Физиката рядко се чувства по-вълшебна, отколкото когато за пръв път срещнете магнит като дете. Вземане на бар магнит в часовете по наука и опитвайки се - с всички сили - да го избутате към съответстващия полюс на друг магнит, но същество напълно неспособни или оставящи противоположни полюси близо един до друг, но не се докосват, за да можете да ги видите да пълзят заедно и в крайна сметка присъединяване. Бързо научавате, че това поведение е резултат от магнетизма, но какво всъщност е магнетизмът? Каква е връзката между електричеството и магнетизма, която позволява на електромагнитите да работят? Защо не бихте използвали постоянен магнит вместо електромагнит в метален скрап, например? Магнетизмът е завладяваща и сложна тема, но ако просто искате да научите свойствата на магнита и основите, наистина е лесно да го вземете.
Как работят магнитите?
В крайна сметка магнитното поведение се дължи на движението на електроните. Движещият се електрически заряд генерира магнитно поле и - както можете да очаквате - магнитите и магнитните полета са сложно свързани. Тъй като електронът е заредена частица, орбиталното му движение около ядрото на атома създава малко магнитно поле. Най-общо казано, обаче, в материала има тонове електрони и полето, създадено от един, ще бъде отменен от полето, създадено от друг, и няма да има магнетизъм от материала като a цяло.
Някои материали обаче работят по различен начин. Магнитното поле, създадено от един електрон, може да повлияе на ориентацията на полето, произведено от съседни електрони, и те се изравняват. Това произвежда така наречения магнитен "домейн" в материала, където всички електрони имат подравнени магнитни полета. Материалите, които правят това, се наричат феромагнитни, а при стайна температура феромагнитни са само желязото, никелът, кобалтът и гадолинийът. Това са материалите, които могат да станат постоянни магнити.
Домените във феромагнитния материал ще имат произволна ориентация; въпреки че съседните електрони подравняват своите полета заедно, други групи вероятно ще бъдат подравнени в различна посока. Това не оставя магнетизъм в голям мащаб, тъй като различните домейни се отменят помежду си, точно както отделните електрони правят в други материали.
Ако обаче приложите външно магнитно поле - например, като доближите магнит в близост до материала - домейните започват да се подравняват. Кога всичко от домейните са подравнени, целият материал ефективно съдържа един домейн и развива два полюса, обикновено наричани север и юг (макар че положителните и отрицателните също могат да бъдат използвани).
При феромагнитните материали това подравняване продължава дори когато външното поле е премахнато, но при други видове материали (парамагнитни материали), магнитните свойства се губят, когато външното поле е отстранени.
Какви са свойствата на магнита?
Определящите свойства на магнитите са, че те привличат някои материали и противоположните полюси на други магнити и отблъскват като полюсите на други магнити. Така че, ако имате два постоянни магнитни пръта, тласкането на два северни (или южни) полюса заедно създава отблъскваща сила, която става по-силна, колкото по-близо са двата края. Ако съберете два противоположни полюса заедно (север и юг), има привлекателна сила между тях. Колкото по-близо ги сближавате, толкова по-силна е тази сила.
Феромагнитните материали - като желязо, никел и кобалт - или сплавите, които ги съдържат (като стомана), се привличат от постоянни магнити, дори ако не създават собствено магнитно поле. Те са само привлечени към магнитите и те няма да бъдат отблъснати, освен ако не започнат да създават собствено магнитно поле. Други материали, като алуминий, дърво и керамика, не се привличат от магнити.
Как работи електромагнитът?
Постоянният магнит и електромагнитът са доста различни. Електромагнитите включват електричество по по-очевиден начин и по същество се генерират от движението на електрони през проводник или електрически проводник. Както при създаването на магнитни домейни, движението на електрони през проводник създава магнитно поле. Формата на полето зависи от посоката, в която се движат електроните - ако посочите палец на дясната ръка по посока на тока, пръстите ви се извиват по посока на поле.
За да се получи обикновен електромагнит, електрическата жица се навива около централна сърцевина, обикновено направена от желязо. Когато токът тече през проводника, пътувайки в кръгове около сърцевината, се създава магнитно поле, преминаващо по централната ос на намотката. Това поле присъства независимо дали имате сърцевина или не, но с желязна сърцевина полето подравнява домейните във феромагнитния материал и по този начин става по-силно.
Когато потокът от електричество бъде спрян, заредените електрони спират да се движат около намотката от проводник и магнитното поле изчезва.
Какви са свойствата на електромагнита?
Електромагнитите и магнитите имат същите ключови свойства. Разграничението между постоянен магнит и електромагнит е по същество в начина на създаване на полето, а не в свойствата на полето след това. Така че електромагнитите все още имат два полюса, все още привличат феромагнитни материали и все още имат полюси, които отблъскват други подобни полюси и привличат за разлика от полюсите. Разликата е, че подвижният заряд в постоянните магнити се създава от движението на електроните навътре атоми, докато в електромагнитите се създава от движението на електрони като част от електрически текущ.
Предимства на електромагнитите
Електромагнитите обаче имат много предимства. Тъй като магнитното поле се произвежда от тока, неговите характеристики могат да се променят чрез промяна на тока. Например, увеличаването на тока увеличава силата на магнитното поле. По същия начин променлив ток (променлив ток) може да се използва за генериране на постоянно променящо се магнитно поле, което може да се използва за индуциране на ток в друг проводник.
За приложения като магнитни кранове в метални отпадъци голямото предимство на електромагнитите е, че полето може да бъде изключено с лекота. Ако сте взели парче скрап с голям постоянен магнит, изваждането му от магнита би било доста голямо предизвикателство! С електромагнит всичко, което трябва да направите, е да спрете потока на тока и скрапът ще падне.
Магнитите и законите на Максуел
Законите на електромагнетизма са описани от законите на Максуел. Те са написани на езика на векторното смятане и изискват доста сложна математика, за да се използват. Въпреки това, основите на правилата, свързани с магнетизма, могат да бъдат разбрани, без да се задълбочавате в сложната математика.
Първият закон, отнасящ се до магнетизма, се нарича „закон без монопол“. Това основно гласи, че всички магнити имат два полюса и никога няма да има магнит с един полюс. С други думи, не можете да имате северния полюс на магнит без южен полюс и обратно.
Вторият закон, свързан с магнетизма, се нарича закон на Фарадей. Това описва процеса на индукция, при който променящото се магнитно поле (произведено от електромагнит с променлив ток или от движещ се постоянен магнит) предизвиква напрежение (и електрически ток) в близост диригент.
Последният закон, свързан с магнетизма, се нарича законът на Ампер-Максуел и това описва как променящото се електрическо поле създава магнитно поле. Силата на полето е свързана с тока, преминаващ през областта и скоростта на промяна на електрическото поле (което се произвежда от електрически носители на заряд като протони и електрони). Това е законът, който използвате за изчисляване на магнитно поле в по-прости случаи, например за намотка от тел или дълга права жица.