Магнет

"Потковичен магнет" направен од алнико, железна легури. Магнет, направен во форма на потковица, има две магнетни полови линии блиску. Оваа форма создава силно магнетно поле меѓу половите, дозволувајќи му на магнетот  да ги собере тешките парчиња железо.

Магнетните полови линии на електромагнетниот соленоид , кои се слични со бар магнет како што е прикажано подолу со железни поднесоци.

Магнет е материјал или објект кој произведува магнетно поле. Ова магнетно поле е невидливо, но е одговорно за најважните дејствија на магнетот: сила која ги привекува феромагнетните материјали како што се железо, и  други видови магнет.

Постојан магнет е објект направен од материјал кој е магнетизиран и создава свои отпорни магнетно поле. Секојдневен пример се фрижидерските магнети, кои се користат за чување на белешки на вратата од фрижидерот. Материјали кои може да се магнетизираат, кои се, исто така,оние кои силно се привлекуваат од магнет, се нарекуваат феромагнетни материјали (или феромагнетици). Тоа вклучува железо, никел, кобалт, некои легури од ретки земни метали, и некои природни минерали како што е магнетитот.. Феромагнетиците се само оние материјали кои се привлечени кон магнетот доволно силно за да  бидат  вообичаени  се сметаат за магнетни, сите други супстанции, одговараат слабо на  магнетното поле.

Феромагнетните  материјали можат да бидат поделени на  "меки" материјали, како обложено железо, кое може да се магнетизира, но нема тенденција да остане мгнетизирано. И "тврди" материјали, кои не можат да се магнетизираат. Постојаните магнети се направени од "тврди" феромагнетички материјали како што се alnico и ferrite кои се предмет на посебна обработка во силно магнетно поле во текот на производството за да ја усогласат нивната внатрешна микрокристална структура, што ги прави многу тешко да се демагнетиираат. Да се демагнетизира на заситен магнет, одредено магнетно поле, мора да се примени, и овој стандард зависи од кооперативноста  на соодветниот материјал. "Тврдите" материјали имаат висока коперативност, додека "меките" материјали имаат ниска . Целокупната сила на магнетот се мери со својот магнетен момент или, пак, вкупниот магнетен флукс , кој го произведува. Локалната сила на магнетот во некој материјал се мери со неговата магнетизација.

 Електромагнетот е направен од серпентина на жица која делува како магнет кога електрична струја поминува низ него, но ќе престане да биде магнет кога тековната  запира. Често, серпентината е завиткана околу јадрото на "меките" феромагнетни материјали, како челик, кој во голема мера го подобрува магнетно поле произведено од страна на клиентите.

Пронаоѓање и искористување

Древните луѓе научиле за магнетизам од lodestones, кои се природно магнетизирани парчиња на железна руда. Зборот магнет бил усвоен во Средна Ангија од латинскиот збор magnetum "lodestone", на грчки μαγνῆτις [λίθος] (magnētis [lithos]) што значи "[камен] од Магнезија",  дел од Стара Грција каде lodestone бил пронајден. Lodestone,  беа првите магнетни компаси. Најраните познати преживеаните описи на магнети и нивни својства се од Грција, Индија и Кина од пред околу 2500 години. Својствата на lodestones и нивниот афинитет за железо биле напишани од страна на Плиниј Постар во неговата енциклопедија Naturalis Historia.

Од 12 до 13 век од Н.Е., магнетни компаси се користеле  за  навигацијата во Кина, Европа, на Арабискиот Полуостров и на други места.

Физика

Магнетно поле

Железните поднесоци кои се ориентирани во магнетно поле се произведени со бар магнет

1. Неговата насока, која е ориентација на компас иглата.
2. Неговата магнитуда (исто така се нарекува сила), која е пропорционална на тоа како  компасната игла се  ориентира по таа насока.

Во SI единиците, силата на магнетното Б поле е дадена во тесли

Магнетен момент

Магнетен  момент (исто така се нарекува магнетен дипл момент и обично се означува со μ) е вектор кој ги карактеризира магнетните целокупни  својства. За еден бар магнет, на насоката на магнетниот момент почнува од магнетниот Јужен до Северниот Пол, и магнитудата се однесува на тоа колку силни и колку се оддалечени  овие столбови . Во SI единици, магнетен момент е специфициран во однос на·m² (ампер пати метри на квадрат).

Магнетот  произведува свое магнетно поле и одговара на магнетни полиња. Силата на магнетното поле се произведува во било која точка пропорционална на големината на својот магнетна момент. На пример, кога магнет ќе се стави во надворешно магнетно поле, произведено од различни извори, тоа е предмет на вртежен момент чија тенденција е  да се ориентира  магнетен момент паралелно на теренот. износот на овој вртежен момент е пропорционален и на магнетен момент и надворешното поле. Магнетот исто така, може да биде предмет на присилно движење во една насока или некоја друга, според позиции и насоки на магнетот и на извор. Ако полето е единствено во просторот, магнетот е предмет на некаква нето сила, иако тоа е предмет на вртежен момент.

