Старинная легенда рассказывает о пастухе по имени Магнус (у Льва Толстого в рассказе для детей «Магнит» этого пастуха зовут Магнис). Он обнаружил однажды, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к чёрному камню. Этот камень стали называть «камнем Магнуса» или просто «магнитом», по названию местности, где добывали железную руду (холмы Магнезии в Малой Азии).
Таким образом, за много веков до нашей эры было известно, что некоторые каменные породы обладают свойством притягивать куски железа. Об этом упоминал в 6 веке до нашей эры греческий физик и философ Фалес (Θαλῆς ὁ Μιλήσιος, 637/624 — 558/547 до н.э).

Первое научное изучение свойств магнита было предпринято в 13 веке ученым Петром Перегрином.
Пьер Пелере́н де Марику́р (фр. Pierre Pelerin de Maricourt) — французский физик XIII века, точные даты жизни неизвестны. Свои латинские труды он подписывал: Пётр Перегрин (лат. Petrus Peregrinus), то есть «пилигрим»; причина такого прозвища не ясна.

«Своей фамилией он обязан деревне Марикур в Пикардии, а прозвищу Перегринус, или Пилигрим, тому, что посетил Святую Землю в составе одной из крестоносных экспедиций того времени.

...В ходе работы над новым двигателем Перегринус постепенно пришел к рассмотрению более увлекательной проблемы самого вечного двигателя, в результате чего он показал, по крайней мере схематически, и к своему очевидному удовлетворению, как колесо может быть вечно управляемым силой магнитного притяжения».

Де Марикур первым в Европе предпринял систематическое экспериментальное исследование свойств магнитов и опубликовал результаты в обширном трактате «Послание о магните» (Epistola Petri Peregrini de Maricourt ad Sygerum de Foucaucourt, militem, de magnete).
Кроме магнетизма, де Марикур описал в трактате «Nova Compositio Astrolabii Particularis» устройство «универсальной астролябии», но нет сведений о том, что этот (довольно сложный) прибор реально кем-либо использовался.
В 1269 году вышло его сочинение «Книга (Послание) о магните», где он писал о многих фактах магнетизма: у магнита есть два полюса, которые ученый назвал северным и южным; невозможно отделить полюса друг от друга разламыванием. Перегрин писал и о двух видах взаимодействия полюсов — притяжении и отталкивании.

Вечный двигатель, изобретенный Петрусом Перегринусом: реконструкция

В заключение своего «Epistula de Magnetice» 1269 года Петр Перегринус де Марикур описал конструкцию постоянно движущегося зубчатого колеса, приводимого в движение магнитом. Эффективность устройства усиливается за счет небольшой округлой грузики из латуни или серебра, расположенной между двумя зубцами. По словам изобретателя, этот металлический шар «стремится к центру Земли за счет собственного веса, тем самым способствуя движению зубов». Во вторичной литературе и почти во всех переводах и перепечатках письма Перегрина этот вечный двигатель иллюстрируется изображением, взятым из печатного издания, опубликованного Ахиллом Гассером в 1558 году. Этот рисунок явно противоречит тексту и является отличается от множества рисунков того же устройства, которые можно встретить в рукописях. В этой статье различные рисунки машины Петруса сравниваются с текстом, приведенным в недавно опубликованном критическом издании письма Перегринуса Лорисом Стерлезе (1995). На примере других средневековых perpetua mobilia показано, как сохранившиеся иллюстрации этой конструкции необходимо несколько видоизменить, чтобы изобразить вечное движение, соответствующее тексту и физическим идеям XIII века.

Колесо Перегрина использует преобразование магнитной энергии магнита в кинетическую энергию с помощью гравитационного поля для перекалибровки. С помощью этого устройства возможен эффект перекалибровки, и мы сможем построить открытую систему для энергии ZPE, подобную водяному колесу...

Двигатель Джонсона с постоянными магнитами использует принцип постоянного дисбаланса магнитных сил между ротором и статором. Этот постоянный дисбаланс сил должен всегда поддерживаться в одном и том же направлении в течение всего оборота ротора (от 0 до 360 градусов). Таким образом, единственным источником энергии будет магнитная энергия магнитов.

Как можно видеть на рисунке QuickField ниже, магнитная конфигурация является периодической. Магнитная конфигурация воспроизводится каждые 45 градусов.

В своей конструкции я заметил, что очень важна форма небольшого изогнутого магнита (магнитного привода), а также зазор между ротором и статором. В большинстве случаев конфигурации (формы и зазора) вращение прекращается, поскольку магнитный привод блокируется на обратной плотности магнитного поля. Я проверил это с помощью симулятора QuickField, и это вызывает у меня некоторые трудности с поиском правильной настройки. Сегодня я думаю, что понял, как настроить мотор Джонсона.

На этом рисунке ниже вы видите общую настройку этого двигателя с постоянными магнитами.

