Magnetite põnevate omaduste uurimine

Millised on magnetite omadused? Magnetid on erakordsed objektid. Nad võivad lükata või tõmmata muid asju ilma neid tegelikult puudutamata! Inimesed on teadnudmagnetidtuhandeid aastaid. Vana-Kreekas leidsid inimesed tähelepanuväärseid kivimeid, mida nimetatakse lodekivideks ja mis toimisid nagu magnetid. Kivid võivad end keerutada põhja ja lõuna suunas, joondudes Maa magnetväljaga.

Tänapäeval kasutatakse magneteid paljudes asjades, mida me igapäevaselt kasutame. Magnetite omaduste ja nende kasutamise kohta on veel palju avastada.

Magnetilised materjalid

Kõik asjad maailmas näitavad mingit magnetismi. Kuid magnetismi tugevus on asjade vahel väga erinev. Magnetite omaduste põhjal on meil viis suurt rühma: ferromagnetilised, paramagnetilised, diamagnetilised, ferrimagnetilised ja antiferromagnetilised.

Ferromagnetilised asjad, nagu raud, koobalt ja nikkel, näitavad kõige tugevamat magnetismi. Nende väike struktuur võib seletada nende tugevat tõmmet magnetväljade poole. Ferromagnetiliste asjade aatomitel on võrreldamatud elektronid, mis osutavad magnetdomeenideks nimetatud piirkondades samas suunas. See samas suunas osutamine suurendab magnetvälja ja teeb püsimagneti.

Magnetvälja poole tõmmatakse ka paramagnetilisi asju nagu alumiinium ja plaatina, kuid jõud on palju nõrgem kui ferromagnetilistel asjadel. Paramagnetiliste aatomite tasakaalustamatud elektronid osutavad rakendatud välja suunas, kuid ei säilita pärast välja eemaldamist magnetiseeritust.

Diamagnetilised asjad nagu vask ja kuld näitavad nõrka tõuget magnetväljadest eemale. Välisväljale pannes tekitavad nende aatomid indutseeritud magnetvälja vastupidises suunas. Neil pole aga püsivaid aatomi dipoole.

Ferrimagnetilised asjad näitavad keerulist magnetilist järjestust, kus erinevatel võretel olevate aatomite tasakaalustamatud elektronid on üksteise vastas, nagu antiferromagnetites. Kuid ferrimagnetid säilitavad püsiva magnetiseerituse, kuna vastandlikud tasakaalustamata elektronid on ebavõrdsed. Ferriidid nagu magnetiit on igapäevased ferromagnetilised asjad.

Tabel 1: Magnetmaterjalid

Magnetilised domeenid

Kõigil ferromagnetilistel materjalidel on väikesed magnetid, mida nimetatakse aatomi dipoolideks. Need väikesed magnetid osutavad tavaliselt juhuslikes suundades, nii et nad tühistavad üksteist. See tähendab, et materjalil puudub üksi jättes üldine magnetism. Kuid kui materjal magnetiseerub, joonduvad sees olevad pisikesed magnetid!

Magnetiseerimine toimub siis, kui aatomirühmad, mida nimetatakse magnetdomeenideks, panevad oma pisikesed magnetid samamoodi suunama. Väikesed magnetid osutavad iga domeeni sees kokku, kuna need on tugevalt ühendatud. Kuid erinevad domeenid osutavad enne magnetiseerumist juhuslikesse suundadesse.

Välised jõud, nagu magnetväljad, võivad panna domeene kasvama ja oma pisikesi magneteid ritta seadma. See teeb püsimagneti. Materjali kuumutamine annab energiat ka pisikestele magnetitele liikumiseks. See võimaldab domeenidel oma pisikesed magnetid ritta seada.

Muud asjad, mis mõjutavad väikeste magnetite domeenide paigutust, on pinged, tera piirid, lisandid ja demagnetiseerivad väljad. Magneti tugevus sõltub sellest, kui palju domeene oma pisikesed magnetid joonduvad ja kui hästi nad peavad vastu välisjõududele, mis üritavad neid segamini ajada.

Magnetväljad

Magnetid moodustavad enda ümber nähtamatud alad, mida nimetatakse magnetväljadeks. Magnetvoog on magneti ümbritsev ruum, kus saate tunda selle jõudu. Magnetvoo nägemiseks tõmbame magnetvälja jooni. Rohkem jooni tähendab tugevamat magnetvälja. Jooned väljuvad magneti põhjapoolusest ja kõverduvad ümber selle lõunapooluse.

