แม่เหล็ก คุณมีไว้ในตู้เย็น คุณเคยเล่นกับพวกเขาตอนเด็กๆ คุณถือเข็มทิศอยู่ในมือเมื่อเข็มเข็มทิศชี้ไปที่ขั้วแม่เหล็กเหนือของโลก แต่พวกเขาทำงานอย่างไร? ปรากฏการณ์แม่เหล็กนี้คืออะไร?
แม่เหล็กคืออะไร?
แม่เหล็กเป็นลักษณะหนึ่งของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าพื้นฐาน อธิบายปรากฏการณ์และแรงที่เกี่ยวข้องกับแม่เหล็กหรือวัตถุแม่เหล็ก
สนามแม่เหล็กทั้งหมดเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุหรือเปลี่ยนสนามไฟฟ้า นี่คือเหตุผลที่ปรากฏการณ์ของไฟฟ้าและแม่เหล็กถูกเรียกรวมกันว่าแม่เหล็กไฟฟ้า พวกเขาเป็นหนึ่งเดียวกันจริงๆ!
ภายในวัสดุทั้งหมด อะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนเหล่านั้นก่อตัวเป็นเมฆรอบๆ นิวเคลียสของอะตอม โดยการเคลื่อนที่โดยรวมของพวกมันทำให้เกิดไดโพลแม่เหล็กขนาดเล็ก อย่างไรก็ตาม ในวัสดุส่วนใหญ่ การกระจายแบบสุ่มของทิศทางของแม่เหล็กขนาดเล็กเหล่านี้ทำให้ฟิลด์ตัดกัน วัสดุที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติกเป็นข้อยกเว้น
วัสดุหลายชนิดมีปรากฏการณ์แม่เหล็ก รวมทั้งเหล็ก แมงกานีส แมกนีไทต์ และโคบอลต์ สิ่งเหล่านี้อาจมีอยู่เป็นแม่เหล็กถาวรหรืออาจเป็นพาราแมกเนติก (กล่าวคือ ดึงดูดให้วัสดุที่เป็นแม่เหล็กแต่ไม่คงสภาพแม่เหล็กถาวรไว้เอง) แม่เหล็กไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยการส่งกระแสไฟฟ้าผ่านลวดพันรอบวัสดุ เช่น เหล็ก (หรือโดยสถานการณ์ใดๆ ที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่)
วัสดุแม่เหล็กสามารถดึงดูดกันหรือผลักกัน ขึ้นอยู่กับว่าส่วนใดของวัสดุเหล่านั้นถูกนำมารวมกัน
สนามแม่เหล็ก
เช่นเดียวกับแรงไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วง วัตถุที่ออกแรงแม่เหล็กเข้าหากันจะสร้างสนามรอบ ๆ วัตถุนั้น ตัวอย่างเช่น แม่เหล็กแท่งสร้างสนามแม่เหล็กในพื้นที่รอบ ๆ ทำให้แม่เหล็กหรือวัสดุที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติกอื่น ๆ ที่เข้ามาในสนามนั้นรู้สึกถึงแรงอันเป็นผล
วิธีหนึ่งในการเห็นภาพสนามแม่เหล็กคือการใช้ตะไบเหล็ก ตะไบเหล็กเป็นเหล็กชิ้นเล็กๆ ที่เมื่อโรยไปรอบๆ แม่เหล็ก จะเรียงตัวกับเส้นสนามแม่เหล็กภายนอก ทำให้คุณเห็นภาพได้
หน่วย SI ที่เกี่ยวข้องกับความแรงของสนามแม่เหล็กคือเทสลา
1 \text{ Tesla} = 1 \text{ T} = 1 \frac{\text{kg}}{\text{As}^2} = \frac{\text{Vs}}{\text{m}^ 2} = \frac{\text{N}}{\text{Am}}
หน่วยทั่วไปอื่นที่เกี่ยวข้องกับความแรงของสนามแม่เหล็กคือเกาส์
1 เกาส์ = 1 G = 10-4 ตู่
ประเภทของแม่เหล็ก
แม่เหล็กมีหลายประเภท:
พาราแมกเนติกอธิบายวัสดุบางอย่างที่อาจดึงดูดแม่เหล็กได้น้อยแต่ไม่เก็บสนามแม่เหล็กถาวรไว้ ในการปรากฏตัวของสนามภายนอก พวกมันจะสร้างสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำภายในที่เรียงตัวกัน ซึ่งอาจส่งผลให้มีการขยายสนามแม่เหล็กโดยรวมชั่วคราว วัสดุพาราแมกเนติกมีหลายประเภท แม้กระทั่งอัญมณีบางชนิด
