Ce cauzează diferite forțe ale magneților?

Mulți oameni sunt familiarizați cu magneții, deoarece au adesea magneți decorativi pe frigiderul din bucătărie. Cu toate acestea, magneții au multe scopuri practice dincolo de decor și mulți ne afectează viața de zi cu zi fără ca noi măcar să știm.

Există o mulțime de întrebări despre cum funcționează magneții și alte întrebări generale despre magnetism. Cu toate acestea, pentru a răspunde la majoritatea acestor întrebări și pentru a înțelege cât de diferiți magneți pot avea diferite punctele forte ale câmpurilor magnetice, este important să înțelegem ce este și cum este un câmp magnetic produs.

Un câmp magnetic este o forță care acționează asupra unei particule încărcate, iar ecuația de guvernare pentru această interacțiune esteLegea forței Lorentz.Ecuația completă pentru forța unuicâmp electric​ ​Eși acâmp magnetic Bpe o particulă cu încărcareqși vitezaveste dat de:

Amintiți-vă asta pentru că forțaF, Câmpurile

Câmpurile magnetice sunt produse de mișcarea particulelor încărcate, deseori numitecurent electric. Sursele obișnuite de câmpuri magnetice provenite de la curentul electric sunt electromagnetii, cum ar fi un fir simplu, un fir într-o buclă și mai multe bucle de fir dintr-o serie numităsolenoid. Câmpul magnetic al Pământului este cauzat și de mișcarea particulelor încărcate în miez.

Cu toate acestea, acești magneți de pe frigider nu par să aibă curenți curenți sau surse de alimentare. Cum funcționează acestea?

Un magnet permanent este o bucată dematerial feromagneticcare are o proprietate intrinsecă care produce un câmp magnetic. Efectul intrinsec care produce un câmp magnetic este un spin de electroni, iar alinierea acestor rotiri creează domenii magnetice. Aceste domenii au ca rezultat un câmp magnetic net.

Materialele feromagnetice tind să aibă un grad ridicat de ordonare a domeniului în forma lor naturală, care poate fi ușor aliniată complet de un câmp magnetic extern. Astfel, magneții feromagnetici tind să fie magnetici atunci când se găsesc în natură și își păstrează cu ușurință proprietățile magnetice.

​Materiale diamagneticesunt similare cu materialele feromagnetice și pot produce un câmp magnetic atunci când se găsesc în natură, dar răspund diferit la câmpurile externe. Materialul diamagnetic va produce un câmp magnetic orientat opus în prezența unui câmp extern. Acest efect ar putea limita puterea dorită a magnetului.

​Materiale paramagneticesunt magnetice numai în prezența unui câmp magnetic extern, aliniat și tind să fie destul de slabe.

După cum am menționat, magneții permanenți constau din domenii magnetice care se aliniază aleatoriu. În fiecare domeniu, există un anumit grad de ordonare care creează un câmp magnetic. Interacțiunea tuturor domeniilor dintr-o singură bucată de material feromagnetic produce, prin urmare, câmpul magnetic general sau net pentru magnet.

Dacă domeniile sunt aliniate aleatoriu, este posibil să existe un câmp magnetic foarte mic sau efectiv zero. Cu toate acestea, dacă un câmp magnetic extern este apropiat de magnetul neordonat, domeniile vor începe să se alinieze. Distanța câmpului de aliniere la domenii va afecta alinierea generală și, prin urmare, câmpul magnetic net rezultat.

Lăsarea unui material feromagnetic într-un câmp magnetic extern pentru o perioadă lungă de timp poate ajuta la finalizarea comenzii și la creșterea câmpului magnetic produs. În mod similar, câmpul magnetic net al unui magnet permanent poate fi micșorat prin aducerea câtorva câmpuri magnetice aleatorii sau interferente, care pot dezalina domeniile și reduce câmpul magnetic net.

Dimensiunea unui magnet îi afectează rezistența? Răspunsul scurt este da, dar numai pentru că dimensiunea unui magnet înseamnă că există proporțional mai multe domenii care pot alinia și produce un câmp magnetic mai puternic decât o bucată mai mică din același material. Cu toate acestea, dacă lungimea magnetului este foarte lungă, există șanse crescute ca câmpurile magnetice vagabonate să dezalineze domeniile și să scadă câmpul magnetic net.

