Mnogima su magneti poznati jer na kuhinjskom hladnjaku često imaju ukrasne magnete. Međutim, magneti imaju mnoge praktične svrhe osim ukrašavanja, a mnogi utječu na naš svakodnevni život, a da mi to ni ne znamo.
Puno je pitanja o tome kako magneti djeluju i druga općenita pitanja o magnetizmu. Međutim, odgovoriti na većinu ovih pitanja i razumjeti kako različiti magneti mogu imati različite jakosti magnetskih polja, važno je razumjeti što je i kako je magnetsko polje proizvedeno.
Što je magnetsko polje?
Magnetsko polje je sila koja djeluje na nabijenu česticu, a upravljačka jednadžba za ovu interakciju jeLorentzov zakon o sili.Puna jednadžba sile anelektrično polje Ei amagnetsko polje Bna čestici s nabojemqi brzinevdaje:
\ vec {F} = q \ vec {E} + q \ vec {v} \ puta \ vec {B}.
Sjeti se toga jer silaF, poljaEiB, i brzinavsu svi vektori,×operacija jevektorski križni proizvod, a ne množenje.
Magnetska polja nastaju pomicanjem nabijenih čestica, koje se često nazivajuelektrična struja. Uobičajeni izvori magnetskih polja električne struje su elektromagneti, poput jednostavne žice, žice u petlji i nekoliko petlji žice u nizu koji se naziva
solenoid. Zemljino magnetsko polje također je uzrokovano pomicanjem nabijenih čestica u jezgri.Međutim, čini se da ti magneti na vašem hladnjaku nemaju struje ili izvore napajanja. Kako to funkcionira?
Trajni magneti
Trajni magnet je komadferomagnetski materijalkoja ima svojstvo koje stvara magnetsko polje. Unutarnji učinak koji stvara magnetsko polje je elektronski spin, a poravnanje tih spinova stvara magnetske domene. Te domene rezultiraju mrežnim magnetskim poljem.
Ferromagnetski materijali imaju tendenciju da imaju visok stupanj uređenja domena u svom prirodnom obliku, koji se lako može u potpunosti poravnati vanjskim magnetskim poljem. Tako feromagnetski magneti imaju tendenciju biti magnetski kad se nalaze u prirodi i lako zadržavaju svoja magnetska svojstva.
Dijamagnetski materijalislični su feromagnetskim materijalima i mogu stvoriti magnetsko polje kad se nađu u prirodi, ali različito reagiraju na vanjska polja. Dijamagnetski materijal će stvoriti suprotno orijentirano magnetsko polje u prisutnosti vanjskog polja. Ovaj bi učinak mogao ograničiti željenu čvrstoću magneta.
Paramagnetski materijalisu magnetske samo u prisutnosti vanjskog magnetskog polja koje se poravnava i obično su prilično slabe.
Imaju li veliki magneti snažnu magnetsku silu?
Kao što je spomenuto, trajni magneti sastoje se od magnetskih domena koje se nasumično poravnavaju. Unutar svake domene postoji određeni stupanj uređenja koji stvara magnetsko polje. Interakcija svih domena u jednom komadu feromagnetskog materijala stoga stvara ukupno, ili neto, magnetsko polje za magnet.
Ako su domene nasumično poravnate, vjerojatno postoji magnetsko polje s vrlo malim ili efektivno nula. Međutim, ako se vanjsko magnetsko polje približi nesređenom magnetu, domene će se početi poravnavati. Udaljenost polja za poravnanje do domena utjecati će na cjelokupno poravnanje, a time i na rezultirajuće neto magnetsko polje.
Ostavljanje feromagnetskog materijala na duže vrijeme u vanjskom magnetskom polju može pomoći u izvršavanju narudžbe i povećanju proizvedenog magnetskog polja. Slično tome, neto magnetsko polje trajnog magneta može se smanjiti unošenjem nekoliko slučajnih ili ometajućih magnetskih polja, što može pogrešno poravnati domene i smanjiti mrežno magnetsko polje.
Utječe li veličina magneta na njegovu snagu? Kratki je odgovor da, ali samo zato što veličina magneta znači da ih ima proporcionalno više domena koje se mogu poravnati i stvoriti jače magnetsko polje od manjeg dijela istog materijal. Međutim, ako je duljina magneta jako velika, postoji veća vjerojatnost da će zalutala magnetska polja pogrešno poravnati domene i smanjiti neto magnetsko polje.
