magnet

Magnet este obiect care generează un câmp magnetic în spațiul din jurul său. Poate avea forma unui magnet permanent sau a unui electromagnet. Magneții permanenți nu necesită energie externă pentru a genera un câmp magnetic. Apar natural în anumite minerale, dar pot fi și fabricați. Electromagneții necesită energie electrică pentru a genera un câmp magnetic.

Proprietățile magneților

Magneții sunt atrăși sau respinși de alte materiale. O materie care este puternic atrăsită de un magnet are o permeabilitate ridicată permeabilitate. Fierul și oțelul sunt două exemple de materiale cu o permeabilitate foarte ridicată și sunt puternic atrase de magneți. Apa are o permeabilitate atât de scăzută, încât este ușor respinsă de câmpul magnetic.

SI-unitatea de inducție magnetică, care este greșit considerată „intensitatea” câmpului magnetic, este tesla (simbol T). Un câmp magnetic omogen cu inducția magnetică de 1 T acționează asupra fiecărui metru de conductor drept parcurs de un curent electric de 1 ampere cu o forță de 1 newton. Unitatea SI a intensității câmpului magnetic este amper pe metru (A/m). Unitatea SI a fluxului magnetic este Weber (simbol Wb). Fluxul magnetic este produsul inducției magnetice și al ariei prin care trece câmpul; 1 Wb = 1 T·m². Aceasta este o valoare foarte mare a fluxului magnetic.

Istoria

Cuvântul magnet provine din grăcesc μαγνήτης λίθος (magnētēs lithos), ceea ce înseamnă „piatra din Magnésia“. Magnesia era o zonă în Grăcia antică, actualul Manisa în Turcia, unde au fost descoperite depozite de magnetit încă din antichitate. Navigații chinezi antici au fost printre primii utilizatori documentați ai busolelor magnetice.

În mitologia marinarilor arabi, munții magnetici au jucat un rol important. În secolul al XV-lea, arabi se temeau atât de mult de munții magnetici, încât nu foloseau niciun obiect de fier (nici măcar șuruburi) în navele lor.

Originea fizică a magnetismului

Magneți permanenți

Materia este compusă din particule precum protoni, neutroni și electroni și toate au o proprietate fundamentală: spin mecanic cuantic. Spinul dă fiecărei astfel de particule un anumit câmp magnetic. Așadar, s-ar putea aștepta ca toată materia să fie magnetică, inclusiv antimateria să aibă proprietăți magnetice. Cu toate acestea, nu este așa.

În fiecare atom și moleculă, spinul acestor particule este strict organizat conform principiului de excluziune al lui Pauli. Acest principiu de organizare a spinului nu se aplică însă la distanță între atomii și moleculele. Fără această organizare la distanță, nu apare un câmp magnetic global, deoarece momentul magnetic al fiecărei particule este anulat de momentul celorlalte particule.

Magneții permanenți sunt speciali în sensul în care organizarea la distanță există. Cel mai mare grad de organizare există în domeniile magnetice. Acest lucru poate fi comparat cu vecinătăți microscopice, în care interacțiunea între particule este puternică și rezultatul este un grad ridicat de organizare. Cu cât organizarea în domeniu este mai mare, cu atât mai puternic este câmpul rezultat.

Organizarea la distanță (și câmpul magnetic rezultat puternic) este semnul principal al materialelor feromagnetice.

Crearea magnetică electrică

Electronii joacă un rol principal în crearea câmpului magnetic. În interiorul unui atom, electronii pot exista fie individual, fie în perechi pe orice orbită. Dacă sunt perechi, fiecare electron din pereche are un spin opus – unul sus, celălalt jos. Faptul că spinurile sunt opuse înseamnă că se anulează reciproc. Dacă toți electronii sunt perechi, nu se va crea un câmp magnetic.

În anumite atomi, există electroni neperechi. Toți magneții au electroni neperechi, dar nu toți atomii cu electroni neperechi sunt feromagnetici. Pentru ca un material să fie feromagnetic, trebuie să conțină electroni neperechi, dar aceștia trebuie să interacționeze la o distanță mare astfel încât să fie toți orientați în aceeași direcție. Poziția specifică a electronilor în atom (și, de asemenea, distanța dintre atomi) este ceea ce creează organizarea la distanță. Electronii au o energie mai scăzută atunci când sunt orientați în aceeași direcție.

Electromagneți

Un electromagnet, în forma sa cea mai simplă, este un cablu înfășurat într-o sau mai multe bucle. Această buclă se numește solenoid. Când curentul electric trece prin buclă, se creează un câmp magnetic în jurul ei. Direcția acestui câmp poate fi determinată conform regulii mâinii drepte. Forța câmpului este influențată de mai mulți factori. Numărul de bucle determină amploarea, cantitatea de curent determină intensitatea activității, iar materialul din miez determină rezistența electrică. Cu cât sunt mai multe bucle și cu cât curentul este mai mare, cu atât mai puternic va fi câmpul magnetic creat.

