Η φυσική σπάνια αισθάνεται πιο μαγική από ό, τι όταν συναντάτε για πρώτη φορά έναν μαγνήτη ως παιδί. Να πάρει έναν μαγνήτη ράβδου στην τάξη της επιστήμης και να προσπαθήσει - με όλη σας τη δύναμη - να τον ωθήσει προς τον αντίστοιχο πόλο ενός άλλου μαγνήτη, αλλά είναι εντελώς ανίκανος ή αφήνοντας τους αντίθετους πόλους ο ένας κοντά στον άλλο αλλά δεν αγγίζει, ώστε να μπορείτε να τους δείτε να σέρνονται μαζί και τελικά Συμμετοχή. Μαθαίνετε γρήγορα ότι αυτή η συμπεριφορά είναι αποτέλεσμα μαγνητισμού, αλλά τι είναι πραγματικά ο μαγνητισμός; Ποιος είναι ο σύνδεσμος μεταξύ ηλεκτρικής ενέργειας και μαγνητισμού που επιτρέπει στους ηλεκτρομαγνήτες να λειτουργούν; Γιατί δεν θα χρησιμοποιούσατε έναν μόνιμο μαγνήτη αντί για έναν ηλεκτρομαγνήτη σε μια μεταλλική αυλή, για παράδειγμα; Ο μαγνητισμός είναι ένα συναρπαστικό και περίπλοκο θέμα, αλλά αν θέλετε απλώς να μάθετε τις ιδιότητες ενός μαγνήτη και τα βασικά, είναι πολύ εύκολο να το πάρετε.
Πώς λειτουργούν οι μαγνήτες;
Η μαγνητική συμπεριφορά προκαλείται τελικά από την κίνηση των ηλεκτρονίων. Ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο και - όπως μπορείτε να περιμένετε - οι μαγνήτες και τα μαγνητικά πεδία συνδέονται πολύπλοκα. Δεδομένου ότι ένα ηλεκτρόνιο είναι ένα φορτισμένο σωματίδιο, η τροχιακή του κίνηση γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου δημιουργεί ένα μικρό μαγνητικό πεδίο. Σε γενικές γραμμές, ωστόσο, υπάρχουν τόνοι ηλεκτρονίων σε ένα υλικό, και το πεδίο που δημιουργείται από ένα θα είναι ακυρώθηκε από το πεδίο που δημιουργήθηκε από άλλο και δεν θα υπάρξει μαγνητισμός από το υλικό ως ολόκληρος.
Ωστόσο, ορισμένα υλικά λειτουργούν διαφορετικά. Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να επηρεάσει τον προσανατολισμό του πεδίου που παράγεται από γειτονικά ηλεκτρόνια και γίνονται ευθυγραμμισμένα. Αυτό παράγει αυτό που ονομάζεται μαγνητικό «πεδίο» μέσα στο υλικό, όπου όλα τα ηλεκτρόνια έχουν ευθυγραμμισμένα μαγνητικά πεδία. Τα υλικά που το κάνουν αυτό ονομάζονται σιδηρομαγνητικά και σε θερμοκρασία δωματίου, μόνο το σίδηρο, το νικέλιο, το κοβάλτιο και το γαδολίνιο είναι σιδηρομαγνητικά. Αυτά είναι τα υλικά που μπορούν να γίνουν μόνιμοι μαγνήτες.
Οι τομείς εντός ενός σιδηρομαγνητικού υλικού θα έχουν όλοι τυχαίους προσανατολισμούς. Παρόλο που τα γειτονικά ηλεκτρόνια ευθυγραμμίζουν τα πεδία τους μεταξύ τους, άλλες ομάδες είναι πιθανό να ευθυγραμμιστούν με διαφορετική κατεύθυνση. Αυτό δεν αφήνει μαγνητισμό σε μεγάλη κλίμακα, επειδή διαφορετικά πεδία ακυρώνουν το ένα το άλλο, όπως κάνουν τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια σε άλλα υλικά.
Ωστόσο, εάν εφαρμόσετε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο - φέρνοντας έναν μαγνήτη ράβδου κοντά στο υλικό, για παράδειγμα - οι τομείς αρχίζουν να ευθυγραμμίζονται. Πότε όλα των τομέων είναι ευθυγραμμισμένα, ολόκληρο το κομμάτι του υλικού περιέχει αποτελεσματικά έναν μόνο τομέα και αναπτύσσει δύο πόλους, που γενικά ονομάζονται βόρεια και νότια (αν και θετικά και αρνητικά μπορεί επίσης να είναι μεταχειρισμένος).
