Mi okozza a mágnesek különböző erősségeit?

Sok ember ismeri a mágneseket, mert a konyhai hűtőszekrényben gyakran vannak dekoratív mágnesek. A mágneseknek azonban a díszítésen kívül sok gyakorlati célja van, és sokan befolyásolják mindennapjainkat anélkül, hogy tudnánk.

Nagyon sok kérdés merül fel a mágnesek működésével és más általános mágnesességi kérdésekkel kapcsolatban. Ahhoz azonban, hogy megválaszoljuk a legtöbb kérdést, és megértsem, hogy a különböző mágnesek miben különbözhetnek egymástól A mágneses mezők erősségének megértése érdekében fontos megérteni, hogy mi a mágneses mező és hogyan előállított.

A mágneses mező olyan erő, amely egy töltött részecskére hat, és ennek az interakciónak a vezéregyenlete aLorentz erő törvény.Az an erejének teljes egyenleteelektromos mező​ ​Eés amágneses tér Begy részecskén töltésselqés a sebességváltal adva:

Ne feledje, mert az erőF, a mezőkEésB, és a sebességvmind vektorok, a×művelet azvektor kereszttermék, nem szorzás.

A mágneses mezőket a töltött részecskék mozgatása hozza létre, ezeket gyakran nevezikelektromos áram. Az elektromos áramból származó mágneses mezők általános forrásai az elektromágnesek, például egy egyszerű huzal, egy huzal egy hurokban, és több huzal huzal sorozatban, amelyetszolenoid. A föld mágneses terét a töltésben lévő részecskék mozgatása is okozza.

Úgy tűnik azonban, hogy a hűtőszekrényében lévő mágnesek áramló áramokkal vagy áramforrásokkal nem rendelkeznek. Hogyan működnek?

Az állandó mágnes egy darabjaferromágneses anyagamelynek belső tulajdonsága mágneses teret hoz létre. A mágneses teret létrehozó belső hatás egy elektronpörgetés, és ezeknek a forgásoknak az összehangolása mágneses doméneket hoz létre. Ezek a tartományok nettó mágneses teret eredményeznek.

A ferromágneses anyagok doménelrendezése általában magas a természetben előforduló formájukban, amelyet egy külső mágneses mező könnyen teljes egészében összehangolhat. Így a ferromágneses mágnesek általában mágnesesek, ha a természetben megtalálhatók, és könnyen megtartják mágneses tulajdonságukat.

​Diamágneses anyagokhasonlóak a ferromágneses anyagokhoz, és mágneses teret hozhatnak létre, ha a természetben megtalálhatók, de a külső mezőkre másképpen reagálnak. A mágneses anyag ellentétesen orientált mágneses teret állít elő egy külső mező jelenlétében. Ez a hatás korlátozhatja a mágnes kívánt erősségét.

​Paramágneses anyagokcsak külső, egymással igazodó mágneses mező jelenlétében mágnesesek, és általában meglehetősen gyengék.

Mint említettük, az állandó mágnesek véletlenszerűen egymáshoz igazodó mágneses doménekből állnak. Minden tartományon belül van bizonyos mértékű rendezés, amely mágneses teret hoz létre. A ferromágneses anyag egy darabjában lévő összes domén kölcsönhatása tehát a mágnes teljes vagy nettó mágneses mezőjét hozza létre.

Ha a domének véletlenszerűen vannak egymáshoz igazítva, akkor valószínűleg nagyon kicsi vagy gyakorlatilag nulla mágneses mező lehet. Ha azonban egy külső mágneses teret közelítünk a rendezetlen mágneshez, akkor a domének elkezdenek igazodni. Az igazító mező és a tartományok távolsága hatással lesz a teljes összehangolásra, és így a kapott nettó mágneses mezőre.

Ha egy ferromágneses anyagot hosszabb ideig hagyunk egy külső mágneses mezőben, ez segíthet a megrendelés befejezésében és az előállított mágneses mező növelésében. Hasonlóképpen az állandó mágnes nettó mágneses tere több véletlenszerű vagy zavaró mágneses mező bejuttatásával csökkenthető, amelyek rosszul illeszthetik a doméneket és csökkenthetik a nettó mágneses teret.

A mágnes mérete befolyásolja-e az erejét? A rövid válasz igen, de csak azért, mert a mágnes mérete azt jelenti, hogy arányosan vannak több domén, amely összehangolhatja és erősebb mágneses teret hozhat létre, mint egy kisebb darab anyag. Ha azonban a mágnes hossza nagyon hosszú, akkor nagyobb az esély arra, hogy a kóbor mágneses mezők rosszul illesszék a tartományokat és csökkentsék a nettó mágneses teret.

