Magnetisme og elektromagnetisme

Naturlige og kunstige magneter

Blandt de jernmalme, der udvindes til den metallurgiske industri, er en malm kaldet magnetisk jernmalm. Denne malm har den egenskab at tiltrække jerngenstande til sig selv.

Et stykke af en sådan jernmalm kaldes en naturlig magnet, og den tiltrækningsegenskab, den udviser, er magnetisme.

I dag er fænomenet magnetisme meget udbredt i forskellige elektriske installationer. Men nu bruger de ikke naturlige, men såkaldte kunstige magneter.

Kunstige magneter er lavet af specialstål. Et stykke sådant stål magnetiseres på en særlig måde, hvorefter det får magnetiske egenskaber, dvs. permanent magnet.

Formen af ​​permanente magneter kan være meget forskelligartet, afhængigt af deres formål.

I en permanent magnet er det kun dens poler, der har gravitationskræfter. Den nordvendte ende af magneten kaldes nordpolmagneten, og den sydvendte ende er sydpolmagneten. Hver permanent magnet har to poler: nord og syd. Nordpolen af ​​en magnet er angivet med bogstavet C eller N, sydpolen med bogstavet Yu eller S.

Magneten tiltrækker jern, stål, støbejern, nikkel, kobolt til sig selv. Alle disse legemer kaldes magnetiske legemer. Alle andre legemer, der ikke tiltrækkes af en magnet, kaldes ikke-magnetiske legemer.

Magnetens struktur. Magnetisering

Hver krop, inklusive den magnetiske, består af de mindste partikler - molekyler. I modsætning til molekylerne i ikke-magnetiske legemer har molekylerne i et magnetisk legeme magnetiske egenskaber, der repræsenterer molekylære magneter. Inde i et magnetisk legeme er disse molekylære magneter arrangeret med deres akser i forskellige retninger, med det resultat, at kroppen selv ikke udviser nogen magnetiske egenskaber. Men hvis disse magneter tvinges til at rotere om deres akser, så deres nordpoler drejer i den ene retning og deres sydpoler i den anden, så vil kroppen erhverve magnetiske egenskaber, det vil sige, at det bliver en magnet.

Processen, hvorved et magnetisk legeme får en magnets egenskaber, kaldes magnetisering... Ved fremstilling af permanente magneter udføres magnetisering ved hjælp af en elektrisk strøm. Men du kan magnetisere kroppen på en anden måde, ved at bruge en almindelig permanent magnet.

Hvis en retlinet magnet skæres langs en neutral linje, opnås to uafhængige magneter, og polariteten af ​​magnetens ender vil blive bevaret, og modsatte poler vil fremkomme ved enderne opnået som følge af skæring.

Hver af de resulterende magneter kan også opdeles i to magneter, og uanset hvor meget vi fortsætter denne opdeling, vil vi altid få uafhængige magneter med to poler. Det er umuligt at få en stang med én magnetisk pol. Dette eksempel bekræfter den holdning, at det magnetiske legeme består af mange molekylære magneter.

Magnetiske legemer adskiller sig fra hinanden i graden af ​​mobilitet af de molekylære magneter. Der er legemer, der hurtigt magnetiseres og lige så hurtigt afmagnetiseres. Omvendt er der legemer, der magnetiserer langsomt, men bevarer deres magnetiske egenskaber i lang tid.

Jern bliver altså hurtigt magnetiseret under påvirkning af en ekstern magnet, men lige så hurtigt afmagnetiseret, det vil sige, at det mister sine magnetiske egenskaber, når magneten fjernes.Stål bevarer efter at være magnetiseret sine magnetiske egenskaber i lang tid, dvs. , bliver det en permanent magnet.

Jernets egenskab til hurtigt at magnetisere og afmagnetisere forklares ved, at jerns molekylære magneter er ekstremt mobile, de roterer let under påvirkning af eksterne magnetiske kræfter, men vender lige så hurtigt tilbage til deres tidligere uordnede position, når det magnetiserende legeme er fjernet.

I jern forbliver en lille del af magneterne, og efter fjernelse af den permanente magnet, stadig i nogen tid i den position, som de indtog på magnetiseringstidspunktet. Derfor bevarer jern meget svage magnetiske egenskaber efter magnetisering. Dette bekræftes af det faktum, at da jernpladen blev fjernet fra magnetens pol, faldt ikke alt savsmuldet fra dens ende - en lille del af det forblev tiltrukket af pladen.

Stålets egenskab til at forblive magnetiseret i lang tid forklares ved, at stålets molekylære magneter næppe roterer i den ønskede retning under magnetisering, men de bevarer deres stabile position i lang tid selv efter fjernelse af magnetiseringslegemet.

Et magnetisk legemes evne til at udvise magnetiske egenskaber efter magnetisering kaldes restmagnetisme.

Fænomenet restmagnetisme skyldes, at der i et magnetisk legeme er en såkaldt retarderende kraft, der holder molekylemagneterne i den position, de indtager under magnetiseringen.

I jern er virkningen af ​​den retarderende kraft meget svag, med det resultat, at den hurtigt afmagnetiserer og har meget lidt restmagnetisme.

Jernets egenskab til hurtigt at magnetisere og afmagnetisere er ekstremt udbredt i elektroteknik. Det er tilstrækkeligt at sige, at kernerne i hver elektromagneterdem, der bruges i elektriske apparater, er lavet af specialjern med ekstremt lav restmagnetisme.

Stål har en stor holdekraft, på grund af hvilken magnetismens egenskab er bevaret i det. derfor permanente magneter er lavet af specielle stållegeringer.

