Fyzika sa zriedka cíti magickejšia, ako keď sa v detstve prvýkrát stretnete s magnetom. Získanie tyčového magnetu na hodine prírodovedy a snaha - zo všetkých síl - ho zatlačiť k zodpovedajúcemu pólu iného magnetu, iba ak úplne neschopný alebo opúšťajúci súperiace póly blízko seba, ale nedotýkajúci sa, aby ste ich videli, ako sa spolu nakoniec plazia pripojiť sa. Rýchlo zistíte, že toto správanie je výsledkom magnetizmu, ale čo to vlastne magnetizmus je? Aká je súvislosť medzi elektrinou a magnetizmom, ktorá umožňuje pracovať magnetom? Prečo by ste napríklad v kovovom šrote nepoužili permanentný magnet namiesto elektromagnetu? Magnetizmus je fascinujúca a komplikovaná téma, ale ak sa chcete iba dozvedieť vlastnosti magnetu a základné informácie, je ľahké ho ľahko zachytiť.
Ako fungujú magnety?
Magnetické správanie je nakoniec spôsobené pohybom elektrónov. Pohybujúci sa elektrický náboj generuje magnetické pole a - ako môžete očakávať - magnety a magnetické polia sú zložito prepojené. Pretože elektrón je nabitá častica, jeho orbitálny pohyb okolo jadra atómu vytvára malé magnetické pole. Všeobecne však platí, že v materiáli sú tony elektrónov a pole vytvorené jedným bude zrušené poľom vytvoreným iným a z materiálu nebude žiadny magnetizmus ako a celý.
Niektoré materiály však fungujú inak. Magnetické pole vytvorené jedným elektrónom môže ovplyvniť orientáciu poľa produkovaného susednými elektrónmi a zosúladia sa. To vytvára takzvanú magnetickú „doménu“ v materiáli, kde všetky elektróny majú vyrovnané magnetické polia. Materiály, ktoré to umožňujú, sa nazývajú feromagnetické a pri izbovej teplote sú feromagnetické iba železo, nikel, kobalt a gadolínium. To sú materiály, z ktorých sa môžu stať permanentné magnety.
Všetky domény vo feromagnetickom materiáli budú mať náhodnú orientáciu; aj keď susedné elektróny zarovnávajú svoje polia dohromady, je pravdepodobné, že ďalšie skupiny budú zoradené iným smerom. Toto vo veľkej miere nezanecháva žiadny magnetizmus, pretože rôzne domény sa navzájom rušia rovnako ako jednotlivé elektróny v iných materiáloch.
Ak však použijete externé magnetické pole - napríklad priblížením tyčového magnetu k materiálu - sa domény začnú zarovnávať. Kedy všetko z domén je zarovnaných, celý materiál skutočne obsahuje jednu doménu a rozvíja dva póly, ktoré sa všeobecne nazývajú severný a južný (aj keď môžu byť aj pozitívne a negatívne) použité).
Vo feromagnetických materiáloch toto zarovnanie pokračuje, aj keď je vonkajšie pole odstránené, ale v inom typy materiálov (paramagnetické materiály), stratia sa magnetické vlastnosti, keď je vonkajšie pole odstránený.
Aké sú vlastnosti magnetu?
Definujúce vlastnosti magnetov sú také, že priťahujú niektoré materiály a opačné póly iných magnetov a odpudzujú ako póly iných magnetov. Takže ak máte dva permanentné tyčové magnety, stlačením dvoch severných (alebo južných) pólov k sebe vytvoríte odpudivú silu, ktorá bude silnejšia, čím viac sa oba konce spoja. Ak spojíte dva protiľahlé póly (severný a južný), bude medzi nimi pôsobiť príťažlivá sila. Čím bližšie ich spojíte, tým je táto sila silnejšia.
Feromagnetické materiály - napríklad železo, nikel a kobalt - alebo zliatiny, ktoré ich obsahujú (napríklad oceľ), sú priťahované permanentnými magnetmi, aj keď sami nevytvárajú magnetické pole. Sú iba priťahoval na magnety, a nebudú odrazené, pokiaľ nezačnú vytvárať vlastné magnetické pole. Ostatné materiály, ako napríklad hliník, drevo a keramika, magnety nelákajú.
Ako funguje elektromagnet?