Dacă bucla este goală în centru, va genera doar un câmp foarte slab. În centrul bobinei se pot introduce diferite obiecte feromagnetice sau paramagnetice , ceea ce va amplifica câmpul magnetic, de exemplu un cui de fier. Pentru acest scop se folosește adesea fier moale. Adăugarea acestor obiecte poate amplifica câmpul magnetic de 100 până la 1000 de ori.

La distanțe lungi, câmpurile magnetice sunt reglementate de legea pătratului invers. Acest lucru înseamnă că forța câmpului este invers proporțională cu pătratul distanței față de magnet.

Dacă magnetul este în contact cu o placă de metal plată, forța necesară pentru a le separa trebuie să fie cu atât mai mare, cu cât contactul dintre cele două suprafețe este mai strâns. Cu cât suprafețele sunt mai plate, cu atât mai multe puncte de contact există între ele și cu atât mai mică este rezistența între circuitul magnetic și câmpul magnetic.

Electromagneții sunt folosiți în multe cazuri, de la acceleratorul de particule prin grătare de la gunoi până la echipamente pentru rezonanță magnetică. Există și procese speciale care necesită mai mult decât un simplu magnet bipolar, cum ar fi magnetul cu patru poli, care este folosit pentru focalizarea fasciculelor de particule.

Dacă curentul electric trece prin bobina electromagnetului în cantitate suficientă, forța magnetică dintre bobinele adiacente ale bobinei poate cauza ca electromagnetul să se destrame sub propria sa forță magnetică.

Caracteristici ale magneților

Magneți permanenți și poli bipolari[

Toți magneții au cel puțin două poli: adică au cel puțin un pol nord și un pol sud. Polorul nu este o pereche de obiecte pe sau în interiorul magnetului. În partea de sus a articolului este imaginea unui magnet, iar polii sunt vizibili ca două regiuni specifice, deoarece intensitatea maximă a câmpului apare la polii magnetului, dar acest lucru nu înseamnă că sunt regiuni specifice.

Pentru a înțelege polii, vă puteți imagina un rând de oameni care se uită toți în aceeași direcție și stau într-un plan. Deși putem defini o zonă unde se află toate fețele și toate spatele, nu există un singur punct în care toți se află. Fiecare persoană are o față pe o parte și un spate pe cealaltă. Dacă rândul este împărțit în două, fiecare jumătate va avea față și spate. Chiar și dacă rândul este împărțit în persoane individuale, fiecare va avea fața și spatele. Așa se poate continua la infinit.

Aceeași logică se aplică și magneților. Nu există un loc pe magnet unde se află toți polii sud sau nord. Dacă magnetul este împărțit în două, ambele jumătăți vor avea un pol nord și un pol sud. Aceste două magnete mai mici pot fi împărțite și mai departe și fiecare parte va avea din nou ambele poli. În majoritatea cazurilor, dacă împărțim materialul în fragmente din ce în ce mai mici, în cele din urmă vom ajunge la un punct în care fragmentele sunt atât de mici încât nu mai pot menține câmpul magnetic. Cu toate acestea, nu devin poli separați, ci doar pierd capacitatea de a menține câmpul magnetic. Unele materiale pot fi împărțite până la nivelul molecular și totuși vor menține câmpul cu pol sud și pol nord. Există teorii despre poli nord și sud separați –monopoli magnetici, dar un astfel de monopol nu a fost încă găsit nicăieri.

Determinarea polului nord și a câmpului magnetic terestru

Nomenclatura standard a polilor magnetului este importantă. În istorie, termenii nord și sud indicau conștientizarea relației dintre magneți și câmpul magnetic al Pământului. Un magnet sprijinit liber se va roti întotdeauna de la nord la sud, deoarece este atrăsit de polul nord și sud terestru. Extremitatea magnetului care se îndreaptă spre polul geografic nord este considerată polul nord al magnetului, iar partea care se îndreaptă spre sud este considerată polul sud al magnetului.

Actualul pol geografic nord este de fapt polul magnetic sud. Pentru a complica și mai mult situația, roci magnetizate de pe fundul oceanului arată că câmpul magnetic al Pământului s-a inversat în trecut, așa că această denumire a polilor va fi probabil inversată din nou în viitor.

Fericit, folosind un electromagnet și regula mâinii drepte, poziția câmpului magnetic al magnetului poate fi determinată fără cunoașterea câmpului geomagnetic terestru.

Pentru a evita problemele dintre polii geografici și magnetici, se folosește adesea denumirea de pozitiv și negativ pentru polii magnetului. Pozitiv este cel care se rotește spre nord.