Magnet - Magnet

„ Podkovový magnet “ vyrobený z alnica , slitiny železa. Magnet vyrobený ve tvaru podkovy má dva magnetické póly blízko sebe. Tento tvar vytváří silné magnetické pole mezi póly, což umožňuje magnetu zachytit těžký kus železa.

Magnetické siločáry příslušníky solenoid elektromagnetu , které jsou podobné tyčového magnetu, jak je znázorněno níže s železnými pilinami

Články o
Elektromagnetismus
Elektřina Magnetismus Dějiny Učebnice
Elektrostatika Elektrický náboj Coulombův zákon Dirigent Hustota náboje Permitivita Elektrický dipólový moment Elektrické pole Elektrický potenciál Elektrický tok  / potenciální energie Elektrostatický výboj Gaussův zákon Indukce Izolátor Hustota polarizace Statická elektřina Triboelektřina
Magnetostatika Ampereův zákon Biot – Savartův zákon Gaussův zákon pro magnetismus Magnetické pole Magnetický tok Magnetický dipólový moment Magnetická propustnost Magnetický skalární potenciál Magnetizace Magnetomotorická síla Potenciál magnetického vektoru Pravidlo pravé ruky
Elektrodynamika Lorentzův silový zákon Elektromagnetická indukce Faradayův zákon Lenzův zákon Zdvihový proud Maxwellovy rovnice Elektromagnetické pole Elektromagnetický puls Elektromagnetická radiace Maxwellův tenzor Poyntingův vektor Liénard – Wiechertův potenciál Jefimenkovy rovnice Vířivý proud Londýnské rovnice Matematické popisy elektromagnetického pole
Elektrická síť Střídavý proud Kapacita Stejnosměrný proud Elektrický proud Elektrolýza Hustota proudu Joule topení Elektromotorická síla Impedance Indukčnost Ohmův zákon Paralelní obvod Odpor Rezonanční dutiny Sériový obvod Napětí Vlnovody
Koviantní formulace Elektromagnetický tenzor ( tenzor napětí-energie ) Čtyřproudové Elektromagnetický čtyři potenciál
Vědci Ampér Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Jindřich Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Ørsted Ohm Ritchie Savart Zpěvák Tesla Volta Weber
proti t E

Magnet je materiál nebo předmět, který vytváří magnetické pole . Toto magnetické pole je neviditelné, ale je zodpovědné za nejpozoruhodnější vlastnost magnetu: sílu, která přitahuje jiné feromagnetické materiály , jako je železo , ocel , nikl , kobalt atd., A přitahuje nebo odpuzuje další magnety.

Permanentní magnet je objekt, vyrobena z materiálu, který je magnetizován a vytvoří vlastní trvalé magnetické pole. Každodenním příkladem je magnet na ledničku, který slouží k držení poznámek na dveřích chladničky. Materiály, které lze magnetizovat, a které jsou také silně přitahovány magnetem, se nazývají feromagnetické (neboli ferimagnetické ). Patří mezi ně prvky železo , nikl a kobalt a jejich slitiny, některé slitiny kovů vzácných zemin a některé přirozeně se vyskytující minerály, jako je lodestone . Ačkoli feromagnetické (a ferimagnetické) materiály jsou jediné, které jsou přitahovány k magnetu dostatečně silně, aby byly běžně považovány za magnetické, všechny ostatní látky slabě reagují na magnetické pole jedním z několika dalších typů magnetismu .

Feromagnetické materiály lze rozdělit na magneticky „měkké“ materiály, jako je žíhané železo , které lze magnetizovat, ale nemají tendenci zůstat magnetizovány, a magneticky „tvrdé“ materiály, které ano. Permanentní magnety jsou vyrobeny z „tvrdých“ feromagnetických materiálů, jako je alnico a ferit, které jsou během výroby podrobeny speciálnímu zpracování v silném magnetickém poli, aby se sladila jejich vnitřní mikrokrystalická struktura, což je velmi obtížné demagnetizovat. K demagnetizaci nasyceného magnetu je nutné použít určité magnetické pole a tato prahová hodnota závisí na koercitivitě příslušného materiálu. „Tvrdé“ materiály mají vysokou koercitivitu, zatímco „měkké“ materiály mají nízkou koercitivitu. Celková síla magnetu se měří jeho magnetickým momentem nebo alternativně celkovým magnetickým tokem, který produkuje. Místní síla magnetismu v materiálu se měří jeho magnetizací .

Elektromagnet je vyrobena ze svitku drátu, který se chová jako magnet, když elektrický proud prochází skrz něj, ale přestává být magnet, když proud přestane. Cívka je často obalena kolem jádra z „měkkého“ feromagnetického materiálu, jako je měkká ocel , což výrazně zvyšuje magnetické pole vytvářené cívkou.

Objev a vývoj

Starověcí lidé se o magnetismu dozvěděli z kamenů (nebo magnetitu ), které jsou přirozeně magnetizovanými kousky železné rudy. Slovo magnet byl přijat v Middle angličtina od latinského magnetum „ magnetovce “, nakonec od řeckého μαγνῆτις [λίθος] ( magnētis [lithos] ) mínit „[kamene] z Magnesia“, část starověkého Řecka, kde byly nalezeny magnetovce. Lodestones, zavěšené, aby se mohly otočit, byly první magnetické kompasy . Nejdříve známé dochované popisy magnetů a jejich vlastností pocházejí z Řecka, Indie a Číny asi před 2500 lety. Vlastnosti kamenů a jejich afinitu k železu napsal Pliny starší ve své encyklopedii Naturalis Historia .