Magnetväljad tekivad siis, kui väikesed elektrilaengud liiguvad ringi. Aatomite sees elektronid pöörlevad ja liiguvad orbiitidel ringi. Iga aatom on pisike magnet, millel on oma põhja- ja lõunapoolus. Magnetilistes materjalides asetsevad väikesed magnetid domeenides. See ühendab kõik nende magnetväljad, et luua üks suur magnetväli, mis näitab ühte suunda. Nii saavad püsimagnetid nii tugevad magnetväljad.

Nähtamatu magnetväli on tugevam ja magnetile lähemal. See muutub nõrgemaks, kui liigute kaugemale. Väiksematel magnetitel on väiksemad ja nõrgemad magnetväljad. Suurematel magnetitel on suurem ja tugevam magnetväli.

Magnetpoolused

Magnetitel on põhja- ja lõunapoolus. Need on alad, kus magnetjõud on kõige tugevam. Vastaspoolused tõmbavad üksteist. Põhja- ja lõunapoolus kleepuvad kokku. Samad poolused tõukuvad üksteisest eemale. Kaks põhjapoolust või kaks lõunapoolust tõrjuvad ja tõukavad lahku.

See juhtub nähtamatute magnetvälja joonte voolu tõttu. Jooned lähevad põhjapoolusest lõunapooluseni magneti sees. Aatomitasandil on igal pisikesel magnetil magnetvälja jõujooned, mis voolavad põhjast lõunasse. Magnetis reastavad kõik pisikesed magnetid oma magnetväljad.

Püsimagnetid

Kuigi mõned materjalid, nagu raud, on loomulikult magnetilised, toodetakse püsimagneteid sageli kunstlikult magnetiseerimise teel. Raud, nikkel, koobalt või sulamid on tavaliselt parimad püsimagnetid.

Magnetiseerimine hõlmab materjali eksponeerimist tugevale välisele elektromagneti või muu püsimagneti magnetväljale. See põhjustab magnetdomeenide kasvu ja joondumist välisväljaga, tekitades tugeva püsimagneti. Kõvad magnetid peavad vastu demagnetiseerumisele, samas kui pehmed magnetid kaotavad oma magnetismi kergemini.

Püsimagneti tugevus korreleerub selle koertsitiivsusega, selle demagnetiseerimiseks vajaliku välja intensiivsusega. Tugeva mõjuga materjalid võivad valmistada võimsaid püsimagneteid, kuid neid on alguses keerulisem magnetiseerida. Magneti tugevust mõjutavad ka maksimaalne magnetvoo tihedus või küllastusmagnetiseerimine ja jääkmagnetiseerimine.

Elektromagnetid

Lisaks püsimagnetitele kasutavad elektromagnetid ajutise magnetismi esilekutsumiseks elektrivoolu. Kui elektrivool läbib mähitud traati, tekitab see pooli teljega paralleelse magnetvälja. Väljatugevus suureneb rohkemate silmuste ja suurema voolu korral.

Samuti on oluline pooli sees olev materjal. Pehme raud muudab magnetvälja tugevamaks. Raud võib panna elektromagneti tõstma 100 korda rohkem. Kuid raud aeglustab ka seda, kui kiiresti magnet reageerib.

Elektromagnetid vajavad magnetilisena püsimiseks jõudu. Püsimagnetid seda ei tee. Kuid elektromagnetid võivad kiiresti sisse ja välja lülituda. Ka nende jõud võib koheselt muutuda. Seetõttu sobivad need raskete raua- ja magnetväljade muutmist vajavate MRI-skaneeringute tõstmiseks.

Magnetiline tugevus ja magnetmoment

See, kui magnetiline miski on, sõltub sellest, kui palju magnetismi magnetvälja läheduses toimub. Seda, kui hästi see magnetväljaga joondub, nimetatakse magnetmomendiks. See sõltub materjali pisikestest ehitusplokkidest, mida nimetatakse aatomiteks, peamiselt elektronidest, mis on üksi, mitte paarikaupa. Need toimivad nagu väikesed magnetid.

