Как измерить силу магнита в теслах

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 05.10.2024

Как измерить силу магнитов

Содержание:

Магниты бывают разных сил, и вы можете использовать Гаусс метр определить силу магнита. Вы можете измерить магнитное поле в тесла или магнитный поток в веберах или тесла • м 2 ("Тесла квадратных метров"). магнитное поле является тенденцией индукции магнитной силы на движущихся заряженных частицах в присутствии этих магнитных полей.

Магнитный поток является измерением того, сколько магнитного поля проходит через определенную площадь поверхности для поверхности, такой как цилиндрическая оболочка или прямоугольный лист. Поскольку эти две величины, поле и поток, тесно связаны, обе используются в качестве кандидатов для определения силы магнита. Чтобы определить силу:

••• Сайед Хуссейн Атер

Сила магнитов в различных минусах и ситуациях может быть измерена величиной магнитной силы или магнитного поля, которое они излучают. Ученые и инженеры учитывают магнитное поле, магнитную силу, поток, магнитный момент и даже магнитную природу магнитов, которые они используют в экспериментальных исследованиях, медицине и промышленности, при определении, насколько сильны магниты.

Вы можете думать о Гаусс метр в качестве измерителя магнитной силы. Этот метод измерения магнитной силы может быть использован для определения магнитной силы воздушного груза, который должен быть строгим при переносе неодимовых магнитов. Это правда, потому что сила неодима магнита тесла и создаваемое им магнитное поле могут мешать GPS самолета. Тесла неодимовой магнитной силы, как и у других магнитов, должна уменьшаться на квадрат расстояния от него.

Магнитное поведение

Поведение магнитов зависит от химического и атомного материала, из которого они состоят. Эти композиции позволяют ученым и инженерам изучать, насколько хорошо материалы пропускают через них электроны или заряды, что позволяет намагничиваться. Эти магнитные моменты, магнитное свойство придавать полю импульс или вращающую силу в присутствии магнитного поля, в значительной степени зависят от материала, который делает магниты при определении, являются ли они диамагнитными, парамагнитными или ферромагнитными.

Если магниты сделаны из материалов, в которых нет или мало неспаренных электронов, они диамагнитный, Эти материалы очень слабые, и в присутствии магнитного поля они вызывают отрицательную намагниченность. Трудно вызвать в них магнитные моменты.

парамагнитный материалы имеют неспаренные электроны, так что в присутствии магнитного поля материалы демонстрируют частичные выравнивания, которые придают ему положительную намагниченность.

В заключение, ферромагнитный материалы, такие как железо, никель или магнетит, имеют очень сильное притяжение, так что эти материалы составляют постоянные магниты. Атомы выровнены таким образом, что они легко обмениваются силами и позволяют току течь с большой эффективностью. Это создает мощные магниты с силой обмена, которая составляет около 1000 Тесла, что в 100 миллионов раз сильнее, чем магнитное поле Земли.

Измерение магнитной силы

Ученые и инженеры обычно ссылаются на сила тяги или сила магнитного поля при определении силы магнитов. Сила тяги - это сила, которую вам нужно приложить, когда вы тянете магнит от стального предмета или другого магнита. Производители ссылаются на эту силу, используя фунты, чтобы обозначить вес, который эта сила, или Ньютон, как измерение магнитной силы.

Для магнитов, которые различаются по размеру или магнетизму по своему материалу, используйте поверхность полюса магнитов для измерения магнитной силы. Выполните измерения магнитной силы материалов, которые вы хотите измерить, оставаясь вдали от других магнитных объектов. Кроме того, вы должны использовать только гауссметры, которые измеряют магнитные поля с частотой переменного тока, меньшей или равной 60 Гц, для бытовых приборов, а не для магнитов.

Сила неодимовых магнитов

номер класса или же N номер используется для описания силы тяги. Это число приблизительно пропорционально силе притяжения для неодимовых магнитов. Чем выше число, тем сильнее магнит. В ней также рассказывается о силе неодимового магнита Тесла. Магнит N35 - это 35 Мега Гаусс или 3500 Тесла.

В практических условиях ученые и инженеры могут тестировать и определять марку магнитов, используя максимальное энергетическое произведение магнитного материала в единицах МГО, или мегагаусс-эстерды, что эквивалентно примерно 7957,75 Дж / м 3 (джоулей на метр в кубе). МГО магнита скажут вам максимальную точку на магнитах кривая размагничивания, также известен как Кривая ЧД или же кривая гистерезиса, функция, которая объясняет силу магнита. Это объясняет, насколько трудно размагничивать магнит и как форма магнитов влияет на его прочность и производительность.

Измерение магнита MGOe зависит от магнитного материала. Среди редкоземельных магнитов неодимовые магниты обычно имеют от 35 до 52 MGO, самарий-кобальтовые (SmCo) магниты имеют 26, алнико-магниты имеют 5,4, керамические магниты имеют 3,4, а гибкие магниты имеют 0,6-1,2 MGO. В то время как редкоземельные магниты из неодима и SmCo намного прочнее магнитов, чем керамические, керамические магниты легко намагничиваются, естественным образом противостоят коррозии и могут быть отлиты в различные формы. Однако после того, как они превратились в твердые вещества, они легко ломаются, потому что они хрупкие.

Когда объект намагничивается из-за внешнего магнитного поля, атомы внутри него выстраиваются определенным образом, чтобы позволить электронам свободно течь. Когда внешнее поле удаляется, материал намагничивается, если сохраняется выравнивание или часть выравнивания атомов. Размагничивание часто вовлекает высокую температуру или противоположное магнитное поле.