Un alt factor care contribuie la rezistența magnetului estetemperatura. În 1895, fizicianul francez Pierre Curie a stabilit că materialele magnetice au o temperatură scăzută, moment în care proprietățile lor magnetice se pot schimba. Mai exact, domeniile nu se mai aliniază la fel de bine, astfel alinierea domeniului săptămânal duce la un câmp magnetic net slab.

Pentru fier, temperatura Curie este de aproximativ 1418 grade Fahrenheit. Pentru magnetit, este în jur de 1060 grade Fahrenheit. Rețineți că aceste temperaturi sunt semnificativ mai mici decât punctele lor de topire. Astfel, temperatura magnetului poate afecta rezistența acestuia.

O categorie diferită de magneți suntelectromagneti, care sunt în esență magneți care pot fi aprinși și dezactivați.

Cel mai comun electromagnet care este utilizat în diferite aplicații industriale este un solenoid. Un solenoid este o serie de bucle de curent, care au ca rezultat un câmp uniform în centrul buclelor. Acest lucru se datorează faptului că fiecare buclă de curent individuală creează un câmp magnetic circular în jurul firului. Plasând mai multe în serie, suprapunerea câmpurilor magnetice creează un câmp drept și uniform prin centrul buclelor.

Ecuația pentru magnitudinea unui câmp magnetic solenoidal este pur și simplu:B = μ₀nI, Undeμ₀ este permeabilitatea spațiului liber,neste numărul de bucle curente pe unitatea de lungime șiEueste curentul care curge prin ele. Direcția câmpului magnetic este determinată de regula din dreapta și direcția fluxului de curent și, prin urmare, poate fi inversată inversând direcția curentului.

Este foarte ușor de văzut că puterea unui solenoid poate fi ajustată în două moduri principale. În primul rând, curentul prin solenoid poate fi mărit. Deși se pare că curentul poate fi crescut în mod arbitrar, pot exista limitări ale sursei de alimentare sau ale rezistenței circuitului, ceea ce poate duce la deteriorări dacă curentul este suprasolicitat.

Prin urmare, o modalitate mai sigură de a crește rezistența magnetică a unui solenoid este creșterea numărului de bucle de curent. Câmpul magnetic crește în mod proporțional. Singura limitare în acest caz poate fi cantitatea de fir disponibilă sau limitările spațiale dacă solenoidul este prea lung din cauza numărului de bucle de curent.

În afară de solenoizi există mai multe tipuri de electro-magneți, dar toate au aceeași proprietate generală: rezistența lor este proporțională cu debitul curent.

Electromagneții sunt omniprezenți și au multe utilizări. Un exemplu obișnuit și foarte simplu de electromagnet, în special un solenoid, este un difuzor. Curentul variabil prin difuzor determină creșterea și scăderea puterii câmpului magnetic solenoidal.

Pe măsură ce se întâmplă acest lucru, un alt magnet, în special un magnet permanent, este plasat la un capăt al solenoidului și împotriva unei suprafețe vibrante. Pe măsură ce cele două câmpuri magnetice se atrag și se resping datorită schimbării câmpului solenoidal, suprafața vibrantă este trasă și împinsă creând sunet.

Difuzoarele de o calitate mai bună utilizează solenoizi de înaltă calitate, magneți permanenți și suprafețe vibrante pentru a crea un sunet de calitate superioară.

Cel mai mare magnet din lume este pământul însuși! După cum am menționat, pământul are un câmp magnetic care se datorează curenților creați cu miezul pământului. Deși nu este un câmp magnetic foarte puternic față de mulți magneți mici de mână sau cel folosit odată în acceleratoarele de particule, pământul în sine este unul dintre cei mai mari magneți pe care îi cunoaștem!

Un alt material magnetic interesant este magnetita. Magnetitul este un minereu de fier care nu numai că este foarte obișnuit, dar este și mineralul cu cel mai mare conținut de fier. Uneori se numește piatră lodastă, datorită proprietății sale unice de a avea un câmp magnetic care este întotdeauna aliniat cu câmpul magnetic al pământului. Ca atare, a fost folosit ca busolă magnetică încă din 300 î.Hr.