Стальные магниты. Образцы магнитов

Искусственные магниты делаются из стали и в зависимости от своего назначения имеют разнообразную форму (рис. 2), например:

1) прямой брусок — обычный, так называемый полосовой магнит;
2) дугообразный, обычной формы, для измерительных приборов и магнето;
3) дугообразный, особой формы, для измерительных приборов;

4) подковообразный — обычная форма игрушечного магнита для детских забав;
5) со сближенными полюсами для электрических счётчиков;
6) и 7) кольцевые и полу кольцевые для телефонных трубок и громкоговорителей;

8) в виде вытянутого ромба — так называемая магнитная стрелка для всевозможных опытов, для компасов, буссолей и т, д.;
9) цилиндрический стержень для точных измерительных приборов (магнитометров); тонкие стержни (спицы) применяются (группами) в компасах (морских, авиационных);
10) полый цилиндр, в магнитометрах.

Рис. 2. Различные формы стальных магнитов

В физическом кабинете нужно иметь самое меньшее три пары номеров: 1, 2 и 8.

От хорошего магнита, применяемого в точных измерительных приборах (гальванометрах, счётчиках, магнитометрах), требуется постоянство. Это значит, что магнит должен сохранять долгое время без изменения свою намагниченность и не терять её от изменения температуры и от сотрясений; для достижения такого постоянства необходимо подобрать материал для изготовления магнита и магнит специально обработать.

Для магнитов применяются: вольфрамовая сталь (5—6% вольфрама); хромистая сталь (2—6% хрома); кобальтовая (30—40% кобальта, 4—6% вольфрама); кобальт-хромовая сталь (5—12% хрома, 5—30% кобальта).

За последние 20 лет металлургическая промышленность стала производить новые магнитные сплавы, обладающие весьма значительным остаточным магнетизмом и значительной коэрцитивной силой; поэтому такие сплавы особенно пригодны для изготовления постоянных магнитов, обнаруживающих по сравнению с обычными стальными магнитами одинакового размера гораздо большую силу (в 10 и более раз).

О величине этой силы можно судить по рисунку 27. В эти сплавы, кроме железа, входят в разных пропорциях и комбинациях алюминий, никель, кобальт, медь и другие металлы. У нас выпускается высококачественный сплав под названием магнико. Применение постоянных магнитов из новых сплавов позволяет изготовлять сильные магниты небольших размеров, что в свою очередь уменьшает размеры приборов, например электроизмерительных, в которые в качестве основной части входит постоянный магнит.

Магниты из новых сплавов долго и прочно сохраняют постоянство своего намагничения. Новые сплавы обладают значительной твёрдостью и к тому же очень хрупки, поэтому с трудом поддаются механической обработке. Эти сплавы подвергаются специальной шлифовке. Весьма желательно, чтобы постоянные магниты из новых сплавов имелись в физических кабинетах средней школы, так как опыты с такими магнитами дают гораздо больший эффект, чем с обыкновенными стальными магнитами, и вызывают повышенный интерес у учащихся. При дальнейшем описании опытов с магнитами из новых сплавов эти магниты будут упоминаться под названием «сильных магнитов».

Перед закалкой стальной стержень подвергается особой тепловой обработке, заключающейся в повторном (до трёх раз) нагревании до строго определённых температур и в охлаждении с различной быстротой. После закалки (при определённой температуре для каждого сорта стали) производится структурная стабилизация, т. е. искусственное «старение» магнита, позволяющее ему сохранять без изменения свою внутреннюю структуру в течение долгого времени; структурная стабилизация достигается продолжительным (несколько часов) нагреванием (кипячением) при 100°.

После структурной стабилизации магнит намагничивается (с помощью электрического тока) до насыщения. Затем магнит подвергается магнитной стабилизации, т. е. небольшому (примерно, на 10%) размагничиванию с помощью слабого переменного магнитного поля, создаваемого переменным током внутри катушки, куда помещают магнит. Магнитное поле должно постепенно ослабевать до исчезновения; с этой целью или помощью реостата постепенно уменьшают до нуля силу тока, создающего поле, или магнит медленно удаляют из катушки и отходят с ним на расстояние 2—3 м.

