Magneettinen: Täydellinen opas magneettivoimaan ja -kenttään

Magnetismi on luokka fysikaalisia ilmiöitä, joita magneettikentät välittävät. Sähkövirrat ja alkuainehiukkasten perusmagneettiset momentit synnyttävät magneettikentän, joka vaikuttaa muihin virtoihin ja magneettimomentteihin.

Magneettikenttä vaikuttaa jossain määrin kaikkiin materiaaleihin. Tunnetuin vaikutus on kestomagneeteilla, joissa on ferromagnetismin aiheuttamia pysyviä magneettimomentteja.

Magneettisen voiman voima

Magneettinen voima on voima, joka kohdistuu magneettikentässä liikkuvaan varautuneeseen hiukkaseen. Se on voima, joka on kohtisuorassa varautuneen hiukkasen nopeuteen ja magneettikenttään nähden. Tätä voimaa kuvaa Lorentzin voimayhtälö, jossa todetaan, että nopeudella (v) magneettikentässä (B) liikkuvaan varaukseen (q) vaikuttava voima (F) saadaan yhtälöstä F = qvBsinθ, missä θ on varauksen nopeuden ja magneettikentän välinen kulma.

Miten magneettinen voima liittyy sähkövirtaan?

Magneettinen voima liittyy läheisesti sähkövirtaan. Kun sähkövirta kulkee johdon läpi, se luo magneettikentän johtimen ympärille. Tämä magneettikenttä voi kohdistaa voiman muihin esineisiin sen läsnä ollessa. Voiman suuruus ja suunta riippuvat magneettikentän voimakkuudesta ja suunnasta.

Mihin materiaaleihin magneettinen voima vaikuttaa?

Magneettinen voima voi vaikuttaa useisiin materiaaleihin, mukaan lukien:

• Magneettiset materiaalit, kuten rauta, teräs ja nikkeli
• Johtavat materiaalit, kuten kupari ja alumiini
• Liikkuvat elektronit johtimessa
• Varautuneet hiukkaset plasmassa

Esimerkkejä magneettisesta voimasta toiminnassa

Joitakin esimerkkejä magneettisesta voimasta toiminnassa ovat:

• Magneetit houkuttelevat tai hylkivät toisiaan
• Tarrat, jotka kiinnittyvät jääkaappiin tai oveen, koska niissä on magneetti
• Terästankoa vedetään kohti vahvaa magneettia
• Sähkövirtaa kuljettava lanka poikkeutetaan magneettikentässä
• Kompassin neulan tasainen liike maan magneettikentän vuoksi

Kuinka magneettinen voima kuvataan?

Magneettivoimaa kuvataan newtonien (N) ja teslan (T) yksiköillä. Tesla on magneettikentän voimakkuuden yksikkö, ja se määritellään voimaksi, joka vaikuttaa yhden ampeerin virtaa kuljettavaan johtoon, joka on sijoitettu yhden teslan tasaiseen magneettikenttään. Kohteeseen vaikuttava magneettinen voima on yhtä suuri kuin kohteen magneettikentän voimakkuuden ja varauksen tulo.

Minkä tyyppiset kentät liittyvät magneettiseen voimaan?

Magneettinen voima liittyy sähkömagneettisiin kenttiin. Sähkömagneettinen kenttä on eräänlainen kenttä, joka syntyy sähkövarausten ja virtojen läsnäolosta. Magneettikenttä on yksi sähkömagneettisen kentän komponentti, ja se syntyy sähkövarausten liikkeestä.

Kokevatko kaikki esineet magneettista voimaa?

Kaikki esineet eivät koe magneettista voimaa. Vain esineet, joilla on nettovaraus tai jotka kuljettavat sähkövirtaa, kokevat magneettista voimaa. Esineet, joilla ei ole nettovarausta ja jotka eivät kuljeta sähkövirtaa, eivät koe magneettista voimaa.

Mikä on magneettivoiman ja johtavien pintojen välinen suhde?

How to strip wire fast

Share

Watch on

Kun johtava pinta asetetaan magneettikenttään, pinnassa olevat elektronit kokevat magneettikentän aiheuttaman voiman. Tämä voima saa elektronit liikkumaan, mikä luo virran pintaan. Virta puolestaan ​​​​luo magneettikentän, joka on vuorovaikutuksessa alkuperäisen magneettikentän kanssa, jolloin pinta kokee voiman.

