Fizika retai jaučiasi stebuklingesnė nei tada, kai pirmą kartą susiduri su magnetu vaikystėje. Gauti strypo magnetą gamtos mokslų pamokoje ir bandyti - iš visų jėgų - stumti jį link kito magneto, bet būtybės, poliaus visiškai nesugeba arba palieka priešingus polius arti vienas kito, bet neliečia, kad galėtum pamatyti, kaip jie šliaužia kartu ir galiausiai prisijungti. Greitai sužinosite, kad toks elgesys yra magnetizmo rezultatas, bet kas iš tikrųjų yra magnetizmas? Koks ryšys tarp elektros ir magnetizmo, leidžiančio veikti elektromagnetams? Kodėl, pavyzdžiui, metalo laužo aikštelėje nenaudotumėte nuolatinio magneto, o ne elektromagneto? Magnetizmas yra patraukli ir sudėtinga tema, tačiau jei norite tik sužinoti apie magneto savybes ir pagrindus, tai tikrai lengva pasiimti.
Kaip veikia magnetai?
Magnetinį elgesį galiausiai lemia elektronų judėjimas. Judantis elektrinis krūvis sukuria magnetinį lauką, ir, kaip jūs galite tikėtis, magnetai ir magnetiniai laukai yra tarpusavyje susiję. Kadangi elektronas yra įkrauta dalelė, jo orbitos judėjimas aplink atomo branduolį sukuria mažą magnetinį lauką. Vis dėlto kalbant, medžiagoje yra daugybė elektronų, ir vieno sukurtas laukas bus panaikino kito sukurtas laukas, o iš medžiagos nebus jokio magnetizmo kaip a visas.
Vis dėlto kai kurios medžiagos veikia kitaip. Vieno elektrono sukurtas magnetinis laukas gali paveikti kaimyninių elektronų sukurto lauko orientaciją ir jie išsilygina. Tai sukuria vadinamąjį magnetinį „sritį“ medžiagoje, kur visi elektronai turi išlygintus magnetinius laukus. Tai darančios medžiagos vadinamos feromagnetinėmis, o kambario temperatūroje feromagnetinės yra tik geležis, nikelis, kobaltas ir gadolinas. Tai yra medžiagos, kurios gali tapti nuolatiniais magnetais.
Visi feromagnetinės medžiagos domenai turės atsitiktines orientacijas; nors kaimyniniai elektronai išlygina savo laukus, tikėtina, kad kitos grupės išsidėstys kita kryptimi. Tai nepalieka didelio masto magnetizmo, nes skirtingos sritys panaikina viena kitą, kaip ir atskiri elektronai kitose medžiagose.
Tačiau jei pritaikysite išorinį magnetinį lauką, pavyzdžiui, priartindami juostos magnetą prie medžiagos, domenai pradeda derėti. Kada visi iš domenų yra sulygiuoti, visoje medžiagos dalyje yra vienas domenas ir išsivysto du poliai, paprastai vadinami šiaurė ir pietūs (nors gali būti ir teigiami bei neigiami naudojamas).
Feromagnetinėse medžiagose šis derinimas tęsiasi net pašalinus išorinį lauką, bet kitose medžiagų rūšys (paramagnetinės medžiagos), magnetinės savybės prarandamos, kai išorinis laukas yra pašalinta.
Kokios yra magneto savybės?
Apibrėžiančios magnetų savybės yra tai, kad jie pritraukia kai kurias medžiagas ir priešingus kitų magnetų polius ir atstumia kaip kitų magnetų polius. Taigi, jei turite du nuolatinius juostinius magnetus, pastumdami du šiaurės (arba pietų) ašigalius, susidaro atstumianti jėga, kuri stiprėja tuo arčiau, kai abu galai sujungiami. Jei sujungsite du priešingus polius (šiaurę ir pietus), tarp jų yra patraukli jėga. Kuo arčiau juos sujungsite, tuo stipresnė ši jėga.
Feromagnetines medžiagas, tokias kaip geležis, nikelis ir kobaltas, arba jų turinčius lydinius (pvz., Plieną) traukia nuolatiniai magnetai, net jei jie nesukuria savo magnetinio lauko. Jie yra tik pritraukė magnetams, ir jie nebus atremti, nebent jie pradės gaminti savo magnetinį lauką. Kitos medžiagos, tokios kaip aliuminis, medis ir keramika, netraukia magnetų.
Kaip veikia elektromagnetas?
