Жизнь остановилась: сотовая связь, банкоматы, компьютеры не работают. Город парализован бесконечными пробками. Таким был бы сценарий катастрофы, если бы вдруг наш мир лишился магнитных свойств. Они притягивают, они отталкивают, без них невозможно представить современные технологии.
Магниты повсюду: от простейших держателей на холодильнике, до современных гаджетов. Магниты в вашем автомобиле и в компьютере, жесткий диск которого состоит из намагниченных пластин. Чтобы стереть с него всю информацию – достаточно воспользоваться сильным магнитом. В скоростных поездах и космических аппаратах. В денежных купюрах присутствует намагниченная окись железа, и сам принцип их печати базируется на действии электромагнита. Даже современный вид денег – электронная банковская карта – и та намагничена.
Практически всё, что мы сейчас имеем с вами в окружающем нас мире — это следствие использования магнитных материалов в большом количестве, начиная от электроприборов, электродвигателей, различных датчиков, устройств, вся информатика, вся кибернетика – это всё следствие использования магнитов, или, если говорить правильно – ферромагнитных материалов.
И на сегодня считается, что уровень развития производства магнитов определяет уровень технологий современной страны. Использование этой фундаментальной силы природы – поражает воображение.
Чаще всего, когда открываешь какой-нибудь современный справочник или учебник, длинностраничная структура подачи материала, обилие непонятных формул и незнакомых слов сразу убивает всякое желание узнать что-то новое. Поэтому целью этой статьи является предельно понятное представление материала, так, чтобы каждый нормальный человек смог легко понять и представить, о чем идет речь.
При изучении наук примеры полезней правил.
Исаак Ньютон
Что такое магнит?
В природе существует минерал, который сам по себе является магнитом – это Магнетит (или магнитный железняк). Он образуется при остывании лавы, содержащей железо и его окислы. Именно за счет железа магнетит обладает свойствами притягивать себе подобное.
Как это происходит на уровне атомов?
Миллионы атомов объединены в группы – домены. Каждый из доменов сам по себе микро магнит, имеющий южный и северный полюса. Но в большинстве материалов домены направлены беспорядочно, без чёткой структуры, поэтому они нейтрализуют притяжение друг друга. Вот почему пластмасса, резина и дерево не реагируют на магниты. Домены железа изначально тоже находятся в беспорядочном состоянии, но под действием других магнитов, они выстраиваются в одну линию. Домены начинают усиливать действие друг друга и железо намагничивается.
Каждый магнит имеет, по крайней мере, один «северный» (N) и один «южный» (S) полюс. Ученые условились, что линии магнитного поля выходят из «северного» конца магнита и входят в «южный» конец магнита. Это пример магнитного диполя («ди» означает два, диполь – два полюса).
Если Вы возьмете кусок магнита и разломите его на два куска, каждый кусок опять будет иметь «северный» и «южный» полюс. Если Вы вновь разломите получившийся кусочек на две части, каждая часть опять будет иметь «северный» и «южный» полюс. Неважно, как малы будут образовавшиеся кусочки магнитов – каждый из них всегда будет иметь «северный» и «южный» полюс. Невозможно добиться, чтобы образовался магнитный монополь («моно» означает один, монополь – один полюс). По крайней мере, такова современная точка зрения на данное явление.
Существуют три основных вида магнитов:
- постоянные;
- временные;
- электромагниты.
ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ
Классические подковки – это магниты постоянные, наиболее привычный для нас вид магнитов. Они сделаны из ферромагнетика, материала, обладающего собственным магнитным полем.
Они постоянные в том смысле, что, будучи однажды намагничены, эти магниты сохраняют некоторый уровень остаточной намагниченности. Разные виды постоянных магнитов имеют различные характеристики или свойства, относящиеся к тому, как легко они размагничиваются, насколько они сильные, как их сила меняется с температурой и т. д.
Существует более сорока узлов в современном автомобиле, где применяются постоянные магниты. Двигатели, генераторы на постоянных магнитах сегодня наиболее эффективны, имеют минимальный вес, размер и очень высокую энергоэффективность, высокий КПД.
Интересно, что чистое железо в качестве магнита использовали вплоть до конца XIX века и только около 100 лет назад заметили, что при добавлении к железу других металлов, его магнитные свойства улучшаются.
Сегодня в составе магнитов используются самарий, неодим, диспрозий, тербий, титан, никель, кобальт и бор. В зависимости от сочетаний этих элементов получаются совершенно разные по свойствам сплавы. К примеру, один грамм современного магнита (неодим-железо-бор) поднимает 1 кг (пропорция 1:1000). Соответственно, 1 кг может поднять порядка тонны.
В компьютерной приставке, телевизоре, наушниках используется неодимовый магнит (мощный постоянный магнит, состоящий из сплава редкоземельного элемента неодима, бора и железа). А в генераторах, жестких дисках и газонокосилках, которые обычно сильно нагреваются – сплавы самария и кобальта с высокой температурой плавления.
