форма магнитного поля кольцевого постоянного магнита
Форма магнитного поля кольцевого постоянного магнита
К вопросу о магнитных силовых линиях.
Для начала разберемся с формами магнитных полей, и посмотрим, как проявляется действие сил притяжения и отталкивания. Возьмем магнит и пробный магнит и станем смотреть, какова реакция при приближении одного из полюсов пробного магнита к основному магниту. Обнаруживается, что при обходе полюсов мы сначала испытываем притяжение, а затем отталкивание. И оно неодинаково по всему объему.
Результат опыта приведен на рисунке 1. То есть существует зона полюса, где взаимодействие полюсов магнитов максимально и середина, где взаимодействие почти совсем не наблюдается независимо от полюса пробного магнита. Имеется только вращательный момент. При очень длинном магните зоны вытягиваются и почти сливаются с магнитом посредине. Для магнита конической формы на вытянутом конце силовое действие при той же силе проявляется на гораздо большем расстоянии от полюса, чем на плоском конце.
Из опыта следует, что величина, а точнее толщина этих зон возле полюса зависит от его площади поверхности. То есть с увеличением площади поверхности полюсного наконечника за счет большой площади острия конуса зона взаимодействия вытягивается и это явно видно у конусообразного магнита.
Конечно, при выполнении опыта нам приходится сильно держать пальцами пробный магнит, чтобы не дать ему развернуться, поскольку на него действует сила, выполняющая хорошо известное разворачивающее действие. Это либо соединение разноименных полюсов стык в стык, либо такое же соединение разноименных полюсов обоих магнитов попарно, плашмя.
Проведенные опыты показывают проявление сил с геометрической точностью. Если мы приближаем разноименные полюса, то и удерживать от разворота магниты нет необходимости, они притягиваются по линии действия силы. В случае сближения одноименных полюсов всегда существует некоторый разворачивающий момент силы.
Сразу возникает вопрос к классической электродинамике, а как она описывает момент силы по отношению к постоянным и электрическим магнитам. Оказывается, электродинамика этого вопроса вообще не касается.
Взамен предлагается и только для подобий электромагнитов понятие магнитного момента, что само по себе вызывает недоумение.
Опыт с железными опилками опровергает утверждение, что подобно электрическому диполю постоянный магнит в однородном магнитном поле стремится ориентироваться по полю, но не перемещается в нем.
Как же не перемещается? Ну и кто такой опыт поставил? Опыт в голове, наверное. На деле любой магнит, не закрепленный на опоре, стремится, так или иначе, соединится с другим магнитом или парой разноименных полюсов или полюс к полюсу разноименно.
Находясь между двумя другими магнитами третий магнит из любого положения притягивается одним из своих полюсов к ближайшему противоположному по названию.
Вывод вполне очевидный, магнитный поток стремится замкнуться. Примером является кольцевой магнит, если сомкнуть как можно ближе его полюса.
Сила взаимодействия в большой степени зависит от формы магнитных полей. Из опыта видно, чем больше площадь поверхности полюса магнита, тем меньше ширина зоны притяжения или отталкивания и наоборот, при приближении любого полюса другого магнита. И тогда совершенно неверно принятое сегодня изображение магнитных силовых линий в виде:
И в опыте с опилками картина совсем другая, совершенно доказывающая, что единственное устойчивое положение магнитов стрелок в свободном состоянии, не закрепленных опорой и действием сил трения и любых других сил, кроме самих магнитных, это положение как можно ближе к полюсу. И к его острым краям. А ведь опилки и есть незакрепленные магнитные стрелки (намагниченные уже, или намагничиваемые в процессе приближения к полюсу).
И все это зависит в большой степени от геометрии самого магнита. Соответственно и расположения зон притяжения и отталкивания. Зон взаимодействия.
То есть, у конусообразного магнита шуба из опилок на остром конце всегда по длине бороды больше, чем на тупом.
Рис. 3а 
Если мы насыпаем опилки на лист бумаги, расположенный над магнитом, или электромагнитом мы тоже не увидим никаких линий, а лишь результат работы силы трения. И известного правила: магниты соединяются разноименными полюсами, а составные магниты ориентированные одинаково отталкиваются разноименными полюсами. К первой же упавшей пылинке начнет притягиваться в стык следующая и т.д. некоторое подобие линий будет вырисовываться, но это все равно, что руками положить намагниченные иголки, можно и ежика сотворить.
