Что вызывает разную силу в магнитах?

Многие люди знакомы с магнитами, потому что у них часто есть декоративные магниты на кухонном холодильнике. Однако у магнитов есть много практических целей, помимо украшения, и многие из них влияют на нашу повседневную жизнь, даже не подозревая об этом.

Есть много вопросов о том, как работают магниты, и других общих вопросов о магнетизме. Однако, чтобы ответить на большинство этих вопросов и понять, как разные магниты могут иметь разные силы магнитных полей, важно понимать, что такое магнитное поле и как оно произведено.

Магнитное поле - это сила, действующая на заряженную частицу, и определяющим уравнением для этого взаимодействия являетсяЗакон силы Лоренца.Полное уравнение силыэлектрическое поле​ ​Eимагнитное поле Bна частице с зарядомqи скоростьvдан кем-то:

Помните, потому что силаF, поляEа такжеB, а скоростьvвсе векторы,×операциявекторное произведение, а не умножение.

Магнитные поля создаются движущимися заряженными частицами, которые часто называют

Однако у этих магнитов на вашем холодильнике, похоже, нет протекающих токов или источников питания. Как они работают?

Постоянный магнит - это кусокферромагнитный материалкоторый обладает внутренним свойством, которое создает магнитное поле. Внутренний эффект, который создает магнитное поле, - это спин электрона, и выравнивание этих спинов создает магнитные домены. Эти домены образуют чистое магнитное поле.

Ферромагнитные материалы имеют тенденцию иметь высокую степень упорядочения доменов в их естественной форме, которая может быть легко полностью выровнена внешним магнитным полем. Таким образом, ферромагнитные магниты, когда они встречаются в природе, имеют тенденцию быть магнитными и легко сохраняют свои магнитные свойства.

​Диамагнитные материалыпохожи на ферромагнитные материалы и могут создавать магнитное поле в природе, но по-разному реагируют на внешние поля. Диамагнитный материал будет создавать противоположно ориентированное магнитное поле в присутствии внешнего поля. Этот эффект может ограничить желаемую силу магнита.

​Парамагнитные материалыявляются магнитными только в присутствии внешнего выравнивающего магнитного поля и имеют тенденцию быть довольно слабыми.

Как уже упоминалось, постоянные магниты состоят из произвольно расположенных магнитных доменов. Внутри каждого домена существует определенная степень упорядочения, которая создает магнитное поле. Таким образом, взаимодействие всех доменов в одном куске ферромагнитного материала создает общее, или суммарное, магнитное поле для магнита.

Если домены выровнены случайным образом, вполне вероятно, что это может быть очень маленькое или фактически нулевое магнитное поле. Однако, если внешнее магнитное поле приблизить к неупорядоченному магниту, домены начнут выравниваться. Расстояние выравнивающего поля до доменов будет влиять на общее выравнивание и, следовательно, на результирующее чистое магнитное поле.

Оставление ферромагнитного материала во внешнем магнитном поле на длительный период времени может помочь завершить упорядочение и увеличить создаваемое магнитное поле. Точно так же чистое магнитное поле постоянного магнита может быть уменьшено путем введения нескольких случайных или мешающих магнитных полей, которые могут смещать домены и уменьшать чистое магнитное поле.

Влияет ли размер магнита на его силу? Короткий ответ - да, но только потому, что размер магнита означает, что есть пропорциональные больше доменов, которые могут выравниваться и создавать более сильное магнитное поле, чем меньший кусок того же материал. Однако, если длина магнита очень большая, существует повышенная вероятность того, что паразитные магнитные поля приведут к смещению доменов и уменьшат результирующее магнитное поле.

Еще одним фактором, влияющим на силу магнита, являетсятемпература. В 1895 году французский физик Пьер Кюри определил, что магнитные материалы имеют температурную границу, при которой их магнитные свойства могут измениться. В частности, домены также больше не выстраиваются, поэтому выравнивание недельных доменов приводит к слабому чистому магнитному полю.

Для железа температура Кюри составляет около 1418 градусов по Фаренгейту. Для магнетита это около 1060 градусов по Фаренгейту. Обратите внимание, что эти температуры значительно ниже, чем их точки плавления. Таким образом, температура магнита может влиять на его силу.

Другая категория магнитовэлектромагниты, которые по сути являются магнитами, которые можно включать и выключать.

Наиболее распространенный электромагнит, который используется в различных промышленных приложениях, - это соленоид. Соленоид - это серия токовых петель, которые создают однородное поле в центре петель. Это связано с тем, что каждая отдельная токовая петля создает вокруг провода круговое магнитное поле. При последовательном размещении нескольких магнитов суперпозиция магнитных полей создает прямое однородное поле через центр петель.

Уравнение для величины соленоидального магнитного поля просто:B = μ₀nI, гдеμ₀ проницаемость свободного пространства,п- количество токовых петель на единицу длины ияэто ток, текущий через них. Направление магнитного поля определяется правилом правой руки и направлением тока, поэтому его можно изменить, изменив направление тока на противоположное.

Очень легко увидеть, что силу соленоида можно регулировать двумя основными способами. Во-первых, можно увеличить ток через соленоид. Хотя кажется, что ток можно произвольно увеличить, могут быть ограничения на источник питания или сопротивление цепи, что может привести к повреждению, если ток будет превышен.

Следовательно, более безопасный способ увеличить магнитную силу соленоида - увеличить количество токовых петель. Магнитное поле явно пропорционально увеличивается. Единственным ограничением в этом случае может быть количество доступного провода или пространственные ограничения, если соленоид слишком длинный из-за количества токовых петель.

Помимо соленоидов, существует много видов электромагнитов, но все они обладают одним и тем же общим свойством: их сила пропорциональна току.

Электромагниты повсеместны и имеют множество применений. Распространенным и очень простым примером электромагнита, в частности соленоида, является динамик. Изменяющийся ток через динамик вызывает увеличение и уменьшение силы соленоидального магнитного поля.

Когда это происходит, другой магнит, а именно постоянный магнит, помещается на одном конце соленоида и напротив вибрирующей поверхности. Поскольку два магнитных поля притягиваются и отталкиваются из-за изменяющегося соленоидного поля, вибрирующая поверхность тянется и толкается, создавая звук.

В более качественных динамиках используются высококачественные соленоиды, постоянные магниты и вибрирующие поверхности для создания более качественного звука.

Самый большой магнит в мире - это сама Земля! Как уже упоминалось, у Земли есть магнитное поле, которое возникает из-за токов, создаваемых ядром Земли. Хотя это не очень сильное магнитное поле по сравнению со многими маленькими ручными магнитами или когда-то использовавшимися в ускорителях частиц, сама Земля - ​​один из самых больших магнитов, о которых мы знаем!

Еще один интересный магнитный материал - магнетит. Магнетит - это железная руда, которая не только очень распространена, но и является минералом с самым высоким содержанием железа. Его иногда называют магнитом из-за его уникального свойства иметь магнитное поле, которое всегда совпадает с магнитным полем Земли. Таким образом, он использовался как магнитный компас еще в 300 году до нашей эры.