Inhoud
- Wat is een magnetisch veld?
- Permanente magneten
- Hebben grote magneten een sterke magnetische kracht?
- Wat is de Curietemperatuur?
- elektromagneten
- Gebruik van elektromagneten
- Interessante feiten over magnetisme
Veel mensen zijn bekend met magneten omdat ze vaak decoratieve magneten op hun koelkast in de keuken hebben. Magneten hebben echter veel praktische doeleinden naast decoratie en veel beïnvloeden ons dagelijks leven zonder dat we het weten.
Er zijn veel vragen over hoe magneten werken en andere algemene magnetisme-vragen. Om de meeste van deze vragen te beantwoorden en te begrijpen hoe verschillende magneten verschillende sterkten van magnetische velden kunnen hebben, is het belangrijk om te begrijpen wat een magnetisch veld is en hoe het wordt geproduceerd.
Wat is een magnetisch veld?
Een magnetisch veld is een kracht die op een geladen deeltje inwerkt, en de heersende vergelijking voor deze interactie is de Lorentz dwingen wet. De volledige vergelijking voor de kracht van een elektrisch veld E en een magnetisch veld B op een deeltje met lading q en snelheid v is gegeven door:
vec {F} = q vec {E} + q vec {v} times vec {B}.Onthoud dat omdat de kracht F, de velden E en Ben de snelheid v zijn alle vectoren, de × operatie is de vector kruisproduct, geen vermenigvuldiging.
Magnetische velden worden geproduceerd door bewegende geladen deeltjes, vaak genoemd elektrische stroom. Gemeenschappelijke bronnen van magnetische velden van elektrische stroom zijn elektromagneten, zoals een eenvoudige draad, een draad in een lus en verschillende draadlussen in een reeks die een solenoide. Het magnetische veld van de aarde wordt ook veroorzaakt door bewegende geladen deeltjes in de kern.
Die magneten op uw koelkast lijken echter geen stroming of stroombronnen te hebben. Hoe werken die
Permanente magneten
Een permanente magneet is een stuk ferromagnetisch materiaal dat heeft een intrinsieke eigenschap die een magnetisch veld produceert. Het intrinsieke effect dat een magnetisch veld produceert, is een elektronenspin en de uitlijning van deze spins creëert magnetische domeinen. Deze domeinen resulteren in een netto magnetisch veld.
Ferromagnetische materialen hebben de neiging een hoge mate van domeinorde te hebben in hun natuurlijk voorkomende vorm, die gemakkelijk volledig kan worden uitgelijnd door een extern magnetisch veld. Ferromagnetische magneten hebben dus de neiging magnetisch te zijn wanneer ze in de natuur worden gevonden en behouden gemakkelijk hun magnetische eigenschappen.
Diamagnetische materialen zijn vergelijkbaar met ferromagnetische materialen en kunnen een magnetisch veld produceren wanneer ze in de natuur worden gevonden, maar anders reageren op externe velden. Diamagnetisch materiaal zal een tegengesteld georiënteerd magnetisch veld produceren in aanwezigheid van een extern veld. Dit effect zou de gewenste sterkte van de magneet kunnen beperken.
Paramagnetische materialen zijn alleen magnetisch in aanwezigheid van een extern, uitlijnend magnetisch veld, en zijn meestal vrij zwak.
Hebben grote magneten een sterke magnetische kracht?
Zoals gezegd bestaan permanente magneten uit magnetische domeinen die willekeurig worden uitgelijnd. Binnen elk domein is er een zekere graad van ordening die een magnetisch veld creëert. De interactie van alle domeinen in één stuk ferromagnetisch materiaal produceert daarom het algehele of netto magnetische veld voor de magneet.
Als de domeinen willekeurig zijn uitgelijnd, is er waarschijnlijk een zeer klein of effectief nul magnetisch veld. Als een extern magnetisch veld echter dichtbij de niet-geordende magneet wordt gebracht, zullen de domeinen beginnen uit te lijnen. De afstand van het uitlijnveld tot de domeinen zal de algehele uitlijning beïnvloeden, en dus het resulterende netto magnetische veld.
Een ferromagnetisch materiaal gedurende lange tijd in een extern magnetisch veld laten liggen, kan helpen bij het voltooien van de bestelling en het vergroten van het geproduceerde magnetische veld. Evenzo kan het netto magnetische veld van een permanente magneet worden verkleind door verschillende willekeurige of interfererende magnetische velden in te brengen, die de domeinen verkeerd kunnen uitlijnen en het netto magnetische veld kunnen verminderen.
Heeft de grootte van een magneet invloed op de sterkte? Het korte antwoord is ja, maar alleen omdat de grootte van een magneet betekent dat er verhoudingsgewijs meer domeinen zijn die kunnen uitlijnen en een sterker magnetisch veld produceren dan een kleiner stuk van hetzelfde materiaal. Als de lengte van de magneet echter erg lang is, is er een verhoogde kans dat verdwaalde magnetische velden domeinen verkeerd uitlijnen en het netto magnetische veld verminderen.
