磁石と電磁石の特性

子供の頃に初めて磁石に遭遇したときよりも、物理学が魔法のように感じることはめったにありません。 理科の授業で棒磁石を手に入れ、それを別の磁石の対応する極に向かって押し込もうとしていますが、 完全にできないか、反対側の極を互いに近づけたままにしますが、接触していないため、それらが一緒に忍び寄り、最終的にはクリープするのを見ることができます 参加します。 この振る舞いは磁性の結果であることがすぐにわかりますが、実際には磁性とは何ですか？ 電磁石が機能することを可能にする電気と磁気の間のリンクは何ですか？ たとえば、金属スクラップヤードで電磁石の代わりに永久磁石を使用しないのはなぜですか？ 磁性は魅力的で複雑なトピックですが、磁石の特性と基本を学びたいだけなら、簡単に理解できます。

磁気的振る舞いは、最終的には電子の動きによって引き起こされます。 移動する電荷は磁場を生成し、ご想像のとおり、磁石と磁場は複雑に関連しています。 電子は荷電粒子であるため、原子核の周りの軌道運動によって小さな磁場が生成されます。 しかし、一般的に言えば、材料には大量の電子があり、1つによって作成されるフィールドは次のようになります。 別の人によって作成されたフィールドによってキャンセルされ、材料からの磁気はありません。 全体。

ただし、一部のマテリアルは動作が異なります。 1つの電子によって生成された磁場は、隣接する電子によって生成された磁場の方向に影響を与える可能性があり、それらは整列します。 これにより、材料内にいわゆる磁区が生成され、すべての電子が磁場を整列させます。 これを行う材料は強磁性と呼ばれ、室温では、鉄、ニッケル、コバルト、ガドリニウムのみが強磁性です。 これらは永久磁石になることができる材料です。

強磁性体内のドメインはすべてランダムな方向になります。 隣接する電子がそれらの場を一緒に整列させたとしても、他のグループは異なる方向に整列する可能性があります。 個々の電子が他の材料で行うのと同じように、異なるドメインが互いに打ち消し合うため、これは大規模な磁性を残しません。

ただし、たとえば棒磁石を材料に近づけることによって外部磁場を適用すると、ドメインが整列し始めます。 いつ すべて ドメインの一部が整列している場合、マテリアル全体に単一のドメインが効果的に含まれ、 一般に北と南と呼ばれる2つの極を発達させます（ただし、正と負は 中古）。

強磁性体では、外部電界が除去されてもこの整列は継続しますが、他の材料では 材料の種類（常磁性材料）では、外部磁場が 削除されました。

磁石の明確な特性は、いくつかの材料と他の磁石の反対の極を引き付け、他の磁石の極のように反発することです。 したがって、2つの永久棒磁石がある場合、2つの北（または南）極を一緒に押すと反発力が発生し、2つの端が近づくほど強くなります。 2つの反対の極（北と南）を一緒にすると、それらの間に引力があります。 それらを近づけるほど、この力は強くなります。

鉄、ニッケル、コバルトなどの強磁性体、またはそれらを含む合金（鋼など）は、独自の磁場を生成していなくても、永久磁石に引き付けられます。 彼らはただです 惹かれる ただし、磁石に対しては、独自の磁場を生成し始めない限り、反発することはありません。 アルミニウム、木、セラミックなどの他の材料は、磁石に引き付けられません。

永久磁石と電磁石はかなり異なります。 電磁石は、より明白な方法で電気を含み、本質的に、ワイヤーまたは導電体を通る電子の動きによって生成されます。 磁区の作成と同様に、ワイヤーを通る電子の動きは磁場を生成します。 フィールドの形状は、電子が移動する方向によって異なります。 右手の親指を現在の方向に向けると、指は次の方向にカールします。 フィールド。

簡単な電磁石を作るために、電線は通常鉄でできている中心の芯の周りに巻かれています。 電流がワイヤを流れ、コアの周りを円を描くように流れると、コイルの中心軸に沿って流れる磁場が生成されます。 このフィールドは、コアの有無に関係なく存在しますが、鉄のコアを使用すると、フィールドは強磁性体のドメインを整列させ、それによって強くなります。

電気の流れが止まると、帯電した電子がワイヤーのコイルの周りを動きなくなり、磁場が消えます。

電磁石と磁石は同じ重要な特性を持っています。 永久磁石と電磁石の違いは、本質的には磁場の生成方法にあり、その後の磁場の特性ではありません。 したがって、電磁石にはまだ2つの極があり、強磁性体を引き付け、他の同様の極をはじき、異なる極を引き付ける極があります。 違いは、永久磁石の移動電荷は、 電磁石では、電気の一部としての電子の動きによって作成されますが、原子 電流。

ただし、電磁石には多くの利点があります。 磁場は電流によって生成されるため、電流を変えることでその特性を変えることができます。 たとえば、電流を増やすと磁場の強さが増します。 同様に、交流（AC電気）を使用して絶えず変化する磁場を生成することができ、これを使用して別の導体に電流を誘導することができます。

金属スクラップヤードの磁気クレーンのようなアプリケーションの場合、電磁石の大きな利点は、フィールドを簡単にオフにできることです。 大きな永久磁石で金属くずを拾った場合、磁石から金属くずを取り除くのは非常に困難です。 電磁石を使えば、電流の流れを止めるだけで金属くずが落ちます。

電磁気学の法則は、マクスウェルの法則によって記述されています。 これらはベクトル計算の言語で書かれており、使用するにはかなり複雑な数学が必要です。 しかし、複雑な数学を深く掘り下げることなく、磁性に関する規則の基本を理解することができます。

磁性に関する最初の法則は「単極子法則なし」と呼ばれます。 これは基本的に、すべての磁石に2つの極があり、1つの極を持つ磁石は存在しないことを示しています。 つまり、磁石のN極をS極なしで使用することはできません。また、その逆も同様です。

磁性に関連する2番目の法則は、ファラデーの法則と呼ばれます。 これは、変化する磁場（電磁石によって生成され、 変化する電流または移動する永久磁石によって）近くに電圧（および電流）を誘導します 導体。

磁性に関する最終的な法則はアンペア-マクスウェルの法則と呼ばれ、これは変化する電場がどのように磁場を生成するかを説明しています。 電界の強さは、その領域を流れる電流と電界の変化率（陽子や電子などの電荷キャリアによって生成される）に関連しています。 これは、ワイヤーのコイルや長い直線のワイヤーなど、より単純な場合に磁場を計算するために使用する法則です。