Magneettien ja sähkömagneettien ominaisuudet

Fysiikka tuntuu harvoin maagisemmalta kuin silloin, kun kohtaat ensimmäisen kerran magneetin lapsena. Sauva tankomagneetti luonnontieteen luokassa ja yrittää - kaikin voimin - työntää sitä kohti toisen magneetin mutta olennon vastaavaa napaa täysin kykenemättömät tai jättävät vastakkaiset navat lähelle toisiaan, mutta eivät kosketa, jotta voit nähdä niiden hiipyvän yhdessä ja lopulta liittyä seuraan. Opit nopeasti, että tämä käyttäytyminen on seurausta magnetismista, mutta mitä magnetismi todella on? Mikä on yhteys sähkön ja magneettisuuden välillä, joka sallii sähkömagneettien toiminnan? Miksi et käyttäisi kestomagneettia sähkömagneetin sijasta esimerkiksi metalliromun pihalla? Magnetismi on kiehtova ja monimutkainen aihe, mutta jos haluat vain oppia magneetin ominaisuudet ja perusasiat, se on todella helppo poimia.

Magneettinen käyttäytyminen johtuu viime kädessä elektronien liikkeestä. Liikkuva sähkövaraus tuottaa magneettikentän, ja - kuten voit odottaa - magneetit ja magneettikentät ovat monimutkaisesti yhteydessä toisiinsa. Koska elektroni on varattu hiukkanen, sen kiertoradan liike atomin ytimen ympärillä luo pienen magneettikentän. Yleisesti ottaen materiaalissa on kuitenkin tonnia elektroneja, ja yhden luoman kentän tulee olemaan toisen käyttäjän luomalla kentällä, eikä materiaalista tule magneettista a koko.

Jotkut materiaalit toimivat kuitenkin eri tavalla. Yhden elektronin tuottama magneettikenttä voi vaikuttaa naapurielektronien tuottaman kentän suuntaukseen, ja ne kohdistuvat. Tämä tuottaa materiaalissa niin sanotun magneettisen "domeenin", jossa kaikilla elektronilla on kohdistetut magneettikentät. Tätä tekeviä materiaaleja kutsutaan ferromagneettisiksi, ja huoneen lämpötilassa vain rauta, nikkeli, koboltti ja gadolinium ovat ferromagneettisia. Nämä ovat materiaaleja, joista voi tulla kestomagneetteja.

Ferromagneettisen materiaalin domeeneilla on kaikilla satunnainen suunta; vaikka naapurielektronit kohdistavat kentänsä yhteen, muut ryhmät todennäköisesti kohdistuvat eri suuntaan. Tämä ei jätä magneettisuutta suuressa mittakaavassa, koska eri domeenit kumoavat toisensa samoin kuin yksittäiset elektronit muissa materiaaleissa.

Kuitenkin, jos käytät ulkoista magneettikenttää - tuomalla esimerkiksi tankomagneetti lähelle materiaalia - verkkotunnukset alkavat kohdistaa. Kun kaikki verkkotunnuksista on kohdistettu, koko materiaalikappale sisältää tehokkaasti yhden domeenin ja kehittää kaksi napaa, joita yleensä kutsutaan pohjoiseksi ja eteläksi (vaikka positiivisia ja negatiivisia voi myös olla käytetty).

Ferromagneettisissa materiaaleissa tämä suuntaus jatkuu, vaikka ulkokenttä poistettaisiin, mutta muissa materiaalityypeissä (paramagneettiset materiaalit), magneettiset ominaisuudet menetetään, kun ulkokenttä on poistettu.

Magneettien määrittelyominaisuudet ovat, että ne houkuttelevat joitain materiaaleja ja muiden magneettien vastakkaisia ​​napoja ja hylkäävät kuin muiden magneettien navat. Joten jos sinulla on kaksi pysyvää tankomagneettia, kahden pohjoisen (tai etelän) napan työntäminen yhteen tuottaa vastenmielisen voiman, joka vahvistuu, mitä lähempänä molemmat päät tuodaan yhteen. Jos yhdistät kaksi vastakkaista napaa (pohjoinen ja etelä), niiden välillä on houkutteleva voima. Mitä lähempänä saatat ne yhteen, sitä voimakkaampi tämä voima on.

Ferromagneettiset materiaalit - kuten rauta, nikkeli ja koboltti - tai niitä sisältävät seokset (kuten teräs) houkuttelevat pysyviä magneetteja, vaikka ne eivät tuota omaa magneettikenttää. Ne ovat vain houkutteli magneeteille, mutta niitä ei hylätä, elleivät ne aloita oman magneettikentän tuottamista. Muut materiaalit, kuten alumiini, puu ja keramiikka, eivät houkuttele magneetteja.

