|
МІНІСТЕРСТВО Сельков ГОСПОДАРСТВА РФ
Іркутського державного СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКА АКАДЕМІЯ
ІСТОРІЯ ДОСЛІДЖЕННЯ МАГНІТА І ЯВИЩА МАГНІТІЗМА
Реферат для здачі кандидатського іспиту з історії та філософії науки 05.20.02 - Електротехнології та електрообладнання в сільському господарстві
Підготував аспірант Ланин А.В.
попередня експертиза
проведена «___» _____________ 200__р.
_______________ Наумов І.В.
(Підпис наукового керівника)
Остаточна перевірка реферату проведена «___» ____________ 200__р.
Оцінка ___________ __________________ Бондаренко О.В.
(Підпис перевіряючого)
Іркутськ
2009 р
зміст
Вступ
1. Історія використання магнітів в стародавні часи
2. Історія створення і використання електромагнітів
3. Природні і штучні магніти
4. Застосування магнітів в різних сферах діяльності сучасного суспільства
5. Надпровідники та їх застосування
висновок
Список використаної літератури
Вступ
Наука - одна з форм суспільної свідомості (поряд з філософією, релігією та ін.), Орієнтована на отримання та систематизацію знань про об'єктивну реальність, включаючи діяльність з вироблення нового знання, а також і її результат. Наука є історично розвивається система знань про властивості і відносини досліджуваних об'єктів, якими є природа, людина і соціокультурне середовище проживання [5].
Електрифікація, т. Е. Виробництво, розподіл і застосування електроенергії, залишалася і залишається одним з предметів наукового дослідження.
Актуальність наукового дослідження електрифікації пов'язана з тим, що на базі останньої розвиваються промисловість, сільське господарство, транспорт та інші найважливіші державні галузі.
Енергетична система (енергосистема) - це, як відомо, сукупність електростанцій, електричних і теплових мереж, з'єднаних між собою і пов'язаних спільністю режимів в безперервному процесі виробництва, перетворення, передачі і розподілу електричної і теплової енергії при загальному управлінні цим режимом.
Одним з невід'ємних елементів енергосистеми є магніт. Саме про нього, більш детально, піде мова в даному рефераті.
Ми звикли до магніту і ставимося до нього трішки поблажливо як до застарілого атрибуту шкільних уроків фізики, часом навіть не підозрюючи, скільки магнітів навколо нас. У наших квартирах десятки магнітів: у електробритвах, динаміках, магнітофонах, в годиннику, в банках з цвяхами, нарешті. Самі ми - теж магніти: біоструми, поточні в нас, народжують навколо нас химерний візерунок магнітних силових ліній. Земля, на якій ми живемо, - гігантський блакитний магніт. Сонце - жовтий плазмова куля - магніт ще більш грандіозний. Галактик і туманності, ледь помітні телескопами, - незбагненні за розмірами магніти. Термоядерний синтез, Магнітодинамічний генерування електроенергії, прискорення заряджених частинок в синхротронах, підйом затонулих суден - все це області, де потрібні грандіозні, небачені раніше за розмірами магніти. Проблема створення сильних, надсильних, УЛЬТРАСИЛЬНО і ще більш сильних магнітних полів стала однією з основних в сучасній фізиці і техніці.
1. Історія використання магнітів в стародавні часи
Найстаріші «документальні» свідоцтва про знайомство людей з магнітами прийшли до нас з Центральної Америки. На міській площі гватемальської містечка Демокрасія варто дюжина древніх фігур, знайдених при розкопках городища ольмеків. «Товсті хлопчики», як їх називали за округлість і масивність, - символи ситості, благополуччя, плодючості. Ці скульптури більше трьох тисяч років тому висічені з брил магнітної породи. Цікаво, що магнітні силові лінії як би виходять з живота «товстунів»! До речі, крім «товстих хлопчиків», стародавні ольмеки вміли висікати фігури морських черепах з намагніченої головою, пов'язуючи, можливо, здатність черепах знаходити курс у відкритому морі з властивостями магніту орієнтуватися в магнітному полі Землі [4].
У китайських літописах зустрічаються описи магнітних воріт, через які не міг пройти недоброзичливець зі зброєю, а також магнітних мостових і інших застосувань чарівного каменю чу-ши, просто магнітного залізняку. В іншій легенді розповідається про військову перемогу імператора Хуанг-Ті, здобутої більше трьох тисяч років тому. Цією перемогою він був зобов'язаний своїм майстрам, изготовившим вози, на яких були встановлені фігурки людини з рукою, витягнутою вперед. Фігурки могли обертатися, але витягнута рука завжди вказувала на південь. За допомогою таких возів Хуанг-Ті зміг в густому тумані напасти на ворога з тилу і розгромити його. Спираючись на відомості, наведені в найдавніших китайських енциклопедіях, можна висловити припущення про те, що між 300 і 400 рр. до н. е. магнітна стрілка використовувалася на кораблях. Якщо ж перейти від легенд до твердо встановленими фактами, то компас значно «помолодшає». Так, в музеї зберігається китайський компас «лише» тисячолітньої давності, що нагадує за формою нашу хохломскую ложку.
