Магнетизм — це клас фізичних явищ, які опосередковуються магнітними полями. Електричні струми і основні магнітні моменти елементарних частинок породжують магнітне поле, яке діє на інші струми і магнітні моменти.
На всі матеріали певною мірою впливає магнітне поле. Найвідоміший ефект спостерігається на постійних магнітах, які мають постійні магнітні моменти, спричинені феромагнетизмом.
У цьому пості ми розглянемо:
- Сила магнітної сили
- Як магнітна сила пов’язана з електричним струмом?
- На які матеріали впливає магнітна сила?
- Приклади дії магнітної сили
- Як описується магнітна сила?
- Які типи полів пов’язані з магнітною силою?
- Чи всі предмети відчувають магнітну силу?
- Який зв’язок між магнітною силою та провідними поверхнями?
- Який зв’язок між магнітною силою та величиною швидкості об’єкта?
- Захоплююча історія магнітів
- Дослідження захоплюючого світу магнетизму
- Вивчення магнітних полів у матеріалах
- Електромагніт: потужний пристрій, що працює від електрики
- Магнітні диполі: цеглинки магнетизму
- Висновок
Сила магнітної сили
Магнітна сила — це сила, яка діє на заряджену частинку, що рухається в магнітному полі. Це сила, яка перпендикулярна швидкості зарядженої частинки та магнітного поля. Ця сила описується рівнянням сили Лоренца, яке стверджує, що сила (F), що діє на заряд (q), який рухається зі швидкістю (v) у магнітному полі (B), визначається рівнянням F = qvBsinθ, де θ це кут між швидкістю заряду та магнітним полем.
Як магнітна сила пов’язана з електричним струмом?
Магнітна сила тісно пов'язана з електричним струмом. Коли по дроту протікає електричний струм, він створює навколо дроту магнітне поле. Це магнітне поле може впливати на інші об’єкти в його присутності. Величина і напрямок сили залежать від сили і напрямку магнітного поля.
На які матеріали впливає магнітна сила?
Магнітна сила може впливати на велику кількість матеріалів, зокрема:
- Магнітні матеріали, такі як залізо, сталь і нікель
- Провідні матеріали, такі як мідь і алюміній
- Рухливі електрони в провіднику
- Заряджені частинки в плазмі
Приклади дії магнітної сили
Деякі приклади дії магнітної сили:
- Магніти, що притягуються або відштовхуються один від одного
- Наклейки, які приклеюються до холодильника чи дверей, оскільки вони оснащені магнітом
- Сталевий стрижень тягнеться до сильного магніту
- Провід, по якому тече електричний струм, відхиляється в магнітному полі
- Рівномірний рух стрілки компаса під дією магнітного поля Землі
Як описується магнітна сила?
Магнітна сила описується в одиницях ньютон (Н) і тесла (Т). Тесла є одиницею напруженості магнітного поля, і вона визначається як сила, що діє на дріт зі струмом в один ампер, поміщений в однорідне магнітне поле в один тесла. Магнітна сила, що діє на об’єкт, дорівнює добутку напруженості магнітного поля на заряд об’єкта.
Які типи полів пов’язані з магнітною силою?
Магнітна сила пов’язана з електромагнітними полями. Електромагнітне поле — це тип поля, який створюється наявністю електричних зарядів і струмів. Магнітне поле є одним із компонентів електромагнітного поля, яке створюється рухом електричних зарядів.
Чи всі предмети відчувають магнітну силу?
Не всі предмети відчувають магнітну силу. Лише об’єкти, які мають сумарний заряд або несуть електричний струм, відчуватимуть магнітну силу. Об’єкти, які не мають сумарного заряду та не несуть електричний струм, не відчуватимуть магнітної сили.
Який зв’язок між магнітною силою та провідними поверхнями?
Коли провідна поверхня поміщається в магнітне поле, електрони на поверхні відчуватимуть силу через магнітне поле. Ця сила змусить електрони рухатися, що створить струм на поверхні. Струм, у свою чергу, створить магнітне поле, яке буде взаємодіяти з початковим магнітним полем, змушуючи поверхню відчувати силу.
Який зв’язок між магнітною силою та величиною швидкості об’єкта?
Магнітна сила, що діє на об’єкт, пропорційна величині швидкості об’єкта. Чим швидше рухається об’єкт, тим сильнішою буде магнітна сила.
Захоплююча історія магнітів
- Слово «магніт» походить від латинського слова «magnes», яке відноситься до особливого типу каменю, знайденого в Туреччині на горі Іда.
- Понад 2,000 років тому стародавні китайці відкрили електромагніти, які є природними магнітами з оксиду заліза.
- Англійський вчений Вільям Гілберт підтвердив попередні спостереження про властивості магнітів наприкінці 16 століття, зокрема про існування магнітних полюсів.
