Μαγνητισμός και Ηλεκτρομαγνητισμός

Φυσικοί και τεχνητοί μαγνήτες

Μεταξύ των μεταλλευμάτων σιδήρου που εξορύσσονται για τη μεταλλουργική βιομηχανία είναι ένα μετάλλευμα που ονομάζεται μαγνητικό σιδηρομετάλλευμα. Αυτό το μετάλλευμα έχει την ιδιότητα να έλκει σιδερένια αντικείμενα προς τον εαυτό του.

Ένα κομμάτι τέτοιου σιδηρομεταλλεύματος ονομάζεται φυσικός μαγνήτης και η ιδιότητα έλξης που παρουσιάζει είναι ο μαγνητισμός.

Στις μέρες μας, το φαινόμενο του μαγνητισμού χρησιμοποιείται εξαιρετικά ευρέως σε διάφορες ηλεκτρικές εγκαταστάσεις. Ωστόσο, τώρα δεν χρησιμοποιούν φυσικούς, αλλά τους λεγόμενους τεχνητούς μαγνήτες.

Οι τεχνητοί μαγνήτες είναι κατασκευασμένοι από ειδικούς χάλυβες. Ένα κομμάτι τέτοιου χάλυβα μαγνητίζεται με ειδικό τρόπο, μετά από τον οποίο αποκτά μαγνητικές ιδιότητες, δηλαδή γίνεται μόνιμος μαγνήτης.

Το σχήμα των μόνιμων μαγνητών μπορεί να είναι πολύ διαφορετικό, ανάλογα με τον σκοπό τους.

Σε έναν μόνιμο μαγνήτη, μόνο οι πόλοι του έχουν βαρυτικές δυνάμεις. Το βόρειο άκρο του μαγνήτη συμφωνείται να ονομάζεται μαγνήτης του βόρειου πόλου και το άκρο που βλέπει προς το νότο είναι ο μαγνήτης του νότιου πόλου. Κάθε μόνιμος μαγνήτης έχει δύο πόλους: βόρειο και νότιο. Ο βόρειος πόλος ενός μαγνήτη υποδεικνύεται με το γράμμα C ή N, ο νότιος πόλος με το γράμμα Yu ή S.

Ο μαγνήτης έλκει σίδηρο, χάλυβα, χυτοσίδηρο, νικέλιο, κοβάλτιο στον εαυτό του. Όλα αυτά τα σώματα ονομάζονται μαγνητικά σώματα. Όλα τα άλλα σώματα που δεν έλκονται από μαγνήτη ονομάζονται μη μαγνητικά σώματα.

Η δομή του μαγνήτη. Μαγνήτιση

Κάθε σώμα, συμπεριλαμβανομένου του μαγνητικού, αποτελείται από τα μικρότερα σωματίδια - μόρια. Σε αντίθεση με τα μόρια των μη μαγνητικών σωμάτων, τα μόρια ενός μαγνητικού σώματος έχουν μαγνητικές ιδιότητες, αντιπροσωπεύοντας μοριακούς μαγνήτες. Μέσα σε ένα μαγνητικό σώμα, αυτοί οι μοριακοί μαγνήτες είναι διατεταγμένοι με τους άξονές τους σε διαφορετικές κατευθύνσεις, με αποτέλεσμα το ίδιο το σώμα να μην παρουσιάζει μαγνητικές ιδιότητες. Αν όμως αυτοί οι μαγνήτες αναγκαστούν να περιστραφούν γύρω από τους άξονές τους έτσι ώστε οι βόρειοι πόλοι τους να στραφούν προς τη μία κατεύθυνση και οι νότιοι πόλοι τους προς την άλλη, τότε το σώμα θα αποκτήσει μαγνητικές ιδιότητες, δηλαδή θα γίνει μαγνήτης.

Η διαδικασία με την οποία ένα μαγνητικό σώμα αποκτά τις ιδιότητες του μαγνήτη ονομάζεται μαγνήτιση... Στην παραγωγή μόνιμων μαγνητών η μαγνήτιση πραγματοποιείται με τη βοήθεια ηλεκτρικού ρεύματος. Αλλά μπορείτε να μαγνητίσετε το σώμα με άλλο τρόπο, χρησιμοποιώντας έναν συνηθισμένο μόνιμο μαγνήτη.

Εάν ένας ευθύγραμμος μαγνήτης κοπεί κατά μήκος μιας ουδέτερης γραμμής, τότε θα ληφθούν δύο ανεξάρτητοι μαγνήτες και η πολικότητα των άκρων του μαγνήτη θα διατηρηθεί και οι αντίθετοι πόλοι θα εμφανιστούν στα άκρα που λαμβάνονται ως αποτέλεσμα της κοπής.

