Co způsobuje různé síly magnetů?

Mnoho lidí je s magnety obeznámeno, protože na kuchyňské lednici mají často dekorativní magnety. Magnety však kromě dekorace mají mnoho praktických účelů a mnohé ovlivňují náš každodenní život, aniž bychom o tom věděli.

Existuje spousta otázek o tom, jak magnety fungují, a dalších obecných otázek o magnetismu. Chcete-li však odpovědět na většinu těchto otázek a pochopit, jak různé magnety mohou mít různé silné magnetické pole, je důležité pochopit, co to magnetické pole je a jak to je vyrobeno.

Magnetické pole je síla, která působí na nabitou částici, a řídící rovnice pro tuto interakci jeLorentzův silový zákon.Celá rovnice pro sílu anelektrické pole​ ​Eamagnetické pole Bna částice s nábojemqa rychlostprotidarováno:

Pamatujte si to, protože sílaF, poleEaBa rychlostprotijsou všechny vektory,×operace jevektor křížový produkt, ne násobení.

Magnetická pole jsou vytvářena pohybem nabitých částic, často nazývanýchelektrický proud

Zdá se však, že tyto magnety na vaší ledničce nemají žádné tekoucí proudy ani zdroje energie. Jak to funguje?

Permanentní magnet je kousekferomagnetický materiálkterý má vnitřní vlastnost, která vytváří magnetické pole. Vnitřní efekt, který produkuje magnetické pole, je elektronový spin a zarovnání těchto spinů vytváří magnetické domény. Výsledkem těchto domén je čisté magnetické pole.

Feromagnetické materiály mají tendenci mít vysoký stupeň uspořádání domén v jejich přirozeně se vyskytující formě, kterou lze snadno zcela vyrovnat pomocí externího magnetického pole. Feromagnetické magnety tedy mají tendenci být magnetické, když se nacházejí v přírodě, a snadno si zachovávají své magnetické vlastnosti.

​Diamagnetické materiályjsou podobné feromagnetickým materiálům a mohou vytvářet magnetické pole, pokud se nacházejí v přírodě, ale reagují na vnější pole odlišně. Diamagnetický materiál bude v přítomnosti vnějšího pole vytvářet opačně orientované magnetické pole. Tento efekt by mohl omezit požadovanou sílu magnetu.

​Paramagnetické materiályjsou magnetické pouze v přítomnosti vnějšího, vyrovnávajícího magnetického pole a bývají poměrně slabé.

Jak již bylo zmíněno, permanentní magnety se skládají z magnetických domén, které se náhodně srovnávají. V každé doméně existuje určitý stupeň uspořádání, které vytváří magnetické pole. Interakce všech domén v jednom kusu feromagnetického materiálu proto vytváří celkové neboli síťové magnetické pole pro magnet.

Pokud jsou domény náhodně zarovnány, je pravděpodobné, že tam může být velmi malé nebo skutečně nulové magnetické pole. Pokud je však externí magnetické pole přivedeno do blízkosti neuspořádaného magnetu, domény se začnou srovnávat. Vzdálenost zarovnávacího pole k doménám ovlivní celkové zarovnání, a tedy výsledné čisté magnetické pole.

Dlouhodobé ponechání feromagnetického materiálu ve vnějším magnetickém poli může pomoci při dokončení objednávky a zvýšení produkovaného magnetického pole. Podobně lze čisté magnetické pole permanentního magnetu snížit zavedením několika náhodných nebo interferujících magnetických polí, která mohou nesprávně zarovnat domény a zmenšit síťové magnetické pole.

Ovlivňuje velikost magnetu jeho sílu? Krátká odpověď je ano, ale pouze proto, že velikost magnetu znamená, že existují proporcionálně více domén, které se mohou srovnávat a vytvářet silnější magnetické pole než menší kousek stejného materiál. Pokud je však délka magnetu velmi dlouhá, existuje větší šance, že rozptýlené magnetické pole způsobí nesprávné vyrovnání domén a zmenší čisté magnetické pole.

