Фізика рідко відчуває себе чарівною, ніж коли ти вперше стикаєшся з магнітом у дитинстві. Отримати барний магніт на уроці природознавства і намагатись - усіма силами - підштовхнути його до відповідного полюса іншого магніту, але сущого повністю не в змозі, або залишаючи протилежні полюси близько один до одного, але не торкаючись, щоб ви могли бачити, як вони сходяться разом і врешті-решт приєднуватися. Ви швидко дізнаєтесь, що така поведінка є результатом магнетизму, але що насправді є магнетизмом? Який зв’язок між електрикою та магнетизмом дозволяє електромагнітам працювати? Чому б вам не використати постійний магніт замість електромагніту, наприклад, на металобрухті? Магнетизм - захоплююча і складна тема, але якщо ви просто хочете дізнатись властивості магніту та основи, це дуже легко підібрати.
Як працюють магніти?
Магнітна поведінка в кінцевому рахунку зумовлена рухом електронів. Рухливий електричний заряд генерує магнітне поле, і - як ви могли сподіватися - магніти та магнітні поля складно пов'язані між собою. Оскільки електрон є зарядженою частинкою, його орбітальний рух навколо ядра атома створює невелике магнітне поле. Взагалі кажучи, однак, у матеріалі є тони електронів, і поле, створене ним, буде анульовано полем, створеним іншим, і не буде ніякого магнетизму від матеріалу як ціле.
Однак деякі матеріали працюють по-різному. Магнітне поле, створене одним електроном, може впливати на орієнтацію поля, що створюється сусідніми електронами, і вони стають вирівняними. Це створює так званий магнітний "домен" у матеріалі, де всі електрони мають вирівняні магнітні поля. Матеріали, які роблять це, називаються феромагнітними, а при кімнатній температурі феромагнітними є лише залізо, нікель, кобальт і гадоліній. Це ті матеріали, які можуть стати постійними магнітами.
Усі домени всередині феромагнітного матеріалу матимуть випадкову орієнтацію; навіть незважаючи на те, що сусідні електрони вирівнюють свої поля між собою, інші групи, швидше за все, будуть розташовані в іншому напрямку. Це не залишає магнетизму у великих масштабах, оскільки різні домени виключають один одного так само, як це роблять окремі електрони в інших матеріалах.
Однак, якщо ви застосуєте зовнішнє магнітне поле - наприклад, наблизивши стовпчастий магніт до матеріалу, - домени почнуть вирівнюватися. Коли всі з доменів вирівняні, весь матеріал фактично містить один домен і розвиває два полюси, які зазвичай називають північним та південним (хоча позитивні та негативні також можуть бути використовується).
У феромагнітних матеріалах це вирівнювання триває навіть при видаленні зовнішнього поля, але в інших типи матеріалів (парамагнітні матеріали), магнітні властивості втрачаються, коли зовнішнє поле є видалено.
Які властивості магніту?
Визначальними властивостями магнітів є те, що вони притягують деякі матеріали та протилежні полюси інших магнітів і відштовхуються, як полюси інших магнітів. Отже, якщо у вас є два постійних магніти, зсув двох північних (або південних) полюсів разом створює силу відштовхування, яка стає сильнішою, чим ближче з’єднуються два кінці. Якщо зблизити два протилежні полюси (північний та південний), між ними виникає сила притягання. Чим ближче ви їх зближуєте, тим сильніша ця сила.
Феромагнітні матеріали - як залізо, нікель та кобальт - або їхні сплави (наприклад, сталь) привертають постійні магніти, навіть якщо вони не створюють власного магнітного поля. Вони лише приваблює до магнітів, і вони не будуть відштовхуватися, якщо вони не почнуть створювати власне магнітне поле. Інші матеріали, такі як алюміній, дерево та кераміка, не приваблюють магніти.
Як працює електромагніт?
Постійний магніт і електромагніт досить різні. Електромагніти залучають електрику більш очевидним чином і по суті генеруються рухом електронів через дріт або електричний провідник. Як і при створенні магнітних доменів, рух електронів по дроту створює магнітне поле. Форма поля залежить від напрямку, в якому рухаються електрони - якщо вказати великий палець правої руки у напрямку струму, пальці скручуються у напрямку поле.
Для виготовлення простого електромагніту електричний провід намотують навколо центрального сердечника, як правило, із заліза. Коли струм протікає по дроту, рухаючись колами навколо сердечника, створюється магнітне поле, що проходить вздовж центральної осі котушки. Це поле присутнє незалежно від того, чи є у вас серцевина, але із залізним ядром поле вирівнює домени у феромагнітному матеріалі і тим самим зміцнюється.
Коли потік електрики зупиняється, заряджені електрони перестають рухатися навколо котушки дроту, і магнітне поле зникає.
Які властивості електромагніта?
Електромагніти та магніти мають однакові ключові властивості. Різниця між постійним магнітом та електромагнітом полягає по суті в тому, як створюється поле, а не в властивостях поля згодом. Отже, електромагніти все ще мають два полюси, все ще приваблюють феромагнітні матеріали, і все ще мають полюси, які відбивають інші, як полюси, і приваблюють на відміну від полюсів. Різниця полягає в тому, що рухомий заряд у постійних магнітах створюється рухом електронів всередині атомів, тоді як в електромагнітах він створюється рухом електронів як частини електричного струм.
Переваги електромагнітів
Однак електромагніти мають багато переваг. Оскільки магнітне поле створюється струмом, його характеристики можна змінювати, змінюючи струм. Наприклад, збільшення сили струму збільшує силу магнітного поля. Подібним чином змінний струм (змінна електрика) може використовуватися для створення постійно мінливого магнітного поля, яке може використовуватися для індукції струму в іншому провіднику.
Для таких застосувань, як магнітні крани на металобрухтах, великою перевагою електромагнітів є те, що поле можна легко вимкнути. Якщо ви зібрали шматок металобрухту великим постійним магнітом, витягнути його з магніту було б цілком складно! За допомогою електромагніту все, що вам потрібно зробити, це зупинити потік струму, і металобрухт впаде.
Магніти та закони Максвелла
Закони електромагнетизму описуються законами Максвелла. Вони написані мовою векторного числення і потребують використання досить складної математики. Однак основи правил, що стосуються магнетизму, можна зрозуміти, не заглиблюючись у складну математику.
Перший закон, що стосується магнетизму, називається "законом не монопольного". В основному це стверджує, що всі магніти мають два полюси, і ніколи не буде магніту з одним полюсом. Іншими словами, ви не можете мати північний полюс магніту без південного полюса, і навпаки.
Другий закон, що стосується магнетизму, називається законом Фарадея. Це описує процес індукції, коли змінюється магнітне поле (створюється електромагнітом з змінний струм або рухомий постійний магніт) індукує напругу (і електричний струм) поблизу провідник.
Остаточний закон, що стосується магнетизму, називається законом Ампера-Максвелла, і він описує, як мінливе електричне поле створює магнітне поле. Сила поля пов'язана зі струмом, що проходить через область, і швидкістю зміни електричного поля (яке створюється електричними носіями заряду, такими як протони та електрони). Це закон, який ви використовуєте для розрахунку магнітного поля в більш простих випадках, наприклад, для котушки дроту або довгого прямого дроту.
