Примеры магнитного действия тока: Приведите примеры магнитного действия тока. Чем оно отличается от других действий тока? Где используют это различие?

Применение магнитов в промышленности и быту

Сталкиваясь с различными вещами (приспособлениями, техническими средствами, инструментом, фурнитурой), мало кто задумывается, что их преимущества, оригинальность — результат уникальных характеристик материалов. Изделия, в составе которых есть магниты, прочно вошли в нашу жизнь. Статья рассказывает о сфере применения минерала, лайфхаках с его использованием.

Магнит — что это

Так называют физическое тело кристаллической структуры с собственным магнитным полем. Материал (магнетит) назван по региону открытия залежей минерала в Малой Азии — Магнисии. В промышленности, быту в чистом виде используется редко. Все, с чем приходится иметь дело — неодимовые магниты, сплавы (железо как связующий элемент, неодим, бор). Отличаются компактностью, устойчивостью к размагничиванию, мощностью сцепления (в разы превосходят ферриты), термостойкостью, десятилетиями не теряют уникальных свойств.  

Использование в промышленности

Надежность, сила притяжения, хорошие эксплуатационные качества обусловили применение сплава в различных отраслях. Благодаря уникальным свойствам он более востребован, чем редкоземельный (природный) магнит. 

Строительство

• Использование омагниченной воды для приготовления бетонного раствора уменьшает время кристаллизации, повышает прочность искусственного камня.
• Сварные конструкции успешно замещаются магнитными фиксаторами. Процесс сборки гораздо удобнее, скорость выполнения технологической операции растет.

Нефтепереработка

Магнитные элементы вдоль трубопровода повышают экологичность производства, позволяют создать технологический цикл замкнутого типа, препятствуют образованию отложений на внутренних стенках.

Транспорт

• Запорные устройства.
• Датчики.
• Преобразователи электромеханические.
• За счет использования неодимовых магнитов уменьшаются габариты электродвигателей, снижается сила трения, растет КПД.
• Турбины.

Железоотделители

С помощью неодимовых магнитов выполняется удаление примесей металлов из сыпучих веществ, жидких сред. Нивелируется риск поломок оборудования, загрязнения готовой продукции.

Медицина

• Приборы для МРТ.
• Медицинский магнитный инструмент.

Компьютерная техника

Неодимовые магниты нашли широкое применение в этой сфере: динамики гаджетов, записывающие головки, винчестеры, DVD-приводы.

И это далеко не весь перечень отраслей народного хозяйства, где применяется уникальный сплав, в состав которого входит неодим.

Использование магнитных элементов в быту

«Народные умельцы» нашли множество способов решения бытовых проблем с помощью этого замечательного сплава. Предела «полета мысли» русского человек нет —неодимовые магниты пригодятся в каждом доме.

Элементы крепления

• Держатель проводов (кабелей). Закрепить в удобном месте неодимовый магнит, надеть на провод пружину подходящего диаметра, и готова рациональная конструкция.

• Держатель метиза, инструмента, кухонных принадлежностей. Чтобы шурупы, гвозди всегда были под рукой, положить в карман куртки (рубашки) неодимовый магнит, и не придется таскать за собой баночку с нужным крепежом.

Неодимовый магнит поможет усовершенствовать бытовой инструмент. Закрепленный скотчем на шуруповерте, резко повышает производительность – не нужно тратить время на поиски шурупов.

Не всегда получается удерживать метиз пальцами. Ограниченное пространство, сложность доступа к основе – причин хватает. Неодимовый магнит выручит в подобных ситуациях. Им несложно зафиксировать крепежную деталь в нужном положении, забить гвоздь без риска попасть молотком по пальцам.

Проблема хранения отверток, пассатижей, гаечных ключей, ножей также решается просто. Порядок в гараже, на балконе, кухне обеспечен.

• Магнитные держатели дверей. Закрепив на створке пластину («пятак»), не придется беспокоиться, что полотно резко закроет проем при сквозняке. Двери пластиковые, деревянные не выдерживают ударных нагрузок, деформируются, приходят в негодность. На основе неодимовых магнитиков изготавливаются антимоскитные сетки, востребованные для жилых строений, садовых участков.

• Зажимы из магнитов выполняют функцию мини-тисков. Помещение между двумя образцами скрепляемых деталей за счет силы притяжения достигается быстрое, надежное склеивание фрагментов. Если они сложной конфигурации, реализация иного способа потребует больше времени и усилий.

Восстановление утраченных свойств инструмента

Отвертками приходится пользоваться регулярно. Если магнитное напыление наконечника изначально отсутствует или истерлось, возникают проблемы в работе. Удержать крепеж поможет неодимовая шайба, закрепленная на стержне. Без каких-либо затрат превращает обычную отвертку в  магнитный инструмент.

Поиск скрытых металлических конструкций

Неодимовый магнит помогает точно определить местоположение швеллера, трубы, арматуры под облицовкой. Кто занимался ремонтом, сверлением стен, потолка, знает, сколько сверл, буров, коронок приходится менять в процессе работы «вслепую».

Очистка моторного масла

Сливная пробка с неодимовым магнитом в поддоне картера «собирает» металлическую пыль, препятствует ее попаданию в двигатель.

Магнитный инструмент

Незаменимый помощник домашнему мастеру. Продается в большом сортаменте, но если нет под рукой, несложно изготовить самостоятельно.

• Закрепив фрагмент сплава на кончике рейки, штапика, таким телескопическим магнитным инструментом несложно найти мелкий метиз, закатившийся между половиц, в угол комнаты, собрать металлическую стружку.
• Сверление. Разновидность востребованного в быту магнитного инструмента – дрель на подставке из сплава. Повышается точность, уменьшается вибрация.
• Телескопические ручки, захваты с деталями из сплава упрощают работу в стесненных условиях ограниченного пространства, избавляют от необходимости тратить время на поиски потерявшейся металлической фурнитуры, метиза.

Хороший хозяин придумает, как изготовить и использовать самодельный магнитный инструмент.

Результаты

Семантическое ядро

Действия электрического тока — Класс!ная физика

Действия электрического тока

Подробности

Просмотров: 430

Действия электрического тока — это те явления, которые вызывает электрический ток.

По этим явлениям можно судить есть или нет электрический ток в цепи.

Тепловое действие тока.

— электрический ток вызывает разогревание металлических проводников вплоть до свечения.

Химическое действие тока.

— при прохождении электрического тока через электролит возможно выделение веществ, содержащихся в растворе, на электродах.

— наблюдается в жидких проводниках.

Магнитное действие тока.

— проводник с током приобретает магнитные свойства.

— наблюдается при наличии электрического тока в любых проводниках (твердых, жидких, газообразных).

А СМОЖЕШЬ ЛИ ТЫ СООБРАЗИТЬ

Открытие физика Араго в 1820 г. заключалось в следующем: когда тонкая медная проволока, соединенная с источником тока, погружалась в железные опилки, то они приставали к ней.

Объясните это явление.

В коробке перемешаны медные винты и железные шурупы.

Каким образом можно быстро рассортировать их, имея аккумулятор, достаточно длинный медный изолированный провод и железный стержень?

КНИЖНАЯ ПОЛКА

Звезды Диоскуров.

Чудо природы — шаровая молния.

ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА.

Физиологическое действие тока на ранней стадии развития науки об электричестве было единственным, о котором было известно ученым, и было основано на собственных ощущениях экспериментаторов.

Одним из первых, кто ощутил на себе действие тока, был голландский физик П.Мушенбрук, живший в 18 веке. Получив удар током он заявил, что «не согласился бы подвергнуться ещё раз такому испытанию даже за королевский трон Франции.»

отрицательное действие :

Электрический ток вызывает изменения в нервной системе, выражающиеся в ее раздражении или параличе. При воздействии электрического тока возникают судорожные спазмы мышц.

Принято говорить, что электрический ток человека «держит»: пострадавший не в состоянии
выпустить из рук предмет — источник электричества.
___

При поражении достаточно сильным электрическим током происходит судорожный спазм диафрагмы — главной дыхательной мышцы в организме — и сердца.

Это вызывает моментальную остановку дыхания и сердечной деятельности. Действие электрического тока на мозг вызывает потерю сознания. Соприкасаясь с телом человека, электрический ток оказывает также тепловое действие, причем в месте контакта возникают ожоги III степени.
___

Постоянный ток менее опасен, чем переменный в электросети, который даже под напряжением 220В может вызвать очень тяжелое поражение организма. Действие электрического тока на человека усиливается при наличии промокшей обуви, мокрых рук, которым свойственна повышенная электропроводность.
___

При поражении молнией на теле пострадавшего возникает древовидный рисунок синюшного цвета. Принято говорить, что молния оставила свое изображение.

В действительности при поражении молнией происходит паралич подкожных сосудов.

положительное действие :

Электрошок — электрическое раздражение мозга , с помощью которого лечат некоторые психические заболевания.

Дефибрилляторы — электрические медицинские приборы, используемые при восстановлении нарушений ритма сердечной деятельности посредством воздействия на организм кратковременными высоковольтными электрическими разрядами.

Гальванизация — пропускание через организм слабого постоянного тока, оказывающего болеутоляющий эффект и улучшающий кровообращение.

Работая с электроприборами, будь осторожен!

Любознательным

По ковру ходить опасно!

Иногда вас может «ударить током», если вы просто пройдетесь по ковру или поерзаете на сиденьи автомобиля.
Очевидно, при этом каким-то образом накапливается заряд. Можете ли вы более подробно объяснить, что именно происходит?
Почему, например, вас «бьет током», когда вы идете по ковру, но ничего не случается, если вы стоите на нем?
Почему эти эффекты зависят от времени года?

Оказывается…

Когда два материала (скажем, подошвы туфель и ковер) соприкасаются, электроны из одного из них туннелируют
через поверхностный энергетический барьер в другой. Поскольку ни тот, ни другой из этих материалов не является
хорошим проводником, электроны могут переходить с одной поверхности на другую лишь в тех точках, где материалы
плотно соприкасаются. Таким образом, чем больше поверхность контакта между материалами, тем больше будет переходить
электронов. При трении одной поверхности о другую площадь контакта значительно возрастает, благодаря чему достигается
переход большого числа электронов. Материал, который теряет электроны, заряжается положительно, материал, который принимает их,
заряжается отрицательно. Если воздух влажный, избыточный заряд быстро переходит с материала на взвешенные в воздухе
капельки воды. Уменьшению заряда могут способствовать также частицы дыма. Если же такого разряда не происходит, то при
обычном контакте двух материалов может возникнуть весьма значительная разность потенциалов.

Если, например, перед тем
как выйти из машины, вы поерзаете на сиденье, то потенциал вашего тела может оказаться на 15 кВ выше потенциала земли.

Источник: «Физический фейерверк» Дж. Уокер

И это ещё не

Конспект «Действие магнитного поля на проводник с током»

«Действие магнитного поля на проводник с током»

Если металлический проводник с током поместить в магнитное поле, то на этот проводник со стороны магнитного поля будет действовать сила, которая называется силой Ампера.

Сила Ампера зависит от длины проводника с током, силы тока в проводнике, модуля магнитной индукции и расположения проводника относительно линий магнитной индукции: F_A = BIlsinа.

