Какви са свойствата на магнитите? Магнитите са необикновени обекти. Те могат да бутат или дърпат други неща, без всъщност да ги докосват! Хората са знаели замагнитив продължение на хиляди години. В древна Гърция хората открили забележителни скали, наречени магнитни камъни, които действали като магнити. Скалите можеха да се въртят, за да сочат север и юг, изравнявайки се с магнитното поле на земята.
Днес магнитите се използват в много неща, които използваме всеки ден. Има още много за разкриване относно свойствата на магнитите и как можем да ги използваме.
Магнитни материали
Всички неща в света показват някакъв вид магнетизъм. Но силата на магнетизма е много различна за различните неща. Въз основа на свойствата на магнитите имаме пет големи групи: феромагнитни, парамагнитни, диамагнитни, феримагнитни и антиферомагнитни.
Феромагнитните неща като желязо, кобалт и никел показват най-силен магнетизъм. Тяхната малка структура може да обясни силното им привличане към магнитните полета. Атомите във феромагнитните предмети имат несравними електрони, които сочат в една и съща посока в области, наречени магнитни домени. Това насочване в същата посока увеличава магнитното поле и прави постоянен магнит.
Парамагнитните неща като алуминий и платина също се привличат към магнитни полета, но силата е много по-слаба, отколкото при феромагнитните неща. Несъответстващите електрони в парамагнитните атоми сочат в посоката на приложеното поле, но не запазват магнетизация, след като полето бъде премахнато.
Диамагнитните неща като мед и злато показват слаб тласък от магнитните полета. Когато бъдат поставени във външно поле, техните атоми създават индуцирано магнитно поле в обратна посока. Те обаче нямат постоянни атомни диполи.
Феримагнитните неща показват сложно магнитно подреждане, при което несравнимите електрони на атомите в различни решетки се противопоставят един на друг, като в антиферомагнетиците. Но феримагнетиците поддържат постоянна магнетизация, тъй като противоположните несравними електрони са неравни. Ферити като магнетит са ежедневни феромагнитни неща.
Таблица 1: Магнитни материали
Материал | Магнетизъм | Примери |
Феромагнитен | Много силно привличане към магнитни полета | Желязо, кобалт, никел |
Парамагнитни | Слабо привличане към магнитни полета | Алуминий, платина |
Диамагнитни | Слабо отблъскване от магнитни полета | Мед, злато |
Феримагнитни | Сложна центровка, постоянно намагнитване | Магнетит, ферити |
Антиферомагнитен | Пълно подравняване, без нетно намагнитване | Хром, манган |
Магнитни домейни
Всички феромагнитни материали имат малки магнити вътре в тях, наречени атомни диполи. Тези малки магнити обикновено сочат в произволни посоки, така че взаимно се компенсират. Това означава, че материалът няма цялостен магнетизъм, когато е оставен сам. Но когато материалът се магнетизира, малките магнити вътре се подреждат!
Намагнитването се случва, когато групи от атоми, наречени магнитни домейни, карат своите малки магнити да сочат по същия начин. Малките магнити са насочени заедно във всеки домейн, защото са силно свързани. Но различни домейни ще сочат произволни посоки, преди да се случи намагнитването.
Външни сили като магнитни полета могат да накарат домейните да растат и да подредят своите малки магнити. Това прави постоянен магнит. Нагряването на материал също дава енергия на малките магнити да се движат. Това позволява на домейните да подредят своите малки магнити.
Други неща, които влияят на това как са подредени домейни на малки магнити, включват напрежение, граници на зърната, примеси и демагнетизиращи полета. Силата на магнита зависи от това колко домейни подреждат малките си магнити и колко добре устояват на външни сили, които се опитват да ги объркат.
Магнитни полета
Магнитите създават невидими области около себе си, наречени магнитни полета. Магнитният поток е пространството около магнита, където можете да усетите неговата сила. За да видим магнитния поток, рисуваме линии на магнитното поле. Повече линии означават по-силно магнитно поле. Линиите излизат от северния полюс на магнита и се извиват около южния му полюс.
Магнитните полета възникват, когато малки електрически заряди се движат наоколо. Вътре в атомите електроните се въртят и обикалят по орбити. Всеки атом е малък магнит със собствен северен и южен полюс. В магнитните материали малките магнити в домейни се подреждат. Това комбинира всичките им магнитни полета, за да направи едно голямо магнитно поле, насочено в една посока. Ето как постоянните магнити получават толкова силни магнитни полета.
Невидимото магнитно поле е по-силно и по-близо до магнита. Той става по-слаб, когато се отдалечавате. По-малките магнити имат по-малки и по-слаби магнитни полета. По-големите магнити имат по-големи и по-силни магнитни полета.
Магнитни полюси
Магнитите имат северен и южен полюс. Това са области, където магнитната сила е най-силна. Противоположните полюси се привличат. Северният и южният полюс се слепват. Същите полюси се отблъскват един от друг. Два северни полюса или два южни полюса се отблъскват и раздалечават.
