Hva forårsaker forskjellige styrker i magneter?

Mange er kjent med magneter fordi de ofte har dekorative magneter på kjøleskapet. Imidlertid har magneter mange praktiske formål utover dekorasjon, og mange påvirker hverdagen vår uten at vi vet det.

Det er mange spørsmål om hvordan magneter fungerer, og andre generelle magnetismespørsmål. Imidlertid for å svare på de fleste av disse spørsmålene, og for å forstå hvordan forskjellige magneter kan ha forskjellige styrke av magnetfelt, er det viktig å forstå hva et magnetfelt er og hvordan det er produsert.

Et magnetfelt er en kraft som virker på en ladet partikkel, og den regulerende ligningen for denne interaksjonen erLorentz tvangslov.Den fulle ligningen for kraften til enelektrisk felt​ ​Eog enmagnetfelt Bpå en partikkel med ladningqog hastighetver gitt av:

Husk det fordi styrkenF, jordeneEogBog hastighetenver alle vektorer, den×operasjonen ervektor, kryss, produkt, ikke multiplikasjon.

Magnetfelt produseres av bevegelige ladede partikler, ofte kalt

Imidlertid ser det ut til at disse magnetene på kjøleskapet ikke har strømmer eller strømkilder. Hvordan fungerer de?

En permanent magnet er et stykkeferromagnetisk materialesom har en egen egenskap som produserer et magnetfelt. Den iboende effekten som produserer et magnetfelt er en elektronspinn, og justeringen av disse spinnene skaper magnetiske domener. Disse domenene resulterer i et nettomagnetisk felt.

Ferromagnetiske materialer har en tendens til å ha en høy grad av domenebestilling i sin naturlig forekommende form, som lett kan justeres helt av et eksternt magnetfelt. Dermed pleier ferromagnetiske magneter å være magnetiske når de finnes i naturen og lett beholde sine magnetiske egenskaper.

​Diamagnetiske materialerligner ferromagnetiske materialer og kan produsere et magnetfelt når de finnes i naturen, men reagerer forskjellig på eksterne felt. Diamagnetisk materiale vil produsere et motsatt orientert magnetfelt i nærvær av et eksternt felt. Denne effekten kan begrense magnetens ønskede styrke.

​Paramagnetiske materialerer bare magnetiske i nærvær av et eksternt, justerende magnetfelt, og har en tendens til å være ganske svake.

Som nevnt består permanente magneter av magnetiske domener som justeres tilfeldig. Innenfor hvert domene er det en viss grad av bestilling som skaper et magnetfelt. Samspillet mellom alle domenene i ett stykke ferromagnetisk materiale produserer derfor det totale eller netto magnetfeltet for magneten.

Hvis domenene er tilfeldig justert, er det sannsynlig at det kan være et veldig lite eller effektivt null magnetfelt. Imidlertid, hvis et eksternt magnetfelt bringes nær den uordnede magneten, vil domenene begynne å justere seg. Avstanden til justeringsfeltet til domenene vil påvirke den totale justeringen, og derfor det resulterende nettomagnetiske feltet.

Å legge igjen et ferromagnetisk materiale i et eksternt magnetfelt i lang tid kan hjelpe med å fullføre bestillingen, og øke det produserte magnetfeltet. Tilsvarende kan nettmagnetfeltet til en permanent magnet reduseres ved å bringe inn flere tilfeldige eller forstyrrende magnetfelt, som kan feiljustere domenene og redusere nettomagnetfeltet.

Påvirker størrelsen på en magnet dens styrke? Det korte svaret er ja, men bare fordi størrelsen på en magnet betyr at det er proporsjonalt flere domener som kan justere og produsere et sterkere magnetfelt enn et mindre stykke av det samme materiale. Imidlertid, hvis lengden på magneten er veldig lang, er det en økt sjanse for at villfarne magnetfelt vil feiljustere domener og redusere nettomagnetfeltet.

