Quali sono le cause di diversi punti di forza nei magneti?

Molte persone hanno familiarità con i magneti perché spesso hanno magneti decorativi sul frigorifero della cucina. Tuttavia, i magneti hanno molti scopi pratici oltre alla decorazione e molti influenzano la nostra vita quotidiana senza che noi lo sappiamo.

Ci sono molte domande su come funzionano i magneti e altre domande generali sul magnetismo. Tuttavia, per rispondere alla maggior parte di queste domande, e per capire come magneti diversi possono avere differenze intensità dei campi magnetici, è importante capire cos'è un campo magnetico e come è prodotto.

Un campo magnetico è una forza che agisce su una particella carica e l'equazione che governa questa interazione è laLegge delle forze di Lorentz.L'equazione completa per la forza di ancampo elettrico​ ​Ee uncampo magnetico Bsu una particella con caricaqe velocitàvè dato da:

Ricordalo perché la forzaF, i campiEeB, e la velocitàvsono tutti vettori, i×il funzionamento è ilprodotto vettoriale incrociato, non moltiplicazione.

I campi magnetici sono prodotti dal movimento di particelle cariche, spesso chiamatecorrente elettrica. Sorgenti comuni di campi magnetici da corrente elettrica sono gli elettromagneti, come un semplice filo, un filo in un anello e diversi anelli di filo in una serie chiamatasolenoide. Il campo magnetico terrestre è anche causato dal movimento di particelle cariche nel nucleo.

Tuttavia, quei magneti sul tuo frigorifero non sembrano avere correnti fluenti o fonti di energia. Come funzionano?

Un magnete permanente è un pezzo dimateriale ferromagneticoche ha una proprietà intrinseca che produce un campo magnetico. L'effetto intrinseco che produce un campo magnetico è uno spin di elettroni e l'allineamento di questi spin crea domini magnetici. Questi domini generano un campo magnetico netto.

I materiali ferromagnetici tendono ad avere un alto grado di ordinamento dei domini nella loro forma naturale, che può essere facilmente interamente allineata da un campo magnetico esterno. Pertanto i magneti ferromagnetici tendono ad essere magnetici quando si trovano in natura e mantengono facilmente le loro proprietà magnetiche.

​Materiali diamagneticisono simili ai materiali ferromagnetici e possono produrre un campo magnetico quando si trovano in natura, ma rispondono in modo diverso ai campi esterni. Il materiale diamagnetico produrrà un campo magnetico orientato in modo opposto in presenza di un campo esterno. Questo effetto potrebbe limitare la forza desiderata del magnete.

​Materiali paramagneticisono magnetici solo in presenza di un campo magnetico allineante esterno e tendono ad essere abbastanza deboli.

Come accennato, i magneti permanenti sono costituiti da domini magnetici che si allineano in modo casuale. All'interno di ogni dominio, c'è un certo grado di ordinamento che crea un campo magnetico. L'interazione di tutti i domini in un pezzo di materiale ferromagnetico produce quindi il campo magnetico complessivo, o netto, per il magnete.

Se i domini sono allineati casualmente, è probabile che ci possa essere un campo magnetico molto piccolo o effettivamente nullo. Tuttavia, se un campo magnetico esterno viene avvicinato al magnete non ordinato, i domini inizieranno ad allinearsi. La distanza del campo di allineamento dai domini influenzerà l'allineamento complessivo e quindi il campo magnetico netto risultante.

Lasciare un materiale ferromagnetico in un campo magnetico esterno per un lungo periodo di tempo può aiutare a completare l'ordine e ad aumentare il campo magnetico prodotto. Allo stesso modo, il campo magnetico netto di un magnete permanente può essere ridotto introducendo diversi campi magnetici casuali o interferenti, che possono disallineare i domini e ridurre il campo magnetico netto.

La dimensione di un magnete influisce sulla sua forza? La risposta breve è sì, ma solo perché la dimensione di un magnete significa che ce ne sono in proporzione più domini che possono allinearsi e produrre un campo magnetico più forte di un pezzo più piccolo dello stesso Materiale. Tuttavia, se la lunghezza del magnete è molto lunga, c'è una maggiore possibilità che i campi magnetici vaganti disallineano i domini e diminuiscano il campo magnetico netto.

