Magnētu aizraujošo īpašību izpēte

Kādas ir magnētu īpašības? Magnēti ir neparasti objekti. Viņi var stumt vai vilkt citas lietas, tām nepieskaroties! Cilvēki ir zinājuši parmagnētitūkstošiem gadu. Senajā Grieķijā cilvēki atrada ievērojamus akmeņus, ko sauca par akmeņiem, kas darbojās kā magnēti. Akmeņi varēja griezties uz ziemeļiem un dienvidiem, sakrītot ar zemes magnētisko lauku.

Mūsdienās magnēti tiek izmantoti daudzās lietās, ko lietojam ikdienā. Joprojām ir daudz vairāk, kas jāatklāj par to, kādas ir magnētu īpašības un kā mēs varam tās izmantot.

Magnētiskie materiāli

Visām lietām pasaulē ir sava veida magnētisms. Bet magnētisma stiprums dažādās lietās ir ļoti atšķirīgs. Pamatojoties uz magnētu īpašībām, mums ir piecas lielas grupas: feromagnētiskie, paramagnētiskie, diamagnētiskie, ferimagnētiskie un antiferomagnētiskie.

Feromagnētiskām lietām, piemēram, dzelzs, kobalts un niķelis, ir visspēcīgākais magnētisms. To niecīgā struktūra var izskaidrot to spēcīgo pievilkšanos pret magnētiskajiem laukiem. Feromagnētisko lietu atomiem ir nepārspējami elektroni, kas norāda vienā virzienā apgabalos, ko sauc par magnētiskajiem domēniem. Šis rādītājs tajā pašā virzienā palielina magnētisko lauku un veido pastāvīgo magnētu.

Arī paramagnētiskas lietas, piemēram, alumīnijs un platīns, tiek vilktas pret magnētiskajiem laukiem, taču spēks ir daudz vājāks nekā feromagnētiskajās lietās. Nepārspējamie elektroni paramagnētiskajos atomos norāda pielietotā lauka virzienā, bet nesaglabā nekādu magnetizāciju, kad lauks ir noņemts.

Diamagnētiskas lietas, piemēram, varš un zelts, uzrāda vāju grūdienu prom no magnētiskajiem laukiem. Ievietojot ārējā laukā, to atomi veido inducētu magnētisko lauku pretējā virzienā. Tomēr tiem nav pastāvīgu atomu dipolu.

Ferimagnētiskās lietas parāda sarežģītu magnētisko secību, kur dažādu režģu nesaskaņotie atomu elektroni ir pretrunā viens otram, piemēram, antiferomagnētos. Bet ferimagnēti saglabā pastāvīgu magnetizāciju, jo pretējie nepārspējamie elektroni ir nevienlīdzīgi. Ferīti, piemēram, magnetīts, ir ikdienas feromagnētiskas lietas.

1. tabula. Magnētiskie materiāli

Magnētiskie domēni

Visiem feromagnētiskajiem materiāliem ir mazi magnēti, ko sauc par atomu dipoliem. Šie mazie magnēti parasti ir vērsti nejaušos virzienos, tāpēc tie viens otru izslēdz. Tas nozīmē, ka materiālam nav vispārēja magnētisma, ja to atstāj atsevišķi. Bet, kad materiāls kļūst magnetizēts, iekšā esošie mazie magnēti sakrīt!

Magnetizācija notiek, kad atomu grupas, ko sauc par magnētiskajiem domēniem, liek saviem mazajiem magnētiem vērst to pašu ceļu. Mazie magnēti ir vērsti kopā katrā domēnā, jo tie ir cieši saistīti. Bet dažādi domēni norādīs nejaušos virzienos, pirms notiks magnetizācija.

Ārējie spēki, piemēram, magnētiskie lauki, var likt domēniem augt un sakārtot to mazos magnētus. Tas veido pastāvīgo magnētu. Materiāla karsēšana arī dod enerģiju mazajiem magnētiem, lai tie varētu pārvietoties. Tas ļauj domēniem sakārtot savus mazos magnētus.

Citas lietas, kas ietekmē sīko magnētu domēnu izvietojumu, ir spriegums, graudu robežas, piemaisījumi un demagnetizējošie lauki. Magnēta stiprums ir atkarīgs no tā, cik daudz domēnu sakārto savus sīkos magnētus un cik labi tie pretojas ārējiem spēkiem, kas mēģina tos sajaukt.

Magnētiskie lauki

Magnēti ap tiem veido neredzamas zonas, ko sauc par magnētiskajiem laukiem. Magnētiskā plūsma ir telpa ap magnētu, kurā var sajust tā spēku. Lai redzētu magnētisko plūsmu, mēs zīmējam magnētiskā lauka līnijas. Vairāk līniju nozīmē spēcīgāku magnētisko lauku. Līnijas iziet no magnēta ziemeļpola un izliekas ap tā dienvidu polu.