Mikä on magneettisen voiman ja esineen nopeuden suuruuden välinen suhde?

Kohteeseen vaikuttava magneettinen voima on verrannollinen kohteen nopeuden suuruuteen. Mitä nopeammin esine liikkuu, sitä voimakkaampi magneettinen voima on.

Magneettien kiehtova historia

• Sana "magneetti" tulee latinan sanasta "magnes", joka viittaa Turkissa Ida-vuorelta löytyneeseen erityiseen kivilajiin.
• Muinaiset kiinalaiset löysivät lodestones, jotka ovat rautaoksidista valmistettuja luonnollisia magneetteja, yli 2,000 vuotta sitten.
• Englantilainen tiedemies William Gilbert vahvisti aikaisemmat havainnot magneettien ominaisuuksista 16-luvun lopulla, mukaan lukien magneettinapojen olemassaolo.
• Hollantilainen tiedemies Christian Oersted löysi sähkön ja magnetismin suhteen vuonna 1820.
• Ranskalainen fyysikko Andre Ampere laajensi Oerstedin työtä tutkimalla sähkön ja magnetismin suhdetta ja kehittämällä käsitettä magneettikentästä.

Kestomagneettien kehitys

• Magnetismin alkuvuosina tutkijat olivat kiinnostuneita valmistamaan vahvempia ja tehokkaampia magneetteja.
• 1930-luvulla Sumitomon tutkijat kehittivät raudan, alumiinin ja nikkelin seoksen, joka tuotti magneetin, jonka energiatiheys oli suurempi kuin millään aikaisemmalla materiaalilla.
• Moskovan tiedeakatemian tutkijat esittelivät 1980-luvulla uudentyyppisen magneetin, joka on valmistettu neodyymin, raudan ja boorin yhdisteestä (NdFeB), joka on tällä hetkellä vahvin teknisesti saatavilla oleva magneetti.
• Nykyaikaiset magneetit voivat tuottaa magneettikenttiä, joiden vahvuus on jopa 52 mega-Gauss-oersteds (MGOe), mikä on valtava verrattuna lodestonen tuottamaan 0.5 MGOe:hen.

Magneettien rooli energiantuotannossa

• Magneeteilla on keskeinen rooli sähkön tuotannossa, erityisesti tuuliturbiinien ja vesivoiman patojen sähköntuotannossa.
• Magneetteja käytetään myös sähkömoottoreissa, joita löytyy kaikesta autoista kodinkoneisiin.
• Kiinnostus magneetteja kohtaan syntyy niiden kyvystä tuottaa magneettikenttää, jota voidaan käyttää sähkön tuottamiseen.

Magneettien tulevaisuus

• Tutkijat tutkivat uusia materiaaleja ja kehitystä magnetismissa, mukaan lukien harvinaisten maametallien ja metalliseosten käyttöä.
• Neomagneetti on uudenlainen magneetti, joka on vahvempi kuin mikään aikaisempi magneetti ja jolla on potentiaalia mullistaa magnetismikenttä.
• Kun ymmärryksemme magneeteista laajenee, niillä tulee olemaan yhä tärkeämpi rooli teknisesti kehittyneissä yhteiskunnissa.

Tutustu magnetismin kiehtovaan maailmaan

Magnetismi on ominaisuus, joka tietyillä materiaaleilla on, mikä mahdollistaa niiden houkuttelevan tai hylkivän muita materiaaleja. Magnetismin tyyppejä ovat:

• Diamagnetismi: Tämän tyyppistä magnetismia esiintyy kaikissa materiaaleissa ja se johtuu materiaalissa olevien elektronien liikkeestä. Kun materiaali asetetaan magneettikenttään, materiaalissa olevat elektronit tuottavat sähkövirran, joka vastustaa magneettikenttää. Tämä johtaa heikkoon repulsiovaikutukseen, jota ei yleensä havaita.

• Paramagnetismi: Tämän tyyppistä magnetismia on myös kaikissa materiaaleissa, mutta se on paljon heikompi kuin diamagnetismi. Paramagneettisissa materiaaleissa elektronien magneettiset momentit eivät ole linjassa, mutta ne voidaan kohdistaa ulkoisen magneettikentän avulla. Tämä saa materiaalin vetäytymään heikosti magneettikenttään.