З інших найдавніших згадок про магніти слід виділити розповідь про каплицю Магомета з магнітним склепінням, під яким летить залізну скриню з прахом пророка [2]. Однак європейським мандрівникам жодного разу не вдалося побачити цієї дивини, навіть тим, хто, прикинувшись правовірним і обдуривши пильність мулл, проник в храм Кааби.
Назва «магніт», як стверджує Платон, дано магнетиту Еврипидом, що називав його в своїх драмах «каменем з Магнезії». За іншою, значно більш красивою і відомою, але менш правдоподібною притчі Плінія (запозиченої їм у Нікандра) назва дано на честь казкового Волопаса МАГНІС, цвяхи від сандалій і залізна палиця якого прилипали до невідомих камінню. Мабуть, слово «магніт» дійсно походить від назви провінції Магнезія (в Греції), жителів якої звали Магнето. Так стверджував Тит Лукрецій Кар у своїй поемі «Про природу речей». Російський мандрівник В.А. Теплов, який відвідав магнезії в 80-х роках минулого століття, стверджував, що гора відома частими ударами в неї блискавок (цим же славилася і гора Магнітна на Уралі, майже цілком складається з магнетиту). Найбільш поширена з казок про чудодійну силу магніту, яка увійшла в казки «Тисяча і однієї ночі», запозичена у Плінія, який стверджував, що в Ефіопії існує гора Зімір, витягаюча з кораблів все цвяхи і металеві частини [2].
І в Азії, і в Європі, мабуть, давно використовували магнетизм Землі, застосовуючи для орієнтування магнітний камінь, підвішений на нитці або встановлений на дощечці, плаваючою на спокійній поверхні води. У старому французькому романі «Про троянді» магніт описувався під назвою «Марінетті», з чого можна зробити висновок про використання його на морських судах. Ці обставини не змогли перешкодити італійцям побудувати в Неаполі пам'ятник Флавіо Джойя, жителю міста Амальфі, який нібито винайшов магнітний компас в 1302 р, і відсвяткувати в 1902 р шестісотлетіе відкриття. Не за легенду говорять хоча б згадки про компас ченця з монастиря св. Альбана Олександра Некема в 1187 року і вірші поета Гюйо Прованського, написані в 1206 р Але красива легенда про Флавіо Джойя, «винахідника компаса», до сих пір живе у італійців [4].
Магнітна сила приваблювала не тільки мореплавців. Нею всерйоз цікавилися і стародавні будівельники. Пліній писав, що олександрійський архітектор Хінократ (або Тімохарес) почав робити склепіння храму Арсинои з магнітного каменю, для того щоб залізна фігура Арсинои висіла в повітрі; цей задум не був, очевидно, здійснений через смерть Хінократа і брата Арсинои, Птолемея, який, як висловилися б зараз, «фінансував» це підприємство. Багато істориків церкви одностайно і незалежно стверджують, що в олександрійському храмі Серапіса статуя бога Сонця могла, на подив тих, хто молиться, злетіти до стелі, що захоплюється силою великого магніту. А через тисячі років ідея «храму Арсинои» знову здобула своїх прихильників: молоді автори - наші сучасники - запропонували проекти пам'ятників з використанням магнітних склепінь, що нагадують зведення Хінократа [9].
Аристотель, тлумачачи думки Фалеса в своєму трактаті про душу, писав: він (Фалес) почитав причиною всякого руху душу, і, отже, лише завдяки їй магніт може повідомляти рух залозу. Отже, душа. Ще Орфей співав, що «залізо тягнеться до магніту, як наречена до нареченого». Може бути, в магніті живе душа зла? Може бути, магніти створені злими демонами на смерть людям і на користь злодіям? Адже те, що має властивість відсувати запори і відмикати замки, напевно створено заради крадіжки. Платон стверджував, що властивості магніту мають божественне походження, і тим самим уникнув багатьох роздумів і сумнівів.
Тисячі років тому Кабір (так називали бродячих фокусників Стародавньої Греції) мандрували по своїй землі і давали в тіні олив дивовижні вистави. Одне з них завжди привертало увагу мешканців навколишніх селищ. Те, що робили Кабір, вселяло побожне повагу до їх таємному могутності. Кілька важких залізних кілець висіли, нічим не пов'язані між собою, одне під іншим, не падаючи. Здавалося, могутній Зевс, сильний і невидимий, підтримує долонями на вазі ці кільця. Секрет кабиров полягав в тому, що кільця ці були зроблені з «геркулесова каменю», здобувався десь в Маніссе [4]. Унікальна здатність магніту притягати залізні предмети асоціювалася в уяві стародавніх з плотської любов'ю, і тому перші пояснення притягає дії цих каменів були пов'язані з приписуванням магніту жіночого, а залозу чоловічого начала. Сьогодні добре відомо, що є матеріали, які магнітом відштовхуються. До їх числа, наприклад, належить мідь. Правда, це відштовхування дуже слабке, але хто знає - чи не могли древні якимось чином помітити його і створити своє вчення про феамеде - антімагніте. Зараз такі речовини називають діамагнетиками [4].
