Magnetismi: määritelmä, tyypit, ominaisuudet ja miten ne toimivat (esimerkkeineen)

Magneetit. Sinulla on niitä jääkaapissasi, olet pelannut heidän kanssaan lapsena, olet jopa pitänyt kompassia kädessäsi, kun kompassineula osoitti maapallon magneettista pohjoisnapaa. Mutta miten ne toimivat? Mikä on tämä magnetismin ilmiö?

Magnetismi on yksi perusmagneettisen voiman osa. Se kuvaa magneetteihin tai magneettisiin esineisiin liittyviä ilmiöitä ja voimia.

Kaikki magneettikentät syntyvät liikkuvalla varauksella tai muuttamalla sähkökenttiä. Siksi sähkön ja magnetismin ilmiöitä kutsutaan yhdessä sähkömagneettisuudeksi. He ovat todella yksi ja sama!

Kaikissa materiaaleissa atomit sisältävät elektroneja, ja nämä elektronit muodostavat pilven atomiytimen ympärille, jolloin niiden kokonaisliike muodostaa pienikokoisen magneettisen dipolin. Useimmissa materiaaleissa näiden minimagneettien suuntausten satunnainen jakauma aiheuttaa kenttien katoamisen. Ferromagneettiset materiaalit ovat poikkeus.

Monilla materiaaleilla on magneettisia ilmiöitä, mukaan lukien rauta, mangaani, magnetiitti ja koboltti. Ne voivat olla pysyviä magneetteja tai paramagneettisia (toisin sanoen vetovoimaa magneettisiin materiaaleihin, mutta eivät itse säilytä pysyvää magneettisuutta). Sähkömagneetit syntyvät johtamalla sähkövirtaa langan läpi, joka on kierretty materiaalin, kuten raudan, ympärille (tai missä tahansa tilanteessa, jossa on liikkuva sähkövaraus).

Magneettiset materiaalit voivat joko houkutella toisiaan tai hylätä toisiaan, riippuen siitä, mitkä materiaalien osat yhdistetään.

Aivan kuten sähkövoiman ja painovoiman kohdalla, magneettisia voimia toisiinsa kohdistavat esineet synnyttävät kentän niiden ympärillä. Esimerkiksi tankomagneetti luo magneettikentän sen ympärillä olevaan tilaan, mikä saa kaikki muut kenttään tuodut magneetit tai ferromagneettiset materiaalit tuntemaan voiman seurauksena.

Yksi tapa visualisoida magneettikenttä on käyttää rautaviiloja. Rautaviilat ovat pieniä rautapaloja, jotka ruiskutettaessa magneetin ympärille kohdistuvat ulkoisiin magneettikentän viivoihin, jolloin voit visualisoida ne.

Magneettikentän voimakkuuteen liittyvä SI-yksikkö on tesla.

Toinen yleinen magneettikentän voimakkuuteen liittyvä yksikkö on gauss.

1 Gauss = 1 G = 10^-4 T

Magnetismia on monia erilaisia:

​Paramagnetismikuvaa tiettyjä materiaaleja, joita magneetit saattavat vetää heikosti, mutta jotka eivät itse pidä pysyvää magneettikenttää. Ulkoisen kentän läsnä ollessa ne muodostavat sisäisiä, indusoituja magneettikenttiä, jotka kohdistuvat. Tämä voi johtaa magneettikentän tilapäiseen vahvistumiseen kokonaisuudessaan. Paramagneettisia materiaaleja on monia erilaisia, jopa joitain jalokiviä.

​Diamagnetismion ominaisuus, jota kaikki materiaalit osoittavat, mutta joka on tyypillisesti ilmeisin materiaaleissa, joita ajattelemme ei-magneettisina. Magneettikentät hylkivät hyvin magneettiset materiaalit erittäin heikosti. Pysyvissä magneeteissa ja paramagneettisissa materiaaleissa diamagnetismin vaikutukset ovat merkityksettömiä.

​Sähkömagneettitapahtuu, kun sähkövirta johdetaan langan läpi. Tuo lanka voidaan kääriä rautatangon ympärille vaikutuksen vahvistamiseksi, koska rauta luo oman magneettikentän, joka on linjassa ulkoisen kentän kanssa. Tämä magneettisuuden muoto on suora seuraus siitä, että elektronien liike luo magneettikentän. (Jälleen sähkö ja magnetismi ovat saman fyysisen perusomaisuuden kaksi puolta!)

​Ferromagneettikuvaa, kuinka tietyt materiaalit - ferromagneettiset materiaalit - muodostavat kestomagneetteja, joita käsitellään tarkemmin seuraavassa osassa.

Magneetteihin voimakkaasti vetäviä materiaaleja kutsutaan ferromagneettisiksi. Rauta on yleisin tämän tyyppinen materiaali. (Ei ole yllättävää, koska latinankielinen etuliiteferro- tarkoittaa rautaa.)