Στα σιδηρομαγνητικά υλικά, αυτή η ευθυγράμμιση συνεχίζεται ακόμη και όταν αφαιρείται το εξωτερικό πεδίο, αλλά σε άλλα τύποι υλικών (παραμαγνητικά υλικά), οι μαγνητικές ιδιότητες χάνονται όταν το εξωτερικό πεδίο είναι αφαιρέθηκε.
Ποιες είναι οι ιδιότητες ενός μαγνήτη;
Οι καθοριστικές ιδιότητες των μαγνητών είναι ότι προσελκύουν μερικά υλικά και τους αντίθετους πόλους άλλων μαγνητών, και απωθούν σαν πόλους άλλων μαγνητών. Επομένως, εάν έχετε δύο μόνιμους μαγνήτες ράβδων, το να σπρώξετε δύο πόλους βόρεια (ή νότια) παράγει μια απωστική δύναμη, η οποία ενισχύεται όσο πλησιάζουν τα δύο άκρα. Εάν φέρετε μαζί δύο αντίθετους πόλους (βόρεια και νότια) υπάρχει μια ελκυστική δύναμη μεταξύ τους. Όσο πιο κοντά τα φέρνετε μαζί, τόσο ισχυρότερη είναι αυτή η δύναμη.
Τα σιδηρομαγνητικά υλικά - όπως σίδηρος, νικέλιο και κοβάλτιο - ή κράματα που τα περιέχουν (όπως ο χάλυβας) προσελκύονται σε μόνιμους μαγνήτες, ακόμη και αν δεν παράγουν δικό τους μαγνητικό πεδίο. Είναι μόνο προσελκύεται στους μαγνήτες, ωστόσο, και δεν θα απωθηθούν εκτός εάν αρχίσουν να παράγουν ένα μαγνητικό πεδίο από μόνοι τους. Άλλα υλικά, όπως αλουμίνιο, ξύλο και κεραμικά, δεν προσελκύονται από μαγνήτες.
Πώς λειτουργεί ένας ηλεκτρομαγνήτης;
Ένας μόνιμος μαγνήτης και ένας ηλεκτρομαγνήτης είναι αρκετά διαφορετικοί. Οι ηλεκτρομαγνήτες περιλαμβάνουν ηλεκτρική ενέργεια με πιο προφανή τρόπο και ουσιαστικά παράγονται από την κίνηση ηλεκτρονίων μέσω καλωδίου ή ηλεκτρικού αγωγού. Όπως και με τη δημιουργία μαγνητικών περιοχών, η κίνηση ηλεκτρονίων μέσω καλωδίου παράγει μαγνητικό πεδίο. Το σχήμα του πεδίου εξαρτάται από την κατεύθυνση στην οποία ταξιδεύουν τα ηλεκτρόνια - εάν δείχνετε το αντίχειρα του δεξιού χεριού σας προς την κατεύθυνση του ρεύματος, τα δάχτυλά σας κάμπτονται προς την κατεύθυνση του πεδίο.
Για την παραγωγή ενός απλού ηλεκτρομαγνήτη, το ηλεκτρικό καλώδιο τυλίγεται γύρω από έναν κεντρικό πυρήνα, συνήθως κατασκευασμένο από σίδερο. Όταν το ρεύμα ρέει μέσω του σύρματος, ταξιδεύοντας σε κύκλους γύρω από τον πυρήνα, παράγεται ένα μαγνητικό πεδίο, που διατρέχει τον κεντρικό άξονα του πηνίου. Αυτό το πεδίο υπάρχει ανεξάρτητα από το αν έχετε ή όχι έναν πυρήνα, αλλά με έναν πυρήνα σιδήρου, το πεδίο ευθυγραμμίζει τα πεδία στο σιδηρομαγνητικό υλικό και έτσι γίνεται ισχυρότερο.
Όταν η ροή ηλεκτρικής ενέργειας σταματά, τα φορτισμένα ηλεκτρόνια σταματούν να κινούνται γύρω από το πηνίο του καλωδίου και το μαγνητικό πεδίο εξαφανίζεται.