Това се случва поради начина, по който текат линиите на невидимото магнитно поле. Линиите преминават от северния до южния полюс вътре в магнита. На атомно ниво всеки малък магнит вътре има линии на магнитно поле, протичащи от север на юг. В един магнит всички малки магнити подреждат своите магнитни полета.
Постоянни магнити
Докато някои материали като желязото са естествено магнитни, постоянните магнити често се произвеждат изкуствено чрез намагнитване. Желязото, никелът, кобалтът или сплавите обикновено правят най-добрите постоянни магнити.
Магнетизирането включва излагане на материала на силно външно магнитно поле от електромагнит или друг постоянен магнит. Това кара магнитните домейни да растат и да се подравняват с външното поле, създавайки силен постоянен магнит. Твърдите магнити се противопоставят на размагнитването, докато меките магнити губят своя магнетизъм по-лесно.
Силата на постоянния магнит корелира с неговата коерцитивност, интензитета на полето, необходим за размагнитването му. Материалите с висока коерцитивност могат да направят мощни постоянни магнити, но са по-трудни за първоначално магнетизиране. Максималната плътност на магнитния поток или магнетизацията на насищане и остатъчната магнетизация също оказват влияние върху силата на магнита.
Електромагнити
В допълнение към постоянните магнити, електромагнитите използват електрически ток, за да индуцират временен магнетизъм. Когато електрически ток преминава през навита тел, той генерира магнитно поле, успоредно на оста на намотката. Силата на полето се увеличава с повече вериги и по-висок ток.
Материалът вътре в намотката също има значение. Мекото желязо прави магнитното поле по-силно. Желязото може да накара един електромагнит да повдигне 100 пъти повече. Но желязото също забавя скоростта на реакция на магнита.
Електромагнитите се нуждаят от енергия, за да останат магнитни. Постоянните магнити не го правят. Но електромагнитите могат да се включват и изключват бързо. Тяхната сила също може да се промени моментално. Това ги прави подходящи за повдигане на тежко желязо и MRI сканиране, което се нуждае от променящи се магнитни полета.
Магнитна сила и магнитен момент
Колко магнитно е нещо зависи от това колко магнетизъм се случва в близост до магнитно поле. Нарича се магнитен момент колко добре се подрежда с магнитното поле. Това зависи от малките градивни елементи на материала, наречени атоми, главно електрони, които са сами, а не по двойки. Те действат като малки магнити.
Силният магнит може да задържи много магнитна сила, протичаща през него. Това се нарича намагнитване на насищане. Силният магнит запазва повече от своя магнетизъм, когато външното поле изчезне. Това се нарича остатъчна устойчивост. Магнетизмът идва от електроните, които се въртят и орбитират. Така че малки правила на квантовата физика контролират магнитната сила.
Магнитни свойства
Няколко основни свойства на магнитите помагат да се характеризират магнитните характеристики:
● Намагнитване на насищане: Максималната възможна плътност на магнитния поток, който материал може да генерира в приложено поле. Измерено в Тесла.
● Остатъчна намагнитност: Оставащата магнетизация, когато задвижващото поле е премахнато. Колко магнетизъм остава?
● Принудително: Силата на обратното магнитно поле, необходима за демагнетизиране на материала обратно до нула. Устойчив на размагнитване.
● Пропускливост: Способност да поддържа образуването на магнитно поле вътре в себе си. Високата пропускливост концентрира магнитния поток.
● Хистерезис: Склонност към запазване на наложен магнетизъм. Материалите със значителен хистерезис правят ефективни постоянни магнити.
Оптимизирането на тези свойства на магнитите е от съществено значение при избора на подходящия магнитен материал за дадено приложение, независимо дали се постига най-високата постоянна сила на полето или се максимизират обратимите промени на потока.
Магнитен хистерезис
Магнитите могат да действат по вълнуващи начини! Магнитите показват явление, наречено хистерезис. Тяхното намагнитване следва различен път всеки път, когато промените външното магнитно поле. Точният път зависи от предишната история на намагнитване на магнита.
Можете да видите това, когато начертаете как се променя плътността на магнитния поток B при промяна на приложеното магнитно поле H. Този график прави цикъл, наречен хистерезис.
Отначало малките магнитни региони в магнита, наречени домейни, бавно се подреждат, докато увеличавате H. След като всички те са подредени, по-нататъшните увеличения на H вече не променят B. След това, когато намалите H, B следва различна крива. Когато H е нула, остава известно намагнитване от подредените домейни. Трябва да приложите магнитно поле в обратна посока, за да върнете намагнитването обратно до нула.
Областта вътре в хистерезисната верига показва загуба на енергия, тъй като домейните се променят всеки цикъл. Твърдите магнити имат широки контури и значителни загуби на енергия. Формата на примката също ви казва за свойствата на магнита, като например колко добре остава магнетизиран и колко трудно е да се демагнетизира.
Температурни ефекти
Топлинната енергия може да повлияе на поведението на магнитите! С повишаването на температурата малките подредени магнитни области в магнита, наречени домейни, се разклащат от топлинната енергия. Това намалява намагнитването. При висока температура на Кюри топлинната енергия обърква магнитния ред и постоянният магнетизъм изчезва напълно.
