Τι προκαλεί διαφορετικές δυνάμεις στους μαγνήτες;

Πολλοί άνθρωποι είναι εξοικειωμένοι με τους μαγνήτες, επειδή συχνά έχουν διακοσμητικούς μαγνήτες στο ψυγείο της κουζίνας τους. Ωστόσο, οι μαγνήτες έχουν πολλούς πρακτικούς σκοπούς πέρα ​​από τη διακόσμηση και πολλοί επηρεάζουν την καθημερινή μας ζωή χωρίς να το γνωρίζουμε καν.

Υπάρχουν πολλές ερωτήσεις σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας των μαγνητών και άλλες γενικές ερωτήσεις μαγνητισμού. Ωστόσο, για να απαντήσουμε στις περισσότερες από αυτές τις ερωτήσεις και να κατανοήσουμε πώς μπορούν να έχουν διαφορετικοί μαγνήτες δυνατά σημεία των μαγνητικών πεδίων, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τι είναι ένα μαγνητικό πεδίο και πώς είναι παράγεται.

Ένα μαγνητικό πεδίο είναι μια δύναμη που δρα σε ένα φορτισμένο σωματίδιο και η εξίσωση που διέπει αυτήν την αλληλεπίδραση είναι ηΝόμος περί δύναμης Lorentz.Η πλήρης εξίσωση για τη δύναμη ενόςηλεκτρικό πεδίο​ ​μικαι έναμαγνητικό πεδίο Βσε ένα σωματίδιο με φορτίοεκαι ταχύτηταβδίνεται από:

Θυμηθείτε ότι επειδή η δύναμηφά, τα πεδίαμικαισι, και την ταχύτηταβείναι όλοι οι φορείς, το×η λειτουργία είναι ηδιαγώνιο προϊόν φορέα, όχι πολλαπλασιασμός.

Τα μαγνητικά πεδία παράγονται μετακινώντας φορτισμένα σωματίδια, συχνά αποκαλούμεναηλεκτρικό ρεύμα. Κοινές πηγές μαγνητικών πεδίων από ηλεκτρικό ρεύμα είναι οι ηλεκτρομαγνήτες, όπως ένα απλό καλώδιο, ένα καλώδιο σε έναν βρόχο και διάφοροι βρόχοι καλωδίων σε μια σειρά που ονομάζεταισωληνοειδές. Το μαγνητικό πεδίο της γης προκαλείται επίσης από την κίνηση φορτισμένων σωματιδίων στον πυρήνα.

Ωστόσο, αυτοί οι μαγνήτες στο ψυγείο σας δεν φαίνεται να έχουν ρεύματα ρεύματος ή πηγές τροφοδοσίας. Πώς λειτουργούν;

Ένας μόνιμος μαγνήτης είναι ένα κομμάτισιδηρομαγνητικό υλικόπου έχει μια εγγενή ιδιότητα που παράγει ένα μαγνητικό πεδίο. Το εγγενές αποτέλεσμα που παράγει ένα μαγνητικό πεδίο είναι μια περιστροφή ηλεκτρονίων και η ευθυγράμμιση αυτών των περιστροφών δημιουργεί μαγνητικά πεδία. Αυτοί οι τομείς καταλήγουν σε καθαρό μαγνητικό πεδίο.

Τα σιδηρομαγνητικά υλικά τείνουν να έχουν υψηλό βαθμό παραγγελίας τομέα στη φυσική τους μορφή, η οποία μπορεί εύκολα να ευθυγραμμιστεί πλήρως από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Έτσι, οι σιδηρομαγνητικοί μαγνήτες τείνουν να είναι μαγνητικοί όταν βρίσκονται στη φύση και διατηρούν εύκολα τις μαγνητικές τους ιδιότητες.

​Διαγνωστικά υλικάείναι παρόμοια με τα σιδηρομαγνητικά υλικά και μπορεί να παράγουν μαγνητικό πεδίο όταν βρίσκονται στη φύση, αλλά αποκρίνονται σε εξωτερικά πεδία με διαφορετικό τρόπο. Το διαμαγνητικό υλικό θα παράγει ένα αντίθετο προσανατολισμένο μαγνητικό πεδίο παρουσία ενός εξωτερικού πεδίου. Αυτό το αποτέλεσμα θα μπορούσε να περιορίσει την επιθυμητή ισχύ του μαγνήτη.

​Παραμαγνητικά υλικάείναι μόνο μαγνητικά παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου ευθυγράμμισης και τείνουν να είναι αρκετά αδύναμα.

