Дома, на работе, в собственном авто или в общественном транспорте нас окружают разнообразные типы магнитов. Они обеспечивают работу моторов, датчиков, микрофонов и многих других привычных вещей. При этом в каждой сфере используются различные по своим характеристикам и особенностям устройства. В целом выделяют такие типы магнитов:
Какие бывают магниты
Электромагниты. Конструкция таких изделий состоит из железного сердечника, на который намотаны витки провода. Подавая электрический ток с различными параметрами величины и направленности, удается получать магнитные поля нужной силы и полярности.
Название этой группы магнитов представляет собой аббревиатуру названий своих составляющих: алюминий, никель и кобальт. Главное преимущество сплава альнико состоит в непревзойденной температурной устойчивости материала. Другие виды магнитов не могут похвастаться наличием возможности применения при температурах до +550 ⁰ С. В то же время этот легкий материал характеризуется слабой коэрцитивной силой. Это означает, что он может полностью размагничиваться при воздействии сильного внешнего магнитного поля. В то же время благодаря своей доступной цене альнико является незаменимым решением во многих научных и промышленных отраслях.
Современная магнитная продукция
Итак, со сплавами разобрались. Теперь перейдем к тому, какие бывают магниты и какое применение им найти в быту. На самом деле существует огромное разнообразие вариантов подобной продукции:
3) Офисные магниты. Для презентаций и планерок используются магнитные доски, которые позволяют наглядно и детально представить любую информацию. Также они оказываются крайне полезны в школьных кабинетах и аудиториях университетов.
Существуют магниты двух разных видов. Одни – так называемые постоянные магниты, изготовляемые из «магнитно-твердых» материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитно-мягкого» железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.
Магнитные полюса и магнитное поле.
Магнитные свойства стержневого магнита наиболее заметны вблизи его концов. Если такой магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то он займет положение, примерно соответствующее направлению с севера на юг. Конец стержня, указывающий на север, называют северным полюсом, а противоположный конец – южным полюсом. Разноименные полюса двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные взаимно отталкиваются.
Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок ненамагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний – одноименным. Притяжением между полюсом магнита и индуцированным им в бруске противоположным полюсом и объясняется действие магнита. Некоторые материалы (например, сталь) сами становятся слабыми постоянными магнитами после того, как побывают около постоянного магнита или электромагнита. Стальной стержень можно намагнитить, просто проведя по его торцу концом стержневого постоянного магнита.
Итак, магнит притягивает другие магниты и предметы из магнитных материалов, не находясь в соприкосновении с ними. Такое действие на расстоянии объясняется существованием в пространстве вокруг магнита магнитного поля. Некоторое представление об интенсивности и направлении этого магнитного поля можно получить, насыпав на лист картона или стекла, положенный на магнит, железные опилки. Опилки выстроятся цепочками в направлении поля, а густота линий из опилок будет соответствовать интенсивности этого поля. (Гуще всего они у концов магнита, где интенсивность магнитного поля наибольшая.)
М.Фарадей (1791–1867) ввел для магнитов понятие замкнутых линий индукции. Линии индукции выходят в окружающее пространство из магнита у его северного полюса, входят в магнит у южного полюса и проходят внутри материала магнита от южного полюса обратно к северному, образуя замкнутую петлю. Полное число линий индукции, выходящих из магнита, называется магнитным потоком. Плотность магнитного потока, или магнитная индукция (В ), равна числу линий индукции, проходящих по нормали через элементарную площадку единичной величины.
Магнитной индукцией определяется сила, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем проводник с током. Если проводник, по которому проходит ток I , расположен перпендикулярно линиям индукции, то по закону Ампера сила F , действующая на проводник, перпендикулярна и полю, и проводнику и пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника. Таким образом, для магнитной индукции B можно написать выражение
где F – сила в ньютонах, I – ток в амперах, l – длина в метрах. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл) .
Гальванометр.
Гальванометр – чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используется вращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна.
Намагничивающая сила и напряженность магнитного поля.
Далее следует ввести еще одну величину, характеризующую магнитное действие электрического тока. Предположим, что ток проходит по проводу длинной катушки, внутри которой расположен намагничиваемый материал. Намагничивающей силой называется произведение электрического тока в катушке на число ее витков (эта сила измеряется в амперах, так как число витков – величина безразмерная). Напряженность магнитного поля Н равна намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины катушки. Таким образом, величина Н измеряется в амперах на метр; ею определяется намагниченность, приобретаемая материалом внутри катушки.
В вакууме магнитная индукция B пропорциональна напряженности магнитного поля Н :
где m 0 – т.н. магнитная постоянная, имеющая универсальное значение 4p Ч 10 –7 Гн/м. Во многих материалах величина B приблизительно пропорциональна Н . Однако в ферромагнитных материалах соотношение между B и Н несколько сложнее (о чем будет сказано ниже).