Размагничивание, ЧД или кривая гистерезиса

••• Сайед Хуссейн Атер

На приведенной выше диаграмме кривой гистерезиса точки A и E относятся к точкам насыщения в прямом и обратном направлениях соответственно. B и E называется точки удержания или остаточное насыщение, намагниченность, остающаяся в нулевом поле после приложения магнитного поля, которое является достаточно сильным для насыщения магнитного материала в обоих направлениях. Это магнитное поле, которое остается, когда движущая сила внешнего магнитного поля отключается. В некоторых магнитных материалах насыщение - это состояние, которое достигается, когда увеличение приложенного внешнего магнитного поля H не может еще больше увеличить намагниченность материала, поэтому общая плотность магнитного потока B более или менее выравнивается.

C и F представляют коэрцитивность магнита, сколько обратного или противоположного поля необходимо, чтобы вернуть намагниченность материала обратно в 0 после того, как внешнее магнитное поле было приложено в любом направлении.

Кривая от точек D до A представляет начальную кривую намагничивания. От A до F - это нисходящая кривая после насыщения, а отверждение от F до D - это более низкая кривая доходности. Кривая размагничивания говорит о том, как магнитный материал реагирует на внешние магнитные поля, и о точке, в которой магнит насыщается, то есть о точке, в которой увеличение внешнего магнитного поля больше не увеличивает намагниченность материалов.

Выбор магнитов по силе

Разные магниты предназначены для разных целей. Марка N52 - это максимально возможная прочность при минимально возможной упаковке при комнатной температуре. N42 - также распространенный выбор, который имеет рентабельную прочность даже при высоких температурах. При некоторых более высоких температурах магниты N42 могут быть более мощными, чем магниты N52, в некоторых специализированных версиях, таких как магниты N42SH, разработанные специально для высоких температур.

Будьте осторожны при наложении магнитов в местах с сильным нагревом. Тепло является сильным фактором при размагничивании магнитов. Однако неодимовые магниты обычно со временем теряют очень мало прочности.

Магнитное поле и магнитный поток

Расчет магнитного потока

Вы можете представить себе магнитный поток в виде сети, которая улавливает количество воды или жидкости, протекающей через него. Магнитный поток, который измеряет, сколько этого магнитного поля В проходит через определенную область можно рассчитать с Φ = BAcosθ в котором θ угол между линией, перпендикулярной поверхности области, и вектором магнитного поля. Этот угол позволяет магнитному потоку учитывать то, как форма области может быть наклонена относительно поля для захвата различных величин поля. Это позволяет применять уравнение к различным геометрическим поверхностям, таким как цилиндры и сферы.

••• Сайед Хуссейн Атер

Это напряжение является электродвижущей силой, которая может быть использована для питания цепей и батарей. Вы также можете определить индуцированную электродвижущую силу как отрицательную величину скорости изменения магнитного потока, умноженную на число витков в катушке.

Приставка «Тестер магнитов»

В качестве датчика магнитного поля я использовал магнитоуправляемый герметизированный контакт (геркон), а в качестве индикатора мультиметр.

Всё просто? Давайте подробнее рассмотрим мою самоделку. Вот её принципиальная схема.

Два параллельно включённых геркона подключены к мультиметру, включённому в режиме прозвонки полупроводников.

Такой режим можно найти даже в самых недорогих мультиметрах. В этом режиме прибор подаёт звуковой сигнал при малом сопротивлении измеряемой цепи, разумеется, и при её замыкании.

Геркон, применённый в данной самоделке имеет нормально разомкнутый контакт. Это означает, что контакт разомкнут в отсутствии магнитного поля. При появлении поля контакт замыкается.

Почему я использовал два геркона, а не один? Дело в том, что геркон, в силу своих конструктивных особенностей, реагирует на магнитное поле не одинаково с разных направлений. По – хорошему, чем больше герконов, соединённых параллельно, тем лучше. Но, руководствуясь своим опытом работы с магнитоуправляемыми контактами и принципом разумной достаточности, я остановился на двух, расположив их особым образом.

На этом фото показаны детали, из которых я собрал эту самоделку. Их совсем немного.

Два одинаковых геркона от датчиков охранной сигнализации, дощечка, линейка, провода, кусочек стеклотекстолита.

Герконы я расположил один над другим в виде буквы Х. При таком расположении, когда один геркон перестаёт реагировать на магнитное поле определённого направления, на поле начинает реагировать другой геркон.

Для этого вырезал небольшой кусок стеклотекстолита, разметил и просверлил отверстия. В отверстия вставил ножки герконов, загнул их с обратной стороны стеклотекстолита. Приклеил.

Концы проводов сделал в виде облуженных петелек, так как у моего мультиметра на щупы могут надеваться зажимы типа «крокодил».

Вставил плату с герконами в заранее сделанную в дощечке – основании прорезь, для надёжности добавив немного клея.

Закрепил провода скотчем.

Небольшое дополнение. Собирал эту конструкцию так.

Взял подходящий по ширине сосновый брус для изготовления основания.
Примерил к нему линейку, которая в конструкции служит для определения расстояния до исследуемого магнита.
Прикинул, сколько места нужно для крепления платы с герконами и крепления проводов.

Суммировал, дал запас в большую сторону, разметил и отпилил ножовкой по дереву нужный кусок бруса.
Ножовкой и плоским надфилем сделал в брусе поперечную прорезь для установки платы с герконами.
Ножовкой по металлу вырезал нужный по размерам кусок стеклотекстолита. Разметил и просверлил в нём четыре отверстия для выводов герконов.

