คุณสมบัติของแม่เหล็กและแม่เหล็กไฟฟ้า

ฟิสิกส์ไม่ค่อยรู้สึกว่ามีมนต์ขลังมากกว่าเมื่อคุณพบแม่เหล็กครั้งแรกเมื่อตอนเป็นเด็ก รับแท่งแม่เหล็กในชั้นเรียนวิทยาศาสตร์และพยายาม – ด้วยสุดความสามารถของคุณ – เพื่อดันมันไปยังขั้วที่ตรงกันของแม่เหล็กอื่น ไม่สามารถอย่างสมบูรณ์หรือทิ้งขั้วตรงข้ามไว้ใกล้กัน แต่ไม่สัมผัสกันเพื่อให้คุณเห็นพวกมันคืบคลานเข้าหากันและในที่สุด เข้าร่วม คุณเรียนรู้ได้อย่างรวดเร็วว่าพฤติกรรมนี้เป็นผลมาจากสนามแม่เหล็ก แต่แท้จริงแล้วอะไรคือสนามแม่เหล็ก? อะไรคือความเชื่อมโยงระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็กที่ช่วยให้แม่เหล็กไฟฟ้าทำงาน? ทำไมคุณไม่ใช้แม่เหล็กถาวรแทนแม่เหล็กไฟฟ้าในลานเศษโลหะ? แม่เหล็กเป็นหัวข้อที่น่าสนใจและซับซ้อน แต่ถ้าคุณเพียงต้องการเรียนรู้คุณสมบัติของแม่เหล็กและพื้นฐาน ก็สามารถหยิบขึ้นมาได้อย่างง่ายดาย

พฤติกรรมแม่เหล็กเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในที่สุด ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่จะสร้างสนามแม่เหล็ก และตามที่คุณคาดไว้ แม่เหล็กและสนามแม่เหล็กเชื่อมโยงกันอย่างประณีต เนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุ การโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขนาดเล็ก โดยทั่วไปแล้ว มีอิเล็กตรอนจำนวนมากในวัสดุ และสนามที่สร้างขึ้นโดยอิเล็กตรอนจะเป็น will ถูกยกเลิกโดยสนามที่สร้างขึ้นโดยคนอื่นและจะไม่มีแม่เหล็กใด ๆ จากวัสดุเป็น a ทั้งหมด

วัสดุบางอย่างทำงานแตกต่างกันแม้ว่า สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยอิเล็กตรอนหนึ่งตัวสามารถส่งผลต่อการวางแนวของสนามที่เกิดจากอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้เคียงและจะเรียงตัวกัน สิ่งนี้สร้างสิ่งที่เรียกว่า "โดเมน" แม่เหล็กภายในวัสดุ โดยที่อิเล็กตรอนทั้งหมดจัดแนวสนามแม่เหล็ก วัสดุที่ทำสิ่งนี้เรียกว่าเฟอร์โรแมกเนติก และที่อุณหภูมิห้อง มีเพียงเหล็ก นิกเกิล โคบอลต์ และแกโดลิเนียมเท่านั้นที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติก วัสดุเหล่านี้เป็นแม่เหล็กถาวรเกินกว่าจะเป็นแม่เหล็กถาวรได้

โดเมนภายในวัสดุที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติกทั้งหมดจะมีทิศทางแบบสุ่ม แม้ว่าอิเลคตรอนที่อยู่ใกล้เคียงจะจัดเรียงสนามของพวกมันเข้าด้วยกัน แต่กลุ่มอื่น ๆ ก็มีแนวโน้มที่จะถูกจัดเรียงในทิศทางที่ต่างออกไป สิ่งนี้ไม่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กในวงกว้าง เนื่องจากโดเมนที่ต่างกันจะหักล้างซึ่งกันและกัน เช่นเดียวกับที่อิเล็กตรอนแต่ละตัวทำในวัสดุอื่นๆ