Wat is de Curietemperatuur?
Een andere bijdragende factor is de sterkte van de magneet temperatuur. In 1895 stelde de Franse natuurkundige Pierre Curie vast dat magnetische materialen een temperatuuronderbreking hebben op welk punt hun magnetische eigenschappen kunnen veranderen. In het bijzonder zijn de domeinen niet langer uitgelijnd, dus de weekdomeinuitlijning leidt tot een zwak netto magnetisch veld.
Voor ijzer is de Curietemperatuur ongeveer 1418 graden Fahrenheit. Voor magnetiet is het ongeveer 1060 graden Fahrenheit. Merk op dat deze temperaturen aanzienlijk lager zijn dan hun smeltpunten. Aldus kan de temperatuur van de magneet zijn sterkte beïnvloeden.
elektromagneten
Een andere categorie magneten zijn elektromagneten, dit zijn in wezen magneten die kunnen worden in- en uitgeschakeld.
De meest voorkomende elektromagneet die wordt gebruikt in verschillende industriële toepassingen is een solenoïde. Een solenoïde is een reeks stroomlussen die resulteren in een uniform veld in het midden van de lussen. Dit komt door het feit dat elke afzonderlijke stroomlus een cirkelvormig magnetisch veld rond de draad creëert. Door meerdere in serie te plaatsen, creëert de superpositie van de magnetische velden een recht, uniform veld door het midden van de lussen.
De vergelijking voor de grootte van een solenoïde magnetisch veld is eenvoudig: B = μ0nIkwaar μ0 _ is de permeabiliteit van vrije ruimte, _n is het aantal stroomlussen per lengte-eenheid en ik is de stroom die erdoorheen stroomt. De richting van het magnetische veld wordt bepaald door de rechterregel en de stroomrichting en kan daarom worden omgekeerd door de stroomrichting om te keren.
Het is heel gemakkelijk om te zien dat de sterkte van een solenoïde op twee primaire manieren kan worden aangepast. Ten eerste kan de stroom door de solenoïde worden verhoogd. Hoewel het lijkt alsof de stroom willekeurig kan worden verhoogd, kunnen er beperkingen zijn aan de voeding of de weerstand van het circuit, wat kan leiden tot schade als de stroom te hoog wordt.
Daarom is het vergroten van het aantal stroomlussen een veiligere manier om de magnetische sterkte van een solenoïde te vergroten. Het magnetische veld neemt duidelijk evenredig toe. De enige beperking in dit geval kan de hoeveelheid beschikbare draad zijn, of ruimtelijke beperkingen als de solenoïde te lang is vanwege het aantal stroomlussen.
Naast elektromagneten zijn er vele soorten elektromagneten, maar ze hebben allemaal dezelfde algemene eigenschap: hun sterkte is evenredig met de huidige stroom.
Gebruik van elektromagneten
Elektromagneten zijn alomtegenwoordig en hebben veel toepassingen. Een veel voorkomend en heel eenvoudig voorbeeld van een elektromagneet, met name een solenoïde, is een luidspreker. De variërende stroom door de luidspreker zorgt ervoor dat de sterkte van het magneetveld toeneemt en afneemt.
Terwijl dit gebeurt, wordt een andere magneet, specifiek een permanente magneet, aan het ene uiteinde van de solenoïde en tegen een trillend oppervlak geplaatst. Terwijl de twee magnetische velden aantrekken en afstoten door het veranderende solenoïde veld, wordt het vibrerende oppervlak getrokken en geduwd waardoor geluid ontstaat.
Luidsprekers van betere kwaliteit gebruiken hoogwaardige solenoïden, permanente magneten en trillende oppervlakken om een betere geluidsweergave te creëren.
Interessante feiten over magnetisme
De grootste magneet ter wereld is de aarde zelf! Zoals gezegd heeft de aarde een magnetisch veld dat te wijten is aan de stromen die met de kern van de aarde worden gecreëerd. Hoewel het geen zeer sterk magnetisch veld is in vergelijking met veel kleine draagbare magneten of de ooit gebruikte deeltjesversnellers, is de aarde zelf een van de grootste magneten die we kennen!
Een ander interessant magnetisch materiaal is magnetiet. Magnetiet is een ijzererts dat niet alleen veel voorkomt, maar ook het mineraal met het hoogste ijzergehalte. Het wordt soms lodestone genoemd vanwege zijn unieke eigenschap dat het een magnetisch veld heeft dat altijd is uitgelijnd met het magnetische veld van de aarde. Als zodanig werd het al in 300 voor Christus als een magnetisch kompas gebruikt.