Номер 1, страница 355 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Постоянные магниты.

Определение и основные свойства постоянных магнитов

Постоянный магнит — это тело, изготовленное из ферромагнитного материала, которое способно сохранять свою намагниченность в течение длительного времени после устранения внешнего намагничивающего поля. Таким образом, постоянный магнит самостоятельно создает вокруг себя магнитное поле. Ключевые свойства постоянных магнитов включают: наличие двух полюсов (северного (N) и южного (S)), которые всегда существуют в паре; взаимодействие полюсов, при котором одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются; создание магнитного поля, силовые линии которого по соглашению выходят из северного полюса и входят в южный; и неделимость полюсов, означающую, что при разделении магнита каждая его часть становится новым полноценным магнитом.

Ответ: Постоянный магнит — это объект, сохраняющий намагниченность и создающий собственное магнитное поле, обладающий двумя неразделимыми полюсами (северным и южным), которые взаимодействуют между собой.

Материалы для постоянных магнитов (Ферромагнетики)

Материалами для изготовления постоянных магнитов служат так называемые магнитотвердые ферромагнетики. Ферромагнетики — это вещества, которые способны очень сильно намагничиваться даже в слабом внешнем магнитном поле. К ним относятся железо (Fe), никель (Ni), кобальт (Co) и различные их сплавы, например, неодим-железо-бор (NdFeB), самарий-кобальт (SmCo), альнико (AlNiCo).

Внутренняя структура ферромагнетиков состоит из макроскопических областей, называемых магнитными доменами. В каждом домене магнитные моменты атомов уже сонаправлены, но в ненамагниченном состоянии ориентация самих доменов хаотична, и их поля взаимно компенсируются. При помещении в сильное внешнее магнитное поле домены, ориентированные по полю, растут за счет соседних, а также происходит поворот магнитных моментов целых доменов по направлению поля. У магнитотвердых материалов это упорядоченное состояние доменов сохраняется и после снятия внешнего поля, что и делает их постоянными магнитами.

Ответ: Постоянные магниты изготавливают из магнитотвердых ферромагнетиков (например, сплавов на основе железа, неодима, кобальта), которые сохраняют упорядоченную ориентацию магнитных доменов после воздействия внешнего поля.

Характеристики постоянных магнитов

Эффективность постоянного магнита описывается несколькими ключевыми параметрами, которые можно определить из петли гистерезиса материала:

1. Остаточная магнитная индукция ($B_r$). Это значение магнитной индукции, которое сохраняется в материале после его намагничивания до насыщения и последующего снятия внешнего магнитного поля. Чем выше $B_r$, тем сильнее магнитное поле, создаваемое магнитом. Измеряется в теслах (Тл).

2. Коэрцитивная сила ($H_c$). Это напряженность размагничивающего магнитного поля, которую необходимо приложить к магниту, чтобы полностью его размагнитить (свести остаточную индукцию к нулю). Чем выше коэрцитивная сила, тем более устойчив магнит к размагничиванию внешними полями или нагревом. Измеряется в амперах на метр (А/м).

3. Максимальная магнитная энергия ($BH_{max}$). Это наибольшее значение произведения магнитной индукции $\text{B}$ на напряженность магнитного поля $\text{H}$ на кривой размагничивания. Эта величина характеризует "мощность" магнита, то есть его способность создавать магнитное поле в воздушном зазоре. Измеряется в джоулях на кубический метр (Дж/м³).

Ответ: Основными характеристиками постоянного магнита являются остаточная индукция $B_r$ (сила поля), коэрцитивная сила $H_c$ (сопротивление размагничиванию) и максимальная магнитная энергия $BH_{max}$ (общая "мощность").

Природа магнетизма и гипотеза Ампера

Еще в XIX веке Андре-Мари Ампер выдвинул гипотезу, что магнетизм постоянных магнитов и электромагнитов имеет единую природу — он обусловлен электрическими токами. Ампер предположил, что внутри молекул вещества существуют незатухающие микроскопические кольцевые токи (молекулярные токи). В обычном состоянии эти токи ориентированы хаотично, но во внешнем магнитном поле они упорядочиваются, создавая суммарное макроскопическое магнитное поле.

Современная физика подтвердила и уточнила эту идею. Магнитные свойства веществ, в частности ферромагнетиков, объясняются не только орбитальным движением электронов вокруг ядра атома (аналог тока Ампера), но и, в первую очередь, их собственным магнитным моментом — спином. Спин — это чисто квантовое свойство электрона. В ферромагнетиках благодаря особому квантовомеханическому (обменному) взаимодействию спины соседних атомов выстраиваются параллельно друг другу, что и приводит к появлению спонтанно намагниченных областей — доменов.

Ответ: Магнетизм постоянных магнитов объясняется упорядоченной ориентацией микроскопических токов, создаваемых движением и собственными магнитными моментами (спинами) электронов в атомах вещества.

Применение постоянных магнитов

Благодаря своей способности создавать магнитное поле без затрат энергии, постоянные магниты нашли широчайшее применение в науке, технике и быту. Основные сферы применения:

Электротехника и электроника: электродвигатели, генераторы, реле, динамики акустических систем и наушники, микрофоны.

Хранение информации: в жестких дисках (HDD) для позиционирования головок чтения/записи, на магнитных полосах кредитных карт.

Медицина: аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ) используют сверхмощные магниты для получения изображений внутренних органов.

Транспорт: поезда на магнитной подушке (маглев), различные датчики в автомобилях.

Бытовое применение: магнитные замки и защелки, крепления, сувениры на холодильник, компасы, игрушки.

Промышленность: грузоподъемные механизмы, магнитные сепараторы для очистки материалов от ферромагнитных примесей.

Ответ: Постоянные магниты применяются повсеместно: от бытовых устройств (динамики, защелки) и носителей информации до сложных промышленных и медицинских установок (электродвигатели, сепараторы, МРТ-аппараты).