Περιεχόμενο
- Τι είναι ένα μαγνητικό πεδίο;
- Μόνιμοι μαγνήτες
- Οι μεγάλοι μαγνήτες έχουν ισχυρή μαγνητική δύναμη;
- Ποια είναι η θερμοκρασία Curie;
- Ηλεκτρομαγνήτες
- Χρήσεις ηλεκτρομαγνήτων
- Ενδιαφέρον γεγονότα μαγνητισμού
Πολλοί άνθρωποι εξοικειώνονται με τους μαγνήτες επειδή συχνά διαθέτουν διακοσμητικούς μαγνήτες στο ψυγείο της κουζίνας τους. Ωστόσο, οι μαγνήτες έχουν πολλούς πρακτικούς σκοπούς πέρα από τη διακόσμηση και πολλοί επηρεάζουν την καθημερινότητά μας χωρίς να το γνωρίζουμε.
Υπάρχουν πολλές ερωτήσεις σχετικά με το πώς λειτουργούν οι μαγνήτες και άλλα γενικά ερωτήματα μαγνητισμού. Ωστόσο, για να απαντήσουμε στις περισσότερες από αυτές τις ερωτήσεις και για να καταλάβουμε πόσο διαφορετικοί μαγνήτες μπορούν να έχουν διαφορετικές δυνάμεις μαγνητικών πεδίων, είναι σημαντικό να καταλάβουμε τι είναι ένα μαγνητικό πεδίο και πώς παράγεται.
Τι είναι ένα μαγνητικό πεδίο;
Ένα μαγνητικό πεδίο είναι μια δύναμη που ενεργεί σε ένα φορτισμένο σωματίδιο, και η εξισώνοντας εξουσία για αυτή την αλληλεπίδραση είναι η Ο νόμος του Λόρεντς ισχύει. Η πλήρης εξίσωση για τη δύναμη ενός ηλεκτρικό πεδίο μι και ένα μαγνητικό πεδίο Β σε ένα σωματίδιο με φορτίο q και ταχύτητα v δίνεται από:
vec {F} = q vec {E} + q vec {v} times vec {B}.Να θυμάστε ότι επειδή η δύναμη φά, τα γηπεδα μι και σι, και την ταχύτητα v είναι όλοι φορείς, το × η λειτουργία είναι η διαγώνιο προϊόν φορέα, όχι πολλαπλασιασμός.
Τα μαγνητικά πεδία παράγονται με τη μετακίνηση φορτισμένων σωματιδίων, συχνά καλούμενων ηλεκτρικό ρεύμα. Κοινές πηγές μαγνητικών πεδίων από ηλεκτρικό ρεύμα είναι ηλεκτρομαγνήτες, όπως ένα απλό σύρμα, ένα σύρμα σε ένα βρόχο και αρκετοί βρόχοι σύρματος σε μια σειρά η οποία ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα. Το γήινο μαγνητικό πεδίο προκαλείται επίσης από την κίνηση φορτισμένων σωματιδίων στον πυρήνα.
Ωστόσο, αυτοί οι μαγνήτες στο ψυγείο σας δεν φαίνεται να έχουν ρεύματα ροής ή πηγές ενέργειας. Πώς λειτουργούν αυτά;
Μόνιμοι μαγνήτες
Ένας μόνιμος μαγνήτης είναι ένα κομμάτι σιδηρομαγνητικό υλικό που έχει μια εγγενή ιδιότητα που παράγει ένα μαγνητικό πεδίο. Το εγγενές αποτέλεσμα που παράγει ένα μαγνητικό πεδίο είναι μια περιστροφή ηλεκτρονίων και η ευθυγράμμιση αυτών των περιστροφών δημιουργεί μαγνητικούς τομείς. Αυτές οι περιοχές έχουν ως αποτέλεσμα ένα καθαρό μαγνητικό πεδίο.
Τα σιδηρομαγνητικά υλικά τείνουν να έχουν έναν υψηλό βαθμό τοποθέτησης τομέων στην φυσικά απαντώμενη μορφή τους, η οποία μπορεί εύκολα να ευθυγραμμιστεί πλήρως από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Έτσι, οι σιδηρομαγνητικοί μαγνήτες τείνουν να είναι μαγνητικοί όταν βρίσκονται στη φύση και διατηρούν εύκολα τις μαγνητικές τους ιδιότητες.
Διαμαγνητικά υλικά είναι παρόμοια με τα σιδηρομαγνητικά υλικά και μπορεί να παράγουν μαγνητικό πεδίο όταν βρίσκονται στη φύση, αλλά ανταποκρίνονται διαφορετικά σε εξωτερικά πεδία. Το διαμαγνητικό υλικό θα παράγει ένα αντίθετα προσανατολισμένο μαγνητικό πεδίο παρουσία ενός εξωτερικού πεδίου. Αυτή η επίδραση θα μπορούσε να περιορίσει την επιθυμητή ισχύ του μαγνήτη.