“Ниже вы найдете пример плотности магнитного потока вокруг магнита привода (маленького бумеранга). Это самое важное, что нужно понять.
На кривой плотности магнитного потока вы увидите две впадины: первая — это плотность потока выше, а вторая — плотность потока под приводом. Вы заметите три пика: первый и последний — южный полюс магнита, а средний пик — северный полюс.
САМОЕ ГЛАВНОЕ для получения непрерывного вращения ПММ, это то, что плотность потока северного полюса ДОЛЖНА БЫТЬ ВСЕГДА НИЖЕ, чем плотность потока южного полюса. Если это условие выполняется всегда, при КАЖДОМ УГЛЕ поворота ПММ может вращаться непрерывно.
Если, к сожалению, только для одного угла наклон магнитной индукции изменится на противоположный, то ПММ остановится.....
Правильная настройка для получения этого условия для всех углов....”

В 1600 году вышло сочинение английского врача Уильяма Гильберта «О магните». К известным уже фактам Гильберт прибавил важные наблюдения: усиление действия магнитных полюсов железной арматурой, потерю магнетизма при нагревании и другие.

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед на лекции попытался продемонстрировать своим студентам отсутствие связи между электричеством и магнетизмом, включив электрический ток вблизи магнитной стрелки. По словам одного из его слушателей, он был буквально «ошарашен», увидев, что магнитная стрелка после включения тока начала совершать колебания. Большой заслугой Эрстеда является то, что он оценил значение своего наблюдения и повторил опыт. Соединив длинным проводом полюса гальванической батареи, Эрстед протянул провод горизонтально и параллельно свободно подвешенной магнитной стрелке. Как только был включён ток, стрелка немедленно отклонилась, стремясь встать перпендикулярно к направлению провода. При изменении направления тока стрелка отклонилась в другую сторону. Вскоре Эрстед доказал, что магнит действует с некоторой силой на провод, по которому идёт ток.

Открытие взаимодействия между электрическим током и магнитом имело огромное значение. Оно стало началом новой эпохи в учении об электричестве и магнетизме. Это взаимодействие сыграло важную роль в развитии техники физического эксперимента.

Узнав об открытии Эрстеда, французский физик Доминик Франсуа Араго начал серию опытов. Он обмотал медной проволокой стеклянную трубку, в которую вставил железный стержень. Как только замкнули электрическую цепь, стержень сильно намагнитился и к его концу крепко прилипли железные ключи; когда выключили ток, ключи отпали. Араго рассматривал проводник, по которому идёт ток, как магнит. Правильное объяснение этого явления было дано после исследования французского физика Андре Ампера, который установил внутреннюю связь между электричеством и магнетизмом. В сентябре 1820 года он сообщил Французской Академии наук о полученных им результатах.

Заслуги Араго в различных областях науки огромны. Обладая проницательным умом и необыкновенной наблюдательностью, он вносил новое в каждый из разделов, которым занимался. Так, например, живя уединённо на своих геодезических станциях в Испании, он заметил, что его зрение свободно проникало до морского дна, усеянного подводными камнями, и это простое наблюдение привело его к любопытнейшим исследованиям об отношении света, отражающегося от поверхности воды под острыми углами, к свету, идущему прямо с морского дна. Узнав это отношение, он применил его к открытию подводных камней посредством турмалиновой пластинки, вырезанной параллельно оси двойного преломления.

Затем Ампер в своем «станке» заменил раму свободно подвешенным спиральным проводником. Этот провод при пропускании по нему тока приобретал свойство магнита. Ампер назвал его соленоидом. Исходя из магнитных свойств соленоида, Ампер предложил рассматривать магнетизм как явление, обязанное круговым токам. Он считал, что магнит состоит из молекул, в которых имеются круговые токи. Каждая молекула представляет собой маленький магнитик, располагаясь одноимёнными полюсами в одну и ту же сторону, эти маленькие магнитики и образуют магнит. Проводя вдоль стальной полосы магнитом (несколько раз в одну и ту же сторону), мы заставляем молекулы с круговыми токами ориентироваться в пространстве одинаково. Таким образом, стальная пластинка превратится в магнит. Теперь стал понятен и опыт Араго со стеклянной трубкой, обмотанной медным проводом. Вдвинутый в неё железный стержень стал магнитом потому, что вокруг него шёл ток. Это был электромагнит.

В 1825 году английский инженер Уильям Стёрджен изготовил первый электромагнит, представляющий собой согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки. Для изолирования от обмотки стержень был покрыт лаком. При пропускании тока железный стержень приобретал свойства сильного магнита, но при прерывании тока он мгновенно их терял. Именно эта особенность электромагнитов позволила широко применять их в технике.

Термин «магнит», как правило, используется в отношении объектов, которые имеют собственное магнитное поле даже в отсутствие приложенного магнитного поля (Тип 1). Такое возможно лишь в некоторых классах материалов. В большинстве же материалов магнитное поле появляется в связи с приложенным внешним магнитным полем; это явление известно как магнетизм (Тип 2). Существует несколько типов магнетизма, и каждый материал имеет, по крайней мере, один из них.