Magnētiskie lauki rodas, kad pārvietojas mazi elektriskie lādiņi. Atomu iekšpusē elektroni griežas un riņķo pa orbītām. Katrs atoms ir mazs magnēts ar savu ziemeļu un dienvidu polu. Magnētiskajos materiālos sīkie magnēti domēnos sarindojas. Tas apvieno visus to magnētiskos laukus, lai izveidotu vienu lielu magnētisko lauku, kas norāda uz vienu pusi. Tā pastāvīgie magnēti iegūst tik spēcīgus magnētiskos laukus.

Neredzamais magnētiskais lauks ir spēcīgāks un tuvāk magnētam. Tas kļūst vājāks, attālinoties. Mazākiem magnētiem ir mazāki un vājāki magnētiskie lauki. Lielākiem magnētiem ir lielāki un spēcīgāki magnētiskie lauki.

Magnētiskie stabi

Magnētiem ir ziemeļu un dienvidu poli. Tās ir zonas, kurās magnētiskais spēks ir visspēcīgākais. Pretējie poli piesaista viens otru. Ziemeļu un dienvidu pols turas kopā. Tie paši stabi atgrūžas viens no otra. Divi ziemeļpoli vai divi dienvidu poli atgrūž un atgrūž.

Tas notiek tāpēc, ka plūst neredzamās magnētiskās lauka līnijas. Līnijas iet no ziemeļpola līdz dienvidu polam magnēta iekšpusē. Atomu līmenī katram mazajam magnētam iekšpusē ir magnētiskā lauka līnijas, kas plūst no ziemeļiem uz dienvidiem. Magnētā visi mazie magnēti sarindo savus magnētiskos laukus.

Pastāvīgie magnēti

Lai gan daži materiāli, piemēram, dzelzs, dabiski ir magnētiski, pastāvīgie magnēti bieži tiek mākslīgi ražoti, magnetizējot. Dzelzs, niķelis, kobalts vai sakausējumi parasti veido labākos pastāvīgos magnētus.

Magnetizācija ietver materiāla pakļaušanu spēcīgam ārējam magnētiskajam laukam no elektromagnēta vai cita pastāvīgā magnēta. Tas izraisa magnētisko domēnu augšanu un saskaņošanu ar ārējo lauku, radot spēcīgu pastāvīgo magnētu. Cietie magnēti iztur demagnetizāciju, savukārt mīkstie magnēti vieglāk zaudē savu magnētismu.

Pastāvīgā magnēta stiprums korelē ar tā koercivitāti, lauka intensitāti, kas nepieciešama tā demagnetizēšanai. Augsti piespiedu materiāli var radīt spēcīgus pastāvīgos magnētus, taču sākotnēji tos ir grūtāk magnetizēt. Maksimālais magnētiskās plūsmas blīvums vai piesātinājuma magnetizācija un atlikušā magnetizācija arī ietekmē magnēta spēku.

Elektromagnēti

Papildus pastāvīgajiem magnētiem elektromagnēti izmanto elektrisko strāvu, lai izraisītu pagaidu magnētismu. Kad elektriskā strāva iet cauri satītai stieplei, tā rada magnētisko lauku paralēli spoles asij. Lauka stiprums palielinās, palielinoties cilpām un lielākai strāvai.

Svarīgs ir arī materiāls spoles iekšpusē. Mīkstais dzelzs padara magnētisko lauku stiprāku. Dzelzs var likt elektromagnētam pacelt 100 reizes vairāk. Bet dzelzs arī palēnina magnēta reakcijas ātrumu.

Elektromagnētiem ir nepieciešama jauda, ​​lai tie paliktu magnētiski. Pastāvīgie magnēti to nedara. Taču elektromagnēti var ātri ieslēgties un izslēgties. Arī viņu spēks var mainīties uzreiz. Tas padara tos piemērotus smagu dzelzs un MRI skenējumu celšanai, kuriem nepieciešams mainīt magnētiskos laukus.

Magnētiskais spēks un magnētiskais moments

Tas, cik magnētisks ir, ir atkarīgs no tā, cik daudz magnētisma notiek magnētiskā lauka tuvumā. Cik labi tas sakrīt ar magnētisko lauku, sauc par magnētisko momentu. Tas ir atkarīgs no materiāla sīkajiem blokiem, ko sauc par atomiem, galvenokārt no elektroniem, kas atrodas atsevišķi, nevis pa pāriem. Tie darbojas kā mazi magnēti.

