მაგნიტების და ელექტრომაგნიტების თვისებები

ფიზიკა იშვიათად გრძნობს თავს უფრო მაგიურად, ვიდრე მაშინ, როდესაც ბავშვობაში მაგნიტს პირველად შეხვდებით. სამეცნიერო კლასში ბარი მაგნიტის მიღება და ცდილობს, მთელი ძალით დააჭიროთ მას სხვა მაგნიტის შესატყვისი პოლუსისკენ, მაგრამ სრულიად ვერ ახერხებენ, ან დაპირისპირებულ ბოძებს ტოვებენ ერთმანეთთან ახლოს, მაგრამ არ ეხებიან ასე რომ თქვენ ხედავთ, როგორ იპარებიან ისინი ერთად და საბოლოოდ შეუერთდნენ. სწრაფად გაიგებთ, რომ ეს ქცევა მაგნეტიზმის შედეგია, მაგრამ სინამდვილეში რა არის მაგნეტიზმი? რა არის კავშირი ელექტროენერგიასა და მაგნეტიზმს შორის, რაც ელექტრომაგნიტების მუშაობის საშუალებას იძლევა? მაგალითად, რატომ არ იყენებთ მუდმივ მაგნიტს ელექტრომაგნიტის ნაცვლად მეტალის ჯართის ეზოში? მაგნეტიზმი მომხიბლავი და რთული თემაა, მაგრამ თუ თქვენ უბრალოდ გსურთ გაიგოთ მაგნიტის თვისებები და საფუძვლები, მისი აღება ნამდვილად მარტივია.

მაგნიტური ქცევა საბოლოოდ გამოწვეულია ელექტრონების მოძრაობით. მოძრავი ელექტრული მუხტი წარმოქმნის მაგნიტურ ველს და, როგორც თქვენ შეიძლება ელით, მაგნიტები და მაგნიტური ველები ერთმანეთთან რთულად არის დაკავშირებული. ვინაიდან ელექტრონი დამუხტული ნაწილაკია, მისი ორბიტალური მოძრაობა ატომის ბირთვის გარშემო ქმნის მცირე მაგნიტურ ველს. ზოგადად რომ ვთქვათ, მასალაში უამრავი ტონა ელექტრონია და ერთის მიერ შექმნილი ველი იქნება გაუქმებულია სხვის მიერ შექმნილი ველის მიერ და მასალისგან რაიმე მაგნეტიზმი არ იქნება მთლიანი.

ზოგიერთი მასალა განსხვავებულად მუშაობს. ერთი ელექტრონის მიერ შექმნილ მაგნიტურ ველს შეუძლია გავლენა მოახდინოს მეზობელი ელექტრონების მიერ წარმოებული ველის ორიენტაციაზე და ისინი გახდებიან გასწორებული. ეს ქმნის მასალს, რასაც მაგნიტურ "დომენს" უწოდებენ, სადაც ყველა ელექტრონს აქვს მაგნიტური ველები. მასალებს, რომლებიც ამას აკეთებენ, ფერომაგნიტურს უწოდებენ და ოთახის ტემპერატურაზე მხოლოდ რკინა, ნიკელი, კობალტი და გადოლინიუმი ფერომაგნიტურია. ეს არის მასალა, ვიდრე შეიძლება გახდეს მუდმივი მაგნიტი.

ფერომაგნიტური მასალის დომენებს ყველას ექნება შემთხვევითი ორიენტაცია; მიუხედავად იმისა, რომ მეზობელი ელექტრონები თავიანთ ველებს უთავსებენ, სხვა ჯგუფები, სავარაუდოდ, სხვა მიმართულებით იქნება გასწორებული. ეს დიდ მასშტაბებს არ ტოვებს მაგნეტიზმს, რადგან სხვადასხვა დომენები გააუქმებენ ერთმანეთს, ისევე როგორც ცალკეული ელექტრონები სხვა მასალებში.

