Как будут взаимодействовать эти магниты

§3. О физической сущности взаимодействия постоянных магнитов

Каждый магнит, который попадается нам в жизни, обладает рядом характерных черт. Главной особенностью является способность притягиваться к предметам из металла или стали. Второе качество заключается в наличии полюсов.

Проверка полюсов достигается за сет приближения одного магнита к другому. Притягиваются противоположные полюса (юг и север). Идентичные полюса отталкиваются друг от друга.

Магнитное поле

Электроны, двигаясь вокруг атома, создают магнитное поле, при этом неся отрицательный заряд. При постоянном перемещении производится электрический ток. Магнитное поле появляется за счет движения тока, сила тока влияет на силу магнитного поля.

С учетом данной информации можно сделать вывод о наличии связи между магнетизмом и электричеством. В совокупности данное явление называется электромагнетизм.

Движение электронов вокруг ядра не единственная причина появления магнитного поля. Не в меньшей степени на него влияет движение атомов вокруг своей оси. Отдельные материалы обладают магнитным полем, в котором атомы подавляют друг друга, осуществляя хаотичное движение.

Предметы из металла обладают упорядоченными группами атомов, ориентированных в определенную сторону. Благодаря способности направлять атомы в заданном направлении и складывать магнитные поля, предметы из металла способны намагничиваться.

§3. О физической сущности взаимодействия постоянных магнитов

Всем известно, как взаимодействуют магниты. Они либо притягивают, либо отталкивают друг друга в зависимости от взаимного расположения их полюсов, причем это взаимодействие осуществляется без непосредственного соприкосновения магнитов друг с другом. Поэтому считают, что вокруг магнита существует свое специальное магнитное поле, отличное от поля электрического заряда. Тогда силы взаимодействия между магнитами можно рассматривать как результат взаимодействия их полей с самими магнитами, т. е. поле одного магнита действует непосредственно на другой магнит, и наоборот. По аналогии с электрическим полем считается, что существуют силовые линии у магнитного поля, тем более, что они хорошо выделяются с помощью магнитных стрелок или железных опилок (рис 1). Силовые линии указывают направление магнитного поля, которое будет расположено по касательной к силовой линии в любой точке. Направление магнитного поля в данной точке можно определить как направление, которое указывает северный полюс стрелки компаса, помещенной в эту точку, поэтому силовые линии всегда направлены от северного полюса магнита к южному. Магнитное поле в любой точке пространства можно представить векто­ром В, называемым магнитной индук­цией, величину которого можно оп­ределить через вращающий момент, действующий на магнитную стрелку, когда она не ориентирована вдоль маг­нитной силовой линии (рис. 2). Чем боль­ше момент, тем сильнее магнитное поле. Магнитная стрелка будет находиться в равновесном состоянии, когда расположится по касательной к силовой линии в данном месте. Величина магнитного поля характеризуется плотностью силовых линий, т. е. их числом на единицу площади. Однако, физическая сущность магнитного поля, как и электрического поля, остается до сих пор неизвестной, а вектор индукции В определяется опытным путем. По этой причине, очевидно, совершенно отсутствует теория взаимодействия постоянных магнитов и, как это ни удивительно, нет даже экспериментальных данных по этому взаимодействию. И это можно понять, потому что, не имея теории, невозможно анализировать результаты экспериментов. В данном параграфе производится исследование взаи­модействия постоянных магни­тов с помощью полей кине­тической энергии, которые существую вок­руг и внутри маг­нитов и представля­ют собой вихревое движение частиц ва­куума, создаваемое упорядоченным дви­жением электро­нов в магните. Характер магнитного поля, пред­ставляющего собой вихре­вое движение вакуума, с тор­цов и цилиндрической поверх­ности магнита показан на рисунке 3, причем, если смотреть на магнит с его северного полюса, вращение вакуума будет происходить по часовой стрелке, а если смотреть с южного полюса – против часовой стрелки. Такое направление вращения частиц вакуума соответствует всем экспериментам, проведенным с магнитами. Ниже это будет показано на ряде других примеров магнитных взаимодействий. В магнитном поле можно выделить несколько областей с целью их математического описания: усеченные конусы с торцов (со стороны полюсов) и часть со стороны цилиндрической поверхности. Угол при вершинах полюсов предполагается равным 900. Здесь же показана примерная эпюра распределения линейных скоростей частиц вакуума со стороны цилиндрической поверхности магнита. Следует заметить, что такой характер магнитного поля был выбран достаточно произвольно на основе картины так называемых силовых линий, образуемой железными опилками. Ниже будет показана физическая сущность этой картины. При исследовании взаимодействия магнитов со стороны полюсов будем считать, что взаимодействуют только конические области магнитных полей. Для любого поперечного сечения конуса угловую скорость вращения вакуума будем считать постоянной, зависящей только от координаты Z (рис. 4): , (1) где R- радиус магнита, — угловая скорость вакуума на торцовой поверхности магнита, — неизвестный показатель степени. Докажем постоянство угловой скорости вакуума на торцовой поверхности магнита. Поскольку магнитное поле создается вращением электронов вокруг ядра атома при их упорядоченном движении по всему объему магнита, характер движения вакуума будет зависеть от результата сложения движений частиц вакуума под воздействием отдельных электронов. На рис. 5 изображено упорядоченное движение электронов вокруг ядер атомов на некотором расстоянии r и r + 2r0 от оси магнита, где r0 — радиус орбиты электрона. Так как для большего радиуса число электронов будет больше, суммарная окружная скорость электронов для внешних атомов будет больше, чем для внутреннего слоя атомов. Разность этих скоростей может быть найдена через число атомов, расположенных на соседних окружностях: ; (2) (3) Разность числа атомов на этих окружностях равна и, следовательно, нескомпенсированная окружная скорость будет равна: , (4) где — угловая скорость вращения электрона вокруг ядра атома. Приняв и , после интегрирования выражения (4) получим: (5) Отсюда угловая скорость вращения вакуума на любом расстоянии r от оси магнита будет равна: , (6) т. е. будет постоянна и одинакова для всего объема магнита, независимо от r. Окружная же скорость частиц вакуума будет изменяться по линейному закону в зависимости от r. Что же касается , выражение (1) требует экспериментальной проверки. Выражение (6) можно было бы использовать для расчета круговой частоты вращения магнитного поля в объеме магнита, если бы все электроны вращались в одной плоскости, т. е. движение всех электронов было бы упорядоченным. Однако, так никогда не бывает, поэтому результирующая скорость вращения будет значительно меньше. Для примера рассчитаем угловую скорость вращения электрона в атоме водорода, у которого линейная скорость вращения равна, примерно км/сек, а расстояние до ядра равно м/с: Значит, для магнитного поля эта величина будет меньше. Поскольку никаких данных на этот счет нет, круговую частоту вращения следует найти из эксперимента. Правда в работе [8, с. 74] для протонного ядерно-резонансного магнитометра, в котором происходит прецессия ядер, находящихся в магнитном поле, приводится соотношение между частотой прецессии и магнитной индукцией поля В, принятое Ассамблеей МАГА в 1960 г.: Это соотношение может быть принято за отправную точку, однако действительное соотношение для твердых тел (а не водорода, как в приборе) должно быть меньше. Окружную скорость вакуума в сечении Z представим выражением (см. рис. 4): , (7) где радиус может быть найден из соотношения (при , ): (8) откуда: . (9) Тогда окружная скорость будет иметь вид: (10) где . Так как возникающее при вращении вакуума поле кинетической энергии будет неоднородным, на частичку вакуума будет действовать сила, обусловленная наличием градиента поля (сила инерции): , (11) где — кинетическая энергия элементарной массы , l — координата, характеризующая направление в пространстве, по которому берется производная от кинетической энергии. Кинетическая энергия элементарной массы определяется выражением: (12) Имея ввиду, что и , после замены переменной и дифференцирования приведем выражение (11) к следующему виду: (13) где координата l’ отсчитывается от торцовой поверхности магнита. Силы , действующие на все элементарные массы, будут суммироваться, в результате чего на торцовую поверхность магнита будет действовать сила, величина которой может быть найдена интегрированием выражения (13) после подстановки в него выражения для элементарной массы: (14) где , — плотность вакуума. Чтобы найти осевую результирующую силу, используем проекцию элементарной силы на ось магнита: (15) В результате интегрирования получим: (16) Очевидно, точно такая же сила будет действовать и на другой полюс магнита, поэтому магнит будет находиться в уравновешенном состоянии. При торцовом взаимодействии магнитов равновесие нарушится, так как с внутренней стороны объемы конических полей будут ограничены расстоянием между полюсами магнитов (рис. 6). При взаимодействии разноименными полюсами магниты будут притягиваться, одноименными отталкиваться. Такой характер взаимодействия магнитов зависит от направления относительного вращения вакуума в конусах магнитов. При одинаковом направлении вращения вакуума во взаимодействующих конусах (со стороны разноименных полюсов) силы, действующие на любой магнит, определяются полями кинетической и потенциальной энергии, причем принимается, что собственное поле магнита является полем кинетической энергии, а наложенное на него поле другого магнита- полем потенциальной энергии. Считается также, что динамическое давление в этом случае не возникает. При вращении вакуума в разные стороны (взаимодействуют одноименные полюса) принимается, что результирующее поле кинетической энергии определяется разностью собственного и наложенного полей кинетической энергии. Соответственно этому поле потенциальной энергии определится удвоенным значением поля потенциальной энергии. В этом случае возникает динамическое давление, величина которого также будет определяться удвоенным значением потенциальной энергии. Силы, определяемые полем потенциальной энергии, а также динамическим давлением берутся с отрицательным знаком. Сначала рассмотрим взаимодействие магнитов со стороны разноименных полюсов. Для упрощения расчетов возьмем цилиндрические магниты одинаковых размеров с одинаковой индукцией В, т. е. с одинаковыми угловыми скоростями на торцовых поверхностях, так как механическим аналогом индукции может быть только круговая частота движения вакуума. Значение должно быть связано с индукцией В через посредство пока неизвестного коэффициента , где коэффициент имеет размерность . Силы, действующие на внешние торцы магнитов, будут определяться выражением (16). С внутренней же стороны они определяются полями кинетической и потенциальной энергии и , которые для конуса первого магнита будут иметь вид: (17) (18) Скорости частиц вакуума для обоих магнитов в соответствии с выражением (10) представим в следующем виде: ; (19) (20) где (21) (22) Имея ввиду, что и используя выражения (21) и (22), выражение (20) преобразуем к виду: (23) Для поля кинетической энергии осевая сила определяется выражением, аналогичным выражению (16), где пределы интегрирования по взяты в пределах от 0 до : (24) Сила от поля потенциальной энергии определяется выражением (дается без вывода, так как он производится аналогично, только производная по берется с отрицательным знаком): (25) (интеграл по l’ в данном выражении будет взят ниже при выбранном значении n). Таким образом, на магнит будут действовать две силы с внутренней стороны, определяемые выражениями (24) и (25), и одна сила с внешней стороны, определяемая выражением (16). Поскольку силы от полей кинетической энергии направлены в разные стороны, результирующая сила будет равна их разности и будет прижимать магниты друг к другу. Величина этой силы будет равна: (26) Сила же от поля потенциальной энергии будет отталкивать магниты. Общая же суммарная сила будет прижимать магниты друг к другу. Рассмотрим теперь взаимодействие одноименных полюсов магнитов. Внешние силы, действующие на магниты, останутся теми же, внутренние же изменятся, так как вращение частиц вакуума в конусах будет происходить в разные стороны и энергии частиц будут вычитаться. В результате этого, как отмечалось выше, поле кинетической энергии в конусе уменьшится, поле потенциальной энергии увеличится на такую же величину, т. е. удвоится, появится также динамическое давление. Таким образом, будем иметь: (27) (28) , (29) где — динамическое давление, dV- объем элементарной массы, определяемый отношением . Выражение (29) характеризует динамическое давление на торцовой поверхности магнита (). Силы, определяемые производными от кинетической и потенциальной энергии, могут быть найдены по формулам (24) и (25), причем формулу (24) можно использовать без изменения, а для формулы (25) следует ввести множитель 3. Сила же динамического давления на торцевой поверхности магнита может быть найдена с помощью соотношений: ; (30) (31) Знак минус в выражении (31) показывает, что осевая сила от динамического давления направлена к поверхности магнита. При выводе этой формулы использовалось соотношение: . Таким образом, при взаимодействии одноименных полюсов на магнит будут действовать две отталкивающие силы и одна прижимающая- . В результате магниты будут отталкиваться. Однако, для использования полученных уравнений необходимо знать показатель степени v и круговую частоту вращения вакуума. С целью определения этих величин было проведено измерение силы притяжения между двумя одинаковыми магнитами цилиндрической формы с диаметром 24 мм и толщиной 8 мм.. Среднее значение индукции на полюсах составляло 0,265 Тл. Сила притяжения определялась для различных значений L с помощью бытового динамометра с пределом измерения до 10 кг. Затем уравнения решались при различных значениях n (1; 1,5; 2; 2,5; 3). Лучшее приближение к экспериментальным данным было получено при v=3. Формула (25) в этом случае будет представлена выражением: (32) Теоретические кривые для притяжения и отталкивания, а также экспериментальные результаты представлены на рисунке 7. Как видно из рисунка теоретические значения притяжения и отталкивания не равны друг другу, причем сила притяжения меньше. При v=2,5 сила притяжения будет больше силы отталкивания. Значения сил, очевидно, будут близки в интервале 2,5<v<3. Нами были сделаны расчеты коэффициентов для показателя степени v=2,65, результаты расчетов показаны на рисунке 8. При таком значении v, действительно, силы притяжения практически равны силам отталкивания, но расчетные кривые тем не менее не совсем совпадают с экспериментальной кривой. Это расхождение может быть следствием как неточности теории, так и неточности эксперимента, но тем не менее можно считать, что экспериментальная и расчетная кривые достаточно хорошо совпадают друг с другом. Однако следует заметить, что из предлагаемой теории ниоткуда не следует равенство сил притяжения и отталкивания. Это может быть выяснено только с помощью эксперимента. Имея экспериментальные значения силы притяжения и значения магнитной индукции можно найти круговую частоту вращения с помощью выражения: , (33) где R=1210-3 м, а значению силы F=90 Н, как это следует из рисунка 8, соответствует значение коэффициента =0,8. Следует отметить, что здесь представляет собой реальную круговую частоту магнитного поля для данного магнита. В результате получаем: Как видим, значение получилось значительно меньше предполагаемого. Данное обстоятельство можно объяснить тем, что сила со стороны вакуума, очевидно, будет действовать не на весь объем магнита, а только на составляющие его микрочастицы, которые по отношению ко всему объему занимают ничтожную часть. Поэтому предлагается относить действующую силу к объему, занимаемому ядрами атомов. Поскольку основной составляющей материала магнита является железо, формулу (33) надо умножить на коэффициент , равный отношению объема ядра атома железа к объему всего атома: где м, м. Подставив эти значения в формулу (33) найдем новую круговую частоту вращения вакуума: Отсюда можно найти значение коэффициента , устанавливающего связь между магнитной индукцией В и круговой частотой : Этот результат является вполне удовлетворительным. Для сравнения можно привести значение подобного коэффициента, который используется в протонном ядерно-резонансном магнитометре, оно равно 2,67513108 с-1/Тл [8, с. 74-75]. Теперь рассмотрим взаимодействие магнитов со стороны цилиндрических повер­хностей. Для упрощения задачи будем считать, что вращение ва­куума происходит в пре­делах длины цилиндра. Здесь возможны два варианта, когда вращение происходит в одном или в разных направлениях (рис. 9 а, б), что приводит к отталкиванию или притяжению магнитов. Появление сил притяжения и отталкивания объясняется взаимодействием полей магнитов, т.е. взаимодействием вихрей вакуума, создаваемых магнитами. При рассмотрении взаимодействующих полей можно выделить пять участков с определенным соотношением полей кинетической и потенциальной энергии, симметричных по отношению к линии раздела. При вращении вакуума в разные стороны будут следующие соотношения (рис. 10): I участок: II участок: III участок: IV участок: V участок: На участках IV и V на цилиндры будут действовать также силы от динамического давления, определяемые через . При вращении вакуума в одну сторону (рис. 11) при тех же границах участков будем иметь соотношения: I участок: II участок: III участок: IV участок: V участок: Силы от динамического давления будут действовать на I и II участках и будут определяться через . Соотношения, принятые для кинетических и потенциальных энергий, в обоих случаях определяются направлением скоростей частиц вакуума на соответствующем участке: если угол между скоростями меньше 900, кинетические энергии полей не вычитаются, если больше 900- вычитаются. Соответственно изменяются и поля потенциальной энергии. Законы изменения линейных скоростей частиц вакуума представим в виде: ; (34) , (35) где и — окружные скорости на поверхности цилиндров; и — радиусы цилиндров; и — текущие радиусы, — неизвестный показатель степени, отличающийся, очевидно, от показателя v. Так как размеры магнитов и их индукция принимаются одинаковыми, линейные скорости и радиусы будут равны (; ), а граница раздела полей будет являться осью симметрии. Имея ввиду, что (36) где l — расстояние между осями цилиндров, получим следующие выражения кинетической энергии для элементарных масс: ; (37) (38) Силы, действующие на элементарные массы и обусловленные полями кинетической () и потенциальной () энергии, определятся выражениями: ; (39) (40) где , h- длина цилиндра. Проекции результирующих сил, действующих на поверхность первого цилиндра, на межосевое расстояние L определяется интегралами: (41) (42) Здесь: и , и — начальные и конечные значения углов и радиусов на соответствующих участках. Множитель 2 введен в выражения (41) и (42) в связи с тем, что на вторую половину цилиндра от 1800 до 3600 будут действовать такие же силы, что и на первую половину. Интеграл по в выражении (41) будет равен: (43) Интеграл же по в выражении (42) удобнее брать для конкретного значения . Выражения для этого интеграла ввиду их громоздкости не приводятся. Проекция на l силы от динамического давления определяется следующим образом: (44) (45) где (46) Формулы (41), (42) и (46) используются как при вращении вакуума в одну, так и в разные стороны в соответствии с соотношением полей кинетической и потенциальной энергий на различных участках. Результаты расчетов для различных значений приведены в параграфе 11 главы IV. Величина действующих сил может быть найдена по формуле:

