Тайны постоянного магнита

Dragons' Lord

       Ну, что здесь поделаешь, - люблю я магниты до одурения, и всё тут... Причём, я и корни этой платонической отследить могу. Корни, - они в протестантской натуре моей заложены. Непонятно ? Сейчас объясню: По жизни так уж повелось, что особо сильно нельзя, - то особо ( просто жуть, как ) и хочется... А дело здесь в следующем. Какой-то рок судьбы навис над "постоянниками", аура тайны и недоговорённости. Все физики ( дядьки и тётки разные ) в постоянных магнитах совершенно не рубят ( проверенно не однократно, лично ), и всё, наверное, потому, что во всех учебниках физики этот вопросик обходится стороной. Электромагнетизм - это да, это, пожалуйста, а вот о постоянниках ни слова...

       Посмотрим, что можно выжать из самой умной книжки "И.В.Савельев. Курс общей физики. Том 2. Электричество и магнетизм", - круче этой макулатуры, вы вряд ли сможете что-либо откопать. Значит так, в 1820 году некий чувак под фамилией Эрстед замутил опыт с проводником, и рядом стоящей с ним компасной стрелкой. Пуская электрический ток по проводнику в разных направлениях, он убедился в том, что стрелка чётко сориентируется понятно с чем. Из опыта баклан заключил, что магнитное поле имеет направленный характер. В более позднее время выяснили ( интересно, как ? ), что магнитное поле в отличие от электрического не оказывает действия на покоящийся заряд. Сила возникает лишь тогда, когда заряд движется ( возьмём на заметку ). Движущиеся заряды ( токи ) изменяют свойства окружающего их пространства и создают в нём магнитное поле. То есть отсюда следует, что магнитное поле порождается движущимися зарядами.

       Вот видите, всё дальше в электричество уклоняемся. Ведь в магните-то ни фига не двигается и ток в нём не течёт. Вот, что по этому поводу сморозил Ампер: он предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые токи ( молекулярные токи ). Каждый такой ток обладает магнитным моментом и создаёт в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего поля молекулярные токи ориентированы беспорядочным образом, вследствие чего обусловленное ими результирующее поле равно нулю ( прикольно, да ? ). Но этого мало: В силу хаотической ориентации магнитных моментов отдельных молекул суммарный магнитный момент тела также равен нулю. - Чувствуете, как ересь всё крепчает и крепчает ;) ? Под действием поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего магнетик намагничивается - его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля. Магнитные поля отдельных молекулярных токов в этом случае уже не компенсируют друг друга и возникает поле. Ура !

       Ну, каково ?! - Оказывается материал магнетика всё время намагничен ( ! ), только хаотично. То есть, если начать делить большой кусок на более маленькие, и добравшись до самых микро-при-микро дребеней, получим таки нормально работающие магниты ( намагниченные ) без какого бы то ни было намагничивания !!! - Вот, ведь бред.

       Небольшая справка, так, для общего развития: Намагничение магнетика характеризуется магнитным моментом единицы объёма. Эту величину называют намагниченностью и обозначают буквой "J".

       Продолжим наше погружение. Маленько из электричества: А вы знаете, что линии магнитной индукции поля прямого тока представляют собой систему охватывающих провод концентрических окружностей ? Нет ? - Теперь знайте, но не верьте. По-простому если сказать, то представьте зонтик. Ручка зонтика это направление тока, а вот край самого зонтика ( к примеру ), т.е. окружность - это, типа, линия магнитной индукции. Причём начинается такая линия из воздуха, и заканчивается, понятно, тоже нигде ! - Вы себе этот бред физически представляете ? Под это дело подписали целых трех мужиков: закон Био-Савара-Лапласа называется. Вся запарка идёт оттого, что где-то не правильно представили саму сущность поля, - почему оно появляется, что оно есть, собственно, где начинается, куда и как распространяется.

       Даже в абсолютно простых вещах они ( эти злобные физики ) морочат всем головы: Направленность магнитного поля характеризуют векторной величиной ( "В" - измеряется в теслах ). Логично бы было по аналогии с напряжённостью электрического поля "Е" назвать "В" напряжённостью магнитного поля ( типа, функции у них похожие ). Однако ( внимание ! ) основную силовую характеристику магнитного поля назвали магнитной индукцией... Но и этого им показалось мало, и чтобы окончательно всё запутать, название "напряжённость магнитного поля" присвоили вспомогательной величине "Н", аналогичной вспомогательной характеристике "D" электрического поля. Каково...

