Koja su svojstva magneta? Magneti su izuzetni objekti. Mogu gurati ili povlačiti druge stvari, a da ih zapravo ne dodiruju! Ljudi su znali zamagnetihiljadama godina. U staroj Grčkoj ljudi su pronašli izvanredne stijene zvane kameni kamenčići koji su djelovali poput magneta. Stene su se mogle okretati tako da usmere sever i jug, poravnavajući se sa Zemljinim magnetnim poljem.
Danas se magneti koriste u mnogim stvarima koje koristimo svaki dan. Ostaje još mnogo toga da se otkrije koja su svojstva magneta i kako ih možemo iskoristiti.
Magnetski materijali
Sve stvari na svijetu pokazuju neku vrstu magnetizma. Ali snaga magnetizma je veoma različita između stvari. Na osnovu svojstava magneta, imamo pet velikih grupa: feromagnetne, paramagnetne, dijamagnetne, ferimagnetne i antiferomagnetne.
Feromagnetne stvari poput željeza, kobalta i nikla pokazuju najjači magnetizam. Njihova sićušna struktura može objasniti njihovo snažno privlačenje prema magnetnim poljima. Atomi u feromagnetnim stvarima imaju neusporedive elektrone koji su usmjereni u istom smjeru unutar područja zvanih magnetni domeni. Ovo usmjeravanje u istom smjeru povećava magnetsko polje i stvara trajni magnet.
Paramagnetne stvari poput aluminija i platine također se povlače prema magnetnim poljima, ali je sila mnogo slabija nego kod feromagnetnih stvari. Neusklađeni elektroni u paramagnetnim atomima usmjeravaju u smjeru primijenjenog polja, ali ne zadržavaju nikakvu magnetizaciju kada se polje ukloni.
Dijamagnetne stvari poput bakra i zlata pokazuju slab odmak od magnetnih polja. Kada se stave u vanjsko polje, njihovi atomi stvaraju indukovano magnetsko polje u suprotnom smjeru. Međutim, oni nemaju trajne atomske dipole.
Ferimagnetne stvari pokazuju složeni magnetski poredak gdje se neusklađeni elektroni atoma na različitim rešetkama suprotstavljaju jedni drugima, kao u antiferomagnetima. Ali ferimagneti zadržavaju trajnu magnetizaciju jer su suprotstavljeni neusklađeni elektroni nejednaki. Feriti poput magnetita su svakodnevne feromagnetne stvari.
Tabela 1: Magnetski materijali
Materijal | Magnetizam | Primjeri |
Feromagnetski | Veoma jaka privlačnost za magnetna polja | Gvožđe, kobalt, nikl |
Paramagnetski | Slaba privlačnost za magnetna polja | Aluminijum, platina |
Diamagnetic | Slabo odbijanje od magnetnih polja | Bakar, zlato |
Ferrimagnetic | Kompleksno poravnanje, trajna magnetizacija | Magnetit, ferit |
Antiferomagnetski | Potpuno poravnanje, bez neto magnetizacije | Krom, mangan |
Magnetic Domains
Svi materijali koji su feromagnetni imaju sićušne magnete unutar sebe zvane atomski dipoli. Ovi sićušni magneti obično pokazuju nasumičnim smjerovima, tako da se međusobno poništavaju. To znači da materijal nema ukupni magnetizam kada se ostavi sam. Ali kada materijal postane magnetiziran, mali magneti iznutra se poravnavaju!
Magnetizacija se dešava kada grupe atoma zvane magnetni domeni nateraju svoje male magnete da usmere na isti način. Sićušni magneti usmjereni su zajedno unutar svake domene jer su snažno povezani. Ali različiti domeni će usmjeravati u nasumičnim smjerovima prije nego što dođe do magnetizacije.
Vanjske sile poput magnetnih polja mogu natjerati domene da rastu i poravnaju svoje male magnete. Ovo stvara trajni magnet. Zagrijavanje materijala također daje energiju sićušnim magnetima da se kreću. Ovo omogućava domenima da poravnaju svoje male magnete.