Ποιες είναι οι ιδιότητες ενός ηλεκτρομαγνήτη;
Οι ηλεκτρομαγνήτες και οι μαγνήτες έχουν τις ίδιες βασικές ιδιότητες. Η διάκριση μεταξύ ενός μόνιμου μαγνήτη και ενός ηλεκτρομαγνήτη είναι ουσιαστικά μια στον τρόπο δημιουργίας του πεδίου και όχι στις ιδιότητες του πεδίου μετά. Έτσι, οι ηλεκτρομαγνήτες εξακολουθούν να έχουν δύο πόλους, εξακολουθούν να προσελκύουν σιδηρομαγνητικά υλικά και ακόμα να έχουν πόλους που απωθούν άλλους όπως πόλους και προσελκύουν αντίθετα από πόλους. Η διαφορά είναι ότι το κινούμενο φορτίο σε μόνιμους μαγνήτες δημιουργείται από την κίνηση των ηλεκτρονίων στο άτομα, ενώ στους ηλεκτρομαγνήτες δημιουργείται από την κίνηση των ηλεκτρονίων ως μέρος ενός ηλεκτρικού ρεύμα.
Πλεονεκτήματα των ηλεκτρομαγνητών
Ωστόσο, οι ηλεκτρομαγνήτες έχουν πολλά πλεονεκτήματα. Επειδή το μαγνητικό πεδίο παράγεται από το ρεύμα, τα χαρακτηριστικά του μπορούν να αλλάξουν αλλάζοντας το ρεύμα. Για παράδειγμα, η αύξηση του ρεύματος αυξάνει την ισχύ του μαγνητικού πεδίου. Παρομοίως, ένα εναλλασσόμενο ρεύμα (εναλλασσόμενο ρεύμα) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ενός συνεχώς μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επαγωγή ρεύματος σε άλλο αγωγό.
Για εφαρμογές όπως μαγνητικοί γερανοί σε μεταλλικά απορρίμματα, το μεγάλο πλεονέκτημα των ηλεκτρομαγνητών είναι ότι το πεδίο μπορεί να απενεργοποιηθεί εύκολα. Εάν επιλέξατε ένα κομμάτι παλιοσίδερου με έναν μεγάλο μόνιμο μαγνήτη, η αφαίρεσή του από τον μαγνήτη θα ήταν μια μεγάλη πρόκληση! Με έναν ηλεκτρομαγνήτη, το μόνο που έχετε να κάνετε είναι να σταματήσετε τη ροή του ρεύματος και τα απορρίμματα θα πέσουν.
Magnets και Maxwell's Laws
Οι νόμοι του ηλεκτρομαγνητισμού περιγράφονται από τους νόμους του Maxwell. Αυτά είναι γραμμένα στη γλώσσα του διανυσματικού λογισμού και απαιτούν κάποια αρκετά περίπλοκα μαθηματικά για χρήση. Ωστόσο, τα βασικά των κανόνων που σχετίζονται με τον μαγνητισμό μπορούν να γίνουν κατανοητά χωρίς να εμβαθύνουμε στα περίπλοκα μαθηματικά.
Ο πρώτος νόμος που σχετίζεται με τον μαγνητισμό ονομάζεται «κανένας μονοπολικός νόμος». Αυτό βασικά δηλώνει ότι όλοι οι μαγνήτες έχουν δύο πόλους και ποτέ δεν θα υπάρχει μαγνήτης με έναν πόλο. Με άλλα λόγια, δεν μπορείτε να έχετε βόρειο πόλο μαγνήτη χωρίς νότιο πόλο και αντίστροφα.
Ο δεύτερος νόμος που σχετίζεται με τον μαγνητισμό ονομάζεται νόμος του Faraday. Αυτό περιγράφει τη διαδικασία επαγωγής, όπου ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο (παράγεται από έναν ηλεκτρομαγνήτη με ένα μεταβαλλόμενο ρεύμα ή από έναν κινούμενο μόνιμο μαγνήτη) προκαλεί τάση (και ηλεκτρικό ρεύμα) σε κοντινή απόσταση αγωγός.
Ο τελικός νόμος που σχετίζεται με τον μαγνητισμό ονομάζεται νόμος Ampere-Maxwell και αυτό περιγράφει πώς ένα ηλεκτρικό πεδίο που αλλάζει παράγει ένα μαγνητικό πεδίο. Η ισχύς του πεδίου σχετίζεται με το ρεύμα που διέρχεται από την περιοχή και τον ρυθμό μεταβολής του ηλεκτρικού πεδίου (το οποίο παράγεται από φορείς ηλεκτρικού φορτίου όπως πρωτόνια και ηλεκτρόνια). Αυτός είναι ο νόμος που χρησιμοποιείτε για τον υπολογισμό ενός μαγνητικού πεδίου σε απλούστερες περιπτώσεις, όπως για ένα πηνίο σύρματος ή ένα μακρύ ίσιο σύρμα.