Permanente magneters egenskaber påvirkes negativt af stød, stød og pludselige temperatursvingninger. Hvis for eksempel en permanent magnet opvarmes til rød og derefter får lov til at køle af, så vil den helt miste sine magnetiske egenskaber. Ligeledes, hvis du udsætter en permanent magnet for stød, vil dens tiltrækningskraft falde betydeligt.

Dette forklares ved, at ved kraftig opvarmning eller stød overvindes virkningen af ​​en retarderende kraft, og dermed forstyrres den velordnede opstilling af molekylemagneterne. Derfor skal permanentmagneter og permanentmagnetenheder håndteres med forsigtighed.

Magnetiske kraftlinjer. Interaktion mellem magneternes poler

Omkring hver magnet er der en såkaldt magnetfelt.

Et magnetfelt kaldes det rum, hvori magnetiske kræfter... En permanent magnets magnetiske felt er den del af rummet, hvor felterne af en retlinet magnet og denne magnets magnetiske kræfter virker.

Magnetfeltets magnetiske kræfter virker i bestemte retninger... De magnetiske kræfters virkningsretninger blev enige om at blive kaldt magnetiske kraftlinjer... Dette udtryk er meget brugt i studiet af elektroteknik, men det skal huskes at magnetiske kraftlinjer ikke er materielle: dette er et konventionelt udtryk, der kun introduceres for at lette forståelsen af ​​magnetfeltegenskaber.

Magnetfeltets form, det vil sige placeringen af ​​magnetfeltlinjerne i rummet afhænger af selve magnetens form.

Magnetiske feltlinjer har en række egenskaber: de er altid lukkede, krydser aldrig, har en tendens til at tage den korteste vej og frastøder hinanden, hvis de peger i samme retning Det er almindeligt accepteret, at kraftlinjer udgår fra nordpolen af magneten og gå ind i dens sydpol; inde i magneten har de en retning fra sydpolen mod nord.

Ligesom magnetiske poler frastøder, i modsætning til magnetiske poler tiltrækker.

Det er nemt at overbevise dig selv om rigtigheden af ​​begge konklusioner i praksis. Tag et kompas og bring en af ​​polerne på en retlinet magnet til det, for eksempel nordpolen. Du vil se, at pilen øjeblikkeligt vil dreje sin sydlige ende til magnetens nordpol. Hvis du hurtigt drejer magneten 180 °, vil den magnetiske nål straks dreje 180 °, det vil sige, at dens nordlige ende vender mod magnetens sydpol.

Magnetisk induktion. Magnetisk flux

Virkningskraften (tiltrækning) af en permanent magnet på et magnetisk legeme aftager, efterhånden som afstanden mellem magnetens pol og dette legeme øges. En magnet udviser den største tiltrækningskraft direkte ved sine poler, det vil sige præcis der, hvor de magnetiske kraftlinjer er tættest placeret. Når man bevæger sig væk fra polen, falder tætheden af ​​kraftlinjerne, de findes mere og mere sjældent, sammen med dette svækkes magnetens tiltrækningskraft også.

Således er tiltrækningskraften af ​​en magnet på forskellige punkter af magnetfeltet ikke den samme og er karakteriseret ved tætheden af ​​kraftlinjerne. For at karakterisere magnetfeltet ved dets forskellige punkter introduceres en størrelse kaldet magnetfeltinduktion.

Den magnetiske induktion af feltet er numerisk lig med antallet af kraftlinjer, der passerer gennem et område på 1 cm2, placeret vinkelret på deres retning.

Det betyder, at jo større tæthed af feltlinjer på et givet punkt i feltet, jo større er den magnetiske induktion på det punkt.

Det samlede antal magnetiske kraftlinjer, der passerer gennem et område, kaldes den magnetiske flux.

Magnetisk flux er angivet med bogstavet F og er relateret til magnetisk induktion gennem følgende forhold:

Ф = BS,

hvor F er den magnetiske flux, V er den magnetiske induktion af feltet; S er det område, der gennemtrænges af en given magnetisk flux.

Denne formel er kun gyldig, hvis arealet S er vinkelret på retningen af ​​den magnetiske flux. Ellers vil størrelsen af ​​den magnetiske flux også afhænge af den vinkel, som området S er placeret i, og så vil formlen antage en mere kompleks form.

Den magnetiske flux af en permanent magnet bestemmes af det samlede antal kraftlinjer, der passerer gennem magnetens tværsnit.Jo større magnetisk flux af en permanent magnet, jo mere attraktiv er den magnet.

Den magnetiske flux af en permanent magnet afhænger af kvaliteten af ​​det stål, som magneten er lavet af, størrelsen af ​​selve magneten og graden af ​​dens magnetisering.

Magnetisk permeabilitet

Et legemes egenskab til at tillade magnetisk flux gennem sig selv kaldes magnetisk permeabilitet... Det er lettere for magnetisk flux at passere gennem luft end gennem et ikke-magnetisk legeme.

At kunne sammenligne forskellige stoffer efter deres magnetisk permeabilitet, er det sædvanligt at betragte luftens magnetiske permeabilitet for at være lig med enhed.

De kaldes stoffer med mindre magnetisk permeabilitet end unity diamagnetisk... De omfatter kobber, bly, sølv osv.

Aluminium, platin, tin osv. De har en magnetisk permeabilitet lidt større end enhed og kaldes paramagnetiske stoffer.

Stoffer med en magnetisk permeabilitet meget større end én (målt i tusindvis) kaldes ferromagnetiske. Disse omfatter nikkel, kobolt, stål, jern osv. Alle typer af magnetiske og elektromagnetiske enheder og dele af forskellige elektriske maskiner er fremstillet af disse stoffer og deres legeringer.

Af praktisk interesse for kommunikationsteknologier er specielle jern-nikkel-legeringer kaldet permaloid.