Magnetyczny: kompletny przewodnik po siłach i polach magnetycznych

Magnetyzm to klasa zjawisk fizycznych, w których pośredniczą pola magnetyczne. Prądy elektryczne i podstawowe momenty magnetyczne cząstek elementarnych powodują powstanie pola magnetycznego, które oddziałuje na inne prądy i momenty magnetyczne.

Na wszystkie materiały w pewnym stopniu oddziałuje pole magnetyczne. Najbardziej znany efekt dotyczy magnesów trwałych, które mają trwałe momenty magnetyczne spowodowane ferromagnetyzmem.

Siła siły magnetycznej

Siła magnetyczna to siła działająca na naładowaną cząstkę poruszającą się w polu magnetycznym. Jest to siła prostopadła do prędkości naładowanej cząstki i pola magnetycznego. Siłę tę opisuje równanie siły Lorentza, które stwierdza, że ​​siła (F) działająca na ładunek (q) poruszający się z prędkością (v) w polu magnetycznym (B) jest określona równaniem F = qvBsinθ, gdzie θ jest kątem między prędkością ładunku a polem magnetycznym.

W jaki sposób siła magnetyczna jest związana z prądem elektrycznym?

Siła magnetyczna jest ściśle związana z prądem elektrycznym. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez drut, tworzy wokół niego pole magnetyczne. To pole magnetyczne może wywierać siłę na inne obiekty w jego obecności. Wielkość i kierunek siły zależą od siły i kierunku pola magnetycznego.

Na jakie materiały oddziałuje siła magnetyczna?

Siła magnetyczna może wpływać na wiele materiałów, w tym:

• Materiały magnetyczne, takie jak żelazo, stal i nikiel
• Materiały przewodzące, takie jak miedź i aluminium
• Ruchome elektrony w przewodniku
• Naładowane cząstki w plazmie

Przykłady działania siły magnetycznej

Niektóre przykłady działania siły magnetycznej obejmują:

• Magnesy przyciągające się lub odpychające
• Naklejki, które przyklejają się do lodówki lub drzwi, ponieważ są wyposażone w magnes
• Stalowy pręt ciągnięty w kierunku silnego magnesu
• Drut, w którym płynie prąd elektryczny, jest odchylany w polu magnetycznym
• Stały ruch igły kompasu wywołany polem magnetycznym Ziemi

Jak opisano siłę magnetyczną?

Siła magnetyczna jest opisana za pomocą jednostek niutonów (N) i tesli (T). Tesla jest jednostką natężenia pola magnetycznego i jest zdefiniowana jako siła działająca na drut przewodzący prąd o natężeniu jednego ampera umieszczony w jednorodnym polu magnetycznym o natężeniu jednej tesli. Siła magnetyczna działająca na przedmiot jest równa iloczynowi natężenia pola magnetycznego i ładunku tego przedmiotu.

Jakie rodzaje pól są związane z siłą magnetyczną?

Siła magnetyczna jest związana z polami elektromagnetycznymi. Pole elektromagnetyczne to rodzaj pola, które powstaje w wyniku obecności ładunków elektrycznych i prądów. Pole magnetyczne jest jednym ze składników pola elektromagnetycznego i powstaje w wyniku ruchu ładunków elektrycznych.

Czy wszystkie obiekty doświadczają siły magnetycznej?

Nie wszystkie obiekty doświadczają siły magnetycznej. Tylko przedmioty, które mają ładunek netto lub przenoszą prąd elektryczny, będą doświadczać siły magnetycznej. Obiekty, które nie mają ładunku netto i nie przewodzą prądu elektrycznego, nie będą doświadczać siły magnetycznej.

Jaki jest związek między siłą magnetyczną a powierzchniami przewodzącymi?

How to strip wire fast

Share

Watch on

Kiedy powierzchnia przewodząca zostanie umieszczona w polu magnetycznym, elektrony na powierzchni będą doświadczać siły wywołanej polem magnetycznym. Siła ta spowoduje ruch elektronów, co spowoduje powstanie prądu na powierzchni. Prąd z kolei wytworzy pole magnetyczne, które będzie oddziaływać z pierwotnym polem magnetycznym, powodując oddziaływanie siły na powierzchnię.