Spēcīgs magnēts var saturēt lielu magnētisko spēku, kas plūst caur to. To sauc par piesātinājuma magnetizāciju. Spēcīgs magnēts saglabā vairāk sava magnētisma, kad ārējais lauks pazūd. To sauc par remanenci. Magnētisms rodas no elektronu griešanās un riņķošanas. Tātad mazie kvantu fizikas noteikumi kontrolē magnētisko spēku.

Magnētiskās īpašības

Vairākas magnētu pamatīpašības palīdz raksturot magnētisko veiktspēju:

● Piesātinājuma magnetizācija: maksimālais iespējamais magnētiskās plūsmas blīvums, ko materiāls var radīt pielietotā laukā. Mērīts Teslas.

● Remanence: atlikušā magnetizācija, kad braukšanas lauks tiek noņemts. Cik daudz magnētisma paliek?

● Piespiedu kārtā: apgrieztā magnētiskā lauka stiprums, kas nepieciešams, lai materiālu atmagnetizētu līdz nullei. Iztur demagnetizāciju.

● Caurlaidība: spēja atbalstīt magnētiskā lauka veidošanos sevī. Augsta caurlaidība koncentrē magnētisko plūsmu.

● Histerēze: tieksme saglabāt uzspiesto magnētismu. Materiāli ar ievērojamu histerēzi veido efektīvus pastāvīgos magnētus.

Šo magnētu īpašību optimizēšana ir būtiska, izvēloties piemērotu magnētisko materiālu konkrētam lietojumam, neatkarīgi no tā, vai tiek sasniegts vislielākais pastāvīgā lauka stiprums vai maksimizētas atgriezeniskas plūsmas izmaiņas.

Magnētiskā histerēze

Magnēti var darboties aizraujošā veidā! Magnēti parāda fenomenu, ko sauc par histerēzi. To magnetizācija iet pa citu ceļu katru reizi, kad ciklējat ārējo magnētisko lauku. Precīzs ceļš ir atkarīgs no magnēta iepriekšējās magnetizācijas vēstures.

To var redzēt, uzzīmējot, kā mainās magnētiskās plūsmas blīvums B, mainoties pielietotajam magnētiskajam laukam H. Šis grafiks veido cilpu, ko sauc par histerēzes cilpu.

Sākumā mazie magnēta magnētiskie apgabali, ko sauc par domēniem, lēnām sarindojas, palielinoties H. Kad tie visi ir sarindoti, turpmākais H pieaugums vairs nemaina B. Pēc tam, samazinot H, B seko citai līknei. Kad H ir nulle, no izlīdzinātajiem domēniem paliek pāri magnetizācija. Lai magnetizācija atgrieztos līdz nullei, jāpielieto magnētiskais lauks pretējā virzienā.

Apgabals histerēzes cilpas iekšpusē parāda enerģiju, kas zaudēta, jo domēni mainās katrā ciklā. Cietajiem magnētiem ir plašas cilpas un ievērojami enerģijas zudumi. Cilpas forma arī stāsta par magnēta īpašībām, piemēram, cik labi tas paliek magnetizēts un cik grūti to ir atmagnetizēt.

Temperatūras ietekme

Siltuma enerģija var ietekmēt magnētu darbību! Temperatūrai paaugstinoties, siltumenerģijas ietekmē tiek izkustināti mazie izlīdzinātie magnētiskie apgabali magnētā, ko sauc par domēniem. Tas samazina magnetizāciju. Augstā Kirī temperatūrā siltuma enerģija izjauc magnētisko kārtību, un pastāvīgais magnētisms pilnībā izzūd.

Tas, cik viegli magnētam ir zaudēt magnetizāciju, ir atkarīgs no tā Kirī temperatūras. Augstākā Kirī temperatūra no jebkura tīra elementa ir dzelzs pie 1043 K. Ja sakausējumu ražošanai pievieno tādas lietas kā niķelis un kobalts, Kirī punkts tiek paaugstināts. Karstumizturīgie pastāvīgie magnēti ļauj izmantot magnētus tādās lietojumprogrammās kā ģeneratori un motori.

Atdzesējot magnētus zem Kirī punkta, magnetizācija atkal palielinās. Supravadošie elektromagnēti darbojas tikai aukstā temperatūrā, kur pazūd elektriskā pretestība, veidojot spēcīgus, noturīgus magnētiskos laukus.

2. tabula. Temperatūras ietekme uz magnētismu

Magnētiskie pielietojumi

Magnēti ir daudzpusīgs rīks, kas atrodams visā rūpnieciskajā vidē, piemēram:

● Motori — rotējošie elektromotori balstās uz magnētiem, kas elektromagnētiskās indukcijas ceļā pārveido mehānisko un elektrisko enerģiju. Mazie motori darbina ierīces no ventilatoriem uz cietajiem diskiem.