(47) где =11,810-15, также как и для случая взаимодействия магнитов торцевыми полями. Интересно отметить, что при любых значениях сила притяжения не равна силе отталкивания. Представляется также интересным рассмотреть взаимодействие магнитов со стороны полюсов при их относительном касательном движении (при постоянном расстоянии между полюсами). Для упрощения задачи будем считать, что их торцевые магнитные поля имеют цилиндрическую форму с радиусом магнита R и с одинаковым значением угловой скорости в любом сечении. Тогда взаимодействие полей начнется с момента их касания при движении магнитов в касательном направлении. С точки зрения особенностей взаимодействия полей можно выделить три характерные взаимные положения магнитов (рис. 12, 13, 14), при которых их межосевое расстояние лежит соответственно в пределах: 1) ; 2) ; 3) . Для каждого из этих положений будут иметь место соответствующие формулы для расчета взаимодействия. Рассмотрим первый случай взаимодействия (рис. 12). Особенностью такого взаимодействия магнитов является то, что поля частично перекрывают друг друга, причем по отношению к границе раздела поля будут взаимно меняться с основного (поле кинетической энергии) на дополнительное (поле потенциальной энергии), т. е. большее по величине поле будет считаться основным, меньшее- дополнительным. Так, например, для первого диска его поле будет основным справа от границы раздела (правый сегмент), а слева от границы- дополнительным (левый сегмент). При взаимодействии полей поля кинетической энергии магнитов будут вычитаться, а поле потенциальной энергии удваиваться, если угол между скоростями частиц вакуума будет больше 900. Если угол будет меньше 900, поля кинетической энергии не изменяются, а меньшее по величине поле становится полем потенциальной энергии. В обоих случаях динамическое давление нами не учитывалось, поскольку не ясно, на какую поверхность оно должно действовать. При вращении вакуума в одну сторону для левого сегмента кинетическая и потенциальная энергии определятся выражениями: (48) (49) Принимаем где Тогда получим: (50) (51) Соответственно элементарные силы будут равны: ; (52) (53) а их сумма определится выражением: (54) Имея ввиду, что , где h – длина магнита (поскольку силы будут действовать на микрочастицы магнита), найдем проекцию на l общей результирующей силы: (55) где . Множитель 2 введен в (55) и последующие выражения в связи с симметричностью сил, действующих на две половины круга: от 0 до 1800 и от 1800 до 3600. Для правого сегмента кинетическая и потенциальная энергии будут равны: (56) (57) Силы, определяемые этими энергиями, соответственно будут равны: (58) (59) (60) (61) где Результирующая сила, действующая на оба участка, определится суммой сил и . При вращении вакуума в разные стороны для левого сегмента будем иметь: (62) (63) (64) (65) (66) (67) где . Для правого сегмента будет: (68) (69) (70) (71) (72) (73) где . Следует заметить, что интегралы в приведенных формулах легко берутся, однако ввиду большого объема эти выражения не приводятся. При втором взаимном положении магнитов (рис. 13) можно выделить по четыре участка как справа от линии раздела (правый сегмент), так и слева от нее (левый сегмент). Поэтому при вращении вакуума в одну сторону для левого сегмента получим: I участок: (74) ; (75) (76) (77) (78) (79) где . II участок: сила будет определяться в общем виде таким же выражением как и , только пределы интегрирования будут другими: . III участок: (80) (81) (82) (83) (84) (85) где IV участок: сила определится выражением (85) с пределами интегрирования: . Для правого сегмента будем иметь: I участок: (86) (87) (88) (89) (90) (91) где II участок: сила определяется выражением (91) с пределами интегрирования: III участок: (92) (93) (94) (95) (96) (97) где IV участок: сила определится выражением (97) с пределами интегрирования: . В результате суммарная сила, действующая на первый магнит, будет складываться из восьми сил. При вращении вакуума в разные стороны для левого сегмента получим: I участок: (98) (99) (100) (101) (102) (103) где II участок: сила определится выражением (103) с пределами интегрирования: III участок: (104) (105) (106) (107) (108) (109) где IV участок: сила определяется выражением (109) с пределами интегрирования: Для правого сегмента будем иметь: I участок: (110) (111) (112) (113) (114) (115) где II участок: сила определится выражением (115) с пределами интегрирования: III участок: (116) (117) (118) (119) (120) (121) где IV участок: сила определяется выражением (121) с пределами интегрирования: В результате сила, действующая на магнит со стороны двух сегментов, определяется суммой восьми сил . При третьем относительном положении магнитов (рис. 14) левый сегмент взаимодействующих полей разбивается на пять частей, а правый на три части. При вращении вакуума в одну сторону для левого сегмента получим: I участок: (122) (123) (124) (125) (126) (127) где II участок: сила определяется выражением (127) с пределами интегрирования: III участок: (128) (129) (130) (131) (132) (133) где IV участок: сила определяется выражением (133) с пределами интегрирования: V участок: сила также определяется выражением (133) с пределами интегрирования: . Для правого сегмента будем иметь: I участок: (134) (135) (136) (137) (138) (139) где II участок: (140)

