Шаг 6: Неодимовые магниты NdFeB (неодим-железо-бор)
Из Википедии: «Неодим — химический элемент, редкоземельный металл серебристо-белого цвета с золотистым оттенком. Относится к группе лантаноидов. Легко окисляется на воздухе. Открыт в 1885 году австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом. Используется как компонент сплавов с алюминием и магнием для самолёто- и ракетостроения.»
Неодим — это металл, который является ферромагнитным (в частности, он показывает антиферромагнитные свойства), что означает, что подобно железу его можно намагнитить, чтобы он стал магнитом. Но его температура Кюри составляет 19К (-254 ° С), поэтому в чистом виде его магнетизм проявляется только при чрезвычайно низких температурах. Однако соединения неодима с переходными металлами, такими как железо, могут иметь температуры Кюри значительно выше комнатной температуры, и они используются для изготовления неодимовых магнитов.
Сильный — это слово, которое используют для описания неодимового магнита. Вы не можете использовать ферритовые магниты, потому что их магнетизм слишком слаб. Неодимовые магниты намного дороже ферритовых магнитов. Маленькие магниты используются для основы, большие магниты для плавающей/левитирующей части.
Внимание! Вам нужно быть осторожным при использовании неодимовых магнитов, так как их сильный магнетизм может навредить вам, или они могут сломать данные вашего жесткого диска или других электронных устройств, на которые влияют магнитные поля. Совет! Вы можете отделить два магнита, потянув их в горизонтальное положение, вы не сможете отделить их в противоположном направлении, потому что их магнитное поле слишком сильное. Они также очень хрупкие и легко ломаются
Они также очень хрупкие и легко ломаются.
Совет! Вы можете отделить два магнита, потянув их в горизонтальное положение, вы не сможете отделить их в противоположном направлении, потому что их магнитное поле слишком сильное. Они также очень хрупкие и легко ломаются.
Диамагнитная левитация
Диамагнитная левитация имеет ту же природу что и эффект Мейснера (полное вытеснение магнитного поля из материала), она наблюдается при гораздо более сильных полях, но зато не требует предварительного охлаждения. Некоторые опыты доступны любителям. Например, редкоземельный магнит с индукцией около 1 Тл может висеть между двух пластин висмута. В поле с индукцией 11 Тл можно стабилизировать и удерживать маленький магнит в воздухе между пальцами не касаясь его.
Магнитная восприимчивость материалов
Магнитная восприимчивость χ для изотропных тел определяется выражением
χ = Y / H
| Y | — | намагниченность 1 г тела; |
| H | — | напряженность внешнего намагниченного поля. |
| Материал | t , °С | χ · 10 6 |
|---|---|---|
| Азот | 18 | -0.34 |
| Алюминий | 18 | 0.65 |
| Алюминий сернокислый | 18 | -0.48 |
| Алюминий хлористый | 19 | -0.6 |
| Аммиак (газ) | 16 | -1.1 |
| Аргон | 18 | -0.48 |
| Ацетон | 15 | -0.58 |
| Барий | 20 | 0.91 |
| Барий сернокислый | — | -0.306 |
| Барий хлористый | 15 | -0.41 |
| Бензол | 16.8 | -0.71 |
| Бериллий хлористый | 17 | -0.6 |
| Висмут | 18 | -1.38 |
| 260 | -1.02 | |
| Висмут бромистый | 19 | -0.33 |
| Висмут иодистый | 20 | -0.49 |
| Вода | 10 | -0.72 |
| Водород | 18 | -1.98 |
| Водород хлористый | 22 | -0.66 |
| Воздух | 20 | 24.2 |
| Вольфрам | 16 | 0.28 |
| Гадолиний хлористый | 18 | 91 |
| Гадолиния окись | 20 | 130.1 |
| Гелий | 18 | -0.47 |
