Lastnosti magnetov in elektromagnetov

Fizika se le redko počuti bolj čarobno kot takrat, ko se kot otrok prvič srečate z magnetom. Pri pouku naravoslovja dobite palčni magnet in ga z vso močjo potisnete proti ustreznemu polu drugega magneta, ki pa je popolnoma ne morejo ali pa nasprotne stebre puščajo blizu drug drugega, vendar se ne dotikajo, tako da lahko vidite, kako se plazijo skupaj in sčasoma pridruži se. Hitro se naučiš, da je to vedenje posledica magnetizma, kaj pa je v resnici magnetizem? Kakšna je povezava med elektriko in magnetizmom, ki omogoča delovanje elektromagnetov? Zakaj na primer ne bi uporabili trajnega magneta namesto elektromagneta na odlagališču kovin? Magnetizem je fascinantna in zapletena tema, toda če se želite samo naučiti lastnosti magneta in osnov, ga je zelo enostavno pobrati.

Magnetno vedenje je na koncu posledica gibanja elektronov. Gibljiv električni naboj ustvarja magnetno polje in - kot lahko pričakujete - so magneti in magnetna polja zapleteno povezani. Ker je elektron nabit delček, njegovo orbitalno gibanje okoli jedra atoma ustvari majhno magnetno polje. Na splošno pa je v materialu ton elektronov in polje, ki ga je ustvaril eden, bo izniči polje, ki ga je ustvaril drug, in iz materiala kot a ne bo magnetizma celota.

Nekateri materiali pa delujejo drugače. Magnetno polje, ki ga ustvari en elektron, lahko vpliva na usmerjenost polja, ki ga tvorijo sosednji elektroni, in ti se poravnajo. Tako nastane tako imenovana magnetna "domena" znotraj materiala, kjer imajo vsi elektroni poravnana magnetna polja. Materiali, ki to počnejo, se imenujejo feromagnetni, pri sobni temperaturi pa so feromagnetni le železo, nikelj, kobalt in gadolinij. To so materiali, ki lahko postanejo trajni magneti.

Vse domene znotraj feromagnetnega materiala bodo imele naključno usmeritev; čeprav sosednji elektroni poravnajo svoja polja skupaj, bodo druge skupine verjetno usmerjene v drugo smer. To ne pušča magnetizma v velikem obsegu, ker se različne domene medsebojno izničijo, tako kot posamezni elektroni v drugih materialih.

Če pa uporabite zunanje magnetno polje - na primer s približevanjem magnetnega droga materialu - se domene začnejo poravnavati. Kdaj vse domen poravnani, celoten material dejansko vsebuje eno domeno in razvije dva pola, na splošno imenovana sever in jug (čeprav sta lahko tudi pozitivna in negativna uporablja).

V feromagnetnih materialih se ta poravnava nadaljuje tudi, ko je odstranjeno zunanje polje, v drugih pa vrste materialov (paramagnetni materiali), se magnetne lastnosti izgubijo, ko je zunanje polje odstranjena.

Določilne lastnosti magnetov so, da privlačijo nekatere materiale in nasprotne polove drugih magnetov ter se odbijajo kot polovi drugih magnetov. Če imate torej dva stalna magneta, potiskanje dveh severnih (ali južnih) polov skupaj povzroči odbojno silo, ki postaja močnejša, ko se oba konca združita. Če združite dva nasprotna pola (severni in južni), obstaja med njimi privlačna sila. Bolj ko jih združite, močnejša je ta sila.

Feromagnetne materiale - kot so železo, nikelj in kobalt - ali zlitine, ki jih vsebujejo (na primer jeklo) privlačijo trajni magneti, tudi če sami ne ustvarjajo magnetnega polja. So samo privlači na magnete pa se ne bodo odbili, če ne bodo začeli proizvajati lastnega magnetnega polja. Drugih materialov, kot so aluminij, les in keramika, magneti ne privlačijo.

