Magnetid. Need on teil külmkapis, olete nendega lapsena mänginud, olete isegi kompassi käes hoidnud, kui kompassinõel osutas Maa magnetilisele põhjapoolusele. Aga kuidas nad töötavad? Mis on see magnetismi nähtus?
Mis on magnetism?
Magnetism on elektromagnetilise põhijõu üks tahke. See kirjeldab nähtusi ja jõude, mis on seotud magnetite või magnetobjektidega.
Kõik magnetväljad tekivad laengu liikumisel või elektriväljade muutmisel. Sellepärast nimetatakse elektri ja magnetismi nähtusi ühiselt elektromagnetismiks. Nad on tõesti üks ja seesama!
Kõigis materjalides sisaldavad aatomid elektrone ja need elektronid moodustavad aatomituuma ümber pilve, mille üldine liikumine loob miniatuurse magnetilise dipooli. Enamikus materjalides põhjustab aga nende minimagnetite suundade juhuslik jaotumine väljade kustumise. Ferromagnetilised materjalid on erand.
Paljudel materjalidel on magnetilisi nähtusi, sealhulgas raud, mangaan, magnetiit ja koobalt. Need võivad eksisteerida püsimagnetina või olla paramagnetilised (see tähendab, et need tõmbavad magnetiliste materjalide poole, kuid ei hoia endas püsivat magnetismi). Elektromagnetid tekivad elektrivoolu juhtimisel läbi traadi, mis on keritud ümber materjali, näiteks raua (või mis tahes olukorras, kus on liikuv elektrilaeng).
Magnetilised materjalid võivad üksteist kas meelitada või üksteist tõrjuda, olenevalt sellest, millised osad nendest materjalidest kokku viiakse.
Magnetväljad
Nii nagu elektri- ja gravitatsioonijõu puhul, tekitavad üksteisele magnetjõude avaldavad esemed nende ümber välja. Näiteks vardamagnet tekitab selle ümbritsevas ruumis magnetvälja, mis põhjustab kõigi teiste sellesse väljale viidud magnetite või ferromagnetiliste materjalide mõjul jõudu.
Üks võimalus magnetvälja visualiseerimiseks on raudviilide kasutamine. Rauaviilud on väikesed rauatükid, mis magneti ümber puistates joonduvad väliste magnetvälja joontega, võimaldades neid visualiseerida.
Magnetvälja tugevusega seotud SI ühik on tesla.
1 \ text {Tesla} = 1 \ text {T} = 1 \ frac {\ text {kg}} {\ text {As} ^ 2} = \ frac {\ text {Vs}} {\ text {m} ^ 2} = \ frac {\ text {N}} {\ text {Am}}
Teine levinud magnetvälja tugevusega seotud üksus on gauss.
1 Gauss = 1 G = 10-4 T
Magnetismi tüübid
Magnetismi on palju erinevaid:
Paramagnetismkirjeldab teatud materjale, mida magnetid võivad nõrgalt köita, kuid mis ei hoia ise püsivat magnetvälja. Välise välja olemasolu korral moodustavad need sisemised indutseeritud magnetväljad, mis joonduvad. Selle tulemuseks võib olla magnetvälja ajutine võimendamine. Paramagnetilisi materjale on palju erinevaid, sealhulgas ka mõned vääriskivid.
Diamagnetismon omadus, mida näitavad kõik materjalid, kuid mis on tavaliselt kõige ilmsem materjalides, mida me peame mittemagnetilisteks. Diamagneetilised materjalid on magnetväljade poolt väga nõrgad. Püsimagnetites ja paramagnetilistes materjalides on diamagnetismi mõju tühine.
Elektromagnetismtekib siis, kui elektrivool juhitakse läbi juhtme. Selle traadi võib efekti võimendamiseks keerata ümber raudvarda, kuna triikraud loob oma magnetvälja, mis joondub väliväljaga. See magnetismi vorm on otsene tulemus asjaolust, et elektronide liikumine tekitab magnetvälja. (Jällegi on elekter ja magnetism sama füüsilise põhivara kaks külge!)
Ferromagnetismkirjeldab, kuidas teatud materjalid - nn ferromagnetilised materjalid - moodustavad püsimagnetid, mida käsitletakse üksikasjalikumalt järgmises osas.
Ferromagnetilised materjalid
Materjale, mida magnetid tõmbavad tugevalt, nimetatakse ferromagnetilisteks. Raud on seda tüüpi levinuim materjal. (Pole üllatav, sest ladina prefiksferro- tähendab rauda.)
Ferromagnetilistel materjalidel on nn magnetilised domeenid; see tähendab piirkondi nende sees, mis on nagu magnetid, kuid on orienteeritud erinevatesse suundadesse, nii et üldmõju kustub ja nad ei toimi üldiselt nagu magnetid. Kui need materjalid aga asetatakse magnetväljadesse, võib see põhjustada domeenide joondumise et nad kõik on joondatud samas suunas ja seetõttu muutuvad nad (sageli ajutiselt) magnetiteks ise.
Ferromagnetiliste materjalide hulka kuuluvad lodestone, raud, nikkel, koobalt ja mitmesugused haruldaste muldmetallide materjalid, sealhulgas neodüüm.
Tangimagnetid, dipoolid ja magnetilised omadused
Vardamagnet on ristkülikukujuline või silindriline magnetmaterjalist varda. Baarmagneti otsad on põhja- ja lõunapoolus. Need on kahte tüüpi magnetpoolused ja nad suhtlevad üksteisega magnetjõu kaudu sarnaselt positiivse ja negatiivse laengu vastastikmõjule elektrilise jõu kaudu.
Baarmagnetid on magnetdipoolid. Neil on vastupidised poolused, mis on eraldatud kaugusega, sarnaselt elektrilise dipooliga. Üks peamine erinevus on aga see, et magnetitega ei saa teil olla monopoli (isoleeritud poolust), nagu teil on laengutega. Magnet eksisteerib alati dipoolina ja mitte kunagi iseenda põhjapoolusena või iseenesest lõunapoolusena. (Kui teete vardade eraldamiseks pooleks vardamagnet pooleks, saate lõpuks lihtsalt kaks väiksemat dipolaarset magnetit!)
Maa magnetväli
Nagu te tõenäoliselt teate, on Maal magnetväli. See võimaldab inimestel kompasside abil kindlaks teha, millise suuna nad pooluste suhtes näevad. Magnetkompass koosneb väikesest magnetist, mis saab vabalt liikuda ja joonduda mis tahes välise väljaga. Kompassi nõela punane ots osutab põhja. Maa magnetväli toimib nagu hiiglaslik vardamagnet. See kujuteldav vardamagnet on suunatud nii, et magneti põhjaots on Maa lõunapoolusel ja magneti lõunapoolne ots on Maa põhjapoolusel.
Ka Maa magnetväli pole enamikus kohtades Maa pinnaga paralleelne. Maa magnetvälja deklinatsiooni saate määrata kastmisnõela abil. Kõigepealt suunake nõel horisontaalselt ja joondage see Maa magnetilise põhjaga. Seejärel pöörake seda vertikaalselt ja jälgige langemisnurka. Nurk on seda suurem, mida lähemal poolustele olete.
Maa magnetväli loob planeeti ümbritseva kosmosepiirkonna, mida nimetatakse magnetosfääriks. Magnetosfäär näeb sisuliselt välja nagu Maa telje lähedale joondatud väga suure vardamagnetvälja magnetväli, ehkki magnetosfäär võib laetud osakestega suheldes deformeeruda.
Magnetosfäär kaitseb meid päikesetuule eest, mis sisaldab laetud osakesi. Nende osakeste ja magnetväljajoonte vastastikmõjud põhjustavad auroreid.
Näited
Magnetismi fenomeni kasutatakse igasugustes igapäevastes rakendustes.
Elektromagnetismi nähtus võimaldab meil muuta elektrigeneraatorites mehaaniline energia elektrienergiaks. Elektrigeneraatorid kasutavad turbiini (puhuva tuule või voolava vee) pööramiseks mehaanilisi vahendeid, mis muudavad traadimähiste suhtes magnetvälja, põhjustades voolu voolu.
Elektrimootorid on sisuliselt vastupidised elektrigeneraatoritele, kasutades muundamiseks elektromagnetismi elektrienergia mehaaniliseks energiaks, olgu selleks siis puurmasina, segisti või elektrienergia käitamine sõiduk.
Tööstuslikud elektromagnetid on väga tugevate magnetväljadega hiigelmagnetid, mis võimaldavad vanad sõidukid vanarauast kätte võtta.
MRI-aparaadid kasutavad tugevaid magnetvälju teie sisemuse piltide loomiseks ja võimaldavad arstidel diagnoosida paljusid terviseseisundeid.