В целом поведение магнитного материала может значительно варьироваться в зависимости от структуры материала и, не в последнюю очередь, его электронной конфигурации. Существует несколько типов взаимодействия материалов с магнитным полем, в том числе:

Ферромагнетики и ферримагнетики — материалы, которые обычно и считаются магнитными. Они притягиваются к магниту достаточно сильно — так, что притяжение ощущается. Только эти материалы могут сохранять намагниченность и стать постоянными магнитами (ИХМО наверное нет?). Ферримагнетики (Тип 2.1) сходны с ферромагнетиками (Тип 2.2), но слабее них. Различия между ферро- и ферримагнитными материалами связаны с их микроскопической структурой.

Парамагнетики — такие вещества, как платина, алюминий и кислород, которые слабо притягиваются к магниту (Тип 2.3). Этот эффект в сотни тысяч раз слабее, чем притяжение ферромагнитных материалов, поэтому он может быть обнаружен только с помощью чувствительных инструментов или очень сильных магнитов.

Диамагнетики — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля (Тип 2.4). Диамагнитные, по сравнению с пара- и ферромагнитными, вещества, такие как углерод, медь, вода и пластики, отталкиваются от магнита.
Все вещества, не обладающие одним из других типов магнетизма, являются диамагнитными; к ним относится большинство веществ. Силы, действующие на диамагнитные объекты от обычного магнита, слишком слабы, однако в сильных магнитных полях сверхпроводящих магнитов диамагнитные материалы, например кусочки свинца, могут пари́ть, а поскольку углерод и вода являются веществами диамагнитными, в мощном магнитном поле могут пари́ть даже органические объекты, например живые лягушки и мыши.
Также существуют и другие виды магнетизма, например спиновые стёкла (Тип 2.5), суперпарамагнетизм (Тип 2.6), супердиамагнетизм (Тип 2.7) и метамагнетизм (Тип 2.8).

Магни́т — тело, обладающее собственным магнитным полем. Возможно, слово происходит от др.-греч. Μαγνῆτις λίθος (Magnētis líthos), «камень из Магнесии» — от названия региона Магнисия и древнего города Магнисия в Малой Азии, где в древности были открыты залежи магнетита.
Магнети́т (устаревший синоним — магни́тный железня́к) FeO·Fe2O3 — широко распространённый минерал чёрного цвета из класса оксидов, природный оксид железа.

Физические свойства и константы

Излом неровный.
Хрупок.
Твёрдость 5,5—6,5.
Микротвёрдость по Бови и Тейлору 535—695 кгс/мм2, по Янгу и Миллмэну 490—660 кгс/мм2, по Гершойгу 412—689 кгс/мм2 при нагрузке на 100 г.
Удельный вес 4,8—5,3.
Цвет железно-чёрный, иногда с синеватой побежалостью на гранях кристаллов.
Черта чёрная.
Блеск металлический, иногда полуметаллический.
Полупроводник.
Электропроводность низкая.

Истинная удельная электропроводность монокристаллического магнетита максимальна при комнатной температуре (250 Ом−1·см−1), она быстро снижается при понижении температуры, достигая значения около 50 Ом−1·см−1 при температуре перехода Вервея (фазового перехода от кубической к низкотемпературной моноклинной структуре, существующей ниже TV = 120—125 К)[6].

Электропроводность моноклинного низкотемпературного магнетита на 2 порядка ниже, чем кубического (~1 Ом−1·см−1 при TV); она, как и у любого типичного полупроводника, очень быстро уменьшается с понижением температуры, достигая нескольких единиц ×10−6 Ом−1·см−1 при 50 К.
При этом моноклинный магнетит, в отличие от кубического, проявляет существенную анизотропию электропроводности — проводимость вдоль главных осей может отличаться более чем в 10 раз.
При 5,3 К электропроводность достигает минимума ~10−15 Ом−1·см−1 и растёт при дальнейшем понижении температуры.
При температуре выше комнатной электропроводность медленно уменьшается до ≈ 180 Ом−1·см−1 при 780—800 К, а затем очень медленно растёт вплоть до температуры разложения.
Кажущаяся величина электропроводности поликристаллического магнетита в зависимости от наличия трещин и их ориентировки может отличаться в сотни раз.

Не радиоактивен.
Сильно магнитен; некоторые магнетиты полярно магнитны (естественные магниты).
Точка Кюри для магнетита из различных месторождений колеблется от 550 до 600 K, среднее значение около 575 K (ниже её минерал ферромагнитен, выше — парамагнитен).
С уменьшением величины зёрен магнитность возрастает, также возрастает остаточная намагниченность.
Может изменять показания компаса. По данному признаку его можно найти: стрелка компаса показывает на магнетит и его залежи.

