Постоянный магнит: взаимодействие с объектами, магнитное поле, размагничивание

Постоянные магниты – это вещества, которые обладают постоянной магнитной силой. Концы постоянных магнитов называются полюсами. У каждого магнита два полюса: северный (N) и южный (S). На некоторых магнитах они отмечены двумя цветами (чаще всего синим и красным).

Постоянные магниты в отличие от электромагнитов, не требуют электричества для создания своего магнитного поля. Постоянные магниты всегда состоят из ферромагнитных материалов, элементарные магниты которых, атомные спины, выровнены параллельно в процессе намагничивания. Это может произойти при охлаждении расплавленных ферромагнитных пород. Такая горная порода (магнетиты) была исторически найдена древними греками около города Магнесия (город в Малой Азии). Таким образом, город Магнезия является историческим эпонимом магнетизма.

Небольшие постоянные магниты используются для сбора мелких металлических деталей или для крепления легких предметов к магнитным доскам. Например, наконечники некоторых отверток намагничены, что позволяет удерживать металлический винт в поворотном шлице. Постоянные магниты также используются там, где необходимо создать электрический ток в небольших генераторах с помощью электромагнитной индукции. Примером этого является динамо-машина для велосипеда.

Как магниты взаимодействуют с другими объектами?

Ещё древнегреческий ученый Фалес Милетский заметил, что предметы из магнетита взаимодействуют с предметами, содержащими железо.

Поднося магнит к предметам, изготовленным из различных материалов, можно установить, что магнитом притягиваются очень не многие из них. Хорошо притягиваются магнитом чугун, сталь, железо и некоторые сплавы, гораздо слабее никель и кобальт. Вообще не притягиваются магнитами тела из цветным металлов, например, медь, алюминий и другие.

Постоянные магниты могут притягивать ферромагнитные вещества (например, железо) или отталкивать друг друга на одноименных полюсах (северный полюс к северному полюсу, южный полюс к южному полюсу). По сути, тела, длительное время сохраняющие намагниченность, и есть постоянные магниты или просто магниты.

Северный полюс постоянного магнита притягивает южный полюс другого постоянного магнита и наоборот. Между одноименными полюсами (северный полюс к северному полюсу, южный полюс к южному полюсу), напротив, действуют отталкивающие магнитные силы.

Постоянные магниты
Рис. 1. Постоянные магниты

Однако постоянные магниты могут быть получены и искусственным путем. В этом процессе сильные ферромагнитные металлы, обычно сплавы, такие как самарий-кобальт, намагничиваются сильным внешним магнитным полем. Этот процесс намагничивания демонстрирует так называемый гистерезис, то есть несимметричное поведение материала при увеличении и последующем уменьшении внешнего магнитного поля. Гистерезис возникает потому, что выравнивание элементарных магнитов в ферромагните стабилизируется обменным взаимодействием, поэтому материал, который уже был намагничен, имеет другие свойства, чем ферромагнит, который еще не был намагничен.

Благодаря гистерезису магнитное поле сохраняется в ферромагните даже при отключении внешнего магнитного поля. Таким образом, намагниченный материал становится постоянным магнитом. Оставшаяся плотность магнитного потока называется остаточной намагниченностью.

Магнитное поле постоянных магнитов.

Магниты взаимодействуют не только с другими объектами, но и друг с другом. Пространство вокруг магнита, в котором действуют магнитные силы, называется магнитным полем.


А именно, если приблизить красный северный полюс стержневого магнита к северному полюсу второго, вращающегося магнита, то северный полюс этого магнита отворачивается от северного полюса стержневого магнита, – это работает как сила между двумя северными полюсами магнитов, и два одинаковых полюса отталкиваются друг от друга.

Если, с другой стороны, приблизить зеленый южный полюс стержневого магнита к красному северному полюсу вращающегося магнита, то северный полюс повернется к южному полюсу стержневого магнита. Между двумя разными полюсами также действует сила. Два разных полюса притягиваются друг к другу.

