Постоянными магнитами называют тела, способные продолжительное время сохранять способность к притягиванию металлических предметов. Что лежит в основе этого удивительного свойства, как возникает магнитное поле, какие вещества могут обладать такими свойствами? Попробуем разобраться.
Магнетит — это железорудный минерал черного цвета, оксид железа Fe3O4, который имеет природные магнитные свойства.
Определение и основные признаки постоянного магнита
Постоянным магнитом называют твердый предмет, способный долгое время сохранять состояние намагниченности. Состояние намагниченности означает наличие магнитного поля, которое воздействует (притягивает) на металлические предметы.
Постоянные магниты могут быть естественного происхождения (магнетит) и искусственными, которые изготавливают из железа, стали, никеля, кобальта и других, более редких металлов. Искусственные магниты получают с помощью намагничивания заготовок в сильном магнитном поле. Эти магниты могут иметь разную форму и размеры.
Основным признаком постоянного магнита является наличие двух магнитных полюсов: южный — S, и северный — N. Магнитные линии направлены снаружи постоянного магнита от северного полюса к южному, а внутри магнита от южного к северному.
Почему у постоянного магнита имеется магнитное поле
В 1820 г. датский физик Ханс Эрстед при исследовании электрических явлений обнаружил, что если вблизи металлического провода разместить магнитную стрелку компаса, то при включении электрического тока стрелка отклонялась на заметный угол. Хотя он и не смог объяснить это явление, но после опубликования этих результатов французский ученый Андре-Мари Ампер высказал предположение, что движение электрических зарядов в проводе — электрический ток, приводит к появлению магнитного поля. Происходит взаимодействие, и на практике стрелка отклоняется.
Эту же идею Ампер использовал для объяснения природы магнитного поля постоянных магнитов. Согласно его теории магнитное поле появляется из-за наличия в магнитах непрерывно циркулирующих круговых токов, которые эквивалентны небольшим магнитикам. Эти токи складываются, усиливают друг друга и создают общее магнитное поле внутри и вне магнита. Магнит в целом представляет собой набор (сумму) этих магнитиков.
Наша планета представляет собой огромный постоянный магнит. Принципиальная схема постоянного магнита Земли, который создает ее магнитное поле, аналогична природе обычного, природного магнита. Ядро Земли имеет внешнюю оболочку из расплавленных металлов (железа, никеля и ряда примесей) при температуре более 4000 К0. Раскаленная масса, состоящая из смеси заряженных частиц, вращается вместе с Землей. В результате возникают непрерывно циркулирующие потоки и вихри, которые являются главной причиной появления магнитного поля Земли.
Как и из чего делают постоянные магниты
Магнетиты имеют довольно слабые магнитные свойства. Промышленным способом налажено массовое производство искусственных магнитов различных размеров. Исходными материалами для этого служат сплавы на основе металлов: железа Fe, никеля Ni, кобальта Co, неодима Nd, самария Sm. Заготовки из этих сплавов получают литьем, прессованием или спеканием. Затем они помещаются в очень сильное однородное магнитное поле, создаваемое электромагнитами. Во время воздействия магнитного поля, намагниченные частицы направляются в одну сторону. Так выравнивается полярность будущего магнита. В результате заготовки сильно намагничиваются и становятся самостоятельными постоянными магнитами.
В последнее время большую популярность получили полимерные постоянные магниты (магнитопласты). Их изготавливают из смеси магнитного порошка и полимерной (пластиковой) эластичной добавки, например, резины. Магнитные свойства магнитопластов невысоки, но их вполне достаточно для изготовления различных полезных приспособлений, например, магнитов на холодильник, пластиковых карт, демонстрационных и учебных досок.
Где используют постоянные магниты
Замечательные свойства постоянных магнитов используются в различных областях науки, техники, на производствах, в повседневной жизнедеятельности. Вот только некоторые из них:
- Запись и хранение информации (магнитные ленты, компьютерные дискеты и диски);
- Пластиковые карты различного назначения (финансовые, бонусные, контрольно-пропускные);
- Микрофоны, громкоговорители, звуковая техника;
- Электродвигатели, генераторы, трансформаторы;
- Компасы;
- В измерительных приборах с отклоняющей стрелкой, например, в амперметрах;
- Пластиковые магниты для использования в учебных выставочных целях;
- Магниты на холодильник;
- Изготовление застежек для одежды и сумок:
- Мебельные фиксаторы (закрывание дверок);
- Детские игрушки.
Пальму первенства среди самых мощных искусственных магнитов на сегодняшний день удерживают магниты, в состав которых включены редкоземельные металлы: неодим (сплав Nd-Fe-B) или самарий (сплав Sm-Co). Эти магниты могут сохранять свои свойства, не размагничиваясь в течение 30 лет.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что постоянные магниты могут быть естественными и искусственными. Согласно теории Ампера магнитное поле появляется из-за наличия внутри магнитов непрерывно циркулирующих круговых токов. Эти токи и создают общее магнитное поле внутри и вне магнита. Самые сильные постоянные магниты изготавливаются с применением редкоземельных металлов: самария и неодима.