Для определения направления силы Ампера применяют правило левой руки. Если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а четыре пальца были направлены по току, то отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

Магнитное взаимодействие можно наблюдать между двумя параллельными токами (опыт Ампера): два параллельных проводника с током отталкиваются, если направления токов в них противоположны, и притягиваются, если направления токов совпадают.

Экспериментальное исследование показывает, что сила Ампера прямо пропорциональна длине проводника l и силе тока I в проводнике. Коэффициентом пропорциональности в этом равенстве является модуль вектора магнитной индукции В. Соответственно, F = BIl. В таком виде зависимость силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, записывается в том случае, если линии магнитной индукции перпендикулярны проводнику с током. Из приведённой формулы понятно, что магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля.

Единица магнитной индукции [В] =  1Н / 1А • 1м = 1 Тл. За единицу магнитной индукции принимают магнитную индукцию такого поля, в котором на проводник длиной 1 м действует сила 1Н при силе тока в проводнике 1 А.

Магнитное поле действует также на движущиеся заряженные частицы. При этом сила (сила Лоренца) зависит от модуля магнитной индукции, заряда частицы, а также от модуля и направления её скорости.

Электрический двигатель

Движение проводника с током в магнитном поле лежит в основе работы электрического двигателя. Если поместить прямоугольную рамку в магнитное поле и пропустить по ней электрический ток, то рамка повернётся, потому, что на стороны рамки действует сила Ампера. При этом сила, действующая на сторону рамки ab, противоположна силе, действующей на сторону cd.

Для того чтобы рамка не остановилась в тот момент, когда её плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции, и продолжала вращаться, изменяют направление тока в проводнике. Для этого к концам рамки припаяны полукольца, по которым скользят контакты, соединённые с источником тока. При повороте рамки на 180° меняются контактные пластины, которых касаются полукольца и, соответственно, направление тока в рамке.

В электрическом двигателе энергия электрического и магнитного полей превращается в механическую энергию.

Действие магнитного поля на проводник с током

Конспект урока по физике в 8 классе «Действие магнитного поля на проводник с током».

Следующая тема: «Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея».

Применение магнитного действия тока примеры. Какими явлениями сопровождается электрический ток

Простейшие электрические и магнитные явления известны людям с очень давних времен.

По-видимому, уже за 600 лет до н. э. греки знали, что магнит притягивает к себе железо, а натертый янтарь – легкие предметы, вроде соломинок и т. п. Однако различие между электрическими и магнитными притяжениями было еще не ясно; те и другие считались явлениями одной природы.

Четкое разграничение этих явлений – заслуга английского врача и естествоиспытателя Уильяма Гильберта (1544-1603), который в 1600 г. выпустил в свет книгу под названием «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле». С этой книги, собственно, и начинается подлинно научное изучение электрических и магнитных явлений. Гильберт описал в своей книге все свойства магнитов, которые в его эпоху были известны, а также изложил результаты собственных очень важных опытов. Он указал на ряд существенных различий между электрическими и магнитными притяжениями и ввел слово «электричество».

Хотя после Гильберта различие между электрическими и магнитными явлениями было уже для всех неоспоримо ясно, тем не менее ряд фактов указывал на то, что при всем своем различии эти явления каким-то образом тесно и неразрывно связаны друг с другом. Наиболее бросающимися в глаза были факты намагничивания железных предметов и перемагничивания магнитных стрелок под влиянием молний. В своей работе «Гром и молния» французский физик Доминик Франсуа Араго (1786-1853) описывает, например, такой случай. «В июле 1681 г. корабль «Королева», находившийся в сотне миль от берега, в открытом море, был поражен молнией, которая причинила значительные повреждения в мачтах, парусах и пр. Когда же наступила ночь, то по положению звезд выяснилось, что из трех компасов, имевшихся на корабле, два, вместо того чтобы указывать на север, стали указывать на юг, а третий стал указывать на запад». Араго описывает также случай, когда молния, ударившая в дом, сильно намагнитила в нем стальные ножи, вилки и другие предметы.

В начале XVIII века было уже установлено, что молния, по сути дела, представляет собой сильный электрический ток, идущий через воздух; поэтому факты вроде описанных выше могли подсказать мысль, что всякий электрический ток обладает какими-то магнитными свойствами. Однако обнаружить на опыте эти свойства тока, и изучить их удалось только в 1820 г. датскому физику Гансу Христиану Эрстеду (1777-1851).

Основной опыт Эрстеда изображен на рис. 199. Над неподвижным проводом 1, расположенным вдоль меридиана, т. е. в направлении север-юг, подвешена на тонкой нити магнитная стрелка 2 (рис. 199, а). Стрелка, как известно, устанавливается также приблизительно по линии север-юг, и поэтому она располагается примерно параллельно проводу. Но как только мы замкнем ключ и пустим ток по проводу 1, мы увидим, что магнитная стрелка поворачивается, стремясь установиться под прямым углом к нему, т. е. в плоскости, перпендикулярной к проводу (рис. 199, б). Этот фундаментальный опыт показывает, что в пространстве, окружающем проводник с током, действуют силы, вызывающие движение магнитной стрелки, т. е. силы, подобные тем, которые действуют вблизи естественных и искусственных магнитов. Такие силы мы будем называть магнитными силами, так же как мы называем силы, действующие на электрические заряды, электрическими.

Рис. 199. Опыт Эрстеда с магнитной стрелкой, обнаруживающий существование магнитного поля тока: 1 – провод, 2 – магнитная стрелка, подвешенная параллельно проводу, 3 – батарея гальванических элементов, 4 – реостат, 5 – ключ

В гл. II мы ввели понятие электрического поля для обозначения того особого состояния пространства, которое проявляется в действиях, электрических сил. Точно так же мы будем называть магнитным полем то состояние пространства, которое дает о себе знать действием магнитных сил. Таким образом, опыт Эрстеда доказывает, что в пространстве, окружающем электрический ток, возникают магнитные силы, т. е. создается магнитное поле.

Первый вопрос, который поставил перед собой Эрстед после того, как он сделал свое замечательное открытие, был таков: влияет ли вещество провода на создаваемое током магнитное поле? «Соединительный провод, – пишет Эрстед, – может состоять из нескольких проволок или металлических полос. Природа металла не меняет результата, разве только, пожалуй, в отношении величины.

С одинаковым результатом мы пользовались проволоками из платины, золота, серебра, латуни и железа, а также оловянными и свинцовыми полисами и ртутью».

Все свои опыты Эрстед проводил с металлами, т. е. с проводниками, в которых проводимость, как мы теперь знаем, имеет электронный характер. Нетрудно, однако, осуществить опыт Эрстеда, заменив металлический провод трубкой с электролитом или трубкой, в которой происходит разряд в газе. Такие опыты мы уже описали в § 40 (рис. 73) и видели, что хотя в этих случаях электрический ток обусловлен движением положительных и отрицательн

Слободянюк А. И. Физика 10/11.0 — PhysBook

Содержание книги

Предыдующая страница

§11. Постоянный электрический ток

Мы подробно рассмотрели свойства электростатического поля, порождаемого неподвижными электрическими зарядами. При движении электрических зарядов возникает целый ряд новых физических явлений, к изучению которых мы приступаем.

В настоящее время широко известно, что электрические заряды имеют дискретную структуру, то есть носителями зарядов являются элементарные частицы – электроны, протоны и т.д. Однако в большинстве практически значимых случаев эта дискретность зарядов не проявляется, поэтому модель сплошной электрически заряженной среды хорошо описывает явления, связанные с движением заряженных частиц, то есть с электрическим током.

Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц.

С использованием электрического тока вы хорошо знакомы, так как электрический ток чрезвычайно широко используется в нашей жизни. Не секрет, что наша нынешняя цивилизация в основном базируется на производстве и использовании электрической энергии. Электрическую энергию достаточно просто производить, предавать на большие расстояния, преобразовывать в другие требуемые формы.

Кратко остановимся на возможных проявлениях действия электрического тока.

Тепловое действие электрического тока проявляется практически во всех случаях протекания тока. Благодаря наличию электрического сопротивления при протекании тока выделяется теплота, количество которой определяется законом Джоуля-Ленца, с которым вы должны быть знакомы. В некоторых случаях выделяемая теплота полезна (в разнообразных электронагревательных приборах), часто выделение теплоты приводит к бесполезным потерям энергии при передаче электроэнергии.

Магнитное действие тока проявляется в создании магнитного поля, приводящего к появлению взаимодействия между электрическими токами и движущимися заряженными частицами.

Механическое действие тока используется в разнообразных электродвигателях, преобразующих энергию электрического тока в механическую энергию.

Химическое действие проявляется в том, что протекающий электрический ток, может инициировать различные химические реакции. Так, например, процесс производства алюминия и ряда других металлов основан на явлении электролиза – реакции разложения расплавов оксидов металлов под действием электрического тока.

Световое действие электрического тока проявляется в появлении светового излучения при прохождении электрического тока. В некоторых случаях свечение является следствие теплового разогрева (например, в лампочках накаливания), в других движущиеся заряженные частицы непосредственно вызывают появление светового излучения.

В самом названии явления (электрический ток) слышны отголоски старых физических воззрений, когда все электрические свойства приписывались гипотетическое электрической жидкости, заполняющей все тела. Поэтому при описании движения заряженных частиц используется терминология аналогичная используемой при описании движения обычных жидкостей. Указанная аналогия простирается дальше простого совпадения терминов, многие законы движения «электрической жидкости аналогичны законам движения обычных жидкостей, а частично знакомые вам законы постоянного электрического тока по проводам аналогичны законам движения жидкости по трубам. Поэтому настоятельно рекомендуем вам повторить раздел, в котором описаны эти явления – гидродинамику.

Следующая страница

2.5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И МАГНИТА. История электротехники

2.5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И МАГНИТА

Расширение и углубление исследований электрических явлений привели к открытию и изучению новых свойств электрического тока. О связи электрических и магнитных явлений говорили многие факты, наблюдавшиеся, в частности, при ударах молнии в компас: магнитная стрелка перемагничивалась. В 1775 г. два английских корабля шли параллельным курсом из Лондона на запад и на широте Бермудских островов попали в сильный шторм с грозой. В один из кораблей ударила молния, сломавшая мачту и порвавшая паруса. Капитан второго судна, которое не пострадало, с удивлением увидел, что первое судно почему-то повернуло назад и направляется в Англию. После проверки компасов обоих судов было установлено, что полярность стрелки компаса пострадавшего корабля изменилась на противоположную, и капитан судна полагал, что он плывет на запад, а в действительности плыл на восток, в Англию.

Первым ученым, убедительно показавшим связь между электричеством и магнетизмом, был Г.Х. Эрстед. Хотя, как уже отмечалось, значительно ранее эту связь обнаружил Д. Романьози [1.1; 1.6].

