Sisältö
- Mikä on magneettikenttä?
- Pysyvät magneetit
- Onko isoilla magneeteilla voimakas magneettinen voima?
- Mikä on Curie-lämpötila?
- sähkömagneetit
- Sähkömagneettien käyttö
- Mielenkiintoisia magneettista tosiasioita
Monet ihmiset tuntevat magneetit, koska heillä on usein koristemagneetteja keittiön jääkaapissa. Magneeteilla on kuitenkin monia käytännöllisiä tarkoituksia, jotka ovat koristeellisia, ja monet vaikuttavat päivittäiseen elämäämme edes tietämättä sitä.
Magneettien toiminnasta on paljon kysymyksiä ja muita yleisiä magneettikysymyksiä. Kuitenkin, jotta voidaan vastata useimpiin näistä kysymyksistä ja ymmärtää kuinka eri magneeteilla voi olla erilainen magneettikentän voimakkuus, on tärkeää ymmärtää, mikä magneettikenttä on ja miten se muodostuu.
Mikä on magneettikenttä?
Magneettikenttä on voima, joka vaikuttaa varautuneelle hiukkaselle, ja tämän vuorovaikutuksen hallitseva yhtälö on Lorentzin voimalaki. Täydellinen yhtälö an sähkökenttä E ja a magneettikenttä B hiukkasella, jolla on varaus q ja nopeus v on antanut:
vec {F} = q vec {E} + q vec {v} kertaa vec {B}.Muista se, koska voima F, kentät E ja B, ja nopeus v ovat kaikki vektorit, × toiminta on vektori ristiintuote, ei kertolaskua.
Magneettikentät tuotetaan liikkuvilla varautuneilla hiukkasilla, joita usein kutsutaan sähkövirta. Yleisiä sähkövirran magneettikenttien lähteitä ovat sähkömagneetit, kuten yksinkertainen johdin, silmukkalanka ja useita johtosilmukoita sarjassa, jota kutsutaan solenoidi. Maapallon magneettikenttä johtuu myös ytimessä liikkuvista varautuneista hiukkasista.
Jääkaappisi magneetteilla ei kuitenkaan näytä olevan virtaavia virtauksia tai virtalähteitä. Kuinka nuo toimivat?
Pysyvät magneetit
Kestomagneetti on pala ferromagneettinen materiaali jolla on luontainen ominaisuus, joka tuottaa magneettikentän. Luonnollinen vaikutus, joka tuottaa magneettikentän, on elektronin kehruu, ja näiden spinien kohdistus luo magneettisia domeeneja. Nämä domeenit johtavat netomagneettikentään.
Ferromagneettisilla materiaaleilla on yleensä korkea aluejärjestysaste luonnollisessa muodossaan, joka voidaan helposti kohdistaa kokonaan ulkoisella magneettikentällä. Siten ferromagneettisilla magneetteilla on taipumus olla magneettisia luonnossa löydettäessä ja ne säilyttävät helposti magneettiset ominaisuutensa.
Diamagneettiset materiaalit ovat samanlaisia kuin ferromagneettiset materiaalit ja voivat tuottaa magneettikentän luonnossa löydettäessä, mutta reagoivat ulkoisiin kenttiin eri tavalla. Diamagneettinen materiaali tuottaa vastakkaiseen suuntaan suuntautuneen magneettikentän ulkoisen kentän ollessa läsnä. Tämä vaikutus voisi rajoittaa magneetin toivottua lujuutta.
Paramagneettiset materiaalit ovat magneettisia vain ulkoisen, kohdistuvan magneettikentän läsnä ollessa, ja ovat yleensä melko heikkoja.
Onko isoilla magneeteilla voimakas magneettinen voima?
Kuten mainittiin, kestomagneetit koostuvat satunnaisesti kohdistuvista magneettisista domeeneista. Jokaisessa verkkotunnuksessa on jonkinlainen järjestys, joka luo magneettikentän. Kaikkien domeenien vuorovaikutus yhdessä kappaleessa ferromagneettista materiaalia tuottaa siis magneetin kokonais- tai verkon magneettikentän.
Jos domeenit ovat satunnaisesti kohdistettuja, on todennäköistä, että magneettikenttä voi olla hyvin pieni tai käytännössä nolla. Jos ulkoinen magneettikenttä saatetaan lähelle järjestämätöntä magneettia, domeenit alkavat kohdistua. Kohdistuskentän etäisyys domeeneihin vaikuttaa kokonaiseen kohdistukseen ja siten tuloksena olevaan magneettikenttään.
Ferromagneettisen materiaalin jättäminen ulkoiseen magneettikentään pitkäksi ajaksi voi auttaa tilauksen suorittamisessa ja tuotetun magneettikentän kasvattamisessa. Samoin kestomagneetin nettomagneettikenttää voidaan vähentää tuomalla sisään useita satunnaisia tai häiritseviä magneettikenttiä, jotka voivat kohdistaa alueita väärin ja vähentää nettomagneettikentää.