Обработал напильником края бруска, зачистил наждачной бумагой и для облагораживания покрыл брусок тёмным лаком.
Отмерил два куска многожильного монтажного провода. С концов снял изоляцию и залудил.
Остальное описано выше.

Теперь о том, что может приставка и как с ней работать.

Включаем мультиметр в режиме прозвонки полупроводников. Исследуемый магнит медленно приближаем по линейке к плате с герконами до появления звукового сигнала. Считываем по шкале (линейке) расстояние до магнита. Записываем результат в тетрадь. Уводим магнит назад до пропадания звукового сигнала. Разворачиваем магнит другой стороной. Повторяем операцию по приближению магнита. Записываем в тетрадь новый результат. Подобным образом получаем множество данных о воздействии магнита на объект в зависимости от положения магнита относительно неподвижного объекта. Сложно, да? Но понятно.

Далее берём другой магнит и повторяем эти операции. Теперь у нас появилась возможность сравнить два магнита в одинаковых условиях.

Теперь исследуем антимагнитные свойства материалов, насколько они ослабляют действие магнитного поля. Для этого берём любой магнит, желательно, помощнее. Согласно вышеописанной методике, определяем и записываем расстояние до магнита, при котором начинает звучать сигнал. Не меняя положения магнита, уводим его по шкале – линейке до прекращения сигнала. Непосредственно перед герконами помещаем исследуемый антимагнитный материал. Площадь образца материала должна быть такой, чтобы полностью закрывать герконы от магнита. Приближаем магнит. При появлении звукового сигнала, останавливаем. Считываем и записываем результат. Расстояние (результат) должно уменьшиться. Отсюда делаем вывод, на сколько данный материал ослабляет магнитное поле. Это похоже на то, как материалы ослабляют радиоактивное излучение. Было очень интересно сравнивать свойства жести, латуни, ленты из пермаллоя, экраны трансформаторов и другое. Теперь подумайте, почему для основания приставки я использовал дерево, а для шкалы пластмассовую линейку.

Недавно я занимался научно – исследовательской работой «о влиянии магнитного поля на счётчики воды». Благодаря этой приставке, мне удалось объяснить «феномен», почему хвалёный неодимовый магнит не может остановить некоторые счётчики, а обычный, ферритовый, от динамика, может.

Можно сделать не приставку, а функционально законченное устройство. Заменить мультиметр в этом случае можно всего двумя деталями. Батарейкой и «пищалкой» со встроенным генератором, собрав такую схему.

Выключатель питания не требуется, в отсутствие магнитного поля схема ничего не потребляет.

Или, заменив мультиметр тремя деталями. Батарейкой, резистором и светодиодом, как на схеме.

Выключатель питания также не требуется, в отсутствие магнитного поля схема ничего не потребляет.

В заключение, хочу добавить. Магниты, если они имеют большие размеры, можно приближать и с боков приставки, также считывать результат по линейке. Именно по этой причине, в качестве основания я взял брусок, а не плоскую дощечку. Линейка имеет шкалу с двух сторон, что делает удобным работу при различном положении приставки относительно экспериментатора.

Собираем переносной магнитометр

Магнитометр, который иногда ещё называют гауссометром, измеряет силу магнитного поля [в данном случае магнитную индукцию / прим. перев.]. Это прибор, необходимый при измерении силы постоянных магнитов и электромагнитов, а также для установления формы поля нетривиальных комбинаций из магнитов. Он достаточно чувствительный для того, чтобы определить намагниченность металлических предметов. В случае, если зонд будет работать достаточно быстро, он сможет определять изменяющиеся во времени поля от моторов и трансформаторов.

В мобильных телефонах обычно есть трёхосевой магнитометр, однако он оптимизирован для слабого магнитного поля Земли силой в 1 Гаусс = 0,1 мТл [миллитесла] и насыщается в полях с индукцией в несколько мТл. Где именно в телефоне расположен этот датчик, обычно непонятно, и расположить его внутри узкого места типа разреза магнита часто невозможно. Более того, лучше вообще не подносить смартфон к сильным магнитам.

В данной статье я опишу, как сделать простейший переносной магнитометр из распространённых комплектующих: нам потребуются линейный датчик Холла, Arduino, дисплей и кнопка. Общая стоимость прибора не выходит за пределы €5, а измерять он будет индукцию от -100 до +100 мТл с погрешностью в 0,01 мТл – гораздо лучше, чем можно было ожидать. Для получения точных абсолютных показателей его понадобится откалибровать: я опишу, как это делается при помощи длинного самодельного соленоида.

Шаг 1: датчик Холла

Эффект Холла часто применяется для измерения магнитных полей. Когда электроны проходят через проводник, помещённый в магнитное поле, их относит в сторону, в результате чего в проводнике появляется поперечная разность потенциалов. Правильно выбрав материал и геометрию полупроводника, можно получить измеряемый сигнал, который затем можно будет усилить и выдать измерение одной компоненты магнитного поля.