Καθένας από τους προκύπτοντες μαγνήτες μπορεί επίσης να χωριστεί σε δύο μαγνήτες, και όσο και να συνεχίσουμε αυτή τη διαίρεση, πάντα θα έχουμε ανεξάρτητους μαγνήτες με δύο πόλους. Είναι αδύνατο να αποκτήσετε μια ράβδο με έναν μαγνητικό πόλο. Αυτό το παράδειγμα επιβεβαιώνει τη θέση ότι το μαγνητικό σώμα αποτελείται από πολλούς μοριακούς μαγνήτες.

Τα μαγνητικά σώματα διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τον βαθμό κινητικότητας των μοριακών μαγνητών. Υπάρχουν σώματα που μαγνητίζονται γρήγορα και το ίδιο γρήγορα απομαγνητίζονται. Αντίθετα, υπάρχουν σώματα που μαγνητίζονται αργά αλλά διατηρούν τις μαγνητικές τους ιδιότητες για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Έτσι ο σίδηρος μαγνητίζεται γρήγορα υπό τη δράση ενός εξωτερικού μαγνήτη, αλλά το ίδιο γρήγορα απομαγνητίζεται, δηλαδή χάνει τις μαγνητικές του ιδιότητες όταν αφαιρείται ο μαγνήτης.Ο χάλυβας, αφού μαγνητιστεί, διατηρεί τις μαγνητικές του ιδιότητες για μεγάλο χρονικό διάστημα, δηλαδή , γίνεται μόνιμος μαγνήτης.

Η ιδιότητα του σιδήρου να μαγνητίζει και να απομαγνητίζεται γρήγορα εξηγείται από το γεγονός ότι οι μοριακοί μαγνήτες του σιδήρου είναι εξαιρετικά κινητοί, περιστρέφονται εύκολα υπό την επίδραση εξωτερικών μαγνητικών δυνάμεων, αλλά εξίσου γρήγορα επιστρέφουν στην προηγούμενη άτακτη θέση τους όταν το σώμα μαγνητίζει αφαιρέθηκε.

Στον σίδηρο, ωστόσο, ένα μικρό ποσοστό των μαγνητών, και μετά την αφαίρεση του μόνιμου μαγνήτη, παραμένουν για κάποιο χρονικό διάστημα στη θέση που κατείχαν τη στιγμή της μαγνήτισης. Επομένως, μετά τη μαγνήτιση, ο σίδηρος διατηρεί πολύ ασθενείς μαγνητικές ιδιότητες. Αυτό επιβεβαιώνεται από το γεγονός ότι όταν η σιδερένια πλάκα αφαιρέθηκε από τον πόλο του μαγνήτη, δεν έπεσε όλο το πριονίδι από το άκρο του - ένα μικρό μέρος του παρέμεινε ελκυσμένο στην πλάκα.

Η ιδιότητα του χάλυβα να παραμένει μαγνητισμένος για μεγάλο χρονικό διάστημα εξηγείται από το γεγονός ότι οι μοριακοί μαγνήτες του χάλυβα σχεδόν δεν περιστρέφονται προς την επιθυμητή κατεύθυνση κατά τη μαγνήτιση, αλλά διατηρούν τη σταθερή τους θέση για μεγάλο χρονικό διάστημα ακόμη και μετά την αφαίρεση του σώματος μαγνήτισης.

Η ικανότητα ενός μαγνητικού σώματος να εμφανίζει μαγνητικές ιδιότητες μετά τη μαγνήτιση ονομάζεται υπολειπόμενος μαγνητισμός.

Το φαινόμενο του υπολειπόμενου μαγνητισμού προκαλείται από το γεγονός ότι σε ένα μαγνητικό σώμα υπάρχει μια λεγόμενη επιβραδυντική δύναμη που κρατά τους μοριακούς μαγνήτες στη θέση που καταλαμβάνουν κατά τη μαγνήτιση.

Στον σίδηρο η δράση της επιβραδυντικής δύναμης είναι πολύ ασθενής, με αποτέλεσμα να απομαγνητίζεται γρήγορα και να έχει πολύ μικρό υπολειμματικό μαγνητισμό.

Η ιδιότητα του σιδήρου να μαγνητίζει και να απομαγνητίζει γρήγορα χρησιμοποιείται εξαιρετικά ευρέως στην ηλεκτρική μηχανική. Αρκεί να πούμε ότι οι πυρήνες του καθενός ηλεκτρομαγνήτεςαυτά που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικές συσκευές είναι κατασκευασμένα από ειδικό σίδερο με εξαιρετικά χαμηλό υπολειμματικό μαγνητισμό.