2. Історія створення і використання електромагнітів
До XVIII століття слова «магніт» і «залізо» були синонімами. Потім на авансцену впевнено вийшов електричний струм, він став господарем становища. Мало кому помітний, але воістину радикальний переворот від заліза до заліза з струмом відбувся в 20-ті роки минулого століття в лабораторіях вчених. Після опублікування памфлету Ерстеда багато зацікавилися проблемами електромагнетизму: в тому ж 1820 Араго продемонстрував дріт зі струмом, обліплену залізними тирсою, а Ампер довів, що спіраль з струмом - соленоїд - має всі властивості природного магніту, притягаючи дрібні залізні предмети. Що стосується першого електромагніту, тобто котушки, обтічної струмом і містить всередині залізний сердечник, то його винаходу довелося чекати ще п'ять років. Це пристрій створив Вільям Стерджен [4].
Першим внеском Стерджен в науку стала розробка їм модифікованої моделі обертових циліндрів Ампера, описаної в «Філософському журналі» в 1823 р На наступний рік він написав чотири статті з термоелектрики, а 23 травня 1825 р представив Товариству мистецтв кілька удосконалених приладів для електромагнітних експериментів, серед яких був став тепер знаменитим перший електромагніт. Ідея циліндричного і подковообразного магнітів захопила його ще в 1823 р Тоді Стерджен і побудував обертається «колесо Стерджен» - фактично одну з перших модифікацій електромотора. Стерджен зробив ряд дуже важливих відкриттів, про які написав кілька статей, однак «Філософський журнал», для якого вони призначалися, відмовився їх друкувати, і Стерджену не залишалося нічого, як створити свій власний журнал - «Аннали електрики». Музей науки в Манчестері, директором якого став Стерджен в 1840 р, був занадто науковим, щоб бути прибутковим, і Стерджен жив в бідності. У 1850 р винахідник електромагніту помер, так і не отримавши в нагороду за своє велике винахід ні багатства, ні слави.
Перший в світі електромагніт, продемонстрований Стердженом 23 травня 1825 рсуспільству мистецтв, був зігнутий в підкову лакований залізний стрижень довжиною 30 і діаметром 1,3 см, покритий зверху одним шаром ізольованого мідного дроту. Електроенергією він забезпечувався від гальванічної батареї (вольтова стовпа). Електромагніт утримував у висячому положенні 3600 г і значно перевершував за силою природні магніти такої ж маси. Це була блискуча на ті часи досягнення.
Правління товариства оцінило заслуги Стерджен. Він отримав медаль та грошову премію, а перший електромагніт був виставлений в музеї суспільства. Джоуль, експериментуючи з найпершим магнітом Стерджен, зумів довести його підйомну силу до 20 кг. Це було в тому ж 1825 р У 1828 р лондонський годинниковий майстер Воткінс виготовив електромагніт, який піднімав 30 кг. Тоді ж професор Молл з Утрехта, взявши за основу конструкцію Воткінс, виготовив магніт, «піднімав ковадло масою 60 кг і не піднімав ковадло масою 80 кг». У 1832 р Стерджен виготовив магніт, який піднімав 160 кг, але вже в тому ж році Марш створив магніт, здатний підняти більше 200 кг. Однак Стерджен не збирався втрачати першості. На його замовлення в 1840 р був виконаний електромагніт, здатний підняти вже 550 кг! На той час у Стерджен знайшовся дуже сильний суперник за океаном. У квітні 1831 р професор Єльського університету Джозеф Генрі (його ім'ям названа одиниця індуктивності) побудував електромагніт масою близько 300 кг, що піднімав близько 1т [6].
Перший внесок в теорію розрахунку електромагнітів внесли російські вчені Е.X. Ленц і Б.С. Якобі, вказали на зв'язок підйомної сили електромагніта і твір сили струму в котушках на число витків обмотки. Після Ленца і Якобі великий внесок в теорію розрахунку магнітів внесли англійці брати Гопкинсон, які запропонували метод обліку насичення - явища, давно поміченого проектувальниками магнітів і полягає в тому, що в магніті заданої форми після деякої межі збільшенням струму в котушках не можна підвищити його підйомну силу.
Сучасна теорія пов'язує це явище з тим, що при досягненні деякого намагнічує струму елементарні магнітики (диполі) заліза (феромагнетика), раніше розташовані безладно, в основному орієнтовані в одному напрямку і при подальшому посиленні намагнічує струму істотного збільшення числа магнітиків, орієнтованих в одному напрямку, не відбувається. Насичення стали призвело до того, що індукція магнітного поля перших магнітів не перевищувала 2 Тл [3].
Найбільш вражаючий і незвичайний дослідний електромагніт, який ніколи не був побудований, запропонував знаменитий американський винахідник Томас Альва Едісон. На початку 90-х років позаминулого століття він запропонував створити потужний приймач, який би реєстрував електромагнітні процеси на Сонці. Проект полягав в наступному. У місті Огдені, штат Нью-Джерсі, є прямовисна скеля з магнітного залізняку, маса якої не менше 100 млн. Т. Якби обмотати цю скелю великою кількістю дроту так, щоб скеля грала роль гігантського сердечника колосального електромагніту, то за допомогою цієї обмотки, в силу її великий індуктивності, можна було б стежити за зміною магнітного стану Сонця. В даний час, звичайно, в такому датчику магнітного поля космічних тіл немає необхідності. Електромагнітні процеси на Сонці можна добре вивчати за допомогою радіотелескопів і інших приладів, хоча і громіздких, але все-таки в кілька тисяч разів більше легких і зручних, ніж магнітна скеля. Однак для свого часу ідея Едісона була на диво сміливою і передової.
