Magnetismi ja sähkömagnetismi

Luonnolliset ja keinotekoiset magneetit

Metallurgiselle teollisuudelle louhittujen rautamalmien joukossa on magneettinen rautamalmi. Tällä malmilla on ominaisuus vetää puoleensa rautaesineitä.

Palaa tällaista rautamalmia kutsutaan luonnonmagneetiksi, ja sen vetovoimaominaisuus on magnetismi.

Nykyään magnetismin ilmiötä käytetään erittäin laajasti erilaisissa sähköasennuksissa. Nyt he eivät kuitenkaan käytä luonnollisia, vaan niin kutsuttuja keinotekoisia magneetteja.

Keinotekoiset magneetit on valmistettu erikoisteräksistä. Tällaisen teräksen pala magnetoidaan erityisellä tavalla, minkä jälkeen se saa magneettisia ominaisuuksia, eli siitä tulee kestomagneetti.

Kestomagneettien muoto voi olla hyvin monipuolinen riippuen niiden tarkoituksesta.

Kestomagneetissa vain sen navoilla on gravitaatiovoimia. Magneetin pohjoiseen päin olevaa päätä kutsutaan nimellä pohjoisnapamagneetti ja etelään päin olevaa päätä etelänapamagneetiksi. Jokaisella kestomagneetilla on kaksi napaa: pohjoinen ja etelä. Magneetin pohjoisnapa on merkitty kirjaimella C tai N, etelänapa kirjaimella Yu tai S.

Magneetti vetää puoleensa rautaa, terästä, valurautaa, nikkeliä, kobolttia. Kaikkia näitä kappaleita kutsutaan magneettisiksi kappaleiksi. Kaikkia muita kappaleita, joita magneetti ei vetä puoleensa, kutsutaan ei-magneettisiksi kappaleiksi.

Magneetin rakenne. Magnetisointi

Jokainen kappale, mukaan lukien magneettinen, koostuu pienimmistä hiukkasista - molekyyleistä. Toisin kuin ei-magneettisten kappaleiden molekyyleillä, magneettisen kappaleen molekyyleillä on magneettisia ominaisuuksia, jotka edustavat molekyylimagneetteja. Magneettisen kappaleen sisällä nämä molekyylimagneetit on järjestetty akseleineen eri suuntiin, minkä seurauksena itse kappaleella ei ole magneettisia ominaisuuksia. Mutta jos nämä magneetit pakotetaan pyörimään akselinsa ympäri siten, että niiden pohjoisnavat kääntyvät yhteen suuntaan ja etelänapat toiseen, niin keho saa magneettisia ominaisuuksia, eli siitä tulee magneetti.

Prosessia, jolla magneettinen kappale saa magneetin ominaisuudet, kutsutaan magnetoitumiseksi... Kestomagneettien valmistuksessa magnetointi suoritetaan sähkövirran avulla. Mutta voit magnetoida kehon toisella tavalla käyttämällä tavallista kestomagneettia.

Jos suoraviivainen magneetti leikataan neutraalia linjaa pitkin, saadaan kaksi itsenäistä magneettia, ja magneetin päiden napaisuus säilyy ja leikkauksen tuloksena saatuihin päihin ilmestyy vastakkaisia ​​napoja.

Jokainen tuloksena olevista magneeteista voidaan myös jakaa kahdeksi magneetiksi, ja riippumatta siitä kuinka paljon jatkamme tätä jakoa, saamme aina itsenäisiä magneetteja, joissa on kaksi napaa. On mahdotonta saada tankoa, jossa on yksi magneettinapa. Tämä esimerkki vahvistaa aseman, jonka mukaan magneettinen kappale koostuu useista molekyylimagneeteista.

Magneettiset kappaleet eroavat toisistaan ​​​​molekyylimagneettien liikkuvuuden asteessa. On kappaleita, jotka magnetoituvat nopeasti ja yhtä nopeasti demagnetoituvat. Toisaalta on kappaleita, jotka magnetisoituvat hitaasti, mutta säilyttävät magneettiset ominaisuutensa pitkään.

Joten rauta magnetoituu nopeasti ulkoisen magneetin vaikutuksesta, mutta yhtä nopeasti demagnetoituu, eli se menettää magneettiset ominaisuutensa, kun magneetti poistetaan. Teräs säilyttää magnetoinnin jälkeen magneettiset ominaisuutensa pitkään, ts. , siitä tulee kestomagneetti.

