Skúmanie fascinujúcich vlastností magnetov

Aké sú vlastnosti magnetov? Magnety sú výnimočné predmety. Môžu tlačiť alebo ťahať za iné veci bez toho, aby sa ich skutočne dotkli! Ľudia vedeli omagnetypo tisíce rokov. V starovekom Grécku ľudia našli pozoruhodné horniny nazývané magnetovce, ktoré pôsobili ako magnety. Skaly sa mohli otáčať tak, aby ukazovali na sever a na juh, čím by sa zoradili so zemským magnetickým poľom.

Dnes sa magnety používajú v mnohých veciach, ktoré používame každý deň. O vlastnostiach magnetov a o tom, ako ich môžeme využiť, je stále čo odhaliť.

Magnetické materiály

Všetky veci na svete vykazujú nejaký druh magnetizmu. Ale sila magnetizmu je medzi vecami veľmi odlišná. Na základe vlastností magnetov máme päť veľkých skupín: feromagnetické, paramagnetické, diamagnetické, ferimagnetické a antiferomagnetické.

Feromagnetické veci ako železo, kobalt a nikel vykazujú najsilnejší magnetizmus. Ich drobná štruktúra môže vysvetliť ich silný ťah smerom k magnetickým poliam. Atómy vo feromagnetických veciach majú neporovnateľné elektróny, ktoré smerujú rovnakým smerom v oblastiach nazývaných magnetické domény. Toto nasmerovanie rovnakým smerom zvyšuje magnetické pole a vytvára permanentný magnet.

Paramagnetické veci ako hliník a platina sú tiež ťahané k magnetickým poliam, ale sila je oveľa slabšia ako vo feromagnetických veciach. Neporovnateľné elektróny v paramagnetických atómoch smerujú v smere aplikovaného poľa, ale po odstránení poľa nezachovajú žiadnu magnetizáciu.

Diamagnetické veci ako meď a zlato vykazujú slabé odtláčanie od magnetických polí. Keď ich atómy vložia do vonkajšieho poľa, vytvárajú indukované magnetické pole v opačnom smere. Nemajú však žiadne trvalé atómové dipóly.

Ferimagnetické veci vykazujú komplexné magnetické usporiadanie, kde sú neporovnateľné elektróny atómov na rôznych mriežkach proti sebe, ako v antiferomagnetoch. Ferimagnety si však zachovávajú permanentnú magnetizáciu, pretože protiľahlé neporovnateľné elektróny sú nerovnaké. Ferity ako magnetit sú každodenné feromagnetické veci.

Tabuľka 1: Magnetické materiály

Magnetické domény

Všetky materiály, ktoré sú feromagnetické, majú vo vnútri malé magnety nazývané atómové dipóly. Tieto drobné magnety zvyčajne ukazujú náhodnými smermi, takže sa navzájom rušia. To znamená, že materiál nemá žiadny celkový magnetizmus, keď je ponechaný sám. Ale keď sa materiál zmagnetizuje, drobné magnety vo vnútri sa zoradia!

K magnetizácii dochádza, keď skupiny atómov nazývané magnetické domény dostanú svoje malé magnety tak, aby ukazovali rovnakým smerom. Drobné magnety smerujú k sebe vo vnútri každej domény, pretože sú pevne spojené. Ale rôzne domény budú ukazovať v náhodných smeroch predtým, ako dôjde k magnetizácii.

Vonkajšie sily, ako sú magnetické polia, môžu spôsobiť, že domény rastú a zoradia ich malé magnety. To vytvára permanentný magnet. Zahrievanie materiálu tiež dáva energiu malým magnetom na pohyb. To umožňuje doménam zoradiť ich malé magnety.

Ďalšie veci, ktoré ovplyvňujú usporiadanie domén malých magnetov, zahŕňajú napätie, hranice zŕn, nečistoty a demagnetizačné polia. Sila magnetu závisí od toho, koľko domén prinúti svoje malé magnety usporiadať a ako dobre odolávajú vonkajším silám, ktoré sa ich pokúšajú pokaziť.