3. Природні і штучні магніти
Природні (або природні) магніти зустрічаються в природі у вигляді покладів магнітних руд. У Тартуському університеті знаходиться найбільший відомий природний магніт. Його маса складає 13 кг, і він здатний підняти вантаж в 40 кг.
Штучні магніти - це магніти створені людиною на основі різних феромагнетиків. Так звані "порошкові" магніти (з заліза, кобальту та деяких інших добавок) можуть утримати вантаж більш ніж 5000 разів перевищує їх власну масу [3].
Існують штучні магніти двох різних видів:
Одні - так звані постійні магніти, виготовлені з "магнітно-твердих" матеріалів. Їх магнітні властивості не пов'язані з використанням зовнішніх джерел або струмів.
До іншого виду відносяться так звані електромагніти з сердечником з "магнітно-м'якого" заліза. Створювані ними магнітні поля обумовлені в основному тим, що по дроту обмотки, що охоплює сердечник, проходить електричний струм.
Штучні магніти, отримані методом натирання, стали виготовляти в Англії ще в XVIII столітті. При виготовленні магнітів не всі сорти заліза вели себе однаково - в одному випадку швидко отримували бажаний результат, в іншому - намагніченість була незначною. Легконамагнічівающіеся речовини, як правило, так само легко і розмагнічуються (чисте залізо); труднонамагнічівающіеся речовини (сталь) залишаються сільнонамагніченнимі і після видалення зовнішнього магнітного поля. Перші речовини зазвичай називають магнитомягкими, другі - магнітожорстких. В кінці минулого століття помітили, що добавка до заліза 3% вольфраму приблизно в 3 рази покращує властивості штучних магнітів. Добавка кобальту покращує властивості ще в 3 рази.
Магнітожёсткіе матеріали виробляються особливою галуззю металургії, де використовуються найсучасніші способи плавки і контролю якості.
Вихідні матеріали потрапляють в млини з атмосферою інертних газів, порошки змішуються, пресуються жахливо великими тисками при одночасному накладення величезних магнітних полів, які орієнтують домени для посилення їх дії.
Сплав ЮНКД-ЗБТ, наприклад, крім заліза містить алюміній (Ю), нікель (Н), кобальт (К), мідь (Д), титан (Т). Пропорції підібрані таким чином, щоб злитки різної форми володіли найбільшою магнітною індукцією, їх структуру можна на замовлення робити те однорідної, то анизотропной, в ній пророщують в заданому напрямку голчасті кристали, теплові та електромагнітні хвилі допомагають металофізики варіювати властивості заготовок, домагаючись об'ємного розподілу їх якостей . В результаті вдається створити магніти з дуже високою підйомної силою. Сплав кобальту з рідкоземельними елементами дозволяє, наприклад, підняти вантаж 200 г на 1 г маси магніту.
Найбільший в світі постійний магніт важить 2 т. З його допомогою створюється магнітне поле інтенсивністю 0,11 Тл в обсязі приблизно 10 л. Такий магніт застосовують у допоміжному обладнанні ядерного реактора Чиказького університету; це - частина магнітогідродинамічної установки для перекачування рідких металів [6].
4. Застосування магнітів в різних сферах діяльності сучасного суспільства
Основне застосування магніт знаходить в електротехніці, радіотехніці, приладобудуванні, автоматики і телемеханіки. Тут феромагнітні матеріали йдуть на виготовлення магнітопроводів, реле і т.д. [4].
Електромашинні генератори і електродвигуни - машини обертального типу, що перетворюють або механічну енергію в електричну (генератори), або електричну в механічну (двигуни). Дія генераторів засноване на принципі електромагнітної індукції: в проводі, що рухається в магнітному полі, наводиться електрорушійна сила (ЕРС). Дія електродвигунів засноване на тому, що на провід зі струмом, поміщений в поперечне магнітне поле, діє сила.
Магнітоелектричні прилади. В таких приладах використовується сила взаємодії магнітного поля з струмом в витках обмотки рухомої частини, яка прагне повернути останню.
Індукційні лічильники електроенергії. Індукційний лічильник являє собою не що інше, як малопотужний електродвигун змінного струму з двома обмотками - струмового і обмоткою напруги. Проводить диск, поміщений між обмотками, обертається під дією крутного моменту, пропорційного споживаної потужності. Цей момент врівноважується струмами, що наводяться в диску постійним магнітом, так що частота обертання диска пропорційна споживаній потужності.
Електричні наручний годинник харчуються мініатюрної батарейкою. Для їх роботи потрібно набагато менше деталей, ніж в механічному годиннику; так, в схему типових електричних портативних годин входять два магніти, дві котушки індуктивності і транзистор.
Динамометр - механічний або електричний прилад для вимірювання сили тяги або крутного моменту машини, верстата або двигуна.
