Магнітні поля протягом століть зачаровували науковців і неспеціалістів. Від найдавніших спостережень надгробків, що притягують залізні предмети, до останніх досягнень у галузі магнітних матеріалів і технологій, вивчення магнітних полів призвело до глибшого розуміння фундаментальних законів природи і розвитку незліченних сучасних зручностей.
Ця стаття запрошує вас у подорож наукою про магнітні поля, від їхніх фундаментальних принципів до найсучасніших досліджень, що розширюють межі цієї захоплюючої галузі. Ми розглянемо основи магнетизму, властивості магнітних матеріалів та різні способи генерування магнітних полів і їх практичного застосування. Ми також заглибимося в більш екзотичні сфери магнітних явищ, такі як надпровідність, квантовий магнетизм і пошук нових матеріалів з надзвичайними магнітними властивостями.
Основи магнетизму
Магнетизм - це фундаментальна властивість матерії, яка виникає внаслідок руху електричних зарядів. Найвідомішими прикладами магнетизму є притягання між протилежними полюсами магнітів і відштовхування між подібними полюсами. Магніти - це об'єкти, які мають чистий магнітний момент, що означає, що магнітні моменти атомів або молекул, які входять до їх складу, вирівняні в певному напрямку.
Магнітний момент магніту - це векторна величина, яка має як величину, так і напрямок. Напрямок магнітного моменту зазвичай визначається вектором магнітного моменту, який спрямований від південного полюса до північного полюса магніту. Величина магнітного моменту пропорційна напруженості магнітного поля магніту.
Магнітне поле - це невидиме силове поле, яке оточує намагнічені предмети і магнітні матеріали. Воно відповідає за сили притягання і відштовхування, які відчувають інші магніти або феромагнітні матеріали, що знаходяться поблизу. Напрямок силових ліній магнітного поля можна візуалізувати за допомогою правила правої руки: якщо ви обхопите магніт пальцями в напрямку його магнітного моменту, то великий палець вкаже на напрямок силових ліній поля.
Рівняння магнітного поля
Магнітне поле, що генерується магнітом або струмопровідним дротом, можна математично описати за допомогою закону Біо-Савара, який пов'язує напруженість магнітного поля в точці простору з густиною струму і відстанню від джерела. Закон Біо-Савара можна виразити так:
B = μ0/4π \* ∫ Idle × r/r^3
Де:
* B - напруженість магнітного поля в точці в напрямку одиничного вектора r
* μ0 - проникність вакууму (приблизно 4π × 10^-7 H/m)
* I - густина струму (струм на одиницю площі)
* dl - нескінченно малий елемент струмопровідного дроту
* r - вектор положення від точки, що нас цікавить, до нескінченно малого елемента дроту
Закон Біо-Савара є фундаментальним рівнянням електромагнетизму, і він є основою для розуміння поведінки магнітних полів у різних ситуаціях.
Магнітні матеріали
Магнітні матеріали - це речовини, які можуть намагнічуватися, тобто вони можуть намагнічуватися в присутності зовнішнього магнітного поля і зберігати певний ступінь намагніченості, коли зовнішнє поле зникає. Найпоширенішим типом магнітних матеріалів є феромагнітні матеріали, до яких належать такі метали, як залізо, нікель і кобальт.
Феромагнетизм виникає внаслідок вирівнювання магнітних моментів окремих атомів у матеріалі. У феромагнітних матеріалах магнітні моменти сусідніх атомів мають тенденцію вирівнюватися в одному напрямку, створюючи області рівномірної намагніченості, які називаються доменами. Коли зовнішнє магнітне поле прикладається, домени вирівнюються, щоб мінімізувати енергію, необхідну для підтримання магнітного поля, що призводить до намагнічування матеріалу.