Свойство бандажа и якоря.
Почему это происходит? В силу легкости намагничивания мягкого железа.
Наличие якоря на полюсе увеличивает его площадь, но уменьшает зону действия. Поэтому на коротких расстояниях сила магнита больше, при увеличении расстояния резко уменьшается.
Следует помнить, что увеличение толщины якоря или бандажа может привести к полному «экранированию» магнитного потока. Она должна подбираться экспериментально. НА САМОМ ДЕЛЕ никакого экранирования не происходит. Происходит рассеивание магнитного потока.
Еще одно свойство магнита – сила притяжения на острых, выступающих краях полюса больше, чем на плоских. Это совпадает с эффектом из электростатики. Намек. Форма управляет силой.
сила магнита зависит от формы наконечника и определяется площадью заостренной части.
В некоторых учебниках и методических указаниях типа:
Арнольд Р.Р. «Расчет и проектирование систем с постоянными магнитами» Энергия М. 1969. стр. 12 утверждается, что краевой эффект на гранях магнита обусловлен тем что поле вне магнита направлено противоположно полю внутри магнита. Уменьшение краевого эффекта достигается применением полюсных наконечников из магнитно мягкого материала.
Предполагая, что магнетизм не является произведением самого магнита, а является следствием прохождения через него внешнего излучения (земного магнитного потока, либо потока сгенерированного соленоидом), аналогично и с эффектом острого конца из электростатики природа и краевого эффекта у магнитов имеет те же корни. А именно большая поверхность контакта с окружающей средой. Таким образом имеем диполь, с одного конца вход для излучение, а со второго выход.
При интересной форме бандажа возможно создание псевдомонополя
Магнитные силовые линии о необходимости описания магнитных полей которыми все время твердят большевики от электродинамики, если это можно так сказать, фиктивны. На самом деле их не существует. А если уж на то пошло, и нам позарез для чего-то понадобились, то изображать их надо как входящими и выходящими из постоянного магнита, а не замыкающимися в основном на самом магните. Магнит не является носителем магнитного поля сам по себе, поле это организуется намагничиванием токами, и взаимодействует с полями других магнитов. Организация этого поля целиком ложится на внутренние структурные и качественные преобразования материала магнита. Точнее сам материал магнита приводится в состояние способное проводить внешнее электромагнитное излучение.
Точно так налипают опилки просто на магните.
В этом и состояла, наверное, ошибка Фарадея (это он ввел понятие магнитных силовых линий), не позволившая заметить очевидный факт. Железные опилки намагничиваются магнитом и выстраиваются друг за другом, образуя линии, только если их насыпать на бумагу. Но каждая такая линия тоже является уже составным единым магнитом, а соседние линии отталкиваются в силу правила отталкивания одноименных полюсов.
И загибаются и замыкаются линии на соседнем полюсе только по причине трения о бумагу или магнитно взаимодействуя друг с другом. А магнитные стрелки показывают лишь потенциальное стремление к полюсу, поскольку закреплены на опоре.
Для взаимодействия нескольких магнитов.
рис. 11.
Не заполненные опилками зоны в начале налипания небольшого количества опилок показывают, что в данных местах просто сила магнита меньше. Но это до поры до времени. По мере поступления новых опилок изменится конфигурация составного магнита, поскольку опилки намагничиваются, в общем все это представляет собой единую систему. А изменение это динамический процесс, он зависит от формы опилок (однородности), размера, от равномерности налипания. В конце концов, даже от расстояния от руки сыплющего и даже от отклонения магнита от первоначального положения. С каждой новой опилкой меняется форма составного магнита а, следовательно, и его сила в данном конкретном месте ее падения. То есть изменяется конфигурация поля. В среднем по завершении процесса прилипания мы увидим составной магнит совершенно другой формы, чем вначале. Да и будет ли эта система магнитом по свойствам – нет не будет, поскольку при насыщении ни притяжения ни отталкивания опилок мы не обнаружим. Это говорит о том что магнитный поток на таком бандаже из опилок полностью замкнется. А в точности такую же форму бороды в случае повторной такой операции мы не получим. Совпадение будет лишь в общих чертах.
Демонстрация налипания опилок на сибирского колю после распиливания и естественного разворота на 180 градусов.
