Как работает магнит. Поисковый магнит на золото и серебро и его свойства Почему магнит
Ученые узнали, почему магнит притягивает не все
МОСКВА, 11 февраля. Ученые задались вопросом: по какой причине магнит притягивает не все предметы? Оказывается, что некоторые металлы, среди которых железо и никель, сильно притягиваются магнитом, в силу своего строения, а все остальные металлы и другие вещества тоже притягиваются, но с гораздо меньшей силой, пишет Science.YoRead.ru .
На знаменитой фотографии лягушки, зависшей в воздухе, показано, как влияет сила магнитного поля на предметы и живые существа. Лягушка смогла повиснуть в воздухе, вследствие того, что магнитное поле превышало в сто тысяч раз земное магнитное поле. Популярность данному снимку принес ученый, получивший за фотографию парящей лягушки Шнобелевскую премию.
После эксперимента с лягушкой стало ясно, что магнит способен притягивать все, но почему сильнее всего он притягивает железо? Ответ на данный вопрос заключается в необычной связи атомов железа, которая в отличие от других веществ, является скоординированной. Это означает, что атомы железа, которые притягивает магнит, способны заставить все близстоящие атомы притягиваться к магниту, значительно увеличивая площадь, а соответственно - и силу притяжения.
Ранее исследователи из Института технологий американского штата Джорджия заявили об обнаружении двух ранее неизвестных свойств золота, которые драгоценный металл проявляет на микроскопическом уровне. В масштабе ньютоновской физики — эти свойства отсутствуют.
Ученые обнаружили, что под воздействием электрического поля, тончайший слой золота способен менять свою молекулярную структуру с трехмерной до плоской. После того как поле отключается, структура вновь становилась трехмерной.
Также обнаружено, что в случае воздействия электрического поля на охлажденную поверхность с золотым напылением, нанокластеры драгоценного металла способны проводить каталитическое окисление, преобразовывая оксид углерода СО в углекислый газ СО2.
Когда магнит притягивает к себе металлические предметы, это кажется волшебством, но в действительности «волшебные» свойства магнитов связаны всего лишь с особой организацией их электронной структуры. Поскольку электрон, вращающийся вокруг атома, создает магнитное поле, все атомы являются маленькими магнитами; однако в большинстве веществ неупорядоченные магнитные эффекты атомов уравновешивают друг друга.
По иному дело обстоит в магнитах, атомные магнитные поля которых выстраиваются в упорядоченные области, называющиеся доменами. Каждая такая область имеет северный и южный полюс. Направление и интенсивность магнитного поля характеризуется так называемыми силовыми линиями {на рисунке показаны зеленым цветом), которые выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Чем гуще силовые линии, тем концентрированнее магнетизм. Северный полюс одного магнита притягивает южный полюс другого, в то время как два одноименных полюса отталкивают друг друга. Магниты притягивают только определенные металлы, главным образом железо, никель и кобальт, называющиеся ферромагнетиками. Хотя ферромагнетики и не являются естественными магнитами, их атомы перестраиваются в присутствии магнита таким образом, что у ферромагнитных тел появляются магнитные полюса.
Магнитная цепочка
Касание конца магнита к металлическим скрепкам приводит к возникновению у каждой скрепки северного и южного полюса. Эти полюса ориентируются в том же направлении, что и у магнита. Каждая скрепка стала магнитом.
Бесчисленные маленькие магнитики
Некоторые металлы имеют кристаллическую структуру, образованную атомами, сгруппированными в магнитные домены. Магнитные полюса доменов обычно имеют различное направление (красные стрелки) и не оказывают суммарного магнитного воздействия.
Образование постоянного магнита
- Обычно магнитные домены железа ориентированы бессистемно (розовые стрелки), и естественный магнетизм металла не проявляется.
- Если к железу приблизить магнит (розовый брусок), магнитные домены железа начинают выстраиваться вдоль магнитного поля (зеленые линии).
- Большинство магнитных доменов железа быстро выстраивается вдоль силовых линий магнитного поля. В результате железо само становится постоянным магнитом.
Любая движущаяся заряженная частица создает магнитное поле. Если таких частиц много и движутся они вокруг одной и той же оси, то получается магнит.
Если вы соберетесь спросить знакомого нобелевского лауреата по физике , как работает магнит, старайтесь четче формулировать свой вопрос, иначе вы сильно рискуете , я вас предупредил.
Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Электроны могут вращаться по разным орбитам, которые называют электронными уровнями. На каждом электронном уровне может находиться по два электрона, которые вращаются в разных направлениях.
Но у некоторых веществ не все электроны парные, и несколько электронов крутятся в одном и том же направлении, такие вещества называются ферромагнетиками . А поскольку электрон - как раз заряженная частица, вращающиеся вокруг атома в одну и ту же сторону электроны создают магнитное поле. Получается миниатюрный электромагнит.