Гальмівні динамометри бувають самих різних конструкцій; до них відносяться, наприклад, гальмо Проні, гідравлічний і електромагнітний гальма [10].
Електромагнітний динамометр може бути виконаний у вигляді мініатюрного приладу, придатного для вимірювань характеристик малогабаритних двигунів.
Гальванометр - чутливий прилад для вимірювання слабких струмів. У гальванометрі використовується обертовий момент, що виникає при взаємодії подковообразного постійного магніту з невеликою токонесущей котушкою (слабким електромагнітом), підвішеною в зазорі між полюсами магніту. Момент, що обертає, а отже, і відхилення котушки пропорційні току і повної магнітної індукції в повітряному зазорі, так що шкала приладу при невеликих відхиленнях котушки майже лінійна. Прилади на його базі - найпоширеніший вид приладів [1].
Магнітні властивості речовини знаходять широке застосування в науці і техніці як засіб вивчення структури різних тел. Так виникли науки:
Магнітохімія - розділ фізичної хімії, в якому вивчається зв'язок між магнітними і хімічними властивостями речовин; крім того, магнітохімія досліджує вплив магнітних полів на хімічні процеси. магнітохімія спирається на сучасну фізику магнітних явищ. Вивчення зв'язку між магнітними і хімічними властивостями дозволяє з'ясувати особливості хімічної будови речовини.
Магнітна дефектоскопія, метод пошуку дефектів, заснований на дослідженні спотворень магнітного поля, що виникають в місцях дефектів у виробах з феромагнітних матеріалів.
Прискорювач часток, установка, в якій за допомогою електричних і магнітних полів виходять спрямовані пучки електронів, протонів, іонів та інших заряджених частинок з енергією, значно перевищує теплову енергію.
У сучасних прискорювачах використовуються численні і різноманітні види техніки, в т.ч. потужні прецизійні магніти.
У медичній терапії та діагностиці у скорітель грають важливу практичну роль. Багато лікарняні установи в усьому світі сьогодні мають в своєму розпорядженні невеликі електронні лінійні прискорювачі, генеруючі інтенсивне рентгенівське випромінювання, яке застосовується для терапії пухлин. У меншій мірі використовуються циклотрони або синхротрони, генеруючі протонні пучки. Перевага протонів в терапії пухлин перед рентгенівським випромінюванням складається в більш локалізованому енерговиділення. Тому протонна терапія особливо ефективна при лікуванні пухлин мозку і очей, коли пошкодження оточуючих здорових тканин має бути по можливості мінімальним [8].
Представники різних наук враховують магнітні поля в своїх дослідженнях. Фізик вимірює магнітні поля атомів і елементарних частинок, астроном вивчає роль космічних полів в процесі формування нових зірок, геолог за аномалій магнітного поля Землі відшукує поклади магнітних руд, з недавнього часу біологія теж активно включилася в вивчення і використання магнітів.
Біологічна наука першої половини XX століття впевнено описувала життєві функції, зовсім не зважаючи на існування будь-яких магнітних полів. Більш того, деякі біологи вважали за потрібне підкреслити, що навіть сильне штучне магнітне поле не робить ніякого впливу на біологічні об'єкти.
В енциклопедіях про вплив магнітних полів на біологічні процеси нічого не говорилося. У науковій літературі всього світу щороку з'являлися поодинокі позитивні міркування про той чи інший біологічному ефекті магнітних полів. Однак цей слабкий струмочок не міг розтопити айсберг недовіри навіть до постановки самої проблеми ... І раптом струмочок перетворився на бурхливий потік. Лавина магнітобіологіческіх публікацій, немов зірвавшись з якою - то вершини, з початку 60 - х років невпинно збільшується і заглушає скептичні висловлювання.
Від алхіміків XVI століття і до наших днів біологічну дію магніту багато разів знаходило шанувальників і критиків.Неодноразово протягом декількох століть спостерігалися сплески і спади інтересу до лікувальній дії магніту. З його допомогою намагалися лікувати (і не безуспішно) нервові хвороби, зубний біль, безсоння, болі в печінці і в шлунку - сотні хвороб [9].
Для лікувальних цілей магніт став вживатися, ймовірно, раніше, ніж для визначення сторін світу.
Як місцеве зовнішній засіб і як амулет магніт користувався великим успіхом у китайців, індусів, єгиптян, арабів, греків, римлян і т.д. Про його лікувальні властивості згадують у своїх працях філософ Аристотель і історик Пліній.
У другій половині XX століття широко поширилися магнітні браслети, благотворно впливають на хворих з порушенням кров'яного тиску (гіпертонія і гіпотонія).
Крім постійних магнітів використовуються і електромагніти. Їх також застосовують для широкого спектра проблем в науці, техніці, електроніці, медицині (нервові захворювання, захворювання судин кінцівок, серцево - судинні захворювання, ракові захворювання).
Найбільше вчені схиляються до думки, що магнітні поля підвищують опірність організму.
Існують електромагнітні вимірювачі швидкості руху крові, мініатюрні капсули, які за допомогою зовнішніх магнітних полів можна переміщати по кровоносних судинах щоб розширювати їх, брати проби на певних ділянках шляху або, навпаки, локально виводити з капсул різні медикаменти.
