Magnētu un elektromagnētu īpašības

Fizika reti jūtas maģiskāka nekā tad, kad bērnībā pirmo reizi sastopaties ar magnētu. Iegūt stieņa magnētu zinātnes stundā un mēģināt - no visa spēka - virzīt to uz cita magnēta, bet būtnes atbilstošo polu pilnīgi nespējot vai atstājot pretējos stabus tuvu viens otram, bet nepieskaroties, lai jūs varētu redzēt, kā viņi lož kopā un galu galā pievienoties. Jūs ātri uzzināt, ka šī uzvedība ir magnētisma rezultāts, bet kas patiesībā ir magnētisms? Kāda ir saikne starp elektrību un magnētismu, kas ļauj elektromagnētiem darboties? Kāpēc jūs, piemēram, metāllūžņu laukā neizmantotu pastāvīgu magnētu elektromagnēta vietā? Magnētisms ir aizraujoša un sarežģīta tēma, taču, ja vēlaties tikai uzzināt magnēta īpašības un pamatus, to ir ļoti viegli uzņemt.

Magnētisko uzvedību galu galā izraisa elektronu kustība. Kustīgais elektriskais lādiņš rada magnētisko lauku, un - kā jūs varētu sagaidīt - magnēti un magnētiskie lauki ir savstarpēji sarežģīti saistīti. Tā kā elektrons ir lādēta daļiņa, tā orbītas kustība ap atoma kodolu rada nelielu magnētisko lauku. Tomēr vispārīgi runājot, materiālā ir daudz elektronu, un viena radītais lauks būs to atceļ cita izveidots lauks, un materiālā kā a netiks novērots nekāds magnētisms vesels.

Daži materiāli tomēr darbojas citādi. Viena elektrona radītais magnētiskais lauks var ietekmēt kaimiņu elektronu radītā lauka orientāciju, un tie izlīdzinās. Tas rada tā saukto magnētisko “domēnu” materiālā, kur visiem elektroniem ir izlīdzināti magnētiskie lauki. Materiālus, kas to dara, sauc par feromagnētiskiem, un istabas temperatūrā feromagnētiski ir tikai dzelzs, niķelis, kobalts un gadolīnijs. Tie ir materiāli, par kuriem var kļūt pastāvīgi magnēti.

Feromagnētiskā materiāla domēniem visiem būs nejauša orientācija; kaut arī kaimiņu elektroni izlīdzina savus laukus, citas grupas, iespējams, izlīdzinās citā virzienā. Tas neatstāj magnētismu lielā mērogā, jo dažādi domēni atceļ viens otru tāpat kā atsevišķie elektroni citos materiālos.

Tomēr, ja izmantojat ārēju magnētisko lauku - piemēram, pievedot stieņa magnētu pie materiāla - domēni sāk izlīdzināties. Kad visi no domēniem ir izlīdzināti, viss materiāla gabals faktiski satur vienu domēnu un attīsta divus polus, kurus parasti sauc par ziemeļiem un dienvidiem (lai arī pozitīvi un negatīvi var būt arī lietots).

Ferromagnētiskajos materiālos šī izlīdzināšana turpinās pat tad, kad ārējais lauks tiek noņemts, bet citos materiāla veidi (paramagnētiskie materiāli), magnētiskās īpašības tiek zaudētas, kad ir ārējais lauks noņemts.

Magnētu raksturīgās īpašības ir tādas, ka tie piesaista dažus materiālus un citu magnētu pretējos stabus un atgrūž kā citu magnētu stabus. Tātad, ja jums ir divi pastāvīgi stieņa magnēti, divu ziemeļu (vai dienvidu) stabu stumšana kopā rada atgrūšanas spēku, kas kļūst stiprāks, jo tuvāk abi gali tiek apvienoti. Ja jūs apvienojat divus pretējos stabus (ziemeļus un dienvidus), starp tiem ir pievilcīgs spēks. Jo tuvāk jūs tos apvienojat, jo spēcīgāks ir šis spēks.

Feromagnētiskos materiālus, piemēram, dzelzi, niķeli un kobaltu, vai tos saturošus sakausējumus (piemēram, tēraudu) piesaista pastāvīgie magnēti, pat ja tie nerada savu magnētisko lauku. Viņi ir tikai piesaistīja magnētiem, un tie netiks atbaidīti, ja vien viņi nesāks radīt savu magnētisko lauku. Citus materiālus, piemēram, alumīniju, koku un keramiku, magnēti nepiesaista.

