Conţinut
- Ce este un câmp magnetic?
- Magneți permanenți
- Magneții mari au o forță magnetică puternică?
- Care este temperatura Curie?
- electromagneți
- Utilizarea electromagnetilor
- Fapte interesante de magnetism
Mulți oameni sunt familiarizați cu magneții, deoarece au deseori magneți decorativi pe frigiderul de bucătărie. Totuși, magneții au multe scopuri practice dincolo de decorare și mulți ne afectează viața de zi cu zi, fără ca noi să știm măcar.
Există o mulțime de întrebări despre modul în care funcționează magneții și alte întrebări generale despre magnetism. Cu toate acestea, pentru a răspunde la majoritatea acestor întrebări și pentru a înțelege modul în care diferiți magneți pot avea diferite puteri ale câmpurilor magnetice, este important să înțelegem ce este un câmp magnetic și cum este produs.
Ce este un câmp magnetic?
Un câmp magnetic este o forță care acționează asupra unei particule încărcate, iar ecuația de guvernare pentru această interacțiune este Legea forței Lorentz. Ecuația completă pentru forța unui câmp electric E și a câmp magnetic B pe o particulă cu sarcină q si viteza v este dat de:
vec {F} = q vec {E} + q vec {v} times vec {B}.Amintiți-vă asta pentru că forța F, Câmpurile E și B, și viteza v sunt toți vectori, × operația este vector produs încrucișat, nu multiplicare.
Câmpurile magnetice sunt produse prin mișcarea particulelor încărcate, adesea numite curent electric. Surse comune ale câmpurilor magnetice din curentul electric sunt electromagnetii, cum ar fi un fir simplu, un fir într-o buclă și mai multe bucle de sârmă dintr-o serie care se numește a solenoid. Câmpul magnetic al pământului este cauzat și de mișcarea particulelor încărcate în miez.
Totuși, acești magneți de pe frigiderul dvs. nu par să aibă curenți curgători sau surse de alimentare. Cum funcționează acestea?
Magneți permanenți
Un magnet permanent este o bucată de material feromagnetic care are o proprietate intrinsecă care produce un câmp magnetic. Efectul intrinsec care produce un câmp magnetic este un spin de electroni, iar alinierea acestor rotiri creează domenii magnetice. Aceste domenii au drept rezultat un câmp magnetic net.
Materialele ferromagnetice tind să aibă un grad ridicat de ordonare a domeniului în forma lor naturală, care poate fi ușor aliniată în întregime de un câmp magnetic extern. Astfel magneții ferromagnetici tind să fie magnetici atunci când se găsesc în natură și își păstrează cu ușurință proprietățile magnetice.
Materiale diamagnetice sunt similare cu materialele ferromagnetice și pot produce un câmp magnetic atunci când se găsesc în natură, dar răspund diferit la câmpurile externe. Materialul diamagnetic va produce un câmp magnetic orientat opus în prezența unui câmp extern. Acest efect ar putea limita rezistența dorită a magnetului.
Materiale paramagnetice sunt numai magnetice în prezența unui câmp magnetic extern, aliniat și tind să fie destul de slabe.
Magneții mari au o forță magnetică puternică?
După cum am menționat, magneții permanenți constau din domenii magnetice care se aliniază aleatoriu. În fiecare domeniu, există un anumit grad de comandă care creează un câmp magnetic. Prin urmare, interacțiunea tuturor domeniilor dintr-o singură bucată de material feromagnetic produce câmpul magnetic total sau net, pentru magnet.
Dacă domeniile sunt aliniate la întâmplare, este posibil să existe un câmp magnetic foarte mic sau efectiv zero. Cu toate acestea, dacă un câmp magnetic extern este apropiat de magnetul neordonat, domeniile vor începe să se alinieze. Distanța câmpului de aliniere față de domenii va efectua alinierea totală și, prin urmare, câmpul magnetic net rezultat.
Lăsarea unui material ferromagnetic într-un câmp magnetic extern o perioadă lungă de timp poate ajuta la finalizarea comenzii și la creșterea câmpului magnetic produs. În mod similar, câmpul magnetic net al unui magnet permanent poate fi diminuat prin aducerea mai multor câmpuri magnetice aleatoare sau care interferează, ceea ce poate să alinieze domeniile și să reducă câmpul magnetic net.
