Fizika se rijetko osjeća čarobnije nego kad se kao dijete prvi put susretnete s magnetom. Nabaviti šipkasti magnet na satu znanosti i pokušati ga - svom snagom - gurnuti prema odgovarajućem polu drugog magneta, ali bića potpuno nesposobni ili ostavljajući suprotstavljene polove blizu jedan drugom, ali ne dodirujući se tako da možete vidjeti kako se pužu i na kraju pridružiti. Brzo naučite da je to ponašanje rezultat magnetizma, ali što je zapravo magnetizam? Koja je veza između elektriciteta i magnetizma koji omogućuje rad elektromagneta? Zašto ne biste upotrijebili trajni magnet umjesto elektromagneta, na primjer u metalnom otpadu? Magnetizam je fascinantna i komplicirana tema, ali ako samo želite naučiti svojstva magneta i osnove, stvarno je lako to pokupiti.
Kako rade magneti?
Magnetsko ponašanje u konačnici je uzrokovano kretanjem elektrona. Električni naboj u pokretu generira magnetsko polje i - kao što možete očekivati - magneti i magnetska polja su složeno povezani. Budući da je elektron nabijena čestica, njegovo orbitalno gibanje oko jezgre atoma stvara malo magnetsko polje. Općenito govoreći, u materijalu ima tona elektrona i polje koje je jedan stvorio bit će poništava polje koje je stvorilo drugo, i neće biti magnetizma od materijala kao a cijela.
Neki materijali ipak funkcioniraju drugačije. Magnetsko polje koje stvara jedan elektron može utjecati na orijentaciju polja koje stvaraju susjedni elektroni i oni se poravnaju. To stvara ono što se naziva magnetskom "domenom" unutar materijala, gdje su svi elektroni poravnati magnetska polja. Materijali koji to rade nazivaju se feromagnetski, a na sobnoj temperaturi samo su željezo, nikal, kobalt i gadolinij feromagnetski. To su materijali koji mogu postati trajni magneti.
Sve domene unutar feromagnetskog materijala imat će slučajna usmjerenja; iako susjedni elektroni poravnaju svoja polja zajedno, ostale skupine vjerojatno će biti poredane u drugom smjeru. To ne ostavlja magnetizam u velikim razmjerima, jer se različite domene međusobno poništavaju baš kao što to čine pojedini elektroni u drugim materijalima.
Međutim, ako primijenite vanjsko magnetsko polje - na primjer, približavajući šipkasti magnet materijalu - domene se počinju poravnavati. Kada svi domena su poravnati, cijeli materijal učinkovito sadrži jednu domenu i razvija dva pola, koja se obično nazivaju sjeverni i južni (iako pozitivni i negativni također mogu biti koristi).
U feromagnetskim materijalima ovo se poravnavanje nastavlja čak i kad se vanjsko polje ukloni, ali u drugim vrstama materijala (paramagnetski materijali), magnetska svojstva se gube kad je vanjsko polje uklonjen.
Koja su svojstva magneta?
Svojstva magneta koja definiraju su to što privlače neke materijale i suprotne polove drugih magneta, a odbijaju se poput polova drugih magneta. Dakle, ako imate dva stalna magnetska magneta, guranje dva sjeverna (ili južna) pola zajedno stvara odbojnu silu, koja postaje jača što su bliže dva kraja. Ako spojite dva suprotna pola (sjeverni i južni) između njih postoji privlačna sila. Što ih više zbližavate, jača je ta sila.
Feromagnetski materijali - poput željeza, nikla i kobalta - ili legure koje ih sadrže (poput čelika) privlače se permanentnim magnetima, čak i ako sami ne stvaraju magnetsko polje. Samo su privučena na magnete, i oni se neće odbiti ako ne počnu stvarati vlastito magnetsko polje. Ostale materijale, poput aluminija, drveta i keramike, magneti ne privlače.
Kako djeluje elektromagnet?