Magnetické polia

Magnety vytvárajú okolo seba neviditeľné oblasti nazývané magnetické polia. Magnetický tok je priestor okolo magnetu, kde môžete cítiť jeho silu. Aby sme videli magnetický tok, nakreslíme siločiary magnetického poľa. Viac čiar znamená silnejšie magnetické pole. Čiary vychádzajú zo severného pólu magnetu a zatáčajú sa k jeho južnému pólu.

Magnetické polia vznikajú pri pohybe malých elektrických nábojov. Vo vnútri atómov sa elektróny otáčajú a obiehajú po obežných dráhach. Každý atóm je malý magnet s vlastným severným a južným pólom. V magnetických materiáloch sa drobné magnety v doménach zoraďujú. To kombinuje všetky ich magnetické polia, aby sa vytvorilo jedno veľké magnetické pole smerujúce jedným smerom. Takto získavajú permanentné magnety také silné magnetické polia.

Neviditeľné magnetické pole je silnejšie a bližšie k magnetu. Čím ďalej tým slabšie. Menšie magnety majú menšie a slabšie magnetické polia. Väčšie magnety majú väčšie a silnejšie magnetické polia.

Magnetické póly

Magnety majú severný a južný pól. Toto sú oblasti, kde je magnetická sila najsilnejšia. Opačné póly sa navzájom priťahujú. Severný a južný pól držia spolu. Rovnaké póly sa od seba odtláčajú. Dva severné póly alebo dva južné póly sa odpudzujú a odtláčajú.

Stáva sa to kvôli spôsobu, akým prúdia neviditeľné siločiary magnetického poľa. Čiary idú od severného pólu k južnému pólu vnútri magnetu. Na atómovej úrovni má každý malý magnet vo vnútri magnetické siločiary prúdiace zo severu na juh. V magnete všetky malé magnety zoradia svoje magnetické polia.

Permanentné magnety

Zatiaľ čo niektoré materiály ako železo sú prirodzene magnetické, permanentné magnety sa často umelo vyrábajú magnetizáciou. Najlepšie permanentné magnety sú zvyčajne železo, nikel, kobalt alebo zliatiny.

Magnetizácia zahŕňa vystavenie materiálu silnému vonkajšiemu magnetickému poľu z elektromagnetu alebo iného permanentného magnetu. To spôsobí, že magnetické domény rastú a vyrovnávajú sa s vonkajším poľom a vytvárajú silný permanentný magnet. Tvrdé magnety odolávajú demagnetizácii, zatiaľ čo mäkké magnety ľahšie strácajú magnetizmus.

Sila permanentného magnetu koreluje s jeho koercitivitou, intenzitou poľa potrebnou na jeho demagnetizáciu. Materiály s vysokou koercitívnosťou môžu vytvárať silné permanentné magnety, ale ich prvotná magnetizácia je náročnejšia. Maximálna hustota magnetického toku alebo saturačná magnetizácia a zvyšková magnetizácia tiež ovplyvňujú silu magnetu.

Elektromagnety

Okrem permanentných magnetov používajú elektromagnety elektrické prúdy na vyvolanie dočasného magnetizmu. Keď elektrický prúd prechádza cez stočený drôt, vytvára magnetické pole rovnobežné s osou cievky. Intenzita poľa sa zvyšuje s väčším počtom slučiek a vyšším prúdom.

Dôležitý je aj materiál vo vnútri cievky. Mäkké železo zosilňuje magnetické pole. Železo dokáže elektromagnet zdvihnúť 100-krát viac. Ale železo tiež spomaľuje, ako rýchlo magnet reaguje.

Elektromagnety potrebujú energiu, aby zostali magnetické. Permanentné magnety nie. Elektromagnety sa však môžu rýchlo zapínať a vypínať. Ich sila sa môže tiež okamžite zmeniť. Vďaka tomu sú vhodné na zdvíhanie ťažkého železa a skenovanie magnetickou rezonanciou, ktoré si vyžaduje zmenu magnetických polí.

Magnetická sila a magnetický moment

To, ako je niečo magnetické, závisí od toho, koľko magnetizmu sa deje v blízkosti magnetického poľa. To, ako dobre je v súlade s magnetickým poľom, sa nazýva magnetický moment. To závisí od malých stavebných blokov materiálu nazývaných atómy, najmä elektrónov, ktoré sú samostatné a nie v pároch. Pôsobia ako malé magnety.

