Fizica se simte rareori mai magică decât atunci când întâlnești un magnet în copilărie. Obținerea unui magnet de bară la clasa de știință și încercarea - cu toate puterile - să-l împingă către polul corespunzător al unui alt magnet, dar fiind complet incapabil sau lăsând polii opuși apropiați unul de celălalt, dar fără să se atingă, astfel încât să îi puteți vedea strecurându-se împreună și în cele din urmă a te alatura. Aflați repede că acest comportament este un rezultat al magnetismului, dar ce este cu adevărat magnetismul? Care este legătura dintre electricitate și magnetism care permite electromagnetilor să funcționeze? De ce nu ați folosi un magnet permanent în loc de un electromagnet într-o curte de fier vechi, de exemplu? Magnetismul este un subiect fascinant și complicat, dar dacă doriți doar să aflați proprietățile unui magnet și elementele de bază, este foarte ușor de preluat.
Cum funcționează magneții?
Comportamentul magnetic este în cele din urmă cauzat de mișcarea electronilor. O încărcare electrică în mișcare generează un câmp magnetic și, după cum vă puteți aștepta, magneții și câmpurile magnetice sunt legate în mod complex. Deoarece un electron este o particulă încărcată, mișcarea orbitală a acestuia în jurul nucleului unui atom creează un câmp magnetic mic. În general, totuși, există tone de electroni într-un material, iar câmpul creat de unul va fi anulat de câmpul creat de altul și nu va exista magnetism din material ca un întreg.
Unele materiale funcționează diferit, totuși. Câmpul magnetic creat de un electron poate afecta orientarea câmpului produs de electronii vecini și aceștia se aliniază. Aceasta produce ceea ce se numește „domeniu” magnetic în interiorul materialului, în care toți electronii au câmpuri magnetice aliniate. Materialele care fac acest lucru se numesc feromagnetice, iar la temperatura camerei, numai fierul, nichelul, cobaltul și gadoliniul sunt feromagnetice. Acestea sunt materialele care pot deveni magneți permanenți.
Domeniile dintr-un material feromagnetic vor avea toate orientări aleatorii; chiar dacă electronii vecini își aliniază câmpurile împreună, este posibil ca alte grupuri să fie aliniate într-o direcție diferită. Acest lucru nu lasă magnetism pe scară largă, deoarece domenii diferite se anulează reciproc, la fel cum fac electronii individuali în alte materiale.
Cu toate acestea, dacă aplicați un câmp magnetic extern - aducând un magnet magnetic aproape de material, de exemplu - domeniile încep să se alinieze. Cand toate dintre domenii sunt aliniate, întreaga bucată de material conține efectiv un singur domeniu și dezvoltă doi poli, numiți în general nord și sud (deși pot fi și pozitivi și negativi folosit).
În materialele feromagnetice, această aliniere continuă chiar și atunci când câmpul extern este îndepărtat, dar în altele tipuri de materiale (materiale paramagnetice), proprietățile magnetice se pierd atunci când este câmpul extern îndepărtat.
Care sunt proprietățile unui magnet?
Proprietățile definitorii ale magneților sunt că atrag unele materiale și polii opuși ai altor magneți și resping ca polii altor magneți. Deci, dacă aveți doi magneți cu bare permanente, împingerea a doi poli nord (sau sud) împreună produce o forță respingătoare, care devine mai puternică cu cât cele două capete sunt apropiate. Dacă aduceți doi poli opuși împreună (un nord și un sud) există o forță atractivă între ei. Cu cât îi aduceți mai aproape, cu atât această forță este mai puternică.
Materialele feromagnetice - cum ar fi fierul, nichelul și cobaltul - sau aliajele care le conțin (cum ar fi oțelul) sunt atrase de magneții permanenți, chiar dacă nu produc un câmp magnetic propriu. Sunt doar atras la magneți, totuși, și nu vor fi respinse decât dacă încep să producă un câmp magnetic propriu. Alte materiale, precum aluminiu, lemn și ceramică, nu sunt atrase de magneți.
Cum funcționează un electromagnet?