Магнітний гістерезис
Коли феромагнітний матеріал піддається впливу змінного зовнішнього магнітного поля, його намагніченість змінюється за характерною кривою, відомою як петля гістерезису. Петля гістерезису характеризується двома важливими параметрами: намагніченістю насичення (Ms) і залишковою намагніченістю (Mr).
Намагніченість насичення - це максимальна намагніченість, якої може досягти матеріал у присутності сильного зовнішнього магнітного поля. Залишкова намагніченість - це намагніченість, яка залишається в матеріалі після видалення зовнішнього поля. Різниця між Ms і Mr відома як втрати на магнітний гістерезис, які пропорційні площі, охопленій петлею гістерезису.
Інші види магнетизму
Хоча феромагнетизм є найбільш поширеною і звичною формою магнетизму, існують й інші види магнетизму, які виникають за різними механізмами. Деякі з них включають:
* Парамагнетизм: Парамагнетизм - це слабка форма магнетизму, яку проявляють матеріали, що мають неспарені електрони на атомних або молекулярних орбіталях. У присутності зовнішнього магнітного поля неспарені електрони вирівнюються з полем, в результаті чого матеріал стає слабо намагніченим. До поширених парамагнітних матеріалів належать алюміній, кисень і деякі комплекси перехідних металів.
* Діамагнетизм: Діамагнетизм - це ще слабша форма магнетизму, яка певною мірою присутня в усіх матеріалах. Він виникає внаслідок руху електронів на своїх атомних орбітах у присутності зовнішнього магнітного поля. Магнітний момент, що виникає при цьому, протидіє прикладеному полю, в результаті чого матеріал починає слабо відштовхуватися від поля. До поширених діамагнітних матеріалів належать мідь, золото та більшість неметалів.
* Антиферомагнетизм: Антиферомагнетизм - це тип магнетизму, який виникає в матеріалах, де сусідні магнітні моменти вирівнюються в протилежних напрямках, в результаті чого чистий магнітний момент дорівнює нулю. Антиферомагнітні матеріали, як правило, не є магнітно впорядкованими при високих температурах, але можуть зазнавати фазового переходу до впорядкованого стану при нижчих температурах. Прикладами антиферомагнітних матеріалів є оксид марганцю (MnO) та оксид хрому(III) (Cr2O3).
Генерація магнітних полів
Магнітні поля можна генерувати різними способами, залежно від застосування та бажаної сили і напрямку поля. Деякі поширені методи генерації магнітних полів включають в себе наступні:
1. Постійні магніти
Постійні магніти - це матеріали, які мають чистий магнітний момент завдяки своїм внутрішнім магнітним властивостям. Вони можуть бути виготовлені з феромагнітних матеріалів, таких як неодим, самарій або ферит, які намагнічуються в процесі виробництва і зберігають свою намагніченість протягом невизначеного часу. Постійні магніти використовуються в широкому діапазоні застосувань, від простих магнітів, що використовуються для утримання нотаток на холодильнику, до більш складних застосувань, таких як електродвигуни, генератори та динаміки.
2. Електромагніти
Електромагніти - це пристрої, які використовують електричний струм для створення магнітного поля. Вони складаються з котушки дроту (соленоїда), обмотаної навколо феромагнітного осердя, яке може бути виготовлене з таких матеріалів, як залізо або сталь. Коли через соленоїд проходить електричний струм, навколо котушки створюється магнітне поле. Напрямок поля можна змінити, змінивши напрямок струму.
Електромагніти широко застосовуються там, де потрібні регульовані або перемикаються магнітні поля, наприклад, в електродвигунах, соленоїдах, реле і системах магнітної левітації (Maglev).
3. Надпровідні магніти
Надпровідні магніти - це особливий тип електромагнітів, який використовує унікальні властивості надпровідників для створення надзвичайно сильних магнітних полів. Надпровідники - це матеріали, які демонструють нульовий електричний опір і досконалий діамагнетизм нижче критичної температури, відомої як температура надпровідного переходу (Tc). Коли струм проходить через надпровідний контур або котушку (надпровідний електромагніт), магнітне поле, що генерується струмом, витісняється з внутрішньої частини контуру завдяки діамагнітному ефекту. Це явище, відоме як ефект Майснера, призводить до створення дуже сильного магнітного поля навколо надпровідної котушки.