На рис. 1 изображен простой электромагнит, предназначенный для захвата грузов. Источником энергии служит аккумуляторная батарея постоянного тока. На рисунке показаны также силовые линии поля электромагнита, которые можно выявить обычным методом железных опилок.
Крупные электромагниты с железными сердечниками и очень большим числом ампер-витков, работающие в непрерывном режиме, обладают большой намагничивающей силой. Они создают магнитную индукцию до 6 Тл в промежутке между полюсами; эта индукция ограничивается лишь механическими напряжениями, нагреванием катушек и магнитным насыщением сердечника. Ряд гигантских электромагнитов (без сердечника) с водяным охлаждением, а также установок для создания импульсных магнитных полей был сконструирован П.Л.Капицей (1894–1984) в Кембридже и в Институте физических проблем АН СССР и Ф.Биттером (1902–1967) в Массачусетском технологическом институте. На таких магнитах удавалось достичь индукции до 50 Тл. Сравнительно небольшой электромагнит, создающий поля до 6,2 Тл, потребляющий электрическую мощность 15 кВт и охлаждаемый жидким водородом, был разработан в Лосаламосской национальной лаборатории. Подобные поля получают при криогенных температурах.
Магнитная проницаемость и ее роль в магнетизме.
Магнитная проницаемость m – это величина, характеризующая магнитные свойства материала. Ферромагнитные металлы Fe, Ni, Co и их сплавы обладают очень высокими максимальными проницаемостями – от 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермаллоя). В таких материалах при сравнительно малых напряженностях поля H возникают большие индукции B , но связь между этими величинами, вообще говоря, нелинейна из-за явлений насыщения и гистерезиса, о которых говорится ниже. Ферромагнитные материалы сильно притягиваются магнитами. Они теряют свои магнитные свойства при температурах выше точки Кюри (770° С для Fe, 358° С для Ni, 1120° С для Co) и ведут себя как парамагнетики, для которых индукция B вплоть до очень высоких значений напряженности H пропорциональна ей – в точности так же, как это имеет место в вакууме. Многие элементы и соединения являются парамагнитными при всех температурах. Парамагнитные вещества характеризуются тем, что намагничиваются во внешнем магнитном поле; если же это поле выключить, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля.
На рис. 2 представлена типичная петля гистерезиса для магнитно-твердого (с большими потерями) ферромагнитного материала. Она характеризует неоднозначную зависимость намагниченности магнитоупорядоченного материала от напряженности намагничивающего поля. С увеличением напряженности магнитного поля от исходной (нулевой) точки (1 ) намагничивание идет по штриховой линии 1 –2 , причем величина m существенно изменяется по мере того, как возрастает намагниченность образца. В точке 2 достигается насыщение, т.е. при дальнейшем увеличении напряженности намагниченность больше не увеличивается. Если теперь постепенно уменьшать величину H до нуля, то кривая B (H ) уже не следует по прежнему пути, а проходит через точку 3 , обнаруживая как бы «память» материала о «прошлой истории», откуда и название «гистерезис». Очевидно, что при этом сохраняется некоторая остаточная намагниченность (отрезок 1 –3 ). После изменения направления намагничивающего поля на обратное кривая В (Н ) проходит точку 4 , причем отрезок (1 )–(4 ) соответствует коэрцитивной силе, препятствующей размагничиванию. Дальнейший рост значений (- H ) приводит кривую гистерезиса в третий квадрант – участок 4 –5 . Следующее за этим уменьшение величины (- H ) до нуля и затем возрастание положительных значений H приведет к замыканию петли гистерезиса через точки 6 , 7 и 2 .
Магнитно-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса, охватывающей значительную площадь на диаграмме и потому соответствующей большим значениям остаточной намагниченности (магнитной индукции) и коэрцитивной силы. Узкая петля гистерезиса (рис. 3) характерна для магнитно-мягких материалов – таких, как мягкая сталь и специальные сплавы с большой магнитной проницаемостью. Такие сплавы и были созданы с целью снижения обусловленных гистерезисом энергетических потерь. Большинство подобных специальных сплавов, как и ферриты, обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.
Магнитные материалы с высокой проницаемостью изготовляются путем отжига, осуществляемого выдерживанием при температуре около 1000° С, с последующим отпуском (постепенным охлаждением) до комнатной температуры. При этом очень существенны предварительная механическая и термическая обработка, а также отсутствие в образце примесей. Для сердечников трансформаторов в начале 20 в. были разработаны кремнистые стали, величина m которых возрастала с увеличением содержания кремния. Между 1915 и 1920 появились пермаллои (сплавы Ni с Fe) с характерной для них узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса. Особенно высокими значениями магнитной проницаемости m при малых значениях H отличаются сплавы гиперник (50% Ni, 50% Fe) и му-металл (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тогда как в перминваре (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практически постоянна в широких пределах изменения напряженности поля. Среди современных магнитных материалов следует упомянуть супермаллой – сплав с наивысшей магнитной проницаемостью (в его состав входит 79% Ni, 15% Fe и 5% Mo).
