Физика се ретко осећа магичније него када се дете сусрећете с магнетом први пут. Набавити шипкасти магнет на часу природних наука и покушати - свом снагом - да га гурнете према одговарајућем полу другог магнета, али бића потпуно неспособни или остављајући супротстављене полове близу један другог, али не додирујући се тако да можете видети како се пужу и евентуално придружити. Брзо сазнате да је ово понашање резултат магнетизма, али шта је заправо магнетизам? Која је веза између електричне енергије и магнетизма која омогућава електромагнетима да раде? Зашто на пример не бисте користили трајни магнет уместо електромагнета у металном отпаду? Магнетизам је фасцинантна и компликована тема, али ако само желите да научите својства магнета и основе, заиста је лако то покупити.
Како раде магнети?
Магнетно понашање је на крају узроковано кретањем електрона. Електрични набој у покрету генерише магнетно поље и - као што можете очекивати - магнети и магнетна поља су сложено повезани. Пошто је електрон наелектрисана честица, његово орбитално кретање око језгра атома ствара мало магнетно поље. Уопштено говорећи, међутим, у материјалу има тона електрона и поље које је један створио биће поништава га поље које је креирао други, и неће бити магнетизма од материјала као а целина.
Неки материјали ипак функционишу другачије. Магнетно поље које ствара један електрон може утицати на оријентацију поља произведеног од суседних електрона и они се поравнају. Ово ствара оно што се назива магнетним „доменом“ у материјалу, где су сви електрони поравнати магнетна поља. Материјали који то раде називају се феромагнетним, а на собној температури су само гвожђе, никл, кобалт и гадолинијум феромагнетни. То су материјали који могу постати трајни магнети.
Сви домени унутар феромагнетног материјала ће имати случајне оријентације; иако суседни електрони поравнају своја поља заједно, друге групе ће вероватно бити поравнате у другом смеру. Ово не оставља магнетизам у великим размерама, јер се различити домени међусобно поништавају баш као што то чине поједини електрони у другим материјалима.
Међутим, ако примените спољно магнетно поље - на пример, приближавањем шипкастог магнета материјалу - домени почињу да се поравнавају. Када све домена су поравнати, цео материјал ефикасно садржи један домен и развија два пола, која се обично називају северни и јужни (мада могу бити и позитивни и негативни користи).
У феромагнетним материјалима, ово поравнање се наставља чак и када се уклања спољно поље, али у другим врстама материјала (парамагнетни материјали), магнетна својства се губе када је спољно поље уклоњен.
Које су особине магнета?
Одређујуће особине магнета су да привлаче неке материјале и супротне полове других магнета, а одбијају се попут полова других магнета. Дакле, ако имате два трајна магнетска магнета, гурање два северна (или јужна) пола заједно ствара одбојну силу, која постаје све јача што су ближе два краја. Ако спојите два супротна пола (северни и јужни) између њих постоји привлачна сила. Што их више зближавате, јача је ова сила.
Феромагнетни материјали - попут гвожђа, никла и кобалта - или легуре које их садрже (попут челика) привлаче трајне магнете, чак и ако сами не стварају магнетно поље. Само су привучена на магнете, и они се неће одбити уколико не почну да стварају сопствено магнетно поље. Остале материјале, попут алуминијума, дрвета и керамике, магнети не привлаче.
Како функционише електромагнет?
Стални магнет и електромагнет се прилично разликују. Електромагнети укључују електричну енергију на очигледнији начин и у основи се генеришу кретањем електрона кроз жицу или електрични проводник. Као и код стварања магнетних домена, кретање електрона кроз жицу ствара магнетно поље. Облик поља зависи од смера у којем електрони путују - ако усмерите тачку палац десне руке у смеру струје, прсти се увијају у смеру поље.
Да би се произвео једноставан електромагнет, електрична жица је намотана око централног језгра, обично од гвожђа. Када струја тече кроз жицу, путујући у круговима око језгра, ствара се магнетно поље које пролази дуж централне осе завојнице. Ово поље је присутно без обзира на то да ли имате језгро или не, али са гвозденим језгром, поље поравнава домене у феромагнетном материјалу и тиме јача.
Када се заустави проток електричне енергије, наелектрисани електрони престају да се крећу око калема жице и магнетно поље нестаје.
Које су особине електромагнета?
Електромагнети и магнети имају иста кључна својства. Разлика између сталног магнета и електромагнета је у основи једна у начину стварања поља, а не својствима поља касније. Дакле, електромагнети и даље имају два пола, и даље привлаче феромагнетне материјале, и даље имају стубове који одбијају друге сличне полове и привлаче за разлику од полова. Разлика је у томе што се покретни набој у сталним магнетима ствара кретањем електрона у атома, док се у електромагнетима ствара кретањем електрона као дела електричног Тренутни.
Предности електромагнета
Ипак, електромагнети имају много предности. Будући да магнетно поље производи струја, његове карактеристике могу се променити променом струје. На пример, повећањем струје повећава се јачина магнетног поља. Слично томе, наизменична струја (наизменична струја) може се користити за стварање магнетног поља које се стално мења, а које се може користити за индукцију струје у другом проводнику.
За примене попут магнетних дизалица у металним отпадима, велика предност електромагнета је у томе што се поље може лако искључити. Ако сте комад металног отпада покупили великим трајним магнетом, његово уклањање са магнета био би прави изазов! Са електромагнетом све што треба да урадите је да зауставите проток струје и отпадни метал ће пасти.
Магнетс анд Маквелл’с Лавс
Закони електромагнетизма описани су Максвеловим законима. Они су написани језиком векторског рачуна и захтевају прилично сложену математику. Међутим, основе правила која се односе на магнетизам могу се разумети без упуштања у сложену математику.
Први закон који се односи на магнетизам назива се „без монополског закона“. Ово у основи наводи да сви магнети имају два пола и да никада неће бити магнета са једним полом. Другим речима, не можете имати северни пол магнета без јужног пола, и обрнуто.
Други закон који се односи на магнетизам назива се Фарадаиев закон. Ово описује процес индукције, где се променљиво магнетно поље (произведено електромагнетом са променљива струја или покретни трајни магнет) индукује напон (и електричну струју) у близини диригент.
Завршни закон који се односи на магнетизам назива се Ампере-Маквелл-овим законом и он описује како променљиво електрично поље ствара магнетно поље. Снага поља повезана је са струјом која пролази кроз подручје и брзином промене електричног поља (које производе електрични носачи наелектрисања попут протона и електрона). Ово је закон који користите за израчунавање магнетног поља у једноставнијим случајевима, као што је завојница жице или дуга равна жица.