Inhalt
- Was ist ein Magnetfeld?
- Permanentmagnete
- Haben große Magnete eine starke Magnetkraft?
- Was ist die Curie-Temperatur?
- Elektromagnete
- Verwendung von Elektromagneten
- Interessante Fakten zum Magnetismus
Viele Menschen sind mit Magneten vertraut, weil sie oft dekorative Magnete an ihrem Küchenkühlschrank haben. Magnete haben jedoch viele praktische Zwecke, die über die Dekoration hinausgehen, und viele beeinflussen unser tägliches Leben, ohne dass wir es überhaupt merken.
Es gibt viele Fragen zur Funktionsweise von Magneten und andere allgemeine Fragen zum Magnetismus. Um jedoch die meisten dieser Fragen zu beantworten und zu verstehen, wie unterschiedliche Magnete unterschiedliche Magnetfeldstärken haben können, ist es wichtig zu verstehen, was ein Magnetfeld ist und wie es erzeugt wird.
Was ist ein Magnetfeld?
Ein Magnetfeld ist eine Kraft, die auf ein geladenes Teilchen einwirkt, und die maßgebliche Gleichung für diese Wechselwirkung ist die Lorentz-Kraftgesetz. Die vollständige Gleichung für die Kraft von elektrisches Feld E und ein magnetisches Feld B auf einem Teilchen mit Ladung q und Geschwindigkeit v wird gegeben durch:
vec {F} = q vec {E} + q vec {v} mal vec {B}.Denken Sie daran, weil die Kraft F, die Felder E und Bund die Geschwindigkeit v sind alle Vektoren, die × Operation ist die Vektor Kreuzproduktnicht Multiplikation.
Magnetfelder werden durch das Bewegen geladener Teilchen erzeugt, die häufig als "Magnetfelder" bezeichnet werden elektrischer Strom. Gängige Quellen von Magnetfeldern aus elektrischem Strom sind Elektromagnete wie ein einfacher Draht, ein Draht in einer Schleife und mehrere Drahtschleifen in einer Reihe, die als bezeichnet wird Magnet. Das Erdmagnetfeld wird auch durch bewegte geladene Teilchen im Kern verursacht.
Diese Magnete an Ihrem Kühlschrank scheinen jedoch keine fließenden Ströme oder Stromquellen zu haben. Wie funktionieren diese?
Permanentmagnete
Ein Permanentmagnet ist ein Stück ferromagnetisches Material das hat eine intrinsische Eigenschaft, die ein Magnetfeld erzeugt. Der intrinsische Effekt, der ein Magnetfeld erzeugt, ist ein Elektronenspin, und die Ausrichtung dieser Spins erzeugt magnetische Domänen. Diese Domänen führen zu einem Nettomagnetfeld.
Ferromagnetische Materialien neigen dazu, in ihrer natürlich vorkommenden Form einen hohen Grad an Domänenordnung aufzuweisen, der durch ein äußeres Magnetfeld leicht vollständig ausgerichtet werden kann. Daher neigen ferromagnetische Magnete dazu, in der Natur magnetisch zu sein und behalten leicht ihre magnetischen Eigenschaften bei.
Diamagnetische Materialien sind ferromagnetischen Materialien ähnlich und können in der Natur ein Magnetfeld erzeugen, reagieren aber auf äußere Felder unterschiedlich. Diamagnetisches Material erzeugt bei Vorhandensein eines äußeren Feldes ein entgegengesetzt ausgerichtetes Magnetfeld. Dieser Effekt könnte die gewünschte Stärke des Magneten begrenzen.
Paramagnetische Materialien sind nur in Gegenwart eines äußeren ausrichtenden Magnetfelds magnetisch und neigen dazu, ziemlich schwach zu sein.
Haben große Magnete eine starke Magnetkraft?
Wie bereits erwähnt, bestehen Permanentmagnete aus magnetischen Domänen, die sich zufällig ausrichten. Innerhalb jeder Domäne gibt es einen gewissen Ordnungsgrad, der ein Magnetfeld erzeugt. Die Wechselwirkung aller Domänen in einem Stück ferromagnetischen Materials erzeugt daher das Gesamt- oder Nettomagnetfeld für den Magneten.
Wenn die Domänen zufällig ausgerichtet sind, ist es wahrscheinlich, dass es ein sehr kleines Magnetfeld gibt oder effektiv Null. Wenn jedoch ein äußeres Magnetfeld in die Nähe des ungeordneten Magneten gebracht wird, beginnen sich die Domänen auszurichten. Der Abstand des Ausrichtungsfeldes zu den Domänen wirkt sich auf die Gesamtausrichtung und damit auf das resultierende Nettomagnetfeld aus.
Wenn Sie ein ferromagnetisches Material über einen längeren Zeitraum in einem externen Magnetfeld belassen, können Sie die Bestellung abschließen und das erzeugte Magnetfeld erhöhen. In ähnlicher Weise kann das Nettomagnetfeld eines Permanentmagneten verringert werden, indem mehrere zufällige oder störende Magnetfelder eingebracht werden, die die Domänen fehlausrichten und das Nettomagnetfeld verringern können.