Для соленоида действия практически не наблюдается с боковой поверхности цилиндра. Особенно это касается достаточно длинных соленоидов.
Если внутрь однослойного соленоида на листе бумаги внести опилки и пустить большой ток, явно наблюдается утолщение их концентрации вблизи оси. Редко в каких монографиях упоминается об этом эффекте.
Достаточно трудно обнаруживается краевой эффект, только при использовании сердечника или ярма.
Если на торец соленоида положить лист бумаги и насыпать опилки, пустить импульсный ток, то вблизи оси наблюдается пляс опилок, причем вихреобразный. Концентрация опилок вблизи оси больше чем на периферии и опять увеличивается вблизи проводов обмотки. Это тоже нигде не обсуждается. Везде пишут о равномерном распределении силовых линий внутри соленоида.
Замечание о плотности силовых линий.
Ну, оценить эту величину можно только по числу магнитов непосредственно притянутых к полюсу, касающихся него. А магниты могут иметь разный размер. Это касается и железных опилок, так как они намагничиваются. То есть чем больше магнитов, тем больше плотность того, что видим, (см. рис 8.) то есть такая плотность даже зрительно дает вполне неопределенное впечатление о силе магнита.
Силу магнита можно оценить более точно весом прилипшего к нему материала, или силой, с которой надо это материал отодрать от полюса магнита. Это как раз везде и практикуется.
В силу представленных опытных данных можно заключить, что измерение напряженности не является прямой силовой характеристикой, поскольку все известные датчики работают по принципу закрепленной на опоре магнитной стрелки или токовой рамки. А раз так, то они не показывают реальной силы, а лишь разницу сил между двумя полюсами, тянущими стрелку каждый в свою сторону. И зависят напряженность от расстояния измерителя от того или иного полюса. Так и с магнитной стрелкой на опоре, ее саму раздирает сила притяжения обоих полюсов. И посредине магнита та сила растяжения максимальна. Поэтому и опилок посредине не налипает.
Заблуждением является и описание вектора магнитной индукции для проводников с током. Но это уже отдельная тема, требующая не чуть не меньше внимания.
Использование встречной обмотки для намагничивания цельного «составного» магнита.
Использование встречной обмотки для магнитных головок дает значительный выигрыш (около 2-х раз) в расстоянии и силе магнита. Позволяет при существующем зазоре между полюсами значительно увеличить расстояние до магнитного носителя и намагничивать носитель, то есть магнитный диск или ленту не параллельно магнитному потоку между полюсами магнитной головки, а перпендикулярно, одним полюсом к головке.
Красным цветом показаны линии одинаковой напряженности (индукции).
Кстати, внутри катушки поле в принципе неоднородно, провода отдельные в смысле витки и способов намотки имеется множество.
Вообще прецизионной проверки возможной разницы в силе действия различных полюсов не проводилось.
Рис.16 рис.17 рис. 18 рис. 19
Уплотнение по оси его величина зависит от силы тока и диаметра витка. Практически не исследовано.
В кольцевых постоянных магнитах данного эффекта не замечено.
Нам втолковывают, не смотря на четкое и вполне правильное определение вектора магнитной индукции:
Следующую картинку с демонстрацией правила буравчика:
Где вектор индукции располагается по касательной к окружности описанной вокруг проводника. То есть не одного вектора, а множества векторов, не существующих на самом деле, поскольку даже их равнодействующая равна нулю!
Одно немаловажное замечание. Полюсов у отрезка проводника с током нет. Полюса есть только у рамки с током. По оси.
А теперь посмотрим на опыт, сделанным Эрстедом, магнитная стрелка находится под проводом и первоначально до включения тока параллельна ему. После включения тока устанавливается перпендикулярно проводу.
Куда в данном случае направлен вектор. По идее у провода во все стороны от оси провода, а у магнитной стрелки по касательной к окружности вокруг провода.
Как привычно и рисуют
То есть и у провода и у стрелки вектор имеет одно направление, а это означает, что у провода есть полюса как у подковообразного магнита, почему-то направленные сверху к стрелке. Это воплотилось в знаменитом правиле «буравчика» правый винт по направлению тока показывает направление вектора. А магнтная стрелка притягивается, причем серединой к проводу.
