и
поэтому является, практически, постоянной по всей площади поперечного сечения. Поскольку диаметр соленоида также не входит в уравнение (3.31), для увеличения
магнитного поля можно применять многослойную намотку. Также надо отметить, что
магнитное поле снаружи соленоида всегда слабее, чем внутри него.
Рис. 3.14. А — соленоид, Б — тороид
Тороид Другим устройством, применяемым для формирования магнитного поля, является тороид (рис. 3.14Б), который можно представить в виде соленоида, свернутого в кольцо. Магнитная индукция внутри тороида может быть найдена при помощи выражения: 
где N — общее количество витков, г — радиус внутреннего
круга, для точек того определяется величина поля. В отличие от соленоида
значение В не является постоянным в каждой точке поперечного сечения тороида. Количество силовых линий (В), проходящих через заданную поверхность S,
называется магнитным потоком Фв через эту поверхность. Выражение для Фв можно
записать в вид.
Интеграл берется по всей заданной поверхности, и если
магнитное поле является постоянным, а его вектор В везде перпендикулярен этой
поверхности, интеграл имеет следующее значение: Фв = ВА, где А — площадь
поверхности. Поток магнитного поля аналогичен потоку электрического поля. В
системе СИ единицей измерения магнитного потока является теслахметр2, которая
называется вебер и обозначается В.
Постоянные магниты На основе постоянных магнитов часто строятся магнитные датчики для определения движения, перемещения, положения и т.д. При выборе магнита для того или иного применения необходимо учитывать следующие параметры: • остаточную индукцию В в гауссах, показывающую силу магнита, • коэрцетивную силу Н (напряженность поля размагничивания) в эрстедах, характеризующую насколько хорошо магнит противостоит внешним магнитным силам, • произведение ВНъ гауссхэрстедхЮ6. Сильный магнит, устойчивый к внешним силам размагничивания, обладает высоким произведением ВН. Такие магниты считаются наиболее хорошими и дорогостоящими, • температурный коэффициент в %/°С, показывающий насколько В меняется с температурой. Магниты изготавливаются из специальных сплавов (см. Приложение), к примеру, из сплавов кобальта с редкоземельными элементами (пример таких элементов: самарий). Такие магниты считаются самыми хорошими, они обладают высоким произведением ВН (около 16x106), однако, их очень сложно обрабатывать, и при формовке необходимо применять меры по их заземлению. Другим популярным сплавом является Alnico, состоящий из алюминия, никеля, кобальта, железа и еще нескольких компонентов. Их изготавливают методами литья или спекания из прессованной металлической пудры при высокой температуре. Метод спекания более пригоден для массового производства магнитов. Керамические магниты состоят из бария или феррита стронция (или других элементов данной подгруппы) и керамических материалов, спеченных вместе. Они плохие проводники тепла и электричества, химически инертны и обладают высоким значением Н. Cunife — еще один сплав для изготовления магнитов. Он состоит из меди, никеля и железа. Его можно штамповать, ковать, вытягивать или скручивать для при— дания требуемой формы. Его произведение ВН равно 1.4х106. Магниты из железа и хрома являются достаточно мягкими и допускают механическую обработку, по окончании той проводится специальная процедура их отверждения. Их произведение ВН составляет 5.25х106. Пластмассовые и резиновые магниты — это группа магнитов, состоящих из бария или феррита стронция, соединенных с пластиковыми материалами. Они имеют низкую стоимость, могут изготавливаться любой формы, их произведение ВН равно =1.2x106. .
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