ไดอะแมกเนติกเป็นคุณสมบัติที่แสดงโดยวัสดุทั้งหมด แต่โดยทั่วไปแล้วจะเห็นได้ชัดที่สุดในวัสดุที่เราคิดว่าไม่ใช่แม่เหล็ก วัสดุแม่เหล็กไดอะแมกเนติกนั้นถูกสนามแม่เหล็กขับไล่อย่างอ่อนมาก ในแม่เหล็กถาวรและวัสดุพาราแมกเนติก ผลกระทบของไดอะแมกเนติกนั้นไม่สำคัญ
แม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสายไฟ ลวดนั้นอาจพันรอบแท่งเหล็กเพื่อขยายเอฟเฟกต์เนื่องจากเหล็กจะสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเองที่สอดคล้องกับสนามภายนอก รูปแบบของสนามแม่เหล็กนี้เป็นผลโดยตรงจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก (ขอย้ำอีกครั้งว่า ไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นคุณสมบัติทางกายภาพพื้นฐานที่เหมือนกันสองด้าน!)
แม่เหล็กไฟฟ้าอธิบายว่าวัสดุบางชนิด - เรียกว่าวัสดุที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติก - ก่อตัวเป็นแม่เหล็กถาวรได้อย่างไร ซึ่งจะกล่าวถึงในรายละเอียดเพิ่มเติมในหัวข้อถัดไป
วัสดุที่เป็นแม่เหล็ก
วัสดุที่ดึงดูดแม่เหล็กอย่างแรงเรียกว่าเฟอร์โรแมกเนติก เหล็กเป็นวัสดุที่พบมากที่สุดในประเภทนี้ (ไม่น่าแปลกใจเพราะคำนำหน้าภาษาละตินเฟอร์โร- หมายถึง "เหล็ก")
วัสดุที่เป็นแม่เหล็กมีสิ่งที่เรียกว่าโดเมนแม่เหล็ก กล่าวคือ บริเวณที่อยู่ภายในนั้นมีลักษณะเหมือนแม่เหล็ก แต่ถูกจัดวางในทิศทางที่ต่างกันออกไป เพื่อให้เอฟเฟกต์โดยรวมยกเลิกไป และโดยทั่วไปแล้วจะไม่ทำตัวเหมือนแม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม หากวางวัสดุเหล่านี้ในสนามแม่เหล็ก อาจทำให้โดเมนเรียงตัวกันได้ ว่าพวกมันทั้งหมดอยู่ในแนวเดียวกันและด้วยเหตุนี้จึงกลายเป็น (มักจะชั่วคราว) เหมือนแม่เหล็ก ตัวเอง
วัสดุที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติก ได้แก่ โลดสโตน เหล็ก นิกเกิล โคบอลต์ และวัสดุหายากอื่นๆ รวมทั้งนีโอไดเมียม
แท่งแม่เหล็ก ไดโพล และคุณสมบัติแม่เหล็ก
แม่เหล็กแท่งเป็นแท่งสี่เหลี่ยมหรือทรงกระบอกของวัสดุแม่เหล็ก ปลายแท่งแม่เหล็กเป็นขั้วเหนือและใต้ เหล่านี้เป็นขั้วแม่เหล็กสองประเภทและพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กันผ่านแรงแม่เหล็กในลักษณะเดียวกับที่ประจุบวกและลบโต้ตอบผ่านแรงไฟฟ้า
แท่งแม่เหล็กเป็นไดโพลแม่เหล็ก มีขั้วตรงข้ามคั่นด้วยระยะห่างคล้ายกับขั้วไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ข้อแตกต่างหลักประการหนึ่งก็คือ เมื่อใช้แม่เหล็ก คุณจะไม่สามารถมีโมโนโพล (เสาเดี่ยว) แบบเดียวกับประจุไฟฟ้าได้ แม่เหล็กมีอยู่เสมอเป็นไดโพลและไม่เคยเป็นขั้วเหนือโดยตัวมันเองหรือขั้วใต้โดยตัวมันเอง (ถ้าคุณผ่าแม่เหล็กแท่งครึ่งหนึ่งเพื่อพยายามแยกขั้ว คุณก็จะได้แม่เหล็กสองอันที่เล็กกว่า!)