       Далее выясняя силу Лоренца, приходят к выводу, что магнитная сила слабее кулоновской на множитель, равный квадрату отношения скорости заряда к скорости света ( т.е. магнитная составляющая силы меньше электрической составляющей ). Таким образом приписывая магнитным взаимодействиям релятивистский эффект !!! Для совсем маленьких поясню: Жил в начале века дядя Эйнштейн и придумал он теорию относительности, привязав все процессы к скорости света ( чистейший бред ). То есть, если разогнаться до скорости света, то время остановится, а если превысить её, то пойдёт вспять... Всем уже давно понятно, что это была просто мировая наколка шутника Эйнштейна, и что всё это, мягко сказать, - неправда. Вот теперь ещё и магниты с их свойствами к этой лабудятине приковали, - за что же их так ?...

       Ещё маленькая справка: Господин Ампер вывел замечательную формулу, и оказалось, что если к магниту поднести провод, ну или железяку, какую, то магнит не провод притягивать будет, а заряды, которые движутся по проводнику. Назвали это пафосно: "Закон Ампера" ! Маленько не учли, что если проводник к батарейке не подключён и ток по нему не течёт, то он всё равно к магниту прилипает. Отмазку такую придумали, что, мол, заряды всё равно есть, только двигаются хаотично. Вот они-то к магниту и липнут. Интересно, это же откуда там, в микро объёмах ЭДС берётся, чтобы эти заряды хаотично колбасить. Это же просто вечный двигатель ! И ведь не нагреваем ничего, - энергией не накачиваем... Или вот ещё прикол: К примеру, алюминий - тоже металл, а вот зарядов у него, почему-то, хаотичных нет. Ну НЕ ЛИПНЕТ алюминий к магниту !!! ... или сделан он из дерева...

       Ах, да ! Я же ещё не рассказал, как направлен вектор магнитной индукции ( такое надо знать ). Так вот, вспомнив наш зонтик, представим, что по окружности ( край зонта ) мы пустили ток. В результате этой простенькой операции вектор направлен нашей мыслью в сторону ручки точно по центру палочки. Если же проводник с током имеет неправильные очертания, то всё пропало, - простота испаряется. Появляется дополнительный векторок под названием дипольный магнитный момент ( в случае с зонтиком он тоже есть, просто направлен туда же, куда и вектор магнитной индукции ). Начинается страшный расколбас в формулах, - всякие интегралы по контуру, синусы-косинусы и т.д. - Кому надо, может сам поинтересоваться. И ещё стоит упомянуть, что ток надо пускать по правилу правого буравчика, т.е. по часовой стрелке, тогда вектор будет от нас. Это связано с понятием положительной нормали. Ладно, едем дальше...

       Товарищ Гаусс подумал маленько и решил, что отсутствие в природе магнитных зарядов ( на самом деле Дирак предположил, что они есть, только их ещё не обнаружили ) приводит к тому, что линии вектора "В" не имеют ни начала, ни конца. Поэтому число пересечений, возникающих при выходе линий "В" из объёма, ограниченного некоторой поверхностью "S", всегда равно числу пересечений, возникающих при входе линий в этот объём. Следовательно, поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю. Интерпретируем теперь всё в нормальный русский язык: Любая поверхность, как легко представить, где-то оканчивается, и следовательно, является замкнутой. "Равен нулю" - это значит, что его нет. Делаем не сложный вывод: "Потока никогда нигде нет" !!! - Правда круто ! ( На самом деле это значит только то, что поток равномерен ). Я думаю, что на этом следует остановиться, так как дальше идут ТАКИЕ дребеня и глубиня, что... Такие штуки, как дивергенция, ротор, векторный потенциал глобально сложны и даже в этом мега-труде разбираются не полностью.

       Теперь немного о форме магнитного поля в проводниках с током ( как база для нашего дальнейшего разговора ). Эта тема бывает гораздо туманнее, чем мы привыкли то думать. Про прямой проводник я уже написал, - поле в форме тонкого цилиндра вдоль проводника. Если намотать катушечку на цилиндрической картонке и пустить ток, то поле у такой конструкции ( а называется она умно, - соленоид ) будет таким же, как и у аналогичного цилиндрического магнита, т.е. линии выходят с торца магнита ( или предполагаемого цилиндра ) и входят в другой торец, образуя в пространстве подобие эллипсов. Чем длиннее катушка или магнит, тем более плоские и вытянутые эллипсы получаются. У кольца с напругой прикольное поле: а именно в форме тора ( представьте поле прямого проводника свёрнутого в калачик ). С тороидом вообще хохма ( это теперь уже соленоид, свёрнутый в бублик ), - у него вне него самого магнитной индукции нет ( ! ). Если взять бесконечно длинный соленоид, - то та же фигня. Только мы знаем, что бесконечного ничего не бывает, вот поэтому у соленоида-то с торцов и брызжет, фонтанирует типа ;))) . А еще, - внутри соленоида и тороида поле однородно. Во как.

       Ну, что ещё полезно знать ? - Условия на границе двух магнетиков выглядят в точности, как луч света на границе двух сред ( преломляется и изменяет своё направление ), только у нас не луч, а вектор магнитной индукции и разная магнитная проницаемость ( а не оптическая ) наших магнетиков ( сред ). Или вот ещё: имеем сердечник и катушечку на нём ( электромагнит, типа ), как вы думаете, где тусуются линии магнитной индукции ? - В основном сосредоточенны внутри сердечника, потому, что у него магнитная проницаемость обалденная, ну и ещё плотно так упакованы в воздушный зазор между сердечником и катушечкой. Вот только в самой обмотке ни фига нет. Поэтому боковой поверхностью катушки вы ничегошеньки не примагнитите, - а только сердечником.

       Хей, вы ещё не уснули ? Нет ? Тогда продолжим. Оказывается, все материалы в природе делятся не на два класса: магнитные и не магнитные, а на три ( в зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости ): 1. Диамагнетики, у которых она мала и отрицательна по величине ( короче, практически нулевая, и намагнитить их ни за что не сможете ), 2. Парамагнетики, у которых она тоже невелика но положительна ( тоже около нуля; намагнитить можно маленько, но вы это всё равно не почувствуете, так что один фиг ), 3. Ферромагнетики, у которых она положительна и достигает просто гигантских значений ( в 10¹⁰ раз больше чем у парамагнетиков ! ), кроме того у ферромагнетиков восприимчивость является функцией напряжённости магнитного поля. На самом деле есть ещё один вид веществ, - это диэлектрики, у них совершенно обратные свойства и они нам не интересны.

       Нас, конечно, интересуют ферромагнетики, которые называются так из за включений железа ( феррум ). Железо может быть заменено на аналогичные по свойствам хим. элементы: никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соединения, а также некоторые сплавы и соединения марганца и хрома. Вся эта байда с намагниченностью работает, только если вещество в кристаллическом состоянии. ( Намагниченность остаётся благодаря эффекту под названием "Петля Гистерезиса", - ну это вы все и так знаете ). Интересно узнать, что существует некая "температура Кюри", причём это не какая-то определённая температура, а для каждого материала своя, при превышении которой все ферромагнитные свойства исчезают. Совсем обалденно узнать, что существуют вещества и пятой группы, - называются антиферромагнетики ( эрбий, диспозий, сплавы марганца и МЕДИ !!! ). У этих спец материалов есть ещё одна температура: "антиферромагнитная точка Кюри" или "точка Нееля", - ниже которой устойчивые свойства этого класса также исчезают. ( Выше верхней точки вещество ведёт себя, как парамагнетик, а при температурах, меньших нижней точки Нееля, становится ферромагнетиком ).

       Я почему это всё так спокойно рассказываю ? - Обращаю ваше внимание, что я никогда не говорил, что химия неправильная наука ( только физика ), - а это чистейшая химия. Представьте себе: берёте медь, охлаждаете её нехило, намагничиваете, - и у вас в руках ( в варежках ;) лежит магнит. А ведь медь то не магнитная !!! - Правда, клёво.

       Ещё нам из этой книжки могут понадобиться парочка вещей чисто электромагнитных, для создания альтернатора, например. Явление номер 1: В 1831 году Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает электрический ток. Это явление называют электромагнитной индукцией, а возникающий ток индукционным. А теперь самое главное: Величина ЭДС индукции не зависит от способа, которым осуществляется изменение магнитного потока, и определяется лишь скоростью изменения потока ! - Созревает мысль: Чем быстрее крутится ротор со шторками, тем большего значения достигает наведённая ЭДС, и тем больше снимаемое напряжение со вторичной цепи альтернатора ( с катушек ). Правда, дядя Ленц нагадил нам своим "Правилом Ленца": индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей. Позже объясню, как это дело в альтернаторе ( да и в других моделях ) обходится.

       Явление номер 2: Индукционные токи могут возбуждаться и в сплошных массивных проводниках. В этом случае их называют токами Фуко или вихревыми токами. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко могут достигать очень большой силы. В соответствии с правилом Ленца токи Фуко выбирают внутри проводника такие пути и направления, чтобы своим действием возможно сильнее противиться причине, которая их вызывает. Поэтому движущиеся в сильном магните поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это надо знать и учитывать. К примеру, в альтернаторе, если сделать по общепринятой неправильной схеме, то в движущихся шторках возникают токи Фуко, ну и тормозят процесс, конечно. Об этом, на сколько я понимаю, вообще никто не задумывался. (Примечание: Единственным исключением является униполярная индукция, открытая Фарадеем и усовершенствованная Теслой, при которой не возникает вредного влияния самоиндукции).

       Явление номер 3: Электрический ток, текущий в любом контуре, создаёт пронизывающий этот контур магнитный поток. При изменениях тока изменяется также и магнитный поток, вследствие чего в контуре индуцируется ЭДС. Это явление называется самоиндукцией. В статье об альтернаторах расскажу и об этом явлении.

       Кстати, о токах Фуко. Можно провести один прикольный опыт. Лёгкий до безобразия. Возьмем большой, толстый (толщиной не менее 2 мм) медный или алюминиевый лист и поставим его под углом к полу. Пустим свободно скользить вниз по его наклонной поверхности "сильный" постоянный магнит. И … Странно !!! Постоянный магнит как будто притягивается к листу и скользит заметно медленнее чем, например, по деревянной поверхности. Почему ? Типа, "специалист" сразу ответит - "В листовом проводнике, при движении магнита, возникают вихревые электрические токи ( токи Фуко ), которые препятствуют изменению магнитного поля, а, следовательно, и препятствуют перемещению постоянного магнита вдоль поверхности проводника". Но задумаемся ! Вихревой электрический ток, это вихревое движение электронов проводимости. Что мешает свободному перемещению вихря электронов проводимости вдоль поверхности проводника ? Инертная масса электронов проводимости ? Потери энергии при столкновении электронов с кристаллической решеткой проводника ? Нет, этого не наблюдается, и вообще быть не может. Так, что мешает свободному движению вихревых токов вдоль проводника ? Не знаете ? И никто ответить не сможет, - потому, что вся физика - брехня.

       Теперь парочка интересных мыслей по поводу сущности постоянных магнитов. В машине Говарда Р. Джонсона, точнее в патентной документации к ней, высказана вот какая идея: "Данное изобретение относится к методу использования спинов непарных электронов в ферромагнетике и других материалах, которые являются источниками магнитных полей, для производства мощности без потока электронов, как это происходит в обычных электрических проводниках, и к моторам с постоянными магнитами для использования данного метода при создании источника мощности. В практике данного изобретения спины непарных электронов, находящихся внутри постоянных магнитов, используются для того, чтобы создать источник движущей мощности единственно путем сверхпроводящих характеристик постоянных магнитов и магнитного потока, созданного магнитами, который управляется и концентрируется таким образом, чтобы ориентировать магнитные силы для постоянного производства полезной работы, такой как смещение ротора относительно статора". Отметим, что Джонсон пишет в своем патенте о постоянном магните, как о системе со "сверхпроводящими характеристиками" ! Токи электронов в постоянном магните - проявление реальной сверхпроводимости, для которой не требуется система охлаждения проводников, чтобы обеспечить нулевое сопротивление. Более того, "сопротивление" должно быть отрицательным, чтобы магнит мог сохранять и возобновлять свое намагниченное состояние.

       А что, вы думаете, что всё о "постоянниках" знаете ? Вот простой вопрос: - А как выглядит картина силовых линий простого ферромагнитного кольца ( магнит от обычного динамика ) ? Почему-то, исключительно все полагают, что также, как и у любого кольцевого проводника (а в книжках, естественно, ни в одной не нарисовано). И вот тут то вы и ошибаетесь !

       На самом деле ( см. рисунок ) в области, прилегающей к отверстию кольца, с линиями происходит что-то непонятное. Вместо того чтобы непрерывно пронизывать его, они расходятся, очерчивая фигуру, напоминающую туго набитый мешок. Он имеет, как бы две завязки – вверху и внизу ( особые точки 1 и 2 ), - магнитное поле в них меняет направление.

       Можно проделать классный опыт ( типа, нормально не объяснимый ;), - поднесём снизу к ферритовому кольцу стальной шарик, а к его нижней части металлическую гайку. Она тут же притянется к нему ( рис. а ). Здесь все понятно – шарик, попав в магнитное поле кольца, стал магнитом. Далее станем вносить шарик снизу вверх в кольцо. Здесь гайка отвалится и упадёт на стол ( рис. б ). Вот она, нижняя особая точка ! В ней изменилось направление поля, шарик стал перемагничиваться и перестал притягивать гайку. Подняв шарик выше особой точки, гайку вновь можно примагнитить к нему ( рис. в ). Эту приколку с магнитными линиями первым обнаружил М.Ф. Остриков.

       P.S.: И в заключение постараюсь почётче сформулировать свою позицию по отношению к современной физике. Я не против опытных данных. Если поднесли магнит, и он притянул железяку, - значит притянул. Если магнитный поток наводит ЭДС, - значит наводит. С этим не поспоришь. Но ( ! ) вот выводы, которые делают учёные, ... их объяснения этих и других процессов, порой просто смешны ( мягко сказать ). И не порой, а частенько. Практически всегда...