磁石の強度が異なる原因は何ですか？

彼らはしばしば彼らの台所の冷蔵庫に装飾的な磁石を持っているので、多くの人々は磁石に精通しています。 しかし、磁石には装飾以外にも多くの実用的な目的があり、その多くは私たちが知らないうちに私たちの日常生活に影響を与えます。

磁石がどのように機能するかについての多くの質問、および他の一般的な磁気の質問があります。 ただし、これらの質問のほとんどに答え、さまざまな磁石がどのように異なる可能性があるかを理解するため 磁場の強さ、磁場とは何か、そしてそれがどのようになっているのかを理解することが重要です 生産。

磁場は荷電粒子に作用する力であり、この相互作用の支配方程式は次のとおりです。ローレンツ力の法則。の力の完全な方程式電界​ ​Eと磁場B電荷を持つ粒子上qと速度vによって与えられます：

力があるので覚えておいてくださいF、 フィールドEそしてB、および速度vすべてベクトルであり、×操作はベクトル外積、乗算ではありません。

磁場は、しばしば呼ばれる荷電粒子を動かすことによって生成されます電流. 電流からの一般的な磁場源は、単純なワイヤー、ループ内のワイヤー、および一連のワイヤーのいくつかのループなどの電磁石です。ソレノイド. 地球の磁場は、コア内の荷電粒子の移動によっても発生します。

ただし、冷蔵庫の磁石には電流や電源が流れていないようです。 それらはどのように機能しますか？

永久磁石は強磁性体それは磁場を生成する固有の特性を持っています。 磁場を生成する固有の効果は電子スピンであり、これらのスピンの整列は磁区を作成します。 これらのドメインは、正味の磁場をもたらします。

強磁性体は、自然に発生する形で高度なドメイン秩序を持つ傾向があり、外部磁場によって完全に整列させることができます。 したがって、強磁性磁石は、自然界に見られる場合は磁性を帯びる傾向があり、その磁気特性を容易に保持します。

​反磁性材料強磁性体に似ており、自然界に見られると磁場を生成する可能性がありますが、外部磁場への反応は異なります。 反磁性材料は、外部磁場の存在下で反対方向の磁場を生成します。 この効果により、磁石の望ましい強度が制限される可能性があります。

​常磁性材料外部の整列磁場の存在下でのみ磁気を帯びており、かなり弱い傾向があります。

前述のように、永久磁石はランダムに整列する磁区で構成されています。 各ドメイン内には、磁場を生成するある程度の秩序があります。 したがって、1つの強磁性材料内のすべてのドメインの相互作用により、磁石の全体的な、つまり正味の磁場が生成されます。

ドメインがランダムに整列している場合、磁場が非常に小さいか、事実上ゼロである可能性があります。 ただし、外部磁場が無秩序な磁石に近づくと、ドメインは整列し始めます。 ドメインまでの整列磁場の距離は、全体的な整列に影響を与え、したがって、結果として生じる正味の磁場に影響を与えます。

強磁性体を外部磁場に長期間放置すると、秩序化を完了し、生成される磁場を増やすのに役立ちます。 同様に、永久磁石の正味の磁場は、ドメインを不整列にし、正味の磁場を減少させる可能性のあるいくつかのランダムまたは干渉磁場を取り込むことによって減少させることができます。

磁石のサイズはその強度に影響しますか？ 短い答えはイエスですが、それは磁石のサイズが比例して存在することを意味するからです 同じものの小さな部分よりも強い磁場を整列させて生成できるより多くのドメイン 材料。 ただし、磁石の長さが非常に長い場合、漂遊磁場がドメインの位置をずらし、正味の磁場を減少させる可能性が高くなります。

磁石の強さのもう一つの要因は温度. 1895年、フランスの物理学者ピエールキュリーは、磁性材料には温度カットオフがあり、その時点で磁気特性が変化する可能性があると判断しました。 具体的には、ドメインも整列しなくなったため、週のドメイン整列は弱い正味磁場につながります。

鉄の場合、キュリー温度は華氏約1418度です。 マグネタイトの場合、華氏約1060度です。 これらの温度は融点よりも大幅に低いことに注意してください。 したがって、磁石の温度がその強度に影響を与える可能性があります。

磁石の別のカテゴリは電磁石、本質的にはオンとオフを切り替えることができる磁石です。

さまざまな産業用途で使用される最も一般的な電磁石はソレノイドです。 ソレノイドは一連の電流ループであり、ループの中心に均一な電界が発生します。 これは、個々の電流ループがワイヤの周りに円形の磁場を生成するという事実によるものです。 いくつかを直列に配置することにより、磁場の重ね合わせにより、ループの中心を通る真っ直ぐで均一な磁場が作成されます。

ソレノイド磁場の大きさの式は次のとおりです。B =μ₀nI、 どこμ₀ は自由空間の透磁率であり、nは単位長さあたりの電流ループの数であり、私それらを流れる電流です。 磁場の方向は、右手の法則と電流の方向によって決定されるため、電流の方向を逆にすることで逆にすることができます。

ソレノイドの強度は、主に2つの方法で調整できることが非常に簡単にわかります。 まず、ソレノイドを流れる電流を増やすことができます。 電流は任意に増加できるように見えますが、電源や回路の抵抗に制限があり、電流を過剰に消費すると損傷する可能性があります。

したがって、ソレノイドの磁気強度を上げるためのより安全な方法は、電流ループの数を増やすことです。 磁場は明らかに比例して増加します。 この場合の唯一の制限は、使用可能なワイヤの量、または電流ループの数のためにソレノイドが長す​​ぎる場合の空間的な制限である可能性があります。

ソレノイド以外にも多くの種類の電磁気学がありますが、それらはすべて同じ一般的な特性を持っています：それらの強度は電流の流れに比例します。

電磁石は至る所にあり、多くの用途があります。 電磁石、特にソレノイドの一般的で非常に単純な例はスピーカーです。 スピーカーを流れる電流が変化すると、ソレノイド磁場の強度が増減します。

これが起こると、別の磁石、特に永久磁石がソレノイドの一端に振動面に対して配置されます。 ソレノイド磁場の変化により2つの磁場が引き付けられて反発すると、振動面が引っ張られて押されて音が発生します。

高品質のスピーカーは、高品質のソレノイド、永久磁石、振動面を使用して、高品質のサウンド出力を作成します。

世界最大の磁石は地球そのものです！ 前述のように、地球には、地球のコアで生成された電流による磁場があります。 多くの小さなハンドヘルド磁石やかつて粒子加速器で使用されていたものと比べると、それほど強い磁場ではありませんが、地球自体は私たちが知っている最大の磁石の1つです。

もう1つの興味深い磁性材料はマグネタイトです。 マグネタイトは、非常に一般的であるだけでなく、鉄含有量が最も高い鉱物である鉄鉱石です。 それは、地球の磁場と常に整列している磁場を持っているというその独特の特性のために、ロードストーンと呼ばれることもあります。 そのため、紀元前300年には磁気コンパスとして使用されていました。