Г.Х. Эрстед, будучи доктором философии, размышляя о взаимодействии различных физических явлений, пришел к заключению, что должна быть связь между теплотой, светом, магнетизмом и электричеством. Еще в 1812 г. в одном из своих трудов Г.Х. Эрстед высказывал предположение о связи между электрическими и магнитными явлениями: «Следует испробовать, не произведет ли электричество в своей самой скрытой стадии каких-либо действий на магнит как таковой». Поэтому когда во время его лекции студентам Копенгагенского университета он демонстрировал нагревание проволоки электрическим током и стрелка компаса, случайно находившегося рядом, отклонилась, Г.Х. Эрстед убедился в справедливости своей давней догадки.

В 1820 г. после дополнительных экспериментов Г.Х. Эрстед опубликовал результаты своих наблюдений действия тока на магнитную стрелку, возбудившие большой интерес среди ученых разных стран и получившие в их трудах дальнейшее углубление и развитие. Небольшая брошюра (менее пяти страниц) Г.Х. Эрстеда «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку» произвела сенсацию среди европейских физиков. Секретарь Парижской академии наук Д.Ф. Араго, узнав об опытах Г.Х. Эрстеда, воскликнул: «Господа! Произошел переворот!».

Заслуживает внимания заключение Г.Х. Эрстеда о том, что «электрический конфликт» (т.е. встречное движение положительной и отрицательной «электрической материи») в проводнике «… не ограничен проводящей проволокой, но имеет обширную сферу активности вокруг этой проволоки …. Этот конфликт «образует вихрь вокруг проволоки» (курсив мой — Я.Ш.). Очевидно, конечно, что Эрстед заблуждался, полагая, что на магнитную стрелку действует столкновение разнородных электричеств. Но дорога к новым открытиям для других ученых была уже проложена!

Вскоре после опубликования этой брошюры (в 1820 г.) немецкий физик Иоган Х.С. Швейггер (1779–1857 гг.) предложил использовать отклонение магнитной стрелки электрическим током для создания первого измерительного прибора — индикатора тока. Его прибор, получивший название «мультипликатора» (т.е. умножающего) представлял собой магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из нескольких витков проволоки (рис. 2.8) [1.6].

^{Рис. 2.8. Схема мультипликатора Швейггера} 

Однако вследствие влияния земного магнетизма на магнитную стрелку мультипликатора его показания были неточными. А. Ампер в 1821 г. показал возможность устранения влияния земного магнетизма с помощью астатической пары, представляющей собой две магнитные стрелки, укрепленные на общей медной оси и расположенные параллельно, с полюсами, обращенными в противоположные стороны. В 1825 г. флорентийский профессор Леонардо Нобили (1784–1835 гг.) скомбинировал астатическую пару с мультипликатором и построил таким образом более чувствительный прибор — прообраз гальванометра.

В 1820 г. Д.Ф. Араго было обнаружено новое явление — намагничивание проводника протекающим по нему током. Если медная проволока, соединенная с полюсами вольтова столба, погружалась в железные опилки, то последние равномерно к ней прилипали; при выключении тока опилки падали. Когда Д.Ф. Араго брал вместо медной проволоки железную (из мягкого железа), то она временно намагничивалась; кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом. По рекомендации А. Ампера Д.Ф. Араго заменил прямолинейную проволоку проволочной спиралью, при этом намагничивание иголки, помешенной внутри спирали, усиливалось. Так был создан соленоид. Опыты Д.Ф. Араго дали первое указание на электрическую природу магнетизма и показали возможность намагничивания стали электрическим током [1.6].

В процессе своих исследований Д.Ф. Араго обнаружил (в 1824 г.) еще одно новое явление, названное им «магнетизмом вращения», правильное объяснение которого, как будет показано далее, было дано М. Фарадеем только после открытия явления электромагнитной индукции.

Новым шагом от качественных наблюдений действия тока на магнит к определению количественных зависимостей явилось установление французскими учеными Жаном Батистом Био (1774–1862 гг.) и Феликсом Саваром (1791–1841 гг.) закона действия тока на магнит. Проведя ряд экспериментов, они в 1820 г. установили следующее: если неограниченной длины провод с проходящим по нему током действует на частицу северного или южного магнетизма, находящуюся на известном расстоянии от середины провода, то равнодействующая всех сил, исходящих из провода, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию частицы от провода и общее действие провода на любой, южный или северный, магнитный элемент обратно пропорционально расстоянию от последнего до провода. Обнаружение тангенциальной составляющей силы позволило объяснить вращательный характер движения проводника относительно магнита.

Французский ученый Пьер Симон Лаплас (1749–1827 гг.) показал впоследствии, что сила действия, создаваемая небольшим участком проводника, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния.

Важнейшее научное и методологическое значение в расширении исследования новых явлений имели труды одного из крупнейших французских ученых — Андре Мари Ампера (1775–1836 гг.), заложившие основы электродинамики [1.1; 1.6; 2.3].

А. Ампер был необыкновенно одаренным от природы человеком и, несмотря на плохое состояние здоровья, сумел найти в себе силы, чтобы неустанно заниматься фундаментальными научными исследованиями и сделать немеркнущий вклад в сокровищницу мировой цивилизации.

Его исследования в области электромагнетизма открыли новую страницу в истории электротехники. И при изучении этих явлений ярко проявились поразительные способности А. Ампера.

Он впервые узнал об опытах Г.Х. Эрстеда на заседании Парижской академии наук, где их повторил во время своего сообщения Д.Ф. Араго. Вместе с восхищением А. Ампер интуитивно почувствовал важность этого открытия, хотя ранее он не занимался изучением электромагнитных явлений. И ровно через неделю 18 сентября 1820 г. А. Ампер выступает на заседании академии с докладом о взаимодействии токов и магнитов, а затем почти подряд — неделю за неделей (заседания Парижской академии наук проводились еженедельно) он излагает перед крупнейшими французскими учеными результаты своих экспериментальных и теоретических исследований, которые позднее были отражены в его знаменитом труде по электродинамике.

В одном из писем А. Ампер подчеркивает, что он «создал новую теорию магнита, сводящую все явления к явлениям гальванизма».

Поразительна логика его обобщений: если ток — это магнит, то два тока должны взаимодействовать подобно магнитам. Теперь это кажется очевидным, но до А. Ампера никто так четко на это не указал. Блестящие познания в области математики позволили А. Амперу теоретически обобщить результаты своих исследований и сформулировать известный закон, носящий его имя.

Рассмотрим более подробно работы А. Ампера в области электромагнетизма.

Отметим прежде всего, что А. Ампером впервые были введены термин «электрический ток» и понятие о направлении электрического тока. Он предложил считать за направление тока направление движения «положительного электричества».

Наблюдая отклонение магнитной стрелки под влиянием тока в проводнике, А. Ампер сформулировал правило, позволяющее определить направление отклонения стрелки в зависимости от направления тока в проводнике. Это правило было в то время широко известно под названием «правило пловца».

^{Рис. 2.9. Станок Ампера}

^{1 — подвижная рамка; 2 — неподвижный проводник} 

Особенно важное значение имели исследования А. Ампером взаимодействия круговых и линейных проводников с токами. К этим исследованиям он подошел, основываясь на следующих рассуждениях: если магнит по своим свойствам аналогичен катушке или кольцевому проводнику, обтекаемым током, то два круговых тока должны действовать друг на друга подобно двум магнитам.

Открыв взаимодействие круговых проводников с током, А. Ампер начал исследование взаимодействия линейных проводников с токами. С этой целью он построил так называемый «станок Ампера» (рис. 2.9), в котором один проводник мог изменять положение относительно другого проводника. В ходе этих опытов было установлено, что два линейных проводника с токами притягиваются или отталкиваются в зависимости от того, имеют токи одинаковое направление или различное. Серия опытов этого рода позволила А. Амперу открыть закон взаимодействия линейных проводников с токами: два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются, между тем как два параллельных и противоположно направленных тока взаимно отталкиваются. Обнаруженные явления А. Ампер предложил назвать электродинамическими в отличие от электростатических явлений.

Обобщая результаты своих экспериментальных работ, А. Ампер установил математическое выражение количественных соотношений взаимодействующих токов подобно тому, как это сделал Ш. Кулон по отношению к взаимодействию статических зарядов. Эту задачу А. Ампер решил аналитическим приемом, исходя из принципов И. Ньютона о взаимодействии масс и уподобляя этим массам два элемента тока, произвольно расположенных в пространстве. При этом А. Ампер предположил, что взаимодействие элементов тока происходит по прямой, соединяющей середины этих элементов, и что оно пропорционально длине элементов тока и самим токам. Первый труд А. Ампера о взаимодействии электрических токов был опубликован в 1820 г.

Электродинамическая теория А. Ампера изложена им в сочинении «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», изданном в Париже в 1826–1827 гг.

Опираясь на труды предшественников, а также на важные результаты своих исследований, А. Ампер пришел к принципиально новому выводу о причине явлений магнетизма. Отрицая существование особых магнитных жидкостей, А. Ампер утверждал, что магнитное поле имеет электрическое происхождение. Основываясь на тождестве действия круговых токов и магнитов, А. Ампер пришел к выводу о том, что магнетизм какой-либо частицы обусловлен наличием круговых токов в этой частице, а свойства магнита в целом обусловлены электрическими токами, расположенными в плоскостях, перпендикулярных к его оси. Разработанная А. Ампером гипотеза молекулярных круговых токов явилась новым, прогрессивным шагом на пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений.

А. Ампером в 1820 г. была высказана мысль о возможности создания электромагнитного телеграфа, основанного на взаимодействии проводника с током и магнитной стрелки. Однако А. Ампер предлагал взять «столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв …, помещая каждую букву на отдельной стрелке». Очевидно, что подобная конструкция телеграфа была бы весьма громоздкой и дорогой, что, по-видимому, помешало практической реализации предложения А. Ампера. Потребовалось некоторое время для того, чтобы найти более реальный путь создания телеграфа.

Значение работ А. Ампера для науки было весьма велико. Своими исследованиями А. Ампер доказал единство электричества и магнетизма и нанес решительный удар царившим до него представлениям о магнитной жидкости. Установленные им законы механического взаимодействия электрических токов принадлежат к числу крупнейших открытий в области электричества.

Выдающийся вклад А. Ампера получил высочайшую оценку: в 1881 г. Первый Международный конгресс электриков присвоил единице силы тока наименование «Ампер» [1.6].

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Поделитесь на страничке

Магнитный скирмион, вид изнутри

1 мая 2015 г. & bullet; Physics 8, 40

Получение изображений в атомном масштабе показывает форму и размер технологически интересной магнитной квазичастицы.