Παραμαγνητικά υλικά είναι μόνο μαγνητικά παρουσία ενός εξωτερικού, ευθυγραμμισμένου μαγνητικού πεδίου και τείνουν να είναι αρκετά αδύναμοι.
Οι μεγάλοι μαγνήτες έχουν ισχυρή μαγνητική δύναμη;
Όπως αναφέρθηκε, οι μόνιμοι μαγνήτες αποτελούνται από μαγνητικούς τομείς που ευθυγραμμίζονται τυχαία. Σε κάθε τομέα, υπάρχει κάποιος βαθμός παραγγελίας που δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Η αλληλεπίδραση όλων των τομέων σε ένα κομμάτι σιδηρομαγνητικού υλικού παράγει συνεπώς το συνολικό ή καθαρό μαγνητικό πεδίο για τον μαγνήτη.
Αν οι τομείς είναι τυχαία ευθυγραμμισμένοι, είναι πιθανό να υπάρχει ένα πολύ μικρό ή πραγματικά μηδενικό μαγνητικό πεδίο. Ωστόσο, εάν ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο φτάσει κοντά στον μη διευθετημένο μαγνήτη, οι τομείς θα αρχίσουν να ευθυγραμμίζονται. Η απόσταση του πεδίου ευθυγράμμισης με τις περιοχές θα επηρεάσει τη συνολική ευθυγράμμιση, και συνεπώς το προκύπτον καθαρό μαγνητικό πεδίο.
Η απομάκρυνση ενός σιδηρομαγνητικού υλικού σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο για μεγάλο χρονικό διάστημα μπορεί να βοηθήσει στην ολοκλήρωση της παραγγελίας και στην αύξηση του παραγόμενου μαγνητικού πεδίου. Παρομοίως, το καθαρό μαγνητικό πεδίο ενός μόνιμου μαγνήτη μπορεί να μειωθεί φέρνοντας πολλά τυχαία ή παρεμβαλλόμενα μαγνητικά πεδία, τα οποία μπορούν να εξαλείψουν τα πεδία και να μειώσουν το καθαρό μαγνητικό πεδίο.
Το μέγεθος ενός μαγνήτη επηρεάζει τη δύναμή του; Η σύντομη απάντηση είναι ναι, αλλά μόνο επειδή το μέγεθος ενός μαγνήτη σημαίνει ότι υπάρχουν αναλογικά περισσότερα πεδία που μπορούν να ευθυγραμμιστούν και να παράγουν ένα ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο από ένα μικρότερο κομμάτι του ίδιου υλικού. Ωστόσο, εάν το μήκος του μαγνήτη είναι πολύ μεγάλο, υπάρχει αυξημένη πιθανότητα ότι τα αδέσποτα μαγνητικά πεδία θα εξαλείψουν τα πεδία και θα μειώσουν το καθαρό μαγνητικό πεδίο.
Ποια είναι η θερμοκρασία Curie;
Ένας άλλος παράγοντας που συνεισφέρει είναι η αντοχή του μαγνήτη θερμοκρασία. Το 1895, ο γάλλος φυσικός Pierre Curie κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα μαγνητικά υλικά έχουν αποκοπή θερμοκρασίας στο σημείο που μπορούν να αλλάξουν οι μαγνητικές τους ιδιότητες. Συγκεκριμένα, οι τομείς δεν ευθυγραμμίζονται πλέον, καθώς η ευθυγράμμιση τομέα εβδομάδας οδηγεί σε ένα ασθενές καθαρό μαγνητικό πεδίο.
Για το σίδερο, η θερμοκρασία Curie είναι περίπου 1418 βαθμούς Φαρενάιτ. Για μαγνητίτη, είναι περίπου 1060 βαθμούς Φαρενάιτ. Σημειώστε ότι αυτές οι θερμοκρασίες είναι σημαντικά χαμηλότερες από τα σημεία τήξης τους. Έτσι, η θερμοκρασία του μαγνήτη μπορεί να επηρεάσει τη δύναμή του.
Ηλεκτρομαγνήτες
Μια διαφορετική κατηγορία μαγνητών είναι ηλεκτρομαγνήτες, τα οποία είναι ουσιαστικά μαγνήτες που μπορούν να ενεργοποιηθούν και να απενεργοποιηθούν.
Ο πιό κοινός ηλεκτρομαγνήτης που χρησιμοποιείται σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές είναι ένα σωληνοειδές. Μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα είναι μια σειρά βρόχων ρεύματος, που οδηγούν σε ένα ομοιόμορφο πεδίο στο κέντρο των βρόχων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι κάθε μεμονωμένος βρόχος ρεύματος δημιουργεί ένα κυκλικό μαγνητικό πεδίο γύρω από το καλώδιο. Με την τοποθέτηση αρκετών σε σειρά, η υπέρθεση των μαγνητικών πεδίων δημιουργεί ένα ίσιο, ομοιόμορφο πεδίο μέσα από το κέντρο των βρόχων.
