Истраживање фасцинантних својстава магнета

Која су својства магнета? Магнети су изузетни објекти. Могу да гурају или повлаче друге ствари, а да их заправо не додирују! Људи су знали замагнетихиљадама година. У старој Грчкој људи су пронашли изузетне стене зване камени каменчићи који су деловали као магнети. Стене су се могле окретати тако да усмере север и југ, поравнавајући се са магнетним пољем Земље.

Данас се магнети користе у многим стварима које користимо сваки дан. Још много тога треба открити о томе која су својства магнета и како их можемо искористити.

Магнетиц Материалс

Све ствари на свету показују неку врсту магнетизма. Али снага магнетизма је веома различита између ствари. На основу својстава магнета, имамо пет великих група: феромагнетне, парамагнетне, дијамагнетне, феримагнетне и антиферомагнетне.

Феромагнетне ствари попут гвожђа, кобалта и никла показују најјачи магнетизам. Њихова сићушна структура може објаснити њихово снажно привлачење према магнетним пољима. Атоми у феромагнетним стварима имају неупоредиве електроне који су усмерени у истом правцу унутар области које се називају магнетни домени. Ово усмеравање у истом правцу повећава магнетно поље и ствара трајни магнет.

Парамагнетне ствари попут алуминијума и платине такође се повлаче према магнетним пољима, али је сила много слабија него у феромагнетним стварима. Неусклађени електрони у парамагнетним атомима усмерени су у правцу примењеног поља, али не задржавају никакву магнетизацију када се поље уклони.

Дијамагнетне ствари попут бакра и злата показују слаб одмак од магнетних поља. Када се ставе у спољашње поље, њихови атоми стварају индуковано магнетно поље у супротном смеру. Међутим, они немају трајне атомске диполе.

Феримагнетне ствари показују сложено магнетно уређење где се неусклађени електрони атома на различитим решеткама супротстављају једни другима, као у антиферомагнетима. Али феримагнети задржавају трајну магнетизацију пошто су супротстављени неусклађени електрони неједнаки. Ферити попут магнетита су свакодневне феромагнетне ствари.

Табела 1: Магнетни материјали

Магнетиц Домаинс

Сви материјали који су феромагнетни имају у себи мале магнете који се називају атомски диполи. Ови сићушни магнети обично показују у насумичним правцима, тако да се међусобно поништавају. То значи да материјал нема укупни магнетизам када се остави сам. Али када материјал постане магнетизован, мали магнети изнутра се поравнавају!

Магнетизација се дешава када групе атома зване магнетни домени натерају своје мале магнете да усмере на исти начин. Мали магнети су усмерени заједно унутар сваког домена јер су снажно повезани. Али различити домени ће показивати у насумичним правцима пре него што дође до магнетизације.

Спољашње силе попут магнетних поља могу учинити да домени расту и поравнају своје мале магнете. Ово ствара трајни магнет. Загревање материјала такође даје енергију сићушним магнетима да се крећу. Ово омогућава доменима да поставе своје мале магнете.

Остале ствари које утичу на то како су домени сићушних магнета распоређени укључују напрезање, границе зрна, нечистоће и демагнетизирајућа поља. Снага магнета зависи од тога колико домена натера своје сићушне магнете да се поравнају и колико добро се одупиру спољним силама које покушавају да их покваре.

Магнетна поља

Магнети чине невидљива подручја око себе која се називају магнетна поља. Магнетни флукс је простор око магнета где можете осетити његову силу. Да бисмо видели магнетни флукс, цртамо линије магнетног поља. Више линија значи јаче магнетно поље. Линије излазе из северног пола магнета и криве се око његовог јужног пола.

Магнетна поља се дешавају када се мали електрични набоји крећу около. Унутар атома, електрони се окрећу и крећу се по орбитама. Сваки атом је мали магнет са својим северним и јужним полом. У магнетним материјалима, сићушни магнети у доменима се поредају. Ово комбинује сва њихова магнетна поља како би једно велико магнетно поље усмерено у једном правцу. Овако трајни магнети добијају тако јака магнетна поља.

Невидљиво магнетно поље је јаче и ближе магнету. Постаје слабији како се удаљавате. Мањи магнети имају мања и слабија магнетна поља. Већи магнети имају већа и јача магнетна поља.

Магнетски полови

Магнети имају северни и јужни пол. То су области у којима је магнетна сила најјача. Супротни полови се привлаче. Северни и јужни пол се држе заједно. Исти полови се одгурују један од другог. Два северна пола или два јужна пола се одбијају и растављају.