Теории магнетизма.
Впервые догадка о том, что магнитные явления в конечном счете сводятся к электрическим, возникла у Ампера в 1825, когда он высказал идею замкнутых внутренних микротоков, циркулирующих в каждом атоме магнита. Однако без какого-либо опытного подтверждения наличия в веществе таких токов (электрон был открыт Дж.Томсоном лишь в 1897, а описание структуры атома было дано Резерфордом и Бором в 1913) эта теория «увяла». В 1852 В.Вебер высказал предположение, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнит, или магнитный диполь, так что полная намагниченность вещества достигается, когда все отдельные атомные магниты оказываются выстроенными в определенном порядке (рис. 4,б ). Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение вопреки возмущающему влиянию тепловых колебаний этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное «трение». Его теория смогла объяснить намагничивание тел при соприкосновении с магнитом, а также их размагничивание при ударе или нагреве; наконец, объяснялось и «размножение» магнитов при разрезании намагниченной иглы или магнитного стержня на части. И все же эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явлений насыщения и гистерезиса. Теория Вебера была усовершенствована в 1890 Дж.Эвингом, заменившим его гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые составляют постоянный магнит.
Подход к проблеме, предложенный когда-то Ампером, получил вторую жизнь в 1905, когда П.Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Кроме того, Ланжевен ввел понятие магнитного момента, равного для отдельного атомного магнита произведению «магнитного заряда» полюса на расстояние между полюсами. Таким образом, слабый магнетизм парамагнитных материалов обусловлен суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами.
В 1907 П.Вейс ввел понятие «домена», ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Вейс представлял домены в виде небольших «колоний» атомов, в пределах которых магнитные моменты всех атомов в силу каких-то причин вынуждены сохранять одинаковую ориентацию, так что каждый домен намагничен до насыщения. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм и соответственно объем порядка 10 –6 мм 3 . Домены разделены так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. «Стенка» и два противоположно ориентированных домена схематически изображены на рис. 5. Такие стенки представляют собой «переходные слои», в которых происходит изменение направления намагниченности доменов.
В общем случае на кривой первоначального намагничивания можно выделить три участка (рис. 6). На начальном участке стенка под действием внешнего поля движется сквозь толщу вещества, пока не встретит дефект кристаллической решетки, который ее останавливает. Увеличив напряженность поля, можно заставить стенку двигаться дальше, через средний участок между штриховыми линиями. Если после этого напряженность поля вновь уменьшить до нуля, то стенки уже не вернутся в исходное положение, так что образец останется частично намагниченным. Этим объясняется гистерезис магнита. На конечном участке кривой процесс завершается насыщением намагниченности образца за счет упорядочения намагниченности внутри последних неупорядоченных доменов. Такой процесс почти полностью обратим. Магнитную твердость проявляют те материалы, у которых атомная решетка содержит много дефектов, препятствующих движению междоменных стенок. Этого можно достичь механической и термической обработкой, например путем сжатия и последующего спекания порошкообразного материала. В сплавах алнико и их аналогах тот же результат достигается путем сплавления металлов в сложную структуру.
Кроме парамагнитных и ферромагнитных материалов, существуют материалы с так называемыми антиферромагнитными и ферримагнитными свойствами. Различие между этими видами магнетизма поясняется на рис. 7. Исходя из представления о доменах, парамагнетизм можно рассматривать как явление, обусловленное наличием в материале небольших групп магнитных диполей, в которых отдельные диполи очень слабо взаимодействуют друг с другом (или вообще не взаимодействуют) и потому в отсутствие внешнего поля принимают лишь случайные ориентации (рис. 7,а ). В ферромагнитных же материалах в пределах каждого домена существует сильное взаимодействие между отдельными диполями, приводящее к их упорядоченному параллельному выстраиванию (рис. 7,б ). В антиферромагнитных материалах, напротив, взаимодействие между отдельными диполями приводит к их антипараллельному упорядоченному выстраиванию, так что полный магнитный момент каждого домена равен нулю (рис. 7,в ). Наконец, в ферримагнитных материалах (например, ферритах) имеется как параллельное, так и антипараллельное упорядочение (рис. 7,г ), итогом чего оказывается слабый магнетизм.
Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. Первое из них – так называемый эффект Баркгаузена, второе – метод порошковых фигур. В 1919 Г.Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. С точки зрения доменной теории это не что иное, как скачкообразное продвижение междоменной стенки, встречающей на своем пути отдельные задерживающие ее дефекты. Данный эффект обычно обнаруживается с помощью катушки, в которую помещается ферромагнитный стерженек или проволока. Если поочередно подносить к образцу и удалять от него сильный магнит, образец будет намагничиваться и перемагничиваться. Скачкообразные изменения намагниченности образца изменяют магнитный поток через катушку, и в ней возбуждается индукционный ток. Напряжение, возникающее при этом в катушке, усиливается и подается на вход пары акустических наушников. Щелчки, воспринимаемые через наушники, свидетельствует о скачкообразном изменении намагниченности.
Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (обычно Fe 3 O 4). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля – на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Был предложен также метод, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал.
Первоначальная теория магнетизма Вейса в своих основных чертах сохранила свое значение до настоящего времени, получив, однако, обновленную интерпретацию на основе представления о нескомпенсированных электронных спинах как факторе, определяющем атомный магнетизм. Гипотеза о существовании собственного момента у электрона была выдвинута в 1926 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком, и в настоящее время в качестве «элементарных магнитов» рассматриваются именно электроны как носители спина.
Для пояснения этой концепции рассмотрим (рис. 8) свободный атом железа – типичного ферромагнитного материала. Две его оболочки (K и L ), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй – восемь электронов. В K -оболочке спин одного из электронов положителен, а другого – отрицателен. В L -оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех – отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент равен нулю. В M -оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направленные в одну сторону, и лишь шестой – в другую. В результате остаются четыре нескомпенсированных спина, чем и обусловлены магнитные свойства атома железа. (Во внешней N -оболочке всего два валентных электрона, которые не дают вклада в магнетизм атома железа.) Сходным образом объясняется магнетизм и других ферромагнетиков, например никеля и кобальта. Поскольку соседние атомы в образце железа сильно взаимодействуют друг с другом, причем их электроны частично коллективизируются, такое объяснение следует рассматривать лишь как наглядную, но весьма упрощенную схему реальной ситуации.
Теорию атомного магнетизма, основанную на учете спина электрона, подкрепляют два интересных гиромагнитных эксперимента, один из которых был проведен А.Эйнштейном и В.де Гаазом, а другой – С.Барнеттом. В первом из этих экспериментов цилиндрик из ферромагнитного материала подвешивался так, как показано на рис. 9. Если по проводу обмотки пропустить ток, то цилиндрик поворачивается вокруг своей оси. При изменении направления тока (а следовательно, и магнитного поля) он поворачивается в обратном направлении. В обоих случаях вращение цилиндрика обусловлено упорядочением электронных спинов. В эксперименте Барнетта, наоборот, так же подвешенный цилиндрик, резко приведенный в состояние вращения, в отсутствие магнитного поля намагничивается. Этот эффект объясняется тем, что при вращении магнетика создается гироскопический момент, стремящийся повернуть спиновые моменты по направлению собственной оси вращения.
За более полным объяснением природы и происхождения короткодействующих сил, упорядочивающих соседние атомные магнитики и противодействующих разупорядочивающему влиянию теплового движения, следует обратиться к квантовой механике. Квантово-механическое объяснение природы этих сил было предложено в 1928 В.Гейзенбергом, который постулировал существование обменных взаимодействий между соседними атомами. Позднее Г.Бете и Дж.Слэтер показали, что обменные силы существенно возрастают с уменьшением расстояния между атомами, но по достижении некоторого минимального межатомного расстояния падают до нуля.
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
Одно из первых обширных и систематических исследований магнитных свойств вещества было предпринято П.Кюри. Он установил, что по своим магнитным свойствам все вещества можно разделить на три класса. К первому относятся вещества с резко выраженными магнитными свойствами, подобными свойствам железа. Такие вещества называются ферромагнитными; их магнитное поле заметно на значительных расстояниях (см . выше ). Во второй класс попадают вещества, называемые парамагнитными; магнитные свойства их в общем аналогичны свойствам ферромагнитных материалов, но гораздо слабее. Например, сила притяжения к полюсам мощного электромагнита может вырвать из ваших рук железный молоток, а чтобы обнаружить притяжение парамагнитного вещества к тому же магниту, нужны, как правило, очень чувствительные аналитические весы. К последнему, третьему классу относятся так называемые диамагнитные вещества. Они отталкиваются электромагнитом, т.е. сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферро- и парамагнетики.
Измерение магнитных свойств.