В обоих случаях действует следующее: если вы снова уберете стержневой магнит, поворотный магнит вернется в исходное положение. Применимо следующее: чем больше расстояние между полюсами, тем меньше силовое воздействие и, следовательно, отклонение магнита.

Силовое воздействие между полюсами магнитов
Силовое воздействие между полюсами магнитов

С помощью железных опилок можно получить представление о виде магнитного поля постоянных магнитов. Рисунок 2 даёт представление о картине магнитного поля полосового магнита. Как магнитные линии магнитного поля электрического тока, так и магнитные линии магнитного поля магнита – это замкнутые линии. Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный, замыкаясь внутри магнита, так же как магнитные линии катушки с электрическим током.

Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
Железные опилки расположились характерным способом около магнита
Рис. 2. Опыт с железными опилками, которые расположились согласно силовым линиям магнитного поля полосового магнита

Что произойдет, если мы попытаемся разделить один магнит на два? Если мы повторим эксперименты с каждым из кусочков, мы обнаружим, что вокруг каждого из них есть магнитное поле. Оказалось, что из одного магнита были созданы два магнита. Мы никогда не можем получить один магнитный полюс. Как итог, магнитные полюса в магнитах всегда расположены попарно.

Размагничивание.

Размагничивание постоянного магнита возможно под воздействием тепла, сильной механической вибрации или сильного внешнего магнитного поля.

В то время как электромагнит может быть выключен простым выключением электрического тока, а полярность можно изменить, изменив направление электрического тока на противоположное, “выключить” постоянный магнит не представляется возможным. Отсюда и термин “постоянный”.

Постоянный магнит остается магнитным до тех пор, пока выравнивание атомных спинов не будет снова нарушено внешним воздействием (тепло, сильные удары, магнитные поля). Тогда магнитные силы исчезают, и материал приходится намагничивать заново. В крайних случаях материал может быть даже поврежден. Поэтому каждый постоянный магнит имеет максимальную рабочую температуру. При превышении этой температуры возможны повреждения. Выше температуры Кюри, характерной для конкретного материала, магнит в любом случае полностью размагничивается.

Сила магнитного поля постоянного магнита.

Сила магнитного поля постоянного магнита зависит от используемого материала, а также от точности, с которой осуществляется намагничивание материала. Намагничивание приводит к высокой остаточной намагниченности только в том случае, если достигается полное выравнивание всех спинов атомов. Для этого требуются подходящие материалы и технические ноу-хау.

Как описывается уравнениями Максвелла, – магнитные поля всегда исходят от движущихся зарядов. Существуют только магнитные поля, обусловленные движением заряда, которые всегда создают магнитное поле с северным и южным полюсом.

Силы магнитного поля постоянных магнитов объясняются микроскопическим движением зарядов в веществе. Например, электроны в атомах движутся с огромной скоростью. Электроны имеют характерный электронный спин. Из общего состояния движения электронов возникает магнитный момент и, следовательно, сила магнитного поля.

Магнитные силы всегда действуют вдоль магнитного поля. Это может быть представлено линиями поля. Линии поля также указывают направление и величину магнитных сил.

Магнитные силы
Рис. 3. Магнитное поле постоянного магнита

На рисунке 3 вы можете видеть, что петля проводника с электрическим током (слева) создает магнитное поле. Величина этого магнитного поля измеряется магнитным моментом. В ферромагнитном материале существует множество магнитных моментов (центр рисунка). Если все они выровнены параллельно, создается постоянный магнит. Постоянный магнит имеет магнитное поле, идентичное магнитному полю катушки. На представленном рисунке схематично обозначены только несколько линий магнитного поля.

Постоянные магниты могут быть изготовлены в широком разнообразии форм. Например, подковообразный магнит показан на рисунке 3 справа. В подковообразном магните северный и южный полюса расположены напротив друг друга. Поскольку линии магнитного поля всегда замкнуты как единое целое, они проходят от северного полюса к южному, а затем возвращаются к северному полюсу в материале. В воздушном пространстве подковообразного магнита это приводит к однородному магнитному полю с силовыми линиями, проходящими параллельно между полюсами.