Я использую SS49E, поскольку он дешёвый и доступный. Что стоит отметить из его документации:

Питание: 2.7 — 6.5 В, что прекрасно совместимо с 5 В для Arduino.
Нулевой сигнал: 2.25-2.75 В, примерно посередине между 0 и 5 В.
Чувствительность: 1.0-1.75 мВ/Гс, поэтому для получения точных результатов потребуется калибровка.
Выходное напряжение: 1,0 – 4,0 В (при работе от 5 В): диапазон покрывается АЦП Arduino.
Диапазон: минимум ± 650 Гс, обычно +/1 1000 Гс.
Время отклика: 3 мкс, то есть можно проводить измерения с частотой в десятки кГц.
Рабочий ток: 6-10 мА, достаточно немного для батарейки.
Температурная ошибка: 0,1% на градус Цельсия. Вроде немного, однако отклонение на 0,1% даёт ошибку в 3 мТл.

Шаг 2: Требуемые материалы

Линейный датчик Холла SS49E. €1 за 10 штук.
Arduino Uno с доской для прототипирования или Arduino Nano без штырьков для портативного варианта.
Монохромный OLED дисплей SSD1306 0.96” с интерфейсом I2C.
Кнопка.

Шариковая ручка или другая прочная трубка.
3 тонких провода чуть длиннее трубки.
12 см термоусадки диаметром 1,5 мм.

Большая коробка Tic-Tac (18x46x83) или нечто похожее.
Контакты для батарейки на 9 В.
Выключатель.

Шаг 3: Первая версия – с использованием доски для прототипирования

Сначала всегда собирайте прототип, чтобы проверить работу всех компонентов и софта! Подключение видно на картинке: датчик Холла соединяется с контактами Arduino +5V, GND, A1 (слева направо). Дисплей соединяется с GND, +5V, A5, A4 (слева направо). Кнопка при нажатии должна замыкать землю и A0.

Код написан в Arduino IDE v. 1.8.10. Требуется установка библиотек Adafruit_SSD1306 и Adafruit_GFX.

Если всё сделано правильно, то дисплей должен выдавать значения DC и AC.

Шаг 4: Немного о коде

Если вам неинтересен код, эту часть можно пропустить.

Ключевая особенность кода состоит в том, что магнитное поле измеряется 2000 раз подряд. На это уходит 0,2 – 0,3 сек. Отслеживая сумму и квадрат суммы измерений, можно вычислять среднее и стандартное отклонения, которые выдаются как DC и AC. Усредняя по большому количеству измерений мы увеличиваем точность, теоретически на √2000 ≈ 45. Получается, что используя 10-битное АЦП, мы получаем точность 15-битного АЦП! И это имеет значение: 1 шаг АЦП – 4 мВ, то есть,

0,3 мТл. Благодаря усреднению, мы уменьшаем ошибку от 0,3 мТл до 0,01 мТл.

В качестве бонуса мы получаем стандартное отклонение, определяя таким образом изменяющееся поле. Поле, колеблющееся с частотой 50 Гц проходит порядка 10 циклов за время измерения, поэтому можно измерить величину AC.

У меня после компиляции получилась следующая статистика: Sketch uses 16852 bytes (54%) of program storage space. Maximum is 30720 bytes. Global variables use 352 bytes (17%) of dynamic memory, leaving 1696 bytes for local variables. Maximum is 2048 bytes.

Большую часть места занимают библиотеки Adafruit, однако ещё полно места для добавления функциональности.

Шаг 5: Готовим зонд

Зонд лучше всего закреплять на конце узкой трубки: так его просто будет помещать и удерживать в узких местах. Подойдёт любая трубка из немагнитного материала. Мне идеально подошла старая шариковая ручка.

Подготовьте три тонких гибких провода чуть длиннее трубки. В моём кабеле логики в цветах проводов нет (оранжевый +5 В, красный 0 В, серый – сигнал), просто так мне их проще запомнить.

Чтобы использовать зонд с прототипом, припаяйте кусочки проводов на конец кабеля и заизолируйте их термоусадкой. Позже их можно отрезать и припаять провода прямо к Arduino.

Шаг 6: Собираем переносной прибор

Батарейка на 9В, OLED-экран и Arduino Nano с комфортом умещаются внутри большой коробки Tic-Tac. Её преимущество в прозрачности – экран легко читается, даже находясь внутри. Все фиксированные компоненты (зонд, выключатель и кнопка) ставятся на крышку, чтобы всё можно было вынимать из коробки для замены батареи или обновления кода.

Я никогда не любил батарейки на 9В – у них высокая цена и малая ёмкость. Но в моём супермаркете внезапно стали продавать их перезаряжаемую версию NiMH по €1, и я обнаружил, что их легко зарядить, если подать 11 В через резистор на 100 Ом и оставить на ночь. Я заказал себе дешёвые разъёмы для батареек, но мне их так и не прислали, поэтому я разобрал старую батарейку на 9 В, чтобы сделать из неё коннектор. Плюс батарейки на 9В в её компактности, и в том, что на ней хорошо работает Arduino при подключении её к Vin. На +5 В будет регулируемое напряжение в 5 В, которое понадобится для OLED и датчика Холла.

Датчик Холла, экран и кнопка подсоединяются так же, как было на прототипе. Добавляется только кнопка выключения, между батарейкой и Arduino.

Шаг 7: Калибровка

Калибровочная константа в коде соответствует числу, прописанному в документации (1,4 мВ/Гс), однако в документации разрешён диапазон этого значения (1.0-1.75 мВ/Гс). Чтобы получать точные результаты, нужно откалибровать зонд.

