Fysik føles sjældent mere magisk, end når du først møder en magnet som barn. At få en stangmagnet i science-klasse og forsøge - med al din magt - at skubbe den mod den matchende pol på en anden magnet men være fuldstændig ude af stand til eller efterlade modstående poler tæt på hinanden, men ikke rører, så du kan se dem krybe sammen og til sidst tilslutte. Du lærer hurtigt, at denne opførsel er et resultat af magnetisme, men hvad er egentlig magnetisme? Hvad er forbindelsen mellem elektricitet og magnetisme, der gør det muligt for elektromagneter at arbejde? Hvorfor ville du ikke bruge en permanent magnet i stedet for en elektromagnet i et metalskrotværk, for eksempel? Magnetisme er et fascinerende og kompliceret emne, men hvis du bare vil lære en magnets egenskaber og det grundlæggende, er det virkelig nemt at hente.
Hvordan fungerer magneter?
Magnetisk adfærd er i sidste ende forårsaget af elektroners bevægelse. En elektrisk ladning i bevægelse genererer et magnetfelt, og - som du måske forventer - er magneter og magnetfelter tæt forbundet. Da en elektron er en ladet partikel, skaber dens orbitale bevægelse omkring kernen i et atom et lille magnetfelt. Generelt er der dog masser af elektroner i et materiale, og det felt, der er skabt af en, vil være annulleret af feltet oprettet af en anden, og der vil ikke være nogen magnetisme fra materialet som en hel.
Nogle materialer fungerer dog forskelligt. Magnetfeltet skabt af en elektron kan påvirke orienteringen af det felt, der produceres af tilstødende elektroner, og de bliver justeret. Dette producerer det, der kaldes et magnetisk "domæne" i materialet, hvor alle elektronerne har justerede magnetfelter. Materialer, der gør dette kaldes ferromagnetisk, og ved stuetemperatur er kun jern, nikkel, cobalt og gadolinium ferromagnetisk. Det er de materialer, der kan blive permanente magneter.
Domænerne inden for et ferromagnetisk materiale vil alle have tilfældige retninger; selvom naboelektroner retter deres felter sammen, vil andre grupper sandsynligvis blive justeret i en anden retning. Dette efterlader ingen magnetisme i stor skala, fordi forskellige domæner annullerer hinanden ligesom de enkelte elektroner gør i andre materialer.
Men hvis du anvender et eksternt magnetfelt - f.eks. Ved at bringe en stangmagnet tæt på materialet - begynder domænerne at justeres. Hvornår alle af domænerne er justeret, indeholder hele materialet effektivt et enkelt domæne og udvikler to poler, generelt kaldet nord og syd (skønt positive og negative også kan være Brugt).
I ferromagnetiske materialer fortsætter denne tilpasning, selv når det eksterne felt fjernes, men i andre materialetyper (paramagnetiske materialer), går de magnetiske egenskaber tabt, når det eksterne felt er fjernet.
Hvad er egenskaberne ved en magnet?
De definerende egenskaber ved magneter er, at de tiltrækker nogle materialer og de modsatte poler af andre magneter og afviser som poler af andre magneter. Så hvis du har to permanente stangmagneter, skubber to nord (eller syd) poler sammen en frastødende kraft, som bliver stærkere jo tættere de to ender bringes sammen. Hvis du bringer to modsatte poler sammen (et nord og et syd) er der en attraktiv kraft mellem dem. Jo tættere du bringer dem sammen, jo stærkere er denne kraft.
Ferromagnetiske materialer - som jern, nikkel og cobalt - eller legeringer indeholdende dem (såsom stål) tiltrækkes af permanente magneter, selvom de ikke producerer et eget magnetfelt. Det er de kun tiltrukket til magneterne, og de vil ikke blive frastødt, medmindre de begynder at producere et eget magnetfelt. Andre materialer, såsom aluminium, træ og keramik, er ikke tiltrukket af magneter.
Hvordan fungerer en elektromagnet?