Tugev magnet võib hoida palju magnetilist jõudu, mis sellest läbi voolab. Seda nimetatakse küllastusmagnetiseerimiseks. Tugev magnet säilitab rohkem oma magnetismist, kui välisväli kaob. Seda nimetatakse remanentsiks. Magnetism tuleneb elektronide pöörlemisest ja tiirlemisest. Nii et väikesed kvantfüüsika reeglid kontrollivad magnetilist tugevust.

Magnetilised omadused

Magnetite mitmed põhiomadused aitavad iseloomustada magnetilist jõudlust:

● Küllastusmagnetiseerimine: maksimaalne võimalik magnetvoo tihedus, mida materjal võib tekitada rakendatud väljas. Mõõdetud Teslas.

● Remanents: järelejäänud magnetiseerimine, kui sõiduväli eemaldatakse. Kui palju magnetismi jääb?

● Sunniviisiliselt: vastupidine magnetvälja tugevus, mis on vajalik materjali demagnetiseerimiseks tagasi nullini. Talub demagnetiseerumist.

● Läbilaskvus: võime toetada enda sees magnetvälja teket. Kõrge läbilaskvusega kontsentreerib magnetvoogu.

● Hüsterees: kalduvus säilitada pealesunnitud magnetism. Märkimisväärse hüstereesiga materjalid moodustavad tõhusaid püsimagneteid.

Magnetite nende omaduste optimeerimine on oluline antud rakenduse jaoks sobiva magnetmaterjali valimisel, olenemata sellest, kas saavutate suurima püsiva väljatugevuse või maksimeerite pöörduvaid voo muutusi.

Magnetiline hüsterees

Magnetid võivad tegutseda põneval viisil! Magnetid näitavad nähtust, mida nimetatakse hüstereesiks. Nende magnetiseerimine järgib välist magnetvälja iga kord erinevat rada. Täpne tee sõltub magneti varasemast magnetiseerimise ajaloost.

Seda näete, kui joonistate graafiku, kuidas magnetvoo tihedus B muutub rakendatava magnetvälja H muutumisel. See graafik moodustab tsükli, mida nimetatakse hüstereesisilmuseks.

Alguses joonduvad magneti väikesed magnetilised piirkonnad, mida nimetatakse domeenideks, kui suurendate H. Kui need kõik on joondunud, ei muuda H edasine suurenemine enam B-d. Seejärel järgib H vähendamisel B teistsugust kõverat. Kui H on null, jääb joondatud domeenidest veidi magnetiseeritust järele. Magnetiseerimise nulli viimiseks peate rakendama vastassuunalist magnetvälja.

Hüstereesisilmuse sees olev ala näitab energiat, mis kaob, kui domeenid muutuvad iga tsükliga. Kõvadel magnetitel on laiad silmused ja märkimisväärsed energiakadud. Silmuse kuju räägib teile ka magneti omadustest, näiteks sellest, kui hästi see magnetiseerub ja kui raske on seda demagnetiseerida.

Temperatuuri mõjud

Soojusenergia võib mõjutada magnetite käitumist! Temperatuuri tõustes liiguvad soojusenergia tõttu magneti väikesed joondatud magnetpiirkonnad, mida nimetatakse domeenideks. See vähendab magnetiseerimist. Kõrgel Curie temperatuuril lööb soojusenergia magnetilise järjestuse sassi ja püsimagnetism kaob täielikult.

Kui lihtne on magnetil magnetiseeritust kaotada, sõltub selle Curie temperatuurist. Kõigi puhaste elementide kõrgeim Curie temperatuur on raud 1043 K juures. Nikli ja koobalti lisamine sulamite valmistamiseks tõstab Curie punkti kõrgemale. Kuumuskindlad püsimagnetid võimaldavad teil kasutada magneteid sellistes rakendustes nagu generaatorid ja mootorid.

Jahutusmagnetid Curie punktist allpool tõstavad magnetiseerituse uuesti. Ülijuhtivad elektromagnetid töötavad ainult külmadel temperatuuridel, kus elektritakistus kaob, tekitades võimsaid kestvaid magnetvälju.

Tabel 2: Temperatuuri mõju magnetismile

Magnetilised rakendused

Magnetid on mitmekülgne tööriist, mida leidub kogu tööstusmaastikul järgmistes rakendustes:

● Mootorid – pöörlevad elektrimootorid põhinevad magnetitel, mis muundavad elektromagnetilise induktsiooni abil mehaanilist ja elektrienergiat. Väikesed mootorid juhivad seadmeid ventilaatoritelt kõvaketastele.