Жица во облик на круг со област А и вршење на тековниот  е магнет, со магнетен момент на големина еднаква на ВС.

Maгнетизација

Магнетизацијата  на магнетизираниот  материјал е локална вредност на неговиот магнетен момент по единица волумен, обично означена со M, со единици A/m. е вектор поле, подобро отколку само еден вектор (како магнетниот момент), бидејќи различни области во магнетот може да се магнетизираат со различни насоки и слабости (на пример, поради домени, види подолу). Добар бар магнет може да има магнетен момент на големина 0.1 •м² и волумен од 1 cм³или 1×10⁻⁶ м³, а со тоа и на средна магнетизирачка  големина е 100,000 A/m. Железото може да има магнетизација  од околу еден милион ампер по метар. Таквата голема вредност објаснува зошто железните магнети се толку ефикасни во производство на магнетни полиња.

Моделирање магнети

Поле на цилиндрични бар магнети се пресметува со Ампер модел

Два различни модели постојат за  магнети: магнетни полови и атомска струи.

Иако за многу цели,  погодно е да се мисли на магнет што имаат различни северен и јужен магнетен пол, концептот на половите не треба да се сфати буквално: тоа е само начин на којшто се однесуваат два различни краеви на магнет. Магнетот не разликува северна или јужна честичка на спротивставените страни. Ако еден бар магнет е поделен на два дела, во обид да се одделат северните и јужните столбови, резултатот ќе бидат два бар магнети, едни кои ги има и на северниот и Јужниот Пол. Сепак, една верзија на магнетен пол пристап се користи од страна на професионални магнетичари да дизајнираат постојани магнети.

Со овој пристап, на дивергенција на магнетизацијата ∇·М внатре во магнетот и површината на нормална компонента M·n се третираат како распределба на магнетниот монопол. Ова е математичка практичност и не значи дека таму се всушност монополите на магнетот. Ако магнетната пол дистрибуција е позната, тогаш полот модел го  дава H. Надвор од магнетот , полето Б е пропорционално на H, додека во внатрешноста на магнетизацијата мора да се додаде  H. Продолжување на овој метод со кој се овозможуваат  внатрешните  магнетни пријави се користат во теориите на феромагнетизмот.

Друг модел е Ampère моделот, каде што сите магнетизации се должат на ефектот на микроскопски, или атомски, кружни граница на струја, исто така, наречени Ampèrian струи, во текот на материјалот. За рамномерно да се магнетизира цилиндричниот бар магнет, на нето-ефектот од микроскопската граница струи е да се направи магнет што се однесува како да не е макроскопичен лист на електрична струја која тече низ површината, со локалниот проток кој има  насока нормална на цилиндар оската. Микроскопските струи во атомите во внатрешноста на материјалот генерално се откажани од страна на струите во соседните атоми, па само на површината прават нето придонес; бришење надвор на надворешниот слој на магнет нема да го уништи нејзиното магнетно поле, но ќе остави нова површината на не откажани струи од кружни струи низ материјалот. Правилото на десна рака ги кажува  насоките на актуелните текови.

Поларност

Северниот Пол на магнетот е дефиниран како пол, кој,  се насочува  кон Земјиниот северен магнетен пол во Арктикот (магнетни и географските полови не се совпаѓаат, видете магнетни намалување). Спротивните полови (север и југ) се привлекуваат, на Северниот магнетен пол е, всушност, на јужниот пол на Земјата магнетно поле. Како практично прашање, да им кажете на кој пол на магнет е на север, и која е јужна, тоа не е неопходно да се користи на Земјата магнетното поле на сите. На пример, еден начин би било да се спореди со некој електромагнет, чии полови можат да бидат идентификувани од страна на правилото на десна рака. Магнетните силови линии на магнет се сметаат од страна на конвенцијата произлезена од магнетенот Северниот Пол и на Јужниот Пол.

Магнетни материјали

Терминот магнет е обично резервиран за објекти кои произведуваат свое постојано магнетно поле, дури и во отсуство на применето магнетно поле. Само одредени класи на материјали може да го стори тоа. Повеќето материјали, сепак, произведуваат магнетно поле како одговор на применетото магнетно поле – феномен познат како магнетизам. Постојат неколку типови на магнетизам, и сите материјали покажуваат барем еден од нив.