| Глицерин | 20 | -0.54 |
| Железа окись | 20 | 189.1 |
| Железо бромное | 18 | 48 |
| Железо сернокислое | 19 | 74.2 |
| Железо хлористое | 17 | 101.2 |
| Железо хлорное | 20 | 86.2 |
| Золото | 18 | -0.15 |
| Золото | -256.6 | -0.13 |
| Иридий | 25 | 0.14 |
| 200 | 0.17 | |
| 450 | 0.2 | |
| 850 | 0.26 | |
| 1150 | 0.31 | |
| Кадмий | 18 | -0.18 |
| Калий | 20 | 0.52 |
| Калий бромистый | — | -0.377 |
| Калий железосинеродистый | 21 | 7.08 |
| Калий марганцевокислый | 21 | 0.175 |
| Калий хлористый | 20 | -0.52 |
| Кальций | 20 | 1.1 |
| Кварц | 20 | -0.49 |
| Кислород | 20 | 106.2 |
| Кислород жидкий | -195 | 259.6 |
| Кислород твердый | -240 | 60 |
| Кислота азотная | 22 | -0.467 |
| Кислота серная | 22 | -0.44 |
| Кислота уксусная | 20 | -0.53 |
| Кобальт иодистый | 18 | 32 |
| Кобальт сернокислый | 22 | 59.6 |
| Кобальт хлористый | 25 | 90.5 |
| Кремний | 20 | -0.13 |
| Литий | 16 | 0.5 |
| Магний | 18 | 0.55 |
| Магний бромистый | 20 | -0.57 |
| Магний жидкий | 700 | 0.55 |
| Магний хлористый | 12 | 0.58 |
| Марганец | 22 | 9.9 |
| Марганец сернокислый | 24 | 88.5 |
| Марганец хлористый | 24 | 107 |
| Медь | 18 | -0.085 |
| Молибден | 18 | 0.04 |
| Натрий | 18 | 0.51 |
| Натрий сернокислый | 16 | -0.86 |
| Натрий хлористый | 18 | -0.5 |
| Неон | 18 | -0.33 |
| Нефть | 15–20 | ок. -0,8 |
| Никель бромистый | 18 | 19 |
| Никель сернокислый | 15.9 | 26.7 |
| Никель хлористый | 24 | 44.7 |
| Никеля закись | — | 48.3 |
| Олово | 18 | 0.025 |
| Олово двуххлористое | — | -0.34 |
| Олово жидкое | 400 | -0.036 |
| Олово серое | 18 | -0.35 |
| Палладий | 18 | 5.4 |
| 200 | 4.6 | |
| 750 | 2.6 | |
| 1230 | 1.7 | |
| Парафин | 20 | ок. -0,5 |
| Платина | 18 | 1.1 |
| 250 | 0.66 | |
| 700 | 0.45 | |
| 1220 | 0.3 | |
| Ртуть | 18 | -0.19 |
| Ртуть твердая | -80 | -0.15 |
| Свинец | 16 | -0.11 |
| Свинец бромистый | 20 | -0.28 |
| Свинец жидкий | 330 | -0.08 |
| Свинец иодистый | 19 | -0.33 |
| Свинец хлористый | 15 | -0.32 |
| Сера ромб | 18 | -0.49 |
| Сера жидкая | 113 | -0.49 |
| Сера жидкая | 220 | -0.49 |
| Серебро | 16 | -0.2 |
| Спирт бутиловый | — | -0.74 |
| Спирт метиловый | -3 | -0.65 |
| Спирт этиловый | 19 | -0.74 |
| Стекло (крон) | — | -0.9 |
| Сурьма | 16 | -0.87 |
| Сурьма жидкая | 800 | -0.49 |
| Сурьма треххлористая | 15 | -0.36 |
| Сурьмы трехокись | 14 | -0.19 |
| Тантал | 18 | 0.87 |
| 820 | 0.77 | |
| Углекислота | 18 | -0.42 |
| Углерод алмаз | 18 | -0.49 |
| 400 | -0.51 | |
| 1200 | -0.56 | |
| Углерод графит | 20 | -3.5 |
| -170 | -6 | |
| 600 | -2 | |
| 1000 | -1.3 | |
| Фосфор белый | 20 | -0.9 |
| Хлор жидкий | -60 | -0.57 |
| Хлороформ | 15 | -0.49 |
| Хром | 18 | 3.6 |
| 1100 | 4.2 | |
| Хром сернокислый | 21 | 29.5 |
| Хром хлористый | 19 | 44.3 |
| Хрома трехокись | 17 | 0.51 |
| Цинк | 18 | -0.157 |
| Цинк бромистый | 19 | -0.4 |
| Цинк жидкий | 450 | -0.09 |
| Цинк сернокислый | — | -0.48 |
| Цинк хлористый | 22 | -0.47 |
| Шеллак | — | -0.3 |
| Эбонит | 20 | 0.6 |
| Эрбий | 18 | 22 |
| Этилацетат | 6 | -0.607 |
| Этилен | 20 | -1.6 |
| Этилен хлористый | — | -0.602 |
| Эфир этиловый | 20 | -0.77 |
Летательные аппараты
