Sisu
- Mis on magnetväli?
- Püsimagnetid
- Kas suurtel magnetitel on tugev magnetjõud?
- Mis on Curie temperatuur?
- Elektromagnetid
- Elektromagnetide kasutusviisid
- Huvitavad magnetismi faktid
Paljud inimesed tunnevad magneteid, kuna nende köögikülmikul on sageli dekoratiivsed magnetid. Kuid magnetidel on kaunistamiseks palju praktilisi eesmärke ja paljud mõjutavad meie igapäevast elu, ilma et me seda isegi teaksid.
Magnetide toimimise kohta on palju küsimusi ja muid üldisi magnetilisi küsimusi. Kuid enamikule neist küsimustele vastamiseks ja mõistmiseks, kuidas erinevatel magnetitel võib olla erineva tugevusega magnetväli, on oluline mõista, mis on magnetväli ja kuidas see tekib.
Mis on magnetväli?
Magnetväli on jõud, mis toimib laetud osakesel ja selle interaktsiooni juhtvõrrand on: Lorentzi jõuseadus. Jõu täielik võrrand elektriväli E ja a magnetväli B laetud osakese peal q ja kiirus v on andnud:
vec {F} = q vec {E} + q vec {v} korda vec {B}.Pidage seda meeles, sest jõud F, väljad E ja Bja kiirus v on kõik vektorid, × operatsioon on vektori ristprodukt, mitte korrutamine.
Magnetväljad tekivad liikuvate laetud osakeste kaudu, mida sageli nimetatakse elektrivool. Elektrivoolu tavalised magnetväljade allikad on elektromagnetid, näiteks lihtne juhe, ahelas olev traat ja mitu traadi ahelat jadas, mida nimetatakse solenoid. Maakera magnetvälja põhjustavad ka südamikus liikuvad laetud osakesed.
Kuid näib, et neil teie külmiku magnetitel pole voolu ega vooluallikaid. Kuidas need töötavad?
Püsimagnetid
Püsimagnet on tükk ferromagnetiline materjal sellel on sisemine omadus, mis tekitab magnetvälja. Sisemine efekt, mis tekitab magnetvälja, on elektronide spinn ja nende keerutuste joondamine loob magnetdomeenid. Nende domeenide tulemuseks on netomagnetväli.
Ferromagnetilistel materjalidel on tavaliselt looduslikus vormis kõrge domeenijärjestus, mida saab välise magnetvälja abil täielikult joondada. Seega kipuvad ferromagnetilised magnetid looduses leiduvad magnetilised olema ja säilitavad kergesti oma magnetilised omadused.
Diamagneetilised materjalid on sarnased ferromagnetiliste materjalidega ja võivad looduses leidudes tekitada magnetvälja, kuid reageerivad välisväljadele erinevalt. Diamagneetiline materjal tekitab välisvälja juuresolekul vastassuunas orienteeritud magnetvälja. See efekt võib piirata magneti soovitud tugevust.
Paramagneetilised materjalid on magnetilised ainult välise, joonduva magnetvälja juuresolekul ja on tavaliselt üsna nõrgad.
Kas suurtel magnetitel on tugev magnetjõud?
Nagu mainitud, koosnevad püsimagnetid juhuslikult joondatud magnetdomeenidest. Igas domeenis on teatud määral järjestamine, mis loob magnetvälja. Kõigi domeenide interaktsioon ühes ferromagnetilise materjali tükis tekitab seega magneti jaoks üldise ehk netovälja.
Kui domeenid on juhuslikult joondatud, on tõenäoline, et magnetväli võib olla väga väike või tegelikult null. Kui aga väline magnetväli tuuakse järjestamata magneti lähedale, hakkavad domeenid joonduma. Joondusvälja kaugus domeenidest mõjutab üldist joondamist ja sellest tulenevalt ka netomagnetvälja.
Ferromagnetilise materjali pikaajaline välimises magnetväljas jätmine võib aidata tellimist täita ja toodetud magnetvälja suurendada. Samamoodi saab püsimagneti netomagnetvälja vähendada, kui tuuakse mitu juhuslikku või segavat magnetvälja, mis võib domeene valesti joondada ja neto magnetvälja vähendada.
Kas magneti suurus mõjutab selle tugevust? Lühike vastus on jah, kuid ainult seetõttu, et magneti suurus tähendab, et proportsionaalselt on rohkem domeene, mis suudavad joondada ja tekitada tugevama magnetvälja kui samast materjalist väiksem tükk. Kui aga magneti pikkus on väga pikk, on suurem tõenäosus, et hulkuvad magnetväljad tasakaalustavad domeene valesti ja vähendavad netomagnetvälja.