Un magnet permanent și un electromagnet sunt destul de diferite. Electro-magneții implică electricitate într-un mod mai evident și sunt generate în esență de mișcarea electronilor printr-un fir sau conductor electric. Ca și în cazul creării de domenii magnetice, mișcarea electronilor printr-un fir produce un câmp magnetic. Forma câmpului depinde de direcția în care se deplasează electronii - dacă indicați degetul mare al mâinii drepte în direcția curentului, degetele se îndoaie în direcția camp.
Pentru a produce un electromagnet simplu, firul electric este înfășurat în jurul unui miez central, de obicei din fier. Când curentul curge prin sârmă, călătorind în cercuri în jurul miezului, se produce un câmp magnetic, care rulează de-a lungul axei centrale a bobinei. Acest câmp este prezent indiferent dacă aveți sau nu un miez, dar cu un miez de fier, câmpul aliniază domeniile din materialul feromagnetic și astfel devine mai puternic.
Când fluxul de energie electrică este oprit, electronii încărcați nu se mai mișcă în jurul bobinei de sârmă și câmpul magnetic dispare.
Care sunt proprietățile unui electromagnet?
Electro-magneții și magneții au aceleași proprietăți cheie. Distincția dintre un magnet permanent și un electromagnet este în esență una în modul în care este creat câmpul, nu proprietățile câmpului ulterior. Deci, electromagnetii au încă doi poli, încă mai atrag materiale feromagnetice și încă mai au poli care îi resping pe alți ca poli și care atrag spre deosebire de poli. Diferența este că încărcătura în mișcare a magneților permanenți este creată de mișcarea electronilor din interior atomi, în timp ce în electro-magneți este creat prin mișcarea electronilor ca parte a unui electric actual.
Avantajele electromagnetilor
Cu toate acestea, electromagnetii au multe avantaje. Deoarece câmpul magnetic este produs de curent, caracteristicile acestuia pot fi schimbate prin schimbarea curentului. De exemplu, creșterea curentului crește puterea câmpului magnetic. În mod similar, un curent alternativ (curent alternativ) poate fi utilizat pentru a produce un câmp magnetic în continuă schimbare, care poate fi utilizat pentru a induce un curent într-un alt conductor.
Pentru aplicații precum macaralele magnetice în șantierele de fier vechi, marele avantaj al electro-magneților este că câmpul poate fi oprit cu ușurință. Dacă ai alege o bucată de fier vechi cu un magnet permanent mare, scoaterea acestuia din magnet ar fi o provocare! Cu un electromagnet, tot ce trebuie să faceți este să opriți fluxul de curent și fierul vechi va cădea.
Magneți și legile lui Maxwell
Legile electromagnetismului sunt descrise de legile lui Maxwell. Acestea sunt scrise în limbajul calculului vectorial și necesită o matematică destul de complicată de utilizat. Cu toate acestea, elementele de bază ale regulilor legate de magnetism pot fi înțelese fără a intra în matematica complicată.
Prima lege legată de magnetism se numește „legea fără monopol”. Aceasta afirmă practic că toți magneții au doi poli și că nu va exista niciodată un magnet cu un singur pol. Cu alte cuvinte, nu puteți avea un pol nord al unui magnet fără un pol sud și invers.
A doua lege referitoare la magnetism se numește legea lui Faraday. Acesta descrie procesul de inducție, în care un câmp magnetic în schimbare (produs de un electromagnet cu un curent variabil sau de un magnet permanent în mișcare) induce o tensiune (și curent electric) într-un apropiat conductor.
Legea finală referitoare la magnetism se numește legea Ampere-Maxwell și aceasta descrie modul în care un câmp electric în schimbare produce un câmp magnetic. Puterea câmpului este legată de curentul care trece prin zonă și de rata de schimbare a câmpului electric (care este produs de purtători de sarcină electrică, cum ar fi protoni și electroni). Aceasta este legea pe care o utilizați pentru a calcula un câmp magnetic în cazuri mai simple, cum ar fi o bobină de sârmă sau un fir lung drept.