• Ferromagnetismi: Tämän tyyppinen magnetismi on tutuin, ja useimmat ihmiset ajattelevat sitä kuullessaan sanan "magneetti". Ferromagneettiset materiaalit houkuttelevat voimakkaasti magneetteja ja voivat säilyttää magneettiset ominaisuutensa myös ulkoisen magneettikentän poistamisen jälkeen. Tämä johtuu siitä, että materiaalissa olevien elektronien magneettiset momentit kohdistuvat samaan suuntaan, mikä tuottaa voimakkaan magneettikentän.

Tiede magnetismin takana

Magnetismi syntyy sähkövarausten, kuten elektronien, liikkeestä materiaalissa. Näiden varausten tuottamaa magneettikenttää voidaan kuvata sarjana viivoja, jotka muodostavat magneettikentän. Magneettikentän voimakkuus vaihtelee läsnä olevien varausten lukumäärän ja niiden kohdistusasteen mukaan.

Myös materiaalin rakenne vaikuttaa sen magneettisiin ominaisuuksiin. Esimerkiksi ferromagneettisissa materiaaleissa molekyylien magneettiset momentit kohdistuvat samaan suuntaan, jolloin syntyy vahva magneettikenttä. Diamagneettisissa materiaaleissa magneettiset momentit suuntautuvat satunnaisesti, mikä johtaa heikon repulsiovaikutukseen.

Magnetismin ymmärtämisen tärkeys

Magnetismi on tärkeä aineen ominaisuus, jolla on monia käytännön sovelluksia. Jotkut tavat, joilla magnetismia käytetään, ovat:

• Sähkömoottorit ja generaattorit: Nämä laitteet käyttävät magneettikenttiä liikkeen tuottamiseen tai sähkön tuottamiseen.

• Magneettinen tallennus: Magneettikenttiä käytetään tietojen tallentamiseen kiintolevyille ja muun tyyppisille magneettisille tallennusvälineille.

• Lääketieteellinen kuvantaminen: Magneettiresonanssikuvaus (MRI) käyttää magneettikenttiä yksityiskohtaisten kuvien tuottamiseen kehosta.

• Magneettinen levitaatio: Magneettikenttiä voidaan käyttää esineiden levitaatioon, jolla on sovelluksia kuljetuksessa ja valmistuksessa.

Magnetismin ymmärtäminen on tärkeää myös materiaalien kanssa työskenteleville tutkijoille ja insinööreille. Ymmärtämällä materiaalin magneettiset ominaisuudet he voivat suunnitella materiaaleja, joilla on tietyt magneettiset ominaisuudet eri sovelluksiin.

Materiaalien magneettikenttien tutkiminen

Magneettikentän voimakkuus määritellään yksiköissä ampeeri per metri (A/m). Magneettikentän intensiteetti on suhteessa magneettivuon tiheyteen, joka on tietyn alueen läpi kulkevien magneettikenttälinjojen lukumäärä. Magneettikentän suunta määritellään vektorilla, joka osoittaa kentässä liikkuvan positiivisen varauksen magneettisen voiman suuntaan.

Johtajien rooli magneettikentissä

Magneettikentät voivat vaikuttaa sähköä johtaviin materiaaleihin, kuten kupariin tai alumiiniin. Kun sähkövirta kulkee johtimen läpi, syntyy magneettikenttä, joka on kohtisuorassa virran suuntaa vastaan. Tätä kutsutaan oikean käden säännöksi, jossa peukalo osoittaa virran suuntaan ja sormet kiertyvät magneettikentän suuntaan.

Magneettisten materiaalien erityistyypit

Magneettisia materiaaleja on kahta tyyppiä: ferromagneettisia ja paramagneettisia. Ferromagneettisilla materiaaleilla, kuten raudalla, nikkelillä ja koboltilla, on voimakas magneettikenttä ja ne voidaan magnetoida. Paramagneettisilla materiaaleilla, kuten alumiinilla ja platinalla, on heikko magneettikenttä, eikä niitä ole helppo magnetoida.