Если атомы вещества расположены в произвольном порядке, как чаще всего и бывает, поля этих наномагнитов компенсируют друг друга. Но если эти магнитные поля направить в одну и ту же сторону, то они сложатся - и получится магнит.
Почему не все монеты магнитятся?
Если смешать машинное масло и тонер для лазерного принтера можно получить феррофлюид - жидкость, которая притягивается магнитом.
Как раз ферромагнетики лучше всего и притягиваются магнитом, потому что в них есть непарные вращающиеся электроны. На движущиеся заряды в магнитном поле дейтвует сила Лоренца , поэтому магнит и притягивает другие ферромагнетики.
Но не у всех металлов в атомах есть непарные электроны, сила Лоренца действует на парные электроны в противоположные стороны, поэтому они не притягиваются магнитами. Например, современные монеты 10 копеек, 50 копеек и 10 рублей магнитятся, а один, два и пять рублей не магнитятся, потому что сделаны из сплавов меди, которая не является ферромагнетиком.
Отталкивающие свойства магнитов и их применение в технике
Магниты и магнитные свойства вещества.
Простейшие проявления магнетизма известны очень давно, и знакомы большинству из нас. Существуют магниты двух разных видов. Одни – так называемые постоянные магниты, изготовляемые из «магнитно-твердых» материалов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитно-мягкого» железа.
Наиболее вероятно, что слово «магнит » произошло от названия древнего города Магнезия в Малой Азии, где находились большие залежи этого минерала
Магнитные полюса и магнитное поле.
Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок не намагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний – одноименным.
С помощью крутильных весов учёный Кулон исследовал взаимодействие двух длинных и тонких магнитов. Кулон показал, что можно характеризовать каждый полюс определенным «количеством магнетизма», или «магнитным зарядом», причем закон взаимодействия магнитных полюсов такой же, как закон взаимодействия электрических зарядов: два одноименных полюса отталкиваются друг от друга, а два разноименных полюса притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна «магнитным зарядам», сосредоточенным в этих полюсах, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Применение магнитов
Неисчислимы примеры применения магнитных материалов. Постоянные магниты являются очень важной частью многих устройств, применяемых в нашей повседневной жизни. Их можно встретить в головке звукоснимателя, в громкоговорителе, электрогитаре, электрогенераторе автомобиля, в небольших моторчиках магнитофонов, в радиомикрофоне, электросчетчиках и прочих устройствах. Изготовляют даже «магнитные челюсти», т. е. сильно намагниченные стальные челюсти, взаимно отталкивающиеся и вследствие этого не нуждающиеся в креплениях.
Магниты широко применяют и в современной науке. Магнитные материалы нужны для работы в СВЧ-диапазонах, для магнитозаписи и воспроизведения, создания магнитных запоминающих устройств. Магнитострикционные преобразователи позволяют определять глубину моря. Без магнитометров с высокочувствительными магнитными элементами трудно обойтись, если нужно измерить ничтожно слабые магнитные поля, сколь угодно изощренно распределенные в пространстве.
А бывали случаи, когда с магнитами боролись, когда они оказывались вредными. Вот какая история времен Великой Отечественной войны иллюстрирует ответственную работу специалистов по магнетизму в те суровые годы... Возьмем, например, намагничивание корпуса корабля. Такая «спонтанная» намагниченность совсем не безобидна: мало того, что компасы корабля начинают «врать», принимая поле самого судна за поле Земли и неправильно указывая направление, плавающие корабли-магниты могут притягивать железные предметы. Если такие предметы будут связаны с минами, результат притяжения очевиден. Вот почему ученым пришлось вмешаться в проделки Природы и специально размагничивать корабли, что бы они разучились действовать на магнитные мины.
Основное применение магнит находит в электротехнике , радиотехнике, приборостроении , автоматике и телемеханике.
Электромашинные генераторы и электродвигатели - машины вращательного типа, преобразующие либо механическую энергию в электрическую (генераторы), либо электрическую в механическую (двигатели). Действие генераторов основано на принципе электромагнитной индукции: в проводе, движущемся в магнитном поле, наводится электродвижущая сила (ЭДС). Действие электродвигателей основано на том, что на провод с током, помещенный в поперечное магнитное поле, действует сила.
Электромагнитный динамометр может быть выполнен в виде миниатюрного прибора, пригодного для измерений характеристик малогабаритных двигателей.
Магнитные свойства вещества находят широкое применение в науке и технике как средство изучения структуры различных тел. Так возникли науки:
Магнетохимия (магнитохимия) - раздел физической химии, в котором изучается связь между магнитными и химическими свойствами веществ; кроме того, магнитохимия исследует влияние магнитных полей на химические процессы. магнитохимия опирается на современную физику магнитных явлений. Изучение связи между магнитными и химическими свойствами позволяет выяснить особенности химического строения вещества.