Vaikuttaako magneetin koko sen lujuuteen? Lyhyt vastaus on kyllä, mutta vain siksi, että magneetin koko tarkoittaa, että on suhteellisesti enemmän domeeneja, jotka voivat kohdistaa ja tuottaa voimakkaamman magneettikentän kuin pienempi pala samasta materiaalista. Kuitenkin, jos magneetin pituus on erittäin pitkä, on lisääntynyt mahdollisuus, että hajaantuneet magneettikentät kohdistavat alueet väärään suuntaan ja vähentävät nettomagneettikenttää.
Mikä on Curie-lämpötila?
Toinen vaikuttava tekijä magneetin lujuus on lämpötila. Ranskalainen fyysikko Pierre Curie totesi vuonna 1895, että magneettisilla materiaaleilla on lämpötilaraja, jolloin niiden magneettiset ominaisuudet voivat muuttua. Erityisesti domeenit eivät enää enää kohdistu yhtä hyvin, joten viikon domeenien kohdistaminen johtaa heikkoon netomagneettikentään.
Raudan osalta Curie-lämpötila on noin 1418 astetta Fahrenheit. Magnetiitin kohdalla se on noin 1060 astetta Fahrenheit. Huomaa, että nämä lämpötilat ovat huomattavasti alhaisemmat kuin niiden sulamispisteet. Siten magneetin lämpötila voi vaikuttaa sen lujuuteen.
sähkömagneetit
Eri luokka magneetteja ovat sähkömagneetit, jotka ovat pääosin magneetteja, jotka voidaan kytkeä päälle ja pois.
Yleisin sähkömagneetti, jota käytetään erilaisissa teollisissa sovelluksissa, on solenoidi. Solenoidi on sarja virtapiirejä, jotka johtavat tasaiseen kenttään silmukoiden keskellä. Tämä johtuu tosiasiasta, että jokainen yksittäinen virtapiiri luo pyöreän magneettikentän langan ympärille. Asettamalla useita sarjaan, magneettikenttien superpositio luo suoran, yhtenäisen kentän silmukoiden keskuksen läpi.
Solenoidimagneettikentän voimakkuuden yhtälö on yksinkertaisesti: B = μ0ni, missä μ0 _on vapaan tilan läpäisevyys, _n on nykyisten silmukoiden lukumäärä pituusyksikköä kohti ja minä on niiden läpi virtaava virta. Magneettikentän suunnan määräävät oikeanpuoleinen sääntö ja virran virtaussuunta, ja sen vuoksi sitä voidaan muuttaa kääntämällä virran suuntaa.
On erittäin helppo nähdä, että solenoidin lujuutta voidaan säätää kahdella ensisijaisella tavalla. Ensinnäkin solenoidin läpi kulkevaa virtaa voidaan lisätä. Vaikka näyttää siltä, että virtaa voidaan mielivaltaisesti lisätä, virransyötölle tai piirin resistanssille voi olla rajoituksia, mikä voi aiheuttaa vahinkoa, jos virta ylitetään.
Siksi turvallisempi tapa lisätä solenoidin magneettista lujuutta on lisätä virtapiirien lukumäärää. Magneettikenttä kasvaa selvästi suhteessa. Ainoa rajoitus tässä tapauksessa voi olla käytettävissä olevan johtimen määrä tai alueelliset rajoitukset, jos solenoidi on liian pitkä virtaussilmukoiden määrän vuoksi.
Sähkömagneetteja on monenlaisia kuin solenoidit, mutta kaikilla on sama yleinen ominaisuus: Niiden lujuus on verrannollinen virran virtaukseen.
Sähkömagneettien käyttö
Sähkömagneetit ovat kaikkialla levinneitä ja niillä on monia käyttötarkoituksia. Yleinen ja hyvin yksinkertainen esimerkki sähkömagneetista, erityisesti solenoidista, on kaiutin. Kaiuttimen läpi kulkeva virta aiheuttaa solenoidimagneettikentän voimakkuuden lisääntymisen ja vähentymisen.
Kun näin tapahtuu, solenoidin toiseen päähän ja värisevää pintaa vasten asetetaan toinen magneetti, erityisesti kestomagneetti. Koska kaksi magneettikenttää houkuttelevat ja hylkivät muuttuvan solenoidikentän takia, värähtelevää pintaa vedetään ja työnnetään muodostaen ääni.
Parempilaatuiset kaiuttimet käyttävät korkealaatuisia solenoideja, kestomagneetteja ja väriseviä pintoja korkealaatuisemman äänentoiston aikaansaamiseksi.
Mielenkiintoisia magneettista tosiasioita
Maailman suurin magneetti on maa itse! Kuten mainittiin, maapallolla on magneettikenttä, joka johtuu maan ytimelle luotuista virroista. Vaikka se ei ole kovin voimakas magneettikenttä suhteessa moniin pieniin kannettaviin magneetteihin tai hiukkaskiihdyttimiin käytetyn kerran, maa itse on yksi suurimmista magneeteista, joita tiedämme!
Toinen mielenkiintoinen magneettinen materiaali on magnetiitti. Magnetiitti on rautamalmi, joka ei ole vain kovin yleinen, vaan mineraali, jolla on korkein rautapitoisuus. Sitä kutsutaan joskus lodestoneksi, koska sen ainutlaatuisella ominaisuudella on magneettikenttä, joka on aina linjassa maan magneettikentän kanssa. Sellaisena sitä käytettiin magneettisena kompassina jo 300 eKr.