В ориентированном магнитном поле при охлаждении до 78 K кубическая ячейка магнетита переходит в ромбическую или в ячейку более низкой сингонии.

Химический состав и свойства

Теоретический состав: FeO — 31,03 %; Fe2O3 — 68,97 %, Fe — 72.36 %; O — 27.64 % .
Обычно магнетит содержит изоморфные примеси Ti, V, Mn, Mg, Al, Cr и др.; при повышенном содержании примеси выделяют разновидности магнетита (титаномагнетит, хроммагнетит и т. д.).
Имеются данные, что содержание в магнетите титана зависит от условий образования и в частности от температуры.
Раннемагматические магнетиты характеризуются повышенным содержанием хрома.
Для магнетитов рудных выделений отмечается повышенное содержание хрома и ванадия по сравнению с акцессорными магнетитами.

Обнаружена прямая линейная корреляция между содержанием ванадия и титана в магнетитах.
На Урале магнетиты из гранитоидов, связанных с габбро или с основными эффузивами, отличаются от магнетитов из пород гранитных формаций повышенным содержанием ванадия и титана.

Более низкотемпературные магнетиты содержат больше марганца, цинка и ванадия и меньше никеля, магния, а также других элементов-примесей.
Кальций типичен для магнетита пегматито-пневмалитовых тел.

Растворимость увеличивается при применении различных кислот в следующем порядке: H3PO4, H2SO4, HCl, HNO3.

Трудно растворяется в соляной кислоте (порошок заметно растворяется). Травится концентрированной соляной кислотой, особенно с электрическим током; другие стандартные реактивы не действуют. Полностью разлагается при сплавлении с KHSO4. Даёт микрохимическую реакцию на Fe3+ c KCNS на фильтровальной бумаге.

Перед паяльной трубкой не плавится. В окислительном пламени вначале превращается в маггемит, затем в гематит, теряя магнитные свойства.

Макроскопическая характеристика
Непрозрачен.
В тончайших шлифах просвечивает.
Изотропен.
В отражённом свете в полированном шлифе серый с заметным коричневатым оттенком, в лучах ртутно-кварцевой лампы тёмно-серый.
Пиковая отражающая способность — 22,3 %, при длине волны 400 нм, минимальная отражающая способность — 20,3%, при 500-520 нм.

Травлением HCl часто выявляется зональное строение зерен; иногда оно заметно без травления. Изредка наблюдается концентрически-зональная коллиморфная структура, иногда двойники. Некоторые зёрна и кристаллы магнетита в отражённом свете оказываются состоящими из буровато-серой и синевато-серой разностей. Первая из них по оптическим свойствам близка к обычному магнетиту. Вторая наблюдается в виде каёмок около зёрен первой или образует в них зоны и прожилки; обладает несколько повышенной отражательной способностью (22—23 %), более высоким рельефом, плохо травится HCl. Различие в составе этих разностей магнетита не выявлено[8].

Морфология кристаллов

Образует кристаллы кубической сингонии, точечная группа m3m (3L44L36L29PC по Браве), пространственная группа Fd3m (F41/d 3 2/m), параметры ячейки a = 8,397 Å, число формульных единиц (Z) = 8 (структура шпинели). Элементарная ячейка увеличивается при замещении Fe2+ на марганец; замещение Fe2+ на Co2+, Ni2+, а также Fe3+ на Al3+ и Cr3+, вызывает уменьшение размера ячейки.

Отмечена зависимость элементарной ячейки от происхождения магнетита: наиболее высокие значения a свойственны магнетиту метаморфических образований, наименьшие — магнетиту эффузивных пород[10].

Кристаллохимическая структура представляет собой каркас, состоящий из тетраэдрических и октаэдрических групп ионов кислорода, в которых расположены соответственно ионы трёхвалентного и двухвалентного железа[11]. Кристаллы обычно октаэдрические, реже додекаэдрические и очень редко кубического облика. Двойники нередки, иногда неделимые двойники уплощены[10].

Некоторые магнетиты имеют значительное количество ультра- и микропор. Суммарный объем пор зависит от условий образования, в частности. от температуры. Например средняя пористость магнетита из уральских месторождений магматического типа равна 2,6 %, а из контактово-метасоматических месторождений — 6,19 %. Магнетит ранней генерации обладает пористостью 4,4 %, а магнетит поздней генерации — 9,35 %. Наблюдалась почти в два раза большая пористость центральных частей некоторых частей кристаллов магнетита по сравнению с их периферическими частями, чем обусловлено избирательное изменение центральных частей кристаллов[8].

Может истираться в песок, который не теряет магнитных свойств. При поднесении магнита магнитный песок притягивается к полюсам магнита.
Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон. Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля).