Техника сверхвысокочастотного диапазона
Связь. Радиоволны СВЧ-диапазона широко применяются в технике связи. Кроме различных радиосистем военного назначения, во всех странах мира имеются многочисленные коммерческие линии СВЧ-связи. Поскольку такие радиоволны не следуют за кривизной земной поверхности, а распространяются по прямой, эти линии связи, как правило, состоят из ретрансляционных станций, установленных на вершинах холмов или на радиобашнях с интервалами около 50 км.
Термообработка пищевых продуктов. СВЧ-излучение применяется для термообработки пищевых продуктов в домашних условиях и в пищевой промышленности . Энергия, генерируемая мощными электронными лампами, может быть сконцентрирована в малом объеме для высокоэффективной тепловой обработки продуктов в т. н. микроволновых или СВЧ-печах, отличающихся чистотой, бесшумностью и компактностью. Такие устройства применяются на самолетных бортовых кухнях, в железнодорожных вагонах-ресторанах и торговых автоматах, где требуются быстрые подготовка продуктов и приготовление блюд. Промышленность выпускает также СВЧ-печи бытового назначения.
С помощью магнита пытались лечить (и не безуспешно) нервные болезни, зубную боль, бессонницу , боли в печени и в желудке - сотни болезней.
Во второй половине XX века широко распространились магнитные браслеты, благотворно влияющие на больных с нарушением кровяного давления (гипертония и гипотония).
Один «исследователь » - башмачных дел мастер Спенс из шотландского городка Линлитгоу, живший на рубеже XVIII и XIX вв., утверждал, что обнаружил некое черное вещество, нейтрализующее притягивающую и отталкивающую силу магнита. По его словам, с помощью этого загадочного вещества и двух постоянных магнитов он якобы легко мог поддерживать непрерывное движение двух перпетуум мобиле собственного изготовления. Эти сведения мы приводим сегодня в качестве типичного примера наивных представлений и простодушных верований, от которых наука с трудом избавлялась даже в более поздние времена. Можно было бы предположить, что у современников Спенса не возникнет и тени сомнения по поводу бессмысленности фантазий честолюбивого башмачника. Тем не менее один шотландский физик посчитал необходимым упомянуть об этом случае в своем письме, опубликованном в журнале «Анналы химии » в 1818 г., где он пишет:
«... господин Плейфер и капитан Кейтер осмотрели обе эти машины и выразили удовлетворение тем, что проблема вечного движения наконец решена».
Таким образом, получается, что свойства магнитов широко применяются во многих вещах, и являются довольно полезными для всего человчества в целом.
В широком смысле магнит представляет собой элемент, обладающий собственным магнитным полем . Это кусок стали или железной руды с примесями алюминия, кобальта и никеля. В состав магнита входит огромное число компонентов, которые называются доменами, у каждого из которых есть южный и северный полюс. В объединенном состоянии домены образуют единую магнитную массу с множеством сориентированных полюсов. Если домены находятся в беспорядочном состоянии, то они теряют свойство притягивать железо, а их магнитная сила теряется полностью.
Благодаря специфике соединения доменов, каждый магнит имеет два полюса – южный и северный. Если магнит разрезать, то их полярность также сохранится. Всего существует три разновидности магнитов: природные, электромагниты и временные магниты. Природные магниты – это железная руда. Временные – это элементы, которые подвержены влиянию магнитного поля (гвозди, скрепки, гайки, монеты). Электромагниты — это магниты с индукционной катушкой и проводимым через нее электрическим током.
Почему магниты притягивают железо?
Каждый домен магнита представляет собой отдельный маленький магнитик микроскопического размера. При приближении к ним железа, элементы меняют свое положение и выстраиваются в своеобразный ряд. Полюсы при этом направлены в одну сторону, за счет чего создается единство магнитного поля. Элементы железа сразу вступают в контакт с доменами магнита и начинают притягиваться.
Процесс притягивания магнитом железа и других магнитов обусловлен законами физики . Домены магнита, представляющие собой электроды, обладают собственной массой и зарядом. При совпадении зарядов домены начинают передвигаться с небольшой скоростью. Элементы железа в магните и кусок чистого железа без примесей обладают сходствами в своем составе. Такой нюанс становится главной причиной притягивания электродов друг к другу.
Магнит не будет притягивать дерево, пластик или другие неметаллические материалы. Свойством упорядоченного движения и расположения электродов отличаются только сталь и железо. В силу таких факторов, единственными материалами, которые притягивает магнит, становятся сталь и железо.
Отдельный кусок стали или железа можно превратить во временный магнит . Если долго держать соединенными магнит и один из указанных элементов, то электроды в стали иди железе начнут образовывать собственное магнитное поле. Атомы при этом будут увеличивать свой размер. В течение некоторого времени способность магнититься сохранится и кусок стали или железа можно будет использовать в качестве самостоятельного магнита.