Raudan ominaisuus nopeasti magnetoitua ja demagnetoitua selittyy sillä, että raudan molekyylimagneetit ovat äärimmäisen liikkuvia, ne pyörivät helposti ulkoisten magneettivoimien vaikutuksesta, mutta palaavat yhtä nopeasti aikaisempaan epävakaaseen asentoonsa, kun magnetoiva kappale on poistettu.

Kuitenkin raudassa pieni osa magneeteista ja kestomagneetin poistamisen jälkeen pysyvät vielä jonkin aikaa siinä asennossa, jossa ne olivat magnetointihetkellä. Siksi magnetoinnin jälkeen rauta säilyttää erittäin heikot magneettiset ominaisuudet. Tämän vahvistaa se tosiasia, että kun rautalevy irrotettiin magneetin navasta, kaikki sahanpuru ei pudonnut sen päästä - pieni osa siitä jäi levyyn vetona.

Teräksen ominaisuus pysyä magnetisoituneena pitkään selittyy sillä, että teräksen molekyylimagneetit tuskin pyörivät haluttuun suuntaan magnetoinnin aikana, mutta säilyttävät vakaan asemansa pitkään myös magnetoivan kappaleen poistamisen jälkeen.

Magneettisen kappaleen kykyä osoittaa magneettisia ominaisuuksia magnetoinnin jälkeen kutsutaan jäännösmagnetismiksi.

Jäännösmagnetismin ilmiö johtuu siitä, että magneettisessa kappaleessa on ns. hidastava voima, joka pitää molekyylimagneetit siinä asennossa, jossa ne ovat magnetoinnin aikana.

Raudassa hidastusvoiman vaikutus on erittäin heikko, minkä seurauksena se demagnetoituu nopeasti ja siinä on hyvin vähän jäännösmagnetismia.

Raudan ominaisuus nopeasti magnetoitua ja demagnetoitua käytetään erittäin laajalti sähkötekniikassa. Riittää, kun sanotaan, että kunkin ytimet sähkömagneetitsähkölaitteissa käytetyt on valmistettu erikoisraudasta, jolla on erittäin pieni jäännösmagnetismi.

Teräksellä on suuri pitovoima, jonka ansiosta siinä säilyy magnetismin ominaisuus. siksi kestomagneetit on valmistettu erikoisterässeoksista.

Kestomagneettien ominaisuuksiin vaikuttaa haitallisesti isku, isku ja äkilliset lämpötilanvaihtelut. Jos esimerkiksi kestomagneetti kuumennetaan punaiseksi ja sen annetaan jäähtyä, se menettää täysin magneettiset ominaisuutensa. Samoin jos altistat kestomagneetin iskuille, sen vetovoima vähenee merkittävästi.

Tämä selittyy sillä, että voimakkaalla kuumennuksella tai iskuilla hidastavan voiman vaikutus voitetaan ja siten molekyylimagneettien järjestys häiriintyy. Siksi kestomagneetteja ja kestomagneettilaitteita on käsiteltävä varoen.

Magneettiset voimalinjat. Magneettien napojen vuorovaikutus

Jokaisen magneetin ympärillä on ns magneettikenttä.

Magneettikenttää kutsutaan tilaksi, jossa magneettiset voimat... Kestomagneetin magneettikenttä on se avaruuden osa, jossa suoraviivaisen magneetin kentät ja tämän magneetin magneettiset voimat vaikuttavat.

Magneettikentän magneettiset voimat vaikuttavat tiettyihin suuntiin... Magneettivoimien vaikutussuunnat sovittiin kutsutuksi magneettisiksi voimalinjoiksi... Tätä termiä käytetään laajalti sähkötekniikan tutkimuksessa, mutta se on muistettava että magneettiset voimalinjat eivät ole aineellisia: tämä on tavanomainen termi, joka otetaan käyttöön vain helpottamaan magneettikentän ominaisuuksien ymmärtämistä.

Magneettikentän muoto eli magneettikenttälinjojen sijainti avaruudessa riippuu itse magneetin muodosta.

Magneettikentillä on useita ominaisuuksia: ne ovat aina suljettuja, eivät koskaan risteä, kulkevat yleensä lyhintä polkua ja hylkivät toisiaan, jos ne osoittavat samaan suuntaan. On yleisesti hyväksyttyä, että voimalinjat lähtevät pohjoisnavasta magneetista ja mene sen etelänapaan; magneetin sisällä niillä on suunta etelänavasta pohjoiseen.

