Магнетизм: определение, типы, свойства и принцип работы (с примерами)

Магниты. Они есть у вас на холодильнике, вы играли с ними в детстве, вы даже держали компас в руке, когда стрелка компаса указывала на северный магнитный полюс Земли. Но как они работают? Что это за явление магнетизма?

Магнетизм - один из аспектов фундаментальной электромагнитной силы. Он описывает явления и силы, связанные с магнитами или магнитными объектами.

Все магнитные поля создаются движущимся зарядом или изменяющимися электрическими полями. Вот почему явления электричества и магнетизма вместе называются электромагнетизмом. Они действительно одно и то же!

Во всех материалах атомы содержат электроны, и эти электроны образуют облако вокруг атомного ядра, а их общее движение создает миниатюрный магнитный диполь. В большинстве материалов, однако, случайное распределение ориентации этих мини-магнитов приводит к компенсации полей. Ферромагнитные материалы - исключение.

Многие материалы проявляют магнитные явления, включая железо, марганец, магнетит и кобальт. Они могут существовать как постоянные магниты или могут быть парамагнитными (т. Е. Притягиваться к магнитным материалам, но сами не сохраняют постоянный магнетизм). Электромагниты создаются путем пропускания электрического тока через проволоку, намотанную вокруг такого материала, как железо (или в любой ситуации, в которой есть движущийся электрический заряд).

Магнитные материалы могут притягиваться друг к другу или отталкиваться, в зависимости от того, какие части этих материалов собраны вместе.

Как и в случае с электрической силой и силой гравитации, объекты, которые оказывают друг на друга магнитные силы, создают вокруг себя поле. Например, стержневой магнит создает магнитное поле в пространстве вокруг себя, в результате чего любые другие магниты или ферромагнитные материалы, попадающие в это поле, чувствуют силу.

Один из способов визуализировать магнитное поле - использовать железные опилки. Железные опилки - это маленькие кусочки железа, которые при опрыскивании вокруг магнита выравниваются по линиям внешнего магнитного поля, позволяя вам их визуализировать.

Единица СИ, связанная с напряженностью магнитного поля, - тесла.

Другой распространенной единицей измерения напряженности магнитного поля является гаусс.

1 Гаусс = 1 Г = 10^-4 Т

Есть много разных типов магнетизма:

​Парамагнетизмописывает некоторые материалы, которые могут слабо притягиваться к магнитам, но сами не сохраняют постоянное магнитное поле. В присутствии внешнего поля они будут формировать внутренние индуцированные магнитные поля, которые выравниваются. Это может привести к временному усилению магнитного поля в целом. Есть много разных типов парамагнитных материалов, в том числе некоторые драгоценные камни.

​ДиамагнетизмЭто свойство проявляется во всех материалах, но, как правило, наиболее очевидно в материалах, которые мы считаем немагнитными. Диамагнитные материалы очень слабо отталкиваются магнитными полями. В постоянных магнитах и ​​парамагнитных материалах эффекты диамагнетизма незначительны.

​Электромагнетизмвозникает, когда электрический ток проходит через провод. Этот провод может быть намотан на железный стержень, чтобы усилить эффект, поскольку железо будет создавать собственное магнитное поле, которое выравнивается с внешним полем. Эта форма магнетизма является прямым результатом того факта, что движение электронов создает магнитное поле. (Опять же, электричество и магнетизм - две стороны одного и того же фундаментального физического свойства!)

​Ферромагнетизмописывает, как определенные материалы, называемые ферромагнитными материалами, образуют постоянные магниты, что более подробно обсуждается в следующем разделе.

Материалы, которые сильно притягиваются к магнитам, называются ферромагнитными. Железо - самый распространенный материал этого типа. (Неудивительно, поскольку латинская префиксФерро- означает «железо».)

Ферромагнитные материалы имеют так называемые магнитные домены; то есть области внутри них, похожие на магниты, но ориентированные в разных направлениях, так что общий эффект нейтрализуется, и они обычно не действуют как магниты. Если, однако, эти материалы помещены в магнитные поля, это может вызвать выравнивание доменов, так что что все они выровнены в одном направлении, и поэтому они становятся (часто временно) как магниты сами себя.

Ферромагнитные материалы включают магнитный камень, железо, никель, кобальт и различные редкоземельные материалы, включая неодим.

Барный магнит представляет собой прямоугольный или цилиндрический стержень из магнитного материала. Концы стержневого магнита - это северный и южный полюса. Это два типа магнитных полюсов, и они взаимодействуют друг с другом посредством магнитной силы аналогично тому, как положительные и отрицательные заряды взаимодействуют через электрическую силу.

Барные магниты представляют собой магнитные диполи. У них есть противоположные полюса, разделенные расстоянием, как у электрического диполя. Однако одно из основных отличий заключается в том, что с магнитами у вас не может быть монополя (изолированного полюса), как у зарядов. Магнит всегда существует как диполь, и никогда как северный полюс сам по себе или южный полюс сам по себе. (Если вы разрежете стержневой магнит пополам, чтобы попытаться разделить полюса, вы просто получите два меньших диполярных магнита!)

Как вы, вероятно, знаете, у Земли есть магнитное поле. Это позволяет людям использовать компасы, чтобы определить, в каком направлении они смотрят относительно полюсов. Магнитный компас состоит из небольшого магнита, который может свободно перемещаться и выравниваться с любым внешним полем. Красный конец стрелки компаса указывает на север. Магнитное поле Земли действует как гигантский стержневой магнит. Этот воображаемый стержневой магнит ориентирован так, что северный конец магнита находится на южном полюсе Земли, а южный конец магнита - на северном полюсе Земли.

Магнитное поле Земли также в большинстве мест не параллельно поверхности Земли. Вы можете определить склонение магнитного поля Земли с помощью погружной иглы. Сначала сориентируйте стрелку по горизонтали и совместите ее с магнитным севером Земли. Затем поверните его вертикально и соблюдайте угол наклона. Угол тем больше, чем ближе вы к полюсам.

Магнитное поле Земли создает область пространства, окружающую планету, которая называется магнитосферой. Магнитосфера по сути выглядит как магнитное поле очень большого стержневого магнита, выровненного близко к оси Земли, хотя магнитосфера может деформироваться при взаимодействии с заряженными частицами.

Магнитосфера защищает нас от солнечного ветра, который содержит заряженные частицы. Взаимодействия между этими частицами и силовыми линиями магнитного поля вызывают полярные сияния.

Явление магнетизма используется во всевозможных повседневных применениях.

Явление электромагнетизма позволяет нам преобразовывать механическую энергию в электрическую в электрических генераторах. В электрических генераторах используются механические средства для вращения турбины (дующий ветер или проточная вода), которая изменяет магнитное поле относительно проволочных катушек, вызывая протекание тока.

Электродвигатели, по сути, противоположны электрическим генераторам, использующим электромагнетизм для преобразования электрическая энергия в механическую энергию, будь то электродрель, миксер или электрический транспортное средство.

Промышленные электромагниты - это гигантские магниты с очень сильными магнитными полями, которые позволяют им собирать старые автомобили на свалке.

Аппараты МРТ используют сильные магнитные поля для создания изображений ваших внутренних органов и позволяют врачам диагностировать целый ряд заболеваний.