Jaki jest związek między siłą magnetyczną a wielkością prędkości obiektu?

Siła magnetyczna działająca na obiekt jest proporcjonalna do wielkości jego prędkości. Im szybciej obiekt się porusza, tym silniejsza będzie siła magnetyczna.

Fascynująca historia magnesów

• Słowo „magnes” pochodzi od łacińskiego słowa „magnes”, które odnosi się do specjalnego rodzaju skały znalezionej w Turcji na górze Ida.
• Starożytni Chińczycy odkryli magnesy, które są naturalnymi magnesami wykonanymi z tlenku żelaza, ponad 2,000 lat temu.
• Angielski naukowiec William Gilbert potwierdził wcześniejsze obserwacje dotyczące właściwości magnesów pod koniec XVI wieku, w tym istnienie biegunów magnetycznych.
• Holenderski naukowiec Christian Oersted odkrył związek między elektrycznością a magnetyzmem w 1820 roku.
• Francuski fizyk Andre Ampere rozwinął prace Oersteda, badając związek między elektrycznością a magnetyzmem i rozwijając koncepcję pola magnetycznego.

Rozwój magnesów trwałych

• We wczesnych latach magnetyzmu naukowcy byli zainteresowani wytwarzaniem silniejszych i potężniejszych magnesów.
• W latach trzydziestych XX wieku naukowcy z Sumitomo opracowali stop żelaza, aluminium i niklu, który wytworzył magnes o większej gęstości energii niż jakikolwiek wcześniejszy materiał.
• W latach 1980. naukowcy z Akademii Nauk w Moskwie wprowadzili nowy rodzaj magnesu wykonanego ze związku neodymu, żelaza i boru (NdFeB), który jest najsilniejszym magnesem dostępnym obecnie technologicznie.
• Nowoczesne magnesy mogą wytwarzać pola magnetyczne o sile do 52 mega-Gauss-oerstedów (MGOe), co jest ogromną wartością w porównaniu z 0.5 MGOe wytwarzanymi przez kamienie lodowe.

Rola magnesów w produkcji energii

• Magnesy odgrywają kluczową rolę w wytwarzaniu energii elektrycznej, zwłaszcza w produkcji energii z turbin wiatrowych i zapór wodnych.
• Magnesy są również stosowane w silnikach elektrycznych, które można znaleźć we wszystkim, od samochodów po sprzęt AGD.
• Zainteresowanie magnesami wynika z ich zdolności do wytwarzania pola magnetycznego, które można wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej.

Przyszłość magnesów

• Naukowcy badają nowe materiały i rozwój magnetyzmu, w tym wykorzystanie metali ziem rzadkich i ich stopów.
• Magnes neo to nowy typ magnesu, który jest silniejszy niż jakikolwiek poprzedni magnes i ma potencjał, aby zrewolucjonizować dziedzinę magnetyzmu.
• Ponieważ nasza wiedza na temat magnesów stale się poszerza, będą one odgrywać coraz ważniejszą rolę w społeczeństwach zaawansowanych technologicznie.

Odkrywanie fascynującego świata magnetyzmu

Magnetyzm to właściwość niektórych materiałów, która pozwala im przyciągać lub odpychać inne materiały. Rodzaje magnetyzmu obejmują:

• Diamagnetyzm: Ten rodzaj magnetyzmu występuje we wszystkich materiałach i jest spowodowany ruchem elektronów w materiale. Kiedy materiał jest umieszczony w polu magnetycznym, elektrony w materiale wytwarzają prąd elektryczny, który jest przeciwny do pola magnetycznego. Powoduje to słaby efekt odpychania, który zwykle nie jest zauważalny.

• Paramagnetyzm: Ten rodzaj magnetyzmu jest również obecny we wszystkich materiałach, ale jest znacznie słabszy niż diamagnetyzm. W materiałach paramagnetycznych momenty magnetyczne elektronów nie są wyrównane, ale mogą być wyrównane przez zewnętrzne pole magnetyczne. Powoduje to słabe przyciąganie materiału do pola magnetycznego.