Od 12. do 13. století našeho letopočtu se magnetické kompasy používaly při navigaci v Číně, Evropě, na Arabském poloostrově a jinde.

Fyzika

Magnetické pole

Železné piliny, které se orientovaly v magnetickém poli vytvářeném tyčovým magnetem

Přehrát média

Detekce magnetického pole kompasem a železnými pilinami

Hustota magnetického toku (také volal magnetické B pole, nebo jen magnetické pole, obvykle označený B ) je vektorové pole . Vektor magnetického pole B v daném bodě v prostoru je určen dvěma vlastnostmi:

1. Jeho směr , který je podél orientace jehly kompasu .
2. Jeho velikost (nazývaná také síla ), která je úměrná tomu, jak silně se orientuje jehla kompasu v tomto směru.

V jednotkách SI je síla magnetického pole B udávána v teslach .

Magnetický moment

Magnetický moment magnetu (nazývaný také magnetický dipólový moment a obvykle označovaný μ ) je vektor, který charakterizuje celkové magnetické vlastnosti magnetu. U tyčového magnetu ukazuje směr magnetického momentu od jižního pólu magnetu k jeho severnímu pólu a velikost souvisí s tím, jak silné a jak daleko jsou tyto póly. V jednotkách SI je magnetický moment specifikován jako A · m ² (ampéry krát metry na druhou).

Magnet vytváří své vlastní magnetické pole a reaguje na magnetické pole. Síla magnetického pole, které vytváří, je v kterémkoli daném bodě úměrná velikosti jeho magnetického momentu. Kromě toho, když je magnet vložen do vnějšího magnetického pole vytvářeného jiným zdrojem, je vystaven točivému momentu, který má tendenci orientovat magnetický moment rovnoběžně s polem. Velikost tohoto točivého momentu je úměrná jak magnetickému momentu, tak vnějšímu poli. Magnet může být také vystaven síle, která jej pohání v jednom nebo druhém směru, v závislosti na polohách a orientacích magnetu a zdroje. Pokud je pole v prostoru rovnoměrné, magnet nepodléhá žádné síle, i když je vystaven točivému momentu.

Drát ve tvaru kruhu s plochou A a přenášející proud I má magnetický moment o velikosti rovné IA .

Magnetizace

Magnetizace magnetizovaného materiálu je místní hodnota jeho magnetického momentu na jednotku objemu, obvykle označovaná jako M , s jednotkami A / m . Je to vektorové pole , nikoli jen vektor (jako magnetický moment), protože různé oblasti v magnetu mohou být magnetizovány různými směry a silami (například kvůli doménám, viz níže). Dobrý tyčový magnet může mít magnetický moment o velikosti 0,1 A · m ² a objem 1 cm ³ nebo 1 × 10 ⁻⁶  m ³ , a proto je průměrná velikost magnetizace 100 000 A / m. Železo může mít magnetizaci kolem milionu ampér na metr. Taková velká hodnota vysvětluje, proč jsou železné magnety tak účinné při výrobě magnetických polí.

Modelovací magnety

Přesně vypočítané pole magnetu s válcovou tyčí

Pro magnety existují dva různé modely: magnetické póly a atomové proudy.

I když je z mnoha důvodů vhodné považovat magnet za magnetický pól s odlišným severním a jižním pólem, koncept pólů by neměl být chápán doslovně: jedná se pouze o způsob odkazu na dva různé konce magnetu. Magnet nemá na opačných stranách odlišné severní nebo jižní částice. Pokud je tyčový magnet rozdělen na dva kusy, ve snaze oddělit severní a jižní pól budou výsledkem dva tyčové magnety, z nichž každý má severní i jižní pól. Verze magnetického pólu však používají profesionální magnetici k navrhování permanentních magnetů.

V tomto přístupu se divergence magnetizace ∇ · M uvnitř magnetu a povrchové normální složky M · n považují za distribuci magnetických monopolů . Toto je matematická výhoda a neznamená to, že v magnetu jsou skutečně monopoly. Je-li magnetické pole distribuce známo, pak tyč model poskytuje magnetické pole H . Mimo magnetu, pole B je úměrná H , zatímco uvnitř magnetizace musí být přidán k H . Rozšíření této metody, které umožňuje vnitřní magnetické náboje, se používá v teoriích feromagnetismu.

Dalším modelem je Ampereův model, kde veškerá magnetizace je způsobena působením mikroskopických nebo atomových kruhových vázaných proudů , nazývaných také Ampèrianské proudy, v celém materiálu. U rovnoměrně magnetizovaného válcového tyčového magnetu je čistým účinkem mikroskopicky vázaných proudů to, že se magnet chová, jako by kolem povrchu proudil makroskopický list elektrického proudu s místním směrem proudění kolmým k ose válce. Mikroskopické proudy v atomech uvnitř materiálu jsou obecně rušeny proudy v sousedních atomech, takže pouze povrch přispívá čistě; holení z vnější vrstvy magnetu se ne zničit jeho magnetické pole, ale zůstane nový povrch platné i neplatné proudů z kruhových proudů v celém materiálu. Pravidlo na pravé straně říká, kterým směrem teče kladně nabitý proud. V praxi je však mnohem častější proud způsobený záporně nabitou elektřinou.

Polarita

Severní pól magnetu je definován jako pól, který, když je magnet volně zavěšen, směřuje k severnímu magnetickému pólu Země v Arktidě (magnetický a zeměpisný pól se neshodují, viz magnetická deklinace ). Jelikož protilehlé póly (severní a jižní) přitahují, severní magnetický pól je ve skutečnosti jižní pól magnetického pole Země. Z praktického hlediska není nutné používat magnetické pole Země , abychom zjistili, který pól magnetu je na severu a který na jih. Jednou z metod by bylo například srovnání s elektromagnetem , jehož póly lze identifikovat pravidlem pravé ruky . Konvence magnetického pole magnetu jsou podle konvence považovány za vycházející ze severního pólu magnetu a znovu se vrací k jižnímu pólu.

