Vsebina
- Kaj je magnetno polje?
- Trajni magneti
- Ali imajo veliki magneti močno magnetno silo?
- Kakšna je temperatura Curie?
- Elektromagneti
- Uporaba elektromagnetov
- Zanimivosti o magnetizmu
Mnogi ljudje so seznanjeni z magneti, saj imajo na svojem kuhinjskem hladilniku pogosto dekorativne magnete. Vendar imajo magneti veliko praktičnih namenov, razen dekoracije, in mnogi vplivajo na naše vsakdanje življenje, ne da bi tega sploh vedeli.
Obstaja veliko vprašanj o delovanju magnetov in drugih splošnih vprašanj o magnetizmu. Če želite odgovoriti na večino teh vprašanj in razumeti, kako lahko različni magneti imajo različne jakosti magnetnih polj, je pomembno razumeti, kaj je magnetno polje in kako nastaja.
Kaj je magnetno polje?
Magnetno polje je sila, ki deluje na nabito delce, vodilna enačba te interakcije pa je Lorentzov prisilni zakon. Polna enačba za silo an električno polje E in a magnetno polje B na delcu z nabojem q in hitrost v poda:
vec {F} = q vec {E} + q vec {v} krat vec {B}.Zapomni si to, ker sila F, polja E in B, in hitrost v so vsi vektorji, × operacija je vektorski križni izdelek, ne množenje.
Magnetna polja nastajajo s premikanjem nabitih delcev, ki jih pogosto imenujemo električni tok. Pogosti viri magnetnih polj iz električnega toka so elektromagneti, kot so preprosta žica, žica v zanki in več žic v nizu, ki se imenuje a solenoid. Zemlje magnetno polje povzroča tudi premikanje nabitih delcev v jedru.
Vendar se zdi, da ti magneti v vašem hladilniku nimajo nobenega pretočnega toka ali vira energije. Kako to delujejo?
Trajni magneti
Trajni magnet je kos feromagnetni material ki ima lastnost, ki proizvaja magnetno polje. Notranji učinek, ki ustvarja magnetno polje, je spiranje elektronov in poravnava teh vrtljajev ustvarja magnetne domene. Te domene povzročijo neto magnetno polje.
Feromagnetni materiali imajo ponavadi visoko stopnjo urejanja domen v svoji naravni obliki, ki jo je enostavno v celoti poravnati z zunanjim magnetnim poljem. Tako so feromagnetni magneti ponavadi magnetni, če jih najdemo v naravi in zlahka ohranijo svoje magnetne lastnosti.
Diamagnetni materiali so podobni feromagnetnim materialom in lahko, ko jih najdemo v naravi, ustvarijo magnetno polje, na zunanja polja pa se odzivajo drugače. Diamagnetni material bo v prisotnosti zunanjega polja ustvaril nasprotno usmerjeno magnetno polje. Ta učinek lahko omeji želeno moč magneta.
Paramagnetni materiali so magnetni le v prisotnosti zunanjega, poravnavega magnetnega polja in ponavadi so precej šibki.
Ali imajo veliki magneti močno magnetno silo?
Kot rečeno, trajni magneti sestavljajo magnetne domene, ki se naključno poravnajo. Znotraj vsake domene je določena stopnja urejenosti, ki ustvarja magnetno polje. Interakcija vseh področij v enem kosu feromagnetnega materiala torej ustvari celotno ali mrežno magnetno polje za magnet.
Če so domene naključno poravnane, je verjetno, da obstaja zelo majhno ali učinkovito nič magnetno polje. Če pa se zunanje magnetno polje približa neurejenemu magnetu, se bodo domene začele poravnati. Razdalja polja za poravnavo do domen bo vplivala na splošno poravnavo in s tem na rezultat neto magnetno polje.
Če dlje časa pustite feromagnetni material v zunanjem magnetnem polju, lahko pomagate pri zaključku naročanja in povečate proizvedeno magnetno polje. Podobno lahko neto magnetno polje stalnega magneta zmanjšamo tako, da vnesemo več naključnih ali motečih magnetnih polj, kar lahko napačne poravnave domen in zmanjša neto magnetno polje.
Ali velikost magneta vpliva na njegovo moč? Kratek odgovor je pritrdilen, vendar le zato, ker velikost magneta pomeni, da je sorazmerno več domen, ki lahko poravnajo in ustvarijo močnejše magnetno polje kot manjši kos istega materiala. Če pa je dolžina magneta zelo dolga, obstaja večja možnost, da bodo osiromašena magnetna polja napačno poravnala domene in zmanjšala neto magnetno polje.