При изучении магнитных свойств наиболее важное значение имеют измерения двух типов. Первый из них –измерения силы, действующей на образец вблизи магнита; так определяется намагниченность образца. Ко второму относятся измерения «резонансных» частот, связанных с намагничением вещества. Атомы представляют собой крошечные «гироскопы» и в магнитном поле прецессируют (как обычный волчок под влиянием вращающего момента, создаваемого силой тяжести) с частотой, которая может быть измерена. Кроме того, на свободные заряженные частицы, движущиеся под прямым углом к линиям магнитной индукции, действует сила, как и на электронный ток в проводнике. Она заставляет частицу двигаться по круговой орбите, радиус которой дается выражением
R = mv /eB ,
где m – масса частицы, v – ее скорость, e – ее заряд, а B – магнитная индукция поля. Частота такого кругового движения равна
где f измеряется в герцах, e – в кулонах, m – в килограммах, B – в теслах. Эта частота характеризует движение заряженных частиц в веществе, находящемся в магнитном поле. Оба типа движений (прецессию и движение по круговым орбитам) можно возбудить переменными полями с резонансными частотами, равными «естественным» частотам, характерным для данного материала. В первом случае резонанс называется магнитным, а во втором – циклотронным (ввиду сходства с циклическим движением субатомной частицы в циклотроне).
Говоря о магнитных свойствах атомов, необходимо особо остановиться на их моменте импульса. Магнитное поле действует на вращающийся атомный диполь, стремясь повернуть его и установить параллельно полю. Вместо этого атом начинает прецессировать вокруг направления поля (рис. 10) с частотой, зависящей от дипольного момента и напряженности приложенного поля.
Прецессия атомов не поддается непосредственному наблюдению, поскольку все атомы образца прецессируют в разной фазе. Если же приложить небольшое переменное поле, направленное перпендикулярно постоянному упорядочивающему полю, то между прецессирующими атомами устанавливается определенное фазовое соотношение и их суммарный магнитный момент начинает прецессировать с частотой, равной частоте прецессии отдельных магнитных моментов. Важное значение имеет угловая скорость прецессии. Как правило, это величина порядка 10 10 Гц/Тл для намагниченности, связанной с электронами, и порядка 10 7 Гц/Тл для намагниченности, связанной с положительными зарядами в ядрах атомов.
Принципиальная схема установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представлена на рис. 11. В однородное постоянное поле между полюсами вводится изучаемое вещество. Если затем с помощью небольшой катушки, охватывающей пробирку, возбудить радиочастотное поле, то можно добиться резонанса на определенной частоте, равной частоте прецессии всех ядерных «гироскопов» образца. Измерения сходны с настройкой радиоприемника на частоту определенной станции.
Методы магнитного резонанса позволяют исследовать не только магнитные свойства конкретных атомов и ядер, но и свойства их окружения. Дело в том, что магнитные поля в твердых телах и молекулах неоднородны, поскольку искажены атомными зарядами, и детали хода экспериментальной резонансной кривой определяются локальным полем в области расположения прецессирующего ядра. Это и дает возможность изучать особенности структуры конкретного образца резонансными методами.
Расчет магнитных свойств.
Магнитная индукция поля Земли составляет 0,5Ч 10 –4 Тл, тогда как поле между полюсами сильного электромагнита – порядка 2 Тл и более.
Магнитное поле, создаваемое какой-либо конфигурацией токов, можно вычислить, пользуясь формулой Био – Савара – Лапласа для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока. Расчет поля, создаваемого контурами разной формы и цилиндрическими катушками, во многих случаях весьма сложен. Ниже приводятся формулы для ряда простых случаев. Магнитная индукция (в теслах) поля, создаваемого длинным прямым проводом с током I
Поле намагниченного железного стержня сходно с внешним полем длинного соленоида с числом ампер-витков на единицу длины, соответствующим току в атомах на поверхности намагниченного стержня, поскольку токи внутри стержня взаимно компенсируются (рис. 12). По имени Ампера такой поверхностный ток называется амперовским. Напряженность магнитного поля H a , создаваемая амперовским током, равна магнитному моменту единицы объема стержня M .
Если в соленоид вставлен железный стержень, то кроме того, что ток соленоида создает магнитное поле H , упорядочение атомных диполей в намагниченном материале стержня создает намагниченность M . В этом случае полный магнитный поток определяется суммой реального и амперовского токов, так что B = m 0(H + H a ), или B = m 0(H + M ). Отношение M /H называется магнитной восприимчивостью и обозначается греческой буквой c ; c – безразмерная величина, характеризующая способность материала намагничиваться в магнитном поле.
Величина B /H , характеризующая магнитные свойства материала, называется магнитной проницаемостью и обозначается через m a , причем m a = m 0m , где m a – абсолютная, а m – относительная проницаемости,
В ферромагнитных веществах величина c может иметь очень большие значения –до 10 4 ё 10 6 . Величина c у парамагнитных материалов немного больше нуля, а у диамагнитных – немного меньше. Лишь в вакууме и в очень слабых полях величины c и m постоянны и не зависят от внешнего поля. Зависимость индукции B от H обычно нелинейна, а ее графики, т.н. кривые намагничивания, для разных материалов и даже при разных температурах могут существенно различаться (примеры таких кривых приведены на рис. 2 и 3).