Beeinflusst die Größe eines Magneten seine Stärke? Die kurze Antwort lautet Ja, aber nur, weil die Größe eines Magneten bedeutet, dass es proportional mehr Domänen gibt, die sich ausrichten und ein stärkeres Magnetfeld erzeugen können als ein kleineres Stück desselben Materials. Wenn jedoch die Länge des Magneten sehr groß ist, besteht eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass streuende Magnetfelder Domänen fehlausrichten und das Nettomagnetfeld verringern.
Was ist die Curie-Temperatur?
Ein weiterer Faktor, der zur Magnetstärke beiträgt, ist Temperatur. Der französische Physiker Pierre Curie stellte 1895 fest, dass magnetische Materialien eine Temperaturbegrenzung aufweisen, bei der sich ihre magnetischen Eigenschaften ändern können. Insbesondere richten sich die Domänen nicht mehr aus, so dass die wöchentliche Domänenausrichtung zu einem schwachen Nettomagnetfeld führt.
Für Eisen liegt die Curie-Temperatur bei etwa 1418 Grad Fahrenheit. Für Magnetit sind es ungefähr 1060 Grad Fahrenheit. Beachten Sie, dass diese Temperaturen deutlich unter ihren Schmelzpunkten liegen. Somit kann die Temperatur des Magneten seine Festigkeit beeinflussen.
Elektromagnete
Eine andere Kategorie von Magneten sind ElektromagneteDies sind im Wesentlichen Magnete, die ein- und ausgeschaltet werden können.
Der gebräuchlichste Elektromagnet, der in verschiedenen industriellen Anwendungen verwendet wird, ist ein Elektromagnet. Ein Solenoid ist eine Reihe von Stromschleifen, die zu einem gleichmäßigen Feld in der Mitte der Schleifen führen. Dies liegt an der Tatsache, dass jede einzelne Stromschleife ein kreisförmiges Magnetfeld um den Draht erzeugt. Durch Aneinanderreihung mehrerer Magnetfelder entsteht durch die Überlagerung der Magnetfelder ein gerades, gleichmäßiges Feld durch die Mitte der Schleifen.
Die Gleichung für die Größe eines Magnetfelds lautet einfach: B = μ0nI, wo μ0 _ist die Durchlässigkeit des freien Raums, _n ist die Anzahl der aktuellen Schleifen pro Längeneinheit und ich ist der Strom, der durch sie fließt. Die Richtung des Magnetfeldes wird durch die rechte Regel und die Richtung des Stromflusses bestimmt und kann daher durch Umkehren der Stromrichtung umgekehrt werden.
Es ist sehr leicht zu erkennen, dass die Stärke eines Solenoids auf zwei Arten eingestellt werden kann. Erstens kann der Strom durch den Elektromagneten erhöht werden. Obwohl der Strom scheinbar willkürlich erhöht werden kann, kann es zu Einschränkungen bei der Stromversorgung oder dem Widerstand der Schaltung kommen, die zu Schäden führen können, wenn der Strom überzogen wird.
Eine sicherere Möglichkeit, die Magnetstärke eines Solenoids zu erhöhen, besteht daher darin, die Anzahl der Stromschleifen zu erhöhen. Das Magnetfeld steigt deutlich proportional an. Die einzige Einschränkung in diesem Fall kann die verfügbare Drahtmenge oder räumliche Einschränkungen sein, wenn der Elektromagnet aufgrund der Anzahl der Stromschleifen zu lang ist.
Neben Magneten gibt es viele Arten von Elektromagneten, aber alle haben die gleichen allgemeinen Eigenschaften: Ihre Stärke ist proportional zum Stromfluss.
Verwendung von Elektromagneten
Elektromagnete sind allgegenwärtig und vielseitig einsetzbar. Ein übliches und sehr einfaches Beispiel für einen Elektromagneten, insbesondere einen Elektromagneten, ist ein Lautsprecher. Der sich ändernde Strom durch den Lautsprecher bewirkt, dass die Stärke des Magnetfelds zunimmt und abnimmt.
In diesem Fall wird ein weiterer Magnet, insbesondere ein Permanentmagnet, an einem Ende des Solenoids und gegen eine vibrierende Oberfläche platziert. Während sich die beiden Magnetfelder aufgrund des sich ändernden Magnetfelds anziehen und abstoßen, wird die vibrierende Oberfläche gezogen und gedrückt, wodurch ein Geräusch erzeugt wird.
Bessere Lautsprecher verwenden hochwertige Magnetspulen, Permanentmagnete und vibrierende Oberflächen, um eine bessere Klangqualität zu erzielen.
Interessante Fakten zum Magnetismus
Der größte Magnet der Welt ist die Erde selbst! Wie bereits erwähnt, hat die Erde ein Magnetfeld, das auf die mit dem Erdkern erzeugten Ströme zurückzuführen ist. Während es im Vergleich zu vielen kleinen Handmagneten oder den früher in Teilchenbeschleunigern verwendeten Magneten kein sehr starkes Magnetfeld ist, ist die Erde selbst einer der größten Magnete, die wir kennen!
Ein weiteres interessantes magnetisches Material ist Magnetit. Magnetit ist ein Eisenerz, das nicht nur sehr häufig vorkommt, sondern auch das Mineral mit dem höchsten Eisengehalt ist. Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaft, ein Magnetfeld zu haben, das immer mit dem Erdmagnetfeld ausgerichtet ist, wird es manchmal auch Lodestone genannt. Als solches wurde es bereits 300 v. Chr. Als Magnetkompass verwendet.