Indhold
- Hvad er et magnetfelt?
- Permanente magneter
- Har store magneter en stærk magnetisk kraft?
- Hvad er curietemperaturen?
- elektromagneter
- Anvendelse af elektromagneter
- Interessante fakta om magnetisme
Mange mennesker kender magneter, fordi de ofte har dekorative magneter på deres køleskab. Imidlertid har magneter mange praktiske formål ud over dekoration, og mange påvirker vores daglige liv uden at vi engang ved det.
Der er mange spørgsmål om, hvordan magneter fungerer, og andre generelle spørgsmål om magnetisme. For at besvare de fleste af disse spørgsmål og forstå hvordan forskellige magneter kan have forskellige styrker af magnetiske felter, er det dog vigtigt at forstå, hvad et magnetfelt er, og hvordan det produceres.
Hvad er et magnetfelt?
Et magnetfelt er en kraft, der virker på en ladet partikel, og den regulerende ligning for denne vekselvirkning er Lorentz tvangslovgivning. Den fulde ligning for kraften af en elektrisk felt E og a magnetfelt B på en partikel med ladning q og hastighed v gives af:
vec {F} = q vec {E} + q vec {v} times vec {B}.Husk det, fordi styrken F, markerne E og B, og hastigheden v er alle vektorer, × operation er vektor kryds produkt, ikke multiplikation.
Magnetiske felter produceres ved at bevæge ladede partikler, ofte kaldet elektrisk strøm. Almindelige kilder til magnetiske felter fra elektrisk strøm er elektromagneter, såsom en simpel ledning, en ledning i en løkke og adskillige ledningssløjfer i en serie, der kaldes en solenoide. Jordets magnetiske felt er også forårsaget af bevægelse af ladede partikler i kernen.
Disse magneter på dit køleskab ser imidlertid ikke ud til at have flydende strømme eller strømkilder. Hvordan fungerer disse?
Permanente magneter
En permanent magnet er et stykke af ferromagnetisk materiale der har en iboende egenskab, der producerer et magnetfelt. Den iboende virkning, der producerer et magnetfelt, er en elektronspind, og justeringen af disse spins skaber magnetiske domæner. Disse domæner resulterer i et nettomagnetisk felt.
Ferromagnetiske materialer har en tendens til at have en høj grad af domænerækkefølge i deres naturligt forekommende form, som let kan justeres helt ved hjælp af et eksternt magnetfelt. Ferromagnetiske magneter har således en tendens til at være magnetiske, når de findes i naturen og let beholder deres magnetiske egenskaber.
Diamagnetiske materialer ligner ferromagnetiske materialer og kan producere et magnetfelt, når de findes i naturen, men reagerer på eksterne felter forskelligt. Diamagnetisk materiale vil producere et modsat orienteret magnetfelt i nærvær af et eksternt felt. Denne effekt kan begrænse den ønskede styrke af magneten.
Paramagnetiske materialer er kun magnetiske i nærvær af et eksternt, justerende magnetfelt og har en tendens til at være ret svage.
Har store magneter en stærk magnetisk kraft?
Som nævnt består permanente magneter af magnetiske domæner, der samler sig tilfældigt. Inden for hvert domæne er der en vis grad af rækkefølge, der skaber et magnetfelt. Samspillet mellem alle domæner i et stykke ferromagnetisk materiale producerer derfor det samlede magnetiske felt eller det samlede magnetfelt for magneten.
Hvis domænerne er tilfældigt justeret, er det sandsynligt, at der kan være et meget lille eller effektivt nul magnetfelt. Hvis et eksternt magnetfelt bringes tæt på den uordnede magnet, vil domænerne imidlertid begynde at justeres. Afstanden mellem det justerende felt til domænerne vil påvirke den samlede justering og derfor det resulterende nettomagnetiske felt.
At efterlade et ferromagnetisk materiale i et eksternt magnetfelt i en lang periode kan hjælpe med at afslutte bestillingen og øge det producerede magnetfelt. På lignende måde kan netmagnetfeltet for en permanent magnet reduceres ved at indbringe adskillige tilfældige eller forstyrrende magnetfelter, som kan forkert justere domænerne og reducere det magnetiske netfelt.
