Що спричиняє різні сили в магнітах?

Багато людей знайомі з магнітами, оскільки на кухонному холодильнику у них часто є декоративні магніти. Однак магніти мають багато практичних цілей, окрім оздоблення, і багато хто впливає на наше повсякденне життя, навіть не знаючи про це.

Є багато питань про те, як працюють магніти, та інші загальні питання магнетизму. Однак відповісти на більшість цих питань і зрозуміти, як різні магніти можуть бути різними напруженості магнітних полів, важливо зрозуміти, що таке магнітне поле і як воно буває виробляється.

Магнітне поле - це сила, яка діє на заряджену частинку, і керуючим рівнянням для цієї взаємодії єЗакон про силу Лоренца.Повне рівняння сили anелектричне поле​ ​Еі aмагнітне поле Bна частинку із зарядомqі швидкостіvзадається:

Запам’ятайте це через силуF, поляЕіB, і швидкістьvє всі вектори,×операція євектор перехресний продукт, а не множення.

Магнітні поля створюються рухомими зарядженими частинками, які часто називають

Однак ці магніти на вашому холодильнику, здається, не мають струму або джерел живлення. Як вони працюють?

Постійний магніт - це шматокферомагнітний матеріалщо має внутрішню властивість, що створює магнітне поле. Внутрішній ефект, який створює магнітне поле, - це спін електронів, і вирівнювання цих спінів створює магнітні домени. Результатом цих доменів є чисте магнітне поле.

Феромагнітні матеріали, як правило, мають високий ступінь упорядкування доменів у їх природному вигляді, який легко може бути повністю вирівняний зовнішнім магнітним полем. Таким чином, феромагнітні магніти, як правило, є магнітними, коли знаходяться в природі, і легко зберігають свої магнітні властивості.

​Діамагнітні матеріалиподібні до феромагнітних матеріалів і можуть створювати магнітне поле при знаходженні в природі, але реагують на зовнішні поля по-різному. Діамагнітний матеріал буде створювати протилежно орієнтоване магнітне поле у ​​присутності зовнішнього поля. Цей ефект може обмежити бажану силу магніту.

​Парамагнітні матеріалиє магнітними лише за наявності зовнішнього, вирівнюючого магнітного поля і, як правило, досить слабкі.

Як уже згадувалося, постійні магніти складаються з магнітних доменів, які випадково вирівнюються. У кожному домені існує певна ступінь упорядкування, яка створює магнітне поле. Отже, взаємодія всіх доменів у одному фрагменті феромагнітного матеріалу створює загальне, чисте, магнітне поле для магніту.

Якщо домени розташовані випадковим чином, існує ймовірність існування дуже малого або фактично нульового магнітного поля. Однак, якщо зовнішнє магнітне поле наблизити до невпорядкованого магніту, домени почнуть вирівнюватися. Відстань вирівнюючого поля до доменів впливатиме на загальне вирівнювання, а отже, і на результуюче чисте магнітне поле.

Залишення феромагнітного матеріалу у зовнішньому магнітному полі на тривалий проміжок часу може допомогти виконати впорядкування та збільшити створюване магнітне поле. Подібним чином, чисте магнітне поле постійного магніту може бути зменшено за рахунок введення декількох випадкових або заважаючих магнітних полів, які можуть неправильно вирівняти домени та зменшити сітчасте магнітне поле.

Чи впливає розмір магніту на його силу? Коротка відповідь - так, але лише тому, що розмір магніту означає, що пропорційно існує більше доменів, які можуть вирівнятись і створити сильніше магнітне поле, ніж менший шматок того самого матеріал. Однак, якщо довжина магніту дуже велика, існує підвищена ймовірність того, що розсіяні магнітні поля змістять домени і зменшать сітчасте магнітне поле.

Ще одним фактором, що сприяє міцності магніту, єтемператури. У 1895 році французький фізик П'єр Кюрі визначив, що магнітні матеріали мають температурну границю, при якій їх магнітні властивості можуть змінюватися. Зокрема, домени також більше не вирівнюються, тому тижневе вирівнювання доменів призводить до слабкого мережевого магнітного поля.

Для заліза температура Кюрі становить близько 1418 градусів за Фаренгейтом. Для магнетиту це близько 1060 градусів за Фаренгейтом. Зверніть увагу, що ці температури значно нижчі за температури їх плавлення. Таким чином, температура магніту може впливати на його міцність.

Інша категорія магнітівелектромагніти, які по суті є магнітами, які можна вмикати і вимикати.

Найпоширенішим електромагнітом, який використовується в різних промислових цілях, є соленоїд. Соленоїд - це ряд струмових петель, в результаті яких виникає рівномірне поле в центрі петель. Це пов’язано з тим, що кожна окрема струмова петля створює кругове магнітне поле навколо дроту. Розміщуючи кілька послідовно, суперпозиція магнітних полів створює пряме, рівномірне поле через центр петель.

Рівняння величини соленоїдного магнітного поля просто:B = μ₀nI, деμ₀ - проникність вільного простору,п- кількість поточних петель на одиницю довжини іЯ- струм, що протікає через них. Напрямок магнітного поля визначається правилом правої сторони та напрямком потоку струму, а отже, може бути змінено шляхом зміни напряму струму.

Дуже легко помітити, що силу соленоїда можна регулювати двома основними способами. По-перше, силу струму через соленоїд можна збільшити. Хоча здається, що струм можна довільно збільшувати, можуть існувати обмеження на джерело живлення або опір ланцюга, що може призвести до пошкодження, якщо струм перевитрачений.

Тому більш безпечним способом збільшення магнітної сили соленоїда є збільшення кількості струмових петель. Магнітне поле явно збільшується пропорційно. Єдиним обмеженням у цьому випадку може бути кількість дроту, яка доступна, або просторові обмеження, якщо соленоїд занадто довгий через кількість струмових петель.

Крім соленоїдів існує багато видів електромагнітів, але всі вони мають однакові загальні властивості: їх сила пропорційна поточному потоку.

Електромагніти є повсюдними і мають багато застосувань. Поширеним і дуже простим прикладом електромагніту, зокрема соленоїда, є динамік. Змінний струм через динамік призводить до збільшення та зменшення сили соленоїдного магнітного поля.

У цьому випадку інший магніт, а саме постійний магніт, розміщується на одному кінці соленоїда і проти вібруючої поверхні. Оскільки два магнітні поля притягуються і відштовхуються внаслідок зміни соленоїдного поля, вібраційна поверхня тягнеться і штовхається, створюючи звук.

Кращі якісні колонки використовують високоякісні соленоїди, постійні магніти та вібраційні поверхні, щоб створити якісніший звук.

Магніт найбільшого розміру у світі - це сама земля! Як уже згадувалося, земля має магнітне поле, яке зумовлене струмами, створеними з ядром землі. Хоча це не дуже сильне магнітне поле щодо багатьох маленьких ручних магнітів або колись використовуваних у прискорювачах частинок, сама Земля є одним з найбільших магнітів, про які ми знаємо!

Ще одним цікавим магнітним матеріалом є магнетит. Магнетит - це залізна руда, яка є не тільки дуже поширеною, але є мінералом з найвищим вмістом заліза. Його іноді називають лодестоном, завдяки його унікальній властивості мати магнітне поле, яке завжди співпадає з магнітним полем Землі. Як такий, він використовувався як магнітний компас ще в 300 р. До н.