- У 1820 році голландський вчений Крістіан Ерстед виявив зв'язок між електрикою та магнетизмом.
- Французький фізик Андре Ампер розширив роботу Ерстеда, вивчивши зв’язок між електрикою та магнетизмом і розробивши концепцію магнітного поля.
Розробка постійних магнітів
- У перші роки магнетизму дослідники були зацікавлені у виробництві сильніших і потужніших магнітів.
- У 1930-х роках дослідники Sumitomo розробили сплав заліза, алюмінію та нікелю, який виробляв магніт з вищою щільністю енергії, ніж будь-який попередній матеріал.
- У 1980-х роках дослідники з Академії наук у Москві представили новий тип магніту, виготовленого зі сполуки неодиму, заліза та бору (NdFeB), який є найсильнішим магнітом із технологічних доступних сьогодні.
- Сучасні магніти можуть створювати магнітні поля напруженістю до 52 мега-Гаус-Ерстед (MGOe), що є величезною величиною порівняно з 0.5 MGOe, створюваними магнітними магнітами.
Роль магнітів у виробництві енергії
- Магніти відіграють вирішальну роль у виробництві електроенергії, особливо у виробництві електроенергії від вітряних турбін і гідроелектростанцій.
- Магніти також використовуються в електродвигунах, які є у всьому, від автомобілів до побутової техніки.
- Інтерес до магнітів виникає через їхню здатність створювати магнітне поле, яке можна використовувати для генерації електроенергії.
Майбутнє магнітів
- Вчені вивчають нові матеріали та розробки в області магнетизму, зокрема використання рідкоземельних металів і сплавів.
- Неомагніт — це новий тип магніту, який сильніший за будь-який попередній магніт і має потенціал революціонізувати поле магнетизму.
- Оскільки наше розуміння магнітів продовжує розширюватися, вони відіграватимуть дедалі важливішу роль у технологічно розвинених суспільствах.
Дослідження захоплюючого світу магнетизму
Магнетизм - це властивість певних матеріалів, яка дозволяє їм притягувати або відштовхувати інші матеріали. До видів магнетизму відносяться:
- Діамагнетизм: цей тип магнетизму присутній у всіх матеріалах і спричинений рухом електронів у матеріалі. Коли матеріал поміщається в магнітне поле, електрони в матеріалі вироблятимуть електричний струм, який протистоїть магнітному полю. Це призводить до слабкого ефекту відштовхування, який зазвичай не помітний.
- Парамагнетизм: цей тип магнетизму також присутній у всіх матеріалах, але він набагато слабший, ніж діамагнетизм. У парамагнітних матеріалах магнітні моменти електронів не вирівняні, але вони можуть бути вирівняні зовнішнім магнітним полем. Це призводить до того, що матеріал слабко притягується до магнітного поля.
- Феромагнетизм: цей тип магнетизму є найвідомішим і більшість людей думає про нього, коли чує слово «магніт». Феромагнітні матеріали сильно притягуються до магнітів і можуть зберігати свої магнітні властивості навіть після зняття зовнішнього магнітного поля. Це пояснюється тим, що магнітні моменти електронів у матеріалі спрямовані в одному напрямку, створюючи сильне магнітне поле.
Наука за магнетизмом
Магнетизм виникає внаслідок руху електричних зарядів, наприклад електронів, у матеріалі. Магнітне поле, створене цими зарядами, можна описати як набір ліній, які утворюють магнітне поле. Сила магнітного поля змінюється залежно від кількості присутніх зарядів і ступеня їх вирівнювання.
Структура матеріалу також відіграє роль у його магнітних властивостях. У феромагнітних матеріалах, наприклад, магнітні моменти молекул спрямовані в одному напрямку, створюючи сильне магнітне поле. У діамагнітних матеріалах магнітні моменти орієнтовані випадковим чином, що призводить до слабкого ефекту відштовхування.
Важливість розуміння магнетизму
Магнетизм є важливою властивістю матерії, яка має багато практичних застосувань. Деякі способи використання магнетизму включають:
- Електродвигуни та генератори: ці пристрої використовують магнітні поля для руху або генерації електроенергії.
- Магнітне зберігання: магнітні поля використовуються для зберігання даних на жорстких дисках та інших типах магнітних носіїв.
- Медична візуалізація. Магнітно-резонансна томографія (МРТ) використовує магнітні поля для створення детальних зображень тіла.
- Магнітна левітація: магнітні поля можна використовувати для левітації об’єктів, які застосовуються на транспорті та у виробництві.
Розуміння магнетизму також важливо для вчених та інженерів, які працюють з матеріалами. Розуміючи магнітні властивості матеріалу, вони можуть розробляти матеріали з певними магнітними властивостями для різних застосувань.