(141) (142) (143) (144) (145) где III участок: сила определяется выражением (145) с пределами интегрирования: Общая результирующая сила, действующая на первый магнит со стороны двух сегментов поля, будет равна сумме восьми сил. Для всех рассмотренных случаев взаимодействия полей были сделаны расчеты, результаты которых представлены на рисунке 15. Неожиданной является смена знака силы взаимодействия при изменении относительного расстояния как при вращении в одну, так и в другую сторону. Однако, это явление дает возможность объяснить торможение магнитного маятника в поле другого магнита. Рассмотрим колебания цилиндрического магнита диаметром 2R на подвеске длиной l в поле другого цилиндрического магнита такого же диаметра (рис. 16). Для упрощения расчетов примем, что сила взаимодействия магнитов появляется при взаимном перекрытии цилиндрических полей, т. е. начиная с расстояния 2R между осями, причем закон изменения магнитной силы представим в приближенном виде: , (146) где — амплитудное значение силы, — текущее значение угла поворота, — угол отклонения маятника, соответствующий расстоянию 2R. На рис. 16 показана эпюра и зона действия этой силы, причем на первой полуволне магнитная сила будет отталкивающей. Будем также считать, что во всех положениях магнитная сила направлена по касательной к траектории магнита. Амплитудное значение силы определим по формуле: , (147) где для данных магнитов =0,1; ; 1/с; R=м; м; кг/м3, откуда FН.! На маятник также будет действовать сила тяжести магнита G, равная 0,3 Н. Уравнение движения маятника в общем виде характеризуется уравнением: , (148) где J- момент инерции маятника относительно точки подвеса, — момент всех сил, действующих на маятник. Движение маятника можно разбить на два участка: 1) только под действием силы тяжести от угла до угла ; 2) под действием силы тяжести и силы от угла до вертикального положения . Тогда получим: 1) для первого участка: ; (149) 2) для второго участка: (150) Знак минус перед моментом от силы поставлен потому, что аргумент при изменении от до 0 изменяется от до 0 в отрицательном направлении, т. е. по часовой стрелке. На первом участке маятник под действием силы тяжести разгоняется до некоторой скорости , величина которой определяется выражением [3,с.572]: (151) при начальных условиях: ; . Решения уравнения (150) в общем виде нет. Поэтому с целью приближенного анализа движения момент от веса учитывать не будем, так как он значительно меньше момента от магнитной силы . Тогда, введя новую переменную (152) и учтя начальные условия: ; (153) , (154) найдем угловую скорость движения маятника на втором участке: , (155) где (156) Переходя к исходным обозначениям, получим: (157) Для определения угловых скоростей маятника на обоих участках зададимся длиной маятника l= 0,1 м и начальным углом отклонения . Приняв, что , где m=0,03 кг и найдя рад=13,750 по формуле (151), определим : 1/с Затем найдем значение угла , при котором скорость будет равна нулю, для чего приравняем нулю выражение под корнем в формуле (157), откуда получим: (158) Подставив значение всех величин, входящих в данное выражение, определим : , откуда и . Таким образом для данного случая взаимодействия магнитов маятник затормозится при достижении угла в 0,840, т.е. не сделает и одного полного качания. Очевидно, подобный же механизм торможения будет действовать за счет индукции при использовании медной пластины вместо неподвижного магнита. В заключение рассмотрим вопрос о так называемых магнитных силовых линиях, которые наглядно предстают перед нами в виде некоторой картины из железных опилок. Поскольку эта картина является объективной реальностью, она должна характеризовать некоторые особенности движения вакуума вокруг магнита. Общепризнанно, что магнитные силы направлены по касательным к силовым линиям. Но так ли будет на самом деле? Если частички железных опилок рассматривать как маленькие магнитики (магнитные стрелки), их положение будет определяться силами взаимодействия полей магнитиков с полем магнита. Взаимодействие магнитной стрелки с потоком вакуума можно рассматривать (по аналогии с твердым телом) путем сложения скоростей внутри объема самого магнита (см. рис. 17, а). Величина силы взаимодействия определяется выражением: , (159) где — масса вакуума в объеме магнитика; — угловая скорость вращения вакуума в магнитике; — линейная скорость частиц вакуума в поле магнита на расстоянии . На рис. 17,а показано направление силы F, возникающей при взаимодействии полей внутри магнитика, причем эта сила будет направлена против градиента суммарного поля. На рис. 17,а приняты следующие обозначения: , где — радиус магнитика (магнитик рассматривается как цилиндр); — мгновенный центр скоростей суммарного поля. На рис. 17, б показано начальное положение магнитика, центр которого отстоит от поверхности магнита на расстоянии Z, а сам магнитик расположен по направлению радиуса-вектора . При таком положении магнитика на его нижнюю половину будет действовать большая сила, а на верхнюю- меньшая. Под действием большей силы магнитик начнет поворачиваться по часовой стрелке (для данного случая) до тех пор пока силы не уравняются, что может быть только при равенстве скоростей частиц вакуума внешнего магнитного поля. Действительно, при повороте магнитика скорости частиц вакуума будут выравниваться так как ближний конец магнитика будет удаляться от магнита и приближаться к оси, а дальний- приближаться к магниту и удаляться от оси. С удалением же от поверхности магнита скорость вакуума уменьшается, а с увеличением радиуса — увеличивается. Выведем расчетные формулы для угла поворота магнитика . Из геометрических соотношений получим: ; (160) ; (161) ; (162) , (163) где — длина магнитика. Отсюда будем иметь: ; (164) ; (165) Так как , выражения (164) и (165) преобразуем к виду (поделив числитель и знаменатель на R): (166) (167) Линейные скорости частиц в крайних точках магнитика определятся выражениями (см. формулу (10)): ; (168) ; (169) где Приравняв эти скорости, получим соотношение: (170) Выражения (166), (167) и (170) используются следующим образом. Сперва задаются значениями , , , т. е. размером магнитика и координатами его центра. Затем методом подбора находятся значения угла , удовлетворяющие данным выражениям при выбранном значении n. На рис. 18 показано положение магнитиков с торцевой части исследованного нами магнита при и n=3. Как видно из рисунка картина расположения магнитиков в общем похожа на картину расположения железных опилок. Отсюда можно сделать вывод, что опилки или магнитные стрелки располагаются не по направлению силовых линий, а по линиям равных скоростей частиц вакуума, вращающегося вокруг магнита. Эти линии следует назвать изотахами. И еще следует отметить одно интересное обстоятельство: железные опилки располагаются таким образом, что они образуют четкие линии, не соприкасающиеся друг с другом. Это и дало, очевидно, основание говорить о магнитных силовых линиях. Объяснение этому явлению дос­таточно простое: желез­ные опилки, как маленькие магнитики, не могут сопри­касаться друг с другом, поско­льку они все вращают вакуум в одну и ту же сторону и взаи­мо­действуют с цилиндрических поверх­ностей на отталкивание, как это было показано выше. Используя картину расположения же­лезных опилок вокруг магнита, можно найти значение показателя степени v, харак­тери­зующего убывание линейной скорости вакуума по мере удаления от магнита. Так, произведя преобразование выражения (170), получим формулу для экспериментального определения v на торцевой стороне магнита (со стороны полюсов): (171) Эта формула будет справедлива при постоянстве угловой скорости вращения вакуума в пределах конуса для любого поперечного сечения Z. Однако, такое предположение может в действительности и не выполняться, тогда формула (171) будет приближенной. Есть также другой независимый экспериментальный способ определения показателя степени v с помощью измерения индукции магнитного поля на различных расстояниях от поверхности магнита. Расположение датчика при двух измерениях магнитной индукции с торца магнита показано на рис. 19. Поскольку при взаимодействии магнитов предполагалась пропорциональность индукции и угловой скорости вращения вакуума, очевидно, индукция будет пропорциональна и линейной скорости частиц вакуума, если датчик будет находиться на одинаковом расстоянии от оси магнита. В этом случае можно записать следующие отношения: ; (172) , (173) где В- индукция на поверхности магнита; и — радиусы на поверхности магнита, соответствующие двум положениям датчика; и — координаты центра датчика. Радиусы и могут быть найдены из соотношений (см. рис. 19): ; (174) ; (175) Подставив эти отношения в выражения (172) и (173) и поделив первое на второе, получим: , (176) откуда после логарифмирования найдем показатель v: (177) Для исследованного нами магнита индукция на расстояниях =1 мм и =6 мм, соответственно была равна =0,265 Тл и =0,155 Тл. При R=12 мм значение v будет равно: , т. е. достаточно хорошо совпадает со значением v, найденным из силового взаимодействия. После определения v можно найти значение индукции непосредственно на поверхности магнита по одной из формул (172) или (173), например: , (178) откуда для нашего случая будем иметь: Таким образом, подводя итог всему изложенному выше, можно сказать, что предполагаемая гипотеза взаимодействия постоянных магнитов через посредство материального вакуума, несмотря на принятые допущения, достаточно хорошо объясняет природу магнетизма, причины возникновения сил притяжения и отталкивания при различных взаимных положениях магнитов, причину торможения магнитного маятника и физическую сущность магнитных силовых линий.