ამასთან, თუ გარე მაგნიტურ ველს გამოიყენებთ - მასალის მახლობლად მაგისტრალური მაგნიტის მიტანით, დომენები იწყებენ გასწორებას. Როდესაც ყველა დომენების გასწორება ხდება, მასალის მთელი ნაწილი ეფექტურად შეიცავს ერთ დომენს და ვითარდება ორი პოლუსი, რომელსაც ზოგადად ჩრდილოეთით და სამხრეთით უწოდებენ (თუმცა შეიძლება იყოს დადებითი და უარყოფითიც) გამოყენებული).

ფერომაგნიტურ მასალებში, ეს გასწორება გრძელდება მაშინაც კი, როდესაც გარე ველი ამოღებულია, მაგრამ სხვაში მასალების ტიპები (პარამაგნიტური მასალები), მაგნიტური თვისებები იკარგება, როდესაც გარე ველი ხდება ამოიღეს.

მაგნიტების განმსაზღვრელი თვისებებია ის, რომ ისინი იზიდავს ზოგიერთ მასალას და სხვა მაგნიტის საპირისპირო პოლუსებს და მოგერიდებათ სხვა მაგნიტების ბოძების მსგავსად. ასე რომ, თუ თქვენ გაქვთ ორი მუდმივი ზოლის მაგნიტი, ორი ჩრდილოეთის (ან სამხრეთის) ბოძების ერთმანეთთან მიბმა წარმოქმნის მოგერიებით ძალას, რაც უფრო მძლავრდება, რაც უფრო ახლოს მიდის ორი ბოლო. თუ ორი საპირისპირო პოლუსი აერთიანებთ (ჩრდილოეთი და სამხრეთი), მათ შორის მიმზიდველი ძალაა. რაც უფრო მიუახლოვებთ მათ, მით უფრო ძლიერია ეს ძალა.

ფერომაგნიტური მასალები, როგორიცაა რკინა, ნიკელი და კობალტი - ან მათ შემცველი შენადნობები (მაგალითად, ფოლადი) იზიდავს მუდმივ მაგნიტებს, თუნდაც ისინი არ წარმოქმნიან მაგნიტურ ველს. ისინი მხოლოდ მოზიდული მაგნიტებამდე, და ისინი არ მოიგერიებენ, თუ არ დაიწყებენ მაგნიტური ველის წარმოებას. სხვა მასალებს, როგორიცაა ალუმინის, ხის და კერამიკის, მაგნიტები არ იზიდავს.

მუდმივი მაგნიტი და ელექტრომაგნიტი საკმაოდ განსხვავებულია. ელექტრომაგნიტები უფრო აშკარა გზით მოიცავს ელექტროენერგიას და არსებითად წარმოიქმნება ელექტრონების გადაადგილებით მავთულის ან ელექტრული გამტარის მეშვეობით. ისევე როგორც მაგნიტური დომენების შექმნა, ელექტრონების მოძრაობა მავთულის მეშვეობით წარმოქმნის მაგნიტურ ველს. ველის ფორმა დამოკიდებულია იმ მიმართულებაზე, სადაც ელექტრონები მოძრაობენ - თუ მიუთითებთ თქვენი მარჯვენა ხელის ცერი დინების მიმართულებით, თითები კიხვევის მიმართულებით ველი

მარტივი ელექტრომაგნიტის წარმოებისთვის, ელექტრული მავთული გრაგნილია ცენტრალური ბირთვის გარშემო, რომელიც ჩვეულებრივ მზადდება რკინისგან. როდესაც მიმდინარე მიედინება მავთულში, ბრუნვის გარშემო წრეებში მოძრაობს, წარმოიქმნება მაგნიტური ველი, რომელიც გადის ცენტრალური ღერძის გასწვრივ. ეს ველი წარმოდგენილია იმის მიუხედავად, გაქვთ თუ არა ბირთვი, მაგრამ რკინის ბირთვით, ველი სწორდება დომენებზე ფერომაგნიტურ მასალაში და ამით ძლიერდება.

ელექტროენერგიის ნაკადის შეჩერებისას, დამუხტული ელექტრონები წყვეტენ მოძრაობას მავთულის ხვიაზე და მაგნიტური ველი ქრება.