ВРЕМЕННЫЕ МАГНИТЫ
Временные магниты — это магниты, которые действуют, как постоянные магниты только тогда, когда находятся в сильном магнитном поле, и теряют свой магнетизм, когда магнитное поле исчезает. В качестве примера можно привести скрепки и гвозди, а также другие изделия из «мягкого» железа.
ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ
Электромагниты — это устройства, притягивающие свойства которых проявляются только при прохождении тока. Это туго намотанные на каркас витки провода, обычно с железным сердечником, который действует, как постоянный магнит только тогда, когда по проводу течет ток (катушка со стальным сердечником).
Электромагниты очень широко используются в промышленности, медицине, быту, электронике в качестве компонентов различных двигателей, генераторов, реле, аудиоколонок, устройств магнитной сепарации, подъемных кранов и др.
Электромагниты производятся с помощью обмотки проволоки вокруг металлического сердечника. Меняя размеры сердечника и длину проволоки меняют мощность поля, количество употребляемого электричества и размеры устройства.
Как делают постоянный магнит?
Само по себе производство постоянных магнитов очень сложная и наукоёмкая технология. Достаточно небольшой ошибки на одном из этапов и получится брак. В зависимости от типа магнита, полный цикл производства занимает от нескольких дней до 3х недель.
Этапы:
- Выбор компонентов
- Выплавка
- Измельчение
- Прессование
- Спекание
- Завершение производства
На первом этапе сырье сортируется и поступает в плавильный цех. В плавильную печь загружают, например, железо, неодим и ферробор.
Вначале из камеры откачивается воздух, чтобы предотвратить окисление железа. Затем печь постепенно разогревают до температуры 1500 градусов, при которой сырье расплавится. Через 40 минут сплав будет почти готов, но магнитом он станет только в самом конце производственной цепочки. Металлы в получившемся слитке только на первый взгляд слились в единое целое после плавки. Но это не так. Чтобы сплав получился действительно однородным, его нужно разбить на частицы, размером не более микрона, а затем снова отправить в печь. Из порошка потом и делается магнит. Чтобы получить порошок нужной фракции слитки пропускают через три мельницы: крупного, среднего и мелкого помола.
Вот так выглядит сырье в начале работы
А это получается после помола
Готовый порошок состоит из микромагнитов, размером не более 5 микрон (микрометр) каждый. Под изостатическим прессом масса приобретает нужную форму, а составляющие её частицы ориентацию в магнитном поле. Прессовка идет в магнитном поле. Получается прессзаготовка магнита. Заготовка сразу же помещается в вакуумный пакет, потому что на воздухе порошок сплава мгновенно окисляется, а значит и его магнитные свойства меняются, кроме того, окислы порошка в любую минуту могут воспламениться. В защитной пленке заготовка будет находиться до момента спекания.
Температура внутри печи доходит до 1200 градусов. В ней заготовки спекаются в течение 10ти часов. За это время минимагниты в сплаве уплотняться, и приобретут монолитную форму. Только теперь брусочки готовы превратиться в магниты. Готовые магниты могут дополнительно нарезать, шлифовать и покрывать защитным слоем. Готовые изделия проходят контроль качества, упаковываются и отправляются заказчику.
Привычный для нас магнит – твёрдый. Однако, за последние десятилетия учёным удалось получить новую форму магнитных материалов и найти им уникальное применение. Есть магнитная жидкость, которую можно получить на основе керосина, масла и даже воды. Внутри этой жидкости химическим способом взращиваются кристаллы ферромагнетика, например, железа или никеля. Эта жидкость может существовать десятилетиями. Главное свойство этой жидкости — способность втягиваться в область сильного магнитного поля. Именно поэтому она используется в технике, приборостроении, и рудодобывающей промышленности. Например, если в эту жидкость поместить золотое кольцо, оно в ней утонет, и никакая сила не заставит всплыть это кольцо. Но, если снизу поднести достаточно сильный магнит, то вы увидите, как это кольцо медленно начнёт всплывать. Потому что на него в магнитном поле действует выталкивающая сила Архимеда. Этот эффект используется для создания так называемых магнитожидкостных сепараторов, которые в настоящее время используются практически на всех золотодобывающих приисках.
Еще одна область применения магнитной жидкости по мнению учёных из института механики МГУ — медицина. Так, они исследуют возможность лечения рака с помощью магнитной воды. Оказывается, если ввести магнитную жидкость внутрь опухоли, приложить высокочастотное магнитное поле – эта жидкость начинает разогреваться. И если нагреть опухоль до 43 градусов, то она погибает,- к таким выводам они пришли. При этом здоровые клетки остаются целыми и невредимыми. Помимо жидкости, по их мнению, в медицине возможно применение других магнитных материалов. Например, движетель из полимера, со встроенными внутрь кристаллами железа. Под действием магнитного поля он способен самостоятельно передвигаться внутри сосудов и служить переносчиком лекарств. Правда, пока только в теории.
У всех постоянных магнитов есть магнитное поле, а у электромагнитов — электромагнитное.