Самый простой способ получить магнитное поле хорошо определённой силы – использовать соленоид. Магнитная индукция поля соленоида равняется B = μ₀ * n * I. Магнитная постоянная (или магнитная проницаемость вакуума) – это природная константа: μ₀ = 1,2566 x 10 -6 Тл/м/А. Поле однородно и зависит только от плотности намотки n и тока I, которые можно измерить с погрешностью около 1%. Формула работает для соленоида бесконечной длины, однако служит очень хорошим приближением для поля в его центре, если соотношение его длины к диаметру превышает 10.

Чтобы собрать подходящий соленоид, возьмите полую цилиндрическую трубу, длина которой в 10 раз больше диаметра, и сделайте намотку из изолированного провода. Я использовал ПВХ-трубку с внешним диаметром 23 мм и сделал 566 витков, протянувшихся на 20,2 см, что даёт нам n = 28/см = 2800 / м. Длина провода 42 м, сопротивление – 10 Ом.

Подайте питание на катушку и измерьте ток мультиметром. Используйте либо регулируемый источник тока, либо переменный резистор, чтобы управлять током. Измерьте магнитное поле для разных значений тока и сравните показания.

Что такое магнитное поле, его свойства и источники

Что такое магнитное поле? Физика легко объясняет все явления природы, в том числе и невидимые, а потому дает ответ и на этот вопрос. Оказывается, в некоторых веществах есть свободные электроны, движение которых и создает особенные поля. Обсудим их секреты подробнее.

Что такое магнитное поле, его свойства

Многие видели и держали в руках магниты. Легко заметить ту силу, которая возникает между ними.

Каждый магнит обладает двумя полюсами: противоположные притягиваются, а одинаковые отталкиваются. Кроме того, магниты всегда окружены областью, где эта сила возникает. Магнитные поля как раз и описывают такую силу.

Таким образом, магнитное поле — это концепция, которую используют, чтобы описать то, как сила распределяется в пространстве вокруг магнита и в нем самом. Впервые на это явление обратил внимание французский ученый Перегрин, а затем исследовали Ампер и Фарадей.

Сила тяжести: формула, единицы измерения, особенности

Явление магнетизма и магнитных полей — одна из составляющих электромагнитных сил, которые для природы базовые. Появляется магнитное поле там, где происходит движение зарядов. Когда большие заряды двигаются с высокими скоростями, то сила магнитного поля возрастает.

Магнитное поле вокруг магнита: Freepick

Какова природа магнитного поля? Существуют способы, которые организовывают движение зарядов так, чтобы они такое поле порождали. Например:

Можно пустить ток по проводнику, присоединенному к батарее. Если силу тока увеличивать (то есть наращивать количество движущихся зарядов), то пропорционально усилится и магнитное поле. Его сила будет уменьшаться пропорционально расстоянию от проводника. Данное явление называют закон Ампера.
Можно использовать свойства электронов. Они имеют отрицательный заряд и совершают движение вокруг ядра атомов, что и есть основой принципа работы постоянного магнита. Не все материалы получится намагнитить. Для этого необходимы один или несколько так называемых непарных электронов (обычно электроны всегда образуют пары). Например, у атома железа есть четыре непарных электрона, поэтому из такого материала получится хороший магнит.

Центр Вселенной: что это и где он находится

Каждый кусочек любого материала состоит из миллиардов атомов. Когда они ориентируются в пространстве произвольно, то их поле угасает, даже при наличии непарных электронов. Только в стабильных веществах можно получить постоянную ориентацию электронов, то есть постоянный магнит или ферромагнетик.

Некоторым материалам для этой цели необходим внешний источник магнитного поля. Оно способно сориентировать вращение электронов и задать им нужное направление, но стоит исчезнуть внешнему полю, и общая ориентация тоже пропадет. Такие материалы получили название парамагнетиков.

Хороший пример парамагнетика — металлическая дверца холодильников. Сама по себе она не магнит, но может притягивать приложенные к ней магниты. Это свойство многие используют, когда с помощью магнита крепят к дверце холодильника список покупок или записку.

Почему Луна не падает на Землю: пояснения

Экспериментально подтвержденные свойства магнитного поля таковы:

оно материальное, то есть существует в объективной реальности, даже если о нем не знаем;
его порождают лишь движущиеся электрические заряды, то есть любое движущееся заряженное тело окружено таким полем. Магнитные поля создаются и магнитами, но и в этом случае причина появления кроется в движении электронов. Переменные электрические поля также создают их;
обнаруживают данные поля, действуя некоторой силой на движущиеся электрические заряды или проводники с током;
в пространстве его распространение происходит со скоростью, которая равна скорости света в условиях вакуума.

Таким образом, магнитное поле, определение которому дали выше, — это явление загадочное и невидимое, но в то же время вполне объяснимое.

Движение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси

Магнитное поле: источники, измерение

Источниками магнитных полей считаются:

Электрические поля, меняющиеся во времени.
Подвижный заряд.
Постоянный магнит.

Магниты разного размера: Freepick

С детства сталкиваемся с постоянными магнитами:

Они применяются как игрушки, которые притягивают детали из металла.
Их часто прикрепляют к холодильнику.
Используют как встроенные части в игрушках.

Движущиеся электрические заряды, если сравнивать их с постоянными магнитами, обладают большей магнитной энергией.

Если магнитное поле нельзя увидеть, то как его изобразить? Физики предложили следующие способы:

Магнитные поля описывают с помощью математики как векторные. Их изображают как упорядоченную сетку множества векторов. Каждый из них направлен в свою сторону, а длина определяется величиной магнитной силы. Если бы много маленьких компасов выложили в определенном порядке, картинка получила бы такая же, вот только силу поля узнать бы не удалось.
Также используют силовые линии магнитного поля. В этом случае вместо сетки векторы соединяют плавные линии. При этом рисуют столько линий, сколько захочется.