Όπως αναφέρθηκε, οι μόνιμοι μαγνήτες αποτελούνται από μαγνητικά πεδία που ευθυγραμμίζονται τυχαία. Σε κάθε τομέα, υπάρχει κάποιος βαθμός παραγγελίας που δημιουργεί μαγνητικό πεδίο. Η αλληλεπίδραση όλων των περιοχών σε ένα κομμάτι σιδηρομαγνητικού υλικού παράγει επομένως το συνολικό, ή καθαρό, μαγνητικό πεδίο για τον μαγνήτη.

Εάν οι τομείς ευθυγραμμίζονται τυχαία, είναι πιθανό να υπάρχει πολύ μικρό, ή ουσιαστικά μηδενικό μαγνητικό πεδίο. Ωστόσο, εάν ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο φθάσει κοντά στον αδιάτακτο μαγνήτη, οι τομείς θα αρχίσουν να ευθυγραμμίζονται. Η απόσταση του πεδίου ευθυγράμμισης προς τα πεδία θα επηρεάσει τη συνολική ευθυγράμμιση και συνεπώς το προκύπτον καθαρό μαγνητικό πεδίο.

Το να αφήσετε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο για μεγάλο χρονικό διάστημα μπορεί να βοηθήσει στην ολοκλήρωση της παραγγελίας και στην αύξηση του παραγόμενου μαγνητικού πεδίου. Παρομοίως, το καθαρό μαγνητικό πεδίο ενός μόνιμου μαγνήτη μπορεί να μειωθεί φέρνοντας πολλά τυχαία ή παρεμβαλλόμενα μαγνητικά πεδία, τα οποία μπορούν να ευθυγραμμίσουν τις περιοχές και να μειώσουν το καθαρό μαγνητικό πεδίο.

Το μέγεθος ενός μαγνήτη επηρεάζει τη δύναμή του; Η σύντομη απάντηση είναι ναι, αλλά μόνο επειδή το μέγεθος ενός μαγνήτη σημαίνει ότι υπάρχουν αναλογικά περισσότεροι τομείς που μπορούν να ευθυγραμμιστούν και να παράγουν ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο από ένα μικρότερο κομμάτι του ίδιου υλικό. Ωστόσο, εάν το μήκος του μαγνήτη είναι πολύ μεγάλο, υπάρχει αυξημένη πιθανότητα τα αδέσποτα μαγνητικά πεδία να μην ευθυγραμμίσουν τις περιοχές και να μειώσουν το καθαρό μαγνητικό πεδίο.

Ένας άλλος παράγοντας που είναι η ισχύς του μαγνήτη είναιθερμοκρασία. Το 1895, ο Γάλλος φυσικός Pierre Curie διαπίστωσε ότι τα μαγνητικά υλικά έχουν διακοπή θερμοκρασίας, οπότε οι μαγνητικές τους ιδιότητες μπορούν να αλλάξουν. Συγκεκριμένα, οι τομείς δεν ευθυγραμμίζονται πλέον, επομένως η ευθυγράμμιση τομέα της εβδομάδας οδηγεί σε ένα ασθενές καθαρό μαγνητικό πεδίο.

Για το σίδερο, η θερμοκρασία Curie είναι περίπου 1418 βαθμούς Φαρενάιτ. Για μαγνητίτη, είναι περίπου 1060 βαθμοί Φαρενάιτ. Σημειώστε ότι αυτές οι θερμοκρασίες είναι σημαντικά χαμηλότερες από τα σημεία τήξης τους. Έτσι, η θερμοκρασία του μαγνήτη μπορεί να επηρεάσει την αντοχή του.

Μια διαφορετική κατηγορία μαγνητών είναιηλεκτρομαγνήτες, οι οποίοι είναι ουσιαστικά μαγνήτες που μπορούν να ενεργοποιηθούν και να απενεργοποιηθούν.

Ο πιο κοινός ηλεκτρομαγνήτης που χρησιμοποιείται σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές είναι ένα σωληνοειδές. Η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα είναι μια σειρά βρόχων ρεύματος, οι οποίες έχουν ως αποτέλεσμα ένα ομοιόμορφο πεδίο στο κέντρο των βρόχων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι κάθε μεμονωμένος βρόχος ρεύματος δημιουργεί ένα κυκλικό μαγνητικό πεδίο γύρω από το καλώδιο. Με την τοποθέτηση αρκετών σε σειρά, η υπέρθεση των μαγνητικών πεδίων δημιουργεί ένα ίσιο, ομοιόμορφο πεδίο μέσω του κέντρου των βρόχων.