Постоянный магнит — изделие, изготовленное из ферромагнетика, способного сохранять остаточную намагниченность после выключения внешнего магнитного поля. В качестве материалов для постоянных магнитов обычно служат железо, никель, кобальт, некоторые сплавы редкоземельных металлов (как, например, в неодимовых магнитах), а также некоторые естественные минералы, такие как магнетиты. Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля. Свойства магнита определяются характеристиками размагничивающего участка петли магнитного гистерезиса материала магнита: чем выше остаточная индукция Br и коэрцитивная сила Hc, тем выше намагниченность и стабильность магнита. Характерные поля постоянных магнитов — до 1 Тл (10 кГс).

Семейство петель магнитного гистерезиса электротехнической стали. Br — остаточная индукция, Hc — коэрцитивная сила, внешняя петля соответствует состоянию насыщения.

Постоянные магниты, изготовленные из магнетита, применялись в медицине с древнейших времен. Царица Египта Клеопатра носила магнитный амулет. В древнем Китае в «Императорской книге по внутренней медицине» затрагивался вопрос применения магнитных камней для коррекции в теле энергии Ци — «живой силы». В более поздние времена о благотворном влиянии магнитов высказывались великие врачи и философы: Аристотель, Авиценна, Гиппократ. В средние века придворный врач Гилберт, опубликовавший сочинение «О магните», лечил от артрита королеву Елизавету I при помощи постоянного магнита. Русский врач Боткин прибегал к методам магнитотерапии.

Первым искусственным магнитным материалом стала высокоуглеродистая сталь, закалённая на структуру мартенсита и содержащая около 1,2—1,5 % углерода. Магнитные свойства такой стали чувствительны к механическим и температурным воздействиям. В ходе эксплуатации постоянных магнитов на её основе наблюдалось явление «старения» магнитных свойств стали.

Легирование такой стали вольфрамом и хромом до 3 %, а позднее кобальтом до 6 % совместно с хромом до 6 % позволило доктору Хонда из Тохокского университета создать новый тип стали — КS — с высокой намагниченностью и значительной коэрцитивной силой. Для получения высоких магнитных свойств сталь подвергалась определённой термической обработке. Высокая остаточная индукция у магнитов из сталей KS достигалась уменьшением размагничивающего фактора. Для этого часто магниты выпускались удлинённой, подковообразной формы.

Исследования магнитных свойств сплавов показали, что они в первую очередь зависят от микроструктуры материала. В 1930 году был достигнут качественный скачок в получении новой микроструктуры твердеющих сплавов, и в 1932 году за счёт легирования стали KS никелем, алюминием и медью доктор Т. Мискима получил сталь МК.

Это значительный шаг в разработке ряда сплавов, получивших позднее общее название Альнико (по российским стандартам ЮНДК).

Существенный прорыв в этой области произвели в 1930-х годах японские ученые, доктор Ёгоро Като и доктор Такэси Такэи из Токийского технологического института. Замещение в составе магнетита части оксида двухвалентного железа на оксид кобальта при синтезе феррита по керамической технологии привела к созданию твёрдого раствора кобальтого и железного ферритов. Коэрцитивная сила данного типа феррита достигла 48—72 кА/м (600—900 Э). В Японии коммерческие ферритовые магниты появились приблизительно в 1955 году, в России — в середине 1960-х. Бариевые ферриты постепенно модифицировались в стронциевые, так как последние оказались более технологичными (не требовали очень точной регулировки температуры спекания и экологически были более безопасными). В составе ферритовых магнитов содержится 85—90 % оксида железа, который является отходом металлургической отрасли (с установки регенерации травильных хлоридных растворов Рутнера), что значительно удешевило производство.

Следующий значительный технологический прорыв произошел в лаборатории U.S. Air Force Material Research, где было найдено интерметаллическое соединение самария с кобальтом (SmCo5) с большой константой магнитокристаллической анизотропии. Постоянный магнит, изготовленный из такого материала, позволил достигнуть свойств (ВН)макс = 16—24 мегаГаусс-Эрстедах (МГсЭ), а на соединении Sm2Co17 — 32 МГсЭ, коэрцитивная сила была повышена до 560—1000 кА/м. Магниты из SmCo производятся промышленностью с 1970-х годов. В это же время было обнаружено соединение Nd2Fe14B. Магниты из этого материала появились и в Японии, и в США одновременно в середине 1980-х годов, но технология их производства разнилась. В Японии производство организовывалось по типу магнитов SmCo: производство порошка из литого сплава, затем прессование в магнитном поле и спекание. В США был принят meltspinning process: сначала производится аморфный сплав, затем он измельчается, и изготавливается композиционный материал. Магнитный порошок связывается резиной, винилом, нейлоном или другими пластиками в композиционную массу, которую прессуют (инжектируют) или каландруют в изделия. Магниты из композиционного материала имеют по сравнению со спечёнными несколько более низкие свойства, однако не требуют гальванических покрытий, легко обрабатываются механически, зачастую имеют красивый внешний вид, будучи окрашенными в различные цвета. Магниты из Nd2Fe14B появились на рынке постоянных магнитов в 1990-х годах и очень быстро достигли на спечённых образцах энергии в 50 МгсЭ (400 кДж/м3). Этот материал быстро вытеснил другие, в первую очередь — в миниатюрной электронике.

