Įspūdingų magnetų savybių tyrinėjimas

Kokios yra magnetų savybės? Magnetai yra nepaprasti objektai. Jie gali stumti ar traukti kitus daiktus jų neliesdami! Žmonės žinojo apiemagnetaitūkstančius metų. Senovės Graikijoje žmonės rado nuostabių uolienų, vadinamų lodestones, kurios veikė kaip magnetai. Uolos gali suktis į šiaurę ir pietus, lygiuodamos su žemės magnetiniu lauku.

Šiandien magnetai naudojami daugelyje dalykų, kuriuos naudojame kasdien. Dar reikia daug daugiau sužinoti apie tai, kokios yra magnetų savybės ir kaip galime jas panaudoti.

Magnetinės medžiagos

Visi dalykai pasaulyje rodo tam tikrą magnetizmą. Tačiau magnetizmo stiprumas labai skiriasi. Remiantis magnetų savybėmis, mes skiriame penkias dideles grupes: feromagnetines, paramagnetines, diamagnetines, ferimagnetines ir antiferomagnetines.

Feromagnetiniai dalykai, tokie kaip geležis, kobaltas ir nikelis, pasižymi stipriausiu magnetizmu. Jų maža struktūra gali paaiškinti jų stiprų trauką magnetinių laukų link. Feromagnetinių dalykų atomai turi neprilygstamų elektronų, nukreiptų ta pačia kryptimi srityse, vadinamose magnetiniais domenais. Šis nukreipimas ta pačia kryptimi padidina magnetinį lauką ir sukuria nuolatinį magnetą.

Paramagnetiniai dalykai, tokie kaip aliuminis ir platina, taip pat traukiami link magnetinių laukų, tačiau jėga yra daug silpnesnė nei feromagnetiniuose daiktuose. Neprilygstami paramagnetinių atomų elektronai rodo taikomo lauko kryptį, bet nepalaiko jokio įmagnetinimo, kai laukas pašalinamas.

Diamagnetiniai dalykai, tokie kaip varis ir auksas, rodo silpną stūmimą nuo magnetinių laukų. Patekę į išorinį lauką, jų atomai sukuria indukuotą magnetinį lauką priešinga kryptimi. Tačiau jie neturi nuolatinių atominių dipolių.

Ferimagnetiniai dalykai rodo sudėtingą magnetinę tvarką, kai nesuderinami skirtingų gardelių atomų elektronai priešinasi vienas kitam, kaip antiferomagnetuose. Tačiau ferimagnetai išlaiko nuolatinį įmagnetinimą, nes priešingi neprilygstami elektronai yra nelygūs. Feritai, tokie kaip magnetitas, yra kasdieniai feromagnetiniai dalykai.

1 lentelė. Magnetinės medžiagos

Magnetiniai domenai

Visos feromagnetinės medžiagos turi mažyčius magnetus, vadinamus atominiais dipoliais. Šie mažyčiai magnetai paprastai nukreipti atsitiktinėmis kryptimis, todėl vienas kitą panaikina. Tai reiškia, kad palikta viena medžiaga neturi bendro magnetizmo. Bet kai medžiaga tampa įmagnetinta, viduje esantys mažyčiai magnetai išsirikiuoja!

Įmagnetinimas įvyksta, kai atomų grupės, vadinamos magnetiniais domenais, savo mažyčius magnetus nukreipia tuo pačiu keliu. Maži magnetai yra nukreipti kartu kiekvienos srities viduje, nes jie yra stipriai sujungti. Tačiau skirtingi domenai bus nukreipti atsitiktinėmis kryptimis prieš įvykstant įmagnetinimui.

Išorinės jėgos, pavyzdžiui, magnetiniai laukai, gali priversti domenus augti ir sureguliuoti mažyčius magnetus. Tai sukuria nuolatinį magnetą. Medžiagos kaitinimas taip pat suteikia energijos mažiems magnetams judėti. Tai leidžia domenams išdėstyti savo mažyčius magnetus.

Kiti dalykai, turintys įtakos mažų magnetų sričių išdėstymui, yra įtempiai, grūdelių ribos, priemaišos ir demagnetizuojantys laukai. Magneto stiprumas priklauso nuo to, kiek domenų sujungia mažyčius magnetus ir kaip gerai jie priešinasi išorinėms jėgoms, bandančioms juos sujaukti.

