Čo spôsobuje rôzne sily v magnetoch?

Mnoho ľudí pozná magnety, pretože na kuchynskej chladničke majú často ozdobné magnety. Magnety však majú okrem dekorácie aj mnoho ďalších praktických účelov a mnohé ovplyvňujú náš každodenný život bez toho, aby sme o tom vôbec vedeli.

Existuje veľa otázok o tom, ako magnety fungujú, a ďalšie všeobecné otázky týkajúce sa magnetizmu. Aby sme však odpovedali na väčšinu týchto otázok a pochopili, ako rôzne magnety môžu mať rôzne sily magnetického poľa, je dôležité pochopiť, čo to magnetické pole je a aké je vyrobené.

Magnetické pole je sila, ktorá pôsobí na nabitú časticu, a riadiacou rovnicou pre túto interakciu jeSilový zákon Lorentz.Celá rovnica pre silu anelektrické pole​ ​Ea amagnetické pole Bna častice s nábojomqa rýchlosťvje daný:

Pamätajte si to, pretože silaF, poliaEaBa rýchlosťvsú všetky vektory,×prevádzka jevektorový krížový produkt, nie násobenie.

Magnetické polia sa vytvárajú pohybom nabitých častíc, ktoré sa často nazývajú

Zdá sa však, že tieto magnety na vašej chladničke nemajú žiadne tečúce prúdy alebo zdroje energie. Ako fungujú?

Permanentný magnet je kusferomagnetický materiálktorá má vnútornú vlastnosť produkujúcu magnetické pole. Vnútorným efektom, ktorý produkuje magnetické pole, je elektrónový spin a usporiadaním týchto spinov sa vytvárajú magnetické domény. Výsledkom týchto domén je čisté magnetické pole.

Feromagnetické materiály majú tendenciu mať vysoký stupeň usporiadania domén v ich prirodzene sa vyskytujúcej podobe, ktorú je možné ľahko úplne vyrovnať pomocou vonkajšieho magnetického poľa. Feromagnetické magnety teda majú tendenciu byť magnetické, ak sa nachádzajú v prírode, a ľahko si zachovávajú svoje magnetické vlastnosti.

​Diamagnetické materiálysú podobné feromagnetickým materiálom a môžu vytvárať magnetické pole, ak sa nachádzajú v prírode, ale na vonkajšie polia reagujú odlišne. Diamagnetický materiál bude za prítomnosti vonkajšieho poľa produkovať opačne orientované magnetické pole. Tento efekt by mohol obmedziť požadovanú silu magnetu.

​Paramagnetické materiálysú magnetické iba v prítomnosti vonkajšieho vyrovnávajúceho magnetického poľa a bývajú pomerne slabé.

Ako už bolo spomenuté, permanentné magnety pozostávajú z magnetických domén, ktoré sa náhodne zarovnávajú. V každej doméne existuje určitý stupeň usporiadania, ktoré vytvára magnetické pole. Interakcia všetkých domén v jednom kuse feromagnetického materiálu preto vytvára celkové alebo čisté magnetické pole pre magnet.

Ak sú domény náhodne zoradené, je pravdepodobné, že tam môže byť veľmi malé alebo efektívne nulové magnetické pole. Ak je však vonkajšie magnetické pole privedené do blízkosti neusporiadaného magnetu, domény sa začnú zarovnávať. Vzdialenosť zarovnávacieho poľa od domén ovplyvní celkové zarovnanie, a teda výsledné čisté magnetické pole.

Dlhodobé ponechanie feromagnetického materiálu vo vonkajšom magnetickom poli môže pomôcť pri dokončení objednávky a zvýšení vytvoreného magnetického poľa. Podobne možno čisté magnetické pole permanentného magnetu znížiť zavedením niekoľkých náhodných alebo interferujúcich magnetických polí, ktoré môžu nesprávne zarovnať domény a zmenšiť sieťové magnetické pole.

Ovplyvňuje veľkosť magnetu jeho pevnosť? Krátka odpoveď je áno, ale iba preto, lebo veľkosť magnetu znamená, že sú tu proporcionálne viac domén, ktoré sa môžu vyrovnať a vytvoriť silnejšie magnetické pole ako menší kúsok z toho istého materiál. Ak je však dĺžka magnetu veľmi dlhá, existuje zvýšená šanca, že rozptýlené magnetické polia nesprávne zarovnajú domény a znížia čisté magnetické pole.