Nuolatinis magnetas ir elektromagnetas yra gana skirtingi. Elektromagnetai įtraukia elektrą aiškesniu būdu ir iš esmės juos sukuria elektronams judant per laidą ar elektros laidininką. Kaip ir kuriant magnetines sritis, elektronų judėjimas viela sukuria magnetinį lauką. Lauko forma priklauso nuo elektronų judėjimo krypties - jei nukreipiate dešinės rankos nykščiu srovės kryptimi, pirštai susisuka krypties kryptimi srityje.
Norint pagaminti paprastą elektromagnetą, aplink centrinę šerdį, paprastai pagamintą iš geležies, vyniojama elektros viela. Kai srovė teka viela, eidama ratu aplink šerdį, susidaro magnetinis laukas, einantis išilgai ritės centrinės ašies. Šis laukas yra nepriklausomai nuo to, ar turite šerdį, bet su geležine šerdimi laukas išlygina feromagnetinės medžiagos sritis ir taip sustiprėja.
Sustabdžius elektros srautą, įkrauti elektronai nustoja judėti aplink vielos ritę, o magnetinis laukas išnyksta.
Kokios yra elektromagneto savybės?
Elektromagnetai ir magnetai turi tas pačias pagrindines savybes. Skirtumas tarp nuolatinio magneto ir elektromagneto iš esmės priklauso nuo to, kaip sukuriamas laukas, o ne nuo lauko savybių vėliau. Taigi elektromagnetai vis dar turi du polius, vis dar pritraukia feromagnetines medžiagas ir vis dar turi polius, kurie atstumia kitus panašius polius ir pritraukia skirtingai nei polius. Skirtumas tas, kad judantį krūvį nuolatiniuose magnetuose sukuria elektronų judėjimas atomai, tuo tarpu elektromagnetuose jį sukuria elektronų judėjimas kaip elektros dalis srovė.
Elektromagnetų privalumai
Vis dėlto elektromagnetai turi daug privalumų. Kadangi magnetinį lauką sukuria srovė, jo charakteristikas galima pakeisti keičiant srovę. Pavyzdžiui, padidinus srovę, padidėja magnetinio lauko stipris. Panašiai, kintama srovė (kintama elektros energija) gali būti naudojama nuolat kintančiam magnetiniam laukui gaminti, kuris gali būti naudojamas kito laidininko srovei sukelti.
Tokioms programoms kaip magnetiniai kranai metalo laužo aikštelėse, didelis elektromagnetų privalumas yra tas, kad lauką galima lengvai išjungti. Jei pasirinkote metalo laužo gabalėlį su dideliu nuolatiniu magnetu, jį pašalinti iš magneto būtų nemenkas iššūkis! Turint elektromagnetą, tereikia sustabdyti srovės srautą ir metalo laužas sumažės.
Magnetai ir Maksvelo dėsniai
Elektromagnetizmo dėsnius apibūdina Maksvelo dėsniai. Jie parašyti vektorinių skaičiavimų kalba ir jiems reikalinga gana sudėtinga matematika. Tačiau su magnetizmu susijusių taisyklių pagrindus galima suprasti nesigilinant į sudėtingą matematiką.
Pirmasis dėsnis, susijęs su magnetizmu, vadinamas „be monopolinio dėsnio“. Iš esmės teigiama, kad visi magnetai turi du polius ir niekada nebus vieno poliaus magneto. Kitaip tariant, jūs negalite turėti magneto šiaurės ašies be pietinio ašies ir atvirkščiai.
Antrasis dėsnis, susijęs su magnetizmu, vadinamas Faradėjaus dėsniu. Tai apibūdina indukcijos procesą, kai kintantis magnetinis laukas (kurį sukuria elektromagnetas su kintanti srovė arba judančiu nuolatiniu magnetu) sukelia netoliese esančią įtampą (ir elektros srovę) dirigentas.
Galutinis dėsnis, susijęs su magnetizmu, vadinamas Ampere-Maxwell dėsniu, ir tai apibūdina, kaip kintantis elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką. Lauko stiprumas yra susijęs su srove, einančia per plotą, ir elektrinio lauko kitimo greičiu (kurį sukuria elektriniai krūvininkai, tokie kaip protonai ir elektronai). Tai yra įstatymas, kurį naudojate apskaičiuodami magnetinį lauką paprastesniais atvejais, pavyzdžiui, vielos ritės ar ilgos tiesios vielos atveju.