Fizyka rzadko wydaje się bardziej magiczna niż wtedy, gdy jako dziecko po raz pierwszy napotykasz magnes. Zdobycie magnesu sztabkowego na lekcjach nauk ścisłych i próba – z całych sił – popchnąć go w kierunku pasującego bieguna innego magnesu, ale będąc całkowicie niezdolny lub pozostawienie przeciwnych biegunów blisko siebie, ale nie dotykających się, aby można było zobaczyć, jak skradają się razem i ostatecznie Przystąp. Szybko dowiadujesz się, że to zachowanie jest wynikiem magnetyzmu, ale czym tak naprawdę jest magnetyzm? Jaki jest związek między elektrycznością a magnetyzmem, który umożliwia działanie elektromagnesów? Dlaczego nie miałbyś na przykład użyć magnesu trwałego zamiast elektromagnesu na złomowisku metali? Magnetyzm jest fascynującym i skomplikowanym tematem, ale jeśli chcesz tylko poznać właściwości magnesu i podstawy, to naprawdę łatwo jest go opanować.
Jak działają magnesy?
Zachowanie magnetyczne jest ostatecznie spowodowane ruchem elektronów. Poruszający się ładunek elektryczny generuje pole magnetyczne i – jak można się spodziewać – magnesy i pola magnetyczne są ze sobą misternie powiązane. Ponieważ elektron jest cząstką naładowaną, jego ruch orbitalny wokół jądra atomu wytwarza niewielkie pole magnetyczne. Ogólnie rzecz biorąc, w materiale jest mnóstwo elektronów, a pole wytworzone przez jeden będzie zniesione przez pole wytworzone przez inne pole i nie będzie żadnego magnetyzmu z materiału, jak a cały.
Niektóre materiały działają jednak inaczej. Pole magnetyczne wytworzone przez jeden elektron może wpływać na orientację pola wytwarzanego przez sąsiednie elektrony i ustawiają się one w jednej linii. Powoduje to powstanie tak zwanej „domeny” magnetycznej w materiale, w której wszystkie elektrony mają wyrównane pola magnetyczne. Materiały, które to robią, nazywane są ferromagnetycznymi, aw temperaturze pokojowej tylko żelazo, nikiel, kobalt i gadolin są ferromagnetyczne. Są to materiały, które mogą stać się magnesami trwałymi.
Wszystkie domeny w materiale ferromagnetycznym będą miały losowe orientacje; chociaż sąsiednie elektrony dopasowują swoje pola do siebie, inne grupy prawdopodobnie będą ustawione w innym kierunku. To nie pozostawia magnetyzmu na dużą skalę, ponieważ różne domeny znoszą się nawzajem, tak jak poszczególne elektrony w innych materiałach.
Jeśli jednak przyłożysz zewnętrzne pole magnetyczne – na przykład przybliżając magnes sztabkowy do materiału – domeny zaczynają się wyrównywać. Gdy wszystko domen są wyrównane, cały materiał skutecznie zawiera jedną domenę i rozwija dwa bieguny, ogólnie nazywane północnym i południowym (chociaż dodatni i ujemny mogą być również używany).
W materiałach ferromagnetycznych to wyrównanie trwa nawet po usunięciu pola zewnętrznego, ale w innych in rodzaje materiału (materiały paramagnetyczne), właściwości magnetyczne są tracone, gdy pole zewnętrzne jest oddalony.
Jakie są właściwości magnesu?
Charakterystyczne właściwości magnesów polegają na tym, że przyciągają niektóre materiały i przeciwne bieguny innych magnesów i odpychają się jak bieguny innych magnesów. Jeśli więc masz dwa stałe magnesy sztabkowe, zepchnięcie dwóch biegunów północnych (lub południowych) razem wytwarza siłę odpychającą, która staje się silniejsza, im bliżej oba końce są zbliżone do siebie. Jeśli połączysz ze sobą dwa przeciwległe bieguny (północ i południe), istnieje między nimi siła przyciągania. Im bliżej je zbliżysz, tym silniejsza jest ta siła.
Materiały ferromagnetyczne – takie jak żelazo, nikiel i kobalt – lub zawierające je stopy (takie jak stal) przyciągają magnesy trwałe, nawet jeśli nie wytwarzają własnego pola magnetycznego. Są tylko przyciągnięty do magnesów i nie zostaną odepchnięte, chyba że zaczną wytwarzać własne pole magnetyczne. Inne materiały, takie jak aluminium, drewno i ceramika, nie przyciągają magnesów.