Теплопроводность воды и льда и их особенности

Во втором виде изображения есть такие преимущества:

Силовые линии магнитных полей не пересекаются.
Они расположены тем плотнее, чем выше индукция (сила) магнитного поля.
Данные линии изображают в виде замкнутых циклов, то есть у них есть начало и конец с продолжением внутри магнита.

Чтобы указать направление поля, применяют стрелочки, расставленные вдоль силовых линий. Иногда применяют и другие обозначения. Традиционно полюса магнита обозначают как «север» и «юг», а силовые линии изображают по направлению от одного полюса ко второму.

По этой причине их обычным направлением считается направление с севера на юг. Концы источника магнитного поля часто подписывают английскими буквами N (север) и S (юг).

Закон Паскаля простыми словами: суть и значимость

Полюбоваться силовыми линиями может каждый. Для этого:

Магнитные опилки надо высыпать на ровную поверхность рядом с источником магнитного поля.
Металлические частицы начнут вести себя подобно крошечному магниту с южным и северным полюсами.
Опилки постепенно образуют отдельные области благодаря отталкиванию одинаковых полюсов.
В результате получится рисунок силовых линий.

Так обычно выглядит основная картина, а свойства материала опилок определяют положение и плотность линий.

Магнит, притягивающий скрепки: Freepick

Наконец, магнитное поле как векторную величину можно описать и измерить. Для этого понадобится сила и направление:

С направлением все просто. С его определения берут магнитный компас и ждут, пока стрелка остановится на силовой линии. Такие компасы были известны мореплавателям еще в XI веке. Кроме того, пользуются правилом сжатой правой руки (когда правая рука обхватывает проводник, а большой палец показывает направление тока, то другие пальцы указывают направление поля).
С силой немного сложнее. Приборы под названием магнитометры были изобретены лишь в XIX веке. Большинство из них способно рассчитать силу, которая действует на электрон, движущийся в поле.

Состояния воды в природе: условия перехода, необычные факты

Точные измерения слабых магнитных полей начались после открытия в 1988 году эффекта гигантского магнетосопротивления. Им обладают материалы, которые составлены из особенных тонких пленок.

Интересно, что это открытие фундаментальной физики стало применяться для хранения информации на жестких дисках компьютеров. В итоге плотность записи на магнитном носителе выросла в тысячи раз буквально в течение нескольких лет. В 2007 году ученые Ферт и Грюнберг за это открытие были награждены Нобелевской премией по физике.

Согласно международной системе единиц, силу (индукцию) магнитных полей измеряют в тесла (обозначают Тл, назвали в честь Николы Теслы). Тесла — это такая величина силы, которая действует на движущийся заряд от магнитного поля. Так, маленький магнит, который повесили на холодильник, создаст индукцию примерно 0,001 Тл, в то время как индукция магнитного поля нашей планеты составляет 5×10⁻⁵ Тл.

Магнитные бури: что это, как они влияют на человека

Иногда ученые пользуются альтернативной единицей измерения под названием гаусс (обозначают Гс). Преобразовываются эти единицы измерений достаточно легко: 1 Тл = 10⁴ Гс. Причиной применения единицы Гс стало то, что 1 тесла — это слишком высокая величина для индукции.

В формулах величину магнитной индукции обозначают символом BBB. Иногда встречается термин «напряженность магнитного поля» с обозначением символом HHH. Обе эти величины измеряют в одних и тех же единицах, но в напряженности учитывается магнитное поле, которое есть внутри магнита. В решении простых задач, где действие происходит в воздухе, этой разницей можно пренебречь.

О том, что такое магнитное поле, больше знаем из практики, но не всегда разбираемся в теории. Оказывается, что невидимые магнитные поля вполне реальны и создаются движением электронов. Их направление указывают стрелки компасов, а силу измеряют специальные приборы.

Сила между магнитами - Force between magnets

Магниты оказывают друг на друга силы и моменты в соответствии с правилами электромагнетизма . Силы притяжения магнитов возникают из-за микроскопических токов электрически заряженных электронов, вращающихся вокруг ядер, и собственного магнетизма элементарных частиц (таких как электроны), составляющих материал. Оба они довольно хорошо моделируются как крошечные петли тока, называемые магнитными диполями, которые создают собственное магнитное поле и подвержены влиянию внешних магнитных полей. Самая элементарная сила между магнитами - это магнитное диполь-дипольное взаимодействие . Если все магнитные диполи, составляющие два магнита, известны, то результирующая сила на обоих магнитах может быть определена путем суммирования всех этих взаимодействий между диполями первого и второго магнита.

Часто более удобно моделировать силу между двумя магнитами как возникающую из-за сил между магнитными полюсами, по которым распределены магнитные заряды . Положительный и отрицательный магнитные заряды всегда связаны цепочкой намагниченного материала; изолированного магнитного заряда не существует. Эта модель хорошо подходит для предсказания сил между простыми магнитами, где доступны хорошие модели распределения магнитного заряда.

СОДЕРЖАНИЕ

1 Магнитные полюса против атомных токов

2.1 Расчет магнитной силы

Магнитные полюса против атомных токов

Поле магнита - это сумма полей всех намагниченных элементов объема, которые состоят из небольших магнитных диполей на атомном уровне. Прямое суммирование всех этих дипольных полей потребовало бы трехмерного интегрирования только для получения поля одного магнита, что может быть сложно.