Рис. 1: Скирмион — это точечная область обратной намагниченности в однородном магните. «Ядро» скирмиона — здесь, направлено вверх — окружено аксиально-симметричным поворотом, который возвращает текстуру вращения в фоновое направление (вниз).Romming et al. приложил магнитное поле (красная стрелка), противоположное направлению ядра, и использовал спин-поляризованный сканирующий туннельный микроскоп для отслеживания формы скирмиона во время его сжатия. Измеренное изменение формы согласуется с теорией двадцатилетней давности, предполагающей, что эта теория будет полезна для описания скирмионов в устройствах. Скирмион — это точечная область обратной намагниченности в однородном магните. «Ядро» скирмиона — здесь, направлено вверх — окружено аксиально-симметричным поворотом, который возвращает текстуру вращения в фоновое направление (вниз).Romming et al. appie … Показать больше Рисунок 1: Скирмион — это точечная область обратной намагниченности в однородном магните. «Ядро» скирмиона — здесь, направлено вверх — окружено аксиально-симметричным поворотом, который возвращает текстуру вращения в фоновое направление (вниз). Romming et al. приложил магнитное поле (красная стрелка), противоположное направлению ядра, и использовал спин-поляризованный сканирующий туннельный микроскоп для отслеживания формы скирмиона во время его сжатия.Измеренное изменение формы согласуется с теорией двадцатилетней давности, предполагающей, что теория будет полезна для описания скирмионов в устройствах. ×

Магнитный скирмион — это наименьшее возможное возмущение однородного магнита: точечная область обратной намагниченности, окруженная вихревой поворот спинов. Такие скирмионы являются квазичастицами — они не существуют в отсутствие магнитного состояния — и порождают возникающую электродинамику, которую нельзя просто описать уравнениями Максвелла.Частицы также являются привлекательными кандидатами для переноса информации, потому что они имеют размер всего несколько нанометров, очень стабильны и легко обрабатываются спин-поляризованными токами, которые потребляют мало энергии. Хотя скирмионы часто называют частицами, теория, существующая почти два десятилетия назад [1], делает подробные предсказания размера и формы скирмионов. Эти свойства определяют реакцию частицы на спиновый ток и внешнее магнитное поле, но их трудно проверить, потому что скирмионы часто имеют ширину всего в несколько десятков атомов.Никлас Ромминг и его коллеги из Гамбургского университета, Германия, теперь изобразили внутреннюю структуру магнитных скирмионов в металлической пленке, используя метод магниточувствительной сканирующей туннельной микроскопии [2]. Высокое пространственное разрешение этого метода позволило исследователям подтвердить, что размер и форма скирмионов согласуются с теорией.

Математическая концепция скирмиона была изобретена более пятидесяти лет назад физиком высоких энергий Тони Скирмом [3].В квантовой теории поля частицы представляют собой волновые возбуждения с конечным временем жизни. Скирм предположил, что стабильность адронов (протонов, нейтронов и мезонов) можно объяснить, если их описать как топологические дефекты в квантовом векторном поле. Эти дефекты можно было считать «защищенными», поскольку они характеризовались топологическим целым числом, которое не может быть изменено посредством любой непрерывной деформации поля. Идея Скирма для адронов в конечном итоге не стала частью основной теории физики элементарных частиц, но несколько примеров скирмионоподобных топологий существуют в системах конденсированной материи [4].Эта концепция может, например, описывать квантовые холловские системы, определенные жидкокристаллические фазы и конденсаты Бозе-Эйнштейна.

Скирмионы образуются только в магнитах, в которых спиновые взаимодействия благоприятствуют магнитной структуре с киральной симметрией, такой как левое или правое скручивание. Два десятилетия назад теоретики предсказали, что такие повороты могут происходить, когда спины ощущают конкуренцию между выравниванием со своими соседями и перпендикулярностью им [1]. На этой картинке самым сильным взаимодействием между спинами является обмен Гейзенберга.Энергия этого взаимодействия, которое способствует коллинеарному выравниванию соседних спинов и управляет упорядочением многих магнитов, задается обменным интегралом Гейзенберга J. Более слабое взаимодействие, которое способствует перпендикулярным соседним спинам, может иметь место в некоторых магнетиках Гейзенберга, в которых электроны испытывают спин -орбитальная муфта. Энергия этого так называемого взаимодействия Дзялошинского-Мориа (DM) пропорциональна DM-обмену D и заставляет спины в магните Гейзенберга наклоняться, что естественным образом приводит к хиральной структуре.

Взаимодействие DM происходит только в материале, в атомной структуре которого отсутствует инверсионная симметрия — условие, выполняемое в кристаллической решетке B20, которая представляет собой деформированную структуру каменной соли. Скирмионы, например, наблюдались в формах B20 кристаллов MnSi [5] и Fe0,5Co0,5Si [6]. Еще один способ создать структуру, которую нельзя перевернуть, — это создать интерфейс между двумя разными материалами. Формирование такой границы раздела между ферромагнетиком и сильным спин-орбитальным металлом приводит к возникновению необходимого DM-взаимодействия даже в том случае, когда оба металла имеют инверсионно-симметричную решетку [7].Если ферромагнетик достаточно тонкий, то эти межфазные эффекты могут преобладать.

В 2013 году группа ученых из Гамбургского университета обнаружила, что бислой палладий-железо (PdFe), выращенный на поверхности (111) иридия, может поддерживать отдельные скирмионы [8]. Скирмионы могут быть созданы, отображены и аннигилированы с помощью наконечника спин-поляризованного сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Как и все методы СТМ, этот метод измеряет квантово-механический ток, который проходит от поверхности к наконечнику зонда.В этом случае ток зависит от угла между вращением на острие зонда и вращением на поверхности, поэтому метод может отображать ориентацию спинов в каждой точке на поверхности. Точно так же ток от наконечника поляризован по спину и может использоваться для приложения крутящего момента к спинам магнита, чтобы создать или уничтожить скирмион.

В своей новой работе Romming et al. используют ту же технику для изображения внутренней структуры скирмиона в бислое PdFe и его реакции на приложенное магнитное поле.Скирмион можно рассматривать как крошечную двумерную пузырьковую область, намагниченность которой направлена ​​в противоположном направлении по отношению к окружающему материалу. Его ядро ​​можно считать поистине точечным. Но скирмион должен иметь конечный размер, потому что требуется небольшое расстояние (в данном случае около 2 нанометров), чтобы намагниченность повернулась обратно к направлению фона. Приложение магнитного поля в направлении, противоположном намагниченности ядра скирмиона, сжимает пузырек (рис. 1), изменяя его форму.Используя STM, Romming et al. отобразил форму скирмиона в зависимости от магнитного поля, когда пузырь был сжат примерно до половины своего равновесного размера. Их результаты соответствуют существующей теории [1], тем самым подтверждая ее. Эти соответствия также позволили исследователям определить значения J и D в своем материале. Эти значения, которые трудно измерить другими способами, определяют размер скирмиона, и исследователям необходимо знать их для любой технологии, использующей скирмионы.

Физика скирмионов увлекательна из-за их особых топологических свойств [4]. С технологической точки зрения устройства на основе скирмионов могут хранить и обрабатывать информацию беспрецедентно малых размеров и уровней энергопотребления. Например, наличие / отсутствие скирмиона может служить значениями 1 и 0 в бите данных в памяти ипподрома [9]. В работе Romming et al. показывает, что существующие теории обеспечивают прочную основу для микромагнитной конструкции таких устройств.Это замечательно само по себе, поскольку эти теории являются моделями континуума, но новая работа показывает, что они остаются верными в масштабах атомных длин. Более того, результаты показывают, что скирмионы устойчивы: они могут выдерживать обратное поле почти в 3 тесла. Пока магнитные скирмионы наблюдались только при низких температурах. (Ромминг и др. проводили свои эксперименты при 4,2 К). Но совсем недавно исследователи наблюдали скирмионы в магните при комнатной температуре, что сделало их перспективы будущих технологий более реалистичными [10].

Это исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Ссылки

1. А. Богданов и А. Хуберт, «Термодинамически стабильные магнитные вихревые состояния в магнитных кристаллах», J. Magn. Magn. Mater. 138 , 255 (1994); «Свойства изолированных магнитных вихрей», Физ. Status Solidi (b) 186 , 527 (1994)
2. Никлас Ромминг, Андре Кубецка, Кристиан Ханнекен, Кирстен фон Бергманн и Роланд Визендангер, «Зависимые от поля размер и форма одиночных магнитных скирмионов», Phys.Rev. Lett. 114 , 177203 (2015)
3. Т. Х. Р. Скирм, «Единая теория поля мезонов и барионов», Nucl. Phys. 31 , 556 (1962)
4. Н. Нагаоса и Ю. Токура, «Топологические свойства и динамика магнитных скирмионов», Nature Nanotech. 8 , 899 (2013)
5. С. Мюльбауэр, Б. Бинц, Ф. Йониц, К. Пайдерер, А. Рош, А. Нойбауэр, Р. Георгий и П. Бени, «Скирмионная решетка в хиральном магните. , ”Наука 323 , 915 (2009)
6. X.З. Ю., Я. Онозе, Н. Канадзава, Дж. Х. Парк, Дж. Х. Хан, Ю. Мацуи, Н. Нагаоса и Ю. Токура, «Наблюдение двумерного кристалла скирмиона в реальном космосе», Nature 465 , 901 (2010)
7. A. Fert, « Магнитные и транспортные свойства металлических многослойных », в Materials Science Forum , Vol. 59, под редакцией А. Чемберод и Дж. Хиллерэ (Trans Tech, Цюрих, 1989) [Amazon] [WorldCat]
8. Н. Ромминг, К. Ханнекен, М. Менцель, Дж. Э. Бикель, Б. Вольтер, К.фон Бергманн, А. Кубецка и Р. Визендангер, «Запись и удаление одиночных магнитных скирмионов», Science 341 , 636 (2013)
9. Н. С. Киселев, А. Н. Богданов, Р. Шефер и УК Рёсер, «Хиральные скирмионы в Тонкие магнитные пленки: новые объекты для технологий магнитного хранения? // Журн. Физ. Д 44 , 392001 (2011); А. Ферт, В. Крос и Дж. Сампайо, «Скирмионы на следе», Nature Nanotech. 8 , 152 (2013)
10. C. Moreau-Luchaire et al. , «Скирмионы при комнатной температуре: от магнитных тонких пленок к магнитным многослойным материалам», arXiv: 1502.07853 (2015); S. Woo et al. , «Наблюдение магнитных скирмионов при комнатной температуре и их управляемой током динамики в ультратонких пленках Co», arXiv: 1502.07376 (2015)

Об авторе

Кристофер Марроуз — профессор физики конденсированных сред в университете Лидса. Он получил докторскую степень. из Университета Лидса в 1997 году, где он был научным сотрудником Королевской комиссии по выставке 1851 года в том же учреждении с 1998 по 2000 год. Он является научным сотрудником Института физики и старшим членом IEEE.Он прочитал лекцию Вольфарта 2011 года в знак признания его работы по наномагнетизму. Его текущие исследовательские интересы включают многие аспекты наномагнетизма и спинтроники, с общей темой эмерджентных свойств систем конденсированной материи, включая эмерджентные квазичастицы, такие как магнитные монополи и скирмионы.

Тематические области

Статьи по теме

Физика конденсированного состояния

Квантовое танго между магнонами и фононами

26 октября 2020 г.

Магнитная структура с нанопатрансфером отличается беспрецедентно сильной связью между колебаниями решетки и квантованными спиновыми волнами, что может привести к новые способы манипулирования квантовой информацией.Подробнее »

Физика конденсированного состояния

Новый способ измерения магнонов

10 сентября 2020 г.