Permanentný magnet a elektromagnet sú úplne odlišné. Elektromagnety zahŕňajú elektrinu zjavnejším spôsobom a v podstate sa vytvárajú pohybom elektrónov cez drôt alebo elektrický vodič. Rovnako ako pri vytváraní magnetických domén, aj pohyb elektrónov drôtom vytvára magnetické pole. Tvar poľa závisí od smeru, v ktorom sa elektróny pohybujú - ak namierite na palec pravej ruky v smere prúdu, prsty sa krútia v smere lúka.
Na výrobu jednoduchého elektromagnetu sa elektrický vodič navíja okolo centrálneho jadra, zvyčajne vyrobeného zo železa. Keď prúdom preteká drôt, ktorý sa pohybuje v kruhoch okolo jadra, vytvára sa magnetické pole prebiehajúce pozdĺž stredovej osi cievky. Toto pole je prítomné bez ohľadu na to, či máte alebo nemáte jadro, ale so železným jadrom pole vyrovnáva domény vo feromagnetickom materiáli a tým sa zosilňuje.
Keď sa zastaví tok elektriny, nabité elektróny sa prestanú pohybovať okolo cievky drôtu a magnetické pole zmizne.
Aké sú vlastnosti elektromagnetu?
Elektromagnety a magnety majú rovnaké kľúčové vlastnosti. Rozdiel medzi permanentným magnetom a elektromagnetom spočíva v podstate v tom, ako sa pole vytvára, a nie vo vlastnostiach poľa potom. Elektromagnety teda stále majú dva póly, stále priťahujú feromagnetické materiály a stále majú póly, ktoré odpudzujú iné podobné póly a lákajú na rozdiel od pólov. Rozdiel je v tom, že pohybujúci sa náboj v permanentných magnetoch je tvorený pohybom elektrónov v atómy, zatiaľ čo v elektromagnetoch sa vytvára pohybom elektrónov ako súčasti elektrického prúd.
Výhody elektromagnetov
Elektromagety majú mnoho výhod. Pretože magnetické pole je vytvárané prúdom, jeho charakteristiky je možné meniť zmenou prúdu. Napríklad zvýšenie prúdu zvyšuje silu magnetického poľa. Podobne je možné použiť striedavý prúd (striedavý prúd) na výrobu neustále sa meniaceho magnetického poľa, ktorým je možné indukovať prúd v inom vodiči.
Pre aplikácie, ako sú magnetické žeriavy v lodeniciach kovového šrotu, je veľkou výhodou elektromagnetov to, že pole je možné ľahko vypnúť. Ak ste zachytili kus kovového šrotu pomocou veľkého permanentného magnetu, jeho odstránenie z magnetu by bola celkom výzva! Pomocou elektromagnetu stačí zastaviť tok prúdu a kovový šrot klesne.
Magnety a Maxwellove zákony
Zákony elektromagnetizmu sú popísané Maxwellovými zákonmi. Sú písané v jazyku vektorového počtu a ich použitie si vyžaduje pomerne zložitú matematiku. Základy pravidiel týkajúcich sa magnetizmu však možno pochopiť bez toho, aby sme sa ponorili do zložitej matematiky.
Prvý zákon týkajúci sa magnetizmu sa nazýva „zákon bez monopolu“. Toto v podstate hovorí, že všetky magnety majú dva póly a nikdy nebude existovať magnet s jedným pólom. Inými slovami, severný pól magnetu nemôžete mať bez južného pólu a naopak.
Druhý zákon týkajúci sa magnetizmu sa nazýva Faradayov zákon. Toto popisuje proces indukcie, pri ktorej sa mení magnetické pole (produkované elektromagnetom s a meniacim prúdom alebo pohybujúcim sa permanentným magnetom) indukuje v blízkom okolí napätie (a elektrický prúd) vodič.
Konečný zákon týkajúci sa magnetizmu sa nazýva Ampere-Maxwellov zákon, ktorý popisuje, ako meniace sa elektrické pole vytvára magnetické pole. Sila poľa súvisí s prúdom prechádzajúcim oblasťou a rýchlosťou zmeny elektrického poľa (ktoré vytvárajú nosiče elektrického náboja, ako sú protóny a elektróny). Toto je zákon, ktorý používate na výpočet magnetického poľa v jednoduchších prípadoch, napríklad pre cievku drôtu alebo dlhý priamy drôt.