Sähkömagneetti: Tehokas laite, jota ohjaa sähkö

Sähkömagneetti on eräänlainen magneetti, joka syntyy ohjaamalla sähkövirta johdon läpi. Lanka on yleensä kiedottu raudasta tai muusta magneettisesta materiaalista tehdyn ytimen ympärille. Sähkömagneetin periaate on, että kun sähkövirta kulkee johdon läpi, se luo magneettikentän johtimen ympärille. Käärimällä lanka kelaksi magneettikenttä vahvistuu ja tuloksena oleva magneetti on paljon vahvempi kuin tavallinen kestomagneetti.

Miten sähkömagneetteja ohjataan?

Sähkömagneetin voimakkuutta voidaan helposti säätää muuttamalla sen läpi kulkevan sähkövirran määrää. Virran määrää lisäämällä tai vähentämällä magneettikenttää voidaan heikentää tai vahvistaa. Sähkömagneetin navat voidaan jopa kääntää kääntämällä sähkövirtaa. Tämä tekee sähkömagneeteista erittäin hyödyllisiä monissa sovelluksissa.

Mitkä ovat hauskoja kokeita sähkömagneeteilla?

Jos olet kiinnostunut sähkömagneettien takana olevasta tieteestä, voit kokeilla monia hauskoja kokeita kotona. Tässä muutama idea:

• Luo yksinkertainen sähkömagneetti käärimällä lanka naulan ympärille ja liittämällä se akkuun. Katso, kuinka monta paperiliitintä voit poimia sähkömagneetillasi.
• Rakenna yksinkertainen moottori käyttämällä sähkömagneettia ja akkua. Kääntämällä akun napaisuutta saat moottorin pyörimään vastakkaiseen suuntaan.
• Käytä sähkömagneettia luodaksesi yksinkertaisen generaattorin. Pyöritä lankakelaa magneettikentän sisällä, voit tuottaa pienen määrän sähköä.

Kaiken kaikkiaan sähkömagneettien olemassaolo johtuu hyödyllisyydestään siitä, että niitä voidaan helposti ohjata sähköllä, mikä tekee niistä tärkeän osan monissa laitteissa ja sovelluksissa.

Magneettiset dipolit: Magnetismin rakennuspalikoita

Magneettiset dipolit ovat magnetismin perusrakennuspalikoita. Ne ovat pienin magnetismin yksikkö ja koostuvat pienistä magneeteista, joita kutsutaan elektroneiksi. Nämä elektronit ovat läsnä materiaalin molekyyleissä ja niillä on kyky luoda magneettikenttä. Magneettinen dipoli on yksinkertaisesti virtasilmukka, joka koostuu positiivisista ja negatiivisista varauksista.

Magneettisten dipolien toiminta

Magneettisilla dipoleilla on aktiivinen rooli monien yhdisteiden rakenteessa ja toiminnassa. Ne ovat yleensä läsnä tyypillisessä johdossa ja piirissä, ja niiden esiintyminen liittyy suoraan magneettikentän voimakkuuteen. Magneettikentän voimakkuus saadaan silmukan pinta-alasta ja sen läpi kulkevasta virrasta.

Magneettisten dipolien merkitys lääketieteessä

Magneettisilla dipoleilla on suuri merkitys lääketieteessä. Niitä käytetään luomaan pieniä magneetteja, joita voidaan käyttää erilaisten sairauksien diagnosointiin ja hoitoon. Magneettisten dipolien käyttöä lääketieteessä kutsutaan magneettikuvaukseksi (MRI). MRI on terve ja turvallinen lääketieteellinen tekniikka, joka käyttää magneettisia dipoleja luomaan kuvia kehon sisältä.

Yhteenveto

Joten magneetti tarkoittaa jotain, joka houkuttelee tai hylkii magneettia. Se on voima, joka liittyy sähköön ja magnetismiin. Voit käyttää sitä jääkaapin päällä pitämiseen tai kompassin osoittamiseen pohjoiseen. Joten älä pelkää käyttää sitä! Se ei ole niin monimutkaista kuin miltä näyttää. Muista vain säännöt, niin pärjäät.

Olen Joost Nusselder, Tools Doctorin perustaja, sisältömarkkinoija ja isä. Rakastan uusien laitteiden kokeilemista, ja yhdessä tiimini kanssa olen luonut syvällisiä blogiartikkeleita vuodesta 2016 lähtien auttaakseni uskollisia lukijoita työkaluilla ja askarteluvinkeillä.