Вкупното магнетно однесување на материјалот може да варира на широко, во зависност од структурата на материјалот, особено на неговите електрони конфигурација. Неколку облици на магнетно однесување се забележани во различни материјали, вклучувајќи:

• Феромагнетиците и феромагнетните материјали се оние кои вообичаено се сметаат за магнетни; тие се привлечени кон магнет доволно силно, што таа привлечност може да се почувствува. Овие материјали се само оние кои може да задржат магнетизам и стануваат магнети; заеднички пример е традиционалните фрижидерски магнети. Феримагнетните материјали, кои вклучуваат ferrites и најстарите магнетни материјали magnetite и lodestone, се слични, но се послаби отколку што се феромагнетиците. Разликата помеѓу феро - и феримагнетни материјали е поврзана со нивните микроскопска структура, како што е објаснето во Магнетизам.
• Парамагнетните супстанции, како што се платина, алуминиум, и кислород, се слабо привлечени. Ова дејство е илјадници пати послабо од онаа на феромагнетните материјали, така што само може да биде детектирано со користење на осетливи инструменти или користење на исклучително силни магнети. Магнетните ферофлуди, иако  се направени од мали феромагнетни честички во течност, понекогаш се сметаат за парамагнтици , бидејќи тие не може да се магнетизираат.
• Дијамагнетиците се одбивни на двата пола. Во споредба со парамагнетните и феромагнетните супстанции, дијамагнетните супстанции, како што се јаглерод, бакар, вода и пластика, сè уште послабо одбивни кон магнет. Пермеабилноста на дијамагнетните материјали е помала од пермиабилнота на вакуум. Сите супстанции кои не поседуваат еден од другите видови на магнетизам се дијамагнетици; ова ги вклучува повеќето супстанции. Иако сила на дијамагнетниот објект од обичен магнет е премногу слаба за да се почувствува, со користење на исклучително силни магнети, дијамагнетните објекти како што се парчиња на олово па дури и глувците може тие да лебдат во средината на воздух. Суперспроводниците испуштаат силно магнетно поле околу себе и тие се силлни дијаагнетици.

Постојат разни други видови на магнетизам, како што се спин-стакло,суперпарамагнетизам, супердиамагнетизам и метамагнетизам.

Заеднички намени

Тврд диск за снимање на податоци на тенок магнетен слој

Магнетен рачен сепаратор за цврсти минерали

• Магнетни медиуми за снимање:ВХС лентите содржат ролна од магнетна лента. Информациите што го сочинуваат видеото и звукот се кодирани на магнетниот слој на лентата. Аудио касетите, исто така, се потпираат на магнетна лента. Слично на тоа, во компјутерите, флопи дисковите и тврди дисковите ги запишуваат податоците на тенок магнетен слој. 
• Кредитни, дебитни и автоматски картички: Сите овие картички имаат магнетна лента од една страна. Оваа лента ги кодира информациите за да контактира со финансиската институција на поединецот и да се поврзе со нивната сметка. 
• Постарите типови на телевизори (со нерамни екрани) и постари големи компјутерски монитори: телевизиските и компјутерските екрани кои содржат катодна цевка користат електромагнет за насочување на електроните кон екранот. Плазма екраните користат различни технологии. 
• Звучници и микрофони: Повеќето звучници користат постојан магнет и калем за струја за да ја претворат електричната енергија (сигналот) во механичка енергија (движење кое го создава звукот). Намотката е завиткана околу бобина прикачена на конусот на звучниците и го носи сигналот како промена на струјата која се поврзува со полето на постојаниот магнет. На гласниот калем се чувствува магнетна сила и како одговор на тоа, се движи конусот и создава притисок врз  околниот воздух, со што се генерира звук. Динамичките микрофони го користат истиот концепт, но обратно. Микрофон има дијафрагма или мембрана прикачена на калем од жица. Намотката се наоѓа во специјалниот облик на магнет. Кога звукот ја вибрира мембраната, и калеот вибрира. Како што калемот се движи низ магнетното поле, напонот се индуцира преку него. Овој напон предизвикува струја во жицата која е одлика на оригиналниот звук.
• Електричните гитари користат магнети за да ги пренесат вибрациите од гитарските жици во електрична струја, која потоа може да се засили. Ова е различно од принципот за звучникот и динамичниот микрофон, бидејќи вибрациите се чувствуваат директно од страна на магнетот, а дијафрагмата не е во функција. Хамондскиот орган користи сличен принцип, со вртечки тонели наместо жици. 
• Електрични мотори и генератори: Некои електрични мотори се потпираат на комбинација на електромагнет и постојан магнет, и, исто како и звучниците, ја претвораат електричната енергија во механичка енергија. Генераторот е обратен: тој ја претвора механичката енергија во електрична енергија со поместување на проводник преку магнетно поле.
• Медицина: болниците користат магнетна резонанца за да ги забележат проблемите во органите на пациентот без инвазивна хирургија. 
• Хемија: Хемичарите користат јадрена магнетна резонанца за да ги карактеризираат синтетизираните соединенија. 
• Шрафовите се користат во полето за обработка на метал за да се одржат предметите. Магнетите се користат и во други видови уреди за прицврстување, како што се магнетната основа, магнетната клешта и магнетот за ладилник. 
• Компаси: компас (или морнарски компас) е магнетизиран покажувач кој е слободен да се усогласи со магнетното поле, најчесто магнетното поле на Земјата.
• Уметност: Винил магнетни листови може да се прикачат на слики, фотографии и други украсни предмети, овозможувајќи им да бидат прикачени на фрижидери и други метални површини. Предмети и бои  можат да се применат директно на површината на магнет за да се создадат колажни уметнички дела. Магнетната уметност е пренослива, евтина и лесна за создавање. Шарените метални магнетни плочки, ленти, врати, микробранови печки, машини за миење садови, автомобили, метални зраци и било која метална површина можат да бидат подлога за магнетна винил уметност. Да се биде релативно нов медиум за уметност, креативната употреба на овој материјал е само почеток. 
• Научни проекти: Многу тематски прашања се засноваат на магнети, вклучувајќи го и одбивањето на проводниците што носат струја, ефектот на температурата и моторите кои вклучуваат магнети.