Η εξίσωση για το μέγεθος ενός μαγνητικού πεδίου είναι απλά:Β = μ₀ΝΙ, όπουμ₀ είναι η διαπερατότητα του ελεύθερου χώρου,νείναι ο αριθμός των τρεχόντων βρόχων ανά μήκος μονάδας καιΕγώείναι το ρεύμα που ρέει μέσω αυτών. Η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου καθορίζεται από τον δεξιό κανόνα και την κατεύθυνση της ροής ρεύματος, και ως εκ τούτου μπορεί να αντιστραφεί αναστρέφοντας την κατεύθυνση του ρεύματος.

Είναι πολύ εύκολο να δούμε ότι η αντοχή ενός πηνίου μπορεί να ρυθμιστεί με δύο βασικούς τρόπους. Πρώτον, το ρεύμα μέσω του σωληνοειδούς μπορεί να αυξηθεί. Παρόλο που φαίνεται ότι το ρεύμα μπορεί να αυξηθεί αυθαίρετα, ενδέχεται να υπάρχουν περιορισμοί στην παροχή ρεύματος ή στην αντίσταση του κυκλώματος, κάτι που μπορεί να προκαλέσει ζημιά εάν το ρεύμα είναι υπερβολικό.

Επομένως, ένας ασφαλέστερος τρόπος αύξησης της μαγνητικής αντοχής μιας ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας είναι η αύξηση του αριθμού των τρεχόντων βρόχων. Το μαγνητικό πεδίο αυξάνεται σαφώς αναλογικά. Ο μόνος περιορισμός σε αυτήν την περίπτωση μπορεί να είναι η ποσότητα καλωδίου που είναι διαθέσιμη ή χωρικοί περιορισμοί εάν το σωληνοειδές είναι πολύ μεγάλο λόγω του αριθμού των τρεχόντων βρόχων.

Υπάρχουν πολλά είδη ηλεκτρομαγνητών εκτός από τα σωληνοειδή, αλλά όλα έχουν την ίδια γενική ιδιότητα: Η αντοχή τους είναι ανάλογη με την τρέχουσα ροή.

Οι ηλεκτρομαγνήτες είναι πανταχού παρόντες και έχουν πολλές χρήσεις. Ένα κοινό και πολύ απλό παράδειγμα ηλεκτρομαγνήτη, συγκεκριμένα ηλεκτρομαγνήτη, είναι ένα ηχείο. Το μεταβαλλόμενο ρεύμα μέσω του ηχείου προκαλεί αύξηση και μείωση της ισχύος του μαγνητικού πεδίου.

Καθώς αυτό συμβαίνει, ένας άλλος μαγνήτης, συγκεκριμένα ένας μόνιμος μαγνήτης, τοποθετείται στο ένα άκρο της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας και σε μια δονούμενη επιφάνεια. Καθώς τα δύο μαγνητικά πεδία προσελκύουν και απωθούνται λόγω του μεταβαλλόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, η δονούμενη επιφάνεια τραβιέται και ωθείται δημιουργώντας ήχο.

Τα ηχεία καλύτερης ποιότητας χρησιμοποιούν υψηλής ποιότητας σωληνοειδή, μόνιμους μαγνήτες και δονούμενες επιφάνειες για να δημιουργήσουν υψηλότερη ποιότητα ήχου.

Ο μεγαλύτερος μαγνήτης μεγέθους στον κόσμο είναι η ίδια η γη! Όπως αναφέρθηκε, η γη έχει ένα μαγνητικό πεδίο που οφείλεται στα ρεύματα που δημιουργούνται με τον πυρήνα της γης. Αν και δεν είναι ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο σε σχέση με πολλούς μικρούς μαγνήτες χειρός ή τους κάποτε που χρησιμοποιούνται σε επιταχυντές σωματιδίων, η ίδια η γη είναι ένας από τους μεγαλύτερους μαγνήτες που γνωρίζουμε!

Ένα άλλο ενδιαφέρον μαγνητικό υλικό είναι ο μαγνητίτης. Ο μαγνητίτης είναι ένα σιδηρομετάλλευμα που δεν είναι μόνο πολύ κοινό, αλλά είναι το ορυκτό με την υψηλότερη περιεκτικότητα σε σίδηρο. Ονομάζεται μερικές φορές στέγης, λόγω της μοναδικής ιδιότητας του να έχει ένα μαγνητικό πεδίο που είναι πάντα ευθυγραμμισμένο με το μαγνητικό πεδίο της γης. Ως τέτοια, χρησιμοποιήθηκε ως μαγνητική πυξίδα ήδη από το 300 π.Χ.