Silný magnet dokáže udržať veľa magnetickej sily, ktorá ním prúdi. Toto sa nazýva saturačná magnetizácia. Silný magnet si udrží väčšiu časť svojho magnetizmu, keď vonkajšie pole zmizne. Toto sa nazýva remanencia. Magnetizmus pochádza z rotácie a obiehania elektrónov. Takže malé pravidlá kvantovej fyziky riadia magnetickú silu.

Magnetické vlastnosti

Niekoľko základných vlastností magnetov pomáha charakterizovať magnetický výkon:

● Saturačná magnetizácia: Maximálna možná hustota magnetického toku, ktorú môže materiál generovať v aplikovanom poli. Merané v Tesle.

● Remanencia: Zostávajúca magnetizácia po odstránení hnacieho poľa. Koľko magnetizmu zostáva?

● Koercitívne: Sila reverzného magnetického poľa potrebná na demagnetizáciu materiálu späť na nulu. Odoláva demagnetizácii.

● Permeabilita: Schopnosť podporovať vytváranie magnetického poľa v sebe. Vysoká permeabilita koncentruje magnetický tok.

● Hysterézia: Tendencia zachovať si vnútený magnetizmus. Materiály s výraznou hysteréziou vytvárajú efektívne permanentné magnety.

Optimalizácia týchto vlastností magnetov je nevyhnutná pri výbere vhodného magnetického materiálu pre danú aplikáciu, či už ide o dosiahnutie najvyššej intenzity trvalého poľa alebo maximalizáciu reverzibilných zmien toku.

Magnetická hysterézia

Magnety môžu pôsobiť vzrušujúcim spôsobom! Magnety vykazujú jav nazývaný hysterézia. Ich magnetizácia sleduje inú dráhu zakaždým, keď cyklujete vonkajšie magnetické pole. Presná dráha závisí od predchádzajúcej magnetizácie magnetu.

Môžete to vidieť, keď vykreslíte, ako sa mení hustota magnetického toku B, keď sa mení aplikované magnetické pole H. Tento graf vytvára slučku nazývanú hysterézna slučka.

Najprv sa malé magnetické oblasti v magnete nazývané domény pomaly zoradia, keď zväčšíte H. Keď sú všetky zoradené, ďalšie zvýšenie H už nezmení B. Potom, keď znížite H, B sleduje inú krivku. Keď je H nula, zo zarovnaných domén zostane určitá magnetizácia. Musíte použiť magnetické pole v opačnom smere, aby sa magnetizácia vrátila na nulu.

Oblasť vo vnútri hysteréznej slučky ukazuje stratu energie, keď sa domény menia v každom cykle. Tvrdé magnety majú široké slučky a značné straty energie. Tvar slučky vám tiež povie o vlastnostiach magnetu, napríklad o tom, ako dobre zostáva magnetizovaný a ako ťažko sa demagnetizuje.

Vplyv teploty

Tepelná energia môže ovplyvniť správanie magnetov! Ako sa teplota zvyšuje, malé zarovnané magnetické oblasti v magnete nazývanom domény sa kývajú tepelnou energiou. Tým sa zníži magnetizácia. Pri vysokej Curieovej teplote tepelná energia naruší magnetický poriadok a permanentný magnetizmus úplne zmizne.

Ako ľahko magnet stratí svoju magnetizáciu, závisí od jeho Curieovej teploty. Najvyššia Curieova teplota zo všetkých čistých prvkov je železo pri 1043 K. Pridanie látok ako nikel a kobalt na výrobu zliatin zvyšuje Curieov bod vyššie. Tepelne odolné permanentné magnety umožňujú použitie magnetov v aplikáciách, ako sú generátory a motory.

Chladiace magnety pod Curieovým bodom spôsobia, že magnetizácia opäť stúpa. Supravodivé elektromagnety fungujú iba pri nízkych teplotách, kde elektrický odpor zmizne a vytvorí silné, trvalé magnetické polia.

Tabuľka 2: Vplyv teploty na magnetizmus

Magnetické aplikácie

Magnety sú všestranným nástrojom, ktorý sa nachádza v priemyselnom prostredí v aplikáciách, ako sú:

● Motory – Rotačné elektromotory sa spoliehajú na magnety premieňajúce mechanickú a elektrickú energiu prostredníctvom elektromagnetickej indukcie. Malé motory poháňajú zariadenia od ventilátorov až po pevné disky.