Magnetické materiály

Termín magnet je obvykle vyhrazen pro objekty, které vytvářejí své vlastní trvalé magnetické pole i v nepřítomnosti aplikovaného magnetického pole. To mohou provést pouze určité třídy materiálů. Většina materiálů však vytváří magnetické pole v reakci na aplikované magnetické pole - jev známý jako magnetismus. Existuje několik typů magnetismu a všechny materiály vykazují alespoň jeden z nich.

Celkové magnetické chování materiálu se může značně lišit v závislosti na struktuře materiálu, zejména na jeho elektronové konfiguraci . V různých materiálech bylo pozorováno několik forem magnetického chování, včetně:

• Feromagnetické a ferimagnetické materiály jsou ty, které se běžně považují za magnetické; přitahují je magnet dostatečně silně, aby bylo možné přitažlivost cítit. Tyto materiály jsou jediné, které si mohou udržet magnetizaci a stát se magnety; běžným příkladem je tradiční magnet na ledničku . Ferrimagnetické materiály, které zahrnují ferity a nejstarší magnetické materiály magnetit a lodestone , jsou podobné, ale slabší než feromagnetické materiály. Rozdíl mezi feromagnetickými a ferimagnetickými materiály souvisí s jejich mikroskopickou strukturou, jak je vysvětleno v magnetismu .
• Paramagnetické látky, jako je platina , hliník a kyslík , jsou slabě přitahovány k jednomu pólu magnetu. Tato přitažlivost je stotisíckrát slabší než u feromagnetických materiálů, takže ji lze detekovat pouze pomocí citlivých nástrojů nebo pomocí extrémně silných magnetů. Magnetické ferrofluidy , i když jsou vyrobeny z drobných feromagnetických částic suspendovaných v kapalině, jsou někdy považovány za paramagnetické, protože je nelze magnetizovat.
• Diamagnetické prostředky odpuzované oběma póly. Ve srovnání s paramagnetickými a feromagnetickými látkami jsou diamagnetické látky, jako je uhlík , měď , voda a plast , magnetem ještě slabší. Propustnost diamagnetických materiálů je menší než prostupnost vakua . Všechny látky, které nemají jeden z ostatních typů magnetismu, jsou diamagnetické; to zahrnuje většinu látek. Ačkoli síla na diamagnetický předmět z běžného magnetu je příliš slabá, než aby ji bylo možné pociťovat, pomocí extrémně silných supravodivých magnetů lze diamagnetické objekty, jako jsou kousky olova a dokonce i myši, vznášet , takže se vznášejí ve vzduchu. Supravodiče odpuzují magnetická pole z jejich vnitřku a jsou silně diamagnetická.

Existují různé další typy magnetismu, jako je rotující sklo , superparamagnetismus , superdiamagnetismus a metamagnetismus .

Běžné použití

Jednotky pevného disku zaznamenávají data na tenký magnetický povlak

Magnetický odlučovač rukou pro těžké minerály

• Magnetické záznamové médium: VHS pásky obsahují kotouč magnetické pásky . Informace, které tvoří video a zvuk, jsou kódovány na magnetickém povlaku na pásku. Běžné zvukové kazety také spoléhají na magnetickou pásku. Podobně v počítačích zaznamenávají diskety a pevné disky data na tenký magnetický povlak.
• Kreditní , debetní a karty bankomatu : Všechny tyto karty mají na jedné straně magnetický proužek. Tento proužek kóduje informace, aby mohl kontaktovat finanční instituci jednotlivce a spojit se s jeho účtem (účty).
• Starší typy televizorů (jiné než ploché) a starší velké počítačové monitory : Televize a počítačové obrazovky obsahující katodovou trubici používají elektromagnet k vedení elektronů na obrazovku.
• Reproduktory a mikrofony : Většina reproduktorů využívá k přeměně elektrické energie (signálu) na mechanickou energii (pohyb, který vytváří zvuk) permanentní magnet a cívku nesoucí proud. Cívka je omotána kolem cívky připojené ke kuželu reproduktoru a nese signál jako měnící se proud, který interaguje s polem permanentního magnetu. Kmitací cívky cítí magnetickou sílu a v reakci na to se pohybuje kužel a natlakuje sousední vzduchu, čímž se vytváří zvuk . Dynamické mikrofony používají stejný koncept, ale obráceně. Mikrofon má membránu nebo membránu připojenou k cívce drátu. Cívka spočívá uvnitř speciálně tvarovaného magnetu. Když zvuk vibruje membránou, vibruje také cívka. Jak se cívka pohybuje magnetickým polem, indukuje se na ní napětí . Toto napětí pohání proud ve vodiči, který je charakteristický pro původní zvuk.
• Elektrické kytary používají magnetické snímače k přenosu vibrací kytarových strun na elektrický proud, který lze poté zesílit . To se liší od principu za reproduktorem a dynamickým mikrofonem, protože vibrace jsou snímány přímo magnetem a membrána není použita. Hammond orgán používá podobný princip, s otočným tonewheels místo strun.
• Elektromotory a generátory : Některé elektromotory spoléhají na kombinaci elektromagnetu a permanentního magnetu a podobně jako reproduktory přeměňují elektrickou energii na mechanickou. Generátor je reverzní: přeměňuje mechanickou energii na elektrickou pohybem vodiče magnetickým polem.
• Medicína : Nemocnice používají magnetickou rezonanci ke zjištění problémů v orgánech pacienta bez invazivního chirurgického zákroku.
• Chemie: Chemici používají nukleární magnetickou rezonanci k charakterizaci syntetizovaných sloučenin.
• V oblasti obrábění kovů se k uchycení předmětů používají sklíčidla . Magnety se také používají v jiných typech upevňovacích zařízení, jako je magnetická základna , magnetická svorka a magnet v chladničce .
• Kompasy : Kompas (nebo námořnický kompas) je magnetizovaný ukazatel, který se volně vyrovná s magnetickým polem, nejčastěji magnetickým polem Země .
• Umění : Vinylové magnetické listy mohou být připevněny k obrazům, fotografiím a jiným ozdobným předmětům, což umožňuje jejich připevnění k ledničkám a jiným kovovým povrchům. Objekty a barvy lze aplikovat přímo na povrch magnetu a vytvářet tak umělecká díla z koláží. Magnetické umění je přenosné, levné a snadno se vytváří. Vinylové magnetické umění už není pro ledničku. Barevné kovové magnetické desky, pásky, dveře, mikrovlnné trouby, myčky nádobí, auta, kovové I paprsky a jakýkoli kovový povrch mohou být vnímavé k magnetickému vinylovému umění. Jelikož je relativně novým médiem pro umění, kreativní využití tohoto materiálu teprve začíná.
• Vědecké projekty : Mnoho tématických otázek je založeno na magnetech, včetně odpuzování vodičů vedoucích proud, vlivu teploty a motorů zahrnujících magnety.

