МАГНЕТИЗМ: МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Магнетизм или магнитная энергия является сила , связанным движением природы и способным производить электрическое притяжение или отталкивания в определенных веществах нагрузок. Магниты - хорошо известные источники магнетизма.

Внутри них происходят взаимодействия, которые преобразуются в присутствие магнитных полей, которые оказывают влияние, например, на небольшие кусочки железа или никеля.

Красивые цвета северного сияния обусловлены излучением энергии космическими частицами, которые отклоняются магнитным полем Земли. Источник: Pixabay.

Магнитное поле магнита становится видимым, когда его кладут под бумагу, на которой разложены железные опилки. Опилки сразу же ориентируются вдоль линий поля, создавая двухмерное изображение поля.

Другой известный источник - это провода, по которым проходит электрический ток; Но в отличие от постоянных магнитов магнетизм исчезает, когда ток прекращается.

Всякий раз, когда где-то возникает магнитное поле, какой-то агент должен делать работу. Энергия, вложенная в этот процесс, сохраняется в созданном магнитном поле и затем может рассматриваться как магнитная энергия.

Расчет того, сколько магнитной энергии хранится в поле, зависит от поля и геометрии устройства или региона, в котором оно было создано.

Индукторы или катушки - хорошее место для этого, создавая магнитную энергию почти так же, как электрическая энергия сохраняется между пластинами конденсатора.

История и открытия

Старые приложения

Легенды, рассказанные Плинием о Древней Греции, говорят о пастухе Магнесе, который более 2000 лет назад нашел загадочный минерал, способный притягивать куски железа, но не другие материалы. Это был магнетит, оксид железа с сильными магнитными свойствами.

Причина магнитного притяжения оставалась скрытой сотни лет. В лучшем случае это относили к сверхъестественным событиям. Хотя не по этой причине, ему нашли интересные применения, например, компас.

Компас, изобретенный китайцами, использует собственный магнетизм Земли, чтобы направлять пользователя во время навигации.

Первые научные исследования

Изучение магнитных явлений имело большой успех благодаря Уильяму Гилберту (1544 - 1603). Этот английский ученый елизаветинской эпохи изучил магнитное поле сферического магнита и пришел к выводу, что Земля должна иметь собственное магнитное поле.

Изучая магниты, он также понял, что не может получить отдельные магнитные полюса. Когда магнит делится на две части, новые магниты также имеют оба полюса.

Однако именно в начале 19 века ученые осознали существование связи между электрическим током и магнетизмом.

Ганс Христиан Эрстед (1777–1851), родившийся в Дании, в 1820 году задумал пропустить электрический ток через проводник и наблюдать, как это влияет на компас. Компас отклоняется, и когда течение перестанет течь, компас снова будет указывать на север, как обычно.

Это явление можно проверить, поднеся компас ближе к одному из проводов, выходящих из автомобильного аккумулятора, во время работы стартера.

Во время замыкания цепи стрелка должна испытывать заметное отклонение, поскольку аккумуляторные батареи автомобилей могут обеспечивать токи достаточно большие, чтобы компас отклонялся.

Таким образом стало ясно, что движущиеся заряды вызывают магнетизм.

Современные исследования

Спустя несколько лет после экспериментов Эрстеда британский исследователь Майкл Фарадей (1791–1867) отметил еще одну важную веху, обнаружив, что переменные магнитные поля, в свою очередь, вызывают электрические токи.

Оба явления, электрическое и магнитное, тесно связаны друг с другом, и одно порождает другое. Их соединил ученик Фарадея, Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), в уравнениях, названных его именем.

Эти уравнения содержат и резюмируют электромагнитную теорию и справедливы даже в рамках релятивистской физики.

Магнитные свойства материалов

Почему некоторые материалы обладают магнитными свойствами или легко приобретают магнетизм? Мы знаем, что магнитное поле возникает из-за движущихся зарядов, поэтому внутри магнита должны быть невидимые электрические токи, которые вызывают магнетизм.