En permanent magnet og elektromagnet er ret forskellige. Elektromagneter involverer elektricitet på en mere indlysende måde og genereres i det væsentlige ved bevægelse af elektroner gennem en ledning eller en elektrisk leder. Som med oprettelsen af magnetiske domæner producerer bevægelse af elektroner gennem en ledning et magnetfelt. Feltets form afhænger af, i hvilken retning elektronerne bevæger sig - hvis du peger på tommelfinger på din højre hånd i retning af strømmen, dine fingre krøller i retning af Mark.
For at producere en simpel elektromagnet er elektrisk ledning viklet omkring en central kerne, normalt lavet af jern. Når strøm strømmer gennem ledningen, der bevæger sig i cirkler rundt om kernen, dannes et magnetfelt, der løber langs spolens centrale akse. Dette felt er til stede uanset om du har en kerne eller ej, men med en jernkerne justerer feltet domænerne i det ferromagnetiske materiale og bliver dermed stærkere.
Når strømmen af elektricitet stoppes, holder de opladede elektroner op med at bevæge sig rundt om trådspolen, og magnetfeltet forsvinder.
Hvad er egenskaberne ved en elektromagnet?
Elektromagneter og magneter har de samme nøgleegenskaber. Sondringen mellem en permanent magnet og en elektromagnet er i det væsentlige en i, hvordan feltet oprettes, ikke feltets egenskaber bagefter. Så elektromagneter har stadig to poler, tiltrækker stadig ferromagnetiske materialer og har stadig poler, der afviser andre lignende poler og tiltrækker i modsætning til poler. Forskellen er, at den bevægelige ladning i permanente magneter er skabt af bevægelsen af elektroner ind atomer, mens det i elektromagneter er skabt af bevægelse af elektroner som en del af et elektrisk nuværende.
Fordele ved elektromagneter
Elektromagneter har dog mange fordele. Fordi magnetfeltet produceres af strømmen, kan dets egenskaber ændres ved at ændre strømmen. For eksempel øger strømstyrken magnetfeltets styrke. Tilsvarende kan en vekselstrøm (vekselstrøm) bruges til at producere et konstant skiftende magnetfelt, som kan bruges til at inducere en strøm i en anden leder.
Til applikationer som magnetiske kraner i metalskrotværfter er den store fordel ved elektromagneter, at feltet let kan slukkes. Hvis du valgte et stykke metalskrot med en stor permanent magnet, ville det være en udfordring at fjerne det fra magneten! Med en elektromagnet er alt, hvad du skal gøre, at stoppe strømmen af strøm, og skrotmetallet vil falde.
Magneter og Maxwells love
Elektromagnetismens love er beskrevet af Maxwells love. Disse er skrevet på sproget for vektorberegning og kræver noget ret kompliceret matematik at bruge. Imidlertid kan det grundlæggende i reglerne vedrørende magnetisme forstås uden at gå ned i den komplicerede matematik.
Den første lov vedrørende magnetisme kaldes "ingen monopollove." Dette siger grundlæggende, at alle magneter har to poler, og der vil aldrig være en magnet med en enkelt pol. Med andre ord kan du ikke have en nordpol af en magnet uden en sydpol og omvendt.
Den anden lov vedrørende magnetisme kaldes Faradays lov. Dette beskriver induktionsprocessen, hvor et skiftende magnetfelt (produceret af en elektromagnet med en varierende strøm eller ved hjælp af en permanent permanent magnet) inducerer en spænding (og elektrisk strøm) i en nærliggende leder.
Den endelige lov vedrørende magnetisme kaldes Ampere-Maxwell-loven, og dette beskriver, hvordan et skiftende elektrisk felt producerer et magnetfelt. Feltets styrke er relateret til strømmen, der passerer gennem området og forandringshastigheden for det elektriske felt (som produceres af elektriske ladningsbærere såsom protoner og elektroner). Dette er den lov, du bruger til at beregne et magnetfelt i enklere tilfælde, såsom for en trådspole eller en lang lige ledning.