Как из простых предметов сделать подставку для телефона Теперь перейдем к взаимодействию сверхпроводника и магнитного поля. Малые поля из сверхпроводника вообще выталкиваются, а более сильные проникают в него не сплошным потоком, а в виде отдельных «струй». Кроме того, если мы двигаем магнит возле сверхпроводника, то в последнем наводятся токи, и их поле стремится вернуть магнит назад. Все это делает возможной сверхпроводящую или, как ее еще называют, квантовую левитацию: магнит или сверхпроводник могут висеть в воздухе, стабильно удерживаемые магнитным полем. Чтобы убедиться в этом, достаточно маленького редкоземельного магнитика и кусочка сверхпроводящей ленты. Если же иметь хотя бы метр ленты и неодимовые магниты покрупнее (мы использовали диск 40 x 5 мм и цилиндр 25 x 25 мм), то можно сделать эту левитацию весьма зрелищной, подняв в воздух дополнительный груз.
В первую очередь нужно нарезать ленту на кусочки и скрепить их в пакет достаточной площади и толщины. Скреплять можно и суперклеем, но это не слишком надежно, так что лучше спаять их обычным маломощным паяльником с обычным оловянно-свинцовым припоем. По результатам наших опытов можно рекомендовать два варианта пакетов. Первый — квадрат со стороной в три ширины ленты (36 x 36 мм) из восьми слоев, где в каждом следующем слое ленты укладываются перпендикулярно лентам предыдущего слоя. Второй — восьмилучевая «снежинка» из 24 отрезков ленты длиной 40 мм, уложенных друг на друга так, что каждый следующий отрезок повернут на 45 градусов относительно предыдущего и пересекает его в середине. Первый вариант немного проще в изготовлении, намного компактнее и прочнее, зато второй обеспечивает лучшую стабилизацию магнита и экономичный расход азота за счет его впитывания в широкие щели между листами.
Сверхпроводник может висеть не только над магнитом, но и под ним, да и вообще в любом положении относительно магнита. Равно как и магнит совсем не обязан висеть именно над сверхпроводником.
Кстати, о стабилизации стоит сказать отдельно. Если заморозить сверхпроводник, а потом просто поднести к нему магнит, то висеть магнит не будет — упадет в стороне от сверхпроводника. Чтобы стабилизировать магнит, нам нужно заставить поле проникнуть внутрь сверхпроводника. Сделать это можно двумя способами: «вмораживанием» и «вдавливанием». В первом случае мы размещаем магнит над теплым сверхпроводником на специальной опоре, затем наливаем жидкий азот и убираем опору. Такой метод отлично работает с «квадратом», он же подойдет и для монокристаллической керамики, если вы ее найдете. Со «снежинкой» метод тоже работает, хоть и чуть хуже. Второй метод предполагает, что вы будете силой приближать магнит к уже охлажденному сверхпроводнику, пока тот не захватит поле. С монокристаллом керамики такой метод почти не работает: слишком большие усилия нужны. А вот с нашей «снежинкой» работает великолепно, позволяя стабильно подвесить магнит в разных положениях (с «квадратом» тоже, но положение магнита невозможно сделать произвольным).
Чтобы увидеть квантовую левитацию, достаточно даже небольшого отрезка сверхпроводящей ленты. Правда, удерживать в воздухе получится лишь маленький магнитик и на небольшой высоте.
Лифт [ править ]
Сверхпроводник, левитирующий постоянный магнит
Магнитные материалы и системы способны притягивать или раздавливать друг друга или вместе с силой, зависящей от магнитного поля и площади магнитов. Например, простейшим примером подъемной силы может быть простой дипольный магнит, расположенный в магнитных полях другого дипольного магнита и ориентированный одинаковыми полюсами, обращенными друг к другу, так что сила между магнитами отталкивает два магнита.