Магнетите имаат многу намени во играчки. М-tic користи магнетни прачки поврзани со метални сфери за изградба. 

• Играчки: Со оглед на нивната способност да се спротивстават на силата на гравитацијата во непосредна близина, магнети често се користат во детските играчки, како што се Магнетното тркало и Левитрон, за забавен ефект. 
• Фрижидерските магнети се користат за украсување на кујни, како сувенир, или едноставно да се држи белешка или слика до вратата на ладилникот. 
• Магнетите може да се користат за производство на накит. Ѓерданите и нараквиците може да имаат магнетно затворање, или може да бидат изградени целосно од поврзана серија на магнети и црни мониста.
•  Магнетите можат да ги соберат магнетните предмети (железни шајки, спојници, приклучоци, хартиени клипови) кои се или премногу мали, премногу тешко да се стигнат или премногу тенки за да ги држат прстите. Некои одвртувачи се магнетизирани за оваа намена.
• Магнетите може да се користат и во отпадни и спасувачки операции за одвојување на магнетни метали (железо, кобалт и никел) од немагнитски метали (алуминиум, легури на обоени метали итн.). Истата идеја може да се користи и во таканаречениот "тест за магнет", во кој авто-тело се проверува со магнет за да се откријат областите поправени со фиберглас или пластичен кит. 
• Магнети се наоѓаат и во процесните индустрии, особено во производството на храна, со цел да се отстранат металните туѓи тела од материјалите што влегуваат во процесот (суровини) или да открие можна контаминација на крајот на процесот и пред пакувањето. Тие претставуваат важен слој на заштита за процесот на опрема и за крајниот потрошувач.

Медицински проблеми и безбедност

Бидејќи човечките ткива имаат многу ниско ниво на подложност на статични магнетни полиња, постојат малку главни научни докази кои покажуваат здравствен ефект поврзан со изложеноста на статични полиња. Сепак, динамичките магнетни полиња може да бидат поинакво прашање; корелациите помеѓу електромагнетното зрачење и стапките на рак се претпоставуваа дека се поради демографски корелации (види Електромагнетно зрачење и здравје).

Ако ферромагнетното туѓо тело е присутно во човечкото ткиво, надворешното магнетно поле кое е во интеракција со него може да претставува сериозен безбедносен ризик.

Постои поинаков тип на индиректен магнетен здравствен ризик кој вклучува пејсмејкери. Ако пејсмејкерот е вграден во градите на пациентот (обично со цел да се следи и да се регулира срцето), треба да се внимава да се оддалечи од магнетните полиња. Од оваа причина пациентот со инсталираниот уред не може да се тестира со употреба на уред за снимање со магнетна резонанца.

Децата понекогаш ги проголтаат малите магнети од играчки, а тоа може да биде опасно ако се проголтаат два или повеќе магнети, бидејќи магнетите можат да ги удираат или прободат внатрешните ткива; една ваква смрт е пријавена.

Уреди за магнетни слики (на пример, МРИ) генерираат огромни магнетни полиња, и затоа просториите наменети за нивно чување ги исклучуваат обоените метали. Донесувањето предмети од црни метали (како што се канистри за кислород) во таква просторија создава тежок безбедносен ризик, бидејќи тие објекти може силно да се фрлат од интензивните магнетни полиња.

Магнетизирање на феромагнети

Ферромагнетните материјали може да се магнетизираат на следниве начини:

• Греење на објектот над температурата на Кири, овозможувајќи му да се олади во магнетно поле и да се кова додека се лади. Ова е најделотворниот метод и е сличен на индустриските процеси кои се користат за создавање на постојани магнети.
• Ставањето на предметот во надворешно магнетно поле ќе резултира со тоа што објектот ќе задржи дел од магнетизмот при отстранувањето. Се покажало дека вибрациите го зголемуваат ефектот. Се покажало дека обоени материјали усогласени со магнетното поле на Земјата кои се предмет на вибрации (на пример, рамка на транспортер) добиваат значителен остаток на магнетизам. 
• Удар: постоечкиот магнет се преместува од едниот крај на предметот до другиот во повеќе наврати во иста насока. 
• Електрична струја: Примена на електрична струја преку калем може подреди сите домени во еден ред. Откако ќе се постават сите домени, зголемувањето на струјата нема да ја зголеми силата на магнетното поле.

