Wat veroorzaakt verschillende sterke punten in magneten?

Veel mensen zijn bekend met magneten omdat ze vaak decoratieve magneten op hun keukenkoelkast hebben. Magneten hebben echter veel praktische doeleinden die verder gaan dan decoratie, en veel hebben invloed op ons dagelijks leven zonder dat we het weten.

Er zijn veel vragen over hoe magneten werken en andere algemene vragen over magnetisme. Om de meeste van deze vragen te beantwoorden en om te begrijpen hoe verschillende magneten verschillende kunnen hebben: sterke punten van magnetische velden, is het belangrijk om te begrijpen wat een magnetisch veld is en hoe het is geproduceerd.

Een magnetisch veld is een kracht die inwerkt op een geladen deeltje, en de overheersende vergelijking voor deze interactie is deLorentz kracht wet.De volledige vergelijking voor de kracht van anelektrisch veld​ ​Een eenmagnetisch veld Bop een deeltje met ladingqen snelheidvis gegeven door:

Onthoud dat omdat de krachtF, de veldenEenBen de snelheid thevzijn allemaal vectoren, de×operatie is devector kruisproduct, niet vermenigvuldigen.

Magnetische velden worden geproduceerd door bewegende geladen deeltjes, ook welelektrische stroom. Veelvoorkomende bronnen van magnetische velden van elektrische stroom zijn elektromagneten, zoals een eenvoudige draad, een draad in een lus en verschillende draadlussen in een reeks die eensolenoïde. Het aardmagnetisch veld wordt ook veroorzaakt door bewegende geladen deeltjes in de kern.

Die magneten op uw koelkast lijken echter geen stromende stromen of stroombronnen te hebben. Hoe werken die?

Een permanente magneet is een stukjeferromagnetisch materiaal:dat een intrinsieke eigenschap heeft die een magnetisch veld produceert. Het intrinsieke effect dat een magnetisch veld produceert, is een elektronenspin, en de uitlijning van deze spins creëert magnetische domeinen. Deze domeinen resulteren in een netto magnetisch veld.

Ferromagnetische materialen hebben de neiging om een ​​hoge mate van domeinordening te hebben in hun natuurlijk voorkomende vorm, die gemakkelijk volledig kan worden uitgelijnd door een extern magnetisch veld. Dus ferromagnetische magneten hebben de neiging om magnetisch te zijn wanneer ze in de natuur worden aangetroffen en behouden gemakkelijk hun magnetische eigenschappen.

​Diamagnetische materialenzijn vergelijkbaar met ferromagnetische materialen en kunnen een magnetisch veld produceren wanneer ze in de natuur worden aangetroffen, maar reageren anders op externe velden. Diamagnetisch materiaal zal een tegengesteld georiënteerd magnetisch veld produceren in aanwezigheid van een extern veld. Dit effect zou de gewenste sterkte van de magneet kunnen beperken.

​Paramagnetische materialenzijn alleen magnetisch in de aanwezigheid van een extern, uitlijnend magnetisch veld, en hebben de neiging vrij zwak te zijn.

Zoals vermeld, bestaan ​​permanente magneten uit magnetische domeinen die willekeurig uitgelijnd zijn. Binnen elk domein is er een zekere mate van ordening die een magnetisch veld creëert. De interactie van alle domeinen in één stuk ferromagnetisch materiaal produceert daarom het totale of netto magnetische veld voor de magneet.

Als de domeinen willekeurig zijn uitgelijnd, is het waarschijnlijk dat er een zeer klein of feitelijk nul magnetisch veld is. Als echter een extern magnetisch veld dicht bij de ongeordende magneet wordt gebracht, beginnen de domeinen uit te lijnen. De afstand van het uitlijningsveld tot de domeinen zal de algehele uitlijning beïnvloeden, en dus het resulterende netto magnetische veld.

Een ferromagnetisch materiaal gedurende lange tijd in een extern magnetisch veld laten staan, kan helpen bij het voltooien van de bestelling en het vergroten van het geproduceerde magnetische veld. Evenzo kan het netto magnetische veld van een permanente magneet worden verminderd door verschillende willekeurige of storende magnetische velden in te brengen, die de domeinen verkeerd kunnen uitlijnen en het netto magnetische veld verminderen.

Heeft de grootte van een magneet invloed op de sterkte? Het korte antwoord is ja, maar alleen omdat de grootte van een magneet betekent dat er proportioneel meer domeinen die kunnen worden uitgelijnd en een sterker magnetisch veld kunnen produceren dan een kleiner stuk van hetzelfde materiaal. Als de magneet echter erg lang is, is er een grotere kans dat magnetische strooivelden domeinen verkeerd uitlijnen en het netto magnetische veld verminderen.

