Магнетизъм: Определение, типове, свойства и как работят (с примери)

Магнити. Имате ги на хладилника си, играли сте с тях като дете, дори сте държали компас в ръка, докато иглата на компаса сочи към магнитния северен полюс на Земята. Но как работят те? Какво е това явление на магнетизъм?

Магнетизмът е един от аспектите на основната електромагнитна сила. Той описва явления и сили, свързани с магнити или магнитни обекти.

Всички магнитни полета се генерират от движещ се заряд или от промяна на електрическите полета. Ето защо явленията на електричеството и магнетизма се наричат ​​колективно като електромагнетизъм. Те наистина са едно и също!

Във всички материали атомите съдържат електрони и тези електрони образуват облак около атомното ядро, като цялостното им движение създава миниатюрен магнитен дипол. В повечето материали обаче случайното разпределение на ориентациите на тези мини-магнити води до отпадане на полетата. Феромагнитните материали са изключение.

Много материали проявяват магнитни явления, включително желязо, манган, магнетит и кобалт. Те могат да съществуват като постоянни магнити или да са парамагнитни (т.е. привличани към магнитни материали, но не задържащи самите постоянни магнетизми). Електромагнитите се създават чрез преминаване на електрически ток през жица, навита около материал като желязо (или от всяка ситуация, в която има движещ се електрически заряд).

Магнитните материали могат или да се привличат, или да се отблъскват, в зависимост от това кои части от тези материали са събрани заедно.

Точно както при електрическата сила и гравитационната сила, обектите, които упражняват магнитни сили един върху друг, генерират поле около тях. Например баров магнит създава магнитно поле в пространството около него, което кара всички други магнити или феромагнитни материали, вкарани в това поле, да усещат сила в резултат на това.

Един от начините за визуализиране на магнитното поле е използването на железни стружки. Железните стружки са малки парчета желязо, които, когато се поръсят около магнит, ще се подравнят към външните линии на магнитното поле, което ви позволява да ги визуализирате.

SI единицата, свързана с силата на магнитното поле, е tesla.

Друга често срещана единица, свързана с силата на магнитното поле, е гаус.

1 Гаус = 1 G = 10^-4 T

Има много различни видове магнетизъм:

​Парамагнетизъмописва определени материали, които могат да бъдат слабо привлечени от магнити, но които сами не задържат постоянно магнитно поле. В присъствието на външно поле те ще образуват вътрешни, индуцирани магнитни полета, които се подравняват. Това може да доведе до временно усилване на магнитното поле като цяло. Има много различни видове парамагнитни материали, включително и някои скъпоценни камъни.

​Диамагнетизъме свойство, изложено от всички материали, но което обикновено е най-очевидно в материалите, които смятаме за немагнитни. Диамагнитните материали се отблъскват много слабо от магнитни полета. При постоянните магнити и парамагнитните материали ефектите от диамагнетизма са незначителни.

​Електромагнетизъмвъзниква при преминаване на електрически ток през проводник. Този проводник може да бъде навит около желязна пръчка, за да усили ефекта, тъй като желязото ще създаде свое собствено магнитно поле, което се подравнява с външното поле. Тази форма на магнетизъм е пряк резултат от факта, че движението на електроните създава магнитно поле. (Отново, електричеството и магнетизмът са две страни на едно и също основно физическо свойство!)

​Феромагнетизъмописва как определени материали - наречени феромагнитни материали - образуват постоянни магнити, които са разгледани по-подробно в следващия раздел.

Материалите, които силно се привличат от магнити, се наричат ​​феромагнитни. Желязото е най-често срещаният материал от този тип. (Не е изненадващо от латинския префиксферо- означава "желязо.")

Феромагнитните материали имат така наречените магнитни домейни; тоест региони в тях, които са като магнити, но ориентирани в различни посоки, така че цялостният ефект се отменя и те обикновено не действат като магнити. Ако обаче тези материали се поставят в магнитни полета, това може да доведе до подравняване на домейните така че всички те са подравнени в една посока и следователно стават (често временно) като магнити себе си.

Феромагнитните материали включват лодестон, желязо, никел, кобалт и различни редки земни материали, включително неодим.

Бар магнит е правоъгълна или цилиндрична лента от магнитен материал. Краищата на бар магнит са северни и южни полюси. Това са двата типа магнитни полюси и те взаимодействат помежду си чрез магнитна сила по начин, подобен на това как положителните и отрицателните заряди взаимодействат чрез електрическата сила.

Бар магнитите са магнитни диполи. Те имат противоположни полюси, разделени с разстояние, подобно на електрически дипол. Една от основните разлики обаче е, че с магнити не можете да имате монопол (изолиран полюс), както можете да имате с заряди. Магнитът винаги съществува като дипол и никога като северен полюс сам по себе си или южен полюс сам по себе си. (Ако разрежете лентов магнит наполовина, за да се опитате да отделите полюсите, просто ще получите два по-малки диполярни магнита!)

Както вероятно знаете, Земята има магнитно поле. Това позволява на хората да използват компаси, за да определят в коя посока са изправени спрямо полюсите. Магнитният компас се състои от малък магнит, който може да се движи свободно и да се подравнява с всяко външно поле. Червеният край на иглата на компаса сочи на север. Магнитното поле на Земята действа като гигантски баров магнит. Този въображаем бар магнит е ориентиран така, че северният край на магнита е в южния полюс на Земята, а южният край на магнита е в северния полюс на Земята.

Магнитното поле на Земята също не е успоредно на повърхността на Земята на повечето места. Можете да определите деклинацията на магнитното поле на Земята с помощта на потапяща игла. Първо ориентирайте иглата хоризонтално и я подравнете с магнитния север на Земята. След това го завъртете вертикално и спазвайте ъгъла на потапяне. Ъгълът е по-голям, колкото по-близо сте до полюсите.

Магнитното поле на Земята създава област от пространството, заобикаляща планетата, наречена магнитосфера. Магнитосферата по същество прилича на магнитното поле на много голям баров магнит, подравнен близо до оста на Земята, въпреки че магнитосферата може да се деформира, когато взаимодейства с заредени частици.

Магнитосферата ни предпазва от слънчевия вятър, който съдържа заредени частици. Взаимодействието между тези частици и линиите на магнитното поле са това, което поражда сияния.

Феноменът магнетизъм се използва във всякакви ежедневни приложения.

Феноменът електромагнетизъм ни позволява да преобразуваме механичната енергия в електрическа в електрическите генератори. Електрическите генератори използват механични средства за завъртане на турбина (духаща вятър или течаща вода), която променя магнитното поле спрямо телените намотки, предизвиквайки протичане на ток.

Електрическите двигатели са по същество противоположни на електрическите генератори, използвайки електромагнетизъм за преобразуване електрическата енергия в механична енергия, независимо дали става дума за работа на електрическа бормашина, миксер или електрическа превозно средство.

Промишлените електромагнити са гигантски магнити с много силни магнитни полета, които им позволяват да вземат стари превозни средства в скрапинга.

Магнитно-резонансните апарати използват силни магнитни полета, за да създават изображения на вътрешността ви и позволяват на лекарите да диагностицират цял ​​набор от медицински състояния.