Практически все типы магнитов использовались для создания подъемной силы при магнитной левитации; постоянные магниты, электромагниты, ферромагнетизм, диамагнетизм, сверхпроводящие магниты и магнетизм, вызванный индуцированными токами в проводниках.
Чтобы рассчитать величину подъемной силы, можно определить магнитное давление .
Например, магнитное давление магнитного поля на сверхпроводник можно рассчитать следующим образом:
- пмаграммзнак равноB22μ{\ displaystyle P_ {mag} = {\ frac {B ^ {2}} {2 \ mu _ {0}}}}
где — сила на единицу площади в паскалях , — магнитное поле непосредственно над сверхпроводником в теслах , а = 4π × 10 −7 Н · А −2 — проницаемость вакуума. пмаграмм{\ displaystyle P_ {mag}}B{\ displaystyle B}μ{\ displaystyle \ mu _ {0}}
Использует [ редактировать ]
Известные применения магнитной левитации включают поезда на магнитной подвеске , бесконтактную плавку , магнитные подшипники и демонстрацию продукции. Более того, в последнее время в области микроробототехники начали использовать магнитную левитацию .
Маглев транспорт править
Маглев , или магнитная левитация , представляет собой транспортную систему, которая приостанавливает, направляет и приводит в движение транспортные средства, преимущественно поезда, с использованием магнитной левитации от очень большого количества магнитов для подъема и движения. Этот метод может быть быстрее, тише и плавнее, чем системы общественного транспорта на колесах . Эта технология может превысить 6400 км / ч (4000 миль / ч) при развертывании в эвакуированном туннеле. Если не используется в откачанной трубе, мощность, необходимая для левитации, обычно не является особенно большим процентом, и большая часть необходимой мощности используется для преодоления сопротивления воздуха , как и в случае с любым другим высокоскоростным поездом. Какой-то маглев Hyperloopпрототипы транспортных средств разрабатываются в рамках конкурса контейнеров Hyperloop в 2015–2016 годах, и, как ожидается, начальные испытания пройдут в эвакуированной трубе позднее в 2016 году .
Самая высокая зарегистрированная скорость поезда на магнитной подвеске составляет 603 км / ч (374,69 миль / ч), достигнутая в Японии 21 апреля 2015 года, что на 28,2 км / ч выше, чем традиционный рекорд скорости TGV . Поезда на маглеве существуют и планируются по всему миру. Известные проекты в Азии включают сверхпроводящий поезд на магнитной подвеске Central Japan Railway Company и поезд на магнитной подвеске в Шанхае , старейший коммерческий маглев, который все еще работает. В другом месте в Европе рассматривались различные проекты, и Северо-Восточный Маглев направлен на капитальный ремонт Северо- Восточного Коридора Северной Америки с использованием технологии SCMaglev от JR Central .
Таяние левитации править
Электромагнитная левитация (EML), запатентованная Muck в 1923 г. , является одним из старейших методов левитации, используемых для экспериментов без контейнеров. Техника позволяет левитацию объекта с помощью электромагнитов . Типичная катушка EML имеет перевернутую обмотку верхней и нижней секций, питаемых от радиочастотного источника питания.
Микроробототехника править
В области микроробототехники были исследованы стратегии, использующие магнитную левитацию. В частности, было продемонстрировано, что с помощью такой техники может быть достигнуто управление несколькими агентами микромасштабного размера в пределах определенного рабочего пространства. В нескольких исследованиях сообщается о реализации различных пользовательских настроек для правильного получения желаемого контроля над микророботами. В лабораториях Philips в Гамбурге для выполнения магнитной левитации и трехмерной навигации одного магнитного объекта использовалась индивидуальная система клинических весов, объединяющая как постоянные магниты, так и электромагниты . Другая исследовательская группа объединила большее количество электромагнитов, следовательно, больше магнитных степеней свободы , чтобы добиться независимого трехмерного управления несколькими объектами с помощью магнитной левитации.
Способы реализации магнитной левитации
Обеспечить равновесие объекта в пространстве можно, применив несколько способов: сервомеханизмы, диамагнетики, сверхпроводники и системы с вихревыми токами. Такие устройства дают возможность объекту сохранить равновесие, когда он поднят над основой с магнитом. Как сделать левитирующий прибор самостоятельно выясним в статье.