Демагнезирање на феромагнетици

Магнетизираните феромагнетни материјали можат да бидат демагнетизирани (или дигализирани) на следните начини:

• Греење на магнет прибллижно до неговата Кириева температура; молекуларното движење ја уништува усогласувањето на магнетните домени. Ова секогаш ја отстранува целата магнетизација.
• Поставување на магнет во наизменично магнетно поле со интензитет над коертивноста на материјалот, а тоа полека го исцртува магнет или полека го намалува магнетното поле до нула. Ова е принципот кој се користи во комерцијалните демагнетизери за демагнетизирање на алатки и бришење на кредитни картички и тврди дискови и дегаузивни калеми кои се користат за демагнетизирање на CRTs.
• Некоја демагнетизација или обратна магнетизација ќе се појави ако некој дел од магнет е подложен на обратно поле над коертивноста на магнетниот материјал.
• Демагнетизирањето прогресивно се јавува ако магнет е подложен на циклични полиња доволни за движење на магнетот подалеку од линеарен дел на вториот квадрант на кривата Б-Н на магнетниот материјал (крива на демагнетизација). 
• Забивање или калење: механичкото нарушување има тенденција да ги рандомизира магнетните домени. Ова ќе остави мала преостаната магнетизација.

Видови на постојани магнети

феритни магнети

Магнетни метални елементи

Многу материјали имаат несовршени електронски вртења, а поголемиот дел од овие материјали се парамагнетен. Кога вртежите комуницираат едни со други на таков начин што спините се спојуваат спонтано, материјалите се нарекуваат феромагнетни (она што често се нарекува магнетно). Поради начинот на кој нивната редовна кристална атомска структура ги поврзува нивните вртења, некои метали се ферромагнетни кога се наоѓаат во нивните природни состојби, како руди. Тие вклучуваат железна руда (магнетит или ловестон), кобалт и никел, како и гадолиниум и диспрозиум на ретки земни метали (кога се на многу ниска температура). Ваквите природни ферромагнети биле користени во првите експерименти со магнетизам. Технологијата оттогаш ја прошири достапноста на магнетни материјали за да вклучат разни производи направени од вештачки производи, сите засновани на природни магнетни елементи.

Композити

Керамички или феритни магнети се направени од синтетизиран композит од прав на железен оксид и бариум / стронциум карбонатна керамика. Со оглед на ниската цена на материјалите и методите на производство, евтини магнети (или не-магнетизирани феромагнетни јадра, за употреба во електронски компоненти, како што се преносни AM радио-антени) со различни форми се лесно и масовно произведени. Добиените магнети не се кородираат, но се кршливи и мора да се третираат како други керамики.

Магнитите Alnico се направени со кастинг или синтерување на комбинација од алуминиум, никел и кобалт со железо и мали количини на други елементи додадени за подобрување на својствата на магнетот. Синтеријата нуди супериорни механички одлики, додека кастингот обезбедува повисоки магнетни полиња и овозможува дизајнирање на сложените форми. Магнитите на Alnico се отпорни на корозија и имаат физички својства поквалитетни од феритни, но не толку пожелни како метал.

Магнетите со вбризгување се составени од разни видови смола и магнетни правови, овозможувајќи делови од сложени форми да се произведуваат со вбризгување. Физичките и магнетните својства на производот зависат од суровините, но обично се пониски со магнетна јачина и личат на пластика во нивните физички својства.

Флексибилните магнети се составени од висококоертивно феромагнетно соединение (обично железен оксид), мешано со пластично врзивно средство. Ова е екструдирано како лист и поминало низ линија на моќни цилиндрични постојани магнети. Овие магнети се поставени во магацин со наизменични магнетни столбови свртени нагоре (N, S, N, S ...) на вртечкото вратило.  За генерирање на магнети не се користи електромагнетизам. Растојанието меѓу пол-пол е со големина од 5 мм, но варира со производителот. Овие магнети се помали со магнетна јачина, но можат да бидат многу флексибилни, во зависност од употребеното врзувачко средство.

Ретки земјени магнети

Магнети во облик на оваид (по можност Хематин), едниот виси од другиот

Ретките земјени (лантаноидни) елементи имаат делумно окупирана електронска обвивка (која може да прими до 14 електрони). Спинот на овие електрони може да се усогласи, што резултира со многу силни магнетни полиња, и затоа овие елементи се користат во компактни високоцврсти магнети, каде што нивната повисока цена не е загрижувачка. Најчестите типови на магнети со ретки земји се самариум-кобалт и неодиум-железо-бор (NIB) магнети.