Magnetiniai laukai

Magnetai aplink juos sukuria nematomas sritis, vadinamus magnetiniais laukais. Magnetinis srautas yra erdvė aplink magnetą, kurioje galite pajusti jo jėgą. Norėdami pamatyti magnetinį srautą, nubrėžiame magnetinio lauko linijas. Daugiau linijų reiškia stipresnį magnetinį lauką. Linijos išeina iš magneto šiaurinio poliaus ir vingiuoja iki pietų poliaus.

Magnetiniai laukai atsiranda, kai juda maži elektros krūviai. Atomų viduje elektronai sukasi ir skrieja orbitomis. Kiekvienas atomas yra mažas magnetas, turintis savo šiaurės ir pietų polius. Magnetinėse medžiagose maži magnetai domenuose išsirikiuoja. Tai sujungia visus jų magnetinius laukus, kad būtų vienas didelis magnetinis laukas, nukreiptas į vieną pusę. Taip nuolatiniai magnetai gauna tokius stiprius magnetinius laukus.

Nematomas magnetinis laukas yra stipresnis ir arčiau magneto. Jis tampa silpnesnis, kai tolstate. Mažesni magnetai turi mažesnius ir silpnesnius magnetinius laukus. Didesni magnetai turi didesnį ir stipresnį magnetinį lauką.

Magnetiniai poliai

Magnetai turi šiaurinį ir pietinį polius. Tai yra sritys, kuriose magnetinė jėga yra stipriausia. Priešingi poliai traukia vienas kitą. Šiaurės ir Pietų ašigaliai laikosi kartu. Tie patys poliai stumiasi vienas nuo kito. Du šiaurės ašigaliai arba du pietų ašigaliai atstumia ir atsiskiria.

Taip nutinka dėl to, kaip teka nematomos magnetinio lauko linijos. Linijos eina nuo šiaurinio poliaus iki pietų poliaus magneto viduje. Atominiame lygyje kiekvienas mažas magnetas viduje turi magnetinio lauko linijas, tekančias iš šiaurės į pietus. Magnete visi maži magnetai išrikiuoja savo magnetinius laukus.

Nuolatiniai magnetai

Nors kai kurios medžiagos, pavyzdžiui, geležis, yra natūraliai magnetinės, nuolatiniai magnetai dažnai gaminami dirbtinai įmagnetinant. Geležis, nikelis, kobaltas arba lydiniai paprastai yra geriausi nuolatiniai magnetai.

Įmagnetinimas apima medžiagos veikimą stipriu išoriniu magnetiniu lauku iš elektromagneto ar kito nuolatinio magneto. Dėl to magnetiniai domenai auga ir susilygina su išoriniu lauku, todėl susidaro stiprus nuolatinis magnetas. Kietieji magnetai atsparūs išmagnetinimui, o minkštieji magnetai lengviau praranda magnetizmą.

Nuolatinio magneto stiprumas koreliuoja su jo koercyvumu, lauko intensyvumu, reikalingu jam išmagnetinti. Didelės prievartos medžiagos gali pagaminti galingus nuolatinius magnetus, tačiau iš pradžių jas įmagnetinti sunkiau. Didžiausias magnetinio srauto tankis arba soties įmagnetinimas ir likutinis įmagnetinimas taip pat turi įtakos magneto stiprumui.

Elektromagnetai

Be nuolatinių magnetų, elektromagnetai naudoja elektros srovę laikinam magnetizmui sukelti. Kai elektros srovė teka per suvyniotą laidą, ji sukuria magnetinį lauką lygiagrečiai ritės ašiai. Lauko stiprumas didėja esant daugiau kilpų ir didinant srovę.

Ritės viduje esanti medžiaga taip pat svarbi. Minkšta geležis sustiprina magnetinį lauką. Geležis gali priversti elektromagnetą pakelti 100 kartų daugiau. Tačiau geležis taip pat sulėtina magneto reakciją.

Elektromagnetams reikia energijos, kad jie išliktų magnetiniai. Nuolatiniai magnetai to nedaro. Tačiau elektromagnetai gali greitai įsijungti ir išsijungti. Jų galia taip pat gali pasikeisti akimirksniu. Dėl to jie tinkami sunkiems geležies ir MRT skenavimui, kuriam reikia keisti magnetinius laukus.

Magnetinė jėga ir magnetinis momentas

Kiek kažkas yra magnetinis, priklauso nuo to, kiek magnetizmo vyksta šalia magnetinio lauko. Kaip gerai jis susilieja su magnetiniu lauku, vadinamas magnetiniu momentu. Tai priklauso nuo mažyčių medžiagos statybinių blokų, vadinamų atomais, daugiausia elektronų, kurie yra vieni, o ne poromis. Jie veikia kaip maži magnetukai.

