Fysik känns sällan mer magisk än när du först möter en magnet som barn. Att få en stavmagnet i naturvetenskapskurs och försöka - med all din kraft - att skjuta den mot matchande pol av en annan magnet men varelse helt oförmögen, eller lämnar motstående poler nära varandra men inte vidrör så att du kan se dem krypa ihop och så småningom Ansluta sig. Du lär dig snabbt att detta beteende är ett resultat av magnetism, men vad är egentligen magnetism? Vad är länken mellan elektricitet och magnetism som gör att elektromagneter kan fungera? Varför skulle du inte använda en permanentmagnet istället för en elektromagnet i en metallskrot, till exempel? Magnetism är ett fascinerande och komplicerat ämne, men om du bara vill lära dig magnetens egenskaper och grunderna är det väldigt enkelt att plocka upp det.
Hur fungerar magneter?
Magnetiskt beteende orsakas slutligen av elektronernas rörelse. En rörlig elektrisk laddning genererar ett magnetfält och - som du kan förvänta dig - är magneter och magnetfält intrikat länkade. Eftersom en elektron är en laddad partikel, skapar dess omloppsrörelse runt kärnan i en atom ett litet magnetfält. Generellt sett finns det dock massor av elektroner i ett material, och fältet som skapas av en kommer att vara annulleras av fältet skapat av en annan, och det kommer inte att finnas någon magnetism från materialet som en hela.
Vissa material fungerar dock annorlunda. Magnetfältet som skapas av en elektron kan påverka orienteringen av fältet som produceras av angränsande elektroner och de blir inriktade. Detta producerar det som kallas en magnetisk "domän" i materialet, där alla elektroner har inriktade magnetfält. Material som gör detta kallas ferromagnetisk, och vid rumstemperatur är endast järn, nickel, kobolt och gadolinium ferromagnetiska. Det här är materialen som kan bli permanentmagneter.
Domänerna inom ett ferromagnetiskt material kommer alla att ha slumpmässiga riktningar; även om angränsande elektroner inriktar sina fält tillsammans, kommer troligen andra grupper att vara inriktade i en annan riktning. Detta lämnar ingen magnetism i stor skala, eftersom olika domäner avbryter varandra precis som de enskilda elektronerna gör i andra material.
Om du använder ett externt magnetfält - till exempel genom att föra en stapelmagnet nära materialet - börjar domänerna att justeras. När Allt av domänerna är inriktade innehåller hela materialstycket effektivt en enda domän och utvecklar två stolpar, vanligtvis kallade norr och söder (även om positiva och negativa också kan vara Begagnade).
I ferromagnetiska material fortsätter denna inriktning även när det yttre fältet avlägsnas, men i andra materialtyper (paramagnetiska material) går de magnetiska egenskaperna förlorade när det yttre fältet är tog bort.
Vilka egenskaper har en magnet?
De definierande egenskaperna hos magneter är att de lockar till sig vissa material och motsatta poler av andra magneter, och stöter bort som poler av andra magneter. Så om du har två permanenta stavmagneter, trycker du två norr (eller söder) poler tillsammans en avstötande kraft, som blir starkare ju närmare de två ändarna sammanförs. Om du för samman två motsatta stolpar (en norr och en söder) finns det en attraktiv kraft mellan dem. Ju närmare du för dem, desto starkare är denna kraft.
Ferromagnetiska material - som järn, nickel och kobolt - eller legeringar som innehåller dem (som stål) lockas av permanentmagneter, även om de inte producerar ett eget magnetfält. De är bara lockade till magneterna, dock, och de kommer inte att avvisas om de inte börjar producera ett eget magnetfält. Andra material, som aluminium, trä och keramik, lockas inte av magneter.
Hur fungerar en elektromagnet?
En permanentmagnet och elektromagnet är helt annorlunda. Elektromagneter involverar elektricitet på ett mer uppenbart sätt och genereras i huvudsak av rörelser av elektroner genom en tråd eller en elektrisk ledare. Liksom med skapandet av magnetiska domäner ger elektroniska rörelser genom en tråd ett magnetfält. Fältets form beror på i vilken riktning elektronerna färdas - om du pekar på tummen på din högra hand i strömriktningen, fingrarna böjer sig i riktning mot fält.
För att producera en enkel elektromagnet lindas elektrisk ledning runt en central kärna, vanligtvis gjord av järn. När ström flyter genom tråden, som rör sig i cirklar runt kärnan, alstras ett magnetfält som löper längs spolens mittaxel. Detta fält finns oavsett om du har en kärna eller inte, men med en järnkärna justerar fältet domänerna i det ferromagnetiska materialet och blir därmed starkare.
När elflödet stoppas slutar de laddade elektronerna röra sig runt trådspolen och magnetfältet försvinner.
Vilka är egenskaperna hos en elektromagnet?
Elektromagneter och magneter har samma viktiga egenskaper. Skillnaden mellan en permanent magnet och en elektromagnet är i huvudsak en i hur fältet skapas, inte fältets egenskaper efteråt. Så elektromagneter har fortfarande två poler, lockar fortfarande ferromagnetiska material och har fortfarande poler som stöter bort andra liknande poler och lockar till skillnad från poler. Skillnaden är att den rörliga laddningen i permanentmagneter skapas av elektronernas rörelse in Atomer, medan det i elektromagneter skapas av elektroners rörelse som en del av ett elektriskt nuvarande.
Fördelar med elektromagneter
Elektromagneter har dock många fördelar. Eftersom magnetfältet produceras av strömmen kan dess egenskaper ändras genom att ändra strömmen. Till exempel ökar strömmen styrkan hos magnetfältet. På liknande sätt kan en växelström (växelström) användas för att producera ett ständigt föränderligt magnetfält, som kan användas för att inducera en ström i en annan ledare.
För applikationer som magnetkranar i metallskrotgårdar är den stora fördelen med elektromagneter att fältet enkelt kan stängas av. Om du valde en bit metallskrot med en stor permanentmagnet skulle det vara en utmaning att ta bort den från magneten! Med en elektromagnet är allt du behöver göra att stoppa strömmen och skrotet kommer att sjunka.
Magneter och Maxwells lagar
Elektromagnetismens lagar beskrivs av Maxwells lagar. Dessa är skrivna på språket för vektorkalkyl och kräver en ganska komplicerad matematik att använda. Grunderna i reglerna för magnetism kan dock förstås utan att gå in i den komplicerade matematiken.
Den första lagen som rör magnetism kallas "ingen monopollag". Detta säger i princip att alla magneter har två poler, och det kommer aldrig att finnas en magnet med en enda pol. Med andra ord kan du inte ha en nordpol av en magnet utan en sydpol, och vice versa.
Den andra lagen som rör magnetism kallas Faradays lag. Detta beskriver induktionsprocessen, där ett föränderligt magnetfält (producerat av en elektromagnet med en varierande ström eller med en rörlig permanentmagnet) inducerar en spänning (och elektrisk ström) i en närliggande dirigent.
Den slutgiltiga lagen som rör magnetism kallas lagen Ampere-Maxwell, och den beskriver hur ett föränderligt elektriskt fält producerar ett magnetfält. Fältets styrka är relaterad till strömmen som passerar genom området och förändringshastigheten för det elektriska fältet (som produceras av elektriska laddningsbärare såsom protoner och elektroner). Detta är lagen du använder för att beräkna ett magnetfält i enklare fall, till exempel för en trådspole eller en lång rak tråd.
