자석 및 전자석의 특성

물리학은 어렸을 때 처음 자석을 만났을 때보 다 마법처럼 느껴지지 않습니다. 과학 수업 시간에 막대 자석을 얻어 다른 자석과 일치하는 극을 향해 완전히 할 수 없거나 반대쪽 극을 서로 가깝게 두지 만 만지지 않도록하여 함께 기어 오르고 결국에는 볼 수 있습니다. 어울리다. 이 행동이 자기의 결과라는 것을 금방 알게됩니다.하지만 자기는 실제로 무엇입니까? 전자석이 작동하도록하는 전기와 자기 사이의 연관성은 무엇입니까? 예를 들어 금속 스크랩 야드에서 전자석 대신 영구 자석을 사용하지 않는 이유는 무엇입니까? 자기는 매혹적이고 복잡한 주제이지만, 자석의 특성과 기본 사항 만 배우고 싶다면 쉽게 익힐 수 있습니다.

자기 행동은 궁극적으로 전자의 움직임에 의해 발생합니다. 움직이는 전하가 자기장을 생성하고 예상대로 자석과 자기장이 복잡하게 연결됩니다. 전자는 하전 입자이기 때문에 원자핵 주위의 궤도 운동은 작은 자기장을 생성합니다. 그러나 일반적으로 말하면 물질에는 수많은 전자가 있으며 하나에 의해 생성되는 장은 다른 사람에 의해 생성 된 장에 의해 상쇄되고, 물질로부터 어떠한 자기도 없을 것입니다. 전부의.

하지만 일부 자료는 다르게 작동합니다. 하나의 전자에 의해 생성 된 자기장은 인접한 전자에 의해 생성 된 자기장의 방향에 영향을 미칠 수 있으며 정렬됩니다. 이것은 모든 전자가 정렬 된 자기장을 갖는 물질 내에서 자기 "영역"이라고하는 것을 생성합니다. 이를 수행하는 재료를 강자성이라고하며, 실온에서는 철, 니켈, 코발트 및 가돌리늄 만 강자성입니다. 이것들은 영구 자석이 될 수있는 물질입니다.

강자성 물질 내의 도메인은 모두 임의의 방향을 갖습니다. 인접한 전자가 자기장을 함께 정렬하더라도 다른 그룹은 다른 방향으로 정렬 될 가능성이 있습니다. 이것은 다른 물질에서 개별 전자가하는 것처럼 다른 도메인이 서로를 상쇄하기 때문에 대규모로 자성을 남기지 않습니다.

그러나 외부 자기장을 적용하면 (예: 막대 자석을 재료에 가까이 가져 가면) 도메인이 정렬되기 시작합니다. 언제

강자성 물질에서이 정렬은 외부 장이 제거 되더라도 계속되지만 다른 재료 유형 (상자성 재료), 외부 필드가 발생하면 자기 특성이 손실됩니다. 제거되었습니다.

자석의 정의 특성은 일부 재료와 다른 자석의 반대 극을 끌어 당기고 다른 자석의 극처럼 밀어내는 것입니다. 따라서 두 개의 영구 막대 자석이있는 경우 두 개의 북극 (또는 남)을 함께 밀면 반발력이 생성되어 두 끝이 더 가까울수록 더 강해집니다. 두 개의 반대쪽 극 (북극과 남극)을 모으면 그 사이에 매력적인 힘이 있습니다. 더 가까이 모 일수록이 힘은 더 강해집니다.

철, 니켈 및 코발트와 같은 강자성 물질 또는이를 포함하는 합금 (예: 강철)은 자체 자기장을 생성하지 않더라도 영구 자석에 끌립니다. 그들은 단지 끌리는 자기장을 생성하기 시작하지 않으면 반발되지 않습니다. 알루미늄, 목재 및 세라믹과 같은 다른 재료는 자석에 끌리지 않습니다.