Магнети со една молекула и магнети со еден ланец

Во 1990-тите, беше откриено дека одредени молекули кои содржат парамагнетни метални јони се способни за складирање на магнетен момент на многу ниски температури. Овие се многу различни од конвенционалните магнети кои ги складираат информациите на ниво на магнетни домени и теоретски може да обезбедат далеку погуст простор за складирање од конвенционалните магнети. Во оваа насока, во тек е истражување на монослоите на SMM. Многу кратко, двете главни атрибути на SMM се:

1. голема спин вредност на центарот на земјата (S), која се обезбедува со ферромагнетна или фероимагнетна спојка помеѓу парамагнетните метални центри
2. негативна вредност на анизотропијата на разделување на нултата област (D)

Повеќето SMM содржат манган, но можат да се најдат и со ванадиум, железо, никел и кобалтни кластери. Неодамна, беше откриено дека некои синџирски системи, исто така, може да прикажат магнетизација која продолжува долго време на повисоки температури. Овие системи се нарекуваат магнети со еден ланец.

Нано-структурирани магнети

Некои нано-структурирани материјали покажуваат енергетски бранови, наречени магнони, кои се спојуваат во заедничка состојба на земјата во начинот на кондензатот Бозе-Ајнштајн.

Ретки земјени постојани магнети

Одделот за енергетика на САД идентификуваше потреба да најде замена за ретките метали во технологијата со постојан магнет и почна да ги финансира такви истражувања. Агенцијата за напредни истражувачки проекти-Енергија (ARPA-E) спонзорираше програма за алтернативи на ретки земјени алтернативи во критичните технологии (REACT) за развој на алтернативни материјали. Во 2011 година АРПА-Е додели 31,6 милиони долари за финансирање на проекти за замена на ретки планети.

Трошоци

Сегашните најевтини постојани магнети, кои дозволуваат сили на поле, се флексибилни и керамички магнети, но тие се исто така меѓу најслабите видови. Феритни магнети се главно ниски буџетни магнети, бидејќи тие се направени од евтини суровини: железен оксид и Ba- или Sr-карбонат. Сепак, новиот магнет со ниска цена, Mn-Al легура, е развиен и сега доминира во областа на магнети со ниски трошоци. Таа има повисока заситеност на магнетизација од феритни магнети. Исто така има поповолни температурни коефициенти, иако може да биде топлински нестабилен. Магнетите од неодиум-железо-бор (NIB) се меѓу најсилните. Тие чинат повеќе за еден килограм од повеќето други магнетни материјали, но, поради нивната интензивна област, се помали и поевтини во многу апликации.

Tемпература

Чувствителноста на температурата варира, но кога еден магнет се загрева до температура позната како точка на Кири, го губи целиот свој магнетизам дури и по ладењето под таа температура. Меѓутоа, магнетите често може да се ремагнетизираат.

Дополнително, некои магнети се кршливи и може да се скршат на високи температури.

Максималната корисна температура е највисока за магнетите на Alnico од над 540 °C, околу 300 °C (572 °F) за феритни и SmCo, околу 140 °C (284 °F) за NIB и пониски за флексибилна керамика , но точните броеви зависат од квалитетот на материјалот.

Електромагнетици

Електромагнет, во наједноставна форма, е жица која е свиткана во една или повеќе јамки, познати како соленоид. Кога електричната струја тече низ жицата, се генерира магнетно поле. Магнетното поле е концентрирано близу (а особено внатре во) калемот, а неговите полиња се многу слични на оние на магнет. Ориентацијата на овој делотворен магнет се одредува со правилото на десната рака. Магнетниот момент и магнетното поле на електромагнет се пропорционални на бројот на жиците, на пресекот на секоја јамка и на струјата што минува низ жицата.

Ако калемот од жица е завиткан околу материјал без специјални магнетни својства (на пример, картон), тој ќе има тенденција да генерира многу слабо поле. Меѓутоа, ако е завиткано околу мек феромагнетен материјал, како што се железен лак, тогаш произведеното нето поле може да резултира со неколку стотици до илјадикратно зголемување на јачината на полето.

Употреба за електромагнети вклучуваат акцелератори на честички, електрични мотори, кранови за отпад и магнетна резонанца. Некои апликации вклучуваат конфигурации повеќе од едноставен магнетен дипол; на пример, квадруполни и сегтуполни магнети се користат за фокусирање на греди на честички.

Единици и пресметки

За повеќето инженерски апликации, најчесто се користат МКС (рационализирани) или SI (Système International). Два други множества единици, Gaussian и CGS-EMU, се исти за магнетните својства и најчесто се користат во физиката. Во сите единици е погодно да се применат два вида на магнетно поле, Б и Х, како и магнетизацијата М, дефинирана како магнетен момент по единица волумен.