Приводим краткий вывод соотношения (22): откуда следует (22).

Каким образом магниты притягиваются и отталкиваются

Как притягиваются магниты? Между магнитами, поднесенными друг к другу, возникает сила. Притяжение или отталкивание магнитов ощущается не только при непосредственном контакте. Взаимодействие присутствует даже без соприкосновения.

Магниты будут отталкиваться, если поднести друг к другу их северные полюса. При контакте южных полюсов будет наблюдаться аналогичная картина. Однако, между магнитами возникнет притяжение, если к северному полюсу поднести южный. Данный принцип работает аналогично электрическим зарядам. При этом полюса магнитов и электрические заряды представляют собой разные явления.

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.
Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда. Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.

По какой причине не все материалы способны магнититься

Магнит взаимодействует с широким перечнем веществ. Вид взаимодействия не ограничивается притяжением или отталкиванием. Отдельные металлы и сплавы обладают специфическим строением, что дает возможность притягиваться к магниту с определенной мощностью.

Другие материалы также обладают данным свойством, но в меньших масштабах. Чтобы зафиксировать притяжение в таких условиях, необходимо создание очень сильного магнитного поля. Это невыполнимо в домашних условиях. Почему свойство притяжения есть у всех материалов, а магнититься доступно для восприятия только металл? Разгадка заключается в особом внешнем строении атомов.

Окружающие нас вещи состоят из атомов, связанных между собой. Тип связи между ними определяет материал. Атомы в большинстве веществ плохо сгруппированы, поэтому связь с магнитом формируется слабая. В металле атомы хорошо скоординированы, все атомы синхронно ощущают магнитное поле и тянутся к нему.

Миф или реальность?

Вечный двигатель знаком практически каждому еще со школьной скамьи, только на уроках физики четко утверждалось, что добиться практической реализации невозможно из-за сил трения в движущихся элементах. Среди современных разработок магнитных моторов представлены самоподдерживающие модели, в которых магнитный поток самостоятельно создает вращательное усилие и продолжает себя поддерживать в течении всего процесса работы. Но основным камнем преткновения является КПД любого двигателя, включая магнитный, так как он никогда не достигает 100%. Со временем мотор все равно остановится.

Поэтому все практические модели требуют повторного вмешательства через определенное время или каких-либо сторонних элементов, работающих от независимого источника питания. Наиболее вероятным вариантом бестопливных двигателей и генераторов выступает магнитная машина. В которой основной движущей силой будет магнитное взаимодействие между постоянными магнитами, электромагнитными полями или ферромагнитными материалами.

Актуальным примером реализации являются декоративные украшения, выполненные в виде постоянно двигающихся шаров, рамочек или других конструкций. Но для их работы необходимо использовать батарейки, которые питают постоянным током электромагниты. Поэтому далее рассмотрим тот принцип действия, который подает самые обнадеживающие ожидания.

Графическое изображение полей

Магниты действуют друг на друга и на железосодержащие предметы посредством магнитного поля. Поле не имеет цвета, запаха, его нельзя ощущать. Это особый вид материи, который проявляется по его действию на другое поле или на физические тела.

Условно изображают магнитное поле с помощью силовых линий, так же, как электрическое поле.

Эти линии замкнуты, то есть не имеют ни начала, ни конца. Направление, куда показывают северные полюсы магнитных стрелок, попавших в поле магнита, принято за направление силовых магнитных линий поля. Таковым оказывается направление от северного полюса к южному.

Хотя изображение силовых линий принято за условное, они все же проявляются в простом опыте с железными опилками. Если положить магнит на лист бумаги и посыпать мелкими опилками из железа, то можно увидеть, как они выстроятся вдоль определенных линий, как маленькие магнитные стрелки.

Частота линий вокруг магнита различна. Это подчеркивает более сильное действие магнитного поля около полюсов, где силовые линии плотнее.

Магнитное действие электрического тока: примеры

В технологических процессах и быту магнитные свойства тока применяются в десятках случаев:

• Сепараторные цели – очистка веществ, например, пищи, от металлических вкраплений. Магниты удаляют из сыпучих материалов металлы: сталь, железо, чугун, их сплавы.
• Устройства для разделения заряженных частичек.
• Намагничивание жидкостей, водных растворов.
• Краны для погрузки, разгрузки, сортировки металлов. Через сильный электромагнит по команде оператора пропускается электрический ток, который включает/отключает магнитное поле, притягивая или отпуская металлолом в нужные моменты.
• Управление микроорганизмами посредством воздействия на них полевыми образованиями.
• Электродвигатели – принцип работы основан на электромагнитной индукции – превращение электрической энергии в механическую.
• Генератор – устройство для преобразования энергии из одного вида в другой.
• Магнитные пластины, фиксирующие обрабатываемые на шлифовальных станках заготовки.
• Транспорт – магнитные запоры, датчики.
• Медицина: магнитно-резонансные томографы.
• Исполнительные устройства: переключатели, выключатели, задвижки.
• Компьютерная техника: жёсткие диски, динамики.

Магнитное поле Земли, о котором писал ещё Гилберт, чувствуют и используют животные. По нему ориентируются птицы при перелётах и прочие животные во время миграций.

Приведите примеры магнитного действия тока, с которыми сталкивались сами.

Устройство и принцип работы

Сегодня существует достаточно большое количество магнитных двигателей, некоторые из них схожи, другие имеют принципиально отличительную конструкцию.

Для примера мы рассмотрим наиболее наглядный вариант:

Принцип действия магнитного двигателя

Как видите на рисунке, мотор состоит из следующих компонентов:

• Магнит статора здесь только один и расположен он на пружинном маятнике, но такое размещение требуется только в экспериментальных целях. Если вес ротора окажется достаточным, то инерции движения хватит для преодоления самого малого расстояния между магнитами и статор может иметь стационарный магнит без маятника.
• Ротор дискового типа из немагнитного материала.
• Постоянные магниты, установленные на роторе в форме улитки в одинаковое положение.
• Балласт — любой увесистый предмет, который даст нужную инерционность (в рабочих моделях эту функцию может выполнять нагрузка).

Все, что нужно для работы такого агрегата — это придвинуть магнит статора на достаточное расстояние к ротору в точке самого наибольшего удаления, как показано на рисунке. После этого магниты начнут притягиваться по мере приближения формы улитки по кругу, и начнется вращение ротора. Чем меньше размер магнитов и чем более плавная форма получится, тем легче произойдет движение. В месте максимального сближения на диске установлена «собачка», которая сместит маятник от нормального положения, чтобы магниты не притянулись в статическое положение.

Почему магнит отталкивает другой магнит

Магниты — это необычный вид материи, в котором частицы имеют спин и магнитный момент, создавая тем самым магнитное поле. Когда два магнита приближаются друг к другу, они могут как притягиваться, так и отталкиваться.

Принцип действия магнитов основан на взаимодействии между их магнитными полями. Кроме того, магнитные поля могут взаимодействовать с электрическими полями, создавая электромагнитные волны, которые несут энергию и информацию.

Научное объяснение того, почему магниты отталкиваются, не так сложно. Как известно, магнитные поля имеют определенное направление и ориентацию. В случае, когда два магнита приближаются друг к другу, магнитные поля начинают мешать друг другу, создавая силу отталкивания. Это происходит из-за того, что магниты со схожими полярностями отталкиваются, а магниты с противоположными полярностями притягиваются.

Таким образом, принцип действия магнитов связан с их магнитными полями, взаимодействием между ними и свойством отталкиваться или притягиваться в зависимости от направления и полярности.

Почему магниты отталкиваются?

Магнитные взаимодействия происходят благодаря электрическим зарядам в движении, в основе которых лежит теория электромагнетизма. Однако, в случае отталкивания магнитов, этот процесс требует некоторого объяснения.

Отталкивание магнитов связано с тем, что у каждого из них есть свой магнитный момент, называемый дипольным моментом. Он создается движением электрических зарядов в магните, и определяет магнитное поле, которое происходит в нем. Два магнита, помещенных близко друг к другу, могут вступать во взаимодействие источников магнитного поля.

Когда два магнита притягиваются друг к другу, магнитные поля течут в одном направлении, что создает большее магнитное поле. Однако, когда магниты отталкиваются, поля течут в противоположных направлениях. Это вызывает снижение магнитного поля, и, соответственно, снижение силы взаимодействия между магнитами.

Когда один магнит подходит к другому, электроны в магните начинают вращаться в противоположном направлении, чтобы компенсировать магнитное поле подходящего магнита. Это приводит к образованию новых магнитных полюсов в магните, которые начинают отталкиваться от исходных полюсов притягиваемого магнита.

В результате, появляется взаимодействие магнитов отталкивания именно благодаря тому, что магнитные поля создают электрические заряды в движении, и изучение этих процессов позволяет более точно понимать природу магнетизма и его принципы действия.