Jak działa elektromagnes?
Magnes trwały i elektromagnes są zupełnie inne. Elektromagnesy angażują energię elektryczną w bardziej oczywisty sposób i są zasadniczo generowane przez ruch elektronów przez drut lub przewodnik elektryczny. Podobnie jak w przypadku tworzenia domen magnetycznych, ruch elektronów przez drut wytwarza pole magnetyczne. Kształt pola zależy od kierunku, w którym poruszają się elektrony – jeśli wskażesz kciuk prawej dłoni w kierunku prądu, palce zginają się w kierunku pole.
Aby wyprodukować prosty elektromagnes, drut elektryczny jest owinięty wokół centralnego rdzenia, zwykle wykonanego z żelaza. Kiedy prąd przepływa przez drut, poruszając się w kółko wokół rdzenia, wytwarzane jest pole magnetyczne biegnące wzdłuż środkowej osi cewki. To pole jest obecne niezależnie od tego, czy masz rdzeń, czy nie, ale w przypadku żelaznego rdzenia pole wyrównuje domeny w materiale ferromagnetycznym i tym samym staje się silniejsze.
Kiedy przepływ prądu zostaje zatrzymany, naładowane elektrony przestają poruszać się wokół cewki drutu, a pole magnetyczne znika.
Jakie są właściwości elektromagnesu?
Elektromagnesy i magnesy mają te same kluczowe właściwości. Różnica między magnesem trwałym a elektromagnesem dotyczy zasadniczo sposobu tworzenia pola, a nie późniejszych właściwości pola. Tak więc elektromagnesy nadal mają dwa bieguny, nadal przyciągają materiały ferromagnetyczne i nadal mają bieguny, które odpychają inne jak bieguny i przyciągają inne bieguny. Różnica polega na tym, że poruszający się ładunek w magnesach trwałych jest tworzony przez ruch elektronów w atomów, podczas gdy w elektromagnesach jest tworzony przez ruch elektronów jako część elektrycznego obecny.
Zalety elektromagnesów
Elektromagnesy mają jednak wiele zalet. Ponieważ pole magnetyczne jest wytwarzane przez prąd, jego charakterystykę można zmienić poprzez zmianę prądu. Na przykład zwiększenie prądu zwiększa siłę pola magnetycznego. Podobnie prąd przemienny (prąd przemienny) może być użyty do wytworzenia stale zmieniającego się pola magnetycznego, które może być wykorzystane do indukowania prądu w innym przewodniku.
W zastosowaniach takich jak dźwigi magnetyczne w złomach metalowych, dużą zaletą elektromagnesów jest to, że pole można z łatwością wyłączyć. Gdybyś podniósł kawałek złomu dużym magnesem trwałym, usunięcie go z magnesu byłoby nie lada wyzwaniem! Za pomocą elektromagnesu wystarczy zatrzymać przepływ prądu, a złom spadnie.
Magnesy i prawa Maxwella
Prawa elektromagnetyzmu opisują prawa Maxwella. Są one napisane w języku rachunku wektorowego i wymagają użycia dość skomplikowanej matematyki. Jednak podstawy reguł odnoszących się do magnetyzmu można zrozumieć bez zagłębiania się w skomplikowaną matematykę.
Pierwsze prawo odnoszące się do magnetyzmu nazywa się „prawem braku monopolu”. Zasadniczo oznacza to, że wszystkie magnesy mają dwa bieguny i nigdy nie będzie magnesu z jednym biegunem. Innymi słowy, nie można mieć bieguna północnego magnesu bez bieguna południowego i na odwrót.
Drugie prawo odnoszące się do magnetyzmu nazywa się prawem Faradaya. Opisuje proces indukcji, w którym zmienne pole magnetyczne (wytwarzane przez elektromagnes o zmieniający się prąd lub przez poruszający się magnes trwały) indukuje napięcie (i prąd elektryczny) w pobliżu konduktor.
Ostatnie prawo odnoszące się do magnetyzmu nazywa się prawem Ampera-Maxwella i opisuje, w jaki sposób zmieniające się pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne. Siła pola jest związana z prądem przepływającym przez obszar i szybkością zmiany pola elektrycznego (wytwarzanego przez nośniki ładunku elektrycznego, takie jak protony i elektrony). Jest to prawo, którego używasz do obliczania pola magnetycznego w prostszych przypadkach, takich jak cewka z drutu lub długi prosty drut.