Magnēti. Tās jums ir uz ledusskapja, esat spēlējušās ar viņiem kā bērns, pat esat turējis kompasu rokā, kad kompasa adata norādīja uz Zemes magnētisko ziemeļu polu. Bet kā viņi strādā? Kas ir šī magnētisma parādība?
Kas ir magnētisms?
Magnētisms ir viens no pamatelektromagnētiskā spēka aspektiem. Tas apraksta parādības un spēkus, kas saistīti ar magnētiem vai magnētiskiem objektiem.
Visi magnētiskie lauki rodas, pārvietojoties lādiņam vai mainot elektriskos laukus. Tāpēc elektrības un magnētisma parādības kopā tiek dēvētas par elektromagnētismu. Viņi tiešām ir viens un tas pats!
Visos materiālos atomi satur elektronus, un šie elektroni veido mākoni ap atoma kodolu, to kopējai kustībai izveidojot miniatūru magnētisko dipolu. Tomēr lielākajā daļā materiālu nejaušais šo mini magnētu orientāciju sadalījums laukus izdzēš. Ferromagnētiskie materiāli ir izņēmums.
Daudzos materiālos ir magnētiskas parādības, tostarp dzelzs, mangāns, magnetīts un kobalts. Tie var pastāvēt kā pastāvīgi magnēti vai var būt paramagnētiski (tas ir, pievilcīgi magnētiskiem materiāliem, bet paši neuzturot pastāvīgo magnētismu). Elektromagnēti tiek radīti, izlaižot elektrisko strāvu caur vadu, kas savīti ap tādu materiālu kā dzelzs (vai jebkurā situācijā, kurā notiek kustīga elektriskā lādiņa).
Magnētiskie materiāli var vai nu piesaistīt viens otru, vai arī atgrūst, atkarībā no tā, kuras šo materiālu daļas ir apvienotas.
Magnētiskie lauki
Tieši tāpat kā ar elektrisko spēku un gravitācijas spēku, objekti, kas viens uz otru iedarbojas ar magnētiskiem spēkiem, ap tiem rada lauku. Piemēram, stieņa magnēts telpā ap to rada magnētisko lauku, kā rezultātā visi citi šajā laukā ievestie magnēti vai feromagnētiskie materiāli rezultātā izjūt spēku.
Viens no veidiem, kā vizualizēt magnētisko lauku, ir dzelzs vīļu izmantošana. Dzelzs vīles ir mazi dzelzs gabali, kas, apkaisa ap magnētu, izlīdzināsies ar ārējā magnētiskā lauka līnijām, ļaujot tos vizualizēt.
SI vienība, kas saistīta ar magnētiskā lauka intensitāti, ir tesla.
1 \ text {Tesla} = 1 \ text {T} = 1 \ frac {\ text {kg}} {\ text {As} ^ 2} = \ frac {\ text {Vs}} {\ text {m} ^ 2} = \ frac {\ text {N}} {\ text {Am}}
Vēl viena izplatīta vienība, kas saistīta ar magnētiskā lauka intensitāti, ir gauss.
1 Gauss = 1 G = 10-4 T
Magnētisma veidi
Ir daudz dažādu magnētisma veidu:
Paramagnētismsapraksta dažus materiālus, kurus magnēti var vāji piesaistīt, bet kas paši neuztur pastāvīgu magnētisko lauku. Ārēja lauka klātbūtnē tie veidos iekšējos, inducētos magnētiskos laukus, kas izlīdzinās. Tā rezultātā var īslaicīgi pastiprināties magnētiskais lauks. Ir daudz dažādu paramagnētisko materiālu veidu, pat ieskaitot dažus dārgakmeņus.
Diamagnetismsir īpašums, ko demonstrē visi materiāli, bet kas parasti ir visredzamākais materiālos, kurus mēs uzskatām par nemagnētiskiem. Diamagnētiskos materiālus ļoti vāji atbaida magnētiskie lauki. Pastāvīgajos magnētos un paramagnētiskajos materiālos diamagnetisma ietekme ir nenozīmīga.
Elektromagnētismsrodas, kad elektriskā strāva tiek novadīta caur vadu. Šo vadu var satīt ap dzelzs stieni, lai pastiprinātu efektu, jo dzelzs radīs savu magnētisko lauku, kas sakrīt ar ārējo lauku. Šis magnētisma veids ir tiešs rezultāts tam, ka elektronu kustība rada magnētisko lauku. (Atkal elektrība un magnētisms ir viena un tā paša fiziskā pamata divas puses!)
Ferromagnētismsapraksta, kā daži materiāli - tā sauktie feromagnētiskie materiāli - veido pastāvīgus magnētus, par kuriem sīkāk runā nākamajā sadaļā.
Ferromagnētiskie materiāli
Materiālus, kurus ļoti piesaista magnēti, sauc par feromagnētiskiem. Dzelzs ir visizplatītākais šāda veida materiāls. (Nav pārsteidzoši, jo latīņu prefikssferro- nozīmē "dzelzs".)