영구 자석과 전자석은 상당히 다릅니다. 전자석은보다 명백한 방식으로 전기를 포함하며 본질적으로 와이어 또는 전기 전도체를 통한 전자의 이동에 의해 생성됩니다. 자기 영역의 생성과 마찬가지로 와이어를 통한 전자의 이동은 자기장을 생성합니다. 장의 모양은 전자가 이동하는 방향에 따라 달라집니다. 오른손 엄지 손가락을 전류 방향으로, 손가락은 들.

간단한 전자석을 생성하기 위해 전선은 일반적으로 철로 만들어진 중앙 코어 주위에 감겨 있습니다. 전류가 와이어를 통해 흐르고 코어 주위를 원으로 이동하면 코일의 중심 축을 따라 흐르는 자기장이 생성됩니다. 이 필드는 코어가 있는지 여부에 관계없이 존재하지만 철 코어를 사용하면 필드가 강자성 물질의 영역을 정렬하여 더 강해집니다.

전기의 흐름이 멈 추면 하전 된 전자가 전선의 코일 주위에서 움직이지 않고 자기장이 사라집니다.

전자석과 자석은 동일한 주요 특성을 가지고 있습니다. 영구 자석과 전자석의 구별은 본질적으로 장이 생성되는 방식에 있으며 이후 장의 특성이 아닙니다. 그래서 전자석은 여전히 ​​두 개의 극을 가지고 있고, 여전히 강자성 물질을 끌어 당기고, 여전히 다른 극을 밀어 내고 다른 극을 끌어 당기는 극을 가지고 있습니다. 차이점은 영구 자석의 이동 전하는 전자의 이동에 의해 생성된다는 것입니다. 전자석에서는 전자의 일부로 전자의 움직임에 의해 생성되는 반면 흐름.

그러나 전자석에는 많은 장점이 있습니다. 자기장은 전류에 의해 생성되기 때문에 전류를 변경하여 특성을 변경할 수 있습니다. 예를 들어, 전류를 증가 시키면 자기장의 강도가 증가합니다. 마찬가지로 교류 (AC 전기)를 사용하여 지속적으로 변화하는 자기장을 생성 할 수 있으며, 이는 다른 도체에서 전류를 유도하는 데 사용할 수 있습니다.

금속 스크랩 야드의 마그네틱 크레인과 같은 응용 분야에서 전자석의 가장 큰 장점은 필드를 쉽게 끌 수 있다는 것입니다. 큰 영구 자석으로 고철 조각을 집어 들었다면 자석에서 제거하는 것이 상당히 어려울 것입니다! 전자석을 사용하면 전류의 흐름을 멈추기 만하면 고철이 떨어집니다.

전자기학의 법칙은 Maxwell의 법칙에 의해 설명됩니다. 이것들은 벡터 미적분 언어로 작성되었으며 사용하려면 상당히 복잡한 수학이 필요합니다. 그러나 자기와 관련된 규칙의 기본은 복잡한 수학을 탐구하지 않고도 이해할 수 있습니다.

자기와 관련된 첫 번째 법칙은 "단극 자 법칙 없음"이라고합니다. 이것은 기본적으로 모든 자석에 두 개의 극이 있으며 단일 극을 가진 자석은 절대 없을 것임을 나타냅니다. 즉, 남극없이 자석의 북극을 가질 수 없으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

자기와 관련된 두 번째 법칙을 패러데이의 법칙이라고합니다. 이것은 변화하는 자기장 (전자석에 의해 생성되는 변화하는 전류 또는 움직이는 영구 자석에 의해) 근처에 전압 (및 전류)을 유도합니다. 지휘자.

자기와 관련된 최종 법칙은 Ampere-Maxwell 법칙이라고하며 이는 변화하는 전기장이 자기장을 생성하는 방법을 설명합니다. 장의 강도는 영역을 통과하는 전류와 전기장의 변화율 (양성자 및 전자와 같은 전하 캐리어에 의해 생성됨)과 관련이 있습니다. 이것은 와이어 코일이나 긴 직선 와이어와 같은 간단한 경우에 자기장을 계산하는 데 사용하는 법칙입니다.