Надпровідні магніти використовуються в різних сферах, де потрібні надзвичайно сильні та стабільні магнітні поля, наприклад, у прискорювачах частинок, таких як Великий адронний колайдер (ВАК), магнітно-резонансних томографах (МРТ) та в дослідженнях енергії термоядерного синтезу.
Застосування магнітних полів
Магнітні поля мають широкий спектр застосування в різних сферах, від повсякденного використання до передових досліджень. Деякі з найпоширеніших застосувань включають
1. Електродвигуни та генератори
Електродвигуни та генератори покладаються на взаємодію між магнітними полями та електричними струмами для перетворення механічної енергії в електричну. В електродвигуні струмопровідна котушка (якір) відчуває крутний момент, коли поміщена в магнітне поле, що змушує її обертатися. Це обертання потім використовується для приведення в рух механічних навантажень, таких як вентилятори, насоси або машини.
У генераторі процес відбувається навпаки. Магніт, що обертається (ротор), розміщений всередині нерухомої котушки (статора), індукує змінний струм у котушці, коли магнітне поле пронизує провідники. Цей індукований струм можна використовувати для виробництва електроенергії.
2. Магнітні носії інформації
Магнітні носії інформації, такі як жорсткі диски (HDD), дискети та магнітні стрічки, покладаються на здатність магнітних матеріалів зберігати магнітну інформацію. Дані зберігаються на цих носіях шляхом намагнічування або розмагнічування крихітних ділянок (бітів) на поверхні феромагнітного матеріалу. Намагніченість кожного біта можна виявити, пропускаючи невеликий струм через зчитувальну головку в безпосередній близькості до носія, яка відчуває силу, зумовлену магнітним полем бітів.
Хоча магнітні носії широко використовуються протягом десятиліть, вони поступово витісняються твердотільними технологіями зберігання даних, такими як флеш-пам'ять і твердотільні накопичувачі (SSD), у багатьох сферах застосування завдяки вищій швидкості передачі даних, меншому енергоспоживанню і стійкості до механічних ударів.
3. Магнітна левітація
Магнітна левітація (Maglev) - це технологія, яка використовує магнітні поля для підвішування і переміщення об'єктів без прямого механічного контакту. Системи Maglev зазвичай використовують надпровідні магніти для створення сильних і стабільних магнітних полів.
Технологію Maglev було запропоновано для різних застосувань, в тому числі для високошвидкісних транспортних систем, де вона пропонує потенціал для зменшення тертя і зносу, що призводить до більш високих швидкостей, меншого споживання енергії і тихішої роботи порівняно з традиційними колісними поїздами. Однак висока вартість розробки і підтримки необхідної інфраструктури обмежила широке впровадження технології Maglev для комерційних перевезень.
4. Магнітні матеріали в медицині
Магнітні матеріали та технології відіграють важливу роль у різних медичних застосуваннях, включаючи діагностичну візуалізацію, терапевтичні пристрої та доставку ліків.
* Магнітно-резонансна томографія (МРТ): МРТ - це неінвазивний метод медичної візуалізації, який використовує сильні надпровідні магніти для створення потужного магнітного поля, що вирівнює протони в тканинах організму. Потім радіочастотні імпульси використовуються для збурення вирівняних протонів, змушуючи їх випромінювати сигнали, які можна виявити і обробити для створення детальних зображень внутрішніх органів і тканин.
* Магнітні наночастинки: Магнітні наночастинки (МНЧ) - це частинки нанометрового розміру, виготовлені з феромагнітних або парамагнітних матеріалів. Вони були досліджені для різних біомедичних застосувань, включаючи цільову доставку ліків, терапію магнітною гіпертермією для лікування раку і як контрастні речовини для МРТ.
* Магнітні протези: Магнітні матеріали також використовуються в розробці протезів кінцівок та інших медичних пристроїв, де вони можуть бути використані для забезпечення контрольованої сили і крутного моменту для руху і маніпуляцій.
Межі магнітних досліджень
Незважаючи на наше глибоке розуміння магнітних полів та їх застосування, все ще залишається багато відкритих питань і сфер для активних досліджень у цій галузі. Деякі з найцікавіших кордонів магнітних досліджень включають в себе:
1. Високотемпературна надпровідність
Надпровідність - це явище, при якому певні матеріали демонструють нульовий електричний опір і досконалий діамагнетизм при охолодженні нижче критичної температури. Хоча традиційні надпровідники потребують надзвичайно низьких температур (близьких до абсолютного нуля) для досягнення надпровідності, відкриття високотемпературних надпровідників у 1980-х роках відкрило нові можливості для практичного застосування.
Високотемпературні надпровідники (ВТНП) - це матеріали, які можуть проявляти надпровідність при температурах, вищих за температуру кипіння рідкого азоту (77 К або -196°C), що полегшує їх охолодження та підтримку в надпровідному стані. Однак механізм високотемпературної надпровідності залишається недостатньо вивченим, і багато досліджень зосереджено на розробці нових ВТНП-матеріалів з ще вищими критичними температурами і поліпшеними властивостями.
2. Спінтроніка
Спінтроніка, або спінова електроніка, - це нова галузь, яка має на меті використовувати не лише заряд електронів, але й їхню внутрішню спінову властивість для розробки електронних пристроїв наступного покоління та технологій зберігання даних. Спінтронні пристрої використовують спін-магнітну взаємодію для маніпулювання та контролю спінових станів електронів, що може бути використано для кодування та обробки інформації.
Деякі перспективні спінтронні пристрої та явища включають спінові транзистори, спінові клапани, пам'ять спінового моменту та спінтронні логічні вентилі. Спінтронні пристрої мають потенціал для досягнення більшої щільності зберігання даних, швидшої швидкості передачі даних та меншого енергоспоживання порівняно зі звичайними напівпровідниковими пристроями.
3. Квантовий магнетизм
Квантовий магнетизм - це галузь, що швидко розвивається і досліджує поведінку магнітних матеріалів і систем на квантовому рівні. Ця галузь досліджень поєднує концепції фізики конденсованого стану, квантової механіки та матеріалознавства, щоб зрозуміти унікальні властивості магнітних матеріалів на атомному та субатомному рівнях і маніпулювати ними.
Одним з найбільш інтригуючих явищ у квантовому магнетизмі є квантовий фазовий перехід, який відбувається, коли магнітний матеріал зазнає раптової зміни своїх магнітних властивостей в результаті невеликих змін зовнішніх параметрів, таких як температура, тиск або магнітне поле. Розуміння і контроль цих квантових фазових переходів може призвести до розробки нових матеріалів і пристроїв з новими магнітними властивостями.
4. Нові магнітні матеріали
Пошук нових магнітних матеріалів з винятковими властивостями є постійним напрямком досліджень у галузі магнетизму. Деякі з бажаних властивостей цих матеріалів включають високу намагніченість, високу коерцитивну силу, високі температури Кюрі та сильну магнітокристалічну анізотропію. Ці властивості можуть призвести до покращення продуктивності в існуючих застосуваннях та уможливити розробку нових технологій.
Деякі перспективні класи магнітних матеріалів, що досліджуються, включають в себе:
* Безрідкоземельні постійні магніти: Рідкоземельні елементи, такі як неодим і самарій, є важливими компонентами багатьох високоефективних постійних магнітів, але їхня обмежена доступність і висока вартість спонукали дослідників до пошуку альтернативних безрідкоземельних магнітних матеріалів.