Što je Curiejeva temperatura?
Još jedan faktor koji doprinosi snazi magnetatemperatura. Francuski je fizičar Pierre Curie 1895. utvrdio da magnetni materijali imaju temperaturnu granicu u kojoj se njihova magnetska svojstva mogu promijeniti. Točnije, domene se također više ne poravnavaju, pa tjedno poravnanje domene dovodi do slabog mrežnog magnetskog polja.
Za željezo, Curiejeva temperatura iznosi oko 1418 stupnjeva Fahrenheita. Za magnetit je to oko 1060 stupnjeva Fahrenheita. Imajte na umu da su ove temperature znatno niže od točaka topljenja. Dakle, temperatura magneta može utjecati na njegovu čvrstoću.
Elektromagneti
Drugačija je kategorija magnetaelektromagneti, koji su u biti magneti koji se mogu uključivati i isključivati.
Najčešći elektromagnet koji se koristi u raznim industrijskim primjenama je solenoid. Solenoid je niz strujnih petlji, koje rezultiraju jednolikim poljem u središtu petlji. To je zbog činjenice da svaka pojedinačna strujna petlja stvara kružno magnetsko polje oko žice. Postavljanjem nekoliko u nizu, superpozicija magnetskih polja stvara ravno, jednoliko polje kroz središte petlji.
Jednadžba veličine magnetskog polja magnetskog polja je jednostavno:B = μ0nI, gdjeμ0 je propusnost slobodnog prostora,nje broj trenutnih petlji po jedinici duljine iJaje struja koja kroz njih teče. Smjer magnetskog polja određen je pravilom s desne strane i smjerom strujanja, pa se stoga može obrnuti okretanjem smjera struje.
Vrlo je lako uočiti da se jačina solenoida može podesiti na dva osnovna načina. Prvo, struja kroz solenoid može se povećati. Iako se čini da se struja može proizvoljno povećavati, mogu postojati ograničenja napajanja ili otpora kruga, što može rezultirati oštećenjem ako se struja prevuče.
Stoga je sigurniji način povećanja magnetske čvrstoće solenoida povećanje broja strujnih petlji. Magnetsko polje se očito proporcionalno povećava. Jedino ograničenje u ovom slučaju može biti dostupna količina žice ili prostorna ograničenja ako je solenoid predug zbog broja trenutnih petlji.
Postoje brojne vrste elektromagneta, osim solenoida, ali svi imaju ista opća svojstva: Njihova snaga proporcionalna je trenutnom protoku.
Upotreba elektromagneta
Elektromagneti su sveprisutni i imaju mnogo primjena. Uobičajeni i vrlo jednostavan primjer elektromagneta, točnije solenoida, je zvučnik. Promjenjiva struja kroz zvučnik dovodi do povećanja i smanjenja jakosti magnetskog polja magnetskog polja.
Kako se to događa, drugi magnet, točnije trajni magnet, postavlja se na jedan kraj solenoida i na vibracijsku površinu. Kako se dva magnetska polja privlače i odbijaju zbog promjenjivog magnetnog polja, vibrirajuća površina se povlači i gura stvarajući zvuk.
Zvučnici bolje kvalitete koriste visokokvalitetne solenoide, trajne magnete i vibracijske površine kako bi stvorili kvalitetniji zvuk.
Zanimljive činjenice o magnetizmu
Magnet najveće veličine na svijetu je sama zemlja! Kao što je spomenuto, Zemlja ima magnetsko polje koje je posljedica struja stvorenih jezgrom zemlje. Iako to nije jako jako magnetsko polje u odnosu na mnoge male ručne magnete ili nekada korištene u akceleratorima čestica, sama Zemlja jedan od najvećih magneta za koje znamo!
Još jedan zanimljiv magnetski materijal je magnetit. Magnetit je željezna ruda koja je ne samo vrlo česta već je mineral s najvećim udjelom željeza. Ponekad se naziva i lodestone, zbog svog jedinstvenog svojstva da ima magnetsko polje koje je uvijek poravnato sa zemljinim magnetskim poljem. Kao takav, korišten je kao magnetski kompas već 300. pr.