Magnety mají v hračkách mnoho využití . M-tic používá pro konstrukci magnetické tyče spojené s kovovými koulemi . Všimněte si geodetického čtyřstěnu

• Hračky : Vzhledem ke své schopnosti působit proti gravitační síle zblízka jsou magnety často používány v dětských hračkách, jako je Magnet Space Wheel a Levitron , k zábavnému efektu.
• Magnety na lednici se používají k ozdobení kuchyní, jako suvenýr nebo jednoduše k držení poznámky nebo fotografie ke dveřím chladničky.
• Magnety lze použít k výrobě šperků. Náhrdelníky a náramky mohou mít magnetickou sponu nebo mohou být zcela vyrobeny ze spojené řady magnetů a železných korálků.
• Magnety mohou zachytit magnetické předměty (železné hřebíky, sponky, sponky, sponky na papír), které jsou buď příliš malé, příliš obtížně přístupné nebo příliš tenké na to, aby je prsty mohly držet. Některé šroubováky jsou pro tento účel magnetizovány.
• Magnety lze použít při šrotu a těžbě k oddělení magnetických kovů (železo, kobalt a nikl) od nemagnetických kovů (hliník, slitiny barevných kovů atd.). Stejnou myšlenku lze použít v takzvaném „testu magnetu“, při kterém je tělo automobilu zkontrolováno magnetem, aby detekoval oblasti opravené pomocí skleněného vlákna nebo plastového tmelu.
• Magnety se nacházejí ve zpracovatelském průmyslu, zejména ve výrobě potravin, aby se odstranily kovové cizí tělesa z materiálů vstupujících do procesu (suroviny) nebo aby se zjistila možná kontaminace na konci procesu a před balením. Představují důležitou vrstvu ochrany pro procesní zařízení a pro konečného spotřebitele.
• Transport magnetické levitace nebo maglev je forma dopravy, která pozastavuje, vede a pohání vozidla (zejména vlaky) prostřednictvím elektromagnetické síly. Eliminace valivého odporu zvyšuje účinnost. Maximální zaznamenaná rychlost vlaku maglev je 581 kilometrů za hodinu (361 mph).
• Magnety mohou být použity jako bezpečnostní zařízení pro některá kabelová připojení. Například napájecí kabely některých notebooků jsou magnetické, aby se zabránilo náhodnému poškození portu při zakopnutí. MagSafe napájecí připojení k Apple MacBook je jeden takový příklad.

Zdravotní problémy a bezpečnost

Protože lidské tkáně mají velmi nízkou úroveň citlivosti na statická magnetická pole, existuje jen málo běžných vědeckých důkazů o zdravotních účincích spojených s expozicí statickým polím. Dynamická magnetická pole však mohou být jiným problémem; korelace mezi elektromagnetickým zářením a výskytem rakoviny byly postulovány kvůli demografickým korelacím (viz Elektromagnetické záření a zdraví ).

Pokud je v lidské tkáni přítomno feromagnetické cizí těleso, může vnější magnetické pole, které s ním interaguje, představovat vážné bezpečnostní riziko.

U kardiostimulátorů existuje jiný typ rizika nepřímého magnetického zdraví. Pokud je kardiostimulátor vložen do pacientovy hrudi (obvykle za účelem monitorování a regulace srdce pro stabilní elektricky indukované údery ), je třeba dbát na to, aby nedošlo k magnetickému poli. Z tohoto důvodu nelze pacienta s nainstalovaným zařízením testovat pomocí zobrazovacího zařízení magnetické rezonance.

Děti někdy polykají malé magnety z hraček, což může být nebezpečné, pokud spolknete dva nebo více magnetů, protože magnety mohou skřípnout nebo propíchnout vnitřní tkáně.

Magnetická zobrazovací zařízení (např. MRI) generují obrovská magnetická pole, a proto jsou v místnostech určených k jejich uložení vyloučeny železné kovy. Vnášení předmětů vyrobených ze železných kovů (například kyslíkových kanystrů) do takové místnosti vytváří vážné bezpečnostní riziko, protože tyto předměty mohou být intenzivně magnetickým polem hozeny.