В случае однородной намагниченности задачу можно упростить, по крайней мере, двумя способами, используя теорему Стокса . При интегрировании по направлению намагничивания все диполи вдоль линии интегрирования компенсируют друг друга, за исключением торцевой поверхности магнита. Тогда поле возникает только из тех (математических) магнитных зарядов, которые распределены по торцам магнита. Напротив, при интегрировании по намагниченной области, ортогональной направлению намагничивания, диполи в этой области компенсируют друг друга , за исключением внешней поверхности магнита, где они (математически) суммируются в кольцевой ток. Это называется моделью Ампера. В обеих моделях необходимо учитывать только двумерные распределения по поверхности магнита, что проще, чем исходная трехмерная задача.

Модель магнитного заряда : в модели магнитного заряда поверхности полюсов постоянного магнита представляются покрытыми так называемым магнитным зарядом , частицами северного полюса на северном полюсе и частицами южного полюса на южном полюсе, которые источник силовых линий магнитного поля. Поле из-за магнитных зарядов получается по закону Кулона с магнитными зарядами вместо электрических. Если распределение магнитных полюсов известно, то модель полюса дает точное распределение напряженности магнитного поля H как внутри, так и снаружи магнита. Распределение поверхностного заряда является однородным, если магнит однородно намагничен и имеет плоские торцевые грани (например, цилиндр или призму).

Модель Ампера : в модели Ампера вся намагниченность возникает из-за эффекта микроскопических или атомных круговых связанных токов , также называемых токами Ампера в материале. Конечный эффект этих микроскопических связанных токов состоит в том, чтобы заставить магнит вести себя так, как если бы в петлях магнита протекал макроскопический электрический ток с магнитным полем, перпендикулярным петлям. Поле, создаваемое такими токами, затем получается по закону Био – Савара . Модель Ампера дает правильную плотность магнитного потока B как внутри, так и снаружи магнита. Иногда бывает трудно рассчитать амперовские токи на поверхности магнита.

Магнитный дипольный момент

Далеко от магнита, его магнитное поле почти всегда описывается (в хорошем приближении) с помощью дипольного поля характеризуется своим общим магнитным дипольным моментом , т . Это верно независимо от формы магнита, пока магнитный момент не равен нулю. Одной из характеристик дипольного поля является то, что сила поля спадает обратно пропорционально кубу расстояния от центра магнита.

Следовательно, магнитный момент магнита является мерой его силы и ориентации. Петля электрического тока , стержневой магнит , электрон , молекула и планета - все они обладают магнитными моментами. Точнее, термин магнитный момент обычно относится к магнитному дипольному моменту системы , который дает первый член в мультипольном разложении общего магнитного поля.

И крутящий момент, и сила, действующие на магнит со стороны внешнего магнитного поля, пропорциональны магнитному моменту этого магнита. Магнитный момент - это вектор : он имеет как величину, так и направление. Направление магнитного момента указывает с юга на северный полюс магнита (внутри магнита). Например, направление магнитного момента стержневого магнита, такого как в компасе, - это направление, на которое указывают северные полюса.

В физически правильной модели Ампера магнитные дипольные моменты возникают из-за бесконечно малых петель тока. Для достаточно малой петли тока I и площади A магнитный дипольный момент равен:

где направление м является нормальным к области в направлении , определяется с использованием тока и правила правой руки . Таким образом , СИ единица магнитного дипольного момента Ампер метр 2 . Точнее, на счет для соленоидов с большим количеством витков единица магнитного дипольного момента Ампер поворота метр 2 .

В модели магнитного заряда магнитный дипольный момент возникает из-за двух равных и противоположных магнитных зарядов, разделенных расстоянием d . В этой модели m аналогичен электрическому дипольному моменту p, обусловленному электрическими зарядами:

где q _m - «магнитный заряд». Направление магнитного дипольного момента указывает от отрицательного южного полюса к положительному северному полюсу этого крошечного магнита.

Магнитная сила из-за неоднородного магнитного поля

Магниты рисуют по градиенту магнитного поля. Самый простой пример - притяжение противоположных полюсов двух магнитов. Каждый магнит создает более сильное магнитное поле возле своих полюсов. Если противоположные полюса двух отдельных магнитов обращены друг к другу, каждый из магнитов втягивается в более сильное магнитное поле рядом с полюсом другого. Однако, если одинаковые полюса обращены друг к другу, они отталкиваются от большего магнитного поля.

Модель магнитного заряда предсказывает правильную математическую форму этой силы и ее легче понять на качественном уровне. Ведь если магнит помещен в однородное магнитное поле, то оба полюса будут ощущать одинаковую магнитную силу, но в противоположных направлениях, поскольку они имеют противоположный магнитный заряд. Но когда магнит помещается в неоднородное поле, например, из-за другого магнита, полюс, испытывающий сильное магнитное поле, будет испытывать большую силу, и на магнит будет действовать результирующая сила. Если магнит выровнен с магнитным полем, что соответствует двум магнитам, ориентированным в одном направлении около полюсов, то он будет втянут в большее магнитное поле. Если он выровнен противоположным образом, например, в случае двух магнитов с одинаковыми полюсами, обращенными друг к другу, то магнит будет отталкиваться от области более высокого магнитного поля.

