Udforsk de fascinerende egenskaber ved magneter

Hvad er egenskaberne ved magneter? Magneter er ekstraordinære objekter. De kan skubbe eller trække i andre ting uden faktisk at røre dem! Folk har kendt tilmagneteri tusinder af år. I det antikke Grækenland fandt folk bemærkelsesværdige klipper kaldet lodestones, der fungerede som magneter. Klipperne kunne spinde sig selv til at pege mod nord og syd, på linje med jordens magnetfelt.

I dag bruges magneter i mange ting, vi bruger hver dag. Der er stadig meget mere at afdække om, hvad magneters egenskaber er, og hvordan vi kan udnytte dem.

Magnetiske materialer

Alle ting i verden viser en eller anden form for magnetisme. Men styrken af ​​magnetismen er meget forskellig mellem ting. Baseret på egenskaberne ved magneter har vi fem store grupper: ferromagnetiske, paramagnetiske, diamagnetiske, ferrimagnetiske og antiferromagnetiske.

Ferromagnetiske ting som jern, kobolt og nikkel viser den stærkeste magnetisme. Deres lille struktur kan forklare deres stærke træk mod magnetiske felter. Atomerne i ferromagnetiske ting har uovertrufne elektroner, der peger i samme retning inden for områder kaldet magnetiske domæner. Dette peger i samme retning øger magnetfeltet og danner en permanent magnet.

Paramagnetiske ting som aluminium og platin trækkes også mod magnetiske felter, men kraften er meget svagere end i ferromagnetiske ting. De uovertrufne elektroner i paramagnetiske atomer peger i retning af et påført felt, men bevarer ingen magnetisering, når feltet er fjernet.

Diamagnetiske ting som kobber og guld viser et svagt skub væk fra magnetiske felter. Når de sættes i et eksternt felt, danner deres atomer et induceret magnetfelt i den modsatte retning. De har dog ingen permanente atomare dipoler.

Ferrimagnetiske ting viser kompleks magnetisk orden, hvor de uovertrufne elektroner af atomer på forskellige gitter modsætter hinanden, ligesom i antiferromagneter. Men ferrimagneter holder en permanent magnetisering, da de modstående umatchede elektroner er ulige. Ferritter som magnetit er dagligdags ferromagnetiske ting.

Tabel 1: Magnetiske materialer

Magnetiske domæner

Alle materialer, der er ferromagnetiske, har små magneter inde i dem kaldet atomare dipoler. Disse små magneter peger normalt i tilfældige retninger, så de ophæver hinanden. Dette betyder, at materialet ikke har nogen generel magnetisme, når det efterlades alene. Men når materialet bliver magnetiseret, står de små magneter indeni på linje!

Magnetisering sker, når grupper af atomer kaldet magnetiske domæner får deres små magneter til at pege samme vej. De små magneter peger sammen inde i hvert domæne, fordi de er stærkt forbundet. Men forskellige domæner vil pege i tilfældige retninger, før magnetisering sker.

Eksterne kræfter som magnetiske felter kan få domænerne til at vokse og opstille deres små magneter. Dette gør en permanent magnet. Opvarmning af et materiale giver også energi til de små magneter til at bevæge sig rundt. Dette lader domæner opstille deres små magneter.

Andre ting, der påvirker, hvordan domæner af små magneter er arrangeret, omfatter stress, korngrænser, urenheder og afmagnetiserende felter. Styrken af ​​en magnet afhænger af, hvor mange domæner, der får deres bittesmå magneter til at stå på linje, og hvor godt de modstår eksterne kræfter, der forsøger at ødelægge dem.

Magnetiske felter

Magneter laver usynlige områder omkring dem kaldet magnetiske felter. Den magnetiske flux er rummet omkring en magnet, hvor du kan mærke dens kraft. For at se den magnetiske flux tegner vi magnetiske feltlinjer. Flere linjer betyder et stærkere magnetfelt. Linjerne kommer ud af magnetens nordpol og buer rundt til dens sydpol.

Magnetiske felter opstår, når små elektriske ladninger bevæger sig rundt. Inde i atomer spinder elektronerne og går rundt i baner. Hvert atom er en lille magnet med sin egen nord- og sydpol. I magnetiske materialer står de små magneter i domæner på linje. Dette kombinerer alle deres magnetiske felter for at lave et stort magnetfelt, der peger en vej. Sådan får permanente magneter så stærke magnetfelter.

Det usynlige magnetfelt er stærkere og tættere på magneten. Det bliver svagere, når du bevæger dig længere væk. Mindre magneter har mindre og svagere magnetfelter. Større magneter har større og stærkere magnetfelter.

Magnetiske poler

Magneter har nord- og sydpoler. Det er områder, hvor den magnetiske kraft er stærkest. Modsatte poler tiltrækker hinanden. Nord- og sydpolen hænger sammen. De samme pæle skubber væk fra hinanden. To nordpoler eller to sydpoler afviser og skubber fra hinanden.