Magnetizující feromagnety

Feromagnetické materiály lze magnetizovat následujícími způsoby:

• Zahřátí objektu na teplotu vyšší než je jeho Curieova teplota , umožnění jeho ochlazení v magnetickém poli a jeho ochlazení při ochlazování. Toto je nejúčinnější metoda a je podobná průmyslovým procesům používaným k vytváření permanentních magnetů.
• Umístění předmětu do vnějšího magnetického pole způsobí, že si předmět po odebrání zachová část magnetismu. Bylo prokázáno, že vibrace zvyšují účinek. Ukázalo se, že železné materiály zarovnané s magnetickým polem Země, které jsou vystaveny vibracím (např. Rám dopravníku), získávají významný zbytkový magnetismus. Stejně tak úder na ocelový hřebík držený prsty ve směru NS kladivem dočasně magnetizuje hřebík.
• Hladění: Stávající magnet se opakovaně posune z jednoho konce předmětu na druhý ve stejném směru ( metoda jednoho dotyku ) nebo se dva magnety posunou ven ze středu třetího ( metoda dvojitého dotyku ).
• Elektrický proud: Magnetické pole vytvářené průchodem elektrického proudu cívkou může přimět domény, aby se seřadily. Jakmile jsou všechny domény seřazené, zvýšení proudu nezvýší magnetizaci.

Demagnetizující feromagnety

Magnetizované feromagnetické materiály lze demagnetizovat (nebo odmašťovat) následujícími způsoby:

• Zahřívání magnetu nad jeho Curieovu teplotu ; molekulární pohyb ničí zarovnání magnetických domén. Tím se vždy odstraní veškerá magnetizace.
• Umístěním magnetu do střídavého magnetického pole s intenzitou nad koercitivitou materiálu a poté buď magnet pomalu vytahovat, nebo magnetické pole pomalu snižovat na nulu. Toto je princip používaný v komerčních demagnetizérech k demagnetizaci nástrojů, mazání kreditních karet, pevných disků a demagnetizačních cívek používaných k demagnetizaci CRT .
• K určité demagnetizaci nebo reverzní magnetizaci dojde, pokud je jakákoli část magnetu vystavena zpětnému poli nad koercivitou magnetického materiálu .
• K demagnetizaci dochází postupně, pokud je magnet vystaven cyklickým polím dostatečným k posunutí magnetu od lineární části ve druhém kvadrantu B – H křivky magnetického materiálu (demagnetizační křivka).
• Tlučení nebo otřesy: mechanické narušení má tendenci náhodně vybírat magnetické domény a snižovat magnetizaci objektu, ale může způsobit nepřijatelné poškození.

Druhy permanentních magnetů

Stoh feritových magnetů

Magnetické kovové prvky

Mnoho materiálů má nepárové elektronové spiny a většina těchto materiálů je paramagnetická . Když se točení vzájemně ovlivňují takovým způsobem, že se točí spontánně, materiály se nazývají feromagnetické (což se často volně nazývá magnetické). Kvůli způsobu, jakým jejich pravidelná krystalická atomová struktura způsobuje interakci jejich otáčení, jsou některé kovy feromagnetické, pokud se nacházejí v jejich přirozeném stavu, jako jsou rudy . Patří mezi ně železná ruda ( magnetit nebo lodestone ), kobalt a nikl , jakož i kovy vzácných zemin gadolinium a dysprosium (při velmi nízké teplotě). Takové přirozeně se vyskytující feromagnety byly použity v prvních experimentech s magnetismem. Technologie od té doby rozšířila dostupnost magnetických materiálů tak, aby zahrnovala různé výrobky vyrobené člověkem, všechny však založené na přirozeně magnetických prvcích.

Kompozity

Keramické nebo feritové magnety jsou vyrobeny ze slinutého kompozitu z práškového oxidu železa a keramiky z barya / stroncia . Vzhledem k nízké ceně materiálů a výrobních metod lze snadno hromadně vyrábět levné magnety (nebo nemagnetizované feromagnetické jádra pro použití v elektronických součástkách, jako jsou přenosné rádiové antény AM ) různých tvarů. Výsledné magnety jsou nekorodující, ale křehké a musí se s nimi zacházet jako s jinou keramikou.

Alnico magnety se vyrábějí odléváním nebo slinováním kombinace hliníku , niklu a kobaltu se železem a malým množstvím dalších prvků přidaných ke zlepšení vlastností magnetu. Slinování nabízí vynikající mechanické vlastnosti, zatímco odlévání poskytuje vyšší magnetické pole a umožňuje navrhování složitých tvarů. Alnico magnety odolávají korozi a mají fyzikální vlastnosti tolerantnější než ferit, ale ne tak žádoucí jako kov. Obchodní názvy slitin v této rodině zahrnují: Alni, Alcomax, Hycomax , Columax a Ticonal .

Vstřikované magnety jsou kompozity z různých typů pryskyřic a magnetických prášků, které umožňují vyrábět díly složitých tvarů vstřikováním. Fyzikální a magnetické vlastnosti produktu závisí na surovinách, ale obecně mají nižší magnetickou pevnost a fyzikálními vlastnostmi se podobají plastům .