Принцип действия и научное объяснение

Магниты отталкиваются или притягиваются друг к другу в зависимости от их полярности. Существует два типа магнитных полюсов — северный и южный. Если поставить два магнита так, чтобы их одинаковые полюса были направлены друг на друга, они начнут отталкиваться. Если же полюса разные — северный и южный — они начнут притягиваться.

Основой магнитизма являются электрические заряды, которые находятся в движении. Электрические заряды создают магнитное поле, которое является результатом взаимодействия с другими магнитами или предметами. Когда заряд находится в движении, он создает магнитное поле, которое можно описать с помощью магнитных линий. Их направления и формы варьируются в зависимости от полярности.

Важно отметить, что воздействие магнитного поля обусловлено током. В магнитном поле создаются силовые линии, которые описывают силу, с которой магнитное поле воздействует на предметы. При этом, магнитные силовые линии образуют > цепь и меряются в Н/м.

Магниты отталкиваются друг от друга, поскольку два одинаковых поля не могут существовать в одном и том же пространстве. Таким образом, когда два магнита с одинаковыми полярностями сталкиваются друг с другом, они создают области высокого давления, которые оказываются достаточно сильными, чтобы отталкивать магниты друг от друга.

Магнитное поле

Магнитное поле — это явление, которое возникает при движении заряженных частиц. Как правило, магнитное поле формируется вокруг магнита или проводника, по которому протекает электрический ток.

Магнитное поле характеризуется направлением и силой. Направление магнитного поля определяется по правилу левой руки Флеминга: палец большой руки указывает на направление тока, а пальцы остальных пальцев сжимаются к круговой линии, которую образует магнитное поле.

Магнитное поле оказывает влияние на другие магнитные объекты, например, магниты или другие проводники, по которым протекает электрический ток. Если магнитный объект имеет одинаковую полярность, то они отталкиваются, а если полярность разная, то притягиваются.

Магнитное поле играет важную роль во многих областях науки и техники. Например, магнитное поле используется для создания электромагнитов, усиления аудио-сигналов, компасов, и многих других приборов и механизмов.

Магнитное поле также присутствует в определенных виде живых организмов, например, у некоторых видов птиц оно помогает им ориентироваться в пространстве.

Как заряжаются магниты

Магниты могут быть намагничены в нескольких способах. Один из них — это процесс, называемый электромагнитной индукцией. Он происходит, когда электрический ток протекает через материал, который способен быть намагниченным, например, железо или никель.

Если провод, по которому проходит ток, находится рядом с магнитом, то это вызовет появление электромагнитного поля в проводе. Это поле, в свою очередь, вызовет магнитное поле в материале, находящемся рядом с проводом. Таким образом, материал становится намагниченным.

Другой способ намагничивания магнита — трение. Этот метод используется для создания постоянных магнитов, которые будут сохранять свои свойства в течение длительного времени. Для этого необходимо трение магнита по другому магниту или другой намагниченной поверхности. Это вызовет ориентацию молекул магнита в определенном направлении, что приведет к появлению магнитного поля.

Также магниты можно заряжать при помощи сильного электрического поля. Если материал находится внутри этого поля, то молекулы материала будут намагничены в направлении поля. Это создаст магнитное поле внутри материала, что приведет к зарядке магнита.

Способы намагничивания магнитов:

Отталкивание магнитов

Магниты обладают свойством притягивать или отталкивать друг друга в зависимости от своих полюсов. Отталкивание магнитов происходит между магнитами с одинаковыми полярностями, то есть между северными и северными полюсами или между южными и южными полюсами. Это свойство объясняется чисто физическими законами, никакими мистическими силами как весьма продвинутые люди могут посчитать.

Если привести два одинаковых магнита близко друг к другу, начинают происходить изменения в магнитных полях. Силы магнитного поля стараются выровнять это неравновесие и происходит отталкивание магнитов. Большая часть неравновесия происходит на атомном уровне, где сильные магнитные поля каждого атома внутри каждого магнита стараются выровнять друг с другом, что приводит к отталкиванию магнитов.

Отталкивание магнитов можно использовать для создания различных устройств и механизмов, таких как электромоторы и генераторы электроэнергии. Однако, если магниты сильно отталкиваются друг от друга, это может постепенно уменьшать их силу и привести к потере их магнитных свойств.

• Отталкивание магнитов связано с магнитными полями и их взаимодействием.
• Отталкивание происходит между магнитами с одинаковыми полярностями.
• Отталкивание магнитов можно использовать для создания устройств, но сильное отталкивание может быть вредным для магнитов.

Закон Ленца-Фарадея и его роль

Закон Ленца-Фарадея – это фундаментальный закон электромагнетизма, который устанавливает, что правительствующая сила электромагнитного процесса создает индукционный ток, действующий против изменения величины этой силы.

Применение закона Ленца-Фарадея позволяет объяснить феномен отталкивания магнитов, при котором два магнита одинакового полярности отталкиваются друг от друга. Когда приближаем магнит к другому магниту, возникает движение электрических зарядов в металлических деталях магнита, что приводит к возникновению индукционного тока в области, где находится второй магнит. Этот ток создает магнитное поле, которое направлено противоположно полю первого магнита, и таким образом, магниты начинают отталкиваться друг от друга.

Закон Ленца-Фарадея играет важную роль в создании многих устройств, таких как генераторы электричества, трансформаторы и электромагниты. Благодаря ему удается создавать устройства, которые переводят энергию от одной формы к другой, а также устройства, которые используют электрический ток для работы.

Вопрос-ответ:

Что такое магнит?

Магнит – это материал, который обладает способностью притягивать некоторые другие материалы, такие как железо, никель и кобальт. Эта способность связана с наличием в магните магнитного поля.

Как работают магниты?

Магнит создает магнитное поле, которое может притягивать или отталкивать другие магниты или металлические предметы. Действие магнитного поля связано с движением электрических зарядов внутри магнитного материала. В магнитном материале существуют области, в которых все электроны смотрят в одну сторону. Эти области называются доменами.

Почему магниты отталкиваются?

Магниты отталкиваются, когда между ними присутствует одинаково направленное магнитное поле. Это происходит из-за того, что домены внутри магнитного материала выстраиваются в разные стороны, и магнитные поля этих доменов отталкивают друг друга.

Какие магниты существуют?

Существует несколько видов магнитов: постоянные магниты, электромагниты, динамические магниты и супермагниты. Постоянные магниты создаются из материалов, таких как железо, никель и кобальт. Электромагниты создаются путем применения электрического тока к проводнику. Динамические магниты создаются в результате движения электрических зарядов. Супермагниты – это магниты, обладающие особенными свойствами, такими как очень высокая сила притяжения.

Как магниты используются в промышленности?

Магниты широко используются в промышленности. Они используются для создания электромагнитов, магнитных сепараторов для очистки продуктов от металлических примесей, магнитных подъемников для перемещения металлических предметов, магнитных датчиков и других приборов. Также магниты применяются в медицине для создания магнитно-резонансной томографии.

Как взаимодействуют два магнита друг с другом?

Если соединить 2 магнита, то одинаковые полюсы отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются.

Всем известно, как взаимодействуют магниты. Они либо притягивают, либо отталкивают друг друга в зависимости от взаимного расположения их полюсов, причем это взаимодействие осуществляется без непосредственного соприкосновения магнитов друг с другом.

Поэтому считают, что вокруг магнита существует свое специальное магнитное поле, отличное от поля электрического заряда. Тогда силы взаимодействия между магнитами можно рассматривать как результат взаимодействия их полей с самими магнитами, т. е. поле одного магнита действует непосредственно на другой магнит, и наоборот.

Магнитное поле в любой точке пространства можно представить векто­ром В, называемым магнитной индук­цией, величину которого можно оп­ределить через вращающий момент, действующий на магнитную стрелку, когда она не ориентирована вдоль маг­нитной силовой линии (рис. 2). Чем боль­ше момент, тем сильнее магнитное поле.

Почему магнит притягивает и отталкивает?

Чем гуще силовые линии, тем концентрированнее магнетизм. Северный полюс одного магнита притягивает южный полюс другого, в то время как два одноименных полюса отталкивают друг друга. Магниты притягивают только определенные металлы, главным образом железо, никель и кобальт, называющиеся ферромагнетиками.

Что могут притягивать магниты?

Магнит способен намагничивать предметы. Магнит обладает способностью притягивать предметы из железа, даже через небольшие преграды из бумаги, ткани, пластмассы, дерева, стекла, воды. Магнит не стал притягивать неметаллические предметы и такие металлы, как золото, серебро, латунь.

Постоянные магниты – типы и свойства, формы, взаимодействие магнитов; Школа электротехники и электронной инженерии

Вынуждающая сила (дословно с латыни “удерживающая сила”) – это сила, которая не позволяет ферромагнитам менять свою магнитную полярность.

Постоянные магниты – типы и свойства, формы, взаимодействие магнитов

Ферромагнитный объект, способный сохранять значительный остаточный магнетизм после удаления внешнего магнитного поля, называется постоянным магнитом.

Постоянные магниты изготавливаются из различных металлов, таких как кобальт, железо, никель, редкоземельных сплавов (в случае неодимовых магнитов) и природных минералов, таких как магнетит.

Сфера применения постоянных магнитов сегодня очень широка, но их функция везде одинакова. В качестве источника постоянного магнитного поля без тока. Таким образом, магнит – это тело, обладающее собственным магнитным полем.

Само слово “магнит” происходит от греческого слова combination, которое переводится как “камень Магнезии”, от названия азиатского города, где в древности были обнаружены залежи магнетита – магнитного железняка.. С физической точки зрения, элементарным магнитом является электрон, а магнитные свойства магнитов обычно основаны на магнитных моментах электронов в намагниченном материале.

Постоянные магниты являются частью магнитной цепи электроприборов. Устройства с постоянными магнитами обычно основаны на преобразовании энергии

механические к механическим (сепараторы, магнитные муфты и т.д.)

от механических до электромагнитных (электрогенераторы, громкоговорители и т.д.);

от электромагнитных до механических (электродвигатели, громкоговорители, магнитоэлектрические системы и т.д.)

механические на внутренние (тормоза и т.д.).

Требования к постоянным магнитам следующие:

высокая удельная магнитная энергия;

минимальные размеры для данной напряженности поля;

доступность в широком диапазоне рабочих температур;

устойчивость к внешним магнитным полям; – технологичность;

низкая стоимость сырья;

стабильность магнитных параметров во времени.