Колко лесно е магнитът да загуби магнетизацията си зависи от неговата температура на Кюри. Най-високата температура на Кюри от всеки чист елемент е желязото при 1043 К. Добавянето на неща като никел и кобалт за направата на сплави повишава точката на Кюри по-високо. Топлоустойчивите постоянни магнити ви позволяват да използвате магнити в приложения като генератори и двигатели.
Охлаждащите магнити под точката на Кюри карат намагнитването да се повишава отново. Свръхпроводящите електромагнити работят само при ниски температури, където електрическото съпротивление изчезва, за да създават мощни, трайни магнитни полета.
Таблица 2: Температурни ефекти върху магнетизма
Температурен ефект | Описание |
Температура на Кюри | Над тази температура постоянният магнетизъм се губи |
Термично разбъркване | Може да наруши подреждането на магнитните домейни |
Охлаждане под точката на Кюри | Увеличава намагнитването, тъй като топлинното движение намалява |
Криогенни температури | Активирайте свръхпроводящи електромагнити с постоянни полета с висока якост |
Магнитни приложения
Магнитите са универсален инструмент, намиращ се в индустриалния пейзаж в приложения като:
● Двигатели - Въртящите се електрически двигатели разчитат на магнити, преобразуващи между механична и електрическа енергия чрез електромагнитна индукция. Малки двигатели задвижват устройства от вентилатори до твърди дискове.
● Генератори - Турбинните генератори произвеждат електричество чрез въртене на магнити близо до телени бобини, предизвиквайки протичане на ток.
● Магнитно съхранение - Твърдите дискове записват данни чрез обръщане на намагнитването на малки домейни върху феромагнитен диск.
● Левитация – влаковете Maglev използват магнити, за да се носят над релсите, елиминирайки триенето за безшумно и плавно пътуване.
● Медицински устройства - ЯМР машините използват силни свръхпроводящи магнити за откриване на промени в магнитното поле на тялото за диагностично изображение.
● Изследвания - Масспектрометрите огъват заредените частици с магнитни полета, за да определят тяхната маса и химическа структура.
● Възобновяема енергия - Магнитните лагери стабилизират маховите колела, съхранявайки кинетичната енергия, събрана от вятърни или слънчеви източници.
Магнитна левитация
Магнитната левитация или маглев използва магнити, за да кара нещата да плават! Магнитите се отблъскват един от друг. Но уникалните магнитни настройки могат да осигурят стабилно плаване.
Бързите маглев влакове вече се движат в Азия и Европа. Плаването над коловоза означава липса на триене от колелата, така че маглев влаковете да могат да развиват над 600 км/ч! Без колела или лагери, те са по-тихи и по-плавни за ускоряване и спиране. Те също така използват по-малко енергия от обикновените влакове.
Maglev е валиден не само за влакове! Може да помогне за изстрелване на космически кораби, създаване на ускорители на частици, създаване на лагери без триене и спиране на вибрациите в сградите. Инженерите все още подобряват свръхсилните магнити. Това може да позволи на маглев влаковете да свързват цели градове в бъдеще.
Добавянето на повече за това как работи maglev, употребата в реалния свят и бъдещите възможности обяснява просто тази усъвършенствана концепция. Младите ученици могат да разберат плаващите влакове чрез магнитни сили без триене и да си представят други приложения на тази готина технология.
Заключение
От малки магнити за хладилник до дълги километри магнити, захранващи термоядрени реактори, магнитите са безценни в ежедневието ни. Разбирането на уникалните свойства на магнитите продължава да стимулира открития, водещи до нови приложения. Авангардни области като спинтрониката и магнитните монополи съдържат възможности за следващо поколение електроника и дори квантови компютри.
Тъй като има още много да се разбере за квантовите основи на магнетизма, изследванията допълнително ще разкрият техния огромен потенциал. Остава да открием още много за това какво могат да ни позволят да постигнем свойствата на магнитите.
Често задавани въпроси относно свойствата на магнитите
Какви са единиците за сила на магнитното поле?
Силата на магнитното поле се определя количествено в ампери на метър (A/m) или тесла (T). Една тесла се равнява на един нютон на амперметър. Силата на магнитното поле на Земята е около 0,5 гауса или 50 микротесла.
Как изчислявате магнитния поток?
Магнитният поток през повърхност се изчислява чрез умножаване на силата на магнитното поле, перпендикулярната площ и косинуса на ъгъла.
Какви материали се използват в свръхпроводящите магнити?
Свръхпроводящите магнити обикновено използват свръхпроводници като намотки от ниобий-титан или ниобий-калай, охлаждани с течен хелий. По-новите високотемпературни свръхпроводници позволяват по-малко екстремни нужди от охлаждане за висока напрегнатост на полето.
Мета Описание
Изследвайте завладяващия свят на магнитите. Научете за материалите, домейните, полетата и други свойства на магнитите!