Ostale stvari koje utiču na to kako su domeni sićušnih magneta raspoređeni uključuju naprezanje, granice zrna, nečistoće i demagnetizirajuća polja. Snaga magneta ovisi o tome koliko domena natjera svoje sićušne magnete da se poravnaju i koliko dobro se odupiru vanjskim silama koje ih pokušavaju pokvariti.
Magnetna polja
Magneti čine nevidljiva područja oko sebe koja se nazivaju magnetna polja. Magnetski fluks je prostor oko magneta u kojem možete osjetiti njegovu snagu. Da bismo vidjeli magnetski fluks, crtamo linije magnetskog polja. Više linija znači jače magnetno polje. Linije izlaze iz sjevernog pola magneta i krive se oko njegovog južnog pola.
Magnetna polja nastaju kada se sićušni električni naboji kreću okolo. Unutar atoma, elektroni se okreću i kreću se po orbitama. Svaki atom je mali magnet sa svojim sjevernim i južnim polom. U magnetnim materijalima, sićušni magneti u domenima se poredaju. Ovo kombinuje sva njihova magnetna polja kako bi jedno veliko magnetsko polje usmereno u jednom pravcu. Ovako trajni magneti dobijaju tako jaka magnetna polja.
Nevidljivo magnetsko polje je jače i bliže magnetu. Postaje slabiji kako se udaljavate. Manji magneti imaju manja i slabija magnetna polja. Veći magneti imaju veća i jača magnetna polja.
Magnetski polovi
Magneti imaju sjeverni i južni pol. To su područja u kojima je magnetna sila najjača. Suprotni polovi se privlače. Sjeverni i južni pol se drže zajedno. Isti polovi se guraju jedan od drugog. Dva sjeverna pola ili dva južna pola se odbijaju i rastavljaju.
To se dešava zbog načina na koji teče nevidljive linije magnetnog polja. Linije idu od sjevernog do južnog pola unutar magneta. Na atomskom nivou, svaki mali magnet u unutrašnjosti ima linije magnetnog polja koje teku od sjevera ka jugu. U magnetu, svi sićušni magneti poravnaju svoja magnetna polja.
Trajni magneti
Dok su neki materijali poput željeza prirodno magnetni, trajni magneti se često umjetno proizvode magnetizacijom. Gvožđe, nikl, kobalt ili legure obično čine najbolje trajne magnete.
Magnetizacija uključuje izlaganje materijala jakom vanjskom magnetskom polju od elektromagneta ili drugog trajnog magneta. To uzrokuje rast magnetnih domena i poravnavanje s vanjskim poljem, stvarajući jak trajni magnet. Tvrdi magneti otporni su na demagnetizaciju, dok meki magneti lakše gube svoj magnetizam.
Snaga trajnog magneta korelira s njegovom koercitivnošću, intenzitetom polja koji je potreban da se demagnetizira. Visoko koercitivni materijali mogu napraviti moćne trajne magnete, ali ih je u početku teže magnetizirati. Maksimalna gustina magnetnog fluksa ili magnetizacija zasićenja i preostala magnetizacija takođe utiču na snagu magneta.
Elektromagneti
Osim trajnih magneta, elektromagneti koriste električne struje da induciraju privremeni magnetizam. Kada električna struja prolazi kroz namotanu žicu, ona stvara magnetsko polje paralelno s osi zavojnice. Jačina polja raste sa više petlji i većom strujom.
Materijal unutar zavojnice je također važan. Meko gvožđe čini magnetno polje jačim. Gvožđe može podići elektromagnet 100 puta više. Ali gvožđe takođe usporava brzinu reakcije magneta.
