Какво причинява различни сили в магнитите?

Много хора са запознати с магнитите, защото често имат декоративни магнити в кухненския си хладилник. Магнитите обаче имат много практически цели извън декорацията и много от тях влияят на ежедневието ни, без дори да знаем това.

Има много въпроси за това как работят магнитите и други общи въпроси за магнетизма. Въпреки това, за да отговорите на повечето от тези въпроси и да разберете как различните магнити могат да имат различни силите на магнитните полета, важно е да се разбере какво е магнитно поле и как е то произведени.

Магнитното поле е сила, която действа върху заредена частица и управляващото уравнение за това взаимодействие еЛоренц сила закон.Пълното уравнение за силата наелектрическо поле​ ​Еи амагнитно поле Bвърху частица със зарядqи скоростvсе дава от:

Не забравяйте това, защото силатаF, полетатаЕиБ., и скоросттаvса всички вектори,×операцията евектор кръстосан продукт, а не умножение.

Магнитните полета се произвеждат от движещи се заредени частици, често наричани

Изглежда обаче, че тези магнити на вашия хладилник нямат течащи токове или източници на енергия. Как работят тези?

Постоянният магнит е парче отферомагнитен материалкойто има присъщо свойство, което произвежда магнитно поле. Вътрешният ефект, който създава магнитно поле, е спин на електроните и подравняването на тези спинове създава магнитни домейни. Тези домейни водят до нетно магнитно поле.

Феромагнитните материали са склонни да имат висока степен на подреждане на домейни в естествената си форма, която лесно може да бъде напълно подравнена от външно магнитно поле. По този начин феромагнитните магнити са склонни да бъдат магнитни, когато се намират в природата и лесно запазват своите магнитни свойства.

​Диамагнитни материалиса подобни на феромагнитните материали и могат да създадат магнитно поле, когато се намират в природата, но реагират на външните полета по различен начин. Диамагнитният материал ще създаде противоположно ориентирано магнитно поле в присъствието на външно поле. Този ефект може да ограничи желаната сила на магнита.

​Парамагнитни материалиса магнитни само в присъствието на външно, подравняващо магнитно поле и са склонни да бъдат доста слаби.

Както споменахме, постоянните магнити се състоят от магнитни домейни, които се подреждат произволно. Във всеки домейн има някаква степен на подреждане, която създава магнитно поле. Следователно взаимодействието на всички домейни в едно парче феромагнитен материал създава общото или нетно магнитно поле за магнита.

Ако домейните са подредени на случаен принцип, има вероятност да има много малко или ефективно нулево магнитно поле. Ако обаче външно магнитно поле се доближи до неподредения магнит, домейните ще започнат да се подравняват. Разстоянието на подравняващото поле до домейните ще повлияе на цялостното подравняване и следователно на полученото нетно магнитно поле.

Оставянето на феромагнитен материал във външно магнитно поле за дълъг период от време може да помогне за завършване на подреждането и увеличаване на произведеното магнитно поле. По подобен начин, нетното магнитно поле на постоянен магнит може да бъде намалено чрез въвеждане на няколко произволни или интерферентни магнитни полета, които могат да изравнят домейните и да намалят нетното магнитно поле.

Размерът на магнита влияе ли на силата му? Краткият отговор е да, но само защото размерът на магнит означава, че има пропорционално повече домейни, които могат да се подравнят и да създадат по-силно магнитно поле от по-малко парче от същото материал. Въпреки това, ако дължината на магнита е много голяма, има повишен шанс разсеяните магнитни полета да изравнят домейните и да намалят нетното магнитно поле.

Друг допринасящ фактор е силата на магнитатемпература. През 1895 г. френският физик Пиер Кюри определя, че магнитните материали имат температурна граница, при която магнитните им свойства могат да се променят. По-конкретно, домейните вече не се подравняват, така че подравняването на домейна за седмица води до слабо нетно магнитно поле.

За желязото температурата на Кюри е около 1418 градуса по Фаренхайт. За магнетита той е около 1060 градуса по Фаренхайт. Имайте предвид, че тези температури са значително по-ниски от техните точки на топене. По този начин температурата на магнита може да повлияе на силата му.

Различна категория магнити саелектромагнити, които по същество са магнити, които могат да се включват и изключват.

Най-често срещаният електромагнит, който се използва в различни индустриални приложения, е соленоид. Соленоидът е поредица от текущи контури, които водят до равномерно поле в центъра на контурите. Това се дължи на факта, че всеки отделен токов контур създава кръгово магнитно поле около проводника. Поставяйки няколко последователно, суперпозицията на магнитните полета създава прави, еднородно поле през центъра на контурите.

Уравнението за величината на соленоидно магнитно поле е просто:B = μ₀nI, къдетоμ₀ е пропускливостта на свободното пространство,не броят на текущите контури за единица дължина иАзе токът, който тече през тях. Посоката на магнитното поле се определя от правилото вдясно и посоката на текущия поток и следователно може да се обърне чрез обръщане на посоката на тока.

Много е лесно да се види, че силата на соленоида може да се регулира по два основни начина. Първо, токът през соленоида може да бъде увеличен. Въпреки че изглежда, че токът може да бъде произволно увеличен, може да има ограничения върху захранването или съпротивлението на веригата, което може да доведе до повреда, ако токът бъде превишен.

Следователно по-безопасен начин за увеличаване на магнитната сила на соленоида е увеличаването на броя на токовите контури. Магнитното поле явно се увеличава пропорционално. Единственото ограничение в този случай може да бъде количеството жица, което е на разположение, или пространствени ограничения, ако соленоидът е твърде дълъг поради броя на текущите контури.

Освен соленоидите има много видове електромагнити, но всички имат едно и също общо свойство: Силата им е пропорционална на текущия поток.

Електромагнитите са повсеместни и имат много приложения. Често срещан и много прост пример за електромагнит, по-специално соленоид, е високоговорител. Променливият ток през високоговорителя кара силата на соленоидното магнитно поле да се увеличава и намалява.

Когато това се случи, друг магнит, по-специално постоянен магнит, се поставя в единия край на соленоида и срещу вибрираща повърхност. Тъй като двете магнитни полета се привличат и отблъскват поради променящото се соленоидно поле, вибриращата повърхност се изтегля и тласка, създавайки звук.

По-качествените високоговорители използват висококачествени соленоиди, постоянни магнити и вибриращи повърхности, за да създадат по-високо качество на звука.

Най-големият размер магнит в света е самата земя! Както споменахме, земята има магнитно поле, което се дължи на теченията, създадени с ядрото на земята. Макар да не е много силно магнитно поле спрямо много малки ръчни магнити или някога използваните в ускорителите на частици, самата Земя е един от най-големите магнити, които познаваме!

Друг интересен магнитен материал е магнетитът. Магнетитът е желязна руда, която не само е много разпространена, но е минералът с най-високо съдържание на желязо. Понякога се нарича лодстоун, поради уникалното му свойство да има магнитно поле, което винаги е подравнено със земното магнитно поле. Като такъв той е бил използван като магнитен компас още през 300 г. пр. Н. Е.