Pysyvä magneetti ja sähkömagneetti ovat melko erilaisia. Sähkömagneeteihin liittyy sähköä selvemmällä tavalla ja ne syntyvät pääasiassa elektronien liikkeestä langan tai sähköjohtimen läpi. Kuten magneettisten domeenien luomisessa, elektronien liike langan läpi tuottaa magneettikentän. Kentän muoto riippuu elektronien kulkusuunnasta - jos osoitat oikean kätesi peukalo virran suuntaan, sormesi käpristyvät ala.

Yksinkertaisen sähkömagneetin tuottamiseksi sähköjohto kelataan keskirungon ympärille, joka on yleensä rautaa. Kun virta kulkee langan läpi ja kulkee ympyrän sisällä sydämen ympäri, syntyy magneettikenttä, joka kulkee kelan keskiakselia pitkin. Tämä kenttä on läsnä riippumatta siitä, onko sinulla ydin vai ei, mutta rautasydämellä kenttä kohdistaa ferromagneettisen materiaalin domeenit ja vahvistaa siten.

Kun sähkön virtaus pysäytetään, varatut elektronit lakkaavat liikkumasta lankakelan ympäri ja magneettikenttä katoaa.

Sähkömagneeteilla ja magneeteilla on samat keskeiset ominaisuudet. Kestomagneetin ja sähkömagneetin ero on olennaisesti yksi kentän luomisessa, ei kentän ominaisuuksista jälkikäteen. Joten sähkömagneeteilla on edelleen kaksi napaa, ne houkuttelevat edelleen ferromagneettisia materiaaleja, ja niillä on edelleen napoja, jotka hylkivät muita kaltaisia ​​pylväitä ja houkuttelevat toisin kuin pylväät. Erona on, että pysyvien magneettien liikkuva varaus syntyy elektronien liikkumisesta sisäänpäin atomit, kun taas sähkömagneeteissa se syntyy elektronien liikkeellä osana sähköä nykyinen.

Sähkömagneeteilla on kuitenkin monia etuja. Koska magneettikentän tuottaa virta, sen ominaisuuksia voidaan muuttaa muuttamalla virtaa. Esimerkiksi virran lisääminen lisää magneettikentän voimakkuutta. Vastaavasti vaihtovirtaa (vaihtovirtaa) voidaan käyttää tuottamaan jatkuvasti muuttuvaa magneettikenttää, jota voidaan käyttää virran indusointiin toisessa johtimessa.

Sovelluksissa, kuten magneettiset nosturit metalliromutehtailla, sähkömagneettien suuri etu on, että kenttä voidaan sammuttaa helposti. Jos valitsit metalliromun palan suurella kestomagneetilla, sen poistaminen magneetista olisi melko haaste! Sähkömagneetilla sinun tarvitsee vain pysäyttää virran virtaus ja romumetalli putoaa.

Sähkömagneettisuuden lakeja kuvaavat Maxwellin lait. Ne on kirjoitettu vektorilaskennan kielellä, ja niiden käyttö vaatii melko monimutkaista matematiikkaa. Magnetismiin liittyvien sääntöjen perusteet voidaan kuitenkin ymmärtää syventymättä monimutkaiseen matematiikkaan.

Ensimmäistä magnetismia koskevaa lakia kutsutaan "ei monopoliasetukseksi". Tässä todetaan periaatteessa, että kaikilla magneeteilla on kaksi napaa, eikä koskaan ole magneetteja, joilla olisi yksi napa. Toisin sanoen magneetin pohjoisnapaa ei voi olla ilman etelänavaa ja päinvastoin.

Toinen magnetismiin liittyvä laki on Faradayn laki. Tämä kuvaa induktioprosessia, jossa muuttuva magneettikenttä (tuottaa sähkömagneetti, jossa on vaihteleva virta tai liikkuva kestomagneetti) indusoi jännitteen (ja sähkövirran) läheiseen kapellimestari.

Lopullista magnetismiin liittyvää lakia kutsutaan Ampere-Maxwell-lakiksi, ja tämä kuvaa kuinka muuttuvan sähkökentän tuottaa magneettikenttä. Kentän voimakkuus liittyy alueen läpi kulkevaan virtaan ja sähkökentän muutosnopeuteen (jonka tuottavat sähkövarauksen kantajat, kuten protonit ja elektronit). Tätä lakia käytetään laskemaan magneettikenttä yksinkertaisemmissa tapauksissa, kuten lankakelalle tai pitkälle suoralle langalle.