Vad orsakar olika styrkor i magneter?

Många känner till magneter eftersom de ofta har dekorativa magneter i kökskylet. Magneter har dock många praktiska syften utöver dekoration, och många påverkar vårt dagliga liv utan att vi ens vet det.

Det finns många frågor om hur magneter fungerar och andra allmänna magnetismfrågor. För att svara på de flesta av dessa frågor och förstå hur olika magneter kan ha olika styrkor hos magnetfält är det viktigt att förstå vad ett magnetfält är och hur det är produceras.

Ett magnetfält är en kraft som verkar på en laddad partikel, och den styrande ekvationen för denna interaktion ärLorentz kraftlag.Den fullständiga ekvationen för kraften i enelektriskt fält​ ​Eoch enmagnetfält Bpå en partikel med laddningqoch hastighetvges av:

Kom ihåg det eftersom kraftenF, fältenEochBoch hastighetenvär alla vektorer, den×operation ärvektor cross produkt, inte multiplikation.

Magnetfält produceras av rörliga laddade partiklar, ofta kallade

De här magneterna i ditt kylskåp verkar dock inte ha några strömmar eller strömkällor. Hur fungerar de?

En permanent magnet är en bit avferromagnetiskt materialsom har en inneboende egenskap som producerar ett magnetfält. Den inneboende effekten som producerar ett magnetfält är en elektronsnurrning och inriktningen av dessa snurrar skapar magnetiska domäner. Dessa domäner resulterar i ett nettomagnetiskt fält.

Ferromagnetiska material tenderar att ha en hög grad av domänordning i sin naturligt förekommande form, som lätt kan justeras helt med ett externt magnetfält. Således tenderar ferromagnetiska magneter att vara magnetiska när de finns i naturen och lätt behålla sina magnetiska egenskaper.

​Diamagnetiska materialliknar ferromagnetiska material och kan producera ett magnetfält när de finns i naturen, men reagerar olika på yttre fält. Diamagnetiskt material kommer att producera ett motsatt orienterat magnetfält i närvaro av ett externt fält. Denna effekt kan begränsa magnetens önskade styrka.

​Paramagnetiska materialär bara magnetiska i närvaro av ett externt, inriktande magnetfält och tenderar att vara ganska svaga.

Som nämnts består permanentmagneter av magnetiska domäner som slumpmässigt justeras. Inom varje domän finns det en viss ordning som skapar ett magnetfält. Samspelet mellan alla domäner i ett stycke ferromagnetiskt material alstrar därför magnetens totala eller netto magnetfält.

Om domänerna är slumpmässigt inriktade är det troligt att det kan finnas ett mycket litet eller effektivt nollmagnetiskt fält. Men om ett externt magnetfält förs nära den oordnade magneten, kommer domänerna att börja anpassas. Avståndet mellan inriktningsfältet och domänerna kommer att påverka den övergripande inriktningen och därmed det resulterande nätmagnetfältet.

Att lämna ett ferromagnetiskt material i ett externt magnetfält under lång tid kan hjälpa till med att slutföra beställningen och öka det producerade magnetfältet. På samma sätt kan nätmagnetfältet för en permanentmagnet minskas genom att man tar in flera slumpmässiga eller störande magnetfält, vilket kan feljustera domänerna och minska nätmagnetfältet.

Påverkar magnetens storlek dess styrka? Det korta svaret är ja, men bara för att storleken på en magnet betyder att det finns proportionellt fler domäner som kan anpassa och producera ett starkare magnetfält än en mindre bit av samma material. Men om magnetens längd är väldigt lång, finns det en ökad chans att avvikande magnetfält missriktar domäner och minskar nettomagnetfältet.

En annan bidragande faktor som magnetstyrkan ärtemperatur. 1895 bestämde den franska fysikern Pierre Curie att magnetiska material har en temperaturavbrott vid vilken tidpunkt deras magnetiska egenskaper kan förändras. Specifikt justerar domänerna inte längre lika bra, vilket leder till att veckodomainriktningen leder till ett svagt nettomagnetiskt fält.

För järn är Curie-temperaturen cirka 1418 grader Fahrenheit. För magnetit är det cirka 1060 grader Fahrenheit. Observera att dessa temperaturer är betydligt lägre än deras smältpunkter. Således kan magnetens temperatur påverka dess styrka.

En annan kategori av magneter ärelektromagneter, som i huvudsak är magneter som kan slås på och av.

Den vanligaste elektromagneten som används i olika industriella applikationer är en solenoid. En solenoid är en serie strömslingor som resulterar i ett enhetligt fält i mitten av slingorna. Detta beror på det faktum att varje enskild strömslinga skapar ett cirkulärt magnetfält runt ledningen. Genom att placera flera i serie skapar överlagringen av magnetfältet ett rakt, enhetligt fält genom slingans mitt.

Ekvationen för storleken på ett magnetiskt magnetfält är helt enkelt:B = μ₀nI, varμ₀ är permeabiliteten för fritt utrymme,när antalet strömslingor per längdenhet ochJagär strömmen som strömmar genom dem. Magnetfältets riktning bestäms av högerregeln och strömflödets riktning och kan därför reverseras genom att vända strömriktningen.

Det är väldigt enkelt att se att styrkan hos en solenoid kan justeras på två primära sätt. Först kan strömmen genom solenoiden ökas. Även om det verkar som att strömmen kan ökas godtyckligt kan det finnas begränsningar på strömförsörjningen eller kretsens motstånd, vilket kan leda till skador om strömmen överdras.

Därför är ett säkrare sätt att öka magnetisk styrka hos en solenoid att öka antalet strömslingor. Magnetfältet ökar tydligt proportionellt. Den enda begränsningen i detta fall kan vara mängden ledning som är tillgänglig, eller rumsliga begränsningar om solenoiden är för lång på grund av antalet strömslingor.

Det finns många typer av elektromagneter förutom solenoider, men alla har samma allmänna egenskaper: Deras styrka är proportionell mot strömflödet.

Elektromagneter är allestädes närvarande och har många användningsområden. Ett vanligt och mycket enkelt exempel på en elektromagnet, speciellt en solenoid, är en högtalare. Den varierande strömmen genom högtalaren gör att det magnetiska magnetfältets styrka ökar och minskar.

När detta händer placeras en annan magnet, speciellt en permanentmagnet, vid ena änden av solenoiden och mot en vibrerande yta. När de två magnetfälten drar till sig och stöter bort på grund av det förändrade solenoidfältet dras den vibrerande ytan och skjuts och skapar ljud.

Högtalare av bättre kvalitet använder solenoider av hög kvalitet, permanentmagneter och vibrerande ytor för att skapa högre ljudkvalitet.

Den största magneten i världen är jorden själv! Som nämnts har jorden ett magnetfält som beror på de strömmar som skapats med jordens kärna. Även om det inte är ett särskilt starkt magnetfält i förhållande till många små handhållna magneter eller det som en gång användes i partikelacceleratorer, är jorden själv en av de största magneterna vi känner till!

Ett annat intressant magnetiskt material är magnetit. Magnetit är en järnmalm som inte bara är mycket vanlig men också mineralet med högst järnhalt. Det kallas ibland lodsten på grund av dess unika egenskap att ha ett magnetfält som alltid är i linje med jordens magnetfält. Som sådan användes den som en magnetisk kompass så tidigt som 300 f.Kr.