Если есть электрический заряд, то вокруг есть электрическое поле. И все люди это чувствуют. Например, если расчесывать волосы синтетической расческой, то волосы электризуются и расческа. Можете проверить, если вы после расчесывания поднесете расчёску к мелким кускам бумаги, они будут притягиваться. То есть, вокруг зарядов, которые появляются вокруг расчески, существует поле. Вот точно так же вокруг любых магнитов существует магнитное поле, которое, в первую очередь, действует на другие магниты, которые есть вокруг него. Оно не возникает, оно существует всегда.
Увидеть магнитное поле можно и с помощью железных опилок, достаточно высыпать их на лист бумаги, под которым расположен магнит. Большая часть опилок прилипнет к полюсам магнита. А остаток расположиться в виде сферических линий. Это линии распределения магнитного поля. Этот принцип визуализации магнитных полей используется в промышленной дефеткоскопии. Так называется метод магнитного контроля за состоянием труб на нефтегазовых станциях и теплосетях. По изменению направления этих линий можно судить о состоянии контролируемого объекта, есть трещины или нет. Сегодня все чаще в дефектоскопии используется роботы с начинкой из электромагнитов. Робота закрепляют на трубе. С помощью колесиков он легко передвигается по ней в заданном направлении. Создаваемое вокруг него магнитное поле, столкнувшись с изъяном, меняется. Прибор улавливает это изменение и, либо издаёт сигнал, либо показывает, что обнаружена трещина. В зависимости от тог, где этот робот эксплуатируется, сосуд или трубопровод – это может привести к самым неожиданным последствиям, вплоть до катастрофы. Поэтому определение и постоянный мониторинг состояния таких объектов – это очень важная задача.
Самый большой по размерам магнит нашей планеты – это она сама. Земля, как утверждают некоторые физики, гигантский голубой магнит. Солнце — жёлтый плазменный шар, магнит еще более грандиозный. Галактики и туманности, едва различимые телескопами , тоже непостижимые по размерам магниты.
В XVI веке учёный Уильям Гилберт изготовил стальной шар (Gilberts Terrella) намагнитив его, он увидел, что в нём получилось два полюса, так появилось предположение, что и Земля является большим магнитом.
Уильям Гилберт Gilberts Terrella
В настоящее время у учёных нет знаний о том, почему у Земли есть магнитный момент, почему она является магнитом, нет чёткого понимания механизма, который приводит к появлению магнитного поля. Существует лишь несколько теорий. Одна из них утверждает, что в ядре Земли существуют потоки расплавленной плазмы (а расплавленное вещество всегда сильно ионизировано), поэтому, если ядро вращается, то получается некий ток. Но это лишь теория.
И в заключение, хочу обратить ваше внимание на трактат 1269 года «Послание о магните» учёного, физика XIII века – Пьера Пелере́н де Марику́ра. Свои латинские труды он подписывал: Пётр Перегрин. Впервые исследования о магните были произведены именно им. Свои результаты он опубликовал в этом обширном трактате. Его вы можете найти в свободном доступе на русском языке. Это его послание к рыцарю Сигеру Де Фукокуру.
Трактат рассказывает:
каков должен быть мастер этого дела; как распознать эти магические камни; отдельная глава посвящается уменью находить стороны камня; уменью находить полюсы в камне: какой из них северный и какой южный; о том, как магнит притягивает магнит; как железо, пришедшее в соприкосновение с магнитом, поворачивается к полюсам мира; как магнит притягивает железо; поясняет причину, почему северная сторона притягивает южную, и наоборот; разысканию, откуда получает магнит природную силу, которой он обладает.
Во второй части трактата автор говорит о построении инструмента, посредством которого определяют на горизонте азимут Солнца, Луны и любой звезды. О построении другого, лучшего инструмента того же назначения, об искусстве построить колесо, обладающее постоянным движением.
Закончу статью словами самого автора.
(1269)
ПОСЛАНИЕ О МАГНИТЕ ПЬЕРА ДЕ МАРИКУР, ПО ПРОЗВАНИЮ ПЕРЕГРИНА, К РЫЦАРЮ СИГЕРУ ДЕ ФУКОКУР
О цели настоящего произведения
«Сердечный мой друг, по твоей просьбе я в безыскусном повествовании открою тебе по мере возможности некую тайную силу камня магнита. Ведь философы говорят, что ничто не доставляет радости без понятия о начале, и природа благ тускнеет, сиротливо пребывая во мраке, пока не выйдет на свет, озаренная лучом всем полезного рассуждения . Итак, из любви к тебе буду я писать простым языком о том, что вовсе неведомо рядовым ученым. Впрочем, в этом послании нами будет изложена лишь наука о явных действиях камня, ибо наше изложение составит часть трактата, поучающего, как строить физические инструменты. Повествование же о тайных действиях того же камня относится к искусству ваяния из камней. Но хотя я и назвал явными те вещи, о которых ты спрашивал, тем не менее, они останутся замысловатыми и покажутся толпе каким-то обманом и обольщением, оттого, что для нее они недоступны. Для астрологов же и естествоведов они будут достаточно понятны и явятся для них отрадой, а для путешественников послужат немалым подспорьем в пути»