А у самого провода вектор магнитной индукции является вихревым и определен быть не может. Только во взаимодействии с магнитом. Тогда правило буравчика отражает не вектор, а направление движения вихря, взаимодействующего с магнитом. Причем направление это выбрано произвольно. Исходя из произвольно выбранного направления в самом определении вектора магнитной индукции.
И как быть с тем, что проводник с током просто выталкивается из магнитного потока между полюсами подковообразного магнита, независимо от полюса и направления самого тока? В какую сторону в данном случае неважно, важно что в нейтральную зону, свободную от магнитного потока. При этом сам магнит ПРИТЯГИВАЕТСЯ СЕРЕДИНОЙ.
И это взаимодействие не вписывается в определение вектора магнитной индукции.
Вывод только один, нам нужен не вектор магнитной индукции, а вектор силы и момент силы.
Такая же картина и с двумя проводниками с током. Опыты Ампера.
В данной интерпретации совершенно забывается о действительно проведенных Эрстедом опытах. Первоначально угловое (линейно зависящее от расстояния до проводника), только стремящегося к строго перпендикулярному положению магнитной стрелки при достижении определенного значения тока. Приведем реконструкцию опытов, выдержку из готовящейся к выпуску обширной работе по магнетизму.
На рис. 16,17,18,19 представлено распределение железных опилок вокруг проводника с током, внутри витка с током и внутри катушки с током. В последнее время из учебников постепенно исчезают описания подобных опытов, и говорится об однородности магнитного поля внутри катушки с током, и вообще игнорируется факт уплотнения опилок по оси соленоида.
Опытные данные, полученные автором, говорят об ином. Проводилась проверка расположения опилок на торце соленоида с импульсным питанием. Наблюдалось уплотнение с некоторым смещением от оси соленоида, и «пляс» указанного уплотнения с частотой питающего тока. Само смещение может быть объяснено как неравномерностью намотки катушки, так и взаимодействием с другими полями. Естественно, само уплотнение зависит от диаметра катушки и величины питающего тока.
В общем, общепринятое обозначение магнитных силовых линий должно трансформироваться.
У катушки с током наблюдаются точно такой же краевой эффект, что и у постоянного магнита. К ней точно также применима и коническая форма с усилением дальности действия поля. Особенно это сказывается при применении сердечника.
К магнитным доменам.
Как удалось выяснить…
Рис. Доменная структура массивных магнитоодноосных кристаллов на плоскости, параллельной ОЛН (а, б) и перпендикулярной ОЛН (в). Структура выявлена с помощью магнитной суспензии (а, б) и эффекта Керра (в). Стрелками на рис.5а обозначены векторы Js
Вот только направление намагниченности под вопросом.
Все дело в том, что при использовании магнитной суспензии (ферромагнитной), любая частица намагничивается и притягивается к любому полюсу, поэтому оценить визуально к какому именно невозможно.
К северному или южному. При этом и ориентация намагничивающего магнита в учет не берется, и направление выбирается чисто условно.
В качестве примера и приведен рисунок, взятый из одной, первой попавшейся научной работы.
Поэтому границы домена –П равда в литературе практически никогда не указывают позитив или негатив при этом публикуется. Так что за темные области можно принять и ненамагниченные участки.
Очень редко показывается направление намагничивания. К этому не слишком строго относятся и иногда даже одно направление выдают за обратное. А аккуратность в этом деле первое.
Еще один минус. Очень часто в работах не показано с торца или боковой поверхности берется отпечаток.
На представленном рисунке показано различное направление намагниченности соседних доменов боковой стороны образца. На самом деле черные полосы просто показывают места, где намагниченных частиц притянуто больше, а светлые полосы показывают места, где намагниченности нет вовсе или она ослаблена. То есть сам домен и есть черная полоса. Если бы порошок не размазывался насильно, а насыпался, то эта полоса посреди образца была бы обозначена менее четко либо вовсе отсутствовала. Как видно на фотографии домен проходит через весь образец по всей длине и ветвится только на полюсе образца.
Это в свою очередь является проявлением все того же краевого эффекта и у отдельных доменов.
Или вот из этой же работы показаны вектора направления намагниченности. О какой намагничиваемости идет речь.
Внутри любого материала при продольном намагничивании из неоднородной структуры появляются неидеальные магниты, которые отталкиваются друг от друга по известным принципам. То есть, междоменная стенка на самом деле это не обсыпанная опилками зона, где просто отсутствует такой же по силе магнитный поток.