Магнитные свойства вещества весьма сложны, и для их глубокого понимания необходим тщательный анализ строения атомов, их взаимодействий в молекулах, их столкновений в газах и их взаимного влияния в твердых телах и жидкостях; магнитные свойства жидкостей пока наименее изучены.
Полюса магнита (притяжение и отталкивание между полюсами магнита)
Magnetic poles (attraction and detraction between magnetic poles)
Одноименные полюса магнита отталкиваются, разноименные притягиваются. В этом легко убедиться, если взять два магнита и попробовать сблизить их разными сторонами. На первый взгляд, благодаря свойству одноименных магнитных полюсов отталкиваться, можно сделать опыт по магнитной левитации: когда один магнит будет висеть в воздухе над другим магнитом (за счет того, что отталкивание между магнитами компенсирует притяжение верхнего магнита Землей).
Магнитная левитация - хорошо известный опыт. Многие видели (хотя бы на фото), как кусочек сверхпроводника зависает над магнитом. Или каплю воды и даже лягушку, которые зависли между полюсами мощного магнита.
Сверхпроводник - диамагнетик (равно, как и вода или лягушка). С двумя постоянными магнитами (т.е. с ферромагнетиками) такой фокус, увы, не получится. Магниты, либо оттолкнутся и выйдут из сферы взаимодействия, либо повернутся противоположными полюсами и притянутся друг к другу. Устойчивое равновесие тут невозможно. Приведу цитату из книги Нурбей Владимирович Гулиа - Удивительная физика: О чем умолчали учебники ; раздел Летает ли гроб Магомета? :
"...в 1842 г. профессор С. Ирншоу в "Записках Кембриджского университета" опубликовал статью "Природа молекулярных сил", где доказал, что ферромагнитное тело, расположенное в поле постоянных магнитов, не может находиться в состоянии устойчивого равновесия. То есть Ирншоу сделал с помощью математики то, что Гильберт выразил словами, - наложил запрет на свободное парение магнитов и металлов, притягиваемых ими. И никакой комбинацией магнитов и железных кусков невозможно подвесить ни те, ни другие так, чтобы они не касались никаких других тел."
Другими словами, чтобы наблюдать магнитную левитацию с участием только ферромагнетиков, нужен контакт одного из них с другими телами. Например, один из ферромагнетиков можно привязать за нитку. Разумеется, это не будет настоящей левитацией, хотя выглядеть может эффектно.
Мне попались под руку два магнита, которые имели форму шайб с дырками в центре. Диаметр отверстий был такой, что магниты свободно надевались на стеклянную палочку. Расположил палочку вертикально. Вокруг нижней части палочки обмотал скотч - чтобы нижний магнит не проваливался и не слетал вниз. Надел магниты на палочку. Если магниты соприкасались одноименными полюсами, верхний магнит отталкивался вверх и "зависал" на палочке. Разумеется, это не была полноценная левитация, т.к. если бы не палочка, магниты бы развернулись друг к другу противоположными полюсами и слиплись. Чтобы продемонстрировать это, нужно снять верхний магнит, перевернуть и снова надеть на палочку. Магниты притянутся.
Разноимённые полюса
Я ходил по огромному супермаркету, кидая в тележку первое, что попадалось под руку. Я старался не думать для чего мне эти ножи, средство для чистки ковра и дешевые часы с блестящими стразами. Набор товаров должен быть максимально случаен. Как и выбор кассы в конце торгового зала.
Девушка-кассир приветливо улыбнулась дежурной улыбкой, заученно осведомилась о количестве требуемых пакетов и принялась четкими движениями робота-манипулятора снимать показания штрихкодов. Сканер работал безупречно. Пакеты не рвались. И даже товар не падал с конвейерной ленты. Но надежда еще оставалась, когда я дрожащими от волнения пальцами вбивал в клавиатуру пинкод банковской карты…. Ну!!! Нет. Все в порядке. «Ваш чек». И все та же лучезарная улыбка.
Я оставил «Порше» далеко от входа. В самом углу стоянки. Идущий по пятам сотрудник супермаркета подтачивал мои больные нервы сильнее холодного ветра. «Интересно, я и вправду похож на человека, ворующего тележки?» Пока эта мысль вызывала улыбку, но все же тревожила. Хотелось кричать: « Не дождетесь!» Но я только прибавлял шаг, стараясь сбежать от назойливого преследователя.
«Порш» выделялся горделиво-ярким пятном, среди стоящего рядом серого автожелеза. Он знал себе цену и умел рассказать об этом всем окружающим. Тем, кому никогда не сесть в такую машину. Тем, кому никогда не испытать мощь ее двигателя, не почувствовать теплую роскошь кожи салона. Она слишком дорога для них. Как и для меня теперь.
Я сидел за рулем, но не трогался с места, выжидая положенные десять минут. Теперь в этом не было никакой необходимости. Эксперимент с магазином, да и чистая крыша спорткара, намеренно оставленного под вороньими гнездами, подтвердили мои худшие подозрения. Я стал таким же, как все. Я сдаюсь…. Но ведь привычка- вторая натура. Избавиться от нее будет трудно. Очень трудно.
Вначале придется продать машину. Потом - квартиру в высотке. Потом…. Только спустя много лет все случившееся со мной забудется настолько, что покажется сказкой. Странным вымыслом, о котором и рассказать-то нельзя – засмеют. И только потрепанный дневник будет напоминать мне о том, что это все-таки было.
12 февраля 1996 года.
Я долго не писал, потому что не мог – не левша все-таки. А гипс мне сняли только вчера. За этот месяц ничего особенного не случилось. Если не считать того, что меня чуть не уволили. Но все по порядку. Утром 5-го января я спешил на работу, и встал раньше дворника. Было так скользко, что я упал прямо рядом с подъездом. Мне еще повезло: я ударился только рукой, да и скорая приехала всего через час. В травмпункте знакомая медсестра пропустила вне очереди. Да и врач был на месте и даже не пьян. Правда, пленка в рентгене оказалась бракованной. Так что снимок мне сделали только с третьего раза. Перелом со смещением. Хорошо, что закрытый.
Пока я лежал на больничном, лабораторию нашу сократили. Полностью ликвидировать не стали только потому, что директор – родственник Ивана Петровича (ну да, того самого). Оставили только его и профессора Николаева. Старик был нужен для наукообразности и видимости полезного дела. Остальных отправили по другим отделам, насчет которых не поступало указаний сверху. Ну а меня собрались уволить. Как отсутствующего и крайнего.
Может мне еще что-нибудь сломать?
19 февраля 1996г.
Первый, после больничного, рабочий день прошел отлично. Директор лаборатории отправил себя в отпуск. Так что еще месяц меня никто не уволит. И не будет нам с профессором мешать в шашки играть и про жизнь разговаривать. Старик – человек хороший и интересный. Эх, подольше бы шеф свои нервишки в профилактории лечил!
26 февраля 1996г.
По дороге на работу, перелезая через грязный сугроб, оставленный дорожниками у тротуара, я споткнулся, упал и разбил очки. К счастью, ничего больше не пострадало. Но самое обидное то, что минут через пять этот сугроб поглотила снегоуборочная машина!
Профессор, совсем не удивившийся моему потрепанному виду, налил мне стакан портвейна и стал с интересом и сочувствием слушать о моем очередном приключении. Так уж повелось в нашей лаборатории – я падаю, а он – слушает.
29 февраля 1996г.
Сегодня старик встретил меня слегка возбужденным. С видимым нетерпением он ждал, пока я разденусь и усядусь за своим столом. Все это время он ходил по лаборатории, заложив руки за спину и нервно подергивая головой в такт шагам. Казалось, он сам себе поддакивает: «Да-да! Именно так!» Я был заинтригован. Не часто приходилось видеть профессора в таком напряжении. Даже для него это было слишком. Наконец, он не выдержал: «Да слушай, ты, в конце концов!»
Следующие полчаса окончательно вылетели из канвы привычного и нормального. Оказалось, профессор много месяцев записывал самое, как ему казалось, важное из моих ежедневных рассказов. Систематизировал, от нечего делать. Анализировал, для того, чтобы стряхнуть мох со старых извилин. Искал логику. И вот вчера его осенило. Наверное, давление на улице менялось. Он не поленился остаться в лаборатории на ночь, чтобы на графопостроителе (так вот они зачем, оказывается, эти ящики тяжелые!) нарисовать диаграммы моей жизни!
Видимо, нотки недоверия были слишком явно слышны в словах, которыми я оценивал сей титанический труд, потому что профессор то и дело переходил на крик, бил кулаком себя в грудь и добавлял: «Да чтоб мне провалиться, если я не прав!»
Наконец, он схватил тяжелый подковообразный магнит и угрожающе поднял его над головой: «Смотри и слушай внимательно!» Такой довод показался мне убедительным, и я заткнулся. Профессор поднял над головой второй магнит, на этот раз стержневой, и свел вместе эти два наглядных пособия разноименными полюсами. Они, естественно, прилипли друг к другу. Но я счел небезопасным аплодировать этому успешному опыту. Старик, с трудом раздвинув магниты, пояснил: «Вот это – ты!» он сунул мне под нос подкову. «А это – неприятности!» - он показал мне и другой магнит. «Вы притягиваетесь!» Эта истина меня не порадовала, но и не удивила. Я и сам давно подозревал это. Без диаграмм и даже без магнитов: «Это все? Может, тогда мы лучше в шашки поиграем?»