Pastāvīgais magnēts un elektromagnēts ir diezgan atšķirīgi. Elektromagnēti ietver elektroenerģiju daudz acīmredzamākā veidā, un tos galvenokārt rada elektronu kustība caur vadu vai elektrisko vadītāju. Tāpat kā magnētisko domēnu izveidošanā, elektronu kustība caur vadu rada magnētisko lauku. Lauka forma ir atkarīga no virziena, kādā virzās elektroni - ja norādāt uz labās rokas īkšķis straumes virzienā, pirksti čokurošanās virzienā laukā.

Lai izveidotu vienkāršu elektromagnētu, elektriskais vads tiek savīts ap centrālo serdi, kas parasti ir izgatavots no dzelzs. Kad strāva plūst caur vadu, pārvietojoties pa apli ap serdi, rodas magnētiskais lauks, kas iet gar spoles centrālo asi. Šis lauks atrodas neatkarīgi no tā, vai jums ir vai nav serde, bet ar dzelzs kodolu lauks izlīdzina domēnus feromagnētiskajā materiālā un tādējādi kļūst stiprāks.

Kad elektrības plūsma tiek pārtraukta, lādētie elektroni pārstāj pārvietoties ap stieples spoli, un magnētiskais lauks pazūd.

Elektromagnētiem un magnētiem ir vienādas galvenās īpašības. Atšķirība starp pastāvīgo magnētu un elektromagnētu būtībā ir tā, kā tiek veidots lauks, nevis lauka īpašības pēc tam. Tātad elektromagnētiem joprojām ir divi stabi, tie joprojām piesaista feromagnētiskos materiālus un joprojām ir stabi, kas atgrūž citus līdzīgus stabus un piesaista atšķirībā no stabiem. Atšķirība ir tāda, ka kustīgo lādiņu pastāvīgajos magnētos rada elektronu kustība iekšā atomi, turpretī elektromagnētos to rada elektronu kustība kā daļa no elektriskā pašreizējais.

Elektromagnētiem tomēr ir daudz priekšrocību. Tā kā magnētisko lauku rada strāva, tā īpašības var mainīt, mainot strāvu. Piemēram, palielinot strāvu, palielinās magnētiskā lauka stiprums. Līdzīgi mainīgo strāvu (maiņstrāvu) var izmantot, lai radītu pastāvīgi mainīgu magnētisko lauku, ko var izmantot strāvas inducēšanai citā vadītājā.

Lietojumiem, piemēram, magnētiskajiem celtņiem metāllūžņu laukumos, elektromagnētu lielā priekšrocība ir tā, ka lauku var viegli izslēgt. Ja jūs izvēlējāties metāllūžņu gabalu ar lielu pastāvīgo magnētu, tā noņemšana no magnēta būtu diezgan izaicinājums! Izmantojot elektromagnētu, jums atliek tikai apturēt strāvas plūsmu, un metāllūžņi nokritīs.

Elektromagnētisma likumus apraksta Maksvela likumi. Tie ir rakstīti vektoru aprēķinu valodā, un to izmantošanai nepieciešama diezgan sarežģīta matemātika. Tomēr ar magnētismu saistīto noteikumu pamatus var saprast, neiedziļinoties sarežģītajā matemātikā.

Pirmais likums, kas attiecas uz magnētismu, tiek saukts par “bez monopola likumu”. Tas būtībā nosaka, ka visiem magnētiem ir divi stabi, un nekad nebūs magnēta ar vienu polu. Citiem vārdiem sakot, jums nevar būt magnēta ziemeļu pols bez dienvidu pola un otrādi.

Otro likumu, kas attiecas uz magnētismu, sauc par Faradeja likumu. Tas apraksta indukcijas procesu, kad mainīgais magnētiskais lauks (ko rada elektromagnēts ar a mainīga strāva vai ar kustīgu pastāvīgo magnētu) inducē spriegumu (un elektrisko strāvu) tuvumā diriģents.

Galīgo likumu, kas attiecas uz magnētismu, sauc par Ampēra-Maksvela likumu, un tas apraksta, kā mainīgais elektriskais lauks rada magnētisko lauku. Lauka stiprums ir saistīts ar strāvu, kas iet caur laukumu, un elektriskā lauka maiņas ātrumu (ko rada elektriskie lādiņu nesēji, piemēram, protoni un elektroni). Šis ir likums, kuru izmantojat, lai aprēķinātu magnētisko lauku vienkāršākos gadījumos, piemēram, stieples spolei vai garai taisnai stieplei.