Stalni magnet i elektromagnet prilično se razlikuju. Elektromagneti uključuju električnu energiju na očitiji način i u osnovi nastaju kretanjem elektrona kroz žicu ili električni vodič. Kao i kod stvaranja magnetskih domena, kretanje elektrona kroz žicu stvara magnetsko polje. Oblik polja ovisi o smjeru u kojem elektroni putuju - ako usmjerite palac desne ruke u smjeru struje, prsti se uvijaju u smjeru struje polje.
Za proizvodnju jednostavnog elektromagneta, električna žica je namotana oko središnje jezgre, obično izrađene od željeza. Kada struja prolazi kroz žicu, putujući u krugovima oko jezgre, stvara se magnetsko polje koje prolazi duž središnje osi zavojnice. Ovo je polje prisutno bez obzira imate li jezgru ili ne, ali sa željeznom jezgrom polje poravnava domene u feromagnetskom materijalu i time jača.
Kad se zaustavi protok električne energije, nabijeni elektroni prestaju se kretati oko zavojnice žice, a magnetsko polje nestaje.
Koja su svojstva elektromagneta?
Elektromagneti i magneti imaju ista ključna svojstva. Razlika između trajnog magneta i elektromagneta u osnovi je jedna u načinu stvaranja polja, a ne svojstvima polja kasnije. Dakle, elektromagneti još uvijek imaju dva pola, još uvijek privlače feromagnetske materijale i još uvijek imaju polove koji odbijaju druge poput polova i privlače ih za razliku od polova. Razlika je u tome što se pomični naboj u stalnim magnetima stvara kretanjem elektrona u atoma, dok se u elektromagnetima stvara kretanjem elektrona kao dijela električnog Trenutno.
Prednosti elektromagneta
Ipak, elektromagneti imaju brojne prednosti. Budući da magnetsko polje proizvodi struja, njegove se karakteristike mogu mijenjati promjenom struje. Na primjer, povećanjem struje povećava se snaga magnetskog polja. Slično tome, izmjenična struja (izmjenična struja) može se koristiti za stvaranje magnetskog polja koje se stalno mijenja, a koje se može koristiti za indukciju struje u drugom vodiču.
Za primjene poput magnetskih dizalica u metalnim otpadima, velika prednost elektromagneta je što se polje može lako isključiti. Ako ste komad metalnog otpada pokupili velikim trajnim magnetom, uklanjanje s magneta bio bi popriličan izazov! S elektromagnetom trebate samo zaustaviti protok struje i otpadni metal će pasti.
Magneti i Maxwellovi zakoni
Zakoni elektromagnetizma opisani su Maxwellovim zakonima. Oni su napisani jezikom vektorskog računa i zahtijevaju prilično složenu matematiku. Međutim, osnove pravila koja se odnose na magnetizam mogu se razumjeti bez zalaženja u složenu matematiku.
Prvi zakon koji se odnosi na magnetizam naziva se "bez monopolnog zakona". To u osnovi navodi da svi magneti imaju dva pola i da nikada neće biti magneta s jednim polom. Drugim riječima, ne možete imati sjeverni pol magneta bez južnog pola, i obrnuto.
Drugi zakon koji se odnosi na magnetizam naziva se Faradayev zakon. To opisuje proces indukcije, gdje se mijenja magnetsko polje (proizvedeno elektromagnetom s promjenljiva struja ili pokretni trajni magnet) inducira napon (i električnu struju) u blizini dirigent.
Konačni zakon koji se odnosi na magnetizam naziva se Ampere-Maxwellov zakon i on opisuje kako promjenjivo električno polje stvara magnetsko polje. Snaga polja povezana je sa strujom koja prolazi kroz područje i brzinom promjene električnog polja (koje proizvode nosači električnog naboja poput protona i elektrona). To je zakon koji koristite za izračunavanje magnetskog polja u jednostavnijim slučajevima, kao što je zavojnica žice ili duga ravna žica.