Kuten magneettiset navat hylkivät, toisin kuin magneettiset navat vetävät puoleensa.

Molempien päätelmien oikeellisuudesta on helppo vakuuttua käytännössä. Ota kompassi ja tuo siihen yksi suoraviivaisen magneetin napoista, esimerkiksi pohjoisnapa. Näet, että nuoli kääntää välittömästi eteläpäänsä magneetin pohjoisnapaan. Jos käännät magneettia nopeasti 180 °, magneettineula kääntyy välittömästi 180 °, eli sen pohjoispää on magneetin etelänapaa kohti.

Magneettinen induktio. Magneettinen virtaus

Kestomagneetin vaikutus (vetovoima) magneettiseen kappaleeseen pienenee, kun magneetin navan ja tämän kappaleen välinen etäisyys kasvaa. Magneetilla on suurin vetovoima suoraan navoissaan, eli juuri siellä, missä magneettiset voimalinjat sijaitsevat tiheimmin. Napasta poispäin siirryttäessä voimalinjojen tiheys pienenee, niitä löytyy yhä harvemmin, minkä myötä myös magneetin vetovoima heikkenee.

Siten magneetin vetovoima magneettikentän eri kohdissa ei ole sama ja sille on ominaista voimalinjojen tiheys. Magneettikentän karakterisoimiseksi sen eri kohdissa otetaan käyttöön suure, jota kutsutaan magneettikentän induktioksi.

Kentän magneettinen induktio on numeerisesti yhtä suuri kuin niiden voimalinjojen lukumäärä, jotka kulkevat 1 cm2:n alueen läpi, jotka sijaitsevat kohtisuorassa niiden suuntaa vastaan.

Tämä tarkoittaa, että mitä suurempi kenttäviivojen tiheys on tietyssä kentän pisteessä, sitä suurempi on magneettinen induktio kyseisessä kohdassa.

Minkä tahansa alueen läpi kulkevien magneettisten voimalinjojen kokonaismäärää kutsutaan magneettivuoksi.

Magneettivuo on merkitty kirjaimella F ja se liittyy magneettiseen induktioon seuraavan suhteen:

Ф = BS,

jossa F on magneettivuo, V on kentän magneettinen induktio; S on tietyn magneettivuon läpäisemä alue.

Tämä kaava pätee vain, jos alue S on kohtisuorassa magneettivuon suuntaan. Muussa tapauksessa magneettivuon suuruus riippuu myös kulmasta, jossa alue S sijaitsee, ja sitten kaava saa monimutkaisemman muodon.

Kestomagneetin magneettivuon määrää magneetin poikkileikkauksen läpi kulkevien voimalinjojen kokonaismäärä.Mitä suurempi kestomagneetin magneettivuo on, sitä houkuttelevampi se on.

Kestomagneetin magneettivuo riippuu teräksen laadusta, josta magneetti on valmistettu, itse magneetin koosta ja sen magnetoitumisasteesta.

Magneettinen läpäisevyys

Kappaleen ominaisuutta päästää magneettivuo läpi itsensä kutsutaan magneettiseksi permeabiliteetiksi... Magneettivuon on helpompi kulkea ilman läpi kuin ei-magneettisen kappaleen läpi.

Pystyy vertailemaan eri aineita niiden mukaan magneettinen permeabiliteetti, on tapana pitää ilman magneettisen läpäisevyyden olevan yhtä suuri kuin yksikkö.

Niitä kutsutaan aineiksi, joiden magneettinen läpäisevyys on pienempi kuin yksikködiamagneettinen... Niihin kuuluvat kupari, lyijy, hopea jne.

Alumiini, platina, tina jne. Niiden magneettinen permeabiliteetti on hieman suurempi kuin yksikkö, ja niitä kutsutaan paramagneettisiksi aineiksi.

Aineita, joiden magneettinen permeabiliteetti on paljon suurempi kuin yksi (tuhansina mitattuna), kutsutaan ferromagneettisiksi. Näitä ovat nikkeli, koboltti, teräs, rauta jne. Näistä aineista ja niiden seoksista valmistetaan kaikentyyppisiä magneettisia ja sähkömagneettisia laitteita sekä erilaisten sähkökoneiden osia.

Käytännön kiinnostavia viestintätekniikoita varten ovat erityiset rauta-nikkeliseokset, joita kutsutaan permaloidiksi.