Hvad forårsager forskellige styrker i magneter?

Mange mennesker er fortrolige med magneter, fordi de ofte har dekorative magneter på deres køleskab. Magneter har dog mange praktiske formål ud over dekoration, og mange påvirker vores daglige liv uden at vi engang ved det.

Der er mange spørgsmål om, hvordan magneter fungerer, og andre generelle magnetismespørgsmål. Men for at besvare de fleste af disse spørgsmål og forstå, hvordan forskellige magneter kan have forskellige styrker af magnetfelter, er det vigtigt at forstå, hvad et magnetfelt er, og hvordan det er produceret.

Et magnetfelt er en kraft, der virker på en ladet partikel, og den styrende ligning for denne interaktion erLorentz-loven.Den fulde ligning for kraften af ​​enelektrisk felt​ ​Eog enmagnetfelt Bpå en partikel med ladningqog hastighedver givet af:

Husk det, fordi kraftenF, markerneEogBog hastighedenver alle vektorer, den×drift ervektor, kryds, produktikke multiplikation.

Magnetfelter produceres af bevægelige ladede partikler, ofte kaldet

Disse magneter på dit køleskab ser imidlertid ikke ud til at have nogen strøm eller strømkilder. Hvordan fungerer disse?

En permanent magnet er et stykkeferromagnetisk materialeder har en iboende egenskab, der producerer et magnetfelt. Den iboende effekt, der producerer et magnetfelt, er et elektronspin, og justeringen af ​​disse spins skaber magnetiske domæner. Disse domæner resulterer i et nettomagnetisk felt.

Ferromagnetiske materialer har tendens til at have en høj grad af domæneordre i deres naturligt forekommende form, som let kan justeres fuldstændigt med et eksternt magnetfelt. Således har ferromagnetiske magneter tendens til at være magnetiske, når de findes i naturen og let bevare deres magnetiske egenskaber.

​Diamagnetiske materialerligner ferromagnetiske materialer og kan producere et magnetfelt, når de findes i naturen, men reagerer forskelligt på eksterne felter. Diamagnetisk materiale vil producere et modsat orienteret magnetfelt i nærværelse af et eksternt felt. Denne effekt kan begrænse magnetens ønskede styrke.

​Paramagnetiske materialerer kun magnetiske i nærværelse af et eksternt, justerende magnetfelt og har tendens til at være ret svage.

Som nævnt består permanente magneter af magnetiske domæner, der passer tilfældigt. Inden for hvert domæne er der en vis rækkefølge, der skaber et magnetfelt. Interaktionen mellem alle domænerne i et stykke ferromagnetisk materiale producerer derfor magnetens samlede eller netto magnetfelt.

Hvis domænerne er tilfældigt justeret, er det sandsynligt, at der kan være et meget lille eller effektivt nul magnetfelt. Men hvis et eksternt magnetfelt bringes tæt på den uordnede magnet, begynder domænerne at justeres. Afstanden fra det justerende felt til domænerne vil påvirke den samlede justering og derfor det resulterende nettomagnetiske felt.

Efterladelse af et ferromagnetisk materiale i et eksternt magnetfelt i lang tid kan hjælpe med at gennemføre bestillingen og øge det producerede magnetfelt. Tilsvarende kan nettemagnetfeltet for en permanent magnet nedsættes ved at bringe flere tilfældige eller interfererende magnetfelter ind, som kan forkorte domænerne og reducere nettomagnetfeltet.

Påvirker magnetens størrelse dens styrke? Det korte svar er ja, men kun fordi størrelsen på en magnet betyder, at der er proportionalt flere domæner, der kan justere og producere et stærkere magnetfelt end et mindre stykke af det samme materiale. Imidlertid, hvis længden af ​​magneten er meget lang, er der en øget chance for, at omstrejfende magnetfelter vil forkert justere domæner og mindske nettomagnetfeltet.

En anden medvirkende faktor magnetstyrken ertemperatur. I 1895 fastslog den franske fysiker Pierre Curie, at magnetiske materialer har en temperaturafbrydelse, på hvilket tidspunkt deres magnetiske egenskaber kan ændre sig. Specifikt justerer domænerne ikke længere så godt, og ugens domænejustering fører således til et svagt nettomagnetisk felt.

For jern er Curie temperaturen omkring 1418 grader Fahrenheit. For magnetit er det omkring 1060 grader Fahrenheit. Bemærk, at disse temperaturer er betydeligt lavere end deres smeltepunkter. Således kan magnetens temperatur påvirke dens styrke.

En anden kategori af magneter erelektromagneter, som i det væsentlige er magneter, der kan tændes og slukkes.

Den mest almindelige elektromagnet, der bruges i forskellige industrielle applikationer, er en solenoid. En solenoid er en række strømsløjfer, der resulterer i et ensartet felt i midten af ​​sløjferne. Dette skyldes det faktum, at hver enkelt strømsløjfe skaber et cirkulært magnetfelt omkring ledningen. Ved at placere flere i serie skaber overlejringen af ​​magnetfelterne et lige, ensartet felt gennem midten af ​​sløjferne.

Ligningen for størrelsen af ​​et magnetformet magnetfelt er simpelthen:B = μ₀nI, hvorμ₀ er permeabiliteten af ​​ledig plads,ner antallet af aktuelle sløjfer pr. længdeenhed ogjeger den strøm, der strømmer gennem dem. Retningen af ​​magnetfeltet bestemmes af højrehåndsreglen og retningen af ​​strømmen og kan derfor vendes ved at vende strømens retning.

Det er meget let at se, at styrken af ​​en magnetventil kan justeres på to primære måder. For det første kan strømmen gennem solenoiden øges. Selvom det ser ud til, at strømmen kan øges vilkårligt, kan der være begrænsninger på strømforsyningen eller modstanden i kredsløbet, hvilket kan resultere i skade, hvis strømmen overdrives.

Derfor er en sikrere måde at øge magnetisk styrke på en solenoid på at øge antallet af nuværende sløjfer. Magnetfeltet stiger klart proportionalt. Den eneste begrænsning i dette tilfælde kan være den ledning, der er tilgængelig, eller rumlige begrænsninger, hvis solenoiden er for lang på grund af antallet af strømsløjfer.

Der er mange slags elektromagneter udover solenoider, men alle har den samme generelle egenskab: Deres styrke er proportional med strømmen.

Elektromagneter er allestedsnærværende og har mange anvendelser. Et almindeligt og meget simpelt eksempel på en elektromagnet, specifikt en solenoid, er en højttaler. Den varierende strøm gennem højttaleren får styrken af ​​det magnetiske magnetfelt til at stige og falde.

Når dette sker, placeres en anden magnet, specifikt en permanent magnet, i den ene ende af solenoiden og mod en vibrerende overflade. Da de to magnetfelter tiltrækker og frastøder på grund af det skiftende magnetfelt, trækkes den vibrerende overflade og skubbes for at skabe lyd.

Højttalere af bedre kvalitet bruger solenoider af høj kvalitet, permanente magneter og vibrerende overflader for at skabe lydkvalitet af højere kvalitet.

Den største magnet i verden er jorden selv! Som nævnt har jorden et magnetfelt, der skyldes de strømme, der er skabt med jordens kerne. Selvom det ikke er et meget stærkt magnetfelt i forhold til mange små håndholdte magneter eller det, der engang blev brugt i partikelacceleratorer, er jorden selv en af ​​de største magneter, vi kender til!

Et andet interessant magnetisk materiale er magnetit. Magnetit er en jernmalm, der ikke kun er meget almindelig, men er mineralet med det højeste jernindhold. Det kaldes undertiden lodsten på grund af dets unikke egenskab at have et magnetfelt, der altid er justeret med jordens magnetfelt. Som sådan blev det brugt som et magnetisk kompas så tidligt som 300 f.Kr.