Mis on Curie temperatuur?
Teine tegur, milleks magneti tugevus on temperatuur. 1895. aastal leidis prantsuse füüsik Pierre Curie, et magnetilistel materjalidel on temperatuuride piir, mille jooksul nende magnetilised omadused võivad muutuda. Täpsemalt, domeenid enam enam ei joondu, seega viib nädala domeenide joondamine nõrga netomagnetvälja.
Raua puhul on Curie temperatuur umbes 1418 kraadi Fahrenheiti järgi. Magnetiidi puhul on see umbes 1060 kraadi Fahrenheiti järgi. Pange tähele, et need temperatuurid on oluliselt madalamad kui nende sulamistemperatuur. Seega võib magneti temperatuur mõjutada selle tugevust.
Elektromagnetid
Erinevat tüüpi magnetid on elektromagnetid, mis on sisuliselt magnetid, mida saab sisse ja välja lülitada.
Kõige tavalisem elektromagnet, mida erinevates tööstuslikes rakendustes kasutatakse, on solenoid. Solenoid on vooluahelate seeria, mille tulemuseks on silmuste keskel ühtlane väli. See on tingitud asjaolust, et iga üksik voolu silmus loob traadi ümber ümmarguse magnetvälja. Kui paigutada mitu järjestikku, loob magnetväljade superpositsioon sirge, ühtlase välja läbi silmuste keskpunkti.
Solenoidaalse magnetvälja suurusjärgu võrrand on lihtsalt järgmine: B = μ0nI, kus μ0 _ on vaba ruumi läbilaskvus, _n on vooluahelate arv pikkuseühiku kohta ja Mina on nende kaudu voolav vool. Magnetvälja suund on määratud parema käe reegli ja voolu voolu suunaga ning seetõttu saab seda voolu suuna muutmisega ümber pöörata.
On väga lihtne näha, et solenoidi tugevust saab reguleerida kahel peamisel viisil. Esiteks saab solenoidi kaudu voolu suurendada. Ehkki tundub, et voolu saab meelevaldselt suurendada, võivad toiteallikale või vooluahela takistusele olla piirangud, mis voolu ületamise korral võivad kahjustada.
Seetõttu on ohutum viis solenoidi magnetilise tugevuse suurendamiseks vooluahelate arvu suurendamine. Magnetväli suureneb selgelt proportsionaalselt. Ainus piirang võib sel juhul olla saadaoleva traadi hulk või ruumipiirangud, kui solenoid on vooluahelate arvu tõttu liiga pikk.
Lisaks solenoididele on palju erinevaid elektromagneteid, kuid neil kõigil on sama üldine omadus: Nende tugevus on võrdeline praeguse vooluga.
Elektromagnetide kasutusviisid
Elektromagnetid on kõikjal levinud ja neil on palju kasutusvõimalusi. Elektromagneti, eriti solenoidi, tavaline ja väga lihtne näide on kõlar. Kõlari kaudu varieeruv vool põhjustab solenoidaalse magnetvälja tugevuse suurenemist ja vähenemist.
Kui see juhtub, asetatakse solenoidi ühte otsa ja vibreeriva pinna vastu teine magnet, täpsemalt püsimagnet. Kuna kaks magnetvälja meelitavad ja tõrjuvad muutuva solenoidvälja tõttu, tõmmatakse ja lükatakse vibreeriv pind, tekitades heli.
Parema kvaliteediga kõlarid kasutavad kvaliteetsema heli väljundi saamiseks kvaliteetseid solenoide, püsimagneteid ja vibreerivaid pindu.
Huvitavad magnetismi faktid
Maailma suurimaks magnetiks on maa ise! Nagu mainitud, on maapinnal magnetväli, mis on tingitud maa südamikuga loodud vooludest. Ehkki see ei ole paljude väikeste käeshoitavate magnetide ega osakestekiirendites korra kasutatud magnetvälja suhtes väga tugev magnetväli, on maa ise üks suuremaid magneteid, mida me teame!
Veel üks huvitav magnetiline materjal on magnetiit. Magnetiit on rauamaak, mis pole mitte ainult väga levinud, vaid on ka kõige suurema rauasisaldusega mineraal. Seda nimetatakse mõnikord lodestone'iks, kuna sellel on ainulaadne omadus omada magnetvälja, mis on alati joondatud maakera magnetväljaga. Sellisena kasutati seda magnetilise kompassina juba 300 eKr.