อย่างไรก็ตาม หากคุณใช้สนามแม่เหล็กภายนอก เช่น โดยการนำแท่งแม่เหล็กมาใกล้วัสดุ เช่น โดเมนจะเริ่มปรับแนว เมื่อไหร่ ทั้งหมด ของโดเมนอยู่ในแนวเดียวกัน วัสดุทั้งหมดมีโดเมนเดียวอย่างมีประสิทธิภาพและ พัฒนาสองขั้ว โดยทั่วไปเรียกว่าเหนือและใต้ (แม้ว่าบวกและลบอาจเป็น may ใช้)

ในวัสดุที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติก การจัดแนวนี้จะดำเนินต่อไปแม้เมื่อสนามภายนอกจะถูกลบออก แต่ในอีก ชนิดของวัสดุ (วัสดุพาราแมกเนติก) สมบัติทางแม่เหล็กจะหายไปเมื่อสนามภายนอกเป็น ลบออก

คุณสมบัติที่กำหนดของแม่เหล็กคือดึงดูดวัสดุบางอย่างและขั้วตรงข้ามของแม่เหล็กอื่น ๆ และขับไล่เหมือนขั้วของแม่เหล็กอื่น ๆ ดังนั้นหากคุณมีแท่งแม่เหล็กถาวรสองตัว การดันขั้วเหนือ (หรือใต้) สองขั้วเข้าด้วยกันจะทำให้เกิดแรงผลัก ซึ่งจะยิ่งแรงขึ้นเมื่อปลายทั้งสองข้างมาชิดกัน หากคุณนำขั้วตรงข้ามสองขั้วมารวมกัน (ทิศเหนือและทิศใต้) จะมีแรงดึงดูดระหว่างเสาทั้งสอง ยิ่งคุณนำพวกเขามาใกล้กันมากเท่าไหร่ พลังนี้ก็แข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น

วัสดุที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติก เช่น เหล็ก นิกเกิล และโคบอลต์ หรือโลหะผสมที่ประกอบด้วยพวกมัน (เช่น เหล็ก) จะถูกดึงดูดไปยังแม่เหล็กถาวร แม้ว่าจะไม่ได้สร้างสนามแม่เหล็กของตัวเองก็ตาม พวกเขาเท่านั้น ดึงดูด สำหรับแม่เหล็กและจะไม่ถูกขับไล่เว้นแต่จะเริ่มสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเอง วัสดุอื่นๆ เช่น อลูมิเนียม ไม้ และเซรามิก จะไม่ดึงดูดแม่เหล็ก

แม่เหล็กถาวรและแม่เหล็กไฟฟ้าแตกต่างกันมาก แม่เหล็กไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับไฟฟ้าในลักษณะที่ชัดเจนกว่าและเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านลวดหรือตัวนำไฟฟ้าเป็นหลัก เช่นเดียวกับการสร้างโดเมนแม่เหล็ก การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านเส้นลวดทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก รูปร่างของสนามขึ้นอยู่กับทิศทางที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ - ถ้าคุณชี้ไปที่ นิ้วหัวแม่มือของมือขวาไปในทิศทางของกระแสน้ำ นิ้วของคุณงอไปในทิศทางของ สนาม

ในการผลิตแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างง่าย ลวดไฟฟ้าจะพันรอบแกนกลางซึ่งมักจะทำจากเหล็ก เมื่อกระแสไหลผ่านเส้นลวด เคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบแกนกลาง จะเกิดสนามแม่เหล็กขึ้น วิ่งไปตามแกนกลางของขดลวด ฟิลด์นี้มีอยู่ไม่ว่าคุณจะมีแกนกลางหรือไม่ก็ตาม แต่ด้วยแกนเหล็ก สนามนี้จะจัดตำแหน่งโดเมนในวัสดุที่เป็นแม่เหล็กและแข็งแรงขึ้น

เมื่อกระแสไฟฟ้าหยุดลง อิเล็กตรอนที่มีประจุจะหยุดเคลื่อนที่รอบขดลวด และสนามแม่เหล็กจะหายไป