Вся материя содержит электроны, вращающиеся вокруг ядра атома. Электрон можно сравнить с Землей, которая совершает поступательное движение вокруг Солнца, а также вращательное движение вокруг собственной оси.

Классическая физика приписывает аналогичные движения электрону, хотя аналогия не совсем точна. Однако дело в том, что оба свойства электрона заставляют его вести себя как крошечная петля, которая создает магнитное поле.

Наибольший вклад в магнитное поле атома вносит спин электрона. В атомах с большим количеством электронов они сгруппированы парами с противоположными спинами. Таким образом, их магнитные поля нейтрализуют друг друга. Так происходит с большинством материалов.

Однако есть некоторые минералы и соединения, в которых есть неспаренный электрон. Таким образом, чистое магнитное поле не равно нулю. Это создает магнитный момент, вектор, величина которого является произведением силы тока и площади цепи.

Соседние магнитные моменты взаимодействуют друг с другом и образуют области, называемые магнитными доменами, в которых многие спины ориентированы в одном направлении. Возникающее магнитное поле очень сильное.

Ферромагнетизм, парамагнетизм и диамагнетизм

Материалы, обладающие этим качеством, называются ферромагнитными. Их немного: железо, никель, кобальт, гадолиний и некоторые их сплавы.

У остальных элементов периодической таблицы отсутствуют эти очень выраженные магнитные эффекты. Они попадают в категорию парамагнитных или диамагнитных.

Фактически, диамагнетизм - это свойство всех материалов, которые испытывают легкое отталкивание в присутствии внешнего магнитного поля. Висмут - элемент с наиболее выраженным диамагнетизмом.

С другой стороны, парамагнетизм состоит из менее интенсивного магнитного отклика, чем ферромагнетизм, но столь же привлекательного. Парамагнитными веществами являются, например, алюминий, воздух и некоторые оксиды железа, такие как гетит.

Использование магнитной энергии

Магнетизм - это часть фундаментальных сил природы. Поскольку люди также являются его частью, они приспособлены к существованию магнитных явлений, а также к остальной жизни на планете. Например, некоторые животные используют магнитное поле Земли для географической ориентации.

Фактически, считается, что птицы совершают свои длительные миграции благодаря тому, что в их мозгу есть своего рода органический компас, который позволяет им воспринимать и использовать геомагнитное поле.

Хотя у людей нет такого компаса, у них есть возможность изменять окружающую среду гораздо большим количеством способов, чем у остального животного царства. Таким образом, представители нашего вида использовали магнетизм в своих интересах с того момента, как первый греческий пастух открыл магнитный камень.

Некоторые применения магнитной энергии

С тех пор существует множество применений магнетизма. Вот несколько:

- Вышеупомянутый компас, который использует геомагнитное поле Земли для географической ориентации.

- Старые экраны для телевизоров, компьютеров и осциллографов на основе электронно-лучевой трубки, в которых используются катушки, генерирующие магнитные поля. Они отвечают за отклонение электронного луча, так что он попадает в определенные места на экране, формируя изображение.

- Масс-спектрометры, используемые для изучения различных типов молекул и многих приложений в биохимии, криминологии, антропологии, истории и других дисциплинах. Они используют электрические и магнитные поля для отклонения заряженных частиц по траекториям, которые зависят от их скорости.

- Магнитогидродинамическая тяга, в которой магнитная сила движет струю морской воды (хороший проводник) назад, так что по третьему закону Ньютона транспортное средство или лодка получают прямой импульс.

- Магнитно-резонансная томография, неинвазивный метод получения изображений внутренней части человеческого тела. По сути, он использует очень сильное магнитное поле и анализирует реакцию ядер водорода (протонов), присутствующих в тканях, которые обладают вышеупомянутым свойством спина.

Эти применения уже существуют, но в будущем считается, что магнетизм может также бороться с такими заболеваниями, как рак груди, с помощью гипертермических методов, которые производят индуцированное магнитным полем тепло.

Идея состоит в том, чтобы ввести жидкий магнетит прямо в опухоль. Благодаря теплу, производимому магнитно-индуцированными токами, частицы железа станут достаточно горячими, чтобы разрушить злокачественные клетки.

