Сила притяжения: какими бывают магниты и как их применяют в энергетике
В древние времена из материалов, притягивающих металл, строили ворота, через которые нельзя было пройти с оружием. В Средние века революцию в ориентировании произвел компас. Сегодня без магнитов сложно представить нашу жизнь: их используют в быту, медицине, автомобилестроении и энергетике.
Что такое магнит и можно ли притянуть им яблоко
Магниты — тела, обладающие мощным магнитным полем, благодаря которому они притягивают или отталкивают предметы из некоторых веществ. Простейшим магнитом считается электрон — частица-носитель отрицательного электрического заряда. Такие частицы движутся вокруг атомов, словно по виткам катушки индуктивности, создавая магнитное поле. Одновременно они движутся на месте (упрощенно это можно представить как вращение вокруг своей оси), что тоже порождает магнитное поле.
Вместе магнитные поля электронов создают магнитное поле атома, а те — магнитное поле вещества. Обычно поля в последнем хаотичны. Если сложить их магнитные моменты (направления от южного к северному полюсу), получится ноль — магнитного поля у самого вещества не будет. Воздействуя внешним магнитным полем на вещество, можно синхронизировать поля электронов, чтобы их магнитные моменты «смотрели» в одну сторону. Тогда вещество обретет свое магнитное поле, или намагнитится.
Больше к намагничиванию склонны металлы: железо, кобальт, никель, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, — а также их соединения и соединения хрома и марганца. В них есть зоны «кооперации» атомов — их магнитные моменты изначально направлены в одну сторону. Стоит внести вещество во внешнее магнитное поле, как эти зоны мгновенно разрастаются. Вот почему сделанный из железа магнит притягивает предметы схожего состава.
Пример большого магнита — наша планета. Ее магнитное поле рождается в ядре, в котором по замкнутому контуру циркулируют потоки расплавленного железа.
Притянуть можно и яблоко, но чтобы подвесить его в воздухе с помощью магнитного поля, потребуется очень мощный магнит.
Типы магнитов: природные, электрические, полимерные
По типам происхождения магниты бывают искусственные, созданные человеком, и природные. В природных «синхронизация» электронов происходит под действием естественных факторов — например, геологических условий и гравитации.
Некоторые организмы обладают магниторецепцией — способностью ощущать магнитные поля. Почтовым голубям магниторецепция позволяет ориентироваться в пространстве, а акулам и скатам — находить пищу.
По типам магниты делятся на постоянные, временные (намагниченные чужим полем, действуют определенное время) и электромагниты (создают магнитное поле, только если пустить по ним электрический ток).
Выделяют несколько типов постоянных магнитов в зависимости от их состава. Например, неодимовые магниты изготовлены из сплава неодима, железа и бора. Более распространенные ферритовые — из оксида железа и соединений других металлов (например, бария или стронция).
Другой вид постоянных магнитов — полимерные: их делают, примешивая магнитный железный порошок к пластику или резине. Если у вас дома на холодильнике висит пара гибких магнитиков, скорее всего, они изготовлены с применением магнитного винила.
Свойства магнитов: какой более мощный, а какой — жаростойкий
От вида магнита зависят его свойства. Неодимовые— самые мощные среди постоянных магнитов. Если в приоритете сила и компактность, такой постоянный магнит подойдет отлично: по силе он превосходит ферритовый примерно в 10 раз — им можно поднимать грузы до тонны. Различаются они и сроком службы: за 10 лет неодимовый магнит теряет до 2% намагниченности, а ферритовый — 10–100%.
Неодимовые магниты изобрели в начале 1980-х, причем одновременно в двух странах. На одной и той же конференции в 1983 году о создании мощного постоянного магнита заявили ученые из Японии и США.
Ферритовые магниты дешевле, не требуют антикоррозионного покрытия и сохраняют свойства при высоких температурах, тогда как стандартные неодимовые обычно теряют их уже при 80 градусах. Причина — нарушение структуры постоянного магнита, из-за чего ослабевает магнитное поле. У разных магнитов свой диапазон рабочих температур. Ферритовые магниты теряют свойства при нагревании свыше 280 градусов, а магниты альнико (изготавливаются из сплавов железа с добавлением алюминия, никеля, кобальта, меди, титана) выдержат и 550 градусов.
При превышении допустимой температуры структура постоянного магнита нарушается необратимо, и охлаждение не возвратит ему утраченных свойств. Его придется намагнитить заново в сильном магнитном поле — с помощью другого магнита либо катушки индуктивности.
На постоянные магниты влияют и другие факторы. Так, высокая влажность портит неодимовые магниты без антикоррозийного покрытия. Источник электромагнитного или магнитного поля рядом с магнитом может ослабить его действие или привести к потере свойств.
Применение магнитов в промышленности и в быту
При помощи магнита можно сделать много полезного. Используя магнитно-резонансную томографию, врачи изучают мягкие ткани пациента. В автомобилестроении магниты обеспечивают работу и электрических преобразователей, и обычных дверных запоров. Магнитом легко достать из илистого водоема большие предметы, например, затонувшее судно, и убрать другой металлический мусор со дна.
Один из исторических примеров применения магнита — компас, изобретенный и описанный в Китае в XI веке.
В энергетике неодимовые магниты применяют как компонент генератора электростанций, в том числе гидро- и ветровых. Магнитные сепараторы очищают углеводороды от металлических примесей. Приборы контроля утечки магнитного потока заблаговременно фиксируют коррозию трубопровода.
В быту постоянные магниты служат уплотнителями дверей холодильников и отвечают за преобразование электросигнала в звук в наушниках. Застежки с постоянными магнитами держат на окне противомоскитную сетку, а магнитные панели помогают навести порядок в кухонных принадлежностях.
Магниты безопасны для человека, но при работе с ними стоит соблюдать правила. Мощные неодимовые магниты притягиваются друг к другу и металлическим предметам с большой силой. Магнитные поля могут влиять на кардиостимуляторы и другие имплантаты. Некоторые виды магнитов хрупки и легко раскалываются, поэтому работать с ними советуют в защитных очках и перчатках. Чтобы магнит прослужил долго, важно соблюдать температурный режим, защищать его от высокой влажности и механических повреждений.