Широко поширений магнітний метод видалення металевих частинок з ока.
Більшості з нас відомо дослідження роботи серця за допомогою електричних датчиків - електрокардіограма. Електричні імпульси, що виробляються серцем, створюють магнітне поле серця, яке в max значеннях складає 10-6 напруженості магнітного поля Землі. Цінність магнітокардіографії в тому, що вона дозволяє отримати відомості про електрично "німих" областях серця.
Треба відзначити, що біологи зараз просять фізиків дати теорію первинного механізму біологічної дії магнітного поля, а фізики у відповідь вимагають від біологів побільше перевірених біологічних фактів. Очевидно, що успішним буде тісна співпраця різних спеціалістів [3].
Важливою ланкою, що об'єднує магнітобіологіческіе проблеми, є реакція нервової системи на магнітні поля. Саме мозок першим реагує на будь-які зміни в зовнішньому середовищі. Саме вивчення його реакцій буде ключем до вирішення багатьох завдань магнітобіології.
Серед технологічних революцій кінця XX століття однією з найголовніших є переведення споживачів на атомне паливо. І знову магнітні поля виявилися в центрі уваги. Тільки вони зможуть приборкати норовливу плазму в «мирної» термоядерної реакції, яка повинна прийти на зміну реакцій ділення радіоактивних ядер урану і торію.
Що б ще спалити? - нав'язливим рефреном звучить питання, вічно мучить енергетиків. Досить довго нас виручали дрова, але у них мала енергоємність, а тому дров'яна цивілізація примітивна. Сьогоднішнє наше добробут засноване на спалюванні викопного палива, проте легкодоступні запаси нафти, вугілля і природного газу повільно, але вірно вичерпуються. Волею-неволею доводиться переорієнтувати паливно-енергетичний баланс країни на щось інше. В майбутньому столітті залишки органічного палива доведеться зберігати для сировинних потреб хімії. А основним енергосировиною, як відомо, стане ядерне паливо.
Ідея магнітної термоізоляції плазми заснована на відомому властивості електрично заряджених частинок, що рухаються в магнітному полі, викривляти свою траєкторію і рухатися по спіралі силових ліній поля. Це викривлення траєкторії в неоднорідному магнітному полі призводить до того, що частка виштовхується в область, де магнітне поле слабше. Завдання полягає в тому, щоб плазму з усіх боків оточити сильнішим полем. Це завдання вирішується в багатьох лабораторіях світу. Магнітне утримання плазми відкрили радянські вчені, які в 1950 р запропонували утримувати плазму в так званих магнітних пастках (або, як часто їх називають, в магнітних пляшках).
Прикладом досить простий системи для магнітного утримання плазми може служити пастка з магнітними пробками або дзеркалами (пробкотрон). Система являє собою довгу трубу, в якій створено поздовжнє магнітне поле. На кінцях труби намотані більш масивні обмотки, ніж в середині. Це призводить до того, що магнітні силові лінії на кінцях труби розташовані густіше і магнітне поле в цих областях сильніше. Таким чином, частка, що потрапила в магнітну пляшку, не може покинути систему, бо їй довелося б перетинати силові лінії і внаслідок лоренцевих сили «накручуватися» на них. На цьому принципі була побудована величезна магнітна пастка установки «ограни-1», пущеної в Інституті атомної енергії імені І.В. Курчатова в 1958 р Вакуумна камера «ограни-1» має довжину 19 м при внутрішньому діаметрі 1,4 м. Середній діаметр обмотки, що створює магнітне поле, становить 1,8 м, напруженість поля в середині камери 0,5 Тл, в пробках 0,8 Тл.
Вартість електроенергії, одержуваної від термоядерних електростанцій, буде дуже низькою внаслідок дешевизни вихідної сировини (води). Настане час, коли електростанції будуть виробляти буквально океани електроенергії. За допомогою цієї електроенергії стане можливим, бути може, не тільки кардинально змінити умови життя на Землі - повернути назад ріки, осушити болота, обводнить пустелі, - а й змінити вигляд навколишнього космічного простору - заселити і «оживити» Місяць, оточити Марс атмосферою.
Одна з основних труднощів на цьому шляху - створення магнітного поля заданої геометрії і величини. Магнітні поля в сучасних термоядерних пастках відносно невеликі. Проте, якщо врахувати величезні обсяги камер, відсутність феромагнітного сердечника, а також спеціальні вимоги до форми магнітного поля, що утрудняють створення таких систем, то слід визнати, що наявні пастки - велике технічне досягнення.
Виходячи з вищесказаного, можна зробити висновок, що в даний час немає галузі, в якій би не застосовувався магніт або явище магнетизму.