Ово се дешава због начина на који тече невидљиве линије магнетног поља. Линије иду од северног до јужног пола унутар магнета. На атомском нивоу, сваки мали магнет унутра има линије магнетног поља које теку од севера ка југу. У магнету, сви мали магнети поређају своја магнетна поља.

Трајни магнети

Док су неки материјали попут гвожђа природно магнетни, трајни магнети се често вештачки производе магнетизацијом. Гвожђе, никл, кобалт или легуре обично чине најбоље трајне магнете.

Магнетизација укључује излагање материјала јаком спољашњем магнетном пољу од електромагнета или другог трајног магнета. Ово узрокује да магнетни домени расту и поравнавају се са спољним пољем, стварајући јак трајни магнет. Тврди магнети су отпорни на демагнетизацију, док меки магнети лакше губе свој магнетизам.

Снага трајног магнета је у корелацији са његовом коерцитивношћу, интензитетом поља који је потребан да се он демагнетизује. Високо коерцитивни материјали могу направити моћне трајне магнете, али их је у почетку теже магнетизирати. Максимална густина магнетног флукса или магнетизација засићења и преостала магнетизација такође утичу на снагу магнета.

Електромагнети

Поред трајних магнета, електромагнети користе електричне струје да изазову привремени магнетизам. Када електрична струја пролази кроз намотану жицу, она генерише магнетно поље паралелно са осом завојнице. Јачина поља се повећава са више петљи и већом струјом.

Материјал унутар завојнице је такође важан. Меко гвожђе чини магнетно поље јачим. Гвожђе може да подиже електромагнет 100 пута више. Али гвожђе такође успорава брзину реакције магнета.

Електромагнетима је потребна снага да би остали магнетни. Трајни магнети не раде. Али електромагнети се могу брзо укључити и искључити. Њихова моћ се такође може променити тренутно. То их чини погодним за подизање тешког гвожђа и МР скенирања којима је потребна промена магнетних поља.

Магнетна снага и магнетни момент

Колико је нешто магнетно зависи од тога колико се магнетизма дешава у близини магнетног поља. Колико је добро у складу са магнетним пољем назива се магнетни момент. Ово зависи од ситних грађевинских блокова материјала који се називају атоми, углавном електрона који су сами, а не у паровима. Ови се понашају као мали магнети.

Јак магнет може задржати велику магнетну снагу која тече кроз њега. Ово се зове магнетизација засићења. Јак магнет задржава више свог магнетизма када спољашње поље нестане. Ово се зове реманенција. Магнетизам долази од електрона који се окрећу и орбитирају. Дакле, мала правила квантне физике контролишу магнетну снагу.

Магнетиц Пропертиес

Неколико основних својстава магнета помаже у карактеризацији магнетних перформанси:

● Магнетизација засићења: Максимална могућа густина магнетног флукса коју материјал може да генерише у примењеном пољу. Измерено у Тесли.

● Реманенција: преостала магнетизација када се уклони погонско поље. Колико магнетизма остаје?

● Принудно: Инверзна јачина магнетног поља потребна за демагнетизацију материјала назад на нулу. Отпоран на демагнетизацију.

● Пермеабилност: Способност да подржи формирање магнетног поља у себи. Висока пермеабилност концентрише магнетни флукс.

● Хистереза: Тенденција да се задржи наметнути магнетизам. Материјали са значајном хистерезом чине ефективне трајне магнете.

Оптимизација ових својстава магнета је од суштинског значаја за одабир одговарајућег магнетног материјала за дату примену, било да се постиже највећа трајна јачина поља или максимизирају реверзибилне промене флукса.

Магнетна хистереза

Магнети могу деловати на узбудљиве начине! Магнети показују феномен који се зове хистереза. Њихова магнетизација прати другачији пут сваки пут када циклирате спољашње магнетно поље. Прецизна путања зависи од претходне историје магнетизације магнета.

Ово можете видети када нацртате како се мења густина магнетног флукса Б како се мења примењено магнетно поље Х. Овај дијаграм чини петљу која се зове хистерезисна петља.

У почетку, сићушни магнетни региони у магнету који се називају домени полако се поређају како повећавате Х. Када се сви поравнају, даље повећање Х више не мења Б. Затим, када смањите Х, Б прати другачију криву. Када је Х нула, остаје нешто магнетизације из поравнатих домена. Морате применити магнетно поље у супротном смеру да бисте магнетизацију вратили на нулу.

Подручје унутар хистерезисне петље показује изгубљену енергију како се домени мењају у сваком циклусу. Тврди магнети имају широке петље и значајне губитке енергије. Облик петље вам такође говори о својствима магнета, као што је колико добро остаје магнетизован и колико га је тешко демагнетисати.

