Сила магнита: от чего она зависит? .

Всем известно, что магнит обладает мощным магнитным полем. Это природный материал, который можно встретить в виде камня магнетита. Этот камень обладает особым свойством – он способен притягивать не только подобные камни, но и металлические предметы. На языках многих народов слово «магнит» означает «любящий». Это связано с его «желанием» притягиваться к другим предметам.

Существую искусственные магниты, которые создают из порошка: кобальт, железо и др.

Магнитная сила

Рассматривая магниты, можно заметить, что сила притягивания, например, к одному и тому же предмету у разных магнитов разная. Именно этот момент и называется магнитной силой. Так от чего же она зависит?

Чтобы понять различие, необходимо взять несколько магнитов разной формы и размера – диск, брусок, магнит в виде подковы. Также для сравнения нужны любые железные предметы: гайки, скрепки, саморезы, которые горкой высыпаем в 3 разные тарелки.

А дальше всё просто: магниты по очереди подносятся к каждой тарелки, и считается количество примагниченных предметов одного типа.

Результат будет в том, сколько одинаковых предметов поднимает каждый из магнитов.

Итог:

Сила магнита напрямую зависит от формы и размера магнита. Так, магнит-подкова мощнее прямоугольника, а диск слабее прямоугольника. Если взять магниты одной формы, но с разным размером, то сильнее окажется самый большой.

Магнитная сила и вода

Чтобы проверить, работает ли магнитная сила через воду, необходимо взять следующие предметы:

• Стакан с водой
• Скрепка
• Магнит

Опускаем скрепку в стакан с водой. Прислоняем магнит к стенке стакана и скрепка начинает приближаться к нему. Если двигать магнитом вдоль стакана, скрепка также будет двигаться за ним. Таким способом можно достать скрепу, не намочив руки.

Итог:

Вода никаким образом не мешает действию магнитной силы. Более того, будь стакан железным, опыт проходил бы ровно также, только с меньшей силой. Это связано с тем, что металл поглощает магнитную силу.

Магниты — это материалы, которые генерируют поле, которое притягивает или отталкивает некоторые другие материалы (например, железо и никель) с определенного расстояния. Это невидимое поле, известное как магнитное поле, отвечает за ключевые свойства магнита.

Древние люди использовали магниты по крайней мере с 500 г. до н.э., и самые ранние известные описания таких материалов и их характеристики происходят из Китая, Индии и Греции около 25 веков назад. Однако искусственные магниты были созданы еще в 1980-х годах.

Очевидно, что не все магниты состоят из одних и тех же веществ, и поэтому их можно разделить на разные классы в зависимости от их состава и источника магнетизма. Ниже приведен подробный список трех основных типов магнитов с указанием их свойств, прочности, а также промышленного и непромышленного применения.

1. Постоянные магниты

I) Ферритовые магниты

Ферритовые магниты (также называемые керамическими магнитами) являются электроизоляционными. Они темно-серого цвета и выглядят как карандашный грифель.

Ферриты обычно представляют собой ферромагнитные керамические соединения, получаемые путем смешивания больших количеств оксида железа с металлическими элементами, такими как марганец, барий, цинк и никель. Некоторые ферриты имеют кристаллическую структуру, например ферриты стронция и бария.

Они довольно популярны благодаря своей природе: они не подвержены коррозии и, следовательно, используются для продления жизненного цикла многих продуктов. Ферритовые магниты могут использоваться в чрезвычайно жарких условиях (до 300 градусов Цельсия), и стоимость изготовления таких магнитов также низкая, особенно если они производятся в больших объемах.

Они могут быть далее подразделены на «твердые», «полужесткие» или «мягкие» ферриты, в зависимости от их магнитных свойств.

Поскольку твердые ферриты трудно размагничивать, они обладают высокой коэрцитивной силой. Они используются для изготовления магнитов, например небольших электродвигателей и громкоговорителей. Мягкие ферриты, с другой стороны, имеют низкую коэрцитивную силу и используются для изготовления электронных индукторов, трансформаторов и различных микроволновых компонентов.

II) магниты Алнико

Магниты алнико состоят из алюминия (Al), никеля (Ni) и кобальта (Co), отсюда и название al-ni-co. Они часто включают титан и медь. В отличие от керамических магнитов, они являются электропроводящими и имеют высокие температуры плавления.