5.Сверхпроводнікі і їх застосування
магніт надпровідник
Надпровідники часто називають ключем до електротехніки майбутнього. Це пояснюється їх воістину дивовижні властивості. Взагалі-то, надпровідників як особливих матеріалів не існує. Це звичайні матеріали з елементів таблиці Менделєєва, у яких в певних умовах з'являються незвичайні властивості. Алюміній, наприклад, вважається хорошим провідником, непогано пропускає тепло і в своїй товщі трохи підсилює магнітне поле (парамагнетик). При охолодженні нижче 1,2 К електропровідність алюмінію зростає нескінченно (надпровідник), теплопровідність так само сильно погіршується (утеплювач), а магнітне поле в нього вже не може проникнути (діамагнетик). Здавалося б, що за досягнення таких корисних якостей треба платити занадто дорого - досягнення низьких температур - задоволення недешеве. Виявилося, однак, що вартість рефрижераторів і теплового захисту холодних зон непорівнянна з досягаються перевагами. Стало можливим без надмірних витрат отримувати величезні струми (в кілька тисяч разів більші, ніж у звичайних провідниках) і величезні магнітні поля при скромних перетинах струмопровідних шин: саме це є надзвичайно важливим при створенні потужних електроенергетичних пристроїв [9].
Ясно, що для створення генераторів більшої потужності знадобляться нові конструкторські рішення і матеріали. У зв'язку з цим особливі надії вчені та інженери покладають на надпровідність. Недарма одним з основних напрямків розвитку науки намічені теоретичні і експериментальні дослідження в області надпровідних матеріалів, а одним з основних напрямків розвитку техніки - розробка надпровідникових турбогенераторів. Надпровідний електрообладнання дозволить різко збільшити електричні і магнітні навантаження в елементах пристроїв і завдяки цьому різко скоротити їх розміри. У надпровідному дроті допустима щільність струму, в 10 ... 50 разів перевищує щільність струму в звичайному електрообладнанні. Магнітні поля можна буде довести до значень порядку 10 Тл, в порівнянні з 0,8 ... 1 Тл в звичайних машинах. Якщо врахувати, що розміри електротехнічних пристроїв обернено пропорційні добутку допустимої щільності струму на індукцію магнітного поля, то ясно, що застосування надпровідників зменшить розміри і масу електрообладнання у багато разів!
Багато перешкоди самі по собі відпадають, якщо використовувати ефект надпровідності і застосувати надпровідні матеріали. Тоді втрати в роторному обмотці можна практично звести до нуля, так як постійний струм не буде зустрічати в ній опору. А раз так, підвищується ККД машини. Протікає по сверхпроводящей обмотці збудження струм великої сили створює настільки сильне магнітне поле, що вже немає необхідності застосовувати сталевий магнітопровід, традиційний для будь-якої електричної машини. Усунення стали знизить масу ротора і його інерційність. Створення кріогенних електричних машин - не данина моді, а необхідність, природний наслідок науково-технічного прогресу. І є всі підстави стверджувати, що до кінця століття надпровідні турбогенератори потужністю понад 1000 МВт працюватимуть в енергосистемах [4].
Енергетикам потрібні не тільки холодні генератори. Уже виготовлено і випробувано кілька десятків надпровідних трансформаторів (перший з них побудований американцем Мак-Фі в 1961 р .; трансформатор працював на рівні 15 кВт). Є проекти надпровідних трансформаторів на потужність до 1 млн. КВт. При досить великих потужностях надпровідні трансформатори будуть легші за звичайні на 40 ... 50% при приблизно однакових зі звичайними трансформаторами втрати потужності (в цих розрахунках враховувалася і потужність ожіжітеля) .У надпровідних трансформаторів, однак, є і суттєві недоліки. Вони пов'язані з необхідністю захисту трансформатора від виходу його з надпровідного стану при перевантаженнях, коротких замикань, перегріву, коли магнітне поле, струм чи температура можуть досягти критичних значень.
В останні роки стає все ближчою до здійснення мрія про надпровідних лініях електропередачі. Все зростаюча потреба в електроенергії робить дуже привабливою передачу великої потужності на великі відстані. Радянські вчені переконливо показали перспективність надпровідних ліній передачі. Вартість ліній буде порівнянна з вартістю звичайних повітряних ліній передачі електроенергії (вартість надпровідника, якщо врахувати високе значення критичної щільності його струму в порівнянні з економічно доцільною щільністю струму в мідних або алюмінієвих проводах, невелика) і нижче вартості кабельних ліній. Здійснювати надпровідникові лінії електропередачі передбачається так: між кінцевими пунктами передачі в землі прокладається трубопровід з рідким азотом. Усередині цього трубопроводу розташовується трубопровід з рідким гелієм. Гелій і азот протікають по трубопроводах внаслідок створення між вихідним і кінцевим пунктами різниці тисків. Таким чином, ожіжітельно-насосні станції будуть лише на кінцях лінії. Рідкий азот можна використовувати одночасно і в якості діелектрика. Гелієвий трубопровід підтримується всередині азотного діелектричними стійками (у більшості ізоляторів діелектричні властивості при низьких температурах поліпшуються). Гелієвий трубопровід має вакуумну ізоляцію. Внутрішня поверхня трубопроводу рідкого гелію покрита шаром надпровідника. Втрати в такій лінії з урахуванням неминучих втрат на кінцях лінії, де надпровідник повинен стикуватися з шинами при звичайній температурі, не перевищать декількох часток відсотка, а в звичайних лініях електропередачі втрати в 5 ... 10 разів більше!