Η εξίσωση για το μέγεθος ενός σωληνοειδούς μαγνητικού πεδίου είναι απλά: Β = μ0nI, που μ0 είναι η διαπερατότητα του ελεύθερου χώρου, _n είναι ο αριθμός των βρόχων ρεύματος ανά μονάδα μήκους και Εγώ είναι το ρεύμα που ρέει μέσα από αυτά. Η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου καθορίζεται από τον κανόνα του δεξιού χεριού και την κατεύθυνση της ροής ρεύματος και επομένως μπορεί να αντιστραφεί αντιστρέφοντας την κατεύθυνση του ρεύματος.
Είναι πολύ εύκολο να δείτε ότι η ισχύς ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μπορεί να ρυθμιστεί με δύο βασικούς τρόπους. Κατ 'αρχάς, το ρεύμα μέσω της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας μπορεί να αυξηθεί. Παρόλο που φαίνεται ότι το ρεύμα μπορεί να αυξηθεί αυθαίρετα, μπορεί να υπάρχουν περιορισμοί στην τροφοδοσία ρεύματος ή στην αντίσταση του κυκλώματος, κάτι που μπορεί να προκαλέσει ζημιά σε περίπτωση υπέρβασης του ρεύματος.
Επομένως, ένας ασφαλέστερος τρόπος αύξησης της μαγνητικής αντοχής ενός σωληνοειδούς είναι η αύξηση του αριθμού των βρόχων ρεύματος. Το μαγνητικό πεδίο αυξάνεται σαφώς αναλογικά. Ο μόνος περιορισμός στην περίπτωση αυτή μπορεί να είναι η ποσότητα του διαθέσιμου καλωδίου ή οι περιορισμοί χώρου εάν η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα είναι πολύ μεγάλη λόγω του αριθμού των βρόχων ρεύματος.
Υπάρχουν πολλά είδη ηλεκτρομαγνητών εκτός των σωληνοειδών, αλλά όλα έχουν την ίδια γενική ιδιότητα: Η αντοχή τους είναι ανάλογη με την τρέχουσα ροή.
Χρήσεις ηλεκτρομαγνήτων
Οι ηλεκτρομαγνήτες είναι πανταχού παρόντες και έχουν πολλές χρήσεις. Ένα κοινό και πολύ απλό παράδειγμα ενός ηλεκτρομαγνήτη, συγκεκριμένα ενός σωληνοειδούς, είναι ομιλητής. Το μεταβαλλόμενο ρεύμα μέσω του ηχείου προκαλεί την αύξηση και μείωση της αντοχής του ηλεκτρομαγνητικού μαγνητικού πεδίου.
Καθώς συμβαίνει αυτό, ένας άλλος μαγνήτης, συγκεκριμένα ένας μόνιμος μαγνήτης, τοποθετείται στο ένα άκρο της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας και επάνω σε μια δονητική επιφάνεια. Καθώς τα δύο μαγνητικά πεδία προσελκύουν και απωθείται λόγω του μεταβαλλόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, η δόνηση επιφάνεια τραβιέται και ωθείται δημιουργώντας ήχο.
Καλύτερα ηχεία ποιότητας χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνήτες υψηλής ποιότητας, μόνιμους μαγνήτες και δονητικές επιφάνειες για τη δημιουργία υψηλότερης ποιότητας ήχου.
Ενδιαφέρον γεγονότα μαγνητισμού
Ο μεγαλύτερος μαγνήτης μεγέθους στον κόσμο είναι η ίδια η Γη! Όπως αναφέρθηκε, η γη έχει ένα μαγνητικό πεδίο που οφείλεται στα ρεύματα που δημιουργούνται με τον πυρήνα της γης. Αν και δεν είναι ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο σε σχέση με πολλούς μικρούς χειροκίνητους μαγνήτες ή τη φορά που χρησιμοποιούνται σε επιταχυντές σωματιδίων, η ίδια η Γη είναι ένας από τους μεγαλύτερους μαγνήτες που γνωρίζουμε!
Ένα άλλο ενδιαφέρον μαγνητικό υλικό είναι ο μαγνητίτης. Ο μαγνητίτης είναι ένα σιδηρομετάλλευμα που δεν είναι μόνο πολύ κοινό, αλλά είναι το ορυκτό με την υψηλότερη περιεκτικότητα σε σίδηρο. Μερικές φορές ονομάζεται υποστύλωμα, λόγω της μοναδικής ιδιότητάς του να διαθέτει μαγνητικό πεδίο που είναι πάντα ευθυγραμμισμένο με το μαγνητικό πεδίο της γης. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιήθηκε ως μαγνητική πυξίδα ήδη από το 300 π.Χ.