En annen medvirkende faktor magnetstyrken ertemperatur. I 1895 bestemte den franske fysikeren Pierre Curie at magnetiske materialer har en temperaturavstengning på hvilket tidspunkt deres magnetiske egenskaper kan endres. Spesielt justerer ikke domenene seg også lenger, og dermed fører uke domenetilpasning til et svakt nettomagnetisk felt.

For jern er Curie temperaturen rundt 1418 grader Fahrenheit. For magnetitt er det rundt 1060 grader Fahrenheit. Merk at disse temperaturene er betydelig lavere enn smeltepunktene. Dermed kan magnetens temperatur påvirke dens styrke.

En annen kategori av magneter erelektromagneter, som egentlig er magneter som kan slås av og på.

Den vanligste elektromagneten som brukes i forskjellige industrielle applikasjoner er en solenoid. En solenoid er en serie strømløkker som resulterer i et jevnt felt i midten av løkkene. Dette skyldes det faktum at hver enkelt strømløkke skaper et sirkulært magnetfelt rundt ledningen. Ved å plassere flere i serie skaper overposisjonen til magnetfeltene et rett, jevnt felt gjennom midten av løkkene.

Ligningen for størrelsen på et magnetisk magnetfelt er ganske enkelt:B = μ₀nI, hvorμ₀ er permeabiliteten til ledig plass,ner antall strømløkker per lengdeenhet ogJeger strømmen som strømmer gjennom dem. Retningen til magnetfeltet bestemmes av høyre håndregel og retning for strømmen, og kan derfor reverseres ved å reversere strømretningen.

Det er veldig lett å se at styrken til en solenoid kan justeres på to primære måter. Først kan strømmen gjennom solenoiden økes. Selv om det virker som om strømmen kan økes vilkårlig, kan det være begrensninger på strømforsyningen eller motstanden til kretsen, noe som kan føre til skade hvis strømmen blir overtrukket.

Derfor er en tryggere måte å øke magnetisk styrke på en solenoid å øke antall strømløkker. Magnetfeltet øker tydelig proporsjonalt. Den eneste begrensningen i dette tilfellet kan være mengden ledning som er tilgjengelig, eller romlige begrensninger hvis solenoiden er for lang på grunn av antall strømløkker.

Det er mange typer elektromagneter i tillegg til solenoider, men alle har samme generelle egenskap: Styrken er proporsjonal med strømmen.

Elektromagneter er allestedsnærværende og har mange bruksområder. Et vanlig og veldig enkelt eksempel på en elektromagnet, spesielt en solenoid, er en høyttaler. Den varierende strømmen gjennom høyttaleren fører til at styrken til det magnetiske magnetfeltet øker og reduseres.

Når dette skjer, plasseres en annen magnet, spesielt en permanent magnet, i den ene enden av solenoiden og mot en vibrerende overflate. Når de to magnetfeltene tiltrekker seg og frastøter på grunn av det skiftende magnetfeltet, blir den vibrerende overflaten trukket og dyttet og skaper lyd.

Høyttalere av bedre kvalitet bruker solenoider av høy kvalitet, permanente magneter og vibrerende overflater for å skape lydutgang av høyere kvalitet.

Den største magneten i verden er selve jorden! Som nevnt har jorden et magnetfelt som skyldes strømmen som er opprettet med jordens kjerne. Selv om det ikke er et veldig sterkt magnetfelt i forhold til mange små håndholdte magneter eller det som en gang ble brukt i partikkelakseleratorer, er jorden selv en av de største magneter vi vet om!

Et annet interessant magnetisk materiale er magnetitt. Magnetitt er en jernmalm som ikke bare er veldig vanlig, men er mineralet med høyest jerninnhold. Det kalles noen ganger lodestein på grunn av sin unike egenskap å ha et magnetfelt som alltid er justert med jordens magnetfelt. Som sådan ble det brukt som et magnetisk kompass så tidlig som 300 f.Kr.