Stiprus magnetas gali išlaikyti daug magnetinės galios, tekančios per jį. Tai vadinama prisotinimo įmagnetinimu. Stiprus magnetas išlaiko daugiau savo magnetizmo, kai išnyksta išorinis laukas. Tai vadinama remanencija. Magnetizmas atsiranda dėl elektronų sukimosi ir skriejimo. Taigi mažytės kvantinės fizikos taisyklės valdo magnetinį stiprumą.

Magnetinės savybės

Kelios pagrindinės magnetų savybės padeda apibūdinti magnetinį veikimą:

● Saturation Magnetization: didžiausias galimas magnetinio srauto tankis, kurį medžiaga gali sukurti taikomame lauke. Matuojama Teslas.

● Remanence: likęs įmagnetinimas pašalinus vairavimo lauką. Kiek liko magnetizmo?

● Priverstinai: atvirkštinio magnetinio lauko stipris, reikalingas medžiagai išmagnetinti iki nulio. Atsparus demagnetizacijai.

● Pralaidumas: gebėjimas palaikyti magnetinio lauko susidarymą savyje. Didelis pralaidumas koncentruoja magnetinį srautą.

● Histerezė: polinkis išlaikyti primestą magnetizmą. Medžiagos, turinčios didelę histerezę, sukuria veiksmingus nuolatinius magnetus.

Šių magnetų savybių optimizavimas yra būtinas renkantis tam tikram pritaikymui tinkamą magnetinę medžiagą, nesvarbu, ar pasiekiamas didžiausias nuolatinis lauko stiprumas, ar maksimaliai padidinami grįžtami srauto pokyčiai.

Magnetinė histerezė

Magnetai gali veikti įdomiai! Magnetai pasižymi reiškiniu, vadinamu histereze. Jų įmagnetinimas eina skirtingu keliu kiekvieną kartą, kai veikiate išoriniu magnetiniu lauku. Tikslus kelias priklauso nuo ankstesnės magneto įmagnetinimo istorijos.

Tai galite pamatyti, kai nubraižote, kaip keičiasi magnetinio srauto tankis B, kai keičiasi taikomas magnetinis laukas H. Šis brėžinys sudaro kilpą, vadinamą histerezės kilpa.

Iš pradžių mažytės magnetinės magnetinės sritys, vadinamos domenais, lėtai išsirikiuoja, kai didinate H. Kai jie visi yra vienoje eilėje, tolesnis H padidėjimas nebekeičia B. Tada, kai sumažinate H, B seka kita kreivė. Kai H yra nulis, iš suderintų domenų lieka šiek tiek įmagnetinimo. Norint grąžinti įmagnetinimą iki nulio, reikia taikyti priešingos krypties magnetinį lauką.

Plotas histerezės kilpos viduje rodo energiją, prarastą, kai domenai keičiasi kiekvieną ciklą. Kietieji magnetai turi plačias kilpas ir didelius energijos nuostolius. Kilpos forma taip pat pasakoja apie magneto savybes, pavyzdžiui, kaip gerai jis išlieka įmagnetintas ir kaip sunku jį išmagnetinti.

Temperatūros poveikis

Šilumos energija gali paveikti magnetų elgesį! Kylant temperatūrai, mažyčiai išlygiuoti magnetiniai regionai magnete, vadinami domenais, juda dėl šilumos energijos. Dėl to įmagnetinimas sumažėja. Esant aukštai Curie temperatūrai, šilumos energija sujaukia magnetinę tvarką, o nuolatinis magnetizmas visiškai išnyksta.

Kaip lengvai magnetas gali prarasti įmagnetinimą, priklauso nuo jo Curie temperatūros. Aukščiausia bet kurio gryno elemento Curie temperatūra yra 1043 K geležies. Pridėjus tokių medžiagų kaip nikelis ir kobaltas lydiniams gaminti, Curie taškas pakyla aukščiau. Karščiui atsparūs nuolatiniai magnetai leidžia naudoti magnetus tokiose srityse kaip generatoriai ir varikliai.

Aušinant magnetus žemiau Curie taško, įmagnetinimas vėl didėja. Superlaidieji elektromagnetai veikia tik esant žemai temperatūrai, kai elektrinė varža išnyksta ir sukuria galingus, ilgalaikius magnetinius laukus.

2 lentelė. Temperatūros poveikis magnetizmui

Magnetinės programos

Magnetai yra universalus įrankis, randamas pramoniniame kraštovaizdyje tokiose srityse kaip:

● Varikliai – besisukantys elektros varikliai priklauso nuo magnetų, kurie per elektromagnetinę indukciją paverčia mechaninę ir elektros energiją. Maži varikliai varo įrenginius nuo ventiliatorių iki standžiųjų diskų.