Kakšna je temperatura Curie?
Naslednji dejavnik je moč magneta temperatura. Leta 1895 je francoski fizik Pierre Curie določil, da imajo magnetni materiali temperaturno mejo, na kateri se lahko njihove magnetne lastnosti spremenijo. Natančneje, tudi domene se ne poravnavajo več, zato tedenska poravnava domen vodi v šibko neto magnetno polje.
Za železo je temperatura Curie okoli 1418 stopinj Fahrenheita. Za magnetit znaša približno 1060 stopinj Fahrenheita. Upoštevajte, da so te temperature znatno nižje od njihovih tališč. Tako lahko temperatura magneta vpliva na njegovo moč.
Elektromagneti
Drugačna kategorija magnetov je elektromagneti, ki so v bistvu magneti, ki jih je mogoče vklopiti in izklopiti.
Najpogostejši elektromagnet, ki se uporablja v različnih industrijskih aplikacijah, je solenoid. Elektromagnetni niz je niz trenutnih zank, zaradi česar nastane enotno polje v središču zank. To je posledica dejstva, da vsaka posamezna tokovna zanka ustvari krožno magnetno polje okoli žice. Če postavimo več zaporednih, superpozicija magnetnih polj ustvari ravno in enakomerno polje skozi središče zank.
Enačba za magnetno polje magnetnega polja je preprosto: B = μ0nI, kje μ0 _ je prepustnost prostega prostora, _n je število trenutnih zank na enoto dolžine in jaz je tok, ki teče skozi njih. Smer magnetnega polja določa pravilo desne roke in smer tokovnega toka, zato ga lahko obrnemo tako, da obrnemo smer toka.
Zelo enostavno je videti, da je moč magnetnega snega mogoče nastaviti na dva glavna načina. Najprej se lahko poveča tok skozi magnetni magnet. Čeprav se zdi, da se lahko tok poljubno poveča, lahko obstajajo omejitve na napajanju ali upornosti vezja, kar lahko povzroči škodo, če tok prekoračite.
Zato je varnejši način za povečanje magnetne jakosti solenoida povečanje števila tokovnih zank. Magnetno polje se očitno sorazmerno poveča. Edina omejitev v tem primeru je lahko količina žice, ki je na voljo, ali prostorske omejitve, če je solenoid predolg zaradi števila trenutnih zank.
Poleg solenoidov obstaja veliko vrst elektromagnetov, ki pa imajo enako splošno lastnost: Njihova moč je sorazmerna s trenutnim tokom.
Uporaba elektromagnetov
Elektromagneti so vseprisotni in imajo veliko uporab. Pogost in zelo preprost primer elektromagneta, natančneje solenoida, je zvočnik. Spreminjajoč tok skozi zvočnik povzroči, da se moč magnetnega polja magnetnega polja poveča in zmanjša.
Ko se to zgodi, je drug magnet, natančneje trajni magnet, nameščen na enem koncu solenoida in proti vibrirajoči površini. Ker se dva magnetna polja zaradi spreminjajočega se solenoidnega polja privlačijo in odbijajo, se vibracijska površina potegne in potisne, kar ustvarja zvok.
Zvočniki višje kakovosti uporabljajo visokokakovostne solenoide, trajne magnete in vibracijske površine za ustvarjanje kakovostnejšega zvoka.
Zanimivosti o magnetizmu
Največji magnet na svetu je zemlja sama! Kot rečeno, zemlja ima magnetno polje, ki je posledica tokov, ustvarjenih z jedrom zemlje. Čeprav ne gre za zelo močno magnetno polje glede na številne majhne ročne magnete ali nekoč uporabljene v pospeševalcih delcev, je sama zemlja eden največjih magnetov, kar jih poznamo!
Drug zanimiv magnetni material je magnetit. Magnetit je železova ruda, ki ni le zelo pogosta, ampak je mineral z največjo vsebnostjo železa. Zaradi svoje edinstvene lastnosti, da ima magnetno polje, ki je vedno poravnano z zemeljskim magnetnim poljem, ga včasih imenujejo lodestone. Kot tak je bil uporabljen kot magnetni kompas že leta 300 pred našim štetjem.