1. Магнетото индуцирано поле Б е дадено во SI единици на теслас (Т). Б е магнетното поле чие временско варирање произведува, со Фарадеев закон, циркулирање на електрични полиња (кои ги продаваат енергетските компании). Б, исто така, произведува отпорност на движење на наелектризирани честички (како во ТВ цевки). Тесла е еквивалентна на магнетниот тек (во мрежи) по единица површина (во квадратни метри), со што Б се дава на единицата на густина на флукс. Во CGS, единицата на Б е гаус (G). Една тесла е еднаква на 104 G.
2. Магнетното поле Х е дадено во SI единици на ампер-кривини по метар (A-вртеж / m). Вклучувањата се појавуваат кога Х се произведува од жица која носи струја, нејзината вредност е пропорционална на бројот на вртежи на таа жица. Во CGS, единицата на Х е oersted (Oe). Еден A-вртеж / m е 4π × 10-3 Oe.
3. Магнетизацијата М е дадена во SI единици на ампери по метар (A / m). Во CGS, единицата на M е Oersted (Oe). Еден A / m е еднаков на 10-3 emu / cm3. Еден добар постојан магнет може да има магнетизација колку што е милион ампери по метар.
4. Во SI единиците има релација B = μ0 (H + M), каде што μ0 е пропустливост на просторот, што е еднакво на 4π × 10-7 T • m / A. Во CGS, тој е напишан како B = H + 4πM. (Пристапот на пол го дава μ0H во единиците на SI. A μ0M терминот во SI мора да го надополни овој μ0H за да го даде точниот поле во рамките на B, магнетот. Ќе се согласи со полето B пресметано со помош на ампирските струи).

Материјалите што не се постојани магнети обично го задоволуваат односот M = χH во SI, каде што χ е (безразлична) магнетна осетливост. Повеќето немамагнетни материјали имаат релативно мал χ (од редот на еден милион), но меките магнети можат да имаат χ по редослед од стотици или илјадници. За материјали кои ги задоволуваат M = χH, можеме да напишеме и B = μ0 (1 + χ) H = μ0μrH = μH, каде што μr = 1 + χ е релативна пропустливост (без димензии), а μ = μ0μr е магнетна пропустливост. И тврдите и меки магнети имаат посложени, зависни од историјата, однесување опишано од она што се нарекува хистерезис петелки, кои даваат или Б наспроти H или M наспроти H. Во CGS, M = χH, но χSI = 4πχCGS и μ = μr.

Внимание: делумно затоа што нема доволно римски и грчки симболи, не постои вообичаено договорен симбол за јачина на магнетниот пол и магнетен момент. Симболот m се употребува и за двете јачини на половите (единица A • m, каде што тука  исправеното m е за метар) и за магнетниот момент (единица А • м2). Симболот μ се користи во некои текстови за магнетна пропустливост и во други текстови за магнетен момент. Ќе користиме μ за магнетна пропустливост и m за магнетен момент. За полова сила, ние ќе користиме qm. За бар-магнет на напречниот пресек А со еднаква магнетизација M по оската, јачината на пол е дадена со qm = MA, така што M може да се смета како сила на половина од единица површина.

Полиња на магнет

Далеку од магнет, магнетното поле создадено од тој магнет е скоро секогаш опишано (до добра апроксимација) со диполно поле карактеризирано со неговиот вкупен магнетен момент. Ова е точно без оглед на обликот на магнетот, сè додека магнетниот момент не е нула. Една одлика на диполовото поле е дека силата на полето паѓа обратно со коцката на растојанието од центарот на магнет.

Поблиску до магнет, магнетното поле станува посложено и повеќе зависи од деталната форма и магнетизацијата на магнетот. Формално, полето може да се изрази како мултиполна експанзија: диполно поле, плус квадруполно поле, плус октуполно поле итн.

Во близина, многу различни полиња се можни. На пример, за долгиот, слаб бар-магнет со својот Северен Пол на едниот крај и Јужниот Пол, на другата страна, магнетното поле во близина на секој крај паѓа обратно со квадратот на растојанието од тој пол.

Пресметување на магнетната сила

Влечна сила на еден магнет

Силата на даден магнет понекогаш се дава во смисла на неговата сила на влечење - неговата способност да придвижи (притисне / повлече) други објекти. Силата на влечење што ја врши или електромагнет или постојан магнет на "воздушниот јаз" (односно, точката во просторот каде што завршува магнет) е дадена со Максвеловата равенка:

$F={{B^{2}A} \over {2\mu _{0}}}$,

каде

F е силата (SI единица: њутн) 

А е пресек на површината на столбот во квадратни метри

 B е магнетната индукција што ја врши магнет

Затоа, ако магнет дејствува вертикално, може да ја подигне масата m во килограми дадена со едноставна равенка:

$m={{B^{2}A} \over {2\mu _{0}g_{n}}}$.