Egy másik hozzájáruló tényező a mágnes erősségehőfok. 1895-ben Pierre Curie francia fizikus megállapította, hogy a mágneses anyagok hőmérséklet-határértékkel rendelkeznek, és ekkor mágneses tulajdonságaik megváltozhatnak. Pontosabban, a domének már nem igazodnak össze, így a heti doménbeállítás gyenge nettó mágneses térhez vezet.

Vas esetében a Curie hőmérséklete 1418 Fahrenheit fok körül mozog. A magnetit esetében 1060 Fahrenheit fok körül van. Vegye figyelembe, hogy ezek a hőmérsékletek lényegesen alacsonyabbak, mint olvadáspontjuk. Így a mágnes hőmérséklete befolyásolhatja erejét.

A mágnesek egy másik kategóriájaelektromágnesek, amelyek lényegében be- és kikapcsolható mágnesek.

A leggyakoribb elektromágnes, amelyet különféle ipari alkalmazásokban használnak, egy mágnesszelep. A mágnesszelep az áramhurok sorozata, amelyek egyenletes mezőt eredményeznek a hurkok közepén. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy minden egyes áramhurok kör alakú mágneses teret hoz létre a vezeték körül. Több sorozatba helyezésével a mágneses mezők egymásra helyezése egyenes, egyenletes mezőt hoz létre a hurkok közepén keresztül.

A mágnesszelep nagyságának egyenlete egyszerűen:B = μ₀nI, holμ₀ a szabad tér átjárhatósága,naz egységnyi hosszúságú áramkörök száma éséna rajtuk átfolyó áram. A mágneses tér irányát a jobb oldali szabály és az áram áramlásának iránya határozza meg, ezért az áram irányának megfordításával megfordítható.

Nagyon könnyen belátható, hogy a mágnesszelep erőssége két elsődleges módon állítható be. Először is, a mágnesszelepen keresztüli áram növelhető. Bár úgy tűnik, hogy az áram tetszőlegesen megnövelhető, az áramellátás vagy az áramkör ellenállása korlátozott lehet, ami károsodást okozhat, ha az áramot túlhúzza.

Ezért egy mágnesszelep mágneses erejének növelésének biztonságosabb módja az áramhurkok számának növelése. A mágneses mező egyértelműen arányosan növekszik. Az egyetlen korlátozás ebben az esetben lehet a rendelkezésre álló vezeték mennyisége, vagy térbeli korlátozás, ha a mágnesszelep túl hosszú az áramkörök száma miatt.

A mágnesszelepeken kívül sokféle elektromágnes létezik, de mindegyiknek ugyanaz az általános tulajdonsága: Erősségük arányos az áramárammal.

Az elektromágnesek mindenütt jelen vannak, és sokféle felhasználási lehetőségük van. Az elektromágnes, különösen egy mágnesszelep gyakori és nagyon egyszerű példája a hangszóró. A hangszórón átmenő változó áram hatására a mágnesszelep mágneses mezője erősödik és csökken.

Amikor ez megtörténik, a mágnesszelep egyik végén és egy rezgő felületen egy másik mágnest, különösen állandó mágnest helyeznek el. Mivel a két mágneses mező vonzódik és taszítja a változó mágnesszelep miatt, a rezgő felületet meghúzva és tolva hangot hoz létre.

A jobb minőségű hangszórók kiváló minőségű mágnesszelepeket, állandó mágneseket és rezgő felületeket használnak a jobb minőségű hangkimenet létrehozásához.

A legnagyobb méretű mágnes a világon maga a föld! Mint említettük, a földnek van egy mágneses tere, amely a föld magjával létrehozott áramoknak köszönhető. Bár ez nem túl erős mágneses tér sok kisméretű kézi mágneshez vagy a hajdani részecskegyorsítókhoz képest, maga a föld az egyik legnagyobb mágnes, amelyet ismerünk!

Egy másik érdekes mágneses anyag a magnetit. A magnitit egy olyan vasérc, amely nemcsak nagyon gyakori, hanem a legmagasabb vaskéntartalmú ásványi anyag is. Időnként lódkőnek hívják, egyedülálló tulajdonsága miatt, hogy mágneses tere mindig a föld mágneses mezőjéhez igazodik. Mint ilyen, már Kr.e. 300-ban mágneses iránytűként használták.