Согласно прогнозам, магнитные квазичастицы, называемые магнонами, будут обладать измеримым« орбитальным магнитным моментом »в дополнение к их спиновому магнитному моменту. Подробнее »

Еще статьи

Принципы магнетизма | Магнитные изделия и услуги

Принципы магнетизма

Принципы магнетизма и блуждающих токов во вращающихся машинах
_{^{Пол И.Ниппс, П.Е., президент Magnetic Products and Services, Inc.}}

Введение

Эта статья представляет собой сборник информации, которая должна быть полезна для понимания магнетизма в машинах. Его также можно использовать в качестве справочного руководства для инженеров и техников по принципам магнетизма и способам его измерения и удаления. Кратко рассмотрим некоторые эффекты магнетизма, такие как паразитные токи. Прилагается таблица, которая показывает приемлемые уровни магнетизма в турбомашинном оборудовании, основанные на полевом опыте MPS.

Основные понятия и определения

Магнитное поле может быть представлено линиями индукции или магнитными линиями. Эти линии невидимы и создаются намагниченным материалом или электрическим током. Магнитные поля имеют электрическую природу, а магнитное поле, вызванное длинной прямой линией тока, смоделировано на рисунке 1.

Линии потока непрерывны и существуют в замкнутых контурах. Единица магнитного потока называется Максвеллом (линия).Плотность магнитного потока (B) в любой точке определяется как количество линий, проходящих через область, перпендикулярную направлению магнитных линий. Плотность магнитного потока (B) называется гауссом (количество линий на квадратный сантиметр), это векторная величина (величина и направление в любой точке). Единица плотности потока (B) — это гаусс, что соответствует одной линии на квадратный сантиметр (или 6,54 линии на квадратный дюйм).

Важно понимать, что линии потока всегда образуют замкнутые пути вокруг линий тока, которые их производят.

Поле, создаваемое прямой линией тока, прямо пропорционально величине тока и обратно пропорционально перпендикулярному (радиальному) расстоянию от линии тока. Это также связано со свойством, определяемым как проницаемость среды, в которой существует поле, обычно окружающей линию тока.

Проницаемость широко варьируется в зависимости от материала. Они также могут изменяться в пределах данного материала, будучи нелинейными в зависимости от напряженности магнитного поля.

Рисунок 1: Упрощенное представление магнитного поля вокруг длинного прямого проводника

Для простой конфигурации на Рисунке 1:

B = 0,0787 (м _r I / r)
Где: B = плотность потока (гаусс)
mr = Относительная воздухопроницаемость
I = ток (амперы)
r = Радиальное расстояние (дюймы).

Пока проницаемость остается постоянной, поля из-за любого количества линий тока складываются. Результирующее поле для двух длинных линий тока в одном и том же и в противоположных направлениях показано на рисунке 2.

Рис. 2 Слева показаны комбинированные диаграммы магнитного поля двух параллельных проводящих проводов, а справа показаны токи в противоположных направлениях

Поле, которое существует между двумя проводами, по которым проходит ток в одном направлении, невелико, и это создает силу, притягивающую провода друг к другу (токи в одном направлении имеют силы притяжения).Когда два провода переносят токи, текущие в противоположных направлениях, существующее поле велико, и это создает силу, отталкивающую провода друг от друга (токи в противоположных направлениях имеют силы отталкивания). Поля, связанные с одним витком тока, показаны на рисунке 3. Сильные и относительно однородные поля существуют в трубке соленоида, как показано на рисунке 4.

Конфигурация магнитного поля двух постоянных магнитов показана на рисунке 5.Магнит (a) имеет длинный путь возврата воздуха для магнетизма от одного конца северного полюса до конца южного полюса, поэтому магнетизм (плотность потока) слабый, в то время как магнит (b) имеет короткий путь возврата воздуха, поэтому магнетизм (плотность потока) интенсивная.

Рисунок 5: Диаграммы силовых линий магнитного поля постоянных магнитов

На рис. 6 показаны структуры невидимого магнитного поля, обозначенные железными опилками.

Рисунок 6: Фотографии структур магнитного поля, наполняющего железо

Рисунок 7 иллюстрирует природу магнитного поля Земли.Генерируемый внешний магнетизм подобен тому, который создается большим стержневым магнитом, расположенным внутри центра Земли. Преобладающая теория состоит в том, что намагничивающая сила возникает из-за выровненных электронных спинов и вращений магмы в центре Земли.

Рисунок 7: Упрощенная диаграмма магнитного поля Земли

Ферромагнитные материалы, такие как большинство сталей, обладают характеристиками гистерезиса. На рисунке 8 показана типичная петля гистерезиса.Вертикальная ось (ордината) представляет плотность потока (B) в материале, а горизонтальная ось (абсцисса) представляет приложенную магнитную силу, или MMF (H).

Рисунок 8: Петля гистерезиса

Величина H связана с числом наложенных ампер-витков, деленным на длину магнитной цепи. Магнитная цепь может состоять из комбинации стальных и воздушных путей, а MMF (или H) делится между различными сегментами пути в зависимости от длины сегмента пути и проницаемости.

Например, пусть H на рисунке 8 представляет собой часть общей MMF, которая действует на ферромагнитный материал или стальную деталь. Если сталь изначально не намагничена, это описывается точкой с меткой 0. Имеется нулевое магнитное поле (B) с нулевым наложенным MMF (H). Если MMF устанавливается равным расстоянию 0-g, состояние материала определяется точкой b. В этой точке в материале есть поле, пропорциональное расстоянию g-b. Если MMF или поле возбуждения затем уменьшается до нуля, материальное состояние переходит в точку d.MMF равен нулю, но остается остаточный или остаточный магнетизм (Br).

Если MMF последовательно и многократно реверсируется, магнитные состояния материала следуют по траектории, называемой петлей гистерезиса, как показано.

Процедура размагничивания (также известная как размагничивание) куска стали для удаления его остаточного магнетизма состоит из многократного применения реверсивной и постепенно уменьшающейся MMF. Эффект показан на Рисунке 9.

Рисунок 9: Последовательные петли гистерезиса во время работы
размагничивания ферромагнитного образца

Процесс производит циклически убывающие уровни остаточного поля и, если все сделано правильно, заканчивается в начале координат, которое является точкой нулевого магнетизма.Это за исключением земного магнетизма, который нельзя удалить с помощью размагничивания, его уровень колеблется от нуля до ½ гаусса при отсутствии поблизости магнитных структур или отложений.

Некоторые полезные уравнения для расчета магнитных полей показаны на рисунке 10. Уравнения для расчета сил, создаваемых магнитными полями, показаны на рисунке 11, а пример показан на рисунке 12.

Рисунок 10: Полевые уравнения для нескольких простых конфигураций

Рисунок 11: Силы магнитного поля

Рисунок 12: Силы, возникающие при размагничивании

Магнетизм в машиностроении

Магнетизм в оборудовании является причиной многих ранее необъяснимых отказов оборудования.В частности, износ подшипников, уплотнений, шестерен, муфт и шейек объясняется наличием электрического тока в машинах. Часто такие поезда или группы машинного оборудования не содержат компонентов с электрическими обмотками или предполагаемого магнетизма, то есть двигателей или генераторов.

С начала века производители электрического оборудования распознали и защищали от воздействия электрических токов вала. Для таких целей обычно используется изоляция подшипников.

Только с середины 1970-х годов полностью осознали необходимость защитных мер для полностью механических систем. Эволюция турбинных и компрессорных систем в сторону высоких скоростей и массивных рам признана причиной нового источника проблем, связанных с магнитными полями.

Электрический генератор преобразует механическую энергию в электрическую через магнитные поля. Ротор обычного генератора представляет собой по существу магнит, который вращается таким образом, что поток его магнитного поля проходит через катушки обмоток.Удачное размещение катушек в пазах и другие конструктивные особенности приводят к преобразованию механической энергии в электрическую. Это создает электрическое напряжение и мощность в обмотках, которые затем передаются в электрическую нагрузку или энергосистему.

Турбина, компрессор или любая другая намагниченная вращающаяся машина ведет себя примерно так же. Детали из магнитной стали образуют магнитную цепь, а также являются электропроводными, поэтому генерируются напряжения, вызывающие локализованные вихревые токи и циркулирующие токи.Эти токи будут либо переменными, либо постоянными, и могут возникать искры или разряды через зазоры и границы раздела фаз, вызывая искрение с обледенением, искровыми дорожками и, в крайнем случае, сваркой. Они могут вызвать повышение температуры и нанести серьезный ущерб.

Действие генератора происходит в результате относительного движения между магнитом и «проводниками». Следовательно, либо рама машины, либо ротор могут быть намагничены, и такое же действие происходит, когда происходит относительное движение между вращающейся и неподвижной частями.

Плотность магнитного поля в воздушном зазоре собранных и работающих двигателей и генераторов рассчитана на величину порядка от 7000 до 9000 Гс. Эти поля способны генерировать от ватт до мегаватт электроэнергии, в зависимости от скорости и размера генератора.

Уровни поля из-за остаточного магнетизма в турбомашинном оборудовании возникают не из-за конструкции, а из-за производства, испытаний и экологических причин. Они были измерены на поверхности и в зазорах разобранных частей машины на уровнях от 2 гаусс до тысяч гаусс.Они значительно увеличиваются в собранной машине, где магнитный материал обеспечивает хороший закрытый путь для магнетизма, а воздушные зазоры между частями значительно уменьшаются. Эта комбинация может создать условия для генерации заметных паразитных напряжений и циркуляции повреждающих токов.

Есть несколько способов намагничивания стальных машин. Помещение детали в сильное магнитное поле может вызвать значительный остаточный магнетизм. Механический удар и высокое напряжение некоторых материалов также могут вызвать остаточное поле.

Некоторые методы создания кругового остаточного магнетизма состоят из электрического тока, проходящего через компоненты. Ниже приведены известные примеры в порядке возрастания их действия:

1) Постоянный ток через вал в осевом направлении создает в валу круговой магнетизм. Два очевидных источника этого тока и кругового магнетизма:

• Намагничивание с намеренным высоким осевым током для проведения магнитопорошкового контроля
• Наложение аксиально ориентированного постоянного тока на вал синхронной машины в результате замыкания на землю обмотки ротора или короткого замыкания.

2) Неисправности электросистемы с исправленными источниками

3) Молния, разряды, которые по отдельности считаются причиной возникновения подшипников, а также являются коварными источниками намагничивания валов.

Использование электросварочных аппаратов и нагревателей на трубах и других деталях является обычным явлением, и при неправильном использовании вызывает остаточный магнетизм.

Предметы, которые были подвергнуты магнитопорошковой проверке, часто сохраняют остаточный магнетизм из-за недостаточного или неправильного размагничивания после испытания.

Компоненты, которые соприкасались с магнитными зажимными приспособлениями и магнитными основаниями, часто имеют несколько соседних полюсов остаточного поля.

Измерение поля и размагничивание

Магнитные поля измеряются с помощью устройств, называемых гауссметрами. Как следует из названия, эти измерители измеряют плотность магнитного потока в единицах Гаусс. В большинстве измерителей используется зонд, работающий на «эффекте Холла». В этом типе зонда используются высокочастотные токи в полупроводниковом кристалле для создания характеристики, пропорциональной магнитному полю.Обычно поле чувствительно только к самому кончику зонда.