Свойства магнита

Свойства магнита определяются характеристиками размагничивающего участка петли магнитного гистерезиса материала магнита: чем выше остаточная индукция Br и коэрцитивная сила Hc, тем выше намагниченность и стабильность магнита.

Индукция постоянного магнита Bd не может превышать Br: равенство Bd = Br возможно лишь в том случае, если магнит представляет собой замкнутый магнитопровод, то есть не имеет воздушного промежутка, однако постоянные магниты, как правило, используются для создания магнитного поля в воздушном (или заполненном другой средой) зазоре, в этом случае Bd < Br, величина разности зависит от формы магнита и свойств среды.

Схематичное изображение линий магнитного поля у магнитов различной формы:

Схематичное изображение линий магнитного поля при взаимодействий двух магнитов в зависимости от расположения их полюсов (одинаковые полюса отталкиваются, разные — притягиваются):

Производство

Кольцеобразный ферритовый магнит динамика
Для производства постоянных магнитов обычно используются следующие материалы:[1]

Ферритовые магниты
Получают путём прессования и(или) спекания порошка оксидов железа с оксидами других металлов и представляет собой керамику.

бариевые и стронциевые магнитотвердые ферриты
Имеют состав Ba/SrO·6 Fe2O3 и характеризуются высокой устойчивостью к размагничиванию в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью. Несмотря на низкие по сравнению с другими классами магнитные параметры и высокую хрупкость, благодаря низкой стоимости магнитотвердые ферриты наиболее широко применяются в промышленности.

Редкоземельные магниты
неодимовые магниты NdFeB (неодим-железо-бор)
Редкоземельные магниты, изготавливаемые прессованием или литьем из интерметаллида Nd2Fe14B. Преимуществами неодимовых магнитов являются высокие магнитные свойства (Br, Hc и (BH)max), а также невысокая стоимость. В связи со слабой коррозионной устойчивостью обычно покрываются медью, никелем или цинком.

самариевые магниты SmCo (самарий-кобальт)
Изготавливаются методом порошковой металлургии из композиционного сплава SmCo5/Sm2Co17 и характеризуются высокими магнитными свойствами, отличной коррозионной устойчивостью и хорошей стабильностью параметров при температурах до 350 °C, что обеспечивает им преимущества на высоких температурах перед магнитами NdFeB. По магнитной составляющей мощнее ферритовых, но слабее неодимовых магнитов. В состав некоторых марок самариевых магнитов кроме основных элементов — самария и кобальта могут входить и другие добавки: железо, медь, эрбий, гадолиний, цирконий, цериевый мишметалл.

Магниты из сплавов металлов (литые магниты)
Отличаются механической стойкостью. В зависимости от марки и технологии изготовления могут иметь столбчатую, равноосную и монокристаллическую структуру.

магниты из сплава альнико (российское название ЮНДК)
Разработаны в 1930-х годах. Изготавливаются на основе сплава Al-Ni-Co-Fe. К их преимуществам можно отнести высокую температурную стабильность в интервале температур до 550 °C, высокую временну́ю стабильность параметров в сочетании с большой величиной коэрцитивной силы, хорошую коррозионную устойчивость. Важным фактором в пользу их выбора может являться значительно меньшая стоимость по сравнению с магнитами из Sm-Co.

магниты из сплава ални
магниты из сплава FeCoCr
магниты из сплавов драгметаллов
Высокими магнитными свойствами и способностью к деформации обладают сплавы кобальтоплатиновые, железоплатиновые, железопалладиевые сплавы[2].

Полимерные постоянные магниты (магнитопласты)
Изготавливаются из смеси магнитного порошка и связующей полимерной компоненты (например резины, винила). Достоинством магнитопластов является возможность получения сложных форм изделий с высокой точностью размеров, низкая хрупкость, а также высокая коррозионная устойчивость в сочетании с большой величиной удельного сопротивления и малым весом.

Применение
Магнитная мешалка

Дугообразный и плоский демонстрационные магниты. Северный полюс магнита окрашен в синий цвет, южный — в красный

Постоянные магниты индуктора (в корпусе) электродвигателя постоянного тока
Для применений при обычных температурах самые сильные постоянные магниты делаются из сплавов, содержащих неодим. Они используются в таких областях, как магнитно-резонансная томография, сервоприводы жёстких дисков и создание высококачественных динамиков, а также ведущей части двигателей авиамоделей, также применяются в ручных генераторах и в качестве поисковых магнитов.

Широкое применение постоянные магниты находят в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы.