Dette sker på grund af den måde, de usynlige magnetfeltlinjer flyder på. Linjerne går fra nordpolen til sydpolen inde i magneten. På atomniveau har hver lille magnet indeni magnetiske feltlinjer, der flyder fra nord til syd. I en magnet opstiller alle de små magneter deres magnetfelter.

Permanente magneter

Mens nogle materialer som jern er naturligt magnetiske, produceres permanente magneter ofte kunstigt ved magnetisering. Jern, nikkel, kobolt eller legeringer er normalt de bedste permanente magneter.

Magnetisering involverer at udsætte materialet for et stærkt eksternt magnetfelt fra en elektromagnet eller en anden permanent magnet. Dette får de magnetiske domæner til at vokse og tilpasse sig det ydre felt, hvilket producerer en stærk permanent magnet. Hårde magneter modstår afmagnetisering, mens bløde magneter lettere mister deres magnetisme.

En permanent magnets styrke korrelerer med dens koercitivitet, den feltintensitet, der er nødvendig for at afmagnetisere den. Materialer med høj tvang kan lave kraftige permanente magneter, men er mere udfordrende at magnetisere i starten. Den maksimale magnetiske fluxtæthed eller mætningsmagnetisering og restmagnetisering påvirker også magnetens styrke.

Elektromagneter

Ud over permanente magneter bruger elektromagneter elektriske strømme til at inducere midlertidig magnetisme. Når en elektrisk strøm går gennem en oprullet ledning, genererer den et magnetfelt parallelt med spolens akse. Feltstyrken øges med flere sløjfer og højere strøm.

Materialet inde i spolen har også betydning. Blødt jern gør magnetfeltet stærkere. Jern kan få en elektromagnet til at løfte sig 100 gange mere. Men jern bremser også, hvor hurtigt magneten reagerer.

Elektromagneter har brug for strøm for at forblive magnetiske. Det gør permanente magneter ikke. Men elektromagneter kan tænde og slukke hurtigt. Deres magt kan også ændre sig øjeblikkeligt. Dette gør dem velegnede til at løfte tungt jern og MR-scanninger, der har brug for skiftende magnetfelter.

Magnetisk styrke og magnetisk øjeblik

Hvor magnetisk noget er afhænger af, hvor meget magnetisme der sker i nærheden af ​​et magnetfelt. Hvor godt det stemmer overens med magnetfeltet kaldes magnetisk moment. Dette afhænger af materialets små byggesten kaldet atomer, hovedsageligt elektroner, der er alene og ikke i par. Disse fungerer som små magneter.

En stærk magnet kan rumme en masse magnetisk kraft, der strømmer gennem den. Dette kaldes mætningsmagnetisering. En stærk magnet bevarer mere af sin magnetisme, når det ydre felt forsvinder. Dette kaldes remanens. Magnetisme kommer fra elektroner, der spinder og kredser. Så små kvantefysiske regler styrer magnetisk styrke.

Magnetiske egenskaber

Flere grundlæggende egenskaber ved magneter hjælper med at karakterisere magnetisk ydeevne:

● Mætningsmagnetisering: Den maksimalt mulige magnetiske fluxtæthed et materiale kan generere i et påført felt. Målt i Teslaer.

● Remanens: Den resterende magnetisering, når drivfeltet fjernes. Hvor meget magnetisme er der tilbage?

● Tvangsmæssigt: Den omvendte magnetiske feltstyrke, der er nødvendig for at afmagnetisere materialet tilbage til nul. Modstår afmagnetisering.

● Permeabilitet: Evne til at understøtte dannelsen af ​​et magnetfelt i sig selv. Høj permeabilitet koncentrerer magnetisk flux.

● Hysterese: Tendens til at bevare en pålagt magnetisme. Materialer med betydelig hysterese danner effektive permanente magneter.

Optimering af disse egenskaber af magneter er afgørende for at vælge det passende magnetiske materiale til en given applikation, uanset om man opnår den højeste permanente feltstyrke eller maksimerer reversible fluxændringer.

Magnetisk hysterese

Magneter kan virke på spændende måder! Magneter udviser et fænomen kaldet hysterese. Deres magnetisering følger en anden vej, hver gang du cykler det eksterne magnetfelt. Den præcise vej afhænger af magnetens tidligere magnetiseringshistorie.

Du kan se dette, når du plotter, hvordan den magnetiske fluxtæthed B ændres, når det påførte magnetfelt H ændres. Dette plot laver en loop kaldet en hysterese loop.

Til at begynde med retter de små magnetiske områder i magneten kaldet domæner sig langsomt op, efterhånden som du øger H. Når de alle er linet op, ændrer yderligere stigninger i H ikke længere B. Så, når du reducerer H, følger B en anden kurve. Når H er nul, forbliver der en vis magnetisering tilbage fra de justerede domæner. Du skal anvende et magnetfelt i den modsatte retning for at bringe magnetiseringen tilbage til nul.

Området inde i hysteresesløjfen viser energi tabt, når domænerne ændrer sig hver cyklus. Hårde magneter har brede sløjfer og betydelige energitab. Formen på løkken fortæller dig også om magnetens egenskaber, som hvor godt den forbliver magnetiseret, og hvor svær den er at afmagnetisere.

