Магнит: свойства, виды и применение¶

Магнит — это тело, обладающее собственным магнитным полем, которое способно оказывать силовое воздействие на другие магнитные материалы (ферромагнетики) и проводники с током. Слово «магнит» происходит от названия региона Магнисия в Малой Азии, где в древности были обнаружены залежи природного минерала магнетита (Fe₃O₄). Способность магнита притягивать железные предметы известна человечеству более двух тысяч лет и лежит в основе многих технологических процессов.

¶Физическая природа магнетизма

Магнетизм на микроуровне обусловлен движением электрических зарядов — электронов в атомах. Каждый электрон обладает собственным магнитным моментом (спином), а его орбитальное движение вокруг ядра также создаёт микроскопический ток. В большинстве веществ магнитные моменты атомов скомпенсированы или хаотично ориентированы, поэтому суммарное магнитное поле отсутствует.

В ферромагнитных материалах (железо, кобальт, никель, гадолиний и их сплавы) существуют области спонтанной намагниченности — домены. Внутри каждого домена магнитные моменты атомов выстроены параллельно, однако сами домены в ненамагниченном образце ориентированы произвольно и компенсируют друг друга. При помещении ферромагнетика во внешнее поле домены переориентируются вдоль поля и увеличиваются в размерах, что приводит к появлению у материала собственной намагниченности. После снятия внешнего поля часть доменов сохраняет ориентацию — так возникает остаточная намагниченность.

¶Основные характеристики

Ключевыми параметрами магнита являются:

• Остаточная индукция (Br) — величина магнитного поля, сохраняющегося в материале после намагничивания до насыщения.
• Коэрцитивная сила (Hc) — напряжённость обратного поля, необходимая для полного размагничивания материала. По этому параметру магниты делят на магнитотвёрдые (постоянные) и магнитомягкие (легко перемагничивающиеся).
• Энергетическое произведение (BHmax) — максимальная плотность магнитной энергии, характеризует общую силу магнита.
• Температура Кюри — температура, выше которой ферромагнетик теряет магнитные свойства и становится парамагнетиком. Для железа она составляет 770 °C, для никеля — 358 °C.

¶Виды магнитов

¶Природные магниты

Природный магнетит — единственный минерал, обладающий естественной намагниченностью. Он представляет собой оксид железа чёрного или тёмно-серого цвета. В древности куски магнетита называли «живым железом»; они использовались для определения направления (прообраз компаса) и в качестве лечебных амулетов. Сегодня природные магниты имеют преимущественно коллекционное значение из-за слабых магнитных свойств.

¶Постоянные магниты

Постоянные магниты изготавливают из магнитотвёрдых материалов, сохраняющих намагниченность длительное время. Основные типы:

• Ферритовые (керамические) магниты — состоят из оксида железа и карбоната стронция или бария. Отличаются низкой стоимостью, высокой коррозионной стойкостью и слабой остаточной индукцией. Широко применяются в динамиках, дверных доводчиках, магнитных держателях.
• Альнико (AlNiCo) — сплав алюминия, никеля, кобальта и железа. Обладают высокой температурной стабильностью (до 550 °C) и хорошей остаточной индукцией, но низкой коэрцитивной силой. Используются в измерительных приборах и электродвигателях.
• Самарий-кобальтовые магниты (SmCo) — редкоземельные магниты, способные работать при температурах до 350 °C и устойчивые к коррозии. Применяются в аэрокосмической технике, высокотемпературных датчиках.
• Неодимовые магниты (NdFeB) — наиболее сильные из коммерчески доступных постоянных магнитов. Состоят из сплава неодима, железа и бора. Обеспечивают высокую остаточную индукцию (до 1,4 Тл) при относительно малых размерах. Недостатки — хрупкость, склонность к коррозии и потеря свойств при нагреве выше 80–150 °C. Применяются в жёстких дисках, наушниках, электродвигателях электромобилей, ветрогенераторах, МРТ-томографах.

¶Электромагниты

Электромагнит — устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока через обмотку из проводника, намотанную на ферромагнитный сердечник. Сила поля регулируется изменением силы тока. При отключении тока магнитные свойства исчезают. Электромагниты используются в подъёмных кранах на металлургических заводах, в реле, контакторах, тормозных системах, ускорителях частиц (в том числе в Большом адронном коллайдере).

¶Сверхпроводящие магниты

Магниты на основе сверхпроводящих материалов (например, ниобий-титановых сплавов) создают поля до 20 Тл без потерь энергии на нагрев обмотки. Требуют охлаждения жидким гелием. Применяются в магнитно-резонансной томографии (МРТ) и научных исследованиях.

¶Применение магнитов

Магниты находят применение практически во всех отраслях техники:

• Электротехника: генераторы, электродвигатели, трансформаторы, магнитные пускатели.
• Электроника: динамики, микрофоны, жёсткие диски, датчики Холла, магнитные замки.
• Медицина: магнитно-резонансная томография, магнитные имплантаты, аппараты магнитотерапии.
• Транспорт: магнитные подшипники, системы магнитной левитации (поезда на магнитной подушке, например, Шанхайский маглев со скоростью до 431 км/ч).
• Бытовая техника: холодильники, магнитные дверцы, держатели инструментов.
• Промышленность: магнитные сепараторы для обогащения руд, подъёмные магниты, магнитные конвейеры.
• Навигация: магнитные компасы — приборы, использующие взаимодействие стрелки-магнита с магнитным полем Земли.

¶Магнитные материалы в природе

Земля представляет собой гигантский магнит с дипольным полем, создаваемым движением расплавленного железа во внешнем ядре (геодинамо). Магнитное поле Земли защищает биосферу от солнечного ветра и космического излучения. Некоторые животные (перелётные птицы, морские черепахи, лососи) используют геомагнитное поле для навигации благодаря наличию в их тканях частиц магнетита. Горные породы при застывании фиксируют направление магнитного поля эпохи — это явление лежит в основе палеомагнитного датирования.

¶Размагничивание и хранение

Постоянный магнит можно размагнитить тремя способами: нагревом выше температуры Кюри, воздействием сильного переменного магнитного поля и механическими ударами (нарушающими ориентацию доменов). Для сохранения свойств магниты хранят вдали от источников тепла и сильных полей, а мощные неодимовые магниты — с использованием магнитных шунтов (замыкающих пластин).

¶Безопасность обращения

Современные редкоземельные магниты обладают значительной силой притяжения и могут нанести травмы при неосторожном обращении — защемить кожу или раздавить пальцы. Проглоченные мелкие магниты опасны для здоровья: они могут вызвать перфорацию кишечника. Сильные магниты способны повредить электронные устройства (кардиостимуляторы, банковские карты, механические часы) и стереть данные с магнитных носителей.

¶Источники

• Савельев И. В. Курс общей физики. Том 2. Электричество и магнетизм.
• Кифер И. И. Испытания ферромагнитных материалов.
• Крупичка С. Физика ферромагнетизма.
• ГОСТ Р 52956-2008 «Материалы магнитотвёрдые спечённые. Классификация. Основные параметры».