• Ferromagnetyzm: Ten rodzaj magnetyzmu jest najbardziej znany i większość ludzi myśli o nim, słysząc słowo „magnes”. Materiały ferromagnetyczne są silnie przyciągane przez magnesy i mogą zachować swoje właściwości magnetyczne nawet po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego. Dzieje się tak, ponieważ momenty magnetyczne elektronów w materiale są ustawione w tym samym kierunku, wytwarzając silne pole magnetyczne.

Nauka stojąca za magnetyzmem

Magnetyzm jest wytwarzany przez ruch ładunków elektrycznych, takich jak elektrony, w materiale. Pole magnetyczne wytwarzane przez te ładunki można opisać jako zbiór linii tworzących pole magnetyczne. Siła pola magnetycznego zmienia się w zależności od liczby obecnych ładunków i stopnia ich wyrównania.

Struktura materiału również odgrywa rolę w jego właściwościach magnetycznych. Na przykład w materiałach ferromagnetycznych momenty magnetyczne cząsteczek są ustawione w tym samym kierunku, wytwarzając silne pole magnetyczne. W materiałach diamagnetycznych momenty magnetyczne są przypadkowo zorientowane, co skutkuje słabym efektem odpychania.

Znaczenie zrozumienia magnetyzmu

Magnetyzm jest ważną właściwością materii, która ma wiele praktycznych zastosowań. Niektóre ze sposobów wykorzystania magnetyzmu obejmują:

• Silniki elektryczne i generatory: Urządzenia te wykorzystują pola magnetyczne do wytwarzania ruchu lub wytwarzania energii elektrycznej.

• Przechowywanie magnetyczne: Pola magnetyczne służą do przechowywania danych na dyskach twardych i innych typach magnetycznych nośników pamięci.

• Obrazowanie medyczne: Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) wykorzystuje pola magnetyczne do tworzenia szczegółowych obrazów ciała.

• Lewitacja magnetyczna: Pola magnetyczne mogą być wykorzystywane do lewitacji obiektów, co ma zastosowanie w transporcie i produkcji.

Zrozumienie magnetyzmu jest również ważne dla naukowców i inżynierów pracujących z materiałami. Znając właściwości magnetyczne materiału, mogą projektować materiały o określonych właściwościach magnetycznych do różnych zastosowań.

Badanie pól magnetycznych w materiałach

Natężenie pola magnetycznego określa się w amperach na metr (A/m). Natężenie pola magnetycznego jest związane z gęstością strumienia magnetycznego, czyli liczbą linii pola magnetycznego przechodzących przez dany obszar. Kierunek pola magnetycznego jest określony przez wektor, który wskazuje kierunek siły magnetycznej działającej na dodatni ładunek poruszający się w polu.

Rola przewodników w polach magnetycznych

Pola magnetyczne mogą oddziaływać na materiały przewodzące prąd elektryczny, takie jak miedź lub aluminium. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik, wytwarzane jest pole magnetyczne, które jest prostopadłe do kierunku przepływu prądu. Nazywa się to regułą prawej ręki, zgodnie z którą kciuk wskazuje kierunek przepływu prądu, a palce wyginają się w kierunku pola magnetycznego.

Konkretne rodzaje materiałów magnetycznych

Istnieją dwa specyficzne rodzaje materiałów magnetycznych: ferromagnetyczne i paramagnetyczne. Materiały ferromagnetyczne, takie jak żelazo, nikiel i kobalt, mają silne pole magnetyczne i mogą być namagnesowane. Materiały paramagnetyczne, takie jak aluminium i platyna, mają słabe pole magnetyczne i niełatwo je namagnesować.