● Generatoriai – turbininiai generatoriai gamina elektros energiją sukdami magnetus šalia vielos ritių, sukeldami srovės srautą.

● Magnetinė saugykla – standieji diskai įrašo duomenis pakeisdami mažų feromagnetinio disko domenų įmagnetinimą.

● Levitacija – Maglev traukiniai naudoja magnetus, kurie plūduriuoja virš bėgių, pašalina trintį, kad važiavimas būtų tylus ir sklandus.

● Medicinos prietaisai – magnetinio rezonanso aparatuose naudojami stiprūs superlaidūs magnetai, kurie nustato kūno magnetinio lauko pokyčius diagnostiniam vaizdavimui.

● Tyrimai – masių spektrometrai sulenkia įkrautas daleles magnetiniais laukais, kad nustatytų jų masę ir cheminę struktūrą.

● Atsinaujinanti energija – Magnetiniai guoliai stabilizuoja smagračius, kaupdami kinetinę energiją, surinktą iš vėjo ar saulės šaltinių.

Magnetinė levitacija

Magnetinė levitacija arba maglev naudoja magnetus, kad daiktai plūduriuotų! Magnetai stumiasi vienas nuo kito. Tačiau unikalūs magnetų nustatymai gali užtikrinti stabilų plūduriavimą.

Greitieji maglev traukiniai jau kursuoja Azijoje ir Europoje. Plaukimas virš bėgių reiškia jokios trinties nuo ratų, todėl maglev traukiniai gali važiuoti daugiau nei 600 km/val. Be ratų ar guolių, jie yra tylesni ir sklandesni, kad pagreitėtų ir sustotų. Jie taip pat sunaudoja mažiau energijos nei įprasti traukiniai.

Maglev galioja ne tik traukiniams! Tai galėtų padėti paleisti erdvėlaivius, gaminti dalelių greitintuvus, sukurti be trinties guolius ir sustabdyti vibraciją pastatuose. Inžinieriai vis dar tobulina itin stiprius magnetus. Tai ateityje gali leisti maglev traukiniams sujungti ištisus miestus.

Pridėjus daugiau apie tai, kaip veikia maglev, kaip naudojamas realiame pasaulyje ir apie ateities galimybes, ši pažangi koncepcija paaiškinama paprastai. Jaunieji studentai gali suprasti plūduriuojančius traukinius per trinties magnetų jėgas ir įsivaizduoti kitus šios šaunios technologijos pritaikymus.

Išvada

Nuo mažyčių šaldytuvo magnetų iki mylių ilgio magnetų, maitinančių sintezės reaktorius, magnetai yra neįkainojami mūsų kasdieniame gyvenime. Unikalių magnetų savybių supratimas ir toliau skatina atradimus, vedančius prie naujų pritaikymų. Pažangiausios sritys, tokios kaip spintronika ir magnetiniai monopoliai, suteikia galimybių naujos kartos elektronikai ir net kvantiniams kompiuteriams.

Kadangi dar daug ką reikia suprasti apie kvantinius magnetizmo pagrindus, tyrimai dar labiau atskleis jų didžiulį potencialą. Dar reikia daug sužinoti apie tai, kokių magnetų savybių galime pasiekti.

DUK apie magnetų savybes

Kokie yra magnetinio lauko stiprumo vienetai?

Magnetinio lauko stiprumas matuojamas amperais vienam metrui (A/m) arba teslomis (T). Viena tesla yra lygi vienam niutonui ampermetre. Žemės magnetinio lauko stipris yra maždaug 0,5 gausso arba 50 mikroteslų.

Kaip apskaičiuoti magnetinį srautą?

Magnetinis srautas per paviršių apskaičiuojamas padauginus magnetinio lauko stiprumą, statmeną plotą ir kampo kosinusą.

Kokios medžiagos naudojamos superlaidžiuose magnetuose?

Superlaidžiuose magnetuose paprastai naudojami superlaidininkai, tokie kaip niobio-titano arba niobio-alavo ritės, aušinamos skystu heliu. Naujesni aukštos temperatūros superlaidininkai leidžia sumažinti ekstremalių aušinimo poreikį esant dideliam lauko stiprumui.

Meta aprašymas

Atraskite žavų magnetų pasaulį. Sužinokite apie medžiagas, sritis, laukus ir kitas magnetų savybes!