สนามแม่เหล็กโลก
อย่างที่คุณรู้ โลกมีสนามแม่เหล็ก วิธีนี้ทำให้ผู้คนสามารถใช้วงเวียนเพื่อกำหนดทิศทางที่พวกเขาหันไปทางทิศที่สัมพันธ์กับเสา เข็มทิศแม่เหล็กประกอบด้วยแม่เหล็กขนาดเล็กที่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระและสอดคล้องกับสนามภายนอกใดๆ ปลายเข็มสีแดงชี้ไปทางทิศเหนือ สนามแม่เหล็กของโลกทำหน้าที่เหมือนแท่งแม่เหล็กขนาดยักษ์ แม่เหล็กแท่งในจินตนาการนี้ถูกวางแนวเพื่อให้ปลายด้านเหนือของแม่เหล็กอยู่ที่ขั้วใต้ของโลก และปลายด้านใต้ของแม่เหล็กอยู่ที่ขั้วเหนือของโลก
สนามแม่เหล็กของโลกไม่ขนานกับพื้นผิวโลกในสถานที่ส่วนใหญ่เช่นกัน คุณสามารถกำหนดความลาดเอียงของสนามแม่เหล็กโลกได้โดยใช้เข็มจุ่ม ขั้นแรกให้วางเข็มในแนวนอนและจัดตำแหน่งให้ตรงกับทิศเหนือแม่เหล็กของโลก จากนั้นหมุนในแนวตั้งและสังเกตมุมจุ่ม ยิ่งคุณเข้าใกล้เสามากขึ้นเท่าใด มุมก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
สนามแม่เหล็กของโลกสร้างพื้นที่รอบ ๆ ดาวเคราะห์ที่เรียกว่าสนามแม่เหล็ก แมกนีโตสเฟียร์โดยพื้นฐานแล้วดูเหมือนสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็กขนาดใหญ่มากซึ่งเรียงชิดกับแกนโลก แม้ว่าสนามแม่เหล็กจะบิดเบี้ยวเมื่อทำปฏิกิริยากับอนุภาคที่มีประจุ
สนามแม่เหล็กปกป้องเราจากลมสุริยะซึ่งมีอนุภาคที่มีประจุอยู่ ปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคเหล่านี้กับเส้นสนามแม่เหล็กเป็นสิ่งที่ก่อให้เกิดแสงออโรร่า
ตัวอย่าง
ปรากฏการณ์ของสนามแม่เหล็กถูกนำมาใช้ในการใช้งานในชีวิตประจำวันทุกประเภท
ปรากฏการณ์ของแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้เราสามารถแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าใช้วิธีการทางกลเพื่อหมุนกังหัน (ลมพัดหรือน้ำไหล) ซึ่งเปลี่ยนสนามแม่เหล็กที่สัมพันธ์กับขดลวดซึ่งเหนี่ยวนำให้กระแสไหล
มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยใช้แม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อแปลง พลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล ไม่ว่าจะเป็นสว่านไฟฟ้า เครื่องผสม หรือไฟฟ้า ยานพาหนะ
แม่เหล็กไฟฟ้าอุตสาหกรรมเป็นแม่เหล็กขนาดยักษ์ที่มีสนามแม่เหล็กแรงมาก ซึ่งช่วยให้พวกเขาหยิบรถเก่าที่โรงเก็บขยะได้
เครื่อง MRI ใช้สนามแม่เหล็กแรงสูงเพื่อสร้างภาพภายในของคุณและช่วยให้แพทย์สามารถวินิจฉัยโรคได้ทั้งหมด