Чтобы классифицировать их (основываясь на их магнитных свойствах и химическом составе), Ассоциация производителей магнитных материалов присвоила им номера, такие как Alnico 3 или Alnico 7.

Алникос был самым сильным типом постоянных магнитов до развития редкоземельных магнитов в 1970-х годах. Известно, что они создают высокую напряженность магнитного поля на своих полюсах — до 0,15 Тесла, что в 3000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли.

Сплавы Alnico могут сохранять свои магнитные свойства при высоких рабочих температурах, вплоть до 800 градусов Цельсия. Фактически, они являются единственными магнитами, которые имеют магнетизм при нагревании раскаленным докрасна.

Эти магниты широко используются в бытовых и промышленных применениях: несколько примеров — это магнетронные трубки, датчики, микрофоны, электродвигатели, громкоговорители, электронные трубки, радары.

III) Редкоземельные магниты

Как следует из названия, редкоземельные магниты изготавливаются из сплавов редкоземельных элементов. Это самый сильный тип постоянных магнитов, разработанный в 1970-х годах. Их магнитное поле может легко превышать 1 Тесла.

Два типа редкоземельных магнитов — самарий-кобальтовые и неодимовые магниты. Оба уязвимы для коррозии и очень хрупкие. Таким образом, они покрыты определенным слоем (слоями), чтобы защитить их от сколов или поломок.

Самарий-кобальтовые магниты состоят из празеодима, церия, гадолиния, железа, меди и циркония. Они могут сохранять свои магнитные свойства при высоких температурах и обладают высокой устойчивостью к окислению.

Из-за их меньшей напряженности магнитного поля и высокой стоимости производства они используются реже, чем другие редкоземельные магниты. В настоящее время они используются в настольном ядерно-магнитно-резонансном спектрометре, высококачественных электродвигателях, турбомашиностроении и во многих областях, где производительность должна соответствовать изменению температуры.

Неодимовые магниты, с другой стороны, являются наиболее доступным и сильным типом редкоземельных магнитов. Они представляют собой тетрагональную кристаллическую структуру, изготовленную из сплавов неодима, бора и железа.

Благодаря своим меньшим размерам и небольшому весу они заменили ферритовые и алникомагниты в многочисленных применениях в современных технологиях. Например, неодимовые магниты в настоящее время используются в головном приводе для компьютерных жестких дисков, электродвигателей для аккумуляторных инструментов, механических переключателей электронных сигарет и динамиков мобильных телефонов.

IV) одномолекулярные магниты

К концу 20-го века ученые узнали, что некоторые молекулы [которые состоят из ионов парамагнитного металла] могут проявлять магнитные свойства при очень низких температурах. Теоретически они способны хранить информацию на уровне магнитных доменов и обеспечивать гораздо более плотный носитель, чем традиционные магниты.

Одномолекулярные магниты состоят из кластеров марганца, никеля, железа, ванадия и кобальта. Было обнаружено, что некоторые цепные системы, такие как одноцепные магниты, сохраняют магнетизм в течение длительного периода времени при более высоких температурах.

Исследователи в настоящее время изучают монослои таких магнитов. Одним из ранних соединений, которое было исследовано в качестве одно-молекулярного магнита, является додекануклеарная марганцевая клетка.

Потенциальные возможности применения этих магнитов огромны. К ним относятся квантовые вычисления, хранение данных, обработка информации и биомедицинские приложения, такие как контрастные агенты МРТ.

2. Временные магниты

Некоторые объекты могут быть легко намагничены даже слабым магнитным полем. Однако, когда магнитное поле удалено, они теряют свой магнетизм.

Временные магниты различаются по составу: они могут быть любым объектом, который действует как постоянный магнит в присутствии магнитного поля. Например, магнитомягкий материал, такой как никель и железо, не будет притягивать скрепки после удаления внешнего магнитного поля.

Когда постоянный магнит подносится к группе стальных гвоздей, гвозди прикрепляются друг к другу, а затем к постоянному магниту. В этом случае каждый гвоздь становится временным магнитом, а когда постоянный магнит удаляется, они больше не прикрепляются друг к другу.

Временные магниты в основном используются для изготовления временных электромагнитов, сила которых может варьироваться в соответствии с требованиями. Они также используются для разделения материалов, сделанных из металла, на складах металлолома и дают новый импульс современной технологии — от высокоскоростных поездов до высокотехнологичного пространства.

