Daugelis žmonių yra susipažinę su magnetais, nes ant virtuvės šaldytuvo jie dažnai turi dekoratyvinius magnetus. Tačiau magnetai turi daug praktinių tikslų, išskyrus apdailą, ir daugelis jų daro įtaką mūsų kasdienybei to net nežinodami.
Yra daug klausimų apie tai, kaip veikia magnetai, ir kitų bendrų magnetizmo klausimų. Tačiau norint atsakyti į daugumą šių klausimų ir suprasti, kaip skirtingi magnetai gali skirtis magnetinių laukų stiprybes, svarbu suprasti, kas yra ir kaip yra magnetinis laukas pagaminti.
Kas yra magnetinis laukas?
Magnetinis laukas yra jėga, veikianti įkrautą dalelę, o šios sąveikos pagrindinė lygtis yraLorenco jėgos įstatymas.Visa jėgos lygtiselektrinis laukas Eir amagnetinis laukas Bant dalelės su įkrovaqir greitisvsuteikia:
\ vec {F} = q \ vec {E} + q \ vec {v} \ times \ vec {B}.
Prisimink tai, nes jėgaF, laukaiEirBir greitisvyra visi vektoriai,×operacija yravektorinis kryžminis produktas, o ne daugyba.
Magnetiniai laukai susidaro judant įkrautoms dalelėms, kurios dažnai vadinamos
elektros srovė. Paprasti elektros srovės magnetinių laukų šaltiniai yra elektromagnetai, tokie kaip paprastas laidas, laidas kilpoje ir kelios laido kilpos iš eilės, vadinamossolenoidas. Žemės magnetinį lauką taip pat sukelia judančios krūvyje esančios dalelės.Tačiau atrodo, kad tuose jūsų šaldytuvo magnetuose nėra tekančių srovių ar maitinimo šaltinių. Kaip tai veikia?
Nuolatiniai magnetai
Nuolatinis magnetas yra gabalasferomagnetinė medžiagakuri turi vidinę savybę, kuri sukuria magnetinį lauką. Būdingas poveikis, sukeliantis magnetinį lauką, yra elektronų sukimasis, o šių sukinių išlyginimas sukuria magnetines sritis. Dėl šių sričių susidaro grynasis magnetinis laukas.
Ferromagnetinėse medžiagose paprastai būna didelis domenų išsidėstymo laipsnis natūraliomis formomis, kurias lengvai gali visiškai išlyginti išorinis magnetinis laukas. Taigi feromagnetiniai magnetai būna magnetiniai, kai randami gamtoje, ir lengvai išlaiko savo magnetines savybes.
Diamagnetinės medžiagosyra panašūs į feromagnetines medžiagas ir gali gaminti magnetinį lauką, tačiau į išorinius laukus reaguoja skirtingai. Diamagnetinė medžiaga sukuria priešingai nukreiptą magnetinį lauką esant išoriniam laukui. Šis efektas gali apriboti norimą magneto stiprumą.
Paramagnetinės medžiagosyra magnetinės tik esant išoriniam, išlyginamam magnetiniam laukui, ir būna gana silpnos.
Ar didieji magnetai turi stiprią magnetinę jėgą?
Kaip minėta, nuolatiniai magnetai susideda iš magnetinių sričių, kurios lygiuojasi atsitiktinai. Kiekvienoje srityje yra tam tikra tvarka, kuri sukuria magnetinį lauką. Todėl visų feromagnetinės medžiagos gabalų srities sąveika sukuria magnetui bendrą arba neto magnetinį lauką.
Jei domenai yra sutapę atsitiktinai, tikėtina, kad gali būti labai mažas arba faktiškai nulis magnetinis laukas. Tačiau jei išorinis magnetinis laukas priartinamas prie nesutvarkyto magneto, domenai pradės derėti. Lygiuojančio lauko atstumas iki domenų paveiks bendrą išlyginimą, taigi ir gautą grynąjį magnetinį lauką.
Feromagnetinės medžiagos palikimas išoriniame magnetiniame lauke ilgą laiką gali padėti užbaigti užsakymą ir padidinti pagaminamą magnetinį lauką. Panašiai grynąjį nuolatinio magneto magnetinį lauką galima sumažinti įvedant kelis atsitiktinius ar trukdančius magnetinius laukus, kurie gali neteisingai suderinti domenus ir sumažinti grynąjį magnetinį lauką.
Ar magneto dydis turi įtakos jo stiprumui? Trumpas atsakymas yra „taip“, bet tik todėl, kad magneto dydis reiškia, kad jie yra proporcingi daugiau sričių, kurios gali sulygiuoti ir sukurti stipresnį magnetinį lauką nei mažesnis to paties gabalas medžiaga. Tačiau, jei magneto ilgis yra labai ilgas, yra didesnė tikimybė, kad klajojantys magnetiniai laukai neteisingai sureguliuos domenus ir sumažins grynąjį magnetinį lauką.