Измеряются поля, которые проходят перпендикулярно поверхности полупроводника на эффекте Холла. Зонд на эффекте Холла отлично подходит для измерения прямых (постоянных) магнитных полей. Его точность и интерпретация того, что читается, если его использовать для измерения переменных (AC) полей, сомнительны и сомнительны.

Надежные измерения в гаусс или миллигауссах переменного тока обычно получают с использованием отдельной схемы в гауссметре и другого датчика, включающего катушку датчика поля переменного тока.Его можно использовать на работающих машинах или в средах, содержащих чередующиеся поля.

Магнитные поля являются направленными: «север» на одном конце и «юг» на другом. Датчики на эффекте Холла чувствительны к направлению. Если зонд перевернут, отображается обратное показание, соответствующее обнаружению либо северного, либо южного полюса. При цифровом измерении знак поля указывается автоматически (+ или -). Аналоговые измерители с нулевой центральной шкалой будут показывать слева или справа от нуля.Если одна сторона зонда (например, сторона с номером калибровки) всегда направлена ​​в сторону от измеряемого объекта и называть его северным полюсом, когда показания измерителя положительные, это устанавливает соглашение о расположении северного и южного полюсов, а также ориентации и путь магнетизма, создающего полюса.

Этот произвольный выбор северного полюса может быть противоположным установленному соглашению; однако его вполне достаточно для определения местоположения магнитных цепей и их сил намагничивания для целей размагничивания.Если важно согласование с установленным соглашением об идентификации полярности, сторона северного полюса идентифицированного эталонного магнита может быть использована для определения того, какая обращенная наружу сторона зонда на эффекте Холла дает положительное значение магнетизма, которое следует обозначить как север.

У хорошего гауссметра есть средства калибровки для проверки правильности калибровки датчика, а также настройки обнуления. Процедура обнуления требует, чтобы зонд был временно вставлен в камеру с нулевым гауссом.«Эти маленькие камеры экранируют паразитные поля, включая поле Земли, так что реализуется истинное нулевое поле. Это означает, что зоны сильного локального поля можно не замечать. На рисунке 13 ниже показаны два из предложенных MPS измерителя Гаусса.

Рисунок 13:

Небольшие ручные «раздачи на выставках» типа компаса часто используются обслуживающим персоналом для грубой проверки детали или сборки, пока они еще работают.Опыт показал, что эти индикаторы могут быть крайне неточными и подверженными поломке и не могут надежно обеспечить правильную ориентацию и положение.

Аппаратное обеспечение, используемое для размагничивания, состоит из источника питания и электрических катушек, которые используются для генерации магнитных полей. Источник питания должен обеспечивать выход переменного или постоянного тока. В режиме постоянного тока необходимо реверсивное средство для облегчения операции понижающего цикла. Система автоматического размагничивания MPS показана на Рисунке 14 ниже.

Выходная мощность должна составлять не менее 15 000 ампер-витков, а еще более высокая напряженность поля может быть достигнута с помощью нескольких конфигураций кабелей. Размер катушек должен соответствовать выходному току, чтобы избежать перегрева изоляции. Сильные поля могут быть получены с помощью нескольких витков, несущих большие токи, или множества витков, несущих слабый ток. Поле катушек прямо пропорционально произведению числа витков и силы тока (см. Рисунок 10).

Блоки размагничивания обычно имеют ручку для ручной настройки значения выходного тока или начального уровня для автоматического отключения.Когда используется выход переменного тока, поле по своей сути меняет направление на частоту электрической сети переменного тока (50 Гц или 60 Гц). Для больших или массивных компонентов высокочастотное реверсирование, производимое в режиме переменного тока, может генерировать поверхностные вихревые токи, которые препятствуют проникновению потока в деталь. В этих случаях требуется метод более медленного реверсирования постоянного тока. Лучше всего этому требованию удовлетворяют агрегаты с полностью автоматическим понижающим циклом. Чтобы использовать эти устройства, катушки необходимо сориентировать относительно детали, подлежащей размагничиванию, установить начальный уровень мощности и нажать кнопку запуска цикла.Затем автоматически активируется цикл размагничивания.

Для небольших деталей или деталей с тонкими стенками может оказаться эффективным стандартный ластик с магнитной лентой, если его правильно использовать. Эти устройства создают очень сильные локальные поля.

Методы измерения — в состоянии покоя

Процесс измерения магнитных полей требует тщательного определения того, где можно получить наиболее значимые показания. На полностью собранных машинах выбор места погрузки несколько ограничен.Наиболее критическими зонами обычно являются зоны с близкими зазорами между вращающимися и неподвижными элементами. Следовательно, по возможности следует проводить измерения вокруг подшипников и уплотнений. Также важны показания на концах валов, ступицах муфт, зубьях шестерен, опорах лап и фланцах труб.

Там, где расположены датчики приближения вала, следует измерять и регистрировать уровни магнитного поля в областях, охватываемых зонами датчиков. Ошибочные сигналы датчика могут возникать из-за наличия магнитных полюсов или чрезмерного магнетизма вдоль дорожки датчика.Обычно это впервые замечают при измерении электрического биения при медленной прокатке. Иногда в заявке производителя датчика указываются пределы магнетизма, которые нельзя превышать.

Уровни магнитного поля лучше всего измерять при неработающем оборудовании. Затем гауссметр используется в режиме постоянного тока для считывания уровней статического поля. Следует понимать, что уровни поля могут изменяться при демонтаже оборудования из-за изменения путей потока. Например, когда муфта снимается, уровни магнитного поля соседнего подшипника могут увеличиваться или уменьшаться.Если желательно исследовать магнетизм в собранном виде, лучше всего выполнить как можно меньше разборки перед снятием показаний поля, чтобы измеренные уровни были репрезентативными для рабочих условий до отключения.

Как можно заметить в следующем разделе, более полезной практикой является проведение магнитных исследований на полностью разобранных деталях с записью показаний, снятых до и после размагничивания. Затем, когда происходит сборка, следует измерять магнетизм на новых и переработанных деталях во время сборки, а также на самих сборках, особенно в критических областях, таких как подшипники, уплотнения, шестерни и т. Д.Высокий магнетизм в этих условиях может потребовать размагничивания с понижающим циклом для достижения приемлемых уровней.

Практика, используемая при регистрации и сообщении уровней магнетизма, важна для организации исследований и действий по размагничиванию. Был найден действенный и действенный метод, успешно применяемый на протяжении многих лет. Сначала необходимо провести беглый обзор, чтобы узнать, превышают ли уровни максимально допустимые значения магнетизма. В противном случае размагничивание и табулирование магнитных показаний могут не потребоваться.Исключением являются полнокруглые кольца, такие как корпусы цилиндрических компрессоров и торцевые крышки, в которых захваченный магнетизм замыкается на себя и, таким образом, не выходит на поверхность, где его можно измерить. Если возникают проблемы с током на валу или есть наименьшее подозрение на наличие захваченного магнетизма, следует провести автоматическое отключение на низком уровне.

После беглого осмотра следует решить, оправдывают ли деталь и ее магнетизм создание чертежа, на котором должны быть записаны магнитные показания, или достаточно табличной формы.В любом случае следует записать показания до и после размагничивания, причем последние должны быть обозначены кружком или иным образом обозначены. Следует записывать средние и пиковые значения, а также полярность и характеристики полей, а также наличие локализованных магнитных полюсов.

Приведенный перечень показаний имеет неоценимое значение при выборе размещения размагничивающей катушки, а также при настройке и работе контроллера. Таблица предельных значений магнетизма, которая была разработана MPS Gaussbuster Engineer за многолетний опыт работы с почти 1000 турбомашинными установками, показана ниже.

Уровни поля в подшипниках и областях уплотнения обычно не поддаются непосредственному измерению на сборках, поскольку размеры зонда не позволяют вставлять их между элементами и в небольших зазорах. Обычный подход — разместить зонд как можно ближе к этим зонам. Важно понимать, что измеренные уровни поля представляют собой лишь граничные значения, которые могут быть значительно ниже, чем фактические уровни внутри сборки. Нет известного метода прямого измерения уровней поля в твердых частях.Уровни внутреннего потока рассчитываются или оцениваются на основе измеренных значений на границах. Известно, что уровни магнетизма собранного блока в сотни и тысячи раз превышают измеренные значения на открытом воздухе.

Многие ферромагнитные материалы обладают проницаемостью, которая меняется в зависимости от напряженности поля, даже при низких уровнях. Следовательно, в этих материалах обычно наблюдаются существенные вариации плотности магнитного потока. Этим вариациям обычно способствуют геометрические вариации деталей и узлов.

Методы измерения — при эксплуатации

Безусловно, наибольший объем информации о магнетизме и токах на валу в операционном блоке получается путем измерения напряжений и токов на валу с использованием заземления вала или устройств измерения напряжения и мониторов.Устройства контакта вала предназначены для заземления вала, обхода токов вала и предотвращения их протекания и повреждения подшипников, уплотнений, шестерен и т. Д. В прошлом конструкции и характеристикам заземляющих устройств уделялось мало внимания, в результате чего различные был нанесен ущерб, иногда вызывая вынужденные отключения. Часто ток заземления передается непосредственно на корпус или корпус без каких-либо средств для его перехвата для измерения и контроля. Используемые заземляющие устройства часто ненадежны в агрессивной среде.Сегодня доступны различные устройства заземления вала и контрольное оборудование для защиты критически важных компонентов и контроля их работы. Подходящие мониторы показаны ниже на Рисунке 16.

Рекомендуется проводить испытания напряжения и тока на валу с использованием специально предназначенных для этого инструментов. Перед выбором и установкой контактных устройств вала необходимо провести измерения на стратегических валах. Такие испытания полезны для демонстрации характера и мощности передачи напряжения на валу, а также для определения того, является ли напряжение статическим или электромагнитным по своей природе.Хотя доступ к валу для измерений часто ограничен, обычно можно получить доступ в одном или нескольких местах для тестирования.

Рисунок 15: MPS Gaussbuster Engineer выполняет испытание напряжения вала.

Если токи на валу возникают одновременно по нескольким причинам, анализ может быть затруднен, и может потребоваться несколько соображений. Специалисты MPS Gaussbuster Engineers занимаются анализом профилей тока и напряжения на валу и определением основных причин блуждающих токов на валу.Наличие электромагнитных факторов диктует, что безопасная и надежная работа может быть обеспечена только путем тщательного размагничивания машины и ее компонентов. После того, как будут определены предпочтительные местоположения контактных устройств вала, следует произвести постоянную установку вместе с точными и надежными датчиками напряжения-тока. сделал.

Когда намагниченный механизм работает, его магнитное поле может меняться или пульсировать. Их можно измерить с помощью гауссометра MPS, переключенного в режим переменного тока.Другой метод состоит в использовании магнитного датчика типа «телефон», подключенного к устройству хранения данных или линейному магнитофону. Затем данные могут быть проанализированы на предмет амплитуды и частотного содержания с помощью спектральных анализаторов.