3. Электромагнит

Электромагнит был изобретен британским ученым Уильямом Стердженом в 1824 году. Затем он был систематически усовершенствован и популяризирован американским ученым Джозефом Генри в начале 1830-х годов.

Электромагниты представляют собой плотно намотанные витки провода, которые функционируют как магниты при прохождении электрического тока. Его также можно классифицировать как временный магнит, поскольку магнитное поле исчезает, как только ток отключается.

Полярность и напряженность магнитного поля, создаваемого электромагнитом, можно регулировать, изменяя направление и величину тока, протекающего через провод. Это главное преимущество электромагнитов перед постоянными магнитами.

Для усиления магнитного поля катушка обычно наматывается на сердечник из «мягкого» ферромагнитного материала, такого как мягкая сталь. Провод, свернутый в одну или несколько петель, называется соленоидом.

Эти типы магнитов широко используются в электрических и электромеханических устройствах, включая жесткие диски, громкоговорители, жесткие диски, трансформаторы, электрические звонки, МРТ-машины, ускорители частиц и различные научные приборы.

Электромагниты также используются в промышленности для захвата и перемещения тяжелых предметов, таких как металлолом и сталь.

Значение силы притяжения к магниту

Для постоянного магнита его сравнительный метод измерения магнитных свойств содержит магнитный момент, магнитный поток и напряженность магнитного поля. Но на самом деле, тяговое усилие также может быть использовано в качестве сравнительного метода измерения магнитных свойств и гораздо более приемлемо для гражданского использования.

Расчет и факторы влияния тяги сила

В соответствующей литературе указывается, что сила притяжения магнита простой формы к окружающему его достаточно большому ферромагнитному материалу может быть рассчитана по следующей формуле:

где B_g это Гаусс из привлеченного ферромагнитного материала, единица измерения — кГс; A_g полярная зона, единица измерения см²; F сила тяги, единица измерения грамм.

Расчет можно также описать следующим образом:

Единица площади поверхности полюса и силы притяжения находится в² и фунт соответственно.

На самом деле поток, создаваемый магнитом, имеет неравномерное распределение на поверхности ферромагнитного материала, тогда расчетное значение A_g и B_g будет иметь определенный уклон. Следует отметить, что для более точного и сложного расчета следует использовать программное обеспечение для моделирования FEM.

Многие дистрибьюторы магнитов запустили свои собственные инструменты онлайн-расчета на основе приведенных выше формул расчета. Различные калькуляторы также имеют разные результаты вычислений для одного и того же магнита, и почти все калькуляторы преувеличивают фактическую силу притяжения магнита. Отклонения между этими результатами вычислений в основном вызваны различными B_g значения.

Сила притяжения магнита существенно зависит от следующих факторов влияния:

1. Тип и сорт магнита.

2. Полярная область магнита.

3. Воздушный зазор между магнитом и испытательной пластиной. Как видно из результатов моделирования FEM, сила тяги уменьшается с увеличением воздушного зазора. Даже небольшой воздушный зазор будет иметь драматическое влияние на силу тяги в теоретических расчетах.

4. Условия тестовой пластины:

Состояние тестовой пластины может относиться к Метод испытания для определения отрыва сила of AМагнит которая разработана представительными членами Ассоциации дистрибьюторов и производителей магнитов (MDFA).

а. Материал и состав. Холоднокатаная сталь 1018 была принята, также подходит другая низкоуглеродистая сталь с высокой проницаемостью.

б. Испытательная пластина должна быть достаточно толстой, чтобы выдерживать весь поток, или приводить к низкой силе вытягивания из-за насыщения испытательной пластины. Значение гаусса поверхности на противоположной поверхности не должно превышать гаусс 5.

с. Плоскостность и шероховатость. Плоскостность и шероховатость испытательной пластины оказывают сильное влияние на силу притяжения магнита, и этой переменной долгое время пренебрегали. Между магнитом и неквалифицированной испытательной пластиной имеется пренебрегаемый воздушный зазор, и, кроме того, он получает относительно низкую силу тяги.

5. Рабочая Температура.

Если у вас есть какие-либо вопросы или комментарии относительно силы притяжения магнита, пожалуйста, не стесняйтесь связаться с командой SDM.

Используемые источники:

• https://supermagnit.net/news/sila-magnita-ot-chego-ona-zavisit/
• https://new-science.ru/3-raznyh-tipa-magnitov-i-ih-primenenie/
• https://ru.magnet-sdm.com/2018/12/30/магнит-тягового-усилия/