Но старик был непреклонен: «Смотри дальше!» Он повторил тот же опыт, только на этот раз, сместив плоский магнит относительно подковообразного сантиметров на десять. Теперь они соприкасались только синими полюсами и, естественно, отталкивались. Профессор предложил мне убедиться в этом самому, и я побоялся отказаться. Но сути так и не понял.
А все оказалось очень просто. Когда Николаев все-таки смог спуститься на землю с небес своего гения, он легко и доходчиво объяснил мне суть этой странной теории. По его мнению, я был уникальным человеком. Неприятности, подстерегавшие меня с завидным постоянством, были привязаны ко мне определенными временными интервалами. Чтобы их избежать, надо всего лишь сместить свою жизнь немного назад. Минут на десять, судя по его расчетам. Или, говоря еще проще, как только собрался что-то сделать, остановись, подожди положенные минуты, и – вперед! Неприятность-то уже позади!
При всем безумии этого предположения, в нем что-то было. И я решил попробовать.
6 марта 1996г.
Опять все хорошо. За эти дни я не разбил ни одной чашки. Меня ни разу не обдала грязью проезжающая мимо машина. На меня даже перестал лаять соседский пудель!
12 марта1996г.
Метод работает. Теперь я точно в этом уверен. И доказательство – мои несчастья. Они никуда не делись. Они все так же происходят. Но не со мной. Они идут впереди меня на положенные десять минут и случаются с кем-то другим. Тем, кто оказался в том месте, где должен быть я.
19 марта 1996г.
Я привез профессору ящик его любимого портвейна. Потратил последнюю заначку. В холодильнике пусто, а до зарплаты еще неделя. Но поступить иначе не мог: сегодня меня должна была сбить машина.
26 марта 1996г.
То, что случилось за эту неделю, трудно описать в двух словах. Но я попробую изложить главное: место неприятностей в моей жизни заняло везение! Я замечал это и раньше, с самого начала эксперимента. Но боялся спугнуть или сглазить, сам себе признавшись в этом. Но после своего второго рождения я настолько поверил в гений профессора, что пошел еще дальше в проверке его теории. Я начал играть. По мелочи: лотереи, автоматы. Выигрывал немного. Но зато – всегда!
А вчера я сходил в казино. И хоть в рулетку толком играть не умею, всегда знал, на что ставить. Через час игры, когда ставки стали уже неприлично большими, я понял по взглядам охраны, что уйти будет трудно. Но совсем не испугался. Не спеша обналичил выигрыш. Подождал десять минут и пошел к выходу. Охране в этот момент было не до меня: они дружно тушили замкнувшую в кассе электропроводку.
12 апреля 1996г.
Наконец-то подписали моё заявление об уходе. Теперь мне не надо каждый день ездить на другой конец города в эту дурацкую лабораторию.
27 апреля 1997г.
Купил квартиру в высотке после недельной поездки в Монтекарло. Ну и на жизнь, конечно, немного оставил, чтобы не шастать по дешевым московским игровым забегаловкам. Слава Богу, у нас свободная страна. И никто пока не спрашивает, на какие деньги ты живешь.
8 сентября 1998г.
Не понимаю я тех, кто пострадал от дефолта. Это же какими надо быть кретинами, чтобы не успеть перевести рубли в валюту!
18 марта 2000г.
Поставить-то поставили…. А как же его теперь мыть? Надо будет следить за прислугой, чтобы кусочек не отпилили!
*****************
6 ноября 2008г.
И зачем я летом купил акций «Газпрома» по 300 рублей, да еще с маржиналкой?! Да, и куда подевался этот чертов профессор?!
12 декабря 2008г.
Банки требуют возврата кредитов. Грозятся судом и приставами. А профессора нет! Он затеял этот эксперимент и бросил меня одного! Сбежал! Умер, зараза!!! А я так на него надеялся….
12января 2009г.
Сегодня я буду делать то, что хочу, стараясь не выжидать положенных 10-ти минут. У меня еще остается надежда, что я не стал таким же, как все. Что мое невезение по-прежнему со мной.
Пусть бьётся посуда, рвётся одежда и лопаются колёса! Я буду ждать этого с нетерпением. Только бы оказалось, что всего лишь сбился прицел. Изменился интервал между « + » и « - ». И если это так, я найду свою фортуну. Сколько бы времени и сил мне на это не потребовалось.
**************
**************
Наконец, «Порш» покинул стоянку. Охранник, все это время стоявший рядом почти по стойке смирно, ожил и повез тележку к стеклянным дверям супермаркета. И успел как раз вовремя, чтобы застать немую сцену, участниками которой были продавцы, кассиры, покупатели и старушка, выигравшая сто тысяч рублей, как миллионный посетитель магазина.