Påvirker størrelsen på en magnet dens styrke? Det korte svar er ja, men kun fordi størrelsen på en magnet betyder, at der er forholdsmæssigt flere domæner, der kan justeres og producere et stærkere magnetfelt end et mindre stykke af det samme materiale. Hvis magnetens længde imidlertid er meget lang, er der en øget chance for, at omstrejfede magnetfelter vil justere domæner forkert og reducere det magnetiske nettofelt.
Hvad er curietemperaturen?
En anden medvirkende faktor, magnetstyrken er temperatur. I 1895 bestemte den franske fysiker Pierre Curie, at magnetiske materialer har en temperaturafbrydelse, hvor deres magnetiske egenskaber kan ændres. Specifikt justeres domænerne ikke længere så godt, og ugens domænejustering fører derfor til et svagt netmagnetisk felt.
For jern er Curie-temperaturen omkring 1418 grader Fahrenheit. For magnetit er det omkring 1060 grader Fahrenheit. Bemærk, at disse temperaturer er markant lavere end deres smeltepunkter. Magneten kan således påvirke dens styrke.
elektromagneter
En anden kategori af magneter er elektromagneter, som i det væsentlige er magneter, der kan tændes og slukkes.
Den mest almindelige elektromagnet, der bruges i forskellige industrielle applikationer, er en magnetventil. En magnetventil er en række aktuelle løkker, som resulterer i et ensartet felt i midten af løkkerne. Dette skyldes det faktum, at hver enkelt strømsløjfe skaber et cirkulært magnetfelt omkring ledningen. Ved at placere flere i serie skaber superpositionen af magnetfelterne et lige, ensartet felt gennem midten af løkkerne.
Ligningen for størrelsen af et magnetisk magnetfelt er simpelthen: B = μ0nJeg, hvor μ0 _ er permeabiliteten for fri plads, _n er antallet af aktuelle løkker pr. enhedslængde og jeg er den strøm, der flyder gennem dem. Retningen af magnetfeltet bestemmes af højrehandelen og strømningsretningen, og kan derfor vendes ved at vende strømens retning.
Det er meget let at se, at styrken af en magnetventil kan justeres på to primære måder. For det første kan strømmen gennem solenoiden øges. Selvom det ser ud til, at strømmen vilkårligt kan øges, kan der være begrænsninger på strømforsyningen eller modstanden i kredsløbet, hvilket kan resultere i skader, hvis strømmen trækkes tilbage.
Derfor er en sikrere måde at forøge magnetisk styrke på en solenoid at øge antallet af strømsløjfer. Magnetfeltet forøges klart proportionalt. Den eneste begrænsning i dette tilfælde kan være den ledige mængde, eller rumlige begrænsninger, hvis solenoiden er for lang på grund af antallet af aktuelle løkker.
Der er mange slags elektromagneter ud over solenoider, men alle har den samme generelle egenskab: Deres styrke er proportional med den nuværende strøm.
Anvendelse af elektromagneter
Elektromagneter er allestedsnærværende og har mange anvendelser. Et almindeligt og meget simpelt eksempel på en elektromagnet, specifikt en solenoid, er en højttaler. Den varierende strøm gennem højttaleren får styrken af det magnetiske magnetfelt til at stige og mindske.
Når dette sker, anbringes en anden magnet, specifikt en permanent magnet, i den ene ende af solenoiden og mod en vibrerende overflade. Når de to magnetiske felter tiltrækker og frastøder på grund af det skiftende magnetfelt, trækkes og skubbes den vibrerende overflade og skaber lyd.
Højttalere af bedre kvalitet bruger solenoider af høj kvalitet, permanente magneter og vibrerende overflader for at skabe lydudgang af højere kvalitet.
Interessante fakta om magnetisme
Jordens største størrelse er selve jorden! Som nævnt har jorden et magnetfelt, der skyldes de strømme, der er skabt med jordens kerne. Selvom det ikke er et meget stærkt magnetfelt i forhold til mange små håndholdte magneter eller den engang brugt i partikelacceleratorer, var jorden selv en af de største magneter, vi kender til!
Et andet interessant magnetisk materiale er magnetit. Magnetit er en jernmalm, der ikke kun er meget almindelig, men er det mineral med det højeste jernindhold. Det kaldes undertiden lodsten på grund af dets unikke egenskab at have et magnetfelt, der altid er på linje med jordens magnetfelt. Som sådan blev det brugt som magnetisk kompas allerede i 300 f.Kr.