Электромагнитная левитация с системой слежения
Собрав устройство на основе электромагнита с использованием фотореле достигают левитации мелких металлических предметов. Они зависают в воздухе, приподнимаясь над электромагнитом, который закреплен на стойке. Электромагнит работает, пока предмет не затеняет фотоэлемент в стойке, то есть он получает световой сигнал от контрольной точки и предмет медленно поднимается.
Поднявшись на расчётное расстояние, предмет перекрывает контрольную точку, на фотоэлемент попадает тень, магнит отключается и предмет падает. Но окончательно упасть на стойку он не успевает: как только с контрольной точки уходит тень, фотоэлемент срабатывает, и магнит вновь включается. Досконально отрегулировав систему можно добиться ощущения парения предмета в воздухе.
Этот принцип положен в основу изготовления сувенирных левитирующих глобусов
Диамагнитная левитация
Самым доступным диамагнетиком (свойство намагничиваться против магнитного поля) является грифель карандаша из графита. У него сильная магнитная восприимчивость. Способен проявлять левитацию над неодимовым магнитом при температуре от 15 °C до 25 °C. Для создания магнитной ловушки полюса магнитов располагают в шахматном порядке.
Магнит с показателем индукции в 1Тл способен повиснуть между висмутовыми пластинами. Создав магнитное поле в 11 Тл, можно стабилизировать его левитацию даже между пальцами, так как они тоже диамагнетики.
Левитация магнита над сверхпроводником (эффект Мейснера)
Взяв пластину из оксида иттрия-бария-меди и охладив ее до −195,75 °C (жидкий азот), мы придаем ей свойства сверхпроводника. Положим под подставку с неодимовым магнитом эту пластину и уберем подставку: мы видим как магнит левитирует в воздухе.
Минимальная индукция в 1мТл способна приподнять на 4 миллиметра магнит над подобным сверхпроводником. Добавляя индукцию, увеличивается расстояние между пластиной и магнитом.
Это явление основывается на свойстве сверхпроводника выталкивать магнитное поле из сверхпроводящей фазы. Поэтому магнит, сталкиваясь с полем противоположного заряда, отталкивается от него и зависает над сверхпроводником, пока тот не потеряет свойства.
Левитация в условиях вихревых токов
Вихревой ток, возникающий в переменном магнитном поле больших проводников, может удержать некоторые металлические предметы, вызывая левитацию. Например: диск из алюминия может парить над катушкой переменного тока.
Это явление объясняет закон Ленца: индуцированный диском ток создает поле, противоположного направления. Таким образом, диск будет левитировать пока в катушке есть переменный ток. Главное подобрать подходящие габариты катушки.
Такое явление можно увидеть, запустив неодимовый магнит в медную трубу. Опять же индуцированное магнитное поле направляется противоположно магниту и заставляет его парить внутри трубы.
Эксперименты по левитации дома
До того, как сделать левитирующий магнит, можно выполнить небольшой опыт по созданию условий левитации дома. Для этого понадобятся:
- шесть кольцеобразных постоянных магнитов с внутренним диаметром 6-8 мм;
- обычный графитовый карандаш;
- подставка, выполненная из куска поролона размером 120*250 мм;
- упор из плексиглаза, оргстекла или другого прочного материала.
Два магнита размещают на карандаше через 100 мм друг от друга. На этом же расстоянии в поролоне закрепляют две пары идентичных магнитов. Тройка магнитов (два на опоре и один на карандаше) должна визуально составлять пирамиду. Регулируя расстояния между магнитами, добиваются левитации карандаша.
Левитация карандаша в домашних условиях
Использование МЛ
Применения МЛ не исчерпывается демонстрацией, где левитирующая лягушка подвешена в воздухе при помощи сильного МП. Небольшой перечень возможностей использования левитации с воздействием магнитного поля:
- на транспорте;
- в энергетике;
- в летательных аппаратах;
- ветряных генераторах;
- магнитных подшипниках.
Транспорт с магнитной левитацией
Основной плюс использования маглевов – экономный режим потребления энергии, за счёт снижения трения между рельсами и колёсами в традиционных вариантах. Основные затраты приходятся на преодоление сопротивления воздушных масс. Современное оформление вагонов, практическое отсутствие шумов и вибрации делают этот вид транспорта перспективным.