Dalším přispívajícím faktorem je síla magnetuteplota. V roce 1895 francouzský fyzik Pierre Curie zjistil, že magnetické materiály mají teplotní mez, při které se jejich magnetické vlastnosti mohou změnit. Konkrétně se domény již také neuspořádávají, takže týdenní zarovnání domény vede ke slabému síťovému magnetickému poli.

U železa je teplota Curie kolem 1418 stupňů Fahrenheita. U magnetitu je to kolem 1060 stupňů Fahrenheita. Tyto teploty jsou výrazně nižší než jejich teploty tání. Teplota magnetu tedy může ovlivnit jeho sílu.

Jiná kategorie magnetů jeelektromagnety, což jsou v podstatě magnety, které lze zapnout a vypnout.

Nejběžnějším elektromagnetem, který se používá v různých průmyslových aplikacích, je solenoid. Solenoid je řada proudových smyček, jejichž výsledkem je jednotné pole ve středu smyček. To je způsobeno skutečností, že každá jednotlivá proudová smyčka vytváří kruhové magnetické pole kolem drátu. Umístěním několika do série vytváří superpozice magnetických polí rovné, rovnoměrné pole středem smyček.

Rovnice pro velikost solenoidního magnetického pole je jednoduše:B = μ₀nI, kdeμ₀ je propustnost volného prostoru,nje počet aktuálních smyček na délku jednotky aJáje proud, který jimi protéká. Směr magnetického pole je určen pravidlem pravé ruky a směrem toku proudu, a proto jej lze obrátit obrácením směru proudu.

Je velmi snadné vidět, že sílu solenoidu lze nastavit dvěma primárními způsoby. Nejprve lze zvýšit proud solenoidem. I když se zdá, že proud lze libovolně zvyšovat, mohou existovat omezení napájení nebo odporu obvodu, což může vést k poškození, pokud dojde k přetížení proudu.

Bezpečnějším způsobem, jak zvýšit magnetickou sílu solenoidu, je tedy zvýšit počet proudových smyček. Magnetické pole se jasně úměrně zvyšuje. Jediným omezením v tomto případě může být množství drátu, který je k dispozici, nebo prostorová omezení, pokud je solenoid příliš dlouhý kvůli počtu proudových smyček.

Kromě solenoidů existuje mnoho druhů elektromagnetů, ale všechny mají stejnou obecnou vlastnost: Jejich síla je úměrná proudu.

Elektromagnety jsou všudypřítomné a mají mnoho využití. Běžným a velmi jednoduchým příkladem elektromagnetu, konkrétně solenoidu, je reproduktor. Měnící se proud reproduktorem způsobuje zvyšování a snižování síly solenoidního magnetického pole.

V tomto případě je na jeden konec solenoidu a proti vibrujícímu povrchu umístěn další magnet, konkrétně permanentní magnet. Jelikož dvě magnetická pole přitahují a odpuzují v důsledku měnícího se solenoidového pole, vibrační povrch je tažen a tlačen a vytváří zvuk.

Kvalitnější reproduktory používají vysoce kvalitní solenoidy, permanentní magnety a vibrující povrchy k vytvoření kvalitnějšího zvukového výstupu.

Největším magnetem na světě je samotná Země! Jak již bylo zmíněno, Země má magnetické pole, které je způsobeno proudy vytvářenými jádrem Země. I když se nejedná o příliš silné magnetické pole ve srovnání s mnoha malými ručními magnety nebo o ty, které se kdysi používaly v urychlovačích částic, samotná Země je jedním z největších magnetů, jaké známe!

Dalším zajímavým magnetickým materiálem je magnetit. Magnetit je železná ruda, která je nejen velmi běžná, ale je minerálem s nejvyšším obsahem železa. Někdy se tomu říká lodestone, kvůli jeho jedinečné vlastnosti mít magnetické pole, které je vždy vyrovnáno s magnetickým polem Země. Jako takový byl používán jako magnetický kompas již v roce 300 před naším letopočtem.