Mágnesek. A hűtőszekrényben vannak, gyerekként játszott velük, még iránytűt is tartott a kezében, amikor az iránytű tű a Föld mágneses északi pólusára mutatott. De hogyan működnek? Mi ez a mágnesség jelensége?
Mi a mágnesség?
A mágnesesség az alapvető elektromágneses erő egyik aspektusa. Leírja a mágnesekkel vagy mágneses tárgyakkal kapcsolatos jelenségeket és erőket.
Minden mágneses mező mozgó töltéssel vagy elektromos mezők változtatásával jön létre. Ezért nevezik az elektromosság és a mágnesesség jelenségeit együttesen elektromágnesességnek. Tényleg egyek és ugyanazok!
Minden anyagon belül az atomok elektronokat tartalmaznak, és ezek az elektronok felhőt alkotnak az atommag körül, teljes mozgásukkal egy miniatűr mágneses dipólust hoznak létre. A legtöbb anyagban azonban ezeknek a minimágneseknek a véletlenszerű eloszlása okozza a mezők törlését. A ferromágneses anyagok a kivételek.
Számos anyag mutat mágneses jelenségeket, beleértve a vasat, a mangánt, a magnetitet és a kobaltot. Ezek állandó mágnesként létezhetnek, vagy paramágnesesek lehetnek (vagyis vonzódnak a mágneses anyagokhoz, de maguk nem tartják meg az állandó mágnesességet). Az elektromágnesek úgy jönnek létre, hogy elektromos áramot vezetnek át egy olyan huzalon, amely egy anyag köré van tekerve, például vas (vagy bármilyen helyzetben, ahol mozgó elektromos töltés van).
A mágneses anyagok vagy vonzhatják egymást, vagy taszíthatják egymást, attól függően, hogy ezeknek az anyagoknak mely részeit hozzák össze.
Mágneses mezők
Csakúgy, mint az elektromos erő és a gravitációs erő esetében, az egymásra mágneses erőket kifejtő tárgyak is teret generálnak körülöttük. A rúdmágnes például mágneses teret hoz létre a körülötte lévő térben, aminek következtében bármely más, a mezőbe behozott mágnes vagy ferromágneses anyag erőt érez.
A mágneses mező vizualizálásának egyik módja a vasreszelék használata. A vasreszelék apró vasdarabkák, amelyek egy mágnes köré szórva igazodnak a külső mágneses mező vonalakhoz, lehetővé téve számukra a vizualizációt.
A mágneses térerősséghez tartozó SI egység a tesla.
1 \ text {Tesla} = 1 \ text {T} = 1 \ frac {\ text {kg}} {\ text {As} ^ 2} = \ frac {\ text {Vs}} {\ text {m} ^ 2} = \ frac {\ text {N}} {\ text {Am}}
A mágneses térerősséghez kapcsolódó másik közös egység a gauss.
1 Gauss = 1 G = 10-4 T
A mágnesesség típusai
Sokféle mágnesség létezik:
Paramágnesességbizonyos anyagokat ismertet, amelyek gyengén vonzódhatnak a mágnesekhez, de maguk nem tartják meg az állandó mágneses teret. Külső mező jelenlétében belső, indukált mágneses mezőket alkotnak, amelyek igazodnak. Ez a mágneses mező átmeneti erősödését eredményezheti. Sokféle paramágneses anyag létezik, köztük néhány drágakő is.
Diamagnetizmusolyan tulajdonság, amelyet minden anyag bemutat, de amely jellemzően azokon az anyagokon a legnyilvánvalóbb, amelyeket nem mágnesesnek gondolunk. A mágneses anyagokat nagyon gyengén taszítják a mágneses mezők. Állandó mágnesekben és paramágneses anyagokban a diamagnetizmus hatása elhanyagolható.
Elektromágnesességakkor fordul elő, amikor elektromos áramot vezetnek át egy vezetéken. Ezt a huzalt fel lehet tekerni egy vasrúdra, hogy felerősítse a hatást, mivel a vas létrehozza saját mágneses mezőjét, amely igazodik a külső mezőhöz. A mágnesség ezen formája annak a ténynek a közvetlen következménye, hogy az elektronok mozgása mágneses teret hoz létre. (Ismét az elektromosság és a mágnesesség ugyanazon alapvető fizikai tulajdonság két oldala!)
Ferromágnesességleírja, hogy egyes anyagok - ún. ferromágneses anyagok - hogyan képeznek állandó mágneseket, amelyeket a következő szakasz tárgyal részletesebben.
Ferromágneses anyagok
Azokat az anyagokat, amelyek erősen vonzódnak a mágnesekhez, ferromágnesesnek nevezzük. A vas a leggyakoribb ilyen típusú anyag. (A latin előtag óta nem meglepőferro- jelentése "vas".)