Dimensiunea unui magnet afectează rezistența sa? Răspunsul scurt este da, dar numai pentru că mărimea unui magnet înseamnă că există proporțional mai multe domenii care pot alinia și produce un câmp magnetic mai puternic decât o piesă mai mică din același material. Cu toate acestea, dacă lungimea magnetului este foarte lungă, există șanse mari ca câmpurile magnetice rătăcite să alinieze domeniile și să scadă câmpul magnetic net.
Care este temperatura Curie?
Un alt factor care contribuie la rezistența magnetului este temperatura. În 1895, fizicianul francez Pierre Curie a stabilit că materialele magnetice au o întrerupere a temperaturii, moment în care proprietățile lor magnetice se pot schimba. Mai exact, domeniile nu se mai aliniază la fel, astfel că aliniamentul domeniului săptămânii duce la un câmp magnetic slab net.
Pentru fier, temperatura Curie este în jur de 1418 grade Fahrenheit. Pentru magnetită, acesta este în jur de 1060 grade Fahrenheit. Rețineți că aceste temperaturi sunt semnificativ mai mici decât punctele de topire ale acestora. Astfel, temperatura magnetului poate afecta rezistența acestuia.
electromagneți
O altă categorie de magneți sunt electromagneți, care sunt în esență magneți care pot fi porniți și dezactivați.
Cel mai frecvent electromagnet care este utilizat în diferite aplicații industriale este un solenoid. Un solenoid este o serie de bucle curente, care rezultă într-un câmp uniform în centrul buclelor. Acest lucru se datorează faptului că fiecare bucle individuale de curent creează un câmp magnetic circular în jurul sârmei. Prin plasarea mai multor serii, superpoziția câmpurilor magnetice creează un câmp drept și uniform prin centrul buclelor.
Ecuația pentru mărimea unui câmp magnetic solenoidal este pur și simplu: B = μ0nV, Unde μ0 _ este permeabilitatea spațiului liber, _n este numărul de bucle curente pe unitatea de lungime și eu este curentul care curge prin ele. Direcția câmpului magnetic este determinată de regula din dreapta și de direcția fluxului de curent și, prin urmare, poate fi inversată prin inversarea direcției curentului.
Este foarte ușor de observat că rezistența unui solenoid poate fi ajustată în două moduri primare. În primul rând, curentul prin solenoid poate fi crescut. Deși pare că curentul poate fi crescut în mod arbitrar, pot exista limitări la sursa de alimentare sau la rezistența circuitului, ceea ce poate duce la deteriorarea dacă curentul este supraîncărcat.
Prin urmare, un mod mai sigur de a crește rezistența magnetică a unui solenoid este de a crește numărul de bucle de curent. Câmpul magnetic crește clar proporțional. Singura limitare în acest caz poate fi cantitatea de sârmă disponibilă sau limitările spațiale dacă solenoidul este prea lung din cauza numărului de bucle curente.
Există multe tipuri de electromagneti pe lângă solenoide, dar toate au aceeași proprietate generală: rezistența lor este proporțională cu fluxul de curent.
Utilizarea electromagnetilor
Electromagnetii sunt omniprezenti si au multe utilizari. Un exemplu obișnuit și foarte simplu de electromagnet, în special un solenoid, este un difuzor. Curentul diferit prin difuzor face ca rezistența câmpului magnetic solenoid să crească și să scadă.
Pe măsură ce se întâmplă acest lucru, un alt magnet, în special un magnet permanent, este plasat la un capăt al solenoidului și pe o suprafață vibrantă. Pe măsură ce cele două câmpuri magnetice se atrag și se resping datorită câmpului solenoidal în schimbare, suprafața vibrantă este trasă și împinsă creând sunet.
Difuzoarele de mai bună calitate utilizează solenoizi de înaltă calitate, magneți permanenți și suprafețe vibrante pentru a crea o ieșire de sunet de calitate superioară.
Fapte interesante de magnetism
Magnetul de cea mai mare dimensiune din lume este pământul în sine! După cum am menționat, pământul are un câmp magnetic care se datorează curenților creați cu miezul pământului. Deși nu este un câmp magnetic foarte puternic în raport cu mulți magneți de mână mici sau cândva folosit în acceleratoarele de particule, pământul în sine este unul dintre cei mai mari magneți de care știm!
Un alt material magnetic interesant este magnetita. Magnetitul este un minereu de fier care nu numai că este foarte frecvent, dar este mineralul cu cel mai mare conținut de fier. Se numește uneori piatră, datorită proprietății sale unice de a avea un câmp magnetic care este întotdeauna aliniat cu câmpul magnetic al pământului. Ca atare, a fost folosit ca busolă magnetică încă din 300 î.Hr.