Stalni magnet in elektromagnet se precej razlikujeta. Elektromagneti vključujejo elektriko na bolj očiten način in v bistvu nastanejo zaradi gibanja elektronov skozi žico ali električni vodnik. Tako kot pri ustvarjanju magnetnih domen tudi pri gibanju elektronov skozi žico pride do magnetnega polja. Oblika polja je odvisna od smeri, v kateri potujejo elektroni - če usmerite palec desne roke v smeri toka, prsti se zvijejo v smeri toka polje.

Za izdelavo preprostega elektromagneta je električna žica navita okoli osrednjega jedra, običajno iz železa. Ko tok teče skozi žico in potuje v krogih okoli jedra, nastane magnetno polje, ki teče vzdolž osrednje osi tuljave. To polje je prisotno ne glede na to, ali imate jedro ali ne, toda z železnim jedrom polje poravna domene v feromagnetnem materialu in se tako okrepi.

Ko se pretok električne energije ustavi, se nabiti elektroni prenehajo gibati okoli tuljave žice in magnetno polje izgine.

Elektromagneti in magneti imajo enake ključne lastnosti. Razlika med stalnim magnetom in elektromagnetom je v bistvu ena od tega, kako je polje ustvarjeno, in ne lastnosti polja pozneje. Torej imajo elektromagneti še vedno dva pola, še vedno privlačijo feromagnetne materiale in imajo še vedno palice, ki odbijajo druge, podobne polov, in privlačijo za razliko od polov. Razlika je v tem, da gibljivi naboj v stalnih magnetih nastane zaradi gibanja elektronov v atomov, medtem ko ga v elektromagnetih ustvarja gibanje elektronov kot del elektrike trenutno.

Vendar imajo elektromagneti številne prednosti. Ker magnetno polje proizvaja tok, lahko njegove lastnosti spremenimo s spreminjanjem toka. Na primer, povečanje toka poveča moč magnetnega polja. Podobno lahko izmenični tok (izmenični tok) uporabimo za ustvarjanje nenehno spreminjajočega se magnetnega polja, ki ga lahko uporabimo za indukcijo toka v drugem vodniku.

Pri aplikacijah, kot so magnetni žerjavi na kovinskih odpadkih, je velika prednost elektromagnetov ta, da je polje mogoče enostavno izklopiti. Če bi kos odpadne kovine pobrali z velikim trajnim magnetom, bi bil njegov odstranitev z magneta velik izziv! Z elektromagnetom morate le ustaviti pretok toka in odpadne kovine bodo padle.

Zakone elektromagnetizma opisujejo Maxwellovi zakoni. Ti so napisani v jeziku vektorskega računa in za uporabo zahtevajo precej zapleteno matematiko. Vendar pa lahko osnove pravil, ki se nanašajo na magnetizem, razumemo, ne da bi se poglabljali v zapleteno matematiko.

Prvi zakon, ki se nanaša na magnetizem, se imenuje "zakon brez monopola". To v bistvu navaja, da imajo vsi magneti dva pola in magneta z enim samim polom nikoli ne bo. Z drugimi besedami, severnega pola magneta ne morete imeti brez južnega pola in obratno.

Drugi zakon, ki se nanaša na magnetizem, se imenuje Faradayev zakon. Ta opisuje postopek indukcije, pri katerem se spreminjajoče se magnetno polje (ki ga proizvaja elektromagnet z a spremenljiv tok ali premikajoči se stalni magnet) povzroči napetost (in električni tok) v bližini dirigent.

Končni zakon, ki se nanaša na magnetizem, se imenuje Ampere-Maxwellov zakon in opisuje, kako spreminjajoče se električno polje proizvaja magnetno polje. Jakost polja je povezana s tokom, ki teče skozi območje, in hitrostjo spremembe električnega polja (ki ga proizvajajo nosilci električnega naboja, kot so protoni in elektroni). To je zakon, ki ga uporabljate za izračun magnetnega polja v enostavnejših primerih, na primer za navitje žice ali dolgo ravno žico.