Постоянные магниты на уроках физики обычно демонстрируются в виде подковы, полюса которой окрашены в синий и красный цвет, также бывают в виде стержней с окрашенными в разные цвета половинками и прямоугольные.

Отдельные шарики и цилиндры с сильными магнитными свойствами используются в качестве хай-тек украшений/игрушек — они без дополнительных креплений собираются в цепочки, которые можно носить как браслет. Также в продаже есть конструкторы, состоящие из набора цилиндрических магнитных палочек и стальных шариков. Из них можно собирать множество конструкций, в основном фермового типа.

Кроме того, существуют гибкие плоские магниты на полимерной основе с магнитными добавками, которые используются например, для изготовления декоративных магнитов на холодильники, оформительских и прочих работ. Выпускаются в виде лент и листов, обычно с нанесённым клеевым слоем и плёнкой, его защищающей. Магнитное поле у такого плоского магнита полосатое — с шагом около двух миллиметров по всей поверхности чередуются северные и южные полюса. Полимерная магнитная лента находится также внутри резинового уплотнителя дверок бытовых холодильников, тем самым одновременно равномерно уплотняя и удерживая дверки в закрытом положений[3].

Постоянные магниты широко используются в электротехнике: двигатели и генераторы постоянного тока (в том числе двигатели автомобильных стартеров) относительно малой мощности имеют статор с постоянными магнитами, также массово производятся синхронные двигатели и генераторы, где ротор содержит в себе постоянные магниты. Синхронные двигатели комбинированного типа (реактивные с постоянными магнитами) используются в качестве тяговых на электромобилях.

Термин «магнит», как правило, используется в отношении объектов, которые имеют собственное магнитное поле даже в отсутствие приложенного магнитного поля. Такое возможно лишь в некоторых классах материалов. В большинстве же материалов магнитное поле появляется в связи с приложенным внешним магнитным полем; это явление известно как магнетизм. Существует несколько типов магнетизма, и каждый материал имеет, по крайней мере, один из них.

В целом поведение магнитного материала может значительно варьироваться в зависимости от структуры материала и, не в последнюю очередь, его электронной конфигурации. Существует несколько типов взаимодействия материалов с магнитным полем, в том числе:

Ферромагнетики и ферримагнетики — материалы, которые обычно и считаются магнитными. Они притягиваются к магниту достаточно сильно — так, что притяжение ощущается. Только эти материалы могут сохранять намагниченность и стать постоянными магнитами. Ферримагнетики сходны с ферромагнетиками, но слабее них. Различия между ферро- и ферримагнитными материалами связаны с их микроскопической структурой.
Парамагнетики — такие вещества, как платина, алюминий и кислород, которые слабо притягиваются к магниту. Этот эффект в сотни тысяч раз слабее, чем притяжение ферромагнитных материалов, поэтому он может быть обнаружен только с помощью чувствительных инструментов или очень сильных магнитов.
Диамагнетики — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. Диамагнитные, по сравнению с пара- и ферромагнитными, вещества, такие как углерод, медь, вода и пластики, отталкиваются от магнита. Все вещества, не обладающие одним из других типов магнетизма, являются диамагнитными; к ним относится большинство веществ. Силы, действующие на диамагнитные объекты от обычного магнита, слишком слабы, однако в сильных магнитных полях сверхпроводящих магнитов диамагнитные материалы, например кусочки свинца, могут пари́ть, а поскольку углерод и вода являются веществами диамагнитными, в мощном магнитном поле могут пари́ть даже органические объекты, например живые лягушки и мыши[5].
Также существуют и другие виды магнетизма, например спиновые стёкла, суперпарамагнетизм, супердиамагнетизм и метамагнетизм.

Иногда намагниченность материалов становится нежелательной и возникает необходимость в их размагничивании. Размагничивание материалов может быть осуществлено тремя способами:

нагревание магнита выше температуры Кюри всегда ведёт к размагничиванию;
сильный удар молотком по магниту, или просто сильный удар ведет к размагничиванию.
поместить магнит в переменное магнитное поле, превышающее коэрцитивную силу материала, а затем постепенно уменьшать воздействие магнитного поля или вывести магнит из него.
Последний способ применяется в промышленности для размагничивания инструментов, жёстких дисков, стирания информации на магнитных карточках и так далее.

Частичное размагничивание материалов происходит в результате ударов, так как резкое механическое воздействие ведёт к разупорядочению доменов.

ВОПРОС:
Расскажите, пожалуйста, как будет действовать постоянный магнит в космосе? Как могут измениться его свойства? Будут ли отталкиваться или притягиваться магниты с разной полярностью?
ОТВЕТ:
Старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, кандидат физико-математических наук Андрей Алексеевич Шошин; “В космосе свойства магнита не изменятся: магниты по-прежнему будут отталкиваться и притягиваться, как на Земле”.