В модели Ампера на магнитный диполь также действует сила из-за неоднородного магнитного поля, но это происходит из-за сил Лоренца на токовой петле, составляющей магнитный диполь. Сила, полученная в случае модели токовой петли, равна

где градиент ∇ является изменение величины м · B на единицу расстояния, а направление является то , что максимальное увеличение м · B . Чтобы понять это уравнение, заметим , что скалярное произведение м · B = М.Б. соз ( & thetas ; ), где т и В представляют собой величину из м и B векторов и θ представляет собой угол между ними. Если m находится в том же направлении, что и B, то скалярное произведение положительно, а градиент указывает «вверх», втягивая магнит в области с более высоким B-полем (более строго, с большим m · B ). B представляет силу и направление магнитного поля. Это уравнение действительно только для магнитов нулевого размера, но часто является хорошим приближением для не слишком больших магнитов. Магнитная сила на больших магнитах определяется путем их разделения на более мелкие области, имеющие собственное m, а затем суммирования сил на каждой из этих областей.

Модель магнитного заряда

Модель магнитного заряда предполагает, что магнитные силы между магнитами возникают из-за магнитных зарядов около полюсов. Эта модель работает даже близко к магниту, когда магнитное поле становится более сложным и больше зависит от детальной формы и намагниченности магнита, чем только от вклада магнитного диполя. Формально поле может быть выражено как мультипольное разложение : дипольное поле плюс квадрупольное поле , плюс октопольное поле и т. Д. В модели Ампера, но это может быть очень громоздким математически.

Расчет магнитной силы

Вычисление силы притяжения или отталкивания между двумя магнитами в общем случае является очень сложной операцией, поскольку зависит от формы, намагниченности, ориентации и разделения магнитов. Модель магнитного заряда действительно зависит от некоторых знаний о том, как «магнитный заряд» распределяется по магнитным полюсам. Даже в этом случае это действительно полезно только для простых конфигураций. К счастью, это ограничение распространяется на множество полезных случаев.

Сила между двумя магнитными полюсами

Если оба полюса достаточно малы, чтобы их можно было представить как отдельные точки, их можно рассматривать как точечные магнитные заряды. Классически сила между двумя магнитными полюсами определяется по формуле:

F - сила (единица СИ: ньютон ) q _{m 1} и q _{m 2} - величины магнитного заряда на магнитных полюсах (единица СИ: ампер - метр ) μ - проницаемость промежуточной среды (единица СИ: тесла- метр на ампер , генри на метр или ньютон на ампер в квадрате) r - расстояние (единица СИ: метр).

Описание полюса полезно практикующим магнетикам, которые проектируют магниты реального мира, но у настоящих магнитов распределение полюсов более сложное, чем север и юг. Поэтому реализовать идею полюса непросто. В некоторых случаях более полезной будет одна из более сложных формул, приведенных ниже.

Сила между двумя соседними намагниченными поверхностями области A

Механическую силу между двумя соседними намагниченными поверхностями можно рассчитать с помощью следующего уравнения. Уравнение справедливо только для случаев, когда эффектом окантовки можно пренебречь, а объем воздушного зазора намного меньше, чем у намагниченного материала, сила для каждой намагниченной поверхности равна:

A - площадь каждой поверхности, м 2 H - их намагничивающее поле в А / м. μ ₀ - проницаемость пространства , равная 4π × 10 −7 Тл · м / A B - плотность потока , Тл

Вывод этого уравнения аналогичен силе между двумя соседними электрически заряженными поверхностями, которая предполагает, что поле между пластинами однородно.

Научный форум dxdy

Как проверить и рассчитать неодимовый магнит?

Последний раз редактировалось Votetoda 24.01.2017, 00:57, всего редактировалось 1 раз.

Прошу подсказать, как рассчитывать параметры неодимового магнита. Для примера круглый магнит диаметром примерно 25 миллиметров.
Толщина 5,25 миллиметров
Вес примерно 30 грамм.

Как проверить соответствует ли его показатель 4000 Гаусс? К чему именно он относится, точную формулировку не знаю. В рассматриваемом магните из описания на английском языке такая величина указана без понятных мне объяснений.

Может быть надо к стальной пластине привязать дополнительный груз и смотреть, может ли магнит его удержать и от этого отталкиваться для более точных вычислений? Как узнать нужную массу или вес (не помню, чем они друг от друга отличаются) груза?

Какая магнитная энергия магнита? Эта величина часто указывается в маркировке рядом с буквой, например N35.

Можно попробовать через силу Ампера и вес. Поместить его вертикально между направляющими плоскостями, вокруг намотать несколько витков на уровне его диаметра. Измерить постоянный ток, при котором он начнём подниматься. Из тока и веса можно оценить индукцию, погрешность вряд ли будет лучше полуторной.

ElectricDrive
ИМХО, тут всё гораздо сложнее

Человек хочет "проверить" какую-то цифру, смысла которой он не знает. Зачем?

объёма надо эти миллиметры в метры переводить?

Последний раз редактировалось Xey 24.01.2017, 23:35, всего редактировалось 1 раз.

Нашёл конвертер величин, поэтому расчёт Гауссов в Тесслы не обязателен.

Подскажите пожалуйста, как по силе сцепления рассчитать магнитную индукцию?

Диаметр 40 мм
Толщина 20 мм
Сцепление 65 кг
Код материала N40М
Намагничивание аксиальное

Сцепление, ещё встречал, что обозначается, как сила отрыва от стальной
поверхности:

У меня похожий вопрос, может кому-то пригодится то, что я нашел.

Если кто-то видел лучший калькулятор (как по силе отрыва определить силу в Гауссах) подскажите пожалуйста!

Читайте также: