Невидимые силы: ученые Пермского Политеха рассказали о магнитах

Магниты бывают разными

Это может быть природное и искусственное тело или даже техническое устройство, способное создавать вокруг себя магнитное поле, которое притягивает стальные предметы. Для его создания необходимо сначала расплавить ферромагнитный материал, например, железо, никель, кобальт или их смеси, затем придать нужную форму, обработать теплом и намагнитить получившиеся заготовки.

Наиболее распространены постоянные магниты, которые могут самостоятельно удерживать свое поле без внешнего источника энергии. Мы сталкиваемся с ними в быту — в компасах, банковских картах, карточках метро и аудиоаппаратуре. Есть и более мощные редкоземельные, которые, как и предыдущие, являются постоянными, но за счет высокой силы притяжения находят применение в более ответственных областях – космической и авиационной технике, сложных акустических и компьютерных системах.

«Электромагниты отличаются сильным полем, которое возникает при протекании электрического тока, что позволяют «включать», «выключать» и регулировать напряженность с помощью специальных микросхем и контроллеров. Благодаря этим возможностям их активно используют в электродвигателях, реле и медицинских устройствах, в том числе в томографах (МРТ). В покое такие объекты могут иметь остаточную намагниченность. В качестве примера природного материала с незаметной энергией можно привести железную руду», — рассказывает Егор Разумовский, аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского Политеха.

Почему магнит часто делают в форме подковы?

У магнитов есть оптически невидимые силовые линии, которые выходят с одной стороны и входят с другой. В обычном прямом теле они расходятся в разные стороны, рассеивая поле. Однако искривление в форме подковы позволяет значительно улучшить характеристики этой материи.

«Подковообразный магнит имеет полюса, расположенные близко друг к другу, что концентрирует силовые линии, поле становится более плотным и мощным. Это повышает эффективность и делает его полезным для проведения различных опытов, поднятия металла и использования в технических устройствах», — рассказывает эксперт Пермского Политеха.

Притяжение не вечно

Материал действительно размагничивается со временем, хотя и не всегда полностью. Это может произойти из-за незначительных вибраций, ударов и нагревания, которые нарушают упорядоченное расположение частиц, отвечающих за притяжательные свойства. Кроме того, воздействие противоположных магнитных полей может «перенастроить» области, где атомы находятся хаотично. Даже при отсутствии внешних воздействий со временем внутренние процессы в материале ослабевают.

«Если нагреть магнит до определенной степени, он практически полностью потеряет свои свойства. Это обнаружил в 1895 году ученый-физик Пьер Кюри, в его честь названа точка Кюри – температура, вблизи которой в веществе происходят специфические изменения многих физических свойств. Она варьируется в зависимости от материала. Например, для чистого железа составляет около 770°C, для никеля — 358°C, а для некоторых сплавов может быть и ниже», — отмечает Егор Разумовский, аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского Политеха.

Почему у Земли есть магнитное поле?

Магнитное поле нашей планеты — это результат динамического взаимодействия жидкого ядра, конвекции, вращения планеты и электрических токов. Этот сложный процесс самоподдерживается и простирается в космос, защищая нашу планету и космонавтов, находящихся на низкой околоземной орбите, от космических лучей.

«Примечательно, что географические не совпадают с магнитными полюсами Земли. Почему так происходит: ферромагнитные элементы движутся в конвекционных потоках в жидком внешнем ядре нашей планеты, формируя магнитное поле. Эти потоки образуются из-за разницы температур, более горячие участки поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз. Такие движения создают электрические токи, однако процесс — геодинамо — не идеально симметричный из-за неравномерно распределенного железа, поэтому поле не всегда идеально выстраивается вдоль оси вращения Земли», — поясняет Егор Разумовский.

Магнитное поле создает северное сияние

Солнце постоянно излучает поток заряженных частиц – солнечный ветер. Встречая Землю, он формирует магнитосферу – область, где доминирует земное магнитное поле, сжатое со стороны звезды и вытянутое в «магнитный хвост» на ночной стороне.

«Несмотря на защиту магнитосферы, некоторые частицы солнечного ветра проникают в нее, особенно у полюсов, где силовые линии магнитного поля сходятся. Достигая верхних слоев атмосферы, поток заряженных частиц сталкивается в общей массе с атомами кислорода и азота. Это приводит к возбуждению атомов и переходят в неустойчивое состояние. Далее следует релаксация и переход в основное состояние посредством излучения фотонов, которые и создают видимое нашему зрению свечение полярного сияния», – поясняет эксперт Пермского Политеха.

Цвет сияния зависит от типа газа и высоты, на которой происходит столкновение. Зеленый оттенок обычно наблюдается на расстоянии около 100 км от поверхности Земли, а красный — в более высоких слоях. Таким образом, картина северного сияния — результат сложной комбинации высоты, типа атомов и уровня возбуждения, что и создает его удивительную цветовую гамму.

Магнита с одним полюсом не существует

Уравнения Максвелла, которые являются основой электромагнетизма, запрещают существование монополей — отдельных «северных» или «южных» полюсов.

«Разрезание магнита — это не разделение его полюсов, а создание меньших его частей, каждая из которых имеет свою полярность — «плюс» и «минус». Намагниченность обусловлена ориентацией магнитных моментов электронов в доменах внутри материала, которые остаются выстроенными даже после разделения, — говорит Егор Разумовский.

Важно понимать, что возникновение магнитного поля — это результат сложного взаимодействия на разных уровнях: от квантовых эффектов, связанных с движением и расположением электронов, до макроскопических эффектов, которые не позволяют создать однополюсный объект. Именно эти фундаментальные законы физики не дают разделить его на отдельные полюса, поскольку они всегда существуют как диполи».

Удерживают от нескольких грамм до сотни тонн

«В общем случае чем больше размер магнита, тем большую «силу» притяжения он имеет. Подковообразные тела, как мы уже обсуждали, «концентрируют» поле и поэтому могут иметь большую грузоподъемность, чем стержневые магниты того же размера. Плоские сувениры на холодильнике удерживают несколько граммов, в то время как промышленные подъемники, использующие мощные постоянные или электромагниты, способны поднимать десятки тонн стали», — поясняет Егор Разумовский, аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского Политеха.

Эффективны ли магниты для лечения?

«Магнитотерапия — это метод лечения, который использует магнитные поля для воздействия на организм человека. Они, в свою очередь, могут расширять кровеносные сосуды, улучшают кровоток и активируют метаболические процесы в клетках, способствуют восстановлению и регенерации. Это может быть полезно при заживлении травм и повреждений тканей. Еще процедура воздействует на нервные окончания, снижая болевую чувствительность, что делает ее полезной для лечения хронической боли, артрита и других заболеваний, сопровождающихся болевыми ощущениями», – рассказывает Сергей Солодников, научный консультант по вопросам фармакологии НОЦ «ХимБио» Пермского Политеха, кандидат медицинских наук.

Обычно используют низкочастотные электромагнитные поля (1-100 Гц). Во время работы аппарата поле обеспечивает непрерывное воздействие, а переменное (пульсирующее) позволяет регулировать интенсивность и частоту потока на организм. Пространственная неоднородность полей вызывает в электропроводящих движущихся средах (кровь и лимфа), формирование сил, которые существенно увеличивают скорость течения крови и активирует метаболизм тканей.

«Сложномодулированная низкочастотная магнитотерапия основана на биологической активности индуцируемымых в организме электрических полей и токов. Они увеличивают скорость проведения импульсов по нервным проводникам и уменьшают периневральный отек. Это приводит к ослаблению, а затем и прекращению импульсации из болевого очага. За счет увеличения колебательных движений белков плазмы крови происходит активация локального кровотока и усиление кровоснабжения различных органов и тканей», – добавляет Регина Ларионова, старший преподаватель Пермского Политеха.

Магнитные поля, воздействуя на ткани вокруг сустава, улучшают микроциркуляцию, что ведет к повышению доставки кислорода и питательных веществ к клеткам, а также более эффективному выведению продуктов метаболизма. Это создает благоприятные условия для регенерации тканей и ускорения процессов заживления повреждений. Кроме того, магнитотерапия оказывает расширяющее воздействие на артерии мышечного типа.

Терапия магнитами может способствовать улучшению обмена веществ, помогает в борьбе с лишним весом. Некоторые исследования показывают, что после нее у человека снижается уровень стресса и повышается качество сна. Все это положительно сказывается на общем состоянии здоровья. Эффективность может варьироваться в зависимости от индивидуальных особенностей пациента и конкретных заболеваний.

Показаниями к медицинской процедуре могут быть артриты и артрозы различных суставов, бронхиальная астма, варикозная болезнь, воспалительные заболевания матки и придатков в период стихания острого процесса, гематомы, гипертония I – II стадии и другие нарушения здоровья. Если у человека туберкулез, эпилепсия, заболевания крови или сердца, есть психические отклонения, встроены кардиостимуляторы или наблюдается пониженное артериальное давление, то лечение магнитами не подходит.

ПНИПУ

1053 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше