Füüsika tunneb end harva maagilisemana kui lapsena esimest korda magnetiga kokku puutudes. Teadustunnis vardamagneti hankimine ja kogu oma jõuga püüdmine seda teise magneti, kuid olemise sobituva pooluse poole suruda täiesti võimatu või jättes vastandpoolused üksteise lähedale, kuid mitte puudutamata, nii et näete, kuidas nad koos hiilivad ja lõpuks liitu. Saate kiiresti teada, et selline käitumine on magnetismi tulemus, kuid mis on tegelikult magnetism? Milline on seos elektri ja magnetismi vahel, mis võimaldab elektromagnetitel töötada? Miks te ei kasutaks näiteks metallijäätmete tehases elektromagneti asemel püsimagnetit? Magnetism on põnev ja keeruline teema, kuid kui soovite lihtsalt õppida magneti omadusi ja põhitõdesid, on seda hõlpsasti kätte saada.
Kuidas magnetid töötavad?
Magnetiline käitumine on lõppkokkuvõttes tingitud elektronide liikumisest. Liikuv elektrilaeng tekitab magnetvälja ning - nagu arvata võib - on magnetid ja magnetväljad omavahel keerukalt seotud. Kuna elektron on laetud osake, loob selle orbiidi liikumine aatomi tuuma ümber väikese magnetvälja. Üldiselt on materjalis aga tonne elektrone ja ühe loodud väli saab olema tühistab teise loodud väli ja materjalist kui a-st ei tulene magnetilisust tervikuna.
Mõni materjal töötab siiski teisiti. Ühe elektroni tekitatud magnetväli võib mõjutada naaberelektronide tekitatud välja orientatsiooni ja need joonduvad. See tekitab materjalis nn magnetilise "domeeni", kus kõigil elektronidel on joondatud magnetväljad. Materjale, mis seda teevad, nimetatakse ferromagnetilisteks ja toatemperatuuril on ferromagnetilised ainult raud, nikkel, koobalt ja gadoliinium. Need on materjalid, mis võivad muutuda püsimagnetiteks.
Ferromagnetilise materjali domeenidel on kõik juhuslikud suunad; kuigi naaberelektronid joondavad oma väljad üksteisega, on teised rühmad tõenäoliselt joondatud teises suunas. See ei jäta magnetismi suures plaanis, sest erinevad domeenid tühistavad üksteise nagu ka üksikud elektronid teistes materjalides.
Kuid kui rakendate välist magnetvälja - viies näiteks vardamagneti materjali lähedale -, hakkavad domeenid joonduma. Millal kõik domeenidest on joondatud, sisaldab kogu materjalitükk tõhusalt ühte domeeni ja arendab kahte poolust, mida tavaliselt nimetatakse põhja ja lõuna suunas (ehkki positiivsed ja negatiivsed võivad ka olla kasutatud).
Ferromagnetilistes materjalides jätkub see joondamine isegi välise välja eemaldamisel, kuid teistes tüüpi materjalid (paramagnetilised materjalid), magnetvälised omadused kaovad, kui väli on eemaldatud.
Millised on magneti omadused?
Magnetite iseloomulikud omadused on see, et nad tõmbavad ligi mõnda materjali ja teiste magnetite vastupidiseid pooluseid ning tõrjuvad nagu teiste magnetite poolused. Nii et kui teil on kaks püsimagnetmagnetit, tekitab kahe põhja- või lõunapooluse kokkusurumine tõukejõu, mis muutub tugevamaks, mida lähemal need kaks otsa kokku viiakse. Kui ühendate kaks vastandpoolust (põhja ja lõuna), on nende vahel atraktiivne jõud. Mida lähemale neid kokku viite, seda tugevam on see jõud.
Ferromagnetilisi materjale - nagu raud, nikkel ja koobalt - või neid sisaldavaid sulameid (näiteks teras) tõmbavad püsimagnetid, isegi kui need ei tekita oma magnetvälja. Nad on ainult meelitas magnetitele ja neid ei tõrjuta, kui nad ei hakka ise oma magnetvälja tootma. Muid materjale, nagu alumiinium, puit ja keraamika, magnetid ei köida.