Ferromagneettisilla materiaaleilla on niin sanottuja magneettisia domeeneja; eli niiden sisällä olevat alueet, jotka ovat kuin magneetteja, mutta suuntautuneet eri suuntiin niin, että kokonaisvaikutus häviää ja ne eivät yleensä toimi kuin magneetit. Jos nämä materiaalit kuitenkin sijoitetaan magneettikenttiin, se voi aiheuttaa verkkotunnusten kohdistamisen niin että ne kaikki ovat linjassa samaan suuntaan ja siten niistä tulee (usein väliaikaisesti) kuin magneetteja itse.

Ferromagneettisia materiaaleja ovat lodestone, rauta, nikkeli, koboltti ja erilaiset harvinaiset maametallit, mukaan lukien neodyymi.

Tankomagneetti on suorakulmainen tai sylinterimäinen magneettimateriaalista valmistettu tanko. Tangon magneetin päät ovat pohjois- ja etelänavat. Nämä ovat kahden tyyppisiä magneettisia napoja, ja ne ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa magneettisen voiman kautta samalla tavalla kuin positiivisten ja negatiivisten varausten vuorovaikutus sähkövoiman kautta.

Tangon magneetit ovat magneettisia dipoleja. Heillä on vastakkaiset navat, jotka on erotettu etäisyydellä, samanlainen kuin sähköinen dipoli. Yksi ensisijainen ero on kuitenkin se, että magneeteilla ei voi olla monopolia (eristettyä napaa), kuten latauksilla. Magneetti on aina olemassa dipolina eikä koskaan pohjoisnapana itsessään tai etelänapana itsessään. (Jos leikkaat tangon magneetin kahtia yrittääksemme erottaa pylväät, päädyt yksinkertaisesti kahteen pienempään dipolaariseen magneettiin!)

Kuten todennäköisesti tiedät, maapallolla on magneettikenttä. Tämän avulla ihmiset voivat käyttää kompasseja määrittämään, mihin suuntaan he ovat päin pylväisiin nähden. Magneettikompassi koostuu pienestä magneetista, joka voi liikkua vapaasti ja kohdistaa minkä tahansa ulkoisen kentän kanssa. Kompassineulan punainen pää osoittaa pohjoiseen. Maan magneettikenttä toimii kuin jättimäinen tankomagneetti. Tämä kuvitteellinen tankomagneetti on suunnattu siten, että magneetin pohjoispää on maapallon etelänavalla ja magneetin eteläpää on maan pohjoisnavalla.

Maan magneettikenttä ei myöskään ole yhdensuuntainen maan pinnan kanssa useimmissa paikoissa. Voit määrittää maapallon magneettikentän deklinaation upotusneulalla. Suuntaa ensin neula vaakasuoraan ja kohdista se maapallon magneettisen pohjoisen kanssa. Käännä sitten pystysuoraan ja tarkkaile upotuskulmaa. Kulma on sitä suurempi, mitä lähempänä olet pylväitä.

Maan magneettikenttä luo planeettaa ympäröivän avaruusalueen, jota kutsutaan magnetosfääriksi. Magnetosfääri näyttää olennaisilta osiltaan hyvin suuren tankomagneetin magneettikentästä, joka on kohdistettu lähellä maapallon akselia, vaikka magnetosfääri voi deformoitua vuorovaikutuksessa varautuneiden hiukkasten kanssa.

Magnetosfääri suojaa meitä aurinkotuulelta, joka sisältää varautuneita hiukkasia. Näiden hiukkasten ja magneettikentän linjojen välinen vuorovaikutus aiheuttaa auroroita.

Magnetismin ilmiötä käytetään kaikenlaisissa jokapäiväisissä sovelluksissa.

Sähkömagneettisuuden ilmiö antaa meille mahdollisuuden muuttaa mekaaninen energia sähköenergiaksi sähkögeneraattoreissa. Sähkögeneraattorit käyttävät mekaanisia keinoja turbiinin (puhaltavan tuulen tai juoksevan veden) kääntämiseen, mikä muuttaa magneettikenttää suhteessa lankakeloihin aiheuttaen virran virtauksen.

Sähkömoottorit ovat olennaisesti päinvastainen kuin sähkögeneraattorit, jotka käyttävät sähkömagneettisuutta muuntamiseen sähköenergia mekaaniseksi energiaksi, olipa kyseessä sitten porakone, sekoitin tai sähkö ajoneuvo.

Teollisuuden sähkömagneetit ovat jättimagneetteja, joilla on erittäin voimakkaat magneettikentät, jotka antavat heille mahdollisuuden poimia vanhoja ajoneuvoja romusta.

Magneettikuvauskoneet käyttävät voimakkaita magneettikenttiä luodakseen kuvia sisäpuolestasi ja antavat lääkäreille mahdollisuuden diagnosoida lukuisia sairauksia.