Основою енергетики початку XXI століття можуть стати атомні і термоядерні станції з надзвичайно потужними електрогенераторами. Електричні поля, породжені сверхпроводящими електромагнітами, могутніми ріками зможуть перетікати з надпровідних лініях електропередачі в надпровідні накопичувачі енергії, звідки в міру необхідності будуть відбиратися споживачами. Електростанції зможуть рівномірно виробляти потужність і вдень, і вночі, а звільнення їх від планових режимів має підвищити економічність і термін їхньої служби основних агрегатів [9].
До наземних електростанціям можна додати космічні сонячні станції.Зависнувши над фіксованими точками планети, вони повинні будуть перетворювати сонячні промені в короткохвильове електромагнітне з лучение, щоб посилати сфокусовані потоки енергії до наземних перетворювачів в струми промислової призначення. Все електрообладнання наземно-космічних електричних систем має бути надпровідним, в іншому випадку втрати в провідниках кінцевої електропровідності виявляться, мабуть, є неприйнятним великими.
висновок
Світогляд і добробут людини в достатній мірі залежить від прогресу науки.
Маленькій тремтячою стрілкою, з одного кінця фарбує в чорний колір, з іншого - в червоний, ми зобов'язані дивовижними відкриттями. Невідомі світи, екзотичні тварини, пахучі острова, крижані континенти і не знають цивілізації народи постали перед очима здивованих «водіїв фрегатів», звіряти свій шлях з маленькою стрілкою компаса ...
У величезному арсеналі засобів сучасної науки магніт займає особливе місце. Без нього неможливо ніяке дослідження, ніяка наука, ніяка промисловість, ніяка цивілізоване життя. Якщо згадати ще й про те, що не володів Земля магнітним полем, вона була б зараз спопелілої космічним випромінюванням планетою, як Марс, то можна відчути магнітів щось на зразок подяки.
Але крім подяки магніт гідний і поваги - адже якщо мислити в історичних масштабах, то доводиться визнати, що ми небагато ще можемо сказати про природу тяжіння магніту.
Питання магнітного тяжіння ще сотні років буде хвилювати уми хлопчаків і вчених. Чи не станемо переоцінювати своїх знань. Хто це робить, часто потрапляє в халепу. Згадаймо, що було написано про електрику в 1755 р в одному лондонському тижневику: «Електрика - сила, добре вивчена людиною. Її з успіхом застосовують для лікування хвороб, ця сила здатна прискорювати розвиток рослин »[2].
Ці слова були написані до Фарадея, Ампера, Максвелла, коли люди, як тепер сміливо можна стверджувати, майже нічого не знали про електрику. А тепер, у другій половині XX століття, навряд чи який-небудь вчений знайде в собі сміливість стверджувати: «Електрика - сила, добре вивчена людиною».
Ми багато знаємо про електрику і магнетизм і з кожним днем дізнаємося все більше і більше. Але за однією проблемою постають інші, не менш складні і цікаві. Життя завжди буде сповнена загадок. І поряд з найскладнішими - загадкою життя і загадкою Всесвіту - загадка магніту завжди буде давати їжу для допитливого розуму.
Альберт Ейнштейн на все життя запам'ятав той день, коли йому, чотирирічній дитині, подарували нову іграшку - компас. На все життя зберіг він дитячу здивований чудовими властивостями магніту, тими самими властивостями, які тисячі років тому хвилювали наших предків [2].
Навряд чи коли-небудь знайдеться людина, яка візьме на себе сміливість стверджувати: «Я збагнув загадку магніту!» Однак вчені, які пізнали дивно невелику дещицю таємниці, змогли створити пристрої, здатні змагатися з найсильнішими магнітами, створеними природою.
Список використаної літератури
1. Велика радянська енциклопедія. Видавництво "Радянська енциклопедія", М., 1974.
2. Дягілєв, Ф.М. З історії фізики і життя її творців: навчальний посібник для вузів / Ф.М. Дягілєв. - М .: Просвещение, 1986 р. - 280 с.
3. Кабардин, О.Ф. Фізика: Справ. Матеріали: Учеб. Посібник для учнів. / О.Ф. Кабардин. - 3-е изд. - М .: Просвещение, 1991. - 367с .: іл.
4. Карцев, В.П. Магніт за три тисячоріччя / В.П. Карцев. - М .: Знание, 1986 р. - 230 с.
5. Лось, В.А. Історія і філософія науки. Основи курсу: навчальний посібник / В.А. Лось. - М .: Видавництво - торгова корпорація «Дашков і К 0», 2004. 404 с.
6. Мілковская, Л.Б. Повторимо фізику: навчальний посібник для вузів / Л.Б. Мілковская. - М .: Вища школа, 1991 307с .: іл.
7. Симоненко, О.Д. Електротехнічна наука в першій половині XX століття. / О.Д. Симоненко. - М .: Знание, 1988 р. - 325с.
8. Сучасна радіоелектроніка (50-80-і рр.) / В.П. Борисов [и др.]; під ред. В.П. Борисова, В.М. Родіонова. - М .: Омега-Л, 1993. - 340 с.
9. Холодов, Ю.А. Людина в магнітної павутині: / Ю.А. Холодов. - М .: Знание, 1972 г. - 173 с.
10. Електромагнітні динамометри // Наука і техніка. - 2008. - №5. - с.25-27
|