В результате магнитной стабилизации магнит получает способность обратимости, т. е. способность возвращаться к своему начальному состоянию намагничения и потому сохранять его после сотрясений, после изменения температуры и после воздействия внешнего магнитного поля.

Магниты, применяемые при физических опытах, как правило, специальной обработке не подвергаются и, кроме того, имеют почти всегда не вполне удовлетворительный состав; поэтому такие магниты заметно теряют со временем свой магнетизм. Чтобы ослабить эту потерю, надо соблюдать особые условия при хранении магнитов:

1) оберегать их от ударов, толчков, от падения на пол;
2) не подвергать сильным колебаниям температуры;
3) не допускать постоянного размагничивающего влияния внешнего магнитного поля;

4) хранить в замкнутом состоянии, замыкая разноимённые полюсы помощью железного якоря (рис. 3); у прямых магнитов таких якорей нужно два; прямые магниты на небольшом расстоянии (примерно 1 см) кладутся параллельно друг другу одноимёнными полюсами в противоположные стороны, и полюсы их замыкаются якорями.

Рис. 3. Хранение магнитов

В измерительных приборах подковообразные магниты, подвергшиеся магнитной стабилизации, всегда остаются в разомкнутом виде.

На магнитах должны быть ясно отмечены полюсы буквами N (север) и S (юг) или по-русски С и Ю; часто северную половину магнита окрашивают в синий цвет и южную — в красный.

Чтобы иметь более сильные магниты, складывают вместе в общий пучок несколько магнитов, одинаковых по форме, направив одноимённые полюсы в одну сторону; так составленные магниты получили название магнитных магазинов (от английского слова magazine — мегезйн, означающего склад, собрание). Магнитный магазин можно составить как из полосовых, так и подковообразных магнитов (рис. 4). Как видно на рисунке, в магазине полосы, помещённые в середине пучка, делаются немного длиннее боковых.

Рис. 4. Магнитные магазины

Обязательную принадлежность при физических опытах составляет магнитная стрелка; так называется магнит, который может свободно вращаться около вертикальной оси (рис. 5) или около горизонтальной (рис. 6). Магнитная стрелка обычно имеет характерную форму в виде сильно вытянутого ромба; полюсы её расположены у концов длинной диагонали; обыкновенно северный полюс стрелки имеет синий цвет, южный — отполирован. Вертикальной осью для стрелки всегда служит остриё.

Рис. 5. Магнитная стрелка

Рис. 6. Магнитная стрелка наклонения

Опорой, которая лежит на острие, служит агатовая шляпочка (топка) с углублением в середине; эта шляпка вделана в латунную оправу, к которой приклёпана магнитная стрелка (рис. 7). Шляпка должна помещаться не в центре тяжести стрелки, а немного должна быть сдвинута в сторону северного полюса, так как в северном полушарии северный полюс магнита притягивается вниз к земле. Горизонтальная ось стрелки в точных приборах опирается на агатовые цапфы; в грубых —своими концами входит в углубления двух установочных винтов (рис. 6) или просто лежит в двух кольцах (рис. 15).

Рис. 7. Устройство шляпки магнитной стрелки

Для демонстраций в классе неудобны магнитные стрелки в виде плоских ромбов, так как движения этих стрелок и наименования полюсов видны лишь при наблюдении сверху и не заметны учащимся, смотрящим сбоку на уровне плоскости стрелки.

Рис. 8. Демонстрационные магнитные стрелки

Поэтому для демонстраций применяют особые стрелки; у них или концы повёрнуты и приведены в вертикальную плоскость (рис. 8, 1), или вся стрелка расположена в вертикальной плоскости (рис. 8, 2), или к концам обыкновенной стрелки приклеены вертикальные флажки из папиросной бумаги: синей— на северном полюсе и красной — на южном (рис. 8, 3).