Fyzika se málokdy cítí magičtější, než když jako dítě poprvé narazíte na magnet. Získat tyčový magnet na hodině vědy a pokusit se ho - ze všech sil - přitlačit k odpovídajícímu pólu jiného magnetu, než bytí zcela neschopný nebo opouštět protilehlé póly blízko sebe, ale nedotýkat se, takže je můžete vidět plížit se spolu a nakonec připojit. Rychle zjistíte, že toto chování je výsledkem magnetismu, ale co to magnetismus ve skutečnosti je? Jaká je souvislost mezi elektřinou a magnetismem, která umožňuje elektromagnetům pracovat? Proč byste například v kovovém šrotu nepoužili permanentní magnet místo elektromagnetu? Magnetismus je fascinující a komplikované téma, ale pokud se chcete jen naučit vlastnosti magnetu a základy, je opravdu snadné ho zachytit.
Jak fungují magnety?
Magnetické chování je nakonec způsobeno pohybem elektronů. Pohybující se elektrický náboj generuje magnetické pole a - jak můžete očekávat - magnety a magnetická pole jsou složitě propojeny. Protože elektron je nabitá částice, jeho orbitální pohyb kolem jádra atomu vytváří malé magnetické pole. Obecně řečeno, v materiálu jsou tuny elektronů a pole vytvořené jedním bude zrušeno polem vytvořeným jiným a z materiálu nebude žádný magnetismus jako Celý.
Některé materiály však fungují odlišně. Magnetické pole vytvořené jedním elektronem může ovlivnit orientaci pole vytvářeného sousedními elektrony a ty se vyrovnají. Tím se vytvoří takzvaná magnetická „doména“ v materiálu, kde všechny elektrony mají vyrovnaná magnetická pole. Materiály, které to dělají, se nazývají feromagnetické a při pokojové teplotě jsou feromagnetické pouze železo, nikl, kobalt a gadolinium. To jsou materiály, z nichž se mohou stát permanentní magnety.
Všechny domény ve feromagnetickém materiálu budou mít náhodnou orientaci; i když sousední elektrony srovnávají svá pole dohromady, ostatní skupiny budou pravděpodobně zarovnány jiným směrem. To ve velkém měřítku nezanechává žádný magnetismus, protože různé domény se navzájem ruší, stejně jako jednotlivé elektrony v jiných materiálech.
Pokud však použijete externí magnetické pole - například přiblížením tyčového magnetu k materiálu - se domény začnou zarovnávat. Když Všechno z domén jsou zarovnány, celý kus materiálu účinně obsahuje jednu doménu a rozvíjí dva póly, obecně nazývané severní a jižní (i když pozitivní a negativní mohou také být) použitý).
U feromagnetických materiálů toto zarovnání pokračuje, i když je odstraněno vnější pole, ale v jiném typy materiálů (paramagnetické materiály), magnetické vlastnosti se ztratí, když je vnější pole odstraněn.
Jaké jsou vlastnosti magnetu?
Definující vlastnosti magnetů spočívají v tom, že přitahují některé materiály a opačné póly jiných magnetů a odpuzují jako póly jiných magnetů. Takže pokud máte dva permanentní tyčové magnety, stlačení dvou severních (nebo jižních) pólů k sobě vytváří odpudivou sílu, která se zesiluje, čím blíže jsou oba konce spojeny. Pokud spojíte dva protilehlé póly (sever a jih), bude mezi nimi přitažlivá síla. Čím blíže je spojíte, tím silnější je tato síla.
Feromagnetické materiály - například železo, nikl a kobalt - nebo slitiny, které je obsahují (například ocel), jsou přitahovány permanentními magnety, i když nevytvářejí vlastní magnetické pole. Jsou jen přitahován na magnety, a nebudou odpuzovány, dokud nezačnou vytvářet vlastní magnetické pole. Jiné materiály, jako je hliník, dřevo a keramika, magnety nepřitahují.
Jak funguje elektromagnet?