Разнообразие задач, решаемых с помощью постоянных магнитов, обуславливает множество форм их конструкции. Постоянные магниты часто имеют подковообразную форму (так называемые подковообразные магниты).

На рисунке ниже показаны примеры форм промышленно выпускаемых редкоземельных постоянных магнитов с защитным покрытием.

Коммерчески доступные постоянные магниты различной формы: a – диск; b – кольцо; c – параллелограмм; d – цилиндр; e – шар; f – сектор полого цилиндра.

Магниты из твердых металлических сплавов и ферритовые магниты также выпускаются в виде круглых и прямоугольных прутков, труб, С-образных, подковообразных, прямоугольных пластин и т.д.

После придания материалу формы его необходимо намагнитить, т.е. поместить во внешнее магнитное поле, поскольку магнитные параметры постоянных магнитов зависят не только от их формы и материала, но и от направления намагничивания.

Заготовки намагничиваются с помощью постоянных магнитов, электромагнитов постоянного тока или магнитных катушек, через которые пропускаются импульсы тока. Выбор метода намагничивания зависит от материала и формы постоянного магнита.

Постоянные магниты могут частично или полностью потерять свои магнитные свойства (размагнититься) под воздействием экстремальных температур, ударов.

Характеристики области размагничивания петли магнитного гистерезиса материала постоянного магнита определяют свойства постоянного магнита: чем выше коэрцитивная сила Hc и магнитная индукция Vr, тем сильнее и стабильнее магнит.

Принудительная сила (дословно с латинского “удерживающая сила”) – это сила, которая не позволяет ферромагнетику изменить свою магнитную полярность.

Пока ферромагнит не поляризован, т.е. элементарные токи не ориентированы, коэрцитивная сила препятствует ориентации элементарных токов. Однако если ферромагнит уже поляризован, то он сохраняет ориентацию элементарных токов даже после удаления внешнего намагничивающего поля.

Это объясняет остаточный магнетизм, наблюдаемый во многих ферромагнетиках. Чем больше коэрцитивная сила, тем сильнее выражено явление остаточного магнетизма.

Таким образом, коэрцитивная сила – это значение напряженности магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферро- или ферримагнитного вещества. Чем больше коэрцитивная сила магнита, тем более он устойчив к размагничиванию.

Единицей измерения коэрцитивной силы в СИ является ампер/метр. А магнитная индукция, как мы знаем, это векторная величина, которая является характеристической силой магнитного поля. Характерное значение остаточной магнитной индукции постоянных магнитов составляет порядка 1 Тесла.

Магнитный гистерезис – это поляризационный эффект магнетика, который означает, что намагничивание и размагничивание магнитного материала не одинаковы, поскольку намагниченность материала всегда немного отстает от намагничивающего поля.

В этом случае часть энергии, использованной для намагничивания тела, не возвращается в намагничивающее устройство, а преобразуется в тепло при размагничивании. Поэтому многократное перемагничивание материала сопровождается заметной потерей энергии и иногда может привести к сильному нагреву намагниченного тела.

Чем больше гистерезис в материале, тем больше потеря намагниченности. Поэтому для магнитных цепей с переменным магнитным потоком используются материалы, не обладающие гистерезисом (см. Магнитопроводы электрооборудования).

Магнитные свойства постоянных магнитов могут изменяться под воздействием времени и внешних факторов, к которым относятся:

Изменения магнитных свойств характеризуются нестабильностью постоянного магнита, которая может быть структурной или магнитной по своей природе.

Структурная нестабильность вызывается изменениями в кристаллической структуре, фазовыми превращениями, уменьшением внутренних напряжений и т.д. В этом случае исходные магнитные свойства могут быть получены путем восстановления структуры (например, путем термической обработки материала).

Магнитная неустойчивость вызывается изменениями в магнитной структуре вещества магнита, которая стремится к термодинамическому равновесию с течением времени и под влиянием внешних воздействий. Магнитная нестабильность может быть:

обратимый (возврат к начальным условиям восстанавливает исходные магнитные свойства);

необратимый (возврат к исходным свойствам может быть достигнут только при повторном намагничивании).

Постоянный магнит или электромагнит – что лучше?

Использование постоянных магнитов вместо электромагнита, эквивалентного постоянным магнитам, для создания постоянного магнитного поля позволяет

уменьшить вес изделия;

исключают использование дополнительных источников питания (что упрощает конструкцию изделия, снижает производственные и эксплуатационные расходы);

обеспечивают практически неограниченную продолжительность поддержания магнитного поля в рабочих условиях (в зависимости от используемого материала).

Недостатками постоянных магнитов являются:

хрупкость материалов, используемых для их изготовления (это затрудняет механическую обработку изделий);

необходимость защиты от влаги и плесени (для ферритов ГОСТ 24063), а также от воздействия повышенной влажности и температуры.

Типы и свойства постоянных магнитов

Хотя ферритовые магниты хрупкие, они обладают хорошей коррозионной стойкостью, что делает их наиболее распространенными при низкой стоимости. Они изготавливаются из сплава оксида железа с ферритом бария или стронция. Этот материал сохраняет свои магнитные свойства в широком диапазоне температур от -30°C до +270°C.

Магнитные изделия в виде ферритовых колец, стержней и подков находят широкое применение в промышленности, быту, технике и электронике. Они используются в акустических системах, генераторах и двигателях постоянного тока. В автомобильной промышленности ферритовые магниты устанавливаются в стартерах, стеклоподъемниках, системах охлаждения и вентиляторах.

Ферритовые магниты имеют коэрцитивную силу около 200 кА/м и остаточную магнитную индукцию около 0,4 Тесла. В среднем ферритовый магнит служит от 10 до 30 лет.

Постоянные магниты на основе сплава алюминия, никеля и кобальта обладают превосходной термостойкостью и стабильностью: они могут выдерживать температуру до 550 °C, хотя их удельная коэрцитивная сила относительно невелика. При воздействии относительно небольшого магнитного поля они теряют свои первоначальные магнитные свойства.

Судите сами: типичная коэрцитивная сила составляет порядка 50 кА/м при остаточной намагниченности 0,7 Тесла. Однако, несмотря на эту особенность, магниты альнико незаменимы в некоторых научных исследованиях.

Типичное содержание компонентов в высокомагнитных сплавах алнико составляет от 7 до 10% алюминия, от 12 до 15% никеля, от 18 до 40% кобальта и от 3 до 4% меди.

Чем больше кобальта, тем выше индукция насыщения и тем выше магнитная энергия сплава. Добавление от 2 до 8% титана и всего лишь 1% ниобия позволяет увеличить коэрцитивную силу до 145 кА/м. Добавление от 0,5 до 1% кремния обеспечивает изотропные магнитные свойства.

Если требуется исключительная устойчивость к коррозии, окислению и температурам до +350°C, то магнитный сплав самарий-кобальт – это правильный выбор.

Самарий-кобальтовые магниты дороже неодимовых из-за более редкого и дорогого металла – кобальта. Тем не менее, они являются правильным выбором, когда необходимо сохранить размеры и вес конечного продукта как можно меньше.

Он наиболее полезен в космических аппаратах, авиационной и компьютерной технике, миниатюрных электродвигателях и магнитных муфтах, носимых устройствах и оборудовании (часы, наушники, мобильные телефоны и т.д.).

Благодаря особой устойчивости к коррозии самариевые магниты используются в стратегических и военных приложениях. Электродвигатели, генераторы, подъемные системы, автомобили – сильный магнит из самарий-кобальтового сплава идеально подходит для агрессивных сред и сложных применений. Коэрцитивная сила составляет порядка 700 кА/м с остаточной магнитной индукцией порядка 1 Тесла.

Неодимовые магниты в настоящее время представляют большой интерес и кажутся наиболее перспективными. Сплав неодим-железо-бор позволяет создавать супермагниты для самых разных применений – от защелок и игрушек до электрогенераторов и мощных подъемных машин.

Высокая коэрцитивная сила 1000 кА/м и остаточный магнетизм 1,1 Тесла позволяют магниту служить в течение многих лет, за 10 лет неодимовый магнит теряет только 1% своего магнетизма, если рабочая температура не превышает +80°C (для некоторых марок до +200°C). Поэтому неодимовые магниты имеют только два недостатка – хрупкость и низкую рабочую температуру.

Магнитный порошок вместе со связующим компонентом образует мягкий, гибкий и легкий магнит. Связующие элементы, такие как винил, резина, пластик или акрил, позволяют изготавливать магниты различных форм и размеров.

Магнитная сила, конечно, ниже, чем в случае чисто магнитного материала, но такие решения иногда необходимы для достижения некоторых необычных для магнитов целей: в производстве рекламных изделий, в производстве съемных наклеек для автомобилей, в производстве различных канцелярских и сувенирных изделий.

Противоположные полюса магнитов отталкиваются друг от друга, а противоположные полюса притягиваются. Причина взаимодействия магнитов заключается в том, что каждый магнит имеет магнитное поле, и эти магнитные поля взаимодействуют друг с другом. В чем, например, причина того, что железо намагничивается?

Согласно гипотезе французского ученого Ампера, внутри материи существуют элементарные электрические токи (токи Ампера), которые создаются движением электронов вокруг ядер атомов и вокруг собственной оси.

Когда электроны движутся, создаются элементарные магнитные поля. А если кусок железа внести во внешнее магнитное поле, то все элементарные магнитные поля в железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, образуя собственное магнитное поле куска железа. Поэтому, если приложенное внешнее магнитное поле было достаточно сильным, то при выключении кусок железа станет постоянным магнитом.

Знание формы и намагниченности постоянного магнита позволяет заменить его для расчетов эквивалентной системой электрических токов намагничивания. Такая замена возможна как при расчете характеристик магнитного поля, так и при расчете сил, действующих на магнит со стороны внешнего поля.

В качестве примера рассчитаем силу взаимодействия двух постоянных магнитов. Пусть магниты имеют форму тонких цилиндров, их радиусы равны r1 и r2, толщина h1 и h2, оси магнитов совпадают, расстояние между магнитами равно z, при этом следует понимать, что оно намного больше размеров магнитов.

Возникновение силы взаимодействия между магнитами объясняется традиционным способом: один магнит создает магнитное поле, которое воздействует на другой магнит.

Для расчета силы взаимодействия заменим магниты с равномерной намагниченностью J1 и J2 круговыми токами, текущими вдоль боковой поверхности цилиндров. Силы этих токов будут выражаться намагниченностями магнитов, а их радиусы мы примем равными радиусам магнитов.