● Generátory – Turbínové generátory vyrábajú elektrickú energiu otáčaním magnetov v blízkosti cievok drôtu, čím sa indukuje tok prúdu.

● Magnetické úložisko – Pevné disky zapisujú dáta prepínaním magnetizácie malých domén na feromagnetickom disku.

● Levitácia – Vlaky Maglev využívajú magnety na vznášanie sa nad traťou, čím sa eliminuje trenie pre tichú a plynulú jazdu.

● Lekárske prístroje – prístroje MRI využívajú silné supravodivé magnety na detekciu zmien v magnetickom poli tela na diagnostické zobrazovanie.

● Výskum – Hmotnostné spektrometre ohýbajú nabité častice pomocou magnetických polí, aby určili ich hmotnosť a chemickú štruktúru.

● Obnoviteľná energia – Magnetické ložiská stabilizujú zotrvačníky a ukladajú kinetickú energiu získanú z veterných alebo solárnych zdrojov.

Magnetická levitácia

Magnetická levitácia alebo maglev využíva magnety, aby veci plávali! Magnety sa od seba odtláčajú. Jedinečné nastavenia magnetov však môžu zabezpečiť stabilné plávanie.

Rýchle vlaky maglev už jazdia v Ázii a Európe. Vznášanie sa nad traťou znamená žiadne trenie od kolies, takže maglev vlaky môžu ísť cez 600 km/h! Bez kolies a ložísk sú tichšie a plynulejšie, aby sa zrýchlili a zastavili. Tiež spotrebujú menej energie ako bežné vlaky.

Maglev platí nielen pre vlaky! Mohlo by to pomôcť spustiť kozmickú loď, vyrobiť urýchľovače častíc, vytvoriť ložiská bez trenia a zastaviť vibrácie v budovách. Inžinieri stále zdokonaľujú super silné magnety. To môže v budúcnosti umožniť vlakom maglev spájať celé mestá.

Pridanie ďalších informácií o tom, ako maglev funguje, o použití v reálnom svete a budúcich možnostiach, jednoducho vysvetľuje tento pokročilý koncept. Mladí študenti môžu pochopiť plávajúce vlaky prostredníctvom magnetických síl bez trenia a predstaviť si ďalšie aplikácie tejto skvelej technológie.

Záver

Od maličkých magnetov na chladničku až po míle dlhé magnety napájajúce fúzne reaktory, magnety sú neoceniteľné v našom každodennom živote. Pochopenie jedinečných vlastností magnetov naďalej podnecuje objavy vedúce k novým aplikáciám. Špičkové oblasti ako spintronika a magnetické monopoly ponúkajú možnosti pre elektroniku novej generácie a dokonca aj kvantové počítače.

Vzhľadom na to, že o kvantových základoch magnetizmu je ešte veľa pochopenia, výskum ďalej odhalí ich obrovský potenciál. O tom, čo nám vlastnosti magnetov môžu umožniť, je potrebné ešte veľa objavovať.

Časté otázky o vlastnostiach magnetov

Aké sú jednotky intenzity magnetického poľa?

Intenzita magnetického poľa sa kvantifikuje v ampéroch na meter (A/m) alebo teslach (T). Jedna Tesla sa rovná jednému newtonu na ampérmeter. Sila magnetického poľa Zeme je približne 0,5 gaussov alebo 50 mikrotesla.

Ako vypočítate magnetický tok?

Magnetický tok cez povrch sa vypočíta vynásobením intenzity magnetického poľa, kolmej plochy a kosínusu uhla.

Aké materiály sa používajú v supravodivých magnetoch?

Supravodivé magnety zvyčajne používajú supravodiče, ako sú cievky niób-titán alebo niób-cín chladené tekutým héliom. Novšie vysokoteplotné supravodiče umožňujú menej extrémne potreby chladenia pre vysoké intenzity poľa.

Meta popis

Preskúmajte podmanivý svet magnetov. Získajte informácie o materiáloch, doménach, poliach a iných vlastnostiach magnetov!