Ο χάλυβας έχει μεγάλη δύναμη συγκράτησης, λόγω της οποίας διατηρείται η ιδιότητα του μαγνητισμού. να γιατί μόνιμοι μαγνήτες είναι κατασκευασμένα από ειδικά κράματα χάλυβα.

Οι ιδιότητες των μόνιμων μαγνητών επηρεάζονται αρνητικά από κρούσεις, κρούσεις και απότομες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Εάν, για παράδειγμα, ένας μόνιμος μαγνήτης θερμανθεί σε κόκκινο χρώμα και στη συνέχεια αφεθεί να κρυώσει, τότε θα χάσει εντελώς τις μαγνητικές του ιδιότητες. Ομοίως, εάν υποβάλλετε έναν μόνιμο μαγνήτη σε κραδασμούς, τότε η δύναμη έλξης του θα μειωθεί σημαντικά.

Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι με ισχυρή θέρμανση ή κραδασμούς, η δράση μιας επιβραδυντικής δύναμης ξεπερνιέται και έτσι διαταράσσεται η εύρυθμη διάταξη των μοριακών μαγνητών. Επομένως, ο χειρισμός των μόνιμων μαγνητών και των συσκευών μόνιμου μαγνήτη πρέπει να γίνεται με προσοχή.

Μαγνητικές γραμμές δύναμης. Αλληλεπίδραση των πόλων των μαγνητών

Γύρω από κάθε μαγνήτη υπάρχει ένα λεγόμενο μαγνητικό πεδίο.

Μαγνητικό πεδίο ονομάζεται ο χώρος στον οποίο οι μαγνητικές δυνάμεις... Μαγνητικό πεδίο ενός μόνιμου μαγνήτη είναι εκείνο το τμήμα του χώρου στο οποίο δρουν τα πεδία ενός ευθύγραμμου μαγνήτη και οι μαγνητικές δυνάμεις αυτού του μαγνήτη.

Οι μαγνητικές δυνάμεις του μαγνητικού πεδίου δρουν σε ορισμένες κατευθύνσεις... Οι κατευθύνσεις δράσης των μαγνητικών δυνάμεων συμφωνήθηκαν να ονομάζονται μαγνητικές γραμμές δύναμης... Αυτός ο όρος χρησιμοποιείται ευρέως στη μελέτη της ηλεκτρικής μηχανικής, αλλά πρέπει να θυμόμαστε ότι οι μαγνητικές γραμμές δύναμης δεν είναι υλικές: αυτός είναι ένας συμβατικός όρος που εισάγεται μόνο για να διευκολύνει την κατανόηση των ιδιοτήτων του μαγνητικού πεδίου.

Το σχήμα του μαγνητικού πεδίου, δηλαδή η θέση των γραμμών του μαγνητικού πεδίου στο χώρο εξαρτάται από το σχήμα του ίδιου του μαγνήτη.

Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου έχουν πολλές ιδιότητες: είναι πάντα κλειστές, δεν διασταυρώνονται ποτέ, τείνουν να ακολουθούν το συντομότερο μονοπάτι και απωθούν η μία την άλλη εάν δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση. Είναι γενικά αποδεκτό ότι οι γραμμές δύναμης εξέρχονται από τον βόρειο πόλο του μαγνήτη και μπείτε στον νότιο πόλο του. μέσα στον μαγνήτη, έχουν κατεύθυνση από τον νότιο πόλο προς τον βορρά.

Όπως οι μαγνητικοί πόλοι απωθούνται, σε αντίθεση με τους μαγνητικούς πόλους έλκονται.

Είναι εύκολο να πείσεις τον εαυτό σου για την ορθότητα και των δύο συμπερασμάτων στην πράξη. Πάρτε μια πυξίδα και φέρτε σε αυτήν έναν από τους πόλους ενός ευθύγραμμου μαγνήτη, για παράδειγμα, τον βόρειο πόλο. Θα δείτε ότι το βέλος θα στρίψει αμέσως το νότιο άκρο του στον βόρειο πόλο του μαγνήτη. Εάν περιστρέψετε γρήγορα τον μαγνήτη κατά 180 °, τότε η μαγνητική βελόνα θα γυρίσει αμέσως 180 °, δηλαδή, το βόρειο άκρο της θα βλέπει προς τον νότιο πόλο του μαγνήτη.

Μαγνητική επαγωγή. Μαγνητική ροή

Η δύναμη δράσης (έλξης) ενός μόνιμου μαγνήτη σε ένα μαγνητικό σώμα μειώνεται όσο αυξάνεται η απόσταση μεταξύ του πόλου του μαγνήτη και αυτού του σώματος. Ένας μαγνήτης εμφανίζει τη μεγαλύτερη δύναμη έλξης απευθείας στους πόλους του, δηλαδή ακριβώς εκεί που βρίσκονται πιο πυκνά οι γραμμές μαγνητικής δύναμης. Απομακρυνόμενοι από τον πόλο, η πυκνότητα των γραμμών δύναμης μειώνεται, βρίσκονται όλο και πιο σπάνια, μαζί με αυτό, εξασθενεί και η δύναμη έλξης του μαγνήτη.