Известно, что из нескольких попыток разработать надежные записи телефонных разговоров и профили гауссметра переменного тока ни одна из них не была продолжена и претерпела достаточные изменения, чтобы оценить их эффективность. Возможно, это связано с большими расходами и сложностями, связанными с получением, анализом и расшифровкой данных.

Точное профилактическое и профилактическое обслуживание является целью постоянного мониторинга эксплуатационных характеристик. Таким образом, важно, чтобы изменения были надежно обнаружены и проанализированы. Это справедливо как для измерения напряжения на валу, так и для измерения тока, а также для магнитных измерений постоянного и переменного тока. Пока одно и то же оборудование и настройки используются в одних и тех же местах в условиях контролируемой нагрузки и скорости, должны присутствовать одни и те же записанные шаблоны, а изменения в «сигнатурах» могут быть отмечены и интерпретированы.Имея некоторый опыт, возникновение проблемных полей можно определить по напряжению на валу и магнитным сигнатурам.

Методы размагничивания

Размагничивание оборудования требует множества размышлений и опыта в различных методах, их ценности и вероятности успеха. Обсуждаемые примеры и методики не предназначены для использования в качестве руководства для неопытных. Если потребуется дополнительная информация, обращайтесь к инженерам Gaussbuster.

Размагничивание турбин, компрессоров и другого оборудования несложно, за исключением особых или необычных случаев. Надежные, отработанные методы не всегда работают в любой ситуации. Кроме того, поведение материалов различается и не всегда может быть объяснено.

Например, опыт размагничивания некоторых больших и сложных компонентов доказал, что они демонстрируют замечательную магнитную стойкость. Можно было бы использовать несколько конфигураций намотки катушки, все с одинаковыми результатами.Поля можно было резко изменять за счет приложения внешних полей, но исходные или лишь немного меньшие уровни возвращались при снятии тока возбуждения.

После многократного автоматического отключения с фиксированной обмоткой катушки поля внезапно и необъяснимо резко уменьшились. Эта техника магнитного «массажа» в конечном итоге окупилась. Оглядываясь назад, можно сделать вывод, что размагничивающие катушки, вероятно, не окружали точно магнитный источник, и, возможно, намагниченный материал обладал «квадратной» характеристикой петли гистерезиса.

Важно помнить, что магнитные поля могут создавать значительные силы. (Некоторые полезные уравнения показаны на рисунке 11.) Когда незакрепленные части помещают рядом друг с другом в магнитных полях, они могут испытывать большие силы притяжения, которые могут соединить их вместе. Следует проявлять осторожность, чтобы не повредить пальцы или ценное оборудование.

В качестве примера этих сил рассмотрим две половины корпуса подшипника, изначально разделенные на ½ дюйма (см. Рисунок 12).Если открытый стальной контур обернут катушкой, производящей 4000 ампер-витков, устанавливается плотность воздушного зазора 1,960 Гаусс (рисунок 10c). Сила сжатия в исходном положении (при условии, что поверхность зазора составляет 10 кв. Дюймов) составляет 22 фунта на каждый разрез. Когда две половинки сближаются, плотность потока увеличивается. При раскрытии дюйма усилие составляет около 88 фунтов. На расстоянии 1/8 дюйма сила сжатия составляет более 355 фунтов на каждый зазор!

Во время процесса размагничивания могут быть легко созданы очень большие силы.Силы резко возрастают по мере приближения частей друг к другу. Незакрепленные детали перед нанесением полей необходимо соответствующим образом закрепить или закрепить.

Рекомендации по техническому обслуживанию

Многие дорогостоящие простои можно предотвратить, применяя надлежащие методы обслуживания. Повреждающие магнитные поля первоначально проявляются в виде «замороженных» подшипников и / или искрообразования на подшипниках, уплотнениях, муфтах или шестернях. Примеры повреждений вращающегося оборудования можно получить в MPS.

Часто бывает трудно определить точную причину намагничивания. Сварка, электростатический разряд, использование магнитных инструментов или патронов, а также неправильно размагниченные детали с магнитным флюсом — все это потенциальные источники.

Для надлежащей практики обслуживания требуется:

1. Тщательный визуальный осмотр подшипников, уплотнений, муфт и шестерен во время регулярных плановых остановов на предмет повреждений, вызванных магнитным током.

2. Контроль положения вала в радиальном и осевом направлении с помощью бесконтактного датчика.Это следует продолжать на регулярной основе, так как в конечном итоге происходит потеря баббита или стали. Часто также происходит повышение температуры подшипников.

3. Мониторинг токов вала с помощью прибора, такого как MPS VCM, который будет отображать (или предпочтительно записывать) точно и последовательно токи вала в заземляющем кабеле, подключенном к устройству заземления вала. Заметные изменения должны указывать на потенциальную проблему.

План действий должен быть сформулирован в зависимости от масштабов и значимости изменения.Обратитесь к инженерам MPS Gaussbuster за помощью в анализе данных.

4. Регулярно проверяйте и обслуживайте заземляющие устройства вала, чтобы гарантировать их надлежащую работу и заземление вала.

5. Убедитесь, что все сварочные работы выполняются с заземляющим электродом, подключенным как можно ближе к зоне сварки.

6. Проверка намагниченности с помощью точного гауссметра, такого как MPS Gaussometer, на всех новых деталях для хранения или добавления в модельный ряд, чтобы убедиться, что они должным образом размагничены перед установкой.Спецификация детали должна включать требование размагничивания с допустимыми уровнями, не превышающими перечисленных в таблице (выше) с пометкой «Максимально допустимые уровни остаточного магнитного поля», как это определено инженерами MPS Gaussbuster после многолетнего опыта.

Вернуться на страницу статей.

Магнитный момент — Infogalactic: ядро ​​планетарного знания

Магнитный момент магнита — это величина, которая определяет крутящий момент, который он будет испытывать во внешнем магнитном поле.Петля электрического тока, стержневой магнит, электрон (вращающийся вокруг ядра), молекула и планета — все они обладают магнитными моментами.

Магнитный момент можно рассматривать как вектор, имеющий величину и направление. Направление магнитного момента указывает с юга на северный полюс магнита. Магнитное поле, создаваемое магнитом, пропорционально его магнитному моменту. Точнее, термин магнитный момент обычно относится к магнитному дипольному моменту системы , который дает первый член в мультипольном разложении общего магнитного поля.Дипольная составляющая магнитного поля объекта симметрична относительно направления его магнитного дипольного момента и уменьшается как куб, обратный расстоянию от объекта.

Определение

Магнитный момент определяется как вектор, связывающий выравнивающий момент на объекте от приложенного извне магнитного поля к самому вектору поля. Отношение задается по формуле ^[1]

где — крутящий момент, действующий на диполь, — внешнее магнитное поле, — магнитный момент.

Это определение основано на принципе измерения магнитного момента неизвестного образца.

Квартир

Единица магнитного момента не является базовой единицей в Международной системе единиц (СИ). Поскольку крутящий момент измеряется в ньютон-метрах (Н · м), а магнитное поле — в теслах (Тл), магнитный момент измеряется в ньютон-метрах на тесла. Имеет эквиваленты в других базовых единицах:

где A — амперы, J — джоули.

В системе CGS существует несколько различных наборов единиц электромагнетизма, основными из которых являются ESU, Gaussian и EMU. Среди них есть две альтернативные (неэквивалентные) единицы магнитного дипольного момента:

(ESU)

(гауссовский и EMU),

где statA — статамперы, cm — сантиметры, erg — эрг, G — гаусс, а abA — амперы. Отношение этих двух неэквивалентных единиц CGS (EMU / ESU) равно скорости света в свободном пространстве, выраженной в см · с ^-1 .

Все формулы в этой статье верны в единицах СИ; их может потребоваться изменить для использования в других системах единиц. Например, в единицах СИ контур тока с током I и площадью A имеет магнитный момент IA (см. Ниже), но в единицах Гаусса магнитный момент равен IA / c .

Два представления причины магнитного момента

Предпочтительное классическое объяснение магнитного момента со временем изменилось.До 1930-х годов в учебниках этот момент объяснялся с помощью гипотетических точечных магнитных зарядов. С тех пор большинство определили это в терминах амперских токов. ^[2] В магнитных материалах причиной магнитного момента являются состояния спина и орбитального углового момента электронов, а также то, выровнены ли атомы в одной области с атомами в другой.

Представление магнитного полюса

Электростатический аналог магнитного момента: два противоположных заряда, разделенных конечным расстоянием.

Источники магнитных моментов в материалах могут быть представлены полюсами по аналогии с электростатикой. Рассмотрим стержневой магнит с магнитными полюсами одинаковой величины, но противоположной полярности. Каждый полюс является источником магнитной силы, которая ослабевает с расстоянием. Поскольку магнитные полюса всегда идут парами, их силы частично компенсируют друг друга, потому что, пока один полюс тянет, другой отталкивается. Это подавление является наибольшим, когда полюса находятся близко друг к другу, то есть когда стержневой магнит короткий.Магнитная сила, создаваемая стержневым магнитом в данной точке пространства, поэтому зависит от двух факторов: силы p его полюсов ( сила магнитного полюса ) и вектора ℓ , разделяющего их. Момент связан с фиктивными полюсами как ^[2]

Указывает направление с Южного полюса на Северный. Аналогию с электрическими диполями не следует заходить слишком далеко, потому что магнитные диполи связаны с угловым моментом (см. Магнитный момент и угловой момент).Тем не менее магнитные полюсы очень полезны для магнитостатических расчетов, особенно в приложениях к ферромагнетикам. ^[2] Практикующие, использующие подход магнитного полюса, обычно представляют магнитное поле безвихревым полем H по аналогии с электрическим полем E .

Интегральное представление

Момент μ плоского тока величиной I , охватывающий область S

Начнем с определения псевдовектора дифференциального магнитного момента:

где × — векторное векторное произведение, r — вектор положения, а j — плотность электрического тока.Он очень похож на дифференциальный угловой момент, определяемый как:

где ρ — массовая плотность, а v — вектор скорости. Как и в любом псевдовекторе, по соглашению направление поперечного произведения задается правилом захвата правой рукой. ^[3] Практикующие, использующие модель токовой петли, обычно представляют магнитное поле соленоидальным полем B , аналогичным электростатическому полю D .

Таким образом, интегральный магнитный момент распределения заряда равен:

Начнем с точечной частицы; в этой простой ситуации магнитный момент равен:

,

, где r — это положение электрического заряда q относительно центра круга, а v — мгновенная скорость заряда, что дает плотность электрического тока Дж .