Вивчення магнітних полів у матеріалах
Сила магнітного поля визначається в одиницях ампер на метр (А/м). Напруженість магнітного поля пов’язана з щільністю магнітного потоку, яка є кількістю силових ліній магнітного поля, що проходять через дану область. Напрямок магнітного поля визначається вектором, який вказує на напрям магнітної сили на позитивний заряд, що рухається в полі.
Роль провідників у магнітних полях
Магнітні поля можуть впливати на матеріали, які проводять електрику, наприклад на мідь або алюміній. Коли електричний струм протікає через провідник, утворюється магнітне поле, яке перпендикулярно до напрямку течії струму. Це відоме як правило правої руки, коли великий палець вказує в напрямку струму, а пальці скручуються в напрямку магнітного поля.
Специфічні типи магнітних матеріалів
Існує два типи магнітних матеріалів: феромагнітні та парамагнітні. Феромагнітні матеріали, такі як залізо, нікель і кобальт, мають сильне магнітне поле і можуть намагнічуватися. Парамагнітні матеріали, такі як алюміній і платина, мають слабке магнітне поле і нелегко намагнічуються.
Електромагніт: потужний пристрій, що працює від електрики
Електромагніт — це різновид магніту, який створюється шляхом проходження електричного струму по дроту. Дріт зазвичай обмотується навколо сердечника із заліза або іншого магнітного матеріалу. Принцип роботи електромагніту полягає в тому, що коли електричний струм протікає по дроту, навколо дроту створюється магнітне поле. Згорнувши дріт у котушку, магнітне поле посилюється, і отриманий магніт набагато сильніший за звичайний постійний магніт.
Як управляються електромагніти?
Силу електромагніту можна легко контролювати, змінюючи силу електричного струму, що протікає через нього. Збільшуючи або зменшуючи силу струму, магнітне поле можна послабити або посилити. Полюси електромагніту можна навіть поміняти місцями, змінивши потік електрики. Це робить електромагніти дуже корисними в широкому діапазоні застосувань.
Які цікаві експерименти з електромагнітами?
Якщо вас цікавить наука про електромагніти, ви можете спробувати вдома багато цікавих експериментів. Ось кілька ідей:
- Створіть простий електромагніт, обернувши дріт навколо цвяха та підключивши його до акумулятора. Подивіться, скільки скріпок ви можете зібрати за допомогою електромагніту.
- Побудуйте простий двигун, використовуючи електромагніт і акумулятор. Перевернувши полярність батареї, ви можете змусити двигун обертатися в протилежному напрямку.
- За допомогою електромагніту створіть простий генератор. Обертаючи котушку дроту всередині магнітного поля, ви можете генерувати невелику кількість електрики.
Загалом існування електромагнітів пояснюється своєю корисністю тому факту, що ним можна легко керувати за допомогою електрики, що робить його життєво важливим компонентом у багатьох пристроях і програмах.
Магнітні диполі: цеглинки магнетизму
Магнітні диполі є основними будівельними блоками магнетизму. Вони є найменшою одиницею магнетизму і складаються з крихітних магнітів, які називаються електронами. Ці електрони присутні в молекулах матеріалу і мають здатність створювати магнітне поле. Магнітний диполь - це просто петля струму, яка складається з позитивних і негативних зарядів.
Функція магнітних диполів
Магнітні диполі відіграють активну роль у структурі та функції багатьох сполук. Вони зазвичай присутні в типовому дроті та ланцюзі, і їх присутність безпосередньо пов’язана з напруженістю магнітного поля. Напруженість магнітного поля визначається площею петлі та струмом, що протікає через неї.
Значення магнітних диполів у медицині
Магнітні диполі мають велике значення в медицині. Вони використовуються для створення крихітних магнітів, які можна використовувати для діагностики та лікування різних захворювань. Використання магнітних диполів у медицині називається магнітно-резонансною томографією (МРТ). МРТ — надійний і безпечний медичний метод, який використовує магнітні диполі для створення зображень внутрішньої частини тіла.
Висновок
Отже, магнітне означає те, що притягує або відштовхує магніт. Це сила, пов’язана з електрикою та магнетизмом. Ви можете використовувати його, щоб тримати речі на холодильнику або вказувати компас на північ. Тож не бійтеся ним користуватися! Це не так складно, як здається. Просто запам'ятайте правила, і у вас все вийде.
Я Йост Нуссельдер, засновник Tools Doctor, контент-маркетолог і тато. Я люблю випробовувати нове обладнання, і разом зі своєю командою я створюю детальні статті в блозі з 2016 року, щоб допомогти лояльним читачам інструментами та порадами щодо виготовлення.