Pružné magnety se skládají z vysoce koercitivní feromagnetické sloučeniny (obvykle oxidu železitého ) smíchané s plastovým pojivem. Toto je vytlačováno jako list a prochází řadou silných válcových permanentních magnetů. Tyto magnety jsou uspořádány do stohu se střídavými magnetickými póly směřujícími nahoru (N, S, N, S ...) na rotující hřídeli. To udělá dojem na plastovou fólii s magnetickými póly ve formátu střídavé čáry. K generování magnetů se nepoužívá žádný elektromagnetismus. Vzdálenost mezi póly je řádově 5 mm, ale liší se podle výrobce. Tyto magnety mají nižší magnetickou sílu, ale mohou být velmi flexibilní v závislosti na použitém pojivu.

Magnety ze vzácných zemin

Magnety ve tvaru hrotu (možná Hematine ), jeden visící na druhém

Prvky vzácných zemin ( lanthanoidní ) mají částečně obsazený f elektronový obal (který pojme až 14 elektronů). Rotace těchto elektronů může být vyrovnána, což vede k velmi silným magnetickým polím, a proto se tyto prvky používají v kompaktních vysokopevnostních magnetech, kde jejich vyšší cena není problémem. Nejběžnějším typem magnetů vzácných zemin jsou magnety samarium – kobalt a neodym – železo – bór (NIB) .

Jednomolekulární magnety (SMM) a jednořetězcové magnety (SCM)

V 90. letech bylo zjištěno, že určité molekuly obsahující paramagnetické kovové ionty jsou schopné uchovávat magnetický moment při velmi nízkých teplotách. Ty se velmi liší od konvenčních magnetů, které ukládají informace na úrovni magnetické domény, a teoreticky by mohly poskytnout mnohem hustší paměťové médium než běžné magnety. V tomto směru v současné době probíhá výzkum monovrstev SMM. Stručně řečeno, dva hlavní atributy SMM jsou:

1. velká hodnota rotace základního stavu ( S ), která je zajištěna feromagnetickou nebo ferimagnetickou vazbou mezi středy paramagnetických kovů
2. záporná hodnota anizotropie rozdělení nulového pole ( D )

Většina SMM obsahuje mangan, ale lze jej nalézt také ve shlucích vanadu, železa, niklu a kobaltu. V poslední době bylo zjištěno, že některé řetězové systémy mohou také vykazovat magnetizaci, která přetrvává po dlouhou dobu při vyšších teplotách. Tyto systémy se nazývaly jednořetězcové magnety.

Nano-strukturované magnety

Některé nanostrukturované materiály vykazují energetické vlny zvané magnony , které se slučují do společného základního stavu způsobem Bose-Einsteinova kondenzátu .

Permanentní magnety bez vzácných zemin

United States Department of Energy určila potřebu najít náhražky vzácných zemin v oblasti technologií permanentními magnety, a začala financovat tento výzkum. Agentura Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) sponzorovala program RARE Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT) za účelem vývoje alternativních materiálů. V roce 2011 společnost ARPA-E získala 31,6 milionu dolarů na financování projektů náhražky vzácných zemin.

Náklady

Současné nejlevnější permanentní magnety, které umožňují intenzitu pole, jsou flexibilní a keramické magnety, ale patří také mezi nejslabší typy. Feritové magnety jsou hlavně levné magnety, protože jsou vyrobeny z levných surovin: oxidu železa a uhličitanu Ba nebo Sr. Byl však vyvinut nový levný magnet, slitina Mn – Al, který nyní dominuje poli levných magnetů. Má vyšší magnetizaci nasycení než feritové magnety. Má také příznivější teplotní koeficienty, i když může být tepelně nestabilní. Neodym-železo-bor (NIB) magnety patří mezi nejsilnější. Ty stojí více na kilogram než většina ostatních magnetických materiálů, ale vzhledem k jejich intenzivnímu poli jsou v mnoha aplikacích menší a levnější.

Teplota

Teplotní citlivost se mění, ale když se magnet zahřeje na teplotu známou jako Curieův bod , ztratí veškerý magnetismus, a to i po ochlazení pod tuto teplotu. Magnety však mohou být často magnetizovány.

Některé magnety jsou navíc křehké a mohou se při vysokých teplotách zlomit.

Maximální použitelná teplota je nejvyšší pro magnety alnico při teplotě přes 540 ° C (1000 ° F), kolem 300 ° C (570 ° F) pro ferit a SmCo, přibližně 140 ° C (280 ° F) pro NIB a nižší pro flexibilní keramiku , ale přesná čísla závisí na třídě materiálu.

Elektromagnety

Elektromagnet ve své nejjednodušší formě je vodič navinutý do jedné nebo více smyček známých jako solenoid . Když vodičem protéká elektrický proud, vytváří se magnetické pole. Je soustředěna v blízkosti (a zejména uvnitř) cívky a její siločáry jsou velmi podobné magnetickým polím. Orientace tohoto účinného magnetu je určena pravidlem pravé ruky . Magnetický moment a magnetické pole elektromagnetu jsou úměrné počtu smyček drátu, průřezu každé smyčky a proudu procházejícímu vodičem.

Pokud je cívka drátu ovinuta kolem materiálu bez zvláštních magnetických vlastností (např. Lepenka), bude mít tendenci generovat velmi slabé pole. Pokud je však obalen kolem měkkého feromagnetického materiálu, jako je železný hřebík, pak vyprodukované síťové pole může mít za následek několik set až tisícinásobné zvýšení intenzity pole.

Použití pro elektromagnety zahrnuje urychlovače částic , elektromotory , jeřáby na skládkách a stroje pro zobrazování magnetickou rezonancí . Některé aplikace zahrnují konfigurace více než jednoduchý magnetický dipól; například kvadrupólové a sextupolové magnety se používají k zaostření paprsků částic .