Преимущества и недостатки

Когда вы думаете об использовании определенного типа энергии, вам необходимо преобразовать ее в некоторый тип движения, например, в движение турбины, лифта или транспортного средства; или что он преобразуется в электрическую энергию, которая включает какое-либо устройство: телефоны, телевизоры, банкоматы и тому подобное.

Энергия - это величина, имеющая множество проявлений, которую можно изменять разными способами. Можно ли усилить энергию небольшого магнита, чтобы он непрерывно перемещал больше, чем несколько монет?

Чтобы можно было использовать энергию, она должна иметь широкий диапазон и поступать из очень обильного источника.

Первичная и вторичная энергии

Такие энергии встречаются в природе, из которых производятся другие типы. Они известны как первичные энергии:

- Солнечная энергия.

- Атомная энергия.

- Геотермальная энергия.

- Ветровая энергия.

- Энергия биомассы.

- Энергия из ископаемого топлива и минералов.

Из них производятся вторичные источники энергии, такие как электричество и тепло. Где здесь магнитная энергия?

Электричество и магнетизм - это не два отдельных явления. Фактически, оба эти явления вместе известны как электромагнитные явления. Пока существует один из них, будет существовать другой.

Где есть электрическая энергия, будет магнитная энергия в той или иной форме. Но это вторичная энергия, которая требует предварительного преобразования некоторых первичных энергий.

Характеристики первичной и вторичной энергии

Преимущества или недостатки использования того или иного вида энергии устанавливаются по многим критериям. Сюда входит, насколько легко и дешево его производство, а также насколько процесс способен негативно влиять на окружающую среду и людей.

Важно помнить, что энергии много раз трансформируются, прежде чем их можно будет использовать.

Сколько преобразований должно было произойти, чтобы сделать магнит, который приклеит список покупок к дверце холодильника? Сколько построить электромобиль? Конечно, достаточно.

А насколько чиста магнитная или электромагнитная энергия? Есть те, кто считает, что постоянное воздействие электромагнитных полей человеческого происхождения вызывает проблемы со здоровьем и окружающей средой.

В настоящее время существует множество исследований, посвященных изучению влияния этих полей на здоровье и окружающую среду, но, по мнению авторитетных международных организаций, до сих пор нет убедительных доказательств того, что они вредны.

Примеры магнитной энергии

Устройство, которое служит для удержания магнитной энергии, известно как индуктор. Это катушка, которая образована намоткой медного провода с достаточным количеством витков и используется во многих схемах для ограничения тока и предотвращения его резких изменений.

Медная катушка. Источник: Pixabay.

Пропуская ток через витки катушки, внутри нее создается магнитное поле.

Если ток меняется, то меняются силовые линии магнитного поля. Эти изменения индуцируют ток в витках, который им противодействует, согласно закону индукции Фарадея-Ленца.

Когда ток внезапно увеличивается или уменьшается, катушка противодействует ему, поэтому он может оказывать защитное воздействие на цепь.

Магнитная энергия катушки

Магнитная энергия накапливается в магнитном поле, создаваемом в объеме, ограниченном витками катушки, который будет обозначен как U _B и который зависит от:

- Напряженность магнитного поля B.

- Площадь поперечного сечения катушки А.

- Длина катушки l.

- проницаемость вакуума μ _o.

Он рассчитывается следующим образом:

Это уравнение справедливо в любой области пространства, где есть магнитное поле. Зная объем V этой области, ее проницаемость и напряженность поля, можно вычислить, сколько магнитной энергии она обладает.

Упражнение решено

Магнитное поле внутри заполненной воздухом катушки диаметром 2,0 см и длиной 26 см составляет 0,70 Т. Сколько энергии хранится в этом поле?

Решение

Числовые значения подставляются в предыдущее уравнение с учетом преобразования значений в единицы Международной системы.

1. Джанколи, Д. 2006. Физика: принципы с приложениями. Издание шестое. Прентис Холл. 606-607.
2. Уилсон, Дж. Д. 2011. Физика 12. Пирсон. 135-146.