Температурни ефекти

Топлотна енергија може утицати на понашање магнета! Како се температура повећава, сићушни поравнати магнетни региони у магнету који се називају домени се померају топлотном енергијом. Због тога се магнетизација смањује. На високој Киријевој температури, топлотна енергија поремети магнетни ред, а перманентни магнетизам потпуно нестаје.

Колико је лако да магнет изгуби своју магнетизацију зависи од његове Киријеве температуре. Највиша Киријева температура било ког чистог елемента је гвожђе на 1043 К. Додавање ствари попут никла и кобалта за прављење легура подиже Киријеву тачку више. Трајни магнети отпорни на топлоту вам омогућавају да користите магнете у апликацијама као што су генератори и мотори.

Магнети за хлађење испод Киријеве тачке поново повећавају магнетизацију. Суперпроводни електромагнети раде само на ниским температурама где електрични отпор нестаје и ствара моћна, трајна магнетна поља.

Табела 2: Ефекти температуре на магнетизам

Магнетиц Апплицатионс

Магнети су свестрани алат који се налази широм индустријског пејзажа у апликацијама као што су:

● Мотори – ротирајући електромотори се ослањају на магнете који претварају између механичке и електричне енергије путем електромагнетне индукције. Мали мотори покрећу уређаје од вентилатора до чврстих дискова.

● Генератори – турбински генератори производе електричну енергију ротирајућим магнетима у близини жичаних намотаја, индукујући струјни ток.

● Магнетна меморија – Хард дискови записују податке окретањем магнетизације сићушних домена на феромагнетном диску.

● Левитација – Маглев возови користе магнете да лебде изнад пруге, елиминишући трење за тихо, глатко путовање.

● Медицински уређаји – МРИ машине користе јаке суправодљиве магнете за откривање промена у магнетном пољу тела за дијагностичко снимање.

● Истраживање – Масени спектрометри савијају наелектрисане честице магнетним пољима да би одредили њихову масу и хемијску структуру.

● Обновљиви извори енергије – Магнетни лежајеви стабилизују замајце, чувајући кинетичку енергију прикупљену из извора ветра или сунца.

Магнетна левитација

Магнетна левитација, или маглев, користи магнете да ствари лебде! Магнети се удаљавају један од другог. Али јединствене поставке магнета могу учинити стабилним плутањем.

Брзи маглев возови већ саобраћају у Азији и Европи. Плутање изнад пруге значи да нема трења од точкова, тако да маглев возови могу да иду преко 600 км/х! Без точкова или лежајева, тиши су и глаткији за убрзавање и заустављање. Такође троше мање енергије од редовних возова.

Маглев важи за више од возова! То би могло помоћи у лансирању свемирских летелица, изради акцелератора честица, стварању лежајева без трења и заустављању вибрација у зградама. Инжењери још увек побољшавају супер-јаке магнете. Ово би могло омогућити да маглев возови повезују читаве градове у будућности.

Додавање више о томе како маглев функционише, употреби у стварном свету и будућим могућностима једноставно објашњава овај напредни концепт. Млади ученици могу да разумеју плутајуће возове кроз силе магнета без трења и да замисле друге примене ове цоол технологије.

Закључак

Од малих магнета за фрижидере до магнета дугих миљу који напајају фузионе реакторе, магнети су од непроцењиве вредности у нашем свакодневном животу. Разумевање јединствених својстава магнета наставља да подстиче открића која воде ка новим применама. Најсавременије области попут спинтронике и магнетних монопола садрже могућности за електронику следеће генерације, па чак и за квантне рачунаре.

Пошто још много тога треба разумети о квантним основама магнетизма, истраживање ће додатно открити њихов огроман потенцијал. Остаје још много тога да откријемо о томе шта нам својства магнета могу омогућити да постигнемо.

Најчешћа питања о својствима магнета

Које су јединице јачине магнетног поља?

Јачина магнетног поља се квантификује у амперима по метру (А/м) или теслама (Т). Једна тесла је једнака једном њутну по ампер метру. Јачина Земљиног магнетног поља је око 0.5 гауса или 50 микротесла.

Како израчунати магнетни флукс?

Магнетни флукс кроз површину израчунава се множењем јачине магнетног поља, окомитог подручја и косинуса угла.

Који материјали се користе у суперпроводним магнетима?

Суперпроводни магнети обично користе суперпроводнике као што су ниобијум-титанијум или ниобијум-калај калемови хлађени течним хелијумом. Новији високотемпературни суперпроводници омогућавају мање екстремне потребе за хлађењем за велике јачине поља.

Мета опис

Истражите задивљујући свет магнета. Сазнајте више о материјалима, доменима, пољима и другим својствима магнета!