Ďalším faktorom, ktorý prispieva, je sila magnetuteplota. V roku 1895 francúzsky fyzik Pierre Curie zistil, že magnetické materiály majú teplotný limit, v ktorom okamihu sa môžu meniť ich magnetické vlastnosti. Konkrétne sa domény už tiež nezarovnávajú dobre, takže zarovnanie týždenných domén vedie k slabému sieťovému magnetickému poľu.

Pre železo je teplota Curie okolo 1418 stupňov Fahrenheita. Pre magnetit je to okolo 1060 stupňov Fahrenheita. Upozorňujeme, že tieto teploty sú výrazne nižšie ako ich teploty topenia. Teplota magnetu môže teda ovplyvňovať jeho pevnosť.

Iná kategória magnetov jeelektromagnety, čo sú v podstate magnety, ktoré sa dajú zapnúť a vypnúť.

Najbežnejším elektromagnetom, ktorý sa používa v rôznych priemyselných aplikáciách, je solenoid. Solenoid je rad prúdových slučiek, ktorých výsledkom je jednotné pole v strede slučiek. Je to spôsobené tým, že každá jednotlivá prúdová slučka vytvára okolo drôtu kruhové magnetické pole. Umiestnením niekoľkých do série superpozícia magnetických polí vytvorí priame, rovnomerné pole cez stred slučiek.

Rovnica pre veľkosť solenoidného magnetického poľa je jednoducho:B = μ₀nI, kdeμ₀ je priepustnosť voľného priestoru,nje počet súčasných slučiek na jednotku dĺžky aJaje prúd, ktorý nimi preteká. Smer magnetického poľa je určený pravidlom pravej ruky a smerom prúdenia prúdu, a preto ho možno obrátiť obrátením smeru prúdu.

Je veľmi ľahké vidieť, že silu solenoidu je možné nastaviť dvoma primárnymi spôsobmi. Najskôr je možné zvýšiť prúd cez solenoid. Aj keď sa zdá, že prúd je možné ľubovoľne zvyšovať, môžu existovať obmedzenia napájania alebo odporu obvodu, ktoré môžu mať za následok poškodenie, ak dôjde k preťaženiu prúdu.

Bezpečnejším spôsobom, ako zvýšiť magnetickú silu solenoidu, je preto zvýšiť počet prúdových slučiek. Magnetické pole sa zreteľne úmerne zvyšuje. Jediným obmedzením v tomto prípade môže byť množstvo drôtu, ktoré je k dispozícii, alebo priestorové obmedzenia, ak je solenoid príliš dlhý z dôvodu počtu prúdových slučiek.

Okrem elektromagnetov existuje veľa druhov elektromagnetov, ale všetky majú rovnakú všeobecnú vlastnosť: ich sila je úmerná prúdeniu.

Elektromagnety sú všadeprítomné a majú mnohostranné použitie. Bežným a veľmi jednoduchým príkladom elektromagnetu, konkrétne solenoidu, je reproduktor. Meniaci sa prúd v reproduktore spôsobuje zvyšovanie a znižovanie sily solenoidového magnetického poľa.

V takom prípade je na jeden koniec solenoidu a proti vibračnému povrchu umiestnený ďalší magnet, konkrétne permanentný magnet. Pretože dve magnetické polia priťahujú a odpudzujú v dôsledku meniaceho sa solenoidového poľa, vibračná plocha je ťahaná a tlačená za vzniku zvuku.

Kvalitnejšie reproduktory používajú vysoko kvalitné solenoidy, permanentné magnety a vibrujúce povrchy na vytvorenie kvalitnejšieho zvukového výstupu.

Najväčším magnetom na svete je Zem sama! Ako už bolo spomenuté, Zem má magnetické pole, ktoré je spôsobené prúdmi vytvorenými s jadrom Zeme. Aj keď nejde o veľmi silné magnetické pole v porovnaní s mnohými malými ručnými magnetmi alebo s magnetmi, ktoré sa kedysi používali v urýchľovačoch častíc, Zem je jedným z najväčších magnetov, aké poznáme!

Ďalším zaujímavým magnetickým materiálom je magnetit. Magnetit je železná ruda, ktorá je nielen veľmi častá, ale je minerálom s najvyšším obsahom železa. Niekedy sa mu hovorí lodestone, kvôli jeho jedinečnej vlastnosti mať magnetické pole, ktoré je vždy zarovnané s magnetickým poľom Zeme. Ako taký sa používal ako magnetický kompas už v roku 300 pred n.