Un altro fattore che contribuisce è la forza del magnetetemperatura. Nel 1895, il fisico francese Pierre Curie determinò che i materiali magnetici hanno un limite di temperatura al quale le loro proprietà magnetiche possono cambiare. Nello specifico, anche i domini non si allineano più, quindi l'allineamento del dominio della settimana porta a un debole campo magnetico netto.

Per il ferro, la temperatura di Curie è di circa 1418 gradi Fahrenheit. Per la magnetite, è di circa 1060 gradi Fahrenheit. Si noti che queste temperature sono significativamente inferiori ai loro punti di fusione. Pertanto, la temperatura del magnete può influire sulla sua forza.

Una diversa categoria di magneti sonoelettromagneti, che sono essenzialmente magneti che possono essere accesi e spenti.

L'elettromagnete più comune utilizzato in varie applicazioni industriali è un solenoide. Un solenoide è una serie di anelli di corrente, che risultano in un campo uniforme al centro degli anelli. Ciò è dovuto al fatto che ogni singolo anello di corrente crea un campo magnetico circolare attorno al filo. Mettendo diversi in serie, la sovrapposizione dei campi magnetici crea un campo rettilineo e uniforme attraverso il centro delle spire.

L'equazione per la grandezza di un campo magnetico solenoidale è semplicemente:B = μ₀nI, doveμ₀ è la permeabilità dello spazio libero,nè il numero di loop di corrente per unità di lunghezza eioè la corrente che li attraversa. La direzione del campo magnetico è determinata dalla regola della mano destra e dalla direzione del flusso di corrente, e quindi può essere invertita invertendo la direzione della corrente.

È molto facile vedere che la forza di un solenoide può essere regolata in due modi principali. Innanzitutto, è possibile aumentare la corrente attraverso il solenoide. Sebbene sembri che la corrente possa essere aumentata arbitrariamente, potrebbero esserci limitazioni sull'alimentazione o sulla resistenza del circuito, che potrebbero causare danni se la corrente viene sovraccaricata.

Pertanto, un modo più sicuro per aumentare la forza magnetica di un solenoide è aumentare il numero di anelli di corrente. Il campo magnetico aumenta chiaramente in modo proporzionale. L'unica limitazione in questo caso potrebbe essere la quantità di filo disponibile o limitazioni spaziali se il solenoide è troppo lungo a causa del numero di anelli di corrente.

Esistono molti tipi di elettromagneti oltre ai solenoidi, ma tutti hanno la stessa proprietà generale: la loro forza è proporzionale al flusso di corrente.

Gli elettromagneti sono onnipresenti e hanno molti usi. Un esempio comune e molto semplice di un elettromagnete, in particolare un solenoide, è un altoparlante. La variazione di corrente attraverso l'altoparlante fa aumentare e diminuire la forza del campo magnetico solenoidale.

Quando ciò accade, un altro magnete, in particolare un magnete permanente, viene posizionato a un'estremità del solenoide e contro una superficie vibrante. Poiché i due campi magnetici si attraggono e si respingono a causa del cambiamento del campo solenoidale, la superficie vibrante viene tirata e spinta creando il suono.

Altoparlanti di qualità migliore utilizzano solenoidi, magneti permanenti e superfici vibranti di alta qualità per creare un suono di qualità superiore.

Il magnete più grande del mondo è la terra stessa! Come accennato, la terra ha un campo magnetico che è dovuto alle correnti create con il nucleo della terra. Sebbene non sia un campo magnetico molto forte rispetto a molti piccoli magneti portatili o a quelli usati una volta negli acceleratori di particelle, la terra stessa è uno dei più grandi magneti che conosciamo!

Un altro materiale magnetico interessante è la magnetite. La magnetite è un minerale di ferro che non solo è molto comune, ma è il minerale con il più alto contenuto di ferro. A volte è chiamato calamita, per la sua proprietà unica di avere un campo magnetico sempre allineato con il campo magnetico terrestre. Come tale, è stato utilizzato come bussola magnetica già nel 300 aC.