Сила помеѓу два магнетни столба

Класично, силата меѓу два магнетни столба е дадена со:

$F={{\mu q_{m1}q_{m2}} \over {4\pi r^{2}}}$

каде

F е силата (SI единица: њутн) 

qm1 и qm2 се големината на магнетните столбови (единица SI: ампер-метар) 

μ е пропустливост на интервенирачкиот медиум (единица SI: мерач на тесла за ампер, Хенри за метар или Њутн на ампер на квадрат)

 r е одвојување (единица SI: метар).

Описот на полот е корисен за инженерите кои дизајнираат реални светски магнети, но вистинските магнети имаат повеќе комплексна дистрибуција од еден север и југ. Затоа, имплементацијата на идејата за пол не е едноставна. Во некои случаи, една од покомплексните формули дадени подолу ќе биде покорисна.

Силата меѓу две блиски магнетизирани површини A

Механичката сила помеѓу две блиски магнетизирани површини може да се пресмета со следнава равенка. Равенката важи само за случаи во кои ефектот на решетката е занемарлив и обемот на воздушниот јаз е многу помал од оној на магнетизираниот материјал:

$F={\frac {\mu _{0}H^{2}A}{2}}={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}$

каде

А е површината на секоја површина, во м2 

H е нивното магнетизирано поле, во A / m 

μ0 е пропустливоста на просторот, што е еднакво на 4π × 10-7 T • m / A 

Б е густината на флуксот, во Т.

Сила меѓу 2 прачкасти магнети

Силата помеѓу две идентични цилиндрични ленти за магнети поставени крај до крај на големо растојание Z>>R е приближно:,

$F\simeq \left[{\frac {B_{0}^{2}A^{2}\left(L^{2}+R^{2}\right)}{\pi \mu _{0}L^{2}}}\right]\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]$

каде

B0 е густината на магнетниот флукс многу блиску до секој пол, во T, 

А е површина на секој пол, во м2, 

L е должината на секој магнет, во m, 

R е полупречник на секој магнет, во m, и 

z е одвојување помеѓу двата магнети, во m.

$B_{0}\,=\,{\frac {\mu _{0}}{2}}M$ ја поврзува густината на флуксот на полот со магнетизацијата на магнетот.

Имајте на ум дека сите овие формулации се засноваат на моделот на Гилберт, кој може да се употреби на релативно големи далечини. Во други модели (на пример, модел на Ампер), се користи покомплицирана формулација која понекогаш не може да се реши аналитички. Во овие случаи, мора да се користат бројчени методи.

Силата меѓу два цилиндрични магнети

За два цилиндрични магнети со полупречник R и должина L, со нивната магнетна дипола усогласена, силата може асимптотски да се прикаже приближна на големи растојанија $z\gg R$ кај,

$F(z)\simeq {\frac {\pi \mu _{0}}{4}}M^{2}R^{4}\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]$

каде што М е магнетизацијата на магнетите и z е јазот меѓу магнетите. Мерењето на густината на магнетниот флукс многу блиску до магнет Б_ {0} е поврзано со М приближно со формулата

$B_{0}={\frac {\mu _{0}}{2}}M$

Делотворниот магнетен дипол може да биде напишан како

$m=MV$

Каде што V е волуменот на магнетот. За цилиндар, ова е $V=\pi R^{2}L$.

Кога $z\gg L$, се добива точка на диполна аппроксимација,

$F(x)={\frac {3\pi \mu _{0}}{2}}M^{2}R^{4}L^{2}{\frac {1}{z^{4}}}={\frac {3\mu _{0}}{2\pi }}M^{2}V^{2}{\frac {1}{z^{4}}}={\frac {3\mu _{0}}{2\pi }}m_{1}m_{2}{\frac {1}{z^{4}}}$

што се совпаѓа со изразувањето на силата меѓу два магнетични диполи.

Магнетот како тема во уметноста

• „Враќањето на синот на џиновскиот магнет (незавршен балет во два чина)“ (The Return Of The Son Of Monster Magnet (Unfinished Ballet In Two Tableaus)) - песна на американската рок-група „Мадерс оф инвеншн“ (The Mothers Of Invention) од 1966 година.

Поврзано

• Диполен магнет
• Ерншова теорема
• Електромагнетно поле
• Електромагнетизам
• Халбахова низа
• Магнетохемија
• Магнетен прекинувач
• Магнето
• Молекуларен магнет
• Супермагнет
• Електрет

Користен литература

• How magnets are made Архивирано на 16 март 2013 г. (video)
• Floating Ring Magnets Архивирано на 25 јуни 2019 г., Bulletin of the IAPT, Volume 4, No. 6, 145 (June 2012). (Publication of the Indian Association of Physics Teachers).
• A brief history of electricity and magnetism