История супер поездов
В России не производят маглевы, но в Санкт-Петербурге подобные разработки грузовых поездов на магнитной подушке уже ведутся. Ученые создали прототип грузового маглева, в дальнейшем обещают сконструировать и пассажирский.
Страны лидеры – Китай и Япония, представляют свои разработки, которые работают уже не один год. Коммерческая скоростная линия в Шанхае позволяет перемещаться из одной точки в другую со скоростью более 430 км/ч.
Японский вариант
Скоростное первенство по праву достаётся японским поездам подобного типа. Весной 2015 года опытный экземпляр поезда установил рекорд на участке, построенном в префектуре Яманаси. Модель Синкансэн L0 развила на этом участке скорость 603 км/ч. Японцы ведут разработки ещё с 70-х годов прошлого века. Работы ведутся в институте ж/д техники (JRTRI), в тесном сотрудничестве с оператором Japan Railways.
Японский JR-Maglev
Магнитные подшипники
В лазерных установках и в оборудовании, где необходима высокая точность (оптические системы), нашли своё применение магнитные подшипники. Они обладают целой линейкой положительных качеств:
- отсутствие трения, потери равны нулю;
- повышенная скорость вращения;
- низкий коэффициент вибрации;
- возможность герметизации;
- автоматический электронный контроль.
Газовые турбины, электрогенераторы, работающие на высоких оборотах, криогенные установки – это только некоторые решения для использования таких подшипников.
Бесконтактный магнитный подшипник
Применение в энергетике
Избавление от трения в магнитных подшипниках позволяет говорить о применении магнитной левитации в энергетике. КПД газовых турбин на ТЭС (тепловых электрических станциях) повысился с применением таких деталей. Возможность контролировать и регулировать работу подшипниковых узлов высокооборотных генераторов тока позволила модернизировать и повысить коэффициент автоматизации процесса получения электроэнергии.
Летательные аппараты
Обычный вертолёт тоже можно назвать левитирующим объектом, однако силу земного притяжения он преодолевает с помощью воздушного потока, создаваемого лопастями. Летательные аппараты, использующие МП и движущиеся целенаправленно в разных плоскостях, – это ещё только будущее. В отличие от поездов, проблема конструктивного выполнения стороннего МП находится только в процессе поиска решения.
Самолёт на магнитной подушке
Использование МЛ в ветрогенераторах
Всё дело – в магнитной подвеске, которая значительно увеличивает срок службы генератора. При её наличии ветряная турбина требует гораздо меньших затрат в обслуживании.
Переход транспорта любых видов на МЛ позволит в корне изменить транспортные системы. Кроме коллективного использования таких видов транспорта, возможен переход на индивидуальные системы передвижения человека. Экономия энергии, долговечность вращающихся механизмов, подъём и перемещение грузов – всё это в корне изменит структуру промышленных и сельскохозяйственных объектов, а также внешний облик планеты.
Что такое ферромагнетики
В отличие от двух перечисленных выше магнетиков, ферромагнетики являются сильномагнитными веществами.
Определение 4
Ферромагнетики – это вещества с высокой магнитной проницаемостью, зависящей от внешнего магнитного поля.
Данные вещества могут иметь так называемую остаточную намагниченность. Выразить зависимость восприимчивости ферромагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля можно с помощью функции. Она представлена на схеме ниже:
Рисунок 3
Намагниченность ферромагнетика имеет пределы насыщения. Это указывает нам на природу возникновения намагниченности в таких веществах: она образуется путем смены ориентации магнитных моментов вещества. Для ферромагнетиков также характерно такое явление, как гистерезис.
В магнитном отношении все ферромагнетики делят на мягкие и жесткие. Первые из них имеют высокую магнитную проницаемость и способны легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют широкое применение в электротехнических приборах, основанных на работе переменных полей (например, трансформаторов). Жесткие ферромагнетики имеют сравнительно небольшую проницаемость и намагничиваются трудно. Их используют при производстве постоянных магнитов.
Пример 1
Условие: на схеме выше (рис. 3) показана кривая намагниченности ферромагнетика. Постройте кривую, выражающую зависимость B(H) и определите, возможно ли насыщение для магнитной индукции. Поясните свой вывод.