● Generaatorid – turbiingeneraatorid toodavad elektrit, pöörates juhtmepoolide läheduses magneteid, kutsudes esile voolu.

● Magnetmälu – kõvakettadraivid kirjutavad andmeid ferromagnetilise ketta pisikeste domeenide magnetiseerimisega.

● Levitatsioon – Maglevi rongid kasutavad rööbastee kohal hõljumiseks magneteid, mis välistavad hõõrdumise, et tagada vaikne ja sujuv sõit.

● Meditsiiniseadmed – MRI-aparaadid kasutavad tugevaid ülijuhtivaid magneteid, et tuvastada keha magnetvälja muutusi diagnostiliseks pildistamiseks.

● Uurimine – massispektromeetrid painutavad laetud osakesi magnetvälja abil, et määrata nende mass ja keemiline struktuur.

● Taastuvenergia – magnetlaagrid stabiliseerivad hoorattaid, salvestades tuulest või päikesest kogutud kineetilist energiat.

Magnetiline levitatsioon

Magnetlevitatsioon ehk maglev kasutab asjade hõljumiseks magneteid! Magnetid suruvad üksteisest eemale. Kuid ainulaadsed magneti seadistused võivad muuta stabiilseks ujumiseks.

Kiired maglev-rongid sõidavad juba Aasias ja Euroopas. Rööbastee kohal hõljumine ei tähenda rataste hõõrdumist, nii et maglev-rongid võivad sõita üle 600 km/h! Ilma rataste ja laagriteta on need vaiksemad ja sujuvamad, et kiirendada ja peatuda. Nad kasutavad ka vähem energiat kui tavalised rongid.

Maglev kehtib rohkem kui lihtsalt rongidele! See võib aidata kosmoseaparaate käivitada, teha osakeste kiirendeid, luua hõõrdeta laagreid ja peatada vibratsiooni hoonetes. Insenerid täiustavad endiselt ülitugevaid magneteid. See võib tulevikus võimaldada maglevi rongidel ühendada terveid linnu.

Lisades lisateavet maglevi toimimise, reaalsete kasutusviiside ja tulevikuvõimaluste kohta, selgitab seda täiustatud kontseptsiooni lihtsalt. Noored õpilased saavad hõõrdumatute magnetjõudude kaudu ujuvatest rongidest aru ja kujutavad ette selle laheda tehnoloogia muid rakendusi.

Järeldus

Alates pisikestest külmikumagnetitest kuni miilpikkuste termotuumasünteesi reaktorite toiteallikateni – magnetid on meie igapäevaelus hindamatud. Magnetite ainulaadsete omaduste mõistmine julgustab jätkuvalt avastusi, mis viivad uute rakendusteni. Tipptasemel alad, nagu spintroonika ja magnetmonopoolid, pakuvad võimalusi järgmise põlvkonna elektroonika ja isegi kvantarvutite jaoks.

Kuna magnetismi kvantaluste kohta on veel palju mõista, avavad uuringud veelgi nende tohutut potentsiaali. On veel palju avastada, mida magnetite omadused võimaldavad meil saavutada.

KKK magnetite omaduste kohta

Mis on magnetvälja tugevuse ühikud?

Magnetvälja tugevust väljendatakse amprites meetri kohta (A/m) või teslas (T). Üks tesla võrdub ühe njuutoniga ampermeetri kohta. Maa magnetvälja tugevus on umbes 0,5 gaussi või 50 mikroteslat.

Kuidas arvutate magnetvoogu?

Pinda läbiva magnetvoo arvutamiseks korrutatakse magnetvälja tugevus, risti pindala ja nurga koosinus.

Milliseid materjale kasutatakse ülijuhtivates magnetites?

Ülijuhtivad magnetid kasutavad tavaliselt ülijuhte nagu nioobium-titaan või nioobium-tina mähised, mida jahutatakse vedela heeliumiga. Uuemad kõrge temperatuuriga ülijuhid võimaldavad suure väljatugevuse korral vähem äärmuslikke jahutusvajadusi.

Meta kirjeldus

Avastage magnetite kütkestavat maailma. Lugege magnetite materjalide, domeenide, väljade ja muude omaduste kohta!