Permanentní magnet a elektromagnet jsou zcela odlišné. Elektromagnety zahrnují elektřinu zjevnějším způsobem a jsou v podstatě generovány pohybem elektronů drátem nebo elektrickým vodičem. Stejně jako při vytváření magnetických domén vytváří pohyb elektronů drátem magnetické pole. Tvar pole závisí na směru, ve kterém se elektrony pohybují - pokud nasměrujete na palec pravé ruky ve směru proudu, prsty se zkroutí ve směru pole.
Pro vytvoření jednoduchého elektromagnetu je elektrický vodič stočen kolem centrálního jádra, obvykle vyrobeného ze železa. Když proud protéká drátem a pohybuje se v kruzích kolem jádra, vytváří se magnetické pole, které probíhá podél centrální osy cívky. Toto pole je přítomno bez ohledu na to, zda máte jádro, nebo ne, ale železné jádro pole zarovná domény ve feromagnetickém materiálu a tím se zesílí.
Když se zastaví tok elektřiny, nabité elektrony se přestanou pohybovat kolem cívky drátu a magnetické pole zmizí.
Jaké jsou vlastnosti elektromagnetu?
Elektromagnety a magnety mají stejné klíčové vlastnosti. Rozdíl mezi permanentním magnetem a elektromagnetem spočívá v zásadě v tom, jak je pole vytvářeno, nikoli ve vlastnostech pole později. Elektromagnety tedy stále mají dva póly, stále přitahují feromagnetické materiály a stále mají póly, které odpuzují jiné podobné póly a přitahují na rozdíl od pólů. Rozdíl je v tom, že pohybující se náboj v permanentních magnetech je vytvářen pohybem elektronů dovnitř atomy, zatímco v elektromagnetech je vytvářen pohybem elektronů jako součást elektrického proud.
Výhody elektromagnetů
Elektromagnety mají mnoho výhod. Protože magnetické pole je vytvářeno proudem, jeho vlastnosti lze změnit změnou proudu. Například zvýšení proudu zvyšuje sílu magnetického pole. Podobně lze použít střídavý proud (střídavý proud) k vytvoření neustále se měnícího magnetického pole, které lze použít k indukci proudu v jiném vodiči.
Pro aplikace, jako jsou magnetické jeřáby v kovových šrotech, je velkou výhodou elektromagnetů to, že pole lze snadno vypnout. Pokud byste si vybrali kousek kovového šrotu pomocí velkého permanentního magnetu, bylo by jeho vyjmutí z magnetu docela výzva! Pomocí elektromagnetu stačí zastavit tok proudu a kovový šrot klesne.
Magnety a Maxwellovy zákony
Zákony elektromagnetismu jsou popsány Maxwellovými zákony. Ty jsou psány v jazyce vektorového počtu a jejich použití vyžaduje poměrně složitou matematiku. Základy pravidel týkajících se magnetismu však lze pochopit, aniž bychom se ponořili do složité matematiky.
První zákon týkající se magnetismu se nazývá „žádný monopolní zákon“. To v podstatě říká, že všechny magnety mají dva póly a nikdy nebude existovat magnet s jediným pólem. Jinými slovy, nemůžete mít severní pól magnetu bez jižního pólu a naopak.
Druhý zákon týkající se magnetismu se nazývá Faradayův zákon. To popisuje proces indukce, kdy měnící se magnetické pole (produkované elektromagnetem s a proměnlivým proudem nebo pohyblivým permanentním magnetem) indukuje napětí (a elektrický proud) v blízkém okolí dirigent.
Konečný zákon vztahující se k magnetismu se nazývá Ampere-Maxwellův zákon a ten popisuje, jak měnící se elektrické pole vytváří magnetické pole. Síla pole souvisí s proudem procházejícím oblastí a rychlostí změny elektrického pole (které je vytvářeno nosiči elektrického náboje, jako jsou protony a elektrony). Toto je zákon, který používáte k výpočtu magnetického pole v jednodušších případech, například pro cívku drátu nebo dlouhý přímý vodič.