A ferromágneses anyagoknak vannak úgynevezett mágneses doménjeik; vagyis azokban a régiókban, amelyek olyanok, mint a mágnesek, de különböző irányokba orientálódnak, így az összhatás elenyészik, és általában nem úgy viselkednek, mint a mágnesek. Ha azonban ezeket az anyagokat mágneses mezőkbe helyezzük, ez a tartományok összehangolását okozhatja hogy valamennyien ugyanabba az irányba vannak igazítva, és ezért (gyakran átmenetileg) olyanok lesznek, mint a mágnesek maguk.
A ferromágneses anyagok közé tartozik a lodestone, a vas, a nikkel, a kobalt és a különféle ritkaföldfémek, beleértve a neodímiumot is.
Rúdmágnesek, dipólusok és mágneses tulajdonságok
A rúdmágnes négyszögletes vagy hengeres mágneses rúd. A rúdmágnes végei északi és déli pólusok. Ez a két típusú mágneses pólus, és mágneses erőn keresztül kölcsönhatásba lépnek egymással, hasonlóan ahhoz, ahogy a pozitív és negatív töltések kölcsönhatásba lépnek az elektromos erővel.
A rúdmágnesek mágneses dipólusok. Ellenkező pólusuk van, amelyeket távolság választ el egymástól, hasonlóan az elektromos dipólushoz. Az egyik elsődleges különbség azonban az, hogy mágnesekkel nem lehet olyan monopólus (elszigetelt pólus), mint amilyen töltésekkel rendelkezik. A mágnes mindig létezik dipólusként, és soha nem önmagában északi pólusként vagy önmagában déli pólusként. (Ha félbevágja a rúdmágnest, hogy megpróbálja elválasztani a pólusokat, akkor egyszerűen két kisebb dipoláris mágneshez jut!)
A Föld mágneses tere
Mint valószínűleg tudjátok, a Föld mágneses mezővel rendelkezik. Ez lehetővé teszi az emberek számára, hogy iránytűvel határozzák meg, hogy melyik irányba néznek a pólusokhoz képest. A mágneses iránytű egy kis mágnesből áll, amely szabadon mozoghat és bármilyen külső térhez igazodhat. Az iránytű piros vége északra mutat. A Föld mágneses tere úgy működik, mint egy óriási rúdmágnes. Ez a képzeletbeli rúdmágnes úgy van orientálva, hogy a mágnes északi vége a Föld déli pólusánál, a mágnes déli vége pedig a Föld északi pólusánál van.
A Föld mágneses tere a legtöbb helyen sem párhuzamos a Föld felszínével. Dip tű segítségével meghatározhatja a Föld mágneses mezőjének deklinációját. Először orientálja a tűt vízszintesen, és igazítsa a Föld mágneses északi irányához. Ezután fordítsa függőlegesen és figyelje meg a merülési szöget. A szög annál nagyobb, minél közelebb van a pólusokhoz.
A Föld mágneses tere létrehozza a bolygót körülvevő térrészet, amelyet magnetoszférának neveznek. A magnetoszféra lényegében úgy néz ki, mint egy nagyon nagy rúdmágnes mágneses tere, amely a Föld tengelyéhez közel helyezkedik el, bár a magnetoszféra deformálódhat, amikor kölcsönhatásba lép a töltött részecskékkel.
A magnetoszféra megvéd minket a napszéltől, amely töltött részecskéket tartalmaz. Ezen részecskék és a mágneses mező vonalai közötti kölcsönhatások okozzák az aurorákat.
Példák
A mágnesesség jelenségét mindenféle mindennapi alkalmazásban használják.
Az elektromágnesesség jelensége lehetővé teszi számunkra, hogy a mechanikus energiát elektromos energiává alakítsuk át az elektromos generátorokban. Az elektromos generátorok mechanikus eszközökkel forgatják a turbinát (fújó szél vagy folyóvíz), amely megváltoztatja a mágneses teret a huzaltekercsekhez képest, és áramot indukál.
Az elektromos motorok lényegében ellentétesek az elektromos generátorokkal, az átalakításhoz elektromágnesességet használnak az elektromos energiát mechanikai energiává, legyen szó fúrógép, keverő vagy elektromos meghajtásról jármű.
Az ipari elektromágnesek óriási mágnesek, nagyon erős mágneses terekkel, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy régi járműveket vegyenek fel a selejtezőbe.
Az MRI-gépek erős mágneses mezőket használnak a belső képeinek létrehozásához, és lehetővé teszik az orvosok számára, hogy számos egészségi állapotot diagnosztizáljanak.