แม่เหล็กไฟฟ้าและแม่เหล็กมีคุณสมบัติที่สำคัญเหมือนกัน ความแตกต่างระหว่างแม่เหล็กถาวรกับแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นปัจจัยหนึ่งในการสร้างสนาม ไม่ใช่คุณสมบัติของสนามในภายหลัง ดังนั้นแม่เหล็กไฟฟ้ายังคงมีสองขั้ว ยังคงดึงดูดวัสดุที่เป็นเหล็กได้ และยังมีขั้วที่ขับไล่ขั้วอื่นๆ และดึงดูดไม่เหมือนกับขั้ว ความแตกต่างคือประจุที่เคลื่อนที่ในแม่เหล็กถาวรเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนใน อะตอมในขณะที่แม่เหล็กไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของไฟฟ้า ปัจจุบัน.

แม่เหล็กไฟฟ้ามีข้อดีหลายประการ เนื่องจากสนามแม่เหล็กเกิดจากกระแส ลักษณะของสนามแม่เหล็กจึงสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเปลี่ยนกระแส ตัวอย่างเช่น การเพิ่มกระแสจะเพิ่มความแรงของสนามแม่เหล็ก ในทำนองเดียวกัน กระแสสลับ (ไฟฟ้ากระแสสลับ) สามารถใช้เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ซึ่งสามารถนำมาใช้เพื่อเหนี่ยวนำกระแสในตัวนำอื่นได้

สำหรับการใช้งานเช่นปั้นจั่นแม่เหล็กในลานเศษโลหะ ข้อได้เปรียบที่สำคัญของแม่เหล็กไฟฟ้าคือสามารถปิดสนามได้อย่างง่ายดาย หากคุณหยิบเศษโลหะขึ้นมาด้วยแม่เหล็กถาวรขนาดใหญ่ การเอาออกจากแม่เหล็กนั้นค่อนข้างท้าทาย! ด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า สิ่งที่คุณต้องทำคือหยุดการไหลของกระแสและเศษโลหะจะลดลง

กฎของแม่เหล็กไฟฟ้าอธิบายโดยกฎของแมกซ์เวลล์ สิ่งเหล่านี้เขียนด้วยภาษาของเวกเตอร์แคลคูลัสและต้องใช้คณิตศาสตร์ที่ค่อนข้างซับซ้อนเพื่อใช้ อย่างไรก็ตาม พื้นฐานของกฎที่เกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กสามารถเข้าใจได้โดยไม่ต้องเจาะลึกลงไปในคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อน

กฎข้อแรกที่เกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กเรียกว่า "กฎไม่มีขั้วเดียว" โดยพื้นฐานแล้วระบุว่าแม่เหล็กทั้งหมดมีสองขั้ว และจะไม่มีแม่เหล็กที่มีขั้วเดียว กล่าวอีกนัยหนึ่ง คุณไม่สามารถมีขั้วเหนือของแม่เหล็กโดยไม่มีขั้วใต้ และในทางกลับกัน

กฎข้อที่สองที่เกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กเรียกว่ากฎของฟาราเดย์ สิ่งนี้อธิบายกระบวนการของการเหนี่ยวนำ โดยที่สนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลง (ผลิตโดยแม่เหล็กไฟฟ้าที่มี a กระแสแปรผันหรือโดยแม่เหล็กถาวรเคลื่อนที่) ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้า (และกระแสไฟฟ้า) ในบริเวณใกล้เคียง ตัวนำ

กฎข้อสุดท้ายเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กเรียกว่ากฎของแอมแปร์-แมกซ์เวลล์ ซึ่งอธิบายว่าสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงจะสร้างสนามแม่เหล็กได้อย่างไร ความแรงของสนามสัมพันธ์กับกระแสที่ไหลผ่านพื้นที่และอัตราการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้า (ซึ่งเกิดจากตัวพาประจุไฟฟ้า เช่น โปรตอนและอิเล็กตรอน) นี่คือกฎที่คุณใช้ในการคำนวณสนามแม่เหล็กในกรณีที่ง่ายกว่า เช่น ขดลวดหรือลวดตรงที่มีความยาว