Магнетизм: визначення, типи, властивості та спосіб їх роботи (з прикладами)

Магніти. Вони у вас на холодильнику, ви грали з ними в дитинстві, навіть тримали компас у руці, коли стрілка компаса вказувала на магнітний північний полюс Землі. Але як вони працюють? Що це за явище магнетизму?

Магнетизм є одним із аспектів основної електромагнітної сили. Він описує явища та сили, пов’язані з магнітами або магнітними об’єктами.

Всі магнітні поля генеруються рухомим зарядом або зміною електричних полів. Ось чому явища електрики та магнетизму в сукупності називають електромагнетизмом. Вони насправді одне і те ж!

У всіх матеріалах атоми містять електрони, і ці електрони утворюють хмару навколо атомного ядра, загальним своїм рухом створюючи мініатюрний магнітний диполь. Однак у більшості матеріалів випадковий розподіл орієнтацій цих міні-магнітів змушує поля стиратися. Феромагнітні матеріали - виняток.

Багато матеріалів мають магнітні явища, включаючи залізо, марганець, магнетит і кобальт. Вони можуть існувати як постійні магніти, або можуть бути парамагнітними (тобто притягуються до магнітних матеріалів, але самі не зберігають постійного магнетизму). Електромагніти створюються шляхом пропускання електричного струму через дріт, намотаний навколо такого матеріалу, як залізо (або в будь-якій ситуації, коли є рухомий електричний заряд).

Магнітні матеріали можуть або притягувати один одного, або відштовхувати одне одного, залежно від того, які частини цих матеріалів об’єднані.

Подібно до електричної сили та сили тяжіння, предмети, що діють магнітні сили один на одного, генерують поле навколо них. Наприклад, баровий магніт створює магнітне поле в просторі навколо нього, змушуючи будь-які інші магніти або феромагнітні матеріали, введені в це поле, відчувати в результаті силу.

Одним із способів візуалізації магнітного поля є використання залізних стружок. Залізні стружки - це невеликі шматочки заліза, які, коли їх посипають навколо магніту, будуть вирівнюватися до зовнішніх ліній магнітного поля, дозволяючи візуалізувати їх.

Одиницею SI, пов’язаною з напруженістю магнітного поля, є тесла.

Ще однією загальною одиницею, пов'язаною з напруженістю магнітного поля, є Гаус.

1 Гаус = 1 G = 10^-4 Т

Існує багато різних типів магнетизму:

​Парамагнетизмописує певні матеріали, які можуть слабо притягуватися до магнітів, але які самі не зберігають постійного магнітного поля. За наявності зовнішнього поля вони будуть утворювати внутрішні, індуковані магнітні поля, які вирівнюються. Це може призвести до тимчасового посилення магнітного поля в цілому. Існує багато різних типів парамагнітних матеріалів, навіть включаючи деякі дорогоцінні камені.

​Діамагнетизм- властивість, яку демонструють усі матеріали, але, як правило, найбільш очевидна в матеріалах, які ми вважаємо немагнітними. Діамагнітні матеріали дуже слабо відштовхуються магнітними полями. У постійних магнітах та парамагнітних матеріалах наслідки діамагнетизму незначні.

​Електромагнетизмвиникає при пропусканні електричного струму через дріт. Цей дріт може бути намотаний навколо залізного прутка для посилення ефекту, оскільки залізо створить власне магнітне поле, яке вирівнюється із зовнішнім полем. Ця форма магнетизму є прямим результатом того, що рух електронів створює магнітне поле. (Знову ж, електрика і магнетизм - це дві сторони однієї і тієї ж фундаментальної фізичної властивості!)

​Феромагнетизмописується, як певні матеріали, які називаються феромагнітними матеріалами, утворюють постійні магніти, про що докладніше йдеться у наступному розділі.

Матеріали, які сильно притягуються до магнітів, називаються феромагнітними. Залізо - найпоширеніший матеріал цього типу. (Не дивно, оскільки латинський префіксферо- означає "залізо".)

Феромагнітні матеріали мають так звані магнітні домени; тобто регіони всередині них, схожі на магніти, але орієнтовані в різних напрямках, так що загальний ефект скасовується, і вони, як правило, не діють як магніти. Однак, якщо ці матеріали розміщені в магнітних полях, це може спричинити вирівнювання доменів так що всі вони вирівняні в одному напрямку, і, отже, вони стають (часто тимчасово) як магніти самі.

До феромагнітних матеріалів належать лодестон, залізо, нікель, кобальт та різні рідкісноземельні матеріали, включаючи неодим.

Барний магніт - це прямокутний або циліндричний брусок з магнітного матеріалу. Кінці пруткового магніту - це північний і південний полюси. Це два типи магнітних полюсів, і вони взаємодіють один з одним за допомогою магнітної сили таким чином, як взаємодія позитивних і негативних зарядів через електричну силу.

Барні магніти - це магнітні диполі. Вони мають протилежні полюси, розділені відстанню, подібно до електричного диполя. Однак одна основна відмінність полягає в тому, що з магнітами ви не можете мати монополь (ізольований полюс), як у зарядів. Магніт завжди існує як диполь, а ніколи як північний полюс сам по собі або південний полюс сам по собі. (Якщо ви розріжете штанговий магніт навпіл, щоб спробувати розділити полюси, ви просто отримаєте два менших диполярних магніти!)

Як ви, мабуть, знаєте, Земля має магнітне поле. Це дозволяє людям за допомогою компасів визначати, в який бік вони спрямовані відносно полюсів. Магнітний компас складається з невеликого магніту, який може вільно рухатися і вирівнюватися з будь-яким зовнішнім полем. Червоний кінець стрілки компаса вказує на північ. Магнітне поле Землі діє як гігантський прутковий магніт. Цей уявний барний магніт орієнтований так, що північний кінець магніту знаходиться на південному полюсі Землі, а південний кінець магніту - на північному полюсі Землі.

Магнітне поле Землі також у більшості місць не паралельне поверхні Землі. Визначити схилення магнітного поля Землі можна за допомогою занурювальної голки. Спочатку орієнтуйте голку горизонтально і вирівняйте її з магнітною північчю Землі. Потім поверніть його вертикально і дотримуйтесь кута падіння. Кут тим більший, чим ближче ви до полюсів.

Магнітне поле Землі створює область простору, що оточує планету, яка називається магнітосферою. По суті, магнітосфера виглядає як магнітне поле дуже великого пруткового магніту, вирівняного близько до осі Землі, хоча магнітосфера може деформуватися, взаємодіючи із зарядженими частинками.

Магнітосфера захищає нас від сонячного вітру, який містить заряджені частинки. Взаємодія між цими частинками та лініями магнітного поля є тим, що породжує полярні сяйва.

Явище магнетизму використовується у всіх видах повсякденного застосування.

Явище електромагнетизму дозволяє перетворювати механічну енергію в електричну в електричних генераторах. Електричні генератори використовують механічні засоби для повороту турбіни (дме вітер або проточна вода), яка змінює магнітне поле відносно дротяних котушок, викликаючи струм.

Електродвигуни по суті протилежні електричним генераторам, використовуючи електромагнетизм для перетворення електрична енергія перетворюється на механічну енергію, незалежно від того, працює це електрична дриль, змішувач або електрична транспортного засобу.

Промислові електромагніти - це гігантські магніти з дуже сильними магнітними полями, які дозволяють їм підбирати старі транспортні засоби на сміттєзвалищі.

Магнітно-резонансні апарати використовують сильні магнітні поля для створення зображень вашої внутрішньої частини та дозволяють лікарям діагностувати цілий ряд захворювань.