Elektromagnes: potężne urządzenie napędzane energią elektryczną

Elektromagnes to rodzaj magnesu, który jest tworzony przez przepuszczanie prądu elektrycznego przez drut. Drut jest zwykle owinięty wokół rdzenia wykonanego z żelaza lub innego materiału magnetycznego. Zasada działania elektromagnesu polega na tym, że gdy prąd elektryczny przepływa przez drut, tworzy wokół niego pole magnetyczne. Owijając drut w cewkę, pole magnetyczne jest wzmacniane, a powstały magnes jest znacznie silniejszy niż zwykły magnes stały.

Jak sterowane są elektromagnesy?

Siłę elektromagnesu można łatwo kontrolować, zmieniając ilość przepływającego przez niego prądu elektrycznego. Zwiększając lub zmniejszając natężenie prądu, pole magnetyczne można osłabić lub wzmocnić. Bieguny elektromagnesu można nawet odwrócić, odwracając przepływ prądu. To sprawia, że ​​elektromagnesy są bardzo przydatne w szerokim zakresie zastosowań.

Jakie są zabawne eksperymenty z elektromagnesami?

Jeśli interesujesz się nauką stojącą za elektromagnesami, istnieje wiele zabawnych eksperymentów, które możesz wypróbować w domu. Oto kilka pomysłów:

• Stwórz prosty elektromagnes, owijając drut wokół gwoździa i podłączając go do baterii. Zobacz, ile spinaczy możesz podnieść za pomocą elektromagnesu.
• Zbuduj prosty silnik, używając elektromagnesu i baterii. Odwracając biegunowość baterii, możesz sprawić, że silnik będzie się obracał w przeciwnym kierunku.
• Użyj elektromagnesu do stworzenia prostego generatora. Obracając cewkę drutu w polu magnetycznym, możesz wytworzyć niewielką ilość energii elektrycznej.

Ogólnie rzecz biorąc, istnienie elektromagnesów zawdzięcza swoją użyteczność faktowi, że można je łatwo kontrolować za pomocą energii elektrycznej, co czyni je istotnym elementem wielu urządzeń i zastosowań.

Dipole magnetyczne: elementy składowe magnetyzmu

Dipole magnetyczne są podstawowymi budulcami magnetyzmu. Są najmniejszą jednostką magnetyzmu i składają się z maleńkich magnesów zwanych elektronami. Elektrony te są obecne w cząsteczkach materiału i mają zdolność tworzenia pola magnetycznego. Dipol magnetyczny to po prostu pętla prądu złożona z ładunków dodatnich i ujemnych.

Funkcja dipoli magnetycznych

Dipole magnetyczne odgrywają aktywną rolę w strukturze i funkcji wielu związków. Są powszechnie obecne w typowym przewodzie i obwodzie, a ich obecność jest bezpośrednio związana z natężeniem pola magnetycznego. Siła pola magnetycznego jest określona przez powierzchnię pętli i przepływający przez nią prąd.

Znaczenie dipoli magnetycznych w naukach medycznych

Dipole magnetyczne mają duże znaczenie w naukach medycznych. Służą do tworzenia maleńkich magnesów, które można wykorzystać do diagnozowania i leczenia różnych schorzeń. Zastosowanie dipoli magnetycznych w naukach medycznych nazywa się obrazowaniem metodą rezonansu magnetycznego (MRI). MRI to solidna i bezpieczna technika medyczna, która wykorzystuje dipole magnetyczne do tworzenia obrazów wnętrza ciała.

Wnioski

Tak więc magnes oznacza coś, co przyciąga lub odpycha magnes. To siła związana z elektrycznością i magnetyzmem. Możesz go użyć do trzymania rzeczy na lodówce lub wyznaczenia kompasu na północ. Więc nie bój się go używać! To nie jest tak skomplikowane, jak się wydaje. Pamiętaj tylko o zasadach, a wszystko będzie dobrze.

Jestem Joost Nusselder, założyciel Tools Doctor, content marketer i tata. Uwielbiam wypróbowywać nowy sprzęt, a wraz z moim zespołem od 2016 roku tworzę szczegółowe artykuły na blogu, aby pomóc lojalnym czytelnikom za pomocą narzędzi i wskazówek rzemieślniczych.