И вообще, в ненамагниченном материале как таковых доменов, от фонаря нет. Они появляются только от взаимодействия с магнитным полем земли или искусственно созданным. И нет никакой спонтанной ориентации типа
Это не спонтанная ориентация, а зоны различной степени уже намагниченности
Тем боле что, как правило, это вид на образец сверху, тогда как магнитное поле направлено снизу.
Вот так трактуют доменную структуру
А вот так она графически выглядит на самом деле, замыкание в области ветвления отсутствует. Стрелки просто надо стереть и расставить на ветках. Это просто аналог зон налипания опилок.
А вот так выглядит отдельный домен.
То же касается и цилиндрических магнитных доменов. Полное отсутствие разных направлений намагниченности. И дело только в разной степени намагниченности светлых и темных зон.
ДОПОЛНЕНИЕ 1. от 26.09.2010
Из чего пришлось заняться проблемой, провести опыты и написать данное дополнение. Экранировать нельзя но, используя магниты и бандажи можно создать такую конфигурацию, что даже такой сильный магнитный поток (антенна в 5- 8 метрах над головой) не экранируется, а перенаправляется в сторону.
В учебнике Ландсберга приведен такой рисунок касающийся магнитной защиты c комментариями автора, из которых следует, что
при помещении железного кольца в магнитное поле линии магнитного поля даже при большой ширине кольца остаются, не замыкаются и восстанавливают конфигурацию после кольца.
Тут в отличие от ярма или башмака имеет место действие одного полюса для постоянного магнита, или попеременное действие разных полюсов для электромагнитного (радио) излучения. То есть имеет место Якорь.
На самом деле при достаточной ширине кольца магнитный поток практически целиком проходит по всему кольцу, и как в случае с ярмом не замыкается согласно следующей схеме,
поскольку происходит частичное (не до насыщения) намагничивание кольца одним полюсом или периодическое перемагничивание в случае радио. Здесь мы как бы видим якорь и при определенной конфигурации такого якоря можно даже усилить действие, например, взяв только половинку кольца и перевернуть его, получится бандаж. В чем разница ярма и якоря. Ярмо целиком замыкает магнитный поток между полюсами, якорь этого не делает. Он за счет своей формы либо ослабляет излучение, либо усиливает. Именно поэтому конический наконечник в виде усеченного конуса из мягкого железа на полюсе производит усиливающий эффект в части дальнодейсвия типа фокусировки..
Мною был проведен опыт с использованием магнита и П-образного якоря из пластин от сердечника трансформатора
В данном опыте при помещении железного стержня в центр кольца силы притяжения его во все стороны почти одинаковы, что говорит о практической однородности магнитного потока внутри кольца. То же и снаружи кольца почти во всех точках по поверхности, исключая совсем близкие к полюсу точки, так как ребро кольца не полностью закрывает сам полюсной наконечник магнита. О чем это говорит в рамках современного определения «силовых линий»? Они не пронизывают кольцо, а исходят из него во все возможные направления. Таким образом, бандаж любой формы не является экраном, а лишь несколько ослабляет действие магнитного потока, дает возможность направить в любую удобную сторону и ослабление потока зависит от площади поверхности и толщины бандажа.
Зная силу полюсного наконечника, можно опытным путем определить зависимость ослабления от формы и массы бандажа. Но это уже не являлось самоцелью.
Представление силовых магнитных линий в интерпретации Фарадея и особенно развитое Максвеллом не является правильным, поскольку для их построения в опытах используется ферромагнитный материал (намагничивающийся, или уже магнит), являющийся по сути своей проводником, и очень прекрасным проводником магнитного потока. Не излучателем как «вечный двигатель», вечным генератором магнитного поля, а именно проводником. Взаимодействие северного и южного полюсов поэтому достаточно облегчается. То есть происходит замыкание магнитного потока через проводник, лучший чем воздух, и любой другой материал или вакуум. Доказательством этому служит простой опыт с подковообразным магнитом, в зазор которого плотно вставляется магнит. Свойства такого закольцованного магнита коренным образом изменяются, магнитный поток почти полностью замыкается и опилки к магниту (кроме зазоров, неплотность ) почти не прилипают.