Разложим вектор индукции магнитного поля B, создаваемого первым магнитом в месте расположения второго магнита, на две составляющие: осевую, направленную вдоль оси магнита, и радиальную, перпендикулярную ей.

Чтобы рассчитать общую силу, действующую на кольцо, нужно мысленно разделить его на мелкие элементы Idl и сложить силы Ампера, действующие на каждый такой элемент.

Используя правило левой руки, легко показать, что осевая составляющая магнитного поля создает силы Ампера, которые растягивают (или сжимают) кольцо – векторная сумма этих сил равна нулю.

Радиальная составляющая поля создает силы Ампера вдоль оси магнитов, т.е. притяжение или отталкивание. Остается только рассчитать силу Ампера, которая является силой взаимодействия между двумя магнитами.

Важно! В обиходе постоянные магниты бывают двух форм: простая полоса и подкова.

Природа магнетизма

Демонстрация свойств магнита притягивать к себе металлические предметы вызывает вопрос: что такое постоянные магниты? Какова природа явления притяжения металлических предметов к магнетиту?

Первое объяснение природы магнетизма было дано великим ученым Ампером в его гипотезе. Во всей материи протекают электрические токи различной силы. Другими словами, они называются амперными токами. Электроны, вращаясь вокруг собственной оси, дополнительно вращаются вокруг ядра атома. Это создает элементарные магнитные поля, которые, взаимодействуя друг с другом, создают общее поле материи.

В потенциальных магнетитах, в отсутствие внешних взаимодействий, поля элементов атомной решетки ориентированы хаотично. Внешнее магнитное поле “выравнивает” микрополя в структуре материала в строго определенном направлении. Потенциалы на противоположных концах магнетита взаимно отталкивают друг друга. Если одинаковые полюса двух полосатых ПМ расположены близко друг к другу, руки человека будут ощущать сопротивление при движении. Разные полюса будут стремиться двигаться ближе друг к другу.

Когда сталь или сплав железа помещают во внешнее магнитное поле, внутренние поля металла сильно ориентированы в одном направлении. В результате материал становится постоянным магнитом (ПМ).

Постоянный магнит – это магнитиз ферромагнитного материала. Он создает стабильное магнитное поле.

Полярность

Все магниты имеют два полюса: северный и южный. Они всегда встречаются парами. Даже если вы разделите магнит на две равные части, в обеих частях останутся два полюса.

Северный и южный полюса наблюдаются парами. Если вы попытаетесь разделить их, вы только увеличите их количество. В конце концов вы придете к атому железа с полюсами, которые невозможно разделить.

Чтобы намагнитить вещество, необходимо поместить его в магнитное поле.

Что такое постоянный магнит?

Постоянные магниты – это тела, которые остаются намагниченными в течение длительного времени.
Основным свойством магнитов является притяжение железа или сплавов железа (например, железа с высоким магнитным сопротивлением). сталь).

Постоянный магнит всегда имеет два магнитных полюса: северный (N) и южный (S).
Магнитное поле постоянного магнита сильнее всего на его полюсах.

Постоянные магниты обычно изготавливаются из железа, стали, чугуна и других сплавов железа (сильные магниты), а также никеля и кобальта (слабые магниты).
Магниты могут быть естественными (природными) из железной руды и искусственными, полученными путем намагничивания железа в магнитном поле.

Одинаковые полюса отталкиваются друг от друга, а противоположные полюса притягиваются.
Магниты взаимодействуют друг с другом, потому что каждый магнит имеет магнитное поле, и эти магнитные поля взаимодействуют друг с другом.

Магнитное поле постоянных магнитов

Что является причиной намагничивания железа?
Согласно гипотезе французского ученого Ампера, внутри материи существуют элементарные электрические токи (токи Ампера), которые возникают в результате движения электронов вокруг ядер атомов и вокруг собственной оси. При движении электронов создаются элементарные магнитные поля. Когда кусок железа помещается во внешнее магнитное поле, все элементарные магнитные поля в железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, создавая собственное магнитное поле. Таким образом, кусок железа становится магнитом.

Как выглядит магнитное поле постоянных магнитов?
Вы можете получить представление о форме магнитного поля, используя кусочек железных опилок. Для этого достаточно положить лист бумаги на магнит и посыпать его железными опилками.

Для постоянного стержневого магнита

Для постоянного дугового магнита

Если поднести магнит к вертелу из железных спиц и поставить рядом факел, что произойдет?

Природные магниты (или натуральные магниты) – это куски магнитного железного камня.

Магнитный железняк или магнетит в разных странах называли по-разному:
Китайцы называли его чу-ши;
Греки называли его адамас и каламита, камень Геракла;
Французы называли его Айман;
Индусы называли его тумбака;
Египтяне, кость Ора,
испанцы, piedramante;
Немцы, магний и цигельштейн;
По-английски – lowstone.
Почти половина этих названий переводится как “любящий”, именно так было описано главное свойство магнитов – притяжение, “любовь” к железу.

По химическому составу магнетит состоит из 31% FeO и 69% Fe2O3.
___

Природные магниты, вырезанные из кусков магнитного железняка, раньше были больших размеров. По сей день самый большой из известных природных магнитов находится в Тартуском университете. Его вес составляет 13 кг, а подъемная сила – 40 кг (в арматуре).
Такие магниты в медной оправе с железными колпачками выпускали уральские заводы. Их использовали горные офицеры, моряки, изготовители компасов, исследователи.
___

Такие магниты заказывали и богатые любители диковинок. Как правило, каркас магнитов представлял собой красиво отделанный медный ящик, к которому сверху крепилась подвижная ручка, а снизу – “ярмо” с профилированной вырезной рамой и крючком для подвешивания груза. Эти магниты поднимали груз в десять раз тяжелее, чем сам магнит.
___

Один из самых сильных природных магнитов был, по легенде, у Ньютона – в его кольцо был помещен магнит, который поднимал предметы в 50 (!) раз больше веса самого магнита.

. что нейтронные звезды являются самыми сильными магнитами во Вселенной. Их магнитное поле во много миллиардов раз превышает магнитное поле Земли.

Искусственные магниты были изготовлены в Англии в 18 веке.
___

Чтобы намагнитить вещество, его необходимо поместить в магнитное поле.

КАК СДЕЛАТЬ МАГНИТ

Искусственные магниты могут быть изготовлены путем:
1. Потирая кусок магнитного железняка (или один конец постоянного магнита) в одном направлении о железные бруски;
2) или просто поместив ненамагниченный брусок железа на постоянный магнит.
Оказывается, таким образом можно получить искусственные магниты гораздо сильнее, чем те, которые вы сотрете друг с другом!
___

Некоторые вещества очень легко намагничиваются. Обычно, однако, вещества, которые легко намагничиваются, так же легко размагничиваются (чистое железо). Такие вещества называются магнитно-мягкими.
___

Трудно намагничиваемые вещества (сталь) остаются сильно намагниченными даже после удаления внешнего магнитного поля; их называют магнитно-твердыми.
___

В конце прошлого века было замечено, что добавление 3% вольфрама к железу улучшает свойства искусственных магнитов примерно в 3 раза. Добавление кобальта улучшает свойства еще в 3 раза.
___

Лучшим довоенным магнитным сплавом был сплав альнико на основе алюминия, никеля и кобальта.
С помощью магнитов альнико можно было поднимать железные предметы весом в 500 раз больше, чем вес самого магнита.
В результате спекания порошкообразного алнико был получен магнит, способный поднять предмет, вес которого в 4 450 раз превышает вес самого магнита!
___

Еще более сильные магниты изготавливаются из сплава magneco, который содержит железо, кобальт, никель и некоторые другие добавки. Порошковые магниты на основе этого сплава могут поднимать массу железа, более чем в 5 000 раз превышающую их собственный вес.
___

Еще более мощными являются так называемые оксидно-баритовые магниты.

Японцы создали магнит, один квадратный сантиметр которого притягивает 900 кг груза.
Изобретение имеет форму цилиндра высотой 2 см и диаметром 1,5 см.
Уникальный сплав магнита включает такие металлы, как неодим и европий.

И ВСЕ ОНИ ТАКИЕ РАЗНЫЕ.

Интересно, что все вещества, помещенные в магнитное поле, становятся намагниченными.
…Но по-разному!

Различные вещества реагируют по-разному, когда их помещают во внешнее магнитное поле:
– Существуют вещества, которые ослабляют действие внешнего поля внутри себя – это парамагнетики.
– Существуют вещества, которые усиливают внешнее поле внутри себя – это диамагнетики.
– Существуют вещества с огромной способностью (в тысячи раз) усиливать внешнее поле внутри себя (железо, кобальт, никель, сплавы и соединения этих металлов) – это ферромагниты.

Ферромагниты подразделяются на :
– Материалы, которые при воздействии сильного внешнего магнитного поля сами становятся магнитами – это магнитотвердые материалы.
– материалы, которые ведут себя как магниты, пока находятся в сильном внешнем магнитном поле, но если внешнее магнитное поле исчезает, эти материалы сразу же теряют свои магнитные свойства – это магнитно-мягкие материалы.

На городской площади Демокрасии, Гватемала, стоит дюжина древних статуэток, найденных во время раскопок на земле, принадлежавшей ольмекам. Эти скульптуры “толстяков” были высечены из блоков магнитной породы более трех тысяч лет назад.
Интересно, что линии магнитной силы, похоже, выходят из животов “толстяков”!
Помимо “толстяков”, древние ольмеки умели вырезать фигурки морских черепах с намагниченными головами, вероятно, приписывая им способность находить правильный курс в открытом море.
___

Китайские хроники содержат описания магнитных ворот, через которые не мог пройти враг с оружием.
___

Существует рассказ о святилище Мухаммеда с магнитным сводом, под которым плавает железный ларец с прахом пророка. Однако европейские путешественники так и не смогли увидеть это чудо.
___

Плиний писал, что александрийский архитектор Хинократ начал делать свод храма Арсинои из магнитного камня, чтобы железная фигура Арсинои висела в воздухе; этот план, очевидно, не был осуществлен.
Многие церковные историки утверждают, что в александрийском храме Сераписа статуя бога солнца могла, к изумлению молящихся, взлетать к потолку, увлекаемая силой большого магнита.
___

Рисунок 1: Постоянные магниты различной формы. Полосатые и арочные магниты

Где используются постоянные магниты

Превосходные свойства постоянных магнитов используются в различных областях науки, техники, промышленности и повседневной жизни. Это лишь несколько примеров:

• Запись и хранение информации (магнитные ленты, компьютерные дискеты и диски);
• Пластиковые карты для различных целей (финансовые карты, карты вознаграждения, карты безопасности);
• Микрофоны, громкоговорители, аудиооборудование;
• Электродвигатели, генераторы, трансформаторы;
• Компасы;
• В измерительных приборах с отклоняющейся стрелкой, например, в амперметре;
• Пластиковые магниты для образовательных и выставочных целей;
• Магниты на холодильник;
• Изготовление застежек для одежды и сумок:
• Мебельные ручки (запирающие двери);
• Игрушки для детей.

В настоящее время самыми мощными искусственными магнитами являются те, которые содержат редкоземельные металлы, такие как неодим (сплав Nd-Fe-B) или самарий (сплав Sm-Co). Эти магниты способны сохранять свои свойства без размагничивания в течение 30 лет.

Каков конечный результат? Поскольку центральный магнит можно просто вращать, то будет происходить и перемещение максимума общей плотности магнитного потока по окружности, равное частоте вращения центрального магнита. Другими словами, один центральный магнит может управлять общим полем, которое является суммой сил трех магнитов. При вращении центрального магнита не происходит изменения полной энергии магнитного поля, т.е. вращение центрального магнита происходит без затрат энергии.

Сила и слабость постоянных магнитов

Чистый или нейтральный ток можно описать как ситуацию, в которой существуют условно удаленные заряды, состоящие из равного числа отрицательно и положительно заряженных частиц, одни из которых движутся относительно других в доминирующем направлении. Именно взаимное движение зарядов противоположного знака друг относительно друга и является нейтральным током. Другие варианты движения зарядов, напр. с преимущественно зарядами одного знака, будут в некотором роде производными от нейтрального тока и, соответственно, будут иметь некоторые особенности электрических взаимодействий.

Во многих ситуациях мы не имеем дело с нейтральными токами, поскольку существует как неравномерное распределение зарядов по длине проводника с током, так и скачки напряженности электрического поля на определенных границах проводника (наличие ЭДС, вызывающей ток, и т.д.). Поэтому для изучения свойств нейтрального тока необходимо использовать либо кольцевой сверхпроводник с током, либо постоянные магниты, которые в этом случае условно можно считать кольцевой нейтральной токовой системой.

Кольцевые токи магнитов

При рассмотрении постоянных магнитов как кольцевых нейтральных токов можно сделать несколько общих замечаний. Электрический кольцевой ток поддерживается без внешней зарядки в течение достаточно длительного периода времени. Процесс нейтрального тока не сопровождается выделением тепла или электромагнитным излучением (просто поддерживается тепловое равновесие с окружающей средой и телом постоянного магнита).

Хотя “магнитные” токи нейтрального кольца, предположим, имеют постоянную величину, при взаимодействии магнитов возникают ситуации, в которых возможны как определенные переходные процессы, так и взаимодействие токов друг с другом. Другими словами, возникает явление электрической взаимной индукции.

Взаимная индукция двух контуров с током при наличии магнитной связи достаточно подробно описана в литературе. Известно, что энергия двух магнитосвязанных контуров тока отличается от суммы собственных энергий этих токов на величину взаимной энергии двух токов. Распространяя этот принцип на взаимодействие постоянных магнитов, можно сказать, что энергия системы магнитов отличается от полной энергии каждого магнита. Это понятно, поскольку механическая работа производится, когда магниты приближаются или удаляются друг от друга.

Но так ли постоянны по величине эквивалентные круговые токи постоянных магнитов? Действительно, они, упрощенно говоря, являются суммой огромного количества элементарных молекулярных токов. Однако, в отличие от других материальных тел, постоянный магнит имеет внешнее и внутреннее магнитное поле, которое “связывает” все элементарные токи, и каждый круговой ток отвечает на колебания остальных, а они, в свою очередь, отвечают на его колебания. Другими словами, в постоянном магните все элементарные токи образуют единый “организм”, который сам по себе является постоянным магнитом. Если этот “организм” разрушается и каждый элементарный ток начинает “существовать” самостоятельно, то магнитные свойства этого объекта теряются.

Вращение – ключ к эффективности

В группе из трех магнитов центральный магнит “модулирует” общее магнитное поле всех трех магнитов. Максимальная плотность смещается в одну сторону, а на противоположной стороне магнитное поле практически отсутствует. Когда мы изменяем магнитную силу среднего магнита, происходит плавное изменение общего поля, при этом плотность магнитного потока как бы перемещается в другую сторону.

Что это дает в итоге? Поскольку центральный магнит можно просто вращать, то будет происходить и перемещение максимума общей плотности магнитного потока по окружности, равное частоте вращения центрального магнита. Другими словами, один центральный магнит может создавать общее поле, равное сумме сил трех магнитов. При вращении центрального магнита не происходит изменения энергии накопленного магнитного поля, т.е. вращение центрального магнита происходит без затрат энергии.

Вращающийся или реверсивный максимальный магнитный поток может использоваться во многих приложениях, от простейших вариантов насосов до двигателей или генераторов. Все устройства будут обладать высокой эффективностью и низким энергопотреблением.

Конечно, вращение центрального постоянного магнита – не единственное практическое применение группы из трех постоянных магнитов в генераторах или двигателях. Этот центральный магнит может быть заменен электромагнитом, по обмотке которого протекает переменный ток различной формы (в зависимости от назначения или конструкции).

Наиболее интересное использование этого эффекта – в двух типах двигателей: линейных возвратно-поступательных и роторных. Эти двигатели могут достигать высоких крутящих моментов при относительно низких рабочих скоростях.

Где можно использовать постоянные магниты?

Характерной особенностью двигателей с активными постоянными магнитами является возможность электрического резонанса. Поскольку приводной электромагнит периодически меняет полярность, то есть питается переменным током, частота которого зависит от скорости (в случае роторного двигателя) в соотношении 1 / K, где K – число полюсов, электромагниты могут быть включены в колебательный контур с емкостью. Соединение электромагнитов может быть последовательным, параллельным или комбинированным, а емкость выбирается по резонансу на рабочей частоте двигателя, в этом случае средний ток, проходящий через электромагниты, будет большим и внешний источник тока будет компенсировать в основном активные потери.

Этот режим работы будет наиболее экономически привлекательным, а двигатель, в котором он используется, будет называться магнитно-резонансным шаговым двигателем. Скорость двигателя в этом случае практически не зависит от нагрузки и определяется частотой электрического резонанса, деленной на число полюсов, несмотря на увеличение потребляемого тока при увеличении нагрузки. Для увеличения скорости работы можно использовать многофазные схемы питания электромагнитов двигателя. Среднее ожидаемое снижение энергопотребления этих резонансных шаговых двигателей может достигать 60-75% по сравнению с обычными электродвигателями. Эти двигатели характеризуются высоким крутящим моментом, достаточно жесткими нагрузочными характеристиками, стабильной скоростью, высокой надежностью (якорь не имеет токопроводящих частей), отсутствием подвижных контактов, искр и т.д.

Тем не менее, они могут иметь некоторые преимущества перед трехфазными асинхронными и синхронными машинами и коллекторными двигателями постоянного тока. Одно из главных преимуществ – низкое энергопотребление.

Генератор с повышенной эффективностью

Использование постоянных магнитов эффективно, например, в конструкции электрогенератора с неподвижным ротором. Преимуществом данного типа генератора является отсутствие движущихся частей, высокая надежность, экономичность и простота конструкции. Магнитные материалы со специальными свойствами могут быть еще более экономичными. Среднее снижение энергопотребления при производстве электроэнергии с помощью генераторов этого типа может достигать 50% и более.

Их конструкция основана на принципе модуляции общего магнитного поля трех постоянных магнитов с помощью центрального магнита, который представляет собой электромагнит. Использование постоянных магнитов позволяет снизить затраты на энергию при выработке электричества.

Магнитная система этого генератора обычно имеет форму “креста в кольце”, где одна из поперечин – постоянные магниты, а другая – катушка управления, катушка которой может быть разделена на две части или использоваться как одна катушка. Кольцо представляет собой вихретоковый магнитопровод с низкими потерями и 4 рабочими обмотками (выходными обмотками), соединенными попарно. Выходное напряжение имеет частоту, в два раза превышающую частоту тока, питающего управляющую катушку.

Если обычный генератор (с вращающимся ротором) работает с постоянным магнитным потоком ротора (постоянные магниты или электромагнит), вращающегося в сторону от внешнего двигателя, который его приводит в движение, периодически изменяя магнитный поток в обмотках статора, то на стороне приводного двигателя возникают повышенные механические затраты.

При неподвижном роторе отсутствуют потери на трение и противодействующий момент от приводного двигателя. По сути, это особый тип трансформаторного инвертора с дополнительным усилением за счет магнитного поля постоянных магнитов. Преобразование входного переменного тока удваивает частоту выходного тока. Поскольку магнитное поле постоянных магнитов не меняет направления – происходит лишь периодическое перераспределение поля вдоль секторов кольца – оно активно участвует, внося свой “вклад” в генерацию ЭМП.

Магнитный поток управляющей или первичной обмотки электромагнита меняет знак, т.е. происходит процесс, аналогичный тому, что происходит в простом трансформаторе. Эффективность трансформаторного преобразования довольно высока. Другими словами, мы получаем трансформатор преобразователя частоты с повышенным КПД.

Каков конечный результат? Получается, что входная мощность как минимум меньше выходной. Превышение выходной мощности над входной происходит за счет энергии постоянных магнитов, которые являются неподвижными, в отличие от обычной генераторной схемы.

Дополнительные возможности этого генератора могут быть получены при использовании магнитных материалов со специальными свойствами для кольцевого сердечника статора.
Недостатками устройства являются удвоение частоты выходного напряжения, определенная сложность в изготовлении магнитопровода и обмоток, необходимость использования компенсационных обмоток для установки требуемых характеристик нагрузки. Максимальная мощность определяется в основном энергией используемых постоянных магнитов, от которой зависят все остальные параметры.

Для выработки трехфазного тока можно использовать либо 3 таких инвертора (питание обмоток управления синхронизировано), либо аналогичную конструкцию, выполненную в трехфазном исполнении.