Kas yra Curie temperatūra?
Kitas prisidedantis veiksnys yra magneto stiprumastemperatūra. 1895 m. Prancūzų fizikas Pierre'as Curie'as nustatė, kad magnetinėms medžiagoms yra nustatyta temperatūros riba, kurioje jų magnetinės savybės gali pasikeisti. Tiksliau sakant, domenai taip pat nebesuderinami, todėl savaitės domenų derinimas veda prie silpno grynojo magnetinio lauko.
Geležies atveju Kurio temperatūra yra apie 1418 laipsnių pagal Celsijų. Magnetitui jis yra apie 1060 laipsnių pagal Celsijų. Atkreipkite dėmesį, kad ši temperatūra yra žymiai žemesnė nei jų lydymosi temperatūra. Taigi magneto temperatūra gali turėti įtakos jo stiprumui.
Elektromagnetai
Skirtingos kategorijos magnetai yraelektromagnetai, kurie iš esmės yra magnetai, kuriuos galima įjungti ir išjungti.
Dažniausias elektromagnetas, naudojamas įvairiose pramonės srityse, yra solenoidas. Solenoidas yra srovės kilpų serija, kurios rezultatas yra vienodas laukas kilpų centre. Taip yra dėl to, kad kiekviena atskira srovės kilpa sukuria apvalų magnetinį lauką apie laidą. Sudėjus kelis iš eilės, magnetinių laukų uždėjimas sukuria tiesų, vienodą lauką per kilpų centrą.
Solenoidinio magnetinio lauko dydžio lygtis yra tiesiog:B = μ0nI, kurμ0 yra laisvos vietos pralaidumas,nyra srovės kontūrų skaičius ilgio vienetui irAšyra srovė, tekanti per juos. Magnetinio lauko kryptis nustatoma pagal dešinės rankos taisyklę ir srovės srauto kryptį, todėl ją galima pakeisti, pakeitus srovės kryptį.
Labai lengva suprasti, kad solenoido stiprumą galima reguliuoti dviem pagrindiniais būdais. Pirma, srovę per solenoidą galima padidinti. Nors atrodo, kad srovė gali būti savavališkai padidinta, gali būti apriboti maitinimo šaltiniai arba grandinės pasipriešinimas, o tai gali sugadinti, jei per didelė srovė.
Todėl saugesnis būdas padidinti solenoido magnetinę jėgą yra padidinti srovės kilpų skaičių. Magnetinis laukas aiškiai proporcingai didėja. Vienintelis apribojimas šiuo atveju gali būti galimas laidų kiekis arba erdviniai apribojimai, jei solenoidas yra per ilgas dėl srovės kilpų skaičiaus.
Be elektromagnetų, yra daugybė elektromagnetų, tačiau visi turi tą pačią bendrą savybę: jų stiprumas yra proporcingas srovės srautui.
Elektromagnetų naudojimas
Elektromagnetai yra visur ir turi daugybę paskirčių. Paprastas ir labai paprastas elektromagneto, būtent elektromagneto, pavyzdys yra garsiakalbis. Kintama srovė per garsiakalbį sukelia solenoidinio magnetinio lauko stiprumą ir didėja.
Taip atsitikus, vienas magnetas, ypač nuolatinis magnetas, dedamas viename solenoido gale ir prie vibruojančio paviršiaus. Kai du magnetiniai laukai traukiasi ir atstumia dėl besikeičiančio solenoidinio lauko, vibruojantis paviršius traukiamas ir stumiamas sukuriant garsą.
Geresnės kokybės garsiakalbiai naudoja aukštos kokybės solenoidus, nuolatinius magnetus ir vibruojančius paviršius, kad sukurtų kokybiškesnę garso išvestį.
Įdomūs magnetizmo faktai
Didžiausias magnetas pasaulyje yra pati žemė! Kaip minėta, žemė turi magnetinį lauką, kurį lemia srovės, sukurtos su žemės šerdimi. Nors tai nėra labai stiprus magnetinis laukas, palyginti su daugeliu mažų rankinių magnetų ar kadaise naudojamų dalelių greitintuvuose, pati žemė yra vienas iš didžiausių mums žinomų magnetų!
Kita įdomi magnetinė medžiaga yra magnetitas. Magnetitas yra geležies rūda, kuri yra ne tik labai paplitusi, bet ir mineralas, turintis didžiausią geležies kiekį. Kartais jis vadinamas lodestone dėl savo unikalios savybės turėti magnetinį lauką, kuris visada yra suderintas su žemės magnetiniu lauku. Kaip toks jis buvo naudojamas kaip magnetinis kompasas dar 300 m. Pr. Kr.