Een andere factor die bijdraagt ​​aan de magneetsterkte is:temperatuur-. In 1895 stelde de Franse natuurkundige Pierre Curie vast dat magnetische materialen een temperatuurgrens hebben waarop hun magnetische eigenschappen kunnen veranderen. In het bijzonder zijn de domeinen niet langer zo goed uitgelijnd, dus de weekdomeinuitlijning leidt tot een zwak netto magnetisch veld.

Voor ijzer is de Curie-temperatuur ongeveer 1418 graden Fahrenheit. Voor magnetiet is het ongeveer 1060 graden Fahrenheit. Merk op dat deze temperaturen aanzienlijk lager zijn dan hun smeltpunten. De temperatuur van de magneet kan dus de sterkte ervan beïnvloeden.

Een andere categorie magneten zijn:elektromagneten, die in wezen magneten zijn die kunnen worden in- en uitgeschakeld.

De meest voorkomende elektromagneet die in verschillende industriële toepassingen wordt gebruikt, is een solenoïde. Een solenoïde is een reeks stroomlussen, die resulteert in een uniform veld in het midden van de lussen. Dit komt door het feit dat elke individuele stroomlus een cirkelvormig magnetisch veld rond de draad creëert. Door meerdere in serie te plaatsen, creëert de superpositie van de magnetische velden een recht, uniform veld door het midden van de lussen.

De vergelijking voor de grootte van een elektromagnetisch magneetveld is eenvoudig:B =₀nI, waarμ₀ is de doorlaatbaarheid van vrije ruimte,neeis het aantal stroomlussen per lengte-eenheid enikis de stroom die er doorheen stroomt. De richting van het magnetische veld wordt bepaald door de rechterhandregel en de richting van de stroom, en kan daarom worden omgekeerd door de richting van de stroom om te keren.

Het is heel gemakkelijk in te zien dat de sterkte van een solenoïde op twee manieren kan worden aangepast. Ten eerste kan de stroom door de solenoïde worden verhoogd. Hoewel het lijkt alsof de stroom willekeurig kan worden verhoogd, kunnen er beperkingen zijn aan de voeding of de weerstand van het circuit, wat kan leiden tot schade als de stroom te hoog is.

Daarom is een veiligere manier om de magnetische sterkte van een solenoïde te vergroten, het verhogen van het aantal stroomlussen. Het magnetische veld neemt duidelijk proportioneel toe. De enige beperking in dit geval kan de hoeveelheid draad zijn die beschikbaar is, of ruimtelijke beperkingen als de solenoïde te lang is vanwege het aantal stroomlussen.

Naast elektromagneten zijn er veel soorten elektromagneten, maar ze hebben allemaal dezelfde algemene eigenschap: hun sterkte is evenredig met de stroomsterkte.

Elektromagneten zijn alomtegenwoordig en hebben vele toepassingen. Een veelvoorkomend en heel eenvoudig voorbeeld van een elektromagneet, met name een solenoïde, is een luidspreker. De variërende stroom door de luidspreker zorgt ervoor dat de sterkte van het magneetveld toeneemt en afneemt.

Als dit gebeurt, wordt een andere magneet, met name een permanente magneet, aan het ene uiteinde van de solenoïde en tegen een trillend oppervlak geplaatst. Terwijl de twee magnetische velden elkaar aantrekken en afstoten als gevolg van het veranderende magneetveld, wordt het trillende oppervlak getrokken en geduwd, waardoor geluid ontstaat.

Luidsprekers van betere kwaliteit gebruiken elektromagneten van hoge kwaliteit, permanente magneten en trillende oppervlakken om een ​​betere geluidsweergave te creëren.

De grootste magneet ter wereld is de aarde zelf! Zoals gezegd heeft de aarde een magnetisch veld dat te wijten is aan de stromen die met de kern van de aarde worden gecreëerd. Hoewel het geen erg sterk magnetisch veld is in vergelijking met veel kleine handmagneten of de eens gebruikt in deeltjesversnellers, is de aarde zelf een van de grootste magneten die we kennen!

Een ander interessant magnetisch materiaal is magnetiet. Magnetiet is een ijzererts dat niet alleen veel voorkomt, maar ook het mineraal is met het hoogste ijzergehalte. Het wordt soms lodestone genoemd, vanwege zijn unieke eigenschap dat het een magnetisch veld heeft dat altijd is uitgelijnd met het magnetische veld van de aarde. Als zodanig werd het al in 300 voor Christus als magnetisch kompas gebruikt.