Физика редко кажется более волшебной, чем когда вы впервые сталкиваетесь с магнитом в детстве. Получив стержневой магнит на уроке естествознания и пытаясь изо всех сил подтолкнуть его к соответствующему полюсу другого магнита, полностью неспособный или оставляющий противоположные полюса близко друг к другу, но не соприкасающийся, чтобы вы могли видеть, как они ползут вместе и в конечном итоге присоединиться. Вы быстро узнаете, что такое поведение является результатом магнетизма, но что такое на самом деле магнетизм? Какая связь между электричеством и магнетизмом позволяет электромагнитам работать? Почему бы, например, не использовать постоянный магнит вместо электромагнита на свалке металлолома? Магнетизм - увлекательная и сложная тема, но если вы просто хотите изучить свойства магнита и основы, это действительно легко понять.
Как работают магниты?
Магнитное поведение в конечном итоге вызвано движением электронов. Движущийся электрический заряд генерирует магнитное поле, и, как вы могли догадаться, магниты и магнитные поля неразрывно связаны. Поскольку электрон является заряженной частицей, его орбитальное движение вокруг ядра атома создает небольшое магнитное поле. Вообще говоря, в материале тонны электронов, и создаваемое ими поле будет компенсируется полем, созданным другим, и не будет никакого магнетизма от материала как весь.
Однако некоторые материалы работают по-другому. Магнитное поле, создаваемое одним электроном, может влиять на ориентацию поля, создаваемого соседними электронами, и они выравниваются. Это создает так называемый магнитный «домен» в материале, где все электроны имеют выровненные магнитные поля. Материалы, которые делают это, называются ферромагнитными, и при комнатной температуре ферромагнитными являются только железо, никель, кобальт и гадолиний. Это материалы, которые могут стать постоянными магнитами.
Все домены в ферромагнитном материале будут иметь случайную ориентацию; даже если соседние электроны выравнивают свои поля вместе, другие группы, вероятно, будут выровнены в другом направлении. Это не оставляет магнетизма в больших масштабах, потому что разные домены нейтрализуют друг друга, как это делают отдельные электроны в других материалах.
Однако, если вы применяете внешнее магнитное поле, например, поднося стержневой магнит близко к материалу, домены начинают выравниваться. Когда все доменов выровнены, весь кусок материала фактически содержит один домен и развивает два полюса, обычно называемых северным и южным (хотя положительный и отрицательный также могут быть использовал).
В ферромагнитных материалах это выравнивание продолжается даже при удалении внешнего поля, но в других типа материала (парамагнитные материалы), магнитные свойства теряются, когда внешнее поле удаленный.
Каковы свойства магнита?
Определяющими свойствами магнитов является то, что они притягивают одни материалы и противоположные полюса других магнитов и отталкиваются, как полюса других магнитов. Итак, если у вас есть два постоянных стержневых магнита, сдвигание двух северных (или южных) полюсов вместе создает силу отталкивания, которая становится тем сильнее, чем ближе два конца сближены. Если соединить два противоположных полюса (север и юг), между ними возникнет сила притяжения. Чем ближе вы их сведете, тем сильнее эта сила.
Ферромагнитные материалы, такие как железо, никель и кобальт, или сплавы, содержащие их (например, сталь), притягиваются к постоянным магнитам, даже если они не создают собственного магнитного поля. Они только привлек к магнитам, однако, они не будут отталкиваться, если не начнут создавать собственное магнитное поле. Другие материалы, такие как алюминий, дерево и керамика, не притягиваются к магнитам.
Как работает электромагнит?
Постоянный магнит и электромагнит - разные вещи. Электромагниты используют электричество более очевидным образом и по существу генерируются движением электронов по проводу или электрическому проводнику. Как и в случае создания магнитных доменов, движение электронов по проводу создает магнитное поле. Форма поля зависит от направления, в котором движутся электроны - если вы укажете большой палец правой руки по направлению тока, пальцы сгибаются в сторону поле.
Для изготовления простого электромагнита электрический провод наматывают на центральный сердечник, обычно сделанный из железа. Когда ток течет по проводу, двигаясь по кругу вокруг сердечника, создается магнитное поле, движущееся вдоль центральной оси катушки. Это поле присутствует независимо от того, есть ли у вас сердечник или нет, но с железным сердечником поле выравнивает домены в ферромагнитном материале и, таким образом, становится сильнее.
Когда поток электричества прекращается, заряженные электроны перестают двигаться вокруг катушки с проволокой, и магнитное поле исчезает.
Каковы свойства электромагнита?
Электромагниты и магниты обладают одинаковыми ключевыми свойствами. Разница между постоянным магнитом и электромагнитом по существу заключается в том, как создается поле, а не в его свойствах. Таким образом, у электромагнитов по-прежнему есть два полюса, они по-прежнему притягивают ферромагнитные материалы и по-прежнему имеют полюса, которые отталкивают другие подобные полюса и притягивают разные полюса. Разница в том, что движущийся заряд в постоянных магнитах создается движением электронов в атомы, тогда как в электромагнитах он создается движением электронов как часть электрического Текущий.
Преимущества электромагнитов
Однако у электромагнитов есть много преимуществ. Поскольку магнитное поле создается током, его характеристики можно изменить, изменив ток. Например, увеличение тока увеличивает силу магнитного поля. Точно так же переменный ток (электричество переменного тока) можно использовать для создания постоянно меняющегося магнитного поля, которое можно использовать для индукции тока в другом проводнике.
Для таких применений, как магнитные краны на свалках металлолома, большим преимуществом электромагнитов является то, что поле можно легко отключить. Если вы подобрали кусок металлолома с помощью большого постоянного магнита, вытащить его из магнита будет непросто! С помощью электромагнита все, что вам нужно сделать, это остановить ток, и металлолом упадет.
Магниты и законы Максвелла
Законы электромагнетизма описываются законами Максвелла. Они написаны на языке векторного исчисления и требуют использования довольно сложной математики. Однако основы правил, относящихся к магнетизму, можно понять, не углубляясь в сложную математику.
Первый закон, относящийся к магнетизму, называется «законом отсутствия монополя». Это в основном означает, что все магниты имеют два полюса, и никогда не будет магнита с одним полюсом. Другими словами, у вас не может быть северного полюса магнита без южного полюса, и наоборот.
Второй закон, относящийся к магнетизму, называется законом Фарадея. Это описывает процесс индукции, когда изменяющееся магнитное поле (создаваемое электромагнитом с переменного тока или движущегося постоянного магнита) индуцирует напряжение (и электрический ток) в соседнем дирижер.
Последний закон, относящийся к магнетизму, называется законом Ампера-Максвелла, и он описывает, как изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле. Сила поля связана с током, проходящим через область, и скоростью изменения электрического поля (которое создается носителями электрического заряда, такими как протоны и электроны). Это закон, который вы используете для расчета магнитного поля в более простых случаях, например, для катушки с проволокой или длинного прямого провода.