Решение
Мы знаем отношение вектора магнитной индукции к вектору намагниченности.
B→=J→+μH→.
Из этого можно сделать вывод, что насыщения кривая B(H) иметь не может. Создадим график зависимости напряженности внешнего поля от индукции магнитного поля в соответствии с рисунком выше. Мы получили схему, называемую кривой намагничивания:
Рисунок 4
Ответ: кривая индукции не имеет насыщения.
Пример 2
Условие: выведите формулу восприимчивости парамагнетика при условии, что механизм его намагничивания точно такой же, как механизм электризации полярных диэлектриков. Среднее значение магнитного момента молекул в проекции на ось Z обозначается формулой ρmz=ρmL(β).
Здесь L(β)=cth(β)-1β означает функцию Ланжевена при β=ρmBkT.
Решение
Взяв высокие температуры и небольшие поля, получим следующее:
ρmB≪kT,→β≪1.
Значит, если β≪1cthβ=1β+β3-β345+…, можно ограничить функцию линейным членом и получить, что:
ρmB≪kT,→β≪1.
Возьмем нужную формулу и подставим в нее полученное значение:
ρmz=ρmρmB3kT=ρm2B3kT.
Зная, как связаны между собой напряженность магнитного поля и его индукция, а также приравняв магнитную проницаемость парамагнетика к 1, получим следующее:
ρmz=ρm2μH3kT.
В итоге формула намагниченности будет выглядеть так:
J=nρmz=ρm2μH3kTn.
Поскольку модуль намагниченности связан с модулем вектора (J=χH), мы можем записать результат:
χ=ρm2мn3kT.
Ответ: χ=ρm2мn3kT.
Всё ещё сложно?
Наши эксперты помогут разобраться
Все услуги
Решение задач
от 1 дня / от 150 р.
Курсовая работа
от 5 дней / от 1800 р.
Реферат
от 1 дня / от 700 р.
Магнитная левитация на постоянных магнитах: идеи и опыты
Самый простой и наглядный пример магнитной левитации, которая создается на постоянных магнитах – это так называемый левитрон. Эту игрушку придумал американский изобретатель почти 30 лет назад. В основе конструкции всего два кольцевых магнита. Большой лежит строго горизонтально, а маленький вращается и зависает над ним. Что же его удерживает от падения? За счет чего достигается такой эффект? Игорь Белецкий высказывает на видео идеи практической реализации левитрона и проводит опыты.
Естественно, постоянные магниты направлены друг к другу одноименными полюсами, что и заставляет их отталкиваться. Но для устойчивой магнитной левитации этого мало. Большой кольцевой магнит создает особую форму магнитного поля. Другими словами образуется магнитная впадина или потенциально яма, на дне которой волчок и находят свою устойчивость. Но это всего лишь позволяет ему не свалиться в сторон. Решающим фактором для стабильной левитации является вращение самого волчка, вследствие чего возникает в гироскопический эффект, благодаря нему волчок не опрокидывается, хотя постоянно к этому стремится, и как только трение а воздух притормозит его вращение, сила магнитного притяжения возьмет верх. Было бы заманчиво найти практическое применение такому подвесу. Например, сделать бесконтактный маховик – накопителя энергии. Но беда в том, что что по схеме левитрона, когда большой магнит удерживает маленький, не получается подвесить массивное тело. Сила отталкивания крайне мала – жалкие 30 грамм. Это предел. Нагрузишь больше и система сложится, а увеличивать габариты магнита непрактично и дорого. Но как же так? Неодимовые магниты обладают просто чудовищной силой отталкивания, и это действительно так.
Продаются магниты дешевле в этом китайском магазине. Автор видео Игорь Белецкий попытался реализовать динамическую левитацию по принципу магнитного подвеса, расположив ось вращения вертикально.Вес маховика легко компенсируется двумя маленькими кольцевыми магнитами, а вот осевую стабилизацию должны были обеспечить небольшие магниты на концах оси. Плюс гироскопический эффект от вращения самого маховика. К сожалению, проведя множество экспериментов, он так и не добился желаемого. Возможно, он снова выбрал не самую удачную схему, потому что, чем больше в системе магнитов, а значит и напряжений, тем сложнее ее уравновесить.