Kuidas elektromagnet töötab?
Püsimagnet ja elektromagnet on üsna erinevad. Elektromagnetid hõlmavad elektrit arusaadavamal viisil ja need tekivad peamiselt elektronide liikumisel läbi juhtme või elektrijuhi. Nagu magnetiliste domeenide loomisel, tekitab ka elektronide liikumine läbi juhtme magnetvälja. Välja kuju sõltub elektronide liikumissuunast - kui suunata sellele parema käe pöial voolu suunas, sõrmed kõverduvad valdkonnas.
Lihtsa elektromagneti tootmiseks keeratakse elektrijuhe ümber keskse südamiku, tavaliselt rauast. Kui vool läbi traadi voolab, liikudes ringides südamiku ümber, tekib magnetväli, mis kulgeb mööda mähise kesktelge. See väli on olemas sõltumata sellest, kas teil on südamik või mitte, kuid rauast südamikuga joondab väli ferromagnetilise materjali domeenid ja muutub seeläbi tugevamaks.
Kui elektrivool peatatakse, lakkavad laetud elektronid traadimähise ümber liikumast ja magnetväli kaob.
Millised on elektromagneti omadused?
Elektromagnetitel ja magnetitel on samad põhiomadused. Püsimagnetil ja elektromagnetil on vahe loomisel põhimõtteliselt üks erinevus, mitte välja omadused hiljem. Nii et elektromagnetitel on endiselt kaks poolust, need meelitavad endiselt ferromagnetilisi materjale ja neil on endiselt postid, mis tõrjuvad teisi nagu postid ja meelitavad erinevalt postidest. Erinevus seisneb selles, et püsimagnetites liikuva laengu tekitab elektronide liikumine sisse aatomid, elektromagnetites aga elektronide liikumine elektri osana praegune.
Elektromagnetite eelised
Elektromagnetitel on siiski palju eeliseid. Kuna magnetvälja tekitab vool, saab selle omadusi voolu muutes muuta. Näiteks voolu suurendamine suurendab magnetvälja tugevust. Samamoodi saab pidevalt muutuva magnetvälja tekitamiseks kasutada vahelduvvoolu (vahelduvvoolu elektrit), mida saab kasutada teises juhis voolu indutseerimiseks.
Selliste rakenduste puhul nagu magnetkraanad metallijäätmetes, on elektromagnetite suur eelis see, et välja saab hõlpsasti välja lülitada. Kui valisite vanametalli suure püsimagnetiga üles, oleks selle eemaldamine magnetist üsna suur väljakutse! Elektromagnetiga peate vaid peatama voolu voolu ja vanametall langeb.
Magnetid ja Maxwelli seadused
Elektromagnetismi seadusi kirjeldavad Maxwelli seadused. Need on kirjutatud vektorarvutuste keeles ja nende kasutamiseks on vaja üsna keerulist matemaatikat. Magnetismi puudutavate reeglite põhitõdesid saab aga mõista keerulisse matemaatikasse süvenemata.
Esimest magnetismiga seotud seadust nimetatakse monopoolse seaduseta. See väidab põhimõtteliselt, et kõigil magnetitel on kaks poolust ja ühe poolusega magnetit pole kunagi olemas. Teisisõnu, teil ei saa olla magneti põhjapoolust ilma lõunapooluseta ja vastupidi.
Teist magnetismiga seotud seadust nimetatakse Faraday seaduseks. See kirjeldab induktsiooni protsessi, kus muutuv magnetväli (mille tekitab elektromagnet a muutuv vool või liikuva püsimagnetiga) indutseerib läheduses asuva pinge (ja elektrivoolu) dirigent.
Lõplikku magnetismiga seotud seadust nimetatakse Ampere-Maxwelli seaduseks ja see kirjeldab, kuidas muutuv elektriväli tekitab magnetvälja. Välja tugevus on seotud ala läbiva voolu ja elektrivälja muutumiskiirusega (mille tekitavad elektrilaengukandjad, näiteks prootonid ja elektronid). See on seadus, mida kasutate magnetvälja arvutamiseks lihtsamatel juhtudel, näiteks traadimähise või pika sirge traadi puhul.