ელექტრო მაგნიტებს და მაგნიტებს აქვთ იგივე საკვანძო თვისებები. მუდმივი მაგნიტისა და ელექტრომაგნიტის განსხვავება არსებითად იმაში მდგომარეობს, თუ როგორ იქმნება ველი და არა ამის შემდეგ ველის თვისებები. ასე რომ, ელექტრომაგნიტებს კვლავ აქვთ ორი პოლუსი, კვლავ იზიდავენ ფერომაგნიტურ მასალებს და კვლავ აქვთ ბოძები, რომლებიც სხვას პოლუსების მსგავსად მოიგერიებენ და პოლუსებისგან განსხვავებით იზიდავენ. განსხვავება იმაშია, რომ მუდმივ მაგნიტებში მოძრავი მუხტი იქმნება ელექტრონების გადაადგილებით ატომები, ხოლო ელექტრომაგნიტებში ის იქმნება ელექტრონების მოძრაობით, როგორც ელექტრული ნაწილისა მიმდინარე

ელექტრომაგნიტებს ბევრი უპირატესობა აქვთ. იმის გამო, რომ მაგნიტური ველი წარმოიქმნება მიმდინარეობით, მისი მახასიათებლების შეცვლა შესაძლებელია დენის შეცვლით. მაგალითად, დენის გაზრდა ზრდის მაგნიტური ველის ძალას. ანალოგიურად, ალტერნატიული მიმდინარეობა (AC ელექტროენერგია) შეიძლება გამოყენებულ იქნას მუდმივად ცვალებადი მაგნიტური ველის წარმოსაქმნელად, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა კონდუქტორში დენის შესაქმნელად.

ისეთი პროგრამებისთვის, როგორიცაა მაგნიტური ამწეები ლითონის ჯართის ეზოებში, ელექტრომაგნიტების დიდი უპირატესობა ის არის, რომ ველის გამორთვა მარტივია. თუ თქვენ აიღებთ ჯართის ნაჭერს დიდი მუდმივი მაგნიტით, მაგნიტიდან მისი ამოღება საკმაოდ რთული იქნება! ელექტრომაგნიტით, თქვენ მხოლოდ უნდა შეაჩეროთ დენის ნაკადი და ჯართი დაეცემა.

ელექტრომაგნეტიზმის კანონები აღწერილია მაქსველის კანონებით. ეს დაწერილია ვექტორული გამოთვლის ენაზე და მოითხოვს საკმაოდ რთულ მათემატიკას. ამასთან, მაგნეტიზმთან დაკავშირებული წესების საფუძვლების გაგება რთულ მათემატიკაში ჩაღრმავების გარეშე ხდება.

მაგნეტიზმთან დაკავშირებულ პირველ კანონს უწოდებენ "არ არსებობს მონოპოლური კანონი". ეს ძირითადად აცხადებს, რომ ყველა მაგნიტს აქვს ორი პოლუსი და არასდროს იქნება მაგნიტი ერთ ბოძზე. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, თქვენ არ გექნებათ მაგნიტის ჩრდილო პოლუსი სამხრეთ პოლუსის გარეშე და პირიქით.

მაგნეტიზმთან დაკავშირებულ მეორე კანონს ფარადეის კანონი ეწოდება. ეს აღწერს ინდუქციის პროცესს, სადაც იცვლება მაგნიტური ველი (წარმოებულია ელექტრომაგნიტით a ცვალებადი მიმდინარეობა ან მოძრავი მუდმივი მაგნიტით) იწვევს ძაბვას (და ელექტროენერგიას) ახლომახლოში კონდუქტორი.

მაგნეტიზმთან დაკავშირებულ საბოლოო კანონს ამპერ-მაქსველის კანონს უწოდებენ და ეს აღწერს როგორ ცვლის ელექტრული ველი მაგნიტურ ველს. ველის სიძლიერე უკავშირდება არეალში მიმდინარე მიმდინარეობას და ელექტრული ველის ცვლილების სიჩქარეს (რომელსაც აწარმოებენ ელექტრული მუხტის მატარებლები, როგორიცაა პროტონები და ელექტრონები). ეს არის კანონი, რომელსაც იყენებთ მაგნიტური ველის გამოსათვლელად უფრო მარტივ შემთხვევებში, მაგალითად, მავთულის ხვია ან გრძელი სწორი მავთულისთვის.