Jednotky a výpočty

Pro většinu technických aplikací se běžně používají jednotky MKS (racionalizované) nebo SI (Système International). Dvě další sady jednotek, Gaussian a CGS-EMU , jsou stejné pro magnetické vlastnosti a běžně se používají ve fyzice.

Ve všech jednotkách je vhodné použít dva typy magnetického pole, B a H , stejně jako magnetizaci M , definovanou jako magnetický moment na jednotku objemu.

1. Magnetické indukční pole B je udáváno v jednotkách SI Tesla (T). B je magnetické pole, jehož časová variace produkuje podle Faradayova zákona cirkulující elektrická pole (která prodávají energetické společnosti). B také vytváří vychylovací sílu na pohybující se nabité částice (jako v TV trubicích). Tesla je ekvivalentní magnetickému toku (ve webers) na jednotku plochy (v metrech čtverečních), což dává B jednotku hustoty toku. V CGS je jednotkou B gauss (G). Jedna tesla se rovná 10 ⁴  G.
2. Magnetické pole H se udává v jednotkách SI v ampér-otáčkách na metr (A-turn / m). Tyto otáčky se objeví, protože když H se vyrábí s proudem drátu, jeho hodnota je úměrná počtu závitů tohoto drátu. V CGS je jednotkou H oersted (Oe). Jedna otáčka A / m se rovná 4π × 10 ^-3 Oe.
3. Magnetizace M se udává v SI jednotkách ampérů na metr (A / m). V CGS je jednotkou M oersted (Oe). Jeden A / m se rovná 10 ^-3  emu / cm ³ . Dobrý permanentní magnet může mít magnetizaci až milion ampér na metr.
4. V jednotkách SI platí vztah B  = μ ₀ ( H  +  M ), kde μ ₀ je propustnost prostoru, která se rovná 4π × 10 ⁻⁷  T • m / A. V CGS, to je psáno jako B  = H  + 4π M . (Pólový přístup dává μ ₀ H v jednotkách SI. A μ ₀ M člen v SI pak musí doplnit tento μ ₀ H, aby poskytl správné pole v B , magnet. Bude souhlasit s polem B vypočítaným pomocí Ampèrianových proudů).

Materiály, které nejsou permanentními magnety, obvykle splňují vztah M  = χ H v SI, kde χ je (bezrozměrná) magnetická susceptibilita. Většina nemagnetických materiálů má relativně malý χ (řádově miliontý), ale měkké magnety mohou mít χ řádově stovky nebo tisíce. Pro materiály splňující M  = χ H můžeme také napsat B  = μ ₀ (1 +  χ ) H  = μ ₀ μ _r H  = μ H , kde μ _r  = 1 +  χ je (bezrozměrná) relativní propustnost a μ = μ ₀ μ _r je magnetická permeabilita. Tuhých magnety mají složitější, historie závislé chování popsané podle toho, co se nazývají hysterezní smyčky , které dávají buď B vs. H nebo M vs. H . V CGS, M  = χ H , ale χ _SI  = 4 πχ _CGS a μ = μ _r .

Upozornění: částečně proto, že není dostatek římských a řeckých symbolů, neexistuje žádný společně dohodnutý symbol pro sílu magnetického pólu a magnetický moment. Symbol m byl použit jak pro sílu pólu (jednotka A • m, kde zde je svislá m pro metr), tak pro magnetický moment (jednotka A • m ² ). Symbol μ byl použit v některých textech pro magnetickou permeabilitu a v jiných textech pro magnetický moment. Pro magnetickou permeabilitu použijeme μ a pro magnetický moment m . Pro pólovou sílu použijeme q _m . Pro tyčový magnet průřezu A s rovnoměrnou magnetizací M podél jeho osy je síla pólu dána q _m  = MA , takže M lze považovat za sílu pólu na jednotku plochy.

Pole magnetu

Siločáry válcových magnetů s různými poměry stran

Daleko od magnetu je magnetické pole vytvořené tímto magnetem téměř vždy popsáno (s dobrou aproximací) dipólovým polem charakterizovaným jeho celkovým magnetickým momentem. To platí bez ohledu na tvar magnetu, pokud je magnetický moment nenulový. Jednou z charakteristik dipólového pole je, že síla pole klesá nepřímo s krychlí vzdálenosti od středu magnetu.

Blíže k magnetu se magnetické pole stává komplikovanějším a více závislým na podrobném tvaru a magnetizaci magnetu. Formálně lze toto pole vyjádřit jako vícepólové rozšíření : dipólové pole plus čtyřpólové pole plus pole octupole atd.

Na krátkou vzdálenost je možné mnoho různých polí. Například u dlouhého, hubeného tyčového magnetu se severním pólem na jednom konci a jižním pólem na druhém konci magnetické pole na obou koncích odpadá nepřímo s druhou mocninou vzdálenosti od tohoto pólu.

Výpočet magnetické síly

Tažná síla jednoho magnetu

Síla daného magnetu se někdy udává jako tažná síla - schopnost táhnout feromagnetické předměty. Tažná síla vyvíjená buď elektromagnetem nebo permanentním magnetem bez vzduchové mezery (tj. Feromagnetický objekt je v přímém kontaktu s pólem magnetu) je dána Maxwellovou rovnicí :

${\ displaystyle F = {{B ^ {2} A} \ nad {2 \ mu _ {0}}}}$,

kde

F je síla (jednotka SI: newton )

A je průřez oblastí pólu v metrech čtverečních

B je magnetická indukce vyvolaná magnetem

Tento výsledek lze snadno odvodit pomocí modelu Gilberta , který předpokládá, že pól magnetu je nabitý magnetickými monopoly, které indukují totéž ve feromagnetickém objektu.