С другой стороны, для точечной частицы угловой момент определяется как:

,

и в плоском корпусе:

путем определения электрического тока с векторной областью S (координаты x , y и z этого вектора являются областями проекций контура на yz , zx и xy самолетов):

Тогда по теореме Стокса интегральный магнитный момент выражается как:

Фактор 1/2 в нашем определении выше возник только по исторической причине: старое определение магнитного момента было этим последним интегральным уравнением.Если бы кто-то начал с дифференциального определения:

, то когерентное интегральное выражение было бы:

Магнитный момент соленоида

Обобщением вышеупомянутой токовой петли является катушка или соленоид. Его момент — это векторная сумма моментов отдельных поворотов. Если у соленоида N одинаковых витков (однослойная обмотка) и векторной области S ,

Магнитный момент и угловой момент

Магнитный момент имеет тесную связь с угловым моментом, называемый гиромагнитным эффектом .Этот эффект выражен в макроскопическом масштабе в эффекте Эйнштейна-де Гааза, или «вращении за счет намагничивания», и обратном ему, эффекте Барнетта или «намагничивании за счет вращения». ^[1] В частности, когда на магнитный момент действует крутящий момент в магнитном поле, которое стремится выровнять его с приложенным магнитным полем, момент прецессирует (вращается вокруг оси приложенного поля). Это следствие совпадения магнитного момента и углового момента, что в случае заряженных массивных частиц соответствует сочетанию заряда и массы в частице.

Рассмотрение магнитного диполя как вращающейся заряженной частицы выявляет тесную связь между магнитным моментом и угловым моментом. И магнитный момент, и угловой момент увеличиваются с увеличением скорости вращения. Отношение этих двух называется гиромагнитным отношением и представляет собой просто половину отношения заряда к массе. ^{[4] [5]}

Для вращающегося заряженного твердого тела с однородным отношением плотности заряда к плотности массы гиромагнитное отношение равно половине отношения заряда к массе.Это означает, что более массивная сборка зарядов, вращающихся с одинаковым угловым моментом, будет иметь пропорционально более слабый магнитный момент по сравнению с более легким аналогом. Несмотря на то, что атомные частицы нельзя точно описать как вращающиеся зарядовые распределения с однородным отношением заряда к массе, эту общую тенденцию можно наблюдать в атомном мире, где собственный угловой момент (спин) каждого типа частиц является постоянной величиной: a малое полуцелое число, умноженное на приведенную постоянную Планка ħ .Это основа для определения единиц магнитного момента магнетона Бора (при условии отношения заряда к массе электрона) и ядерного магнетона (при условии отношения заряда к массе протона).

Влияние внешнего магнитного поля на магнитный момент

Сила момента

Магнитный момент во внешнем магнитном поле имеет потенциальную энергию U :

В случае, когда внешнее магнитное поле неоднородно, на сам магнитный момент будет действовать сила, пропорциональная градиенту магнитного поля.Было некоторое обсуждение того, как рассчитать силу, действующую на магнитный диполь. Есть два выражения для силы, действующей на магнитный диполь, в зависимости от того, является ли модель диполя токовой петлей или двумя монополями (аналогично электрическому диполю). ^[6] Сила, полученная в случае модели токовой петли, составляет

В случае использования пары монополей (например, модель электрического диполя)

и одно можно сопоставить с другим через отношение

Во всех этих выражениях μ — это диполь, а B — магнитное поле в его положении.Обратите внимание, что при отсутствии токов или изменяющихся во времени электрических полей ∇ × B = 0 и два выражения согласуются.

Электрон, ядро ​​или атом, помещенные в однородное магнитное поле, будут прецессировать с частотой, известной как частота Лармора. См. Резонанс.

Магнитные диполи

Основная статья: Магнитный диполь

Магнитный диполь — это предел либо токовой петли, либо пары полюсов, поскольку размеры источника уменьшаются до нуля при сохранении постоянного момента.Поскольку эти ограничения применяются только к полям, удаленным от источников, они эквивалентны. Однако эти две модели дают разные прогнозы для внутреннего поля (см. Ниже).

Внешнее магнитное поле, создаваемое дипольным магнитным моментом

Силовые линии магнитного поля вокруг «магнитостатического диполя». Сам магнитный диполь расположен в центре фигуры, если смотреть сбоку, и направлен вверх.

Любая система, обладающая чистым магнитным дипольным моментом м , будет создавать дипольное магнитное поле (описанное ниже) в пространстве, окружающем систему.В то время как чистое магнитное поле, создаваемое системой, также может иметь мультипольные компоненты более высокого порядка, они будут уменьшаться с расстоянием быстрее, так что только дипольная составляющая будет доминировать в магнитном поле системы на больших расстояниях от нее.

Векторный потенциал магнитного поля, создаваемого магнитным моментом м , равен

и плотность магнитного потока

В качестве альтернативы можно сначала получить скалярный потенциал с точки зрения магнитного полюса,

и, следовательно, напряженность магнитного поля

Магнитное поле идеального магнитного диполя изображено справа.

Внутреннее магнитное поле диполя

Магнитное поле токовой петли

Две модели диполя (токовая петля и магнитные полюса) дают одинаковые предсказания для магнитного поля вдали от источника. Однако внутри области источника они дают разные прогнозы. Магнитное поле между полюсами (см. Определение магнитного полюса на рисунке) находится в направлении, противоположном магнитному моменту (который указывает от отрицательного заряда к положительному), в то время как внутри токовой петли оно находится в том же направлении (см. Рисунок направо).Понятно, что пределы этих полей также должны быть другими, поскольку источники уменьшаются до нулевого размера. Это различие имеет значение только в том случае, если дипольный предел используется для расчета полей внутри магнитного материала. ^[2]

Если магнитный диполь создается путем уменьшения и уменьшения токовой петли, но при сохранении постоянного произведения тока и площади, ограничивающее поле равно

.

В отличие от выражений в предыдущем разделе, этот предел верен для внутреннего поля диполя. ^{[2] [7]}

Если магнитный диполь образован путем взятия «северного полюса» и «южного полюса», приведения их все ближе и ближе друг к другу, но при сохранении постоянного произведения заряда магнитного полюса и расстояния, ограничивающее поле равно ^[2]

Эти поля связаны соотношением, где

— намагниченность.

Силы между двумя магнитными диполями

Как обсуждалось ранее, сила, прилагаемая дипольной петлей с моментом м ₁ к другой с моментом м ₂ , равна

, где B ₁ — магнитное поле от момента м ₁ .Результат вычисления градиента: ^{[8] [9]}

, где r̂ — единичный вектор, направленный от магнита 1 к магниту 2, а r — расстояние. Эквивалентное выражение: ^[9]

Сила, действующая на м ₁ , действует в противоположном направлении.

Крутящий момент магнита 1 на магните 2 равен

.

Примеры магнитных моментов

Два вида магнитных источников

По сути, вклады в магнитный момент любой системы могут происходить от источников двух видов: (1) движение электрических зарядов, таких как электрические токи, и (2) собственный магнетизм элементарных частиц, таких как электрон.

Вклады от источников первого рода можно вычислить, зная распределение всех электрических токов (или, альтернативно, всех электрических зарядов и их скоростей) внутри системы, используя приведенные ниже формулы. С другой стороны, величина собственного магнитного момента каждой элементарной частицы является фиксированным числом, часто измеряемым экспериментально с большой точностью. Например, измеренный магнитный момент любого электрона равен 3023071523600000000 −9.284764 × 10 ⁻²⁴ Дж / Тл. ^[10] Направление магнитного момента любой элементарной частицы полностью определяется направлением ее спина, при этом отрицательное значение указывает на то, что магнитный момент любого электрона антипараллелен его спину.

Чистый магнитный момент любой системы — это векторная сумма вкладов от одного или обоих типов источников. Например, магнитный момент атома водорода-1 (легчайшего изотопа водорода, состоящего из протона и электрона) представляет собой векторную сумму следующих вкладов:

1. собственный момент электрона,
2. орбитальное движение электрона вокруг протона,
3. собственный момент протона.

Точно так же магнитный момент стержневого магнита представляет собой сумму вносящих вклад магнитных моментов, которые включают собственный и орбитальный магнитные моменты неспаренных электронов материала магнита и ядерные магнитные моменты.

Магнитный момент атома

Для атома отдельные спины электронов складываются, чтобы получить общий спин, и индивидуальные орбитальные угловые моменты складываются, чтобы получить общий орбитальный угловой момент. Затем эти два суммируются с использованием связи углового момента, чтобы получить полный угловой момент.Тогда величина дипольного момента атома равна ^[11]

, где j — квантовое число полного углового момента, g _J — g-фактор Ланде и μ _B — магнетон Бора. Тогда составляющая этого магнитного момента вдоль направления магнитного поля равна ^[12]

, где м называется магнитным квантовым числом или экваториальным квантовым числом , которое может принимать любое из 2 j +1 значений: ^[13]

.

Знак минус возникает потому, что электроны имеют отрицательный заряд.

Из-за углового момента динамика магнитного диполя в магнитном поле отличается от динамики электрического диполя в электрическом поле. Поле действительно оказывает крутящий момент на магнитный диполь, стремясь выровнять его с полем. Однако крутящий момент пропорционален скорости изменения углового момента, поэтому происходит прецессия: изменяется направление вращения. Такое поведение описывается уравнением Ландау-Лифшица-Гильберта: ^{[14] [15]}

где — гиромагнитное отношение, м, — магнитный момент, λ — коэффициент демпфирования и H _eff — эффективное магнитное поле (внешнее поле плюс любое собственное поле).Первый член описывает прецессию момента относительно эффективного поля, а второй — это демпфирующий член, связанный с диссипацией энергии, вызванной взаимодействием с окружающей средой.

Магнитный момент электрона

Электроны и многие элементарные частицы также обладают собственными магнитными моментами, объяснение которых требует квантово-механической обработки и связано с собственным угловым моментом частиц, как обсуждалось в статье Магнитный момент электрона.Именно эти внутренние магнитные моменты вызывают макроскопические эффекты магнетизма и другие явления, такие как электронный парамагнитный резонанс.

Магнитный момент электрона

, где μ _B — магнетон Бора, S — спин электрона, а g-фактор g _S равен 2 согласно теории Дирака, но из-за квантово-электродинамических эффектов он немного больше в реальность: 2.002 319 304 36. Отклонение от 2 известно как аномальный магнитный дипольный момент.

Снова важно отметить, что m — отрицательная постоянная, умноженная на спин, поэтому магнитный момент электрона антипараллелен спину. Это можно понять с помощью следующей классической картины: если мы представим, что спиновый угловой момент создается массой электрона, вращающейся вокруг некоторой оси, электрический ток, создаваемый этим вращением, циркулирует в направлении , противоположном направлению , из-за отрицательного заряда электрон; такие токовые петли создают магнитный момент, антипараллельный спину.Следовательно, для позитрона (античастицы электрона) магнитный момент параллелен его спину.

Магнитный момент ядра

Ядерная система — сложная физическая система, состоящая из нуклонов, то есть протонов и нейтронов. К квантово-механическим свойствам нуклонов среди прочего относится спин. Поскольку электромагнитные моменты ядра зависят от спина отдельных нуклонов, эти свойства можно рассматривать с помощью измерений ядерных моментов, а точнее ядерного магнитного дипольного момента.

Наиболее распространенные ядра существуют в основном состоянии, хотя ядра некоторых изотопов имеют долгоживущие возбужденные состояния. Каждое энергетическое состояние ядра данного изотопа характеризуется четко определенным магнитным дипольным моментом, величина которого является фиксированным числом, часто измеряемым экспериментально с большой точностью. Это число очень чувствительно к индивидуальному вкладу нуклонов, и измерение или предсказание его значения может дать важную информацию о содержании ядерной волновой функции.