Литература

Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Вып. 7 «Физика сплошных сред». — М.: Мир, 1966
«ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ СПРАВОЧНИК» / под ред. Ю. М. Пятина. — М.: Энергия, 1980
Куневич А. В., Подольский А. В. Сидоров И. Н. Ферриты: Энциклопедический справочник. Магниты и магнитные системы. Том 1. — М.: Лик, 2004.
ГОСТ 24063-80. «Ферриты магнитотвёрдые. Марки и основные параметры» (с изменением № 1) // М.: Издательство стандартов. — 1986 г. Электронный вариант документа на сайте «Техэксперт».
ГОСТ 21559-76. «Материалы магнитотвёрдые спечённые. Марки» // М.: Издательство стандартов. — 1976 г. Электронный вариант документа на сайте «Техэксперт».
ГОСТ 25639-83. «Магниты литые постоянные. Технические условия» (с изменениями №№ 1-3) // М.: Издательство стандартов. — 1987 г. Электронный вариант документа на сайте «Техэксперт».
ГОСТ 24897-81. «Материалы магнитотвердые деформируемые. Марки» (с изменениями №№ 1-3) // М.: Издательство стандартов. — 1981 г. Электронный вариант документа на сайте «Техэксперт».
Для дополнительного чтения:
Strnat K., Hoffer G., Ostertag W., Olson J. C. Ferrimagnetism of the Rare‐Earth‐Cobalt Intermetallic Compounds R2Co17 // Journal of Applied Physics. — 1966. — Март (т. 37, № 3). — С. 1252—1253. — ISSN 0021-8979. — doi:10.1063/1.1708420.
Strnat K., Hoffer G., Olson J., Ostertag W., Becker J. J. A Family of New Cobalt‐Base Permanent Magnet Materials // Journal of Applied Physics. — 1967. — Март (т. 38, № 3). — С. 1001—1002. — ISSN 0021-8979. — doi:10.1063/1.1709459.
Чухров Ф. В., Бонштедт-Куплетская Э. М. Минералы. Справочник. Выпуск 3. Сложные окислы, титанаты, ниобаты, танталаты, антимонаты, гидроокислы.. — Москва: Наука, 1967. — Т. 2. — 676 с.
Каденская М. И. Руководство к практическим занятиям по минералогии и петрографии. — Москва: Просвещение, 1976. — 240 с.
Добровольский В. В. Геология, минералогия, динамическая геология, петрография.. — Москва: Владос, 2001. — С. 320. — ISBN 5-691-00782-3.
Бетехтин А. Г. Курс минералогии. — Москва: КДУ, 2007. — 721 с.
Зырянова Л.А. Минералогические таблицы (Самородные металлы и неметаллы, сульфиды и их аналоги, оксиды, гидроксиды, кислородные соли, галоиды). — Томск: Томский гос. ун-т, 2015. — С. 29. — 58 с.
Маттис Д. Теория магнетизма / под ред. И. М. Лифшица и М. И. Каганова. — Москва: Мир, 1967. — 408 с.
Dale, T. Nelson. The commercial granites of New England (англ.). — Washington: Govt. Print. Off., 1923. — P. 376. — 488 p.
Гильберт У. О магните, магнитных телах и большом магните — Земле. М., 1956
Edgar Zilsel, «The Origin of William Gilbert’s Scientific Method», Journal of the History of Ideas 2:1-32, 1941
Bochenski, Leslie «A Short History of Lunar Cartography» (April 1996) University of Illinois Astronomical Society
Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 217. — 688 с.
В. П. Карцев. Приключения великих уравнений М.: Знание, 1986.
Epistula Petri Peregrini de Maricourt ad Sigerem de Foucaucourt, militem, de magnete (Épître sur les aimants au soldat Siger de Foucaucourt, 1269), édi. par L. Sturlese, Pise 1995. Trad. D. Speiser et P. Radelet de Grave : "Le De magnete de Pierre de Maricourt. Traduction et commentaire", Revue d'histoire des sciences, vol. 28, no 3, 1975, p. 193-234. Résumé : Jean Daujat, Origines et formation de la théorie des phénomènes électriques et magnétiques, Hermann, 1945, 530 p.
https://www.vostlit.info/Texts/Dokumenty/France/XIII/1260-1280/Pierre_de_Maricourt/text.htm
http://jnaudin.free.fr/html/rmodmk3.htm
http://jnaudin.free.fr/html/peregrin.htm
http://jnaudin.free.fr/html/sm2qfld.htm
https://tsput.ru/res/fizika/ELECTRO_DREAM/PERSONS/peregrin.htm
https://archive.org/details/letterofpetrusp00pieriala/mode/2up
https://www.sbras.info/public-reception/question/kak-budet-deistvovat-magnit-v-kosmose
Пьер де Марикур. Послание о магните (1269) // Труды института истории естествознания и техники, Том 22. 1959

Картинка: www.freepik.com

С уважением к Вам
Научный руководитель команды проекта THYMUS
Крылов Руслан

Пишите мне: coor.spb@gmail.com