Ferromagnētiskajiem materiāliem ir tā sauktie magnētiskie domēni; tas ir, reģioni to iekšienē, kas ir kā magnēti, bet orientēti dažādos virzienos, lai kopējais efekts atceltu, un tie parasti nedarbojas kā magnēti. Tomēr, ja šie materiāli tiek ievietoti magnētiskajos laukos, tas var izraisīt domēnu izlīdzināšanu ka tie visi ir izlīdzināti vienā virzienā un līdz ar to kļūst (bieži uz laiku) līdzīgi magnētiem paši.
Feromagnētiskie materiāli ietver lodestonu, dzelzi, niķeli, kobaltu un dažādus retzemju materiālus, ieskaitot neodīmu.
Stieņu magnēti, dipoli un magnētiskās īpašības
Stieņa magnēts ir taisnstūra vai cilindriska magnētiskā materiāla stienis. Stieņa magnēta gali ir ziemeļu un dienvidu stabi. Šie ir divu veidu magnētiskie stabi, un tie mijiedarbojas viens ar otru caur magnētisko spēku līdzīgi tam, kā pozitīvie un negatīvie lādiņi mijiedarbojas caur elektrisko spēku.
Stieņu magnēti ir magnētiski dipoli. Viņiem ir pretēji stabi, kas atdalīti ar attālumu, līdzīgi elektriskajam dipolam. Viena primārā atšķirība tomēr ir tā, ka ar magnētiem jums nevar būt monopols (izolēts stabs), kāds var būt ar lādiņiem. Magnēts vienmēr pastāv kā dipols un nekad kā ziemeļpols pats par sevi vai dienvidu pols pats par sevi. (Ja jūs sagriežat stieņa magnētu uz pusēm, lai mēģinātu atdalīt stabus, jūs vienkārši iegūsit divus mazākus dipolārus magnētus!)
Zemes magnētiskais lauks
Kā jūs droši vien zināt, Zemei ir magnētiskais lauks. Tas ļauj cilvēkiem izmantot kompasus, lai noteiktu, kurā virzienā viņi ir vērsti attiecībā pret stabiem. Magnētiskais kompass sastāv no maza magnēta, kas var brīvi pārvietoties un izlīdzināties ar jebkuru ārējo lauku. Kompasa adatas sarkanais gals norāda uz ziemeļiem. Zemes magnētiskais lauks darbojas kā milzu stieņa magnēts. Šis iedomātais stieņa magnēts ir orientēts tā, ka magnēta ziemeļu gals atrodas Zemes dienvidu polā un magnēta dienvidu gals atrodas Zemes ziemeļu polā.
Zemes magnētiskais lauks arī lielākajā daļā nav paralēls Zemes virsmai. Izmantojot iegremdēšanas adatu, varat noteikt Zemes magnētiskā lauka deklināciju. Vispirms virziet adatu horizontāli un izlīdziniet to ar Zemes magnētiskajiem ziemeļiem. Tad pagrieziet to vertikāli un novērojiet iegremdēšanas leņķi. Leņķis ir lielāks, jo tuvāk esat poliem.
Zemes magnētiskais lauks rada planētas apkārtējo kosmosa reģionu, ko sauc par magnetosfēru. Magnetosfēra būtībā izskatās kā ļoti liela stieņa magnēta magnētiskais lauks, kas izlīdzināts tuvu Zemes asij, kaut arī magnetosfēra var deformēties, mijiedarbojoties ar uzlādētām daļiņām.
Magnetosfēra pasargā mūs no saules vēja, kas satur uzlādētas daļiņas. Mijiedarbība starp šīm daļiņām un magnētiskā lauka līnijām ir tā, kas izraisa auroras.
Piemēri
Magnētisma fenomens tiek izmantots visu veidu ikdienas lietojumos.
Elektromagnētisma parādība ļauj mums pārveidot mehānisko enerģiju elektriskajā enerģijā elektriskajos ģeneratoros. Elektriskie ģeneratori izmanto mehāniskus līdzekļus, lai pagrieztu turbīnu (pūš vējš vai tekošs ūdens), kas maina magnētisko lauku attiecībā pret stiepļu spolēm, izraisot strāvas plūsmu.
Elektromotori būtībā ir pretēji elektriskajiem ģeneratoriem, pārveidošanai izmantojot elektromagnētismu elektriskā enerģija mehāniskajā enerģijā neatkarīgi no tā, vai tā darbojas ar elektrisko urbi, maisītāju vai elektrisko transportlīdzeklis.
Rūpnieciskie elektromagnēti ir milzu magnēti ar ļoti spēcīgiem magnētiskajiem laukiem, kas ļauj pie metāllūžņa uzņemt vecus transportlīdzekļus.
MRI aparāti izmanto spēcīgus magnētiskos laukus, lai izveidotu jūsu iekšpuses attēlus un ļautu ārstiem diagnosticēt veselu virkni veselības traucējumu.