Temperatureffekter

Varmeenergi kan påvirke hvordan magneter opfører sig! Efterhånden som temperaturen stiger, bliver de små justerede magnetiske områder i en magnet kaldet domæner rykket rundt af varmeenergien. Dette får magnetiseringen til at falde. Ved en høj Curie-temperatur ødelægger varmeenergien den magnetiske orden, og den permanente magnetisme forsvinder fuldstændigt.

Hvor let det er for en magnet at miste sin magnetisering afhænger af dens Curie-temperatur. Den højeste Curie-temperatur af ethvert rent grundstof er jern ved 1043 K. Tilføjelse af ting som nikkel og kobolt for at lave legeringer hæver Curie-punktet højere. Varmebestandige permanente magneter lader dig bruge magneter i applikationer som generatorer og motorer.

Afkølingsmagneter under Curie-punktet får magnetiseringen til at gå op igen. Superledende elektromagneter virker kun ved kolde temperaturer, hvor elektrisk modstand forsvinder for at danne kraftige, varige magnetiske felter.

Tabel 2: Temperatureffekter på magnetisme

Magnetiske applikationer

Magneter er et alsidigt værktøj, der findes på tværs af det industrielle landskab i applikationer som:

● Motorer - Roterende elektriske motorer er afhængige af magneter, der konverterer mellem mekanisk og elektrisk energi gennem elektromagnetisk induktion. Små motorer driver enheder fra blæsere til harddiske.

● Generatorer - Turbinegeneratorer producerer elektricitet ved at rotere magneter nær trådspoler, hvilket inducerer strøm.

● Magnetisk lagring - Harddiske skriver data ved at vende magnetiseringen af ​​små domæner på en ferromagnetisk disk.

● Levitation - Maglev-tog bruger magneter til at svæve over sporet, hvilket eliminerer friktion for lydløs, jævn kørsel.

● Medicinsk udstyr - MR-maskiner anvender stærke superledende magneter til at detektere ændringer i kroppens magnetfelt til diagnostisk billeddannelse.

● Forskning - Massespektrometre bøjer ladede partikler med magnetiske felter for at bestemme deres masse og kemiske struktur.

● Vedvarende energi - Magnetiske lejer stabiliserer svinghjul og lagrer kinetisk energi høstet fra vind- eller solkilder.

Magnetisk levitation

Magnetisk levitation, eller maglev, bruger magneter til at få tingene til at flyde! Magneter skubber væk fra hinanden. Men unikke magnetopsætninger kan gøre stabilt flydende.

Hurtige maglev-tog kører allerede i Asien og Europa. At flyde over banen betyder ingen friktion fra hjul, så maglev-tog kan køre over 600 km/t! Uden hjul eller lejer er de mere støjsvage og mere jævne til at sætte fart og stoppe. De bruger også mindre energi end almindelige tog.

Maglev er gyldig til mere end blot tog! Det kunne hjælpe med at opsende rumfartøjer, lave partikelacceleratorer, skabe friktionsfri lejer og stoppe vibrationer i bygninger. Ingeniører forbedrer stadig superstærke magneter. Dette kan lade maglev-tog forbinde hele byer i fremtiden.

Tilføjelse af mere om, hvordan maglev fungerer, anvendelser i den virkelige verden og fremtidige muligheder, forklarer dette avancerede koncept enkelt. Unge studerende kan forstå flydende tog gennem friktionsfri magnetkræfter og forestille sig andre anvendelser af denne seje teknologi.

Konklusion

Fra små køleskabsmagneter til kilometerlange magneter, der driver fusionsreaktorer, er magneter uvurderlige i vores hverdag. Forståelse af magneters unikke egenskaber ansporer fortsat til opdagelser, der fører til nye applikationer. Avancerede områder som spintronik og magnetiske monopoler rummer muligheder for næste generations elektronik og endda kvantecomputere.

Med meget endnu at forstå om magnetismens kvantegrundlag, vil forskning yderligere afsløre deres enorme potentiale. Der er så meget mere at opdage om, hvad magneternes egenskaber kan gøre os i stand til at opnå.

Ofte stillede spørgsmål om egenskaber for magneter

Hvad er enhederne for magnetisk feltstyrke?

Magnetisk feltstyrke kvantificeres i ampere pr. meter (A/m) eller teslaer (T). En tesla svarer til en newton pr. amperemeter. Jordens magnetiske feltstyrke er omkring 0,5 gauss eller 50 mikroteslas.

Hvordan beregner man magnetisk flux?

Den magnetiske flux gennem en overflade beregnes ved at gange den magnetiske feltstyrke, det vinkelrette areal og cosinus af vinklen.

Hvilke materialer bruges i superledende magneter?

Superledende magneter bruger typisk superledere som niobium-titanium eller niobium-tin-spoler afkølet af flydende helium. Nyere højtemperatur-superledere tillader mindre ekstreme kølebehov for høje feltstyrker.

Meta beskrivelse

Udforsk den fængslende verden af ​​magneter. Lær om materialer, domæner, felter og andre egenskaber ved magneter!