Самый простой и дешевый способ магнитного подвеса предложил еще профессор механики Нурбей Гулия. Он просто перенес всю массу маховика на кольцевые магниты, а осевую стабилизацию оставил за обычными подшипниками, что вполне логично, ведь при вертикальной оси вращения нагрузка на них минимальная, как и потери на трение. Это, конечно, не чистая левитация, но что то весьма близкое. Автор ролика быстро собрал похожую конструкцию и убедился в ее практичности. Вместо подшипников для стабилизации оси он использовал графитовые втулки. Трение у них действительно минимально. Теперь бы еще поместить всё в безвоздушную капсулу и получится настоящий накопитель механической энергии. А потом, для полного счастья, было бы логично сделать бесконтактный отбор мощности. Самый простой способ – превратить маховик в магнитный ротор. Например, добавим катушку индуктивности и получим генератор, который при необходимости сможет работать и как электромотор для раскрутки маховика накопителя. Но это уже совсем другая история.
Посмотрите товары для изобретателей. Ссылка на магазин.
Определение
Диамагнетики по своей сути это вещества, обладающие свойством намагничиваться в противоположную сторону от внешнего магнитного поля. Простыми словами свойства любых диамагнетиков можно описать так:
- Медь является нейтральной к воздействию магнита. Она не намагничивается и сохраняет это состояние даже при долговременном воздействии сильного магнитного поля.
- Если к медной пластине подвести постоянный магнит с положительным полюсом, то атомы меди образуют вокруг себя слабый магнитный поток с отрицательным значением.
- Медная пластина начнет отталкиваться от приложенного магнитного поля.
В физике этот эффект описывается намного сложнее.
- Медь обладает нейтральной структурой к намагничиванию.
- Если на медную пластину начнут воздействовать магнитным полем, то ее электроны придут в движение, что спровоцирует возникновение кругового тока.
- Возникший ток получает свойства собственного магнитного момента «ρm».
- Ток за счет кругового движения так же провоцирует возникновение магнитной индукции. Она имеет противоположную направленность относительно внешнего магнитного поля.
Природа диамагнетизма свойственна всем веществам и предметам, находящимся в магнитном поле. Отличается только степень их проницаемости. Например:
- Идеальный материал диамагнетик имеет эталонную проницаемость равной 1 плюс небольшая погрешность.
- Для твердых и жидких тел эта величина варьируется в пределах 5–4–10–6 χ.
- У газообразных веществ она равна 2–3–3–4 χ.
По системе СИ, магнитная проницаемость обозначается буквой «µ». Данная величина не зависит от величины напряжения магнитного поля и температуры. Единственное отклонение может возникнуть при резком падении температуры с резким увеличением магнитного поля. Но такая реакция невозможна в условиях Земли. Кроме магнитной проницаемости также существует другая величина, которая называется магнитной восприимчивостью. Оно обозначается буквой «χ».
Ниже приведена таблица восприимчивости твердых тел к воздействию магнитного поля.
Что такое диамагнетики
Наблюдения за микроскопическими плотностями токов в условиях намагниченного вещества показывают их сложность и сильные изменения даже на атомном уровне. Большой интерес для ученых представляют средние магнитные поля, которые образуются большим количеством атомов. Магнетические материалы подразделяются на несколько групп, включая диамагнетики.
Диамагнетизм (от греческого слова dia, означающего расхождение и магнетизм) — это свойство материалов намагничиваться навстречу воздействующему магнитному полю.
Диамагнетики — это вещества, в которых атомы обладают нулевыми магнитными моментами, когда на них не действует внешнее поле, то есть взаимно скомпенсированными магнитными моментами.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут
При воздействии на диамагнитный материал внешнего магнитного поля наблюдается изменение в строении, то есть приобретение его атомами наведенных магнитных моментов. Если рассматривать малый объем изотропного диамагнетика, то можно заметить, что его атомы обладают одинаковыми наведенными магнитными моментами, которые направлены в противоположную сторону от внешнего магнитного поля.
Примечание
Первый эксперимент с диамагнетиками такими, как висмут и сурьма, был проведен в 1778 году С.Дж. Бергманом. Он наблюдал, как вещества отталкиваются магнитным полем. Позже в сентябре 1848 года Майкл Фарадей ввел понятие диамагнетизма.