Έτσι, η δύναμη έλξης ενός μαγνήτη σε διαφορετικά σημεία του μαγνητικού πεδίου δεν είναι η ίδια και χαρακτηρίζεται από την πυκνότητα των γραμμών δύναμης. Για να χαρακτηριστεί το μαγνητικό πεδίο στα διάφορα σημεία του, εισάγεται μια ποσότητα που ονομάζεται επαγωγή μαγνητικού πεδίου.

Η μαγνητική επαγωγή του πεδίου είναι αριθμητικά ίση με τον αριθμό των γραμμών δύναμης που διέρχονται από μια περιοχή 1 cm2, που βρίσκονται κάθετα προς την κατεύθυνσή τους.

Αυτό σημαίνει ότι όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα των γραμμών πεδίου σε ένα δεδομένο σημείο του πεδίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η μαγνητική επαγωγή σε αυτό το σημείο.

Ο συνολικός αριθμός των μαγνητικών γραμμών δύναμης που διέρχονται από οποιαδήποτε περιοχή ονομάζεται μαγνητική ροή.

Η μαγνητική ροή συμβολίζεται με το γράμμα F και σχετίζεται με τη μαγνητική επαγωγή μέσω της ακόλουθης σχέσης:

Ф = BS,

όπου F είναι η μαγνητική ροή, V είναι η μαγνητική επαγωγή του πεδίου. S είναι η περιοχή που διαπερνά μια δεδομένη μαγνητική ροή.

Αυτός ο τύπος ισχύει μόνο εάν η περιοχή S είναι κάθετη στην κατεύθυνση της μαγνητικής ροής. Διαφορετικά, το μέγεθος της μαγνητικής ροής θα εξαρτηθεί επίσης από τη γωνία στην οποία βρίσκεται η περιοχή S και τότε ο τύπος θα πάρει μια πιο σύνθετη μορφή.

Η μαγνητική ροή ενός μόνιμου μαγνήτη καθορίζεται από τον συνολικό αριθμό των γραμμών δύναμης που διέρχονται από τη διατομή του μαγνήτη.Όσο μεγαλύτερη είναι η μαγνητική ροή ενός μόνιμου μαγνήτη, τόσο πιο ελκυστικός είναι αυτός ο μαγνήτης.

Η μαγνητική ροή ενός μόνιμου μαγνήτη εξαρτάται από την ποιότητα του χάλυβα από τον οποίο κατασκευάζεται ο μαγνήτης, το μέγεθος του ίδιου του μαγνήτη και το βαθμό μαγνήτισής του.

Μαγνητική διαπερατότητα

Η ιδιότητα ενός σώματος να επιτρέπει τη μαγνητική ροή μέσω του εαυτού του ονομάζεται μαγνητική διαπερατότητα... Είναι ευκολότερο για τη μαγνητική ροή να περάσει από τον αέρα παρά μέσα από ένα μη μαγνητικό σώμα.

Να μπορούν να συγκρίνουν διαφορετικές ουσίες ανάλογα με τις μαγνητική διαπερατότητα, συνηθίζεται να θεωρείται η μαγνητική διαπερατότητα του αέρα ίση με τη μονάδα.

Ονομάζονται ουσίες με μαγνητική διαπερατότητα μικρότερη από τη μονάδα διαμαγνητική... Περιλαμβάνουν τον χαλκό, τον μόλυβδο, τον άργυρο κ.λπ.

Αλουμίνιο, πλατίνα, κασσίτερος κ.λπ. Έχουν μαγνητική διαπερατότητα λίγο μεγαλύτερη από τη μονάδα και ονομάζονται παραμαγνητικές ουσίες.

Οι ουσίες με μαγνητική διαπερατότητα πολύ μεγαλύτερη από μία (μετρούμενη σε χιλιάδες) ονομάζονται σιδηρομαγνητικές. Αυτά περιλαμβάνουν νικέλιο, κοβάλτιο, χάλυβα, σίδηρο κ.λπ. Από αυτές τις ουσίες και τα κράματά τους παράγονται όλοι οι τύποι μαγνητικών και ηλεκτρομαγνητικών συσκευών και εξαρτημάτων διαφόρων ηλεκτρικών μηχανών.

Πρακτικό ενδιαφέρον για τις τεχνολογίες επικοινωνίας είναι τα ειδικά κράματα σιδήρου-νικελίου που ονομάζονται permaloid.