Pokud magnet působí svisle, může zvednout hmotnost m v kilogramech danou jednoduchou rovnicí:

${\ displaystyle m = {{B ^ {2} A} \ nad {2 \ mu _ {0} g}},}$

kde g je gravitační zrychlení .

Síla mezi dvěma magnetickými póly

Síla mezi dvěma magnetickými póly je klasicky dána vztahem:

${\ displaystyle F = {{\ mu q_ {m1} q_ {m2}} \ nad {4 \ pi r ^ {2}}}}$

kde

F je síla (jednotka SI: newton )

q _{m 1} a q _{m 2} jsou velikosti magnetických pólů (jednotka SI: ampérmetr )

μ je permeabilita intervenujícího média (jednotka SI: metr Tesla na ampér , Henry na metr nebo Newton na ampér na druhou)

r je separace (jednotka SI: metr).

Popis pólu je užitečný pro inženýry navrhující magnety z reálného světa, ale skutečné magnety mají distribuci pólů složitější než jediný sever a jih. Implementace pólového nápadu proto není jednoduchá. V některých případech bude užitečnější jeden z níže uvedených složitějších vzorců.

Síla mezi dvěma blízkými magnetizovanými povrchy oblasti A

Mechanickou sílu mezi dvěma blízkými magnetizovanými povrchy lze vypočítat pomocí následující rovnice. Rovnice platí pouze pro případy, kdy je účinek třásně zanedbatelný a objem vzduchové mezery je mnohem menší než u magnetizovaného materiálu:

${\ displaystyle F = {\ frac {\ mu _ {0} H ^ {2} A} {2}} = {\ frac {B ^ {2} A} {2 \ mu _ {0}}}}$

kde:

A je plocha každého povrchu vm ²

H je jejich magnetizační pole v A / m

μ ₀ je propustnost prostoru, která se rovná 4π × 10 ⁻⁷  T • m / A

B je hustota toku v T.

Síla mezi dvěma tyčovými magnety

Síla mezi dvěma identickými válcovými tyčovými magnety umístěnými mezi konci ve velké vzdálenosti je přibližně :, ${\ displaystyle z \ gg R}$

${\ displaystyle F \ simeq \ left [{\ frac {B_ {0} ^ {2} A ^ {2} \ left (L ^ {2} + R ^ {2} \ right)} {\ pi \ mu _ {0} L ^ {2}}} \ vpravo] \ vlevo [{\ frac {1} {z ^ {2}}} + {\ frac {1} {(z + 2L) ^ {2}}} - {\ frac {2} {(z + L) ^ {2}}} \ vpravo]}$

kde:

B ₀ je hustota magnetického toku velmi blízko ke každému pólu, v T,

A je plocha každého pólu vm ² ,

L je délka každého magnetu vm,

R je poloměr každého magnetu vm a

z je vzdálenost mezi dvěma magnety vm.

${\ displaystyle B_ {0} \, = \, {\ frac {\ mu _ {0}} {2}} M}$ souvisí hustota toku na pólu s magnetizací magnetu.

Všimněte si, že všechny tyto formulace jsou založeny na Gilbertově modelu, který je použitelný v relativně velkých vzdálenostech. V jiných modelech (např. Ampereův model) se používá složitější formulace, kterou někdy nelze vyřešit analyticky. V těchto případech je nutné použít numerické metody .

Síla mezi dvěma válcovými magnety

U dvou válcových magnetů s poloměrem a délkou , s jejich magnetickým dipólem vyrovnaným, lze sílu asymptoticky aproximovat na velkou vzdálenost o, ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle L}$${\ displaystyle z \ gg R}$

${\ displaystyle F (z) \ simeq {\ frac {\ pi \ mu _ {0}} {4}} M ^ {2} R ^ {4} \ vlevo [{\ frac {1} {z ^ {2 }}} + {\ frac {1} {(z + 2L) ^ {2}}} - {\ frac {2} {(z + L) ^ {2}}} \ vpravo]}$

kde je magnetizace magnetů a je mezera mezi magnety. Měření hustoty magnetického toku velmi blízko magnetu souvisí přibližně se vzorcem ${\ displaystyle M}$${\ displaystyle z}$${\ displaystyle B_ {0}}$${\ displaystyle M}$

${\ displaystyle B_ {0} = {\ frac {\ mu _ {0}} {2}} M}$

Efektivní magnetický dipól lze psát jako

${\ displaystyle m = MV}$

Kde je objem magnetu. U válce to je . ${\ displaystyle V}$${\ displaystyle V = \ pi R ^ {2} L}$

Když je získána aproximace bodového dipólu, ${\ displaystyle z \ gg L}$

${\ displaystyle F (x) = {\ frac {3 \ pi \ mu _ {0}} {2}} M ^ {2} R ^ {4} L ^ {2} {\ frac {1} {z ^ {4}}} = {\ frac {3 \ mu _ {0}} {2 \ pi}} M ^ {2} V ^ {2} {\ frac {1} {z ^ {4}}} = { \ frac {3 \ mu _ {0}} {2 \ pi}} m_ {1} m_ {2} {\ frac {1} {z ^ {4}}}}$

který odpovídá vyjádření síly mezi dvěma magnetickými dipóly.

Viz také

Poznámky

Reference

externí odkazy

• Jak se vyrábějí magnety (video)
• Magnety s plovoucím prstencem , Věstník IAPT, svazek 4, č. 6, 145 (červen 2012). (Publikace Indické asociace učitelů fyziky ).
• Stručná historie elektřiny a magnetismu