● Ģeneratori — turbīnu ģeneratori ražo elektroenerģiju, griežot magnētus vadu spoļu tuvumā, izraisot strāvas plūsmu.

● Magnētiskā krātuve — cietie diski ieraksta datus, mainot feromagnētiskā diska sīko domēnu magnetizāciju.

● Levitācija — Maglev vilcieni izmanto magnētus, lai peldētu virs sliežu ceļa, tādējādi novēršot berzi klusai un vienmērīgai braukšanai.

● Medicīnas ierīces — MRI aparāti izmanto spēcīgus supravadošus magnētus, lai noteiktu ķermeņa magnētiskā lauka izmaiņas diagnostikas attēlveidošanai.

● Pētījumi — masas spektrometri ar magnētisko lauku palīdzību saliec lādētas daļiņas, lai noteiktu to masu un ķīmisko struktūru.

● Atjaunojamā enerģija – magnētiskie gultņi stabilizē spararatus, saglabājot kinētisko enerģiju, kas iegūta no vēja vai saules avotiem.

Magnētiskā levitācija

Magnētiskā levitācija jeb maglev izmanto magnētus, lai lietas peldētu! Magnēti attālinās viens no otra. Bet unikālie magnētu iestatījumi var nodrošināt stabilu peldēšanu.

Ātrie maglev vilcieni jau kursē Āzijā un Eiropā. Peldēšana virs sliežu ceļa nozīmē, ka nav berzes no riteņiem, lai maglev vilcieni varētu braukt virs 600 km/h! Bez riteņiem vai gultņiem tie ir klusāki un vienmērīgāki, lai paātrinātu un apstātos. Tie arī patērē mazāk enerģijas nekā parastie vilcieni.

Maglev ir derīgs ne tikai vilcieniem! Tas varētu palīdzēt palaist kosmosa kuģus, izgatavot daļiņu paātrinātājus, izveidot bezberzes gultņus un apturēt vibrāciju ēkās. Inženieri joprojām uzlabo īpaši spēcīgus magnētus. Tas nākotnē var ļaut maglev vilcieniem savienot veselas pilsētas.

Pievienojot vairāk par Maglev darbību, izmantošanu reālajā pasaulē un nākotnes iespējām, šī uzlabotā koncepcija ir vienkārši izskaidrota. Jaunie skolēni var izprast peldošos vilcienus, izmantojot bezberzes magnētu spēkus, un iedomāties citus šīs lieliskās tehnoloģijas pielietojumus.

Secinājums

No maziem ledusskapja magnētiem līdz jūdžu gariem magnētiem, kas darbina kodolsintēzes reaktorus, magnēti ir nenovērtējami mūsu ikdienas dzīvē. Izpratne par magnētu unikālajām īpašībām turpina veicināt atklājumus, kas noved pie jauniem lietojumiem. Progresīvās jomas, piemēram, spintronika un magnētiskie monopoli, sniedz iespējas nākamās paaudzes elektronikai un pat kvantu datoriem.

Tā kā vēl ir daudz jāsaprot par magnētisma kvantu pamatiem, pētījumi vēl vairāk atklās to milzīgo potenciālu. Joprojām ir vēl daudz ko atklāt par to, kādas magnētu īpašības var mums palīdzēt sasniegt.

Bieži uzdotie jautājumi par magnētu īpašībām

Kādas ir magnētiskā lauka intensitātes mērvienības?

Magnētiskā lauka stiprumu nosaka ampēros uz metru (A/m) vai teslās (T). Viena tesla ir vienāda ar vienu ņūtonu uz ampērmetru. Zemes magnētiskā lauka stiprums ir aptuveni 0,5 gauss vai 50 mikroteslas.

Kā aprēķināt magnētisko plūsmu?

Magnētisko plūsmu caur virsmu aprēķina, reizinot magnētiskā lauka intensitāti, perpendikulāro laukumu un leņķa kosinusu.

Kādi materiāli tiek izmantoti supravadošos magnētos?

Supravadošie magnēti parasti izmanto supravadītājus, piemēram, niobija-titāna vai niobija-alvas spoles, kas atdzesētas ar šķidru hēliju. Jaunāki augstas temperatūras supravadītāji nodrošina mazāk ārkārtējas dzesēšanas vajadzības lielām lauka intensitātēm.

Meta apraksts

Izpētiet valdzinošo magnētu pasauli. Uzziniet par materiāliem, domēniem, laukiem un citām magnētu īpašībām!