Elektromagnetima je potrebna energija da bi ostali magnetni. Trajni magneti ne rade. Ali elektromagneti se mogu brzo uključiti i isključiti. Njihova moć se takođe može promeniti trenutno. To ih čini prikladnim za podizanje teškog gvožđa i MR skeniranje kojima je potrebno mijenjanje magnetnih polja.
Magnetska snaga i magnetni moment
Koliko je nešto magnetno zavisi od toga koliko se magnetizma dešava u blizini magnetnog polja. Koliko je dobro u skladu sa magnetnim poljem naziva se magnetni moment. Ovo zavisi od sitnih građevnih blokova materijala koji se nazivaju atomi, uglavnom elektrona koji su sami, a ne u paru. Oni se ponašaju kao mali magneti.
Jak magnet može zadržati veliku magnetnu snagu koja teče kroz njega. To se zove magnetizacija zasićenja. Jaki magnet zadržava više svog magnetizma kada vanjsko polje nestane. Ovo se zove remanencija. Magnetizam dolazi od elektrona koji se vrte i orbitiraju. Tako mala pravila kvantne fizike kontrolišu magnetnu snagu.
Magnetic Properties
Nekoliko osnovnih svojstava magneta pomaže u karakterizaciji magnetnih performansi:
● Magnetizacija zasićenja: Maksimalna moguća gustina magnetnog fluksa koju materijal može da generiše u primenjenom polju. Mereno u Tesli.
● Remanencija: preostala magnetizacija kada se ukloni pogonsko polje. Koliko magnetizma ostaje?
● Prisilno: Reverzna jačina magnetnog polja potrebna da se materijal demagnetizira nazad na nulu. Otporan na demagnetizaciju.
● Permeabilnost: Sposobnost da podrži formiranje magnetnog polja u sebi. Visoka permeabilnost koncentrira magnetni tok.
● Histereza: Tendencija zadržavanja nametnutog magnetizma. Materijali sa značajnom histerezom čine efektivne trajne magnete.
Optimizacija ovih svojstava magneta je ključna u odabiru odgovarajućeg magnetnog materijala za datu primjenu, bilo da se postiže najveća trajna jačina polja ili maksimiziraju reverzibilne promjene fluksa.
Magnetna histereza
Magneti mogu djelovati na uzbudljive načine! Magneti pokazuju fenomen koji se zove histereza. Njihova magnetizacija prati drugačiji put svaki put kada ciklirate vanjsko magnetsko polje. Precizna putanja zavisi od prethodne istorije magnetizacije magneta.
To možete vidjeti kada nacrtate kako se gustina magnetnog fluksa B mijenja kako se primijenjeno magnetsko polje H mijenja. Ovaj dijagram čini petlju koja se zove histerezna petlja.
U početku, sićušni magnetni regioni u magnetu koji se nazivaju domeni polako se poređaju kako povećavate H. Kada se svi poredaju, dalje povećanje H više ne menja B. Zatim, kada smanjite H, B prati drugačiju krivu. Kada je H nula, ostaje nešto magnetizacije iz poravnatih domena. Morate primijeniti magnetsko polje u suprotnom smjeru da biste magnetizaciju vratili na nulu.
Područje unutar histerezne petlje pokazuje izgubljenu energiju kako se domeni mijenjaju svaki ciklus. Tvrdi magneti imaju široke petlje i značajne gubitke energije. Oblik petlje vam također govori o svojstvima magneta, poput toga koliko dobro ostaje magnetiziran i koliko ga je teško demagnetizirati.
Temperaturni efekti
Toplotna energija može uticati na ponašanje magneta! Kako temperatura raste, sićušni poravnati magnetni regioni u magnetu koji se nazivaju domeni pomeraju se okolo toplotnom energijom. Zbog toga se magnetizacija smanjuje. Na visokoj Curie temperaturi, toplotna energija poremeti magnetni poredak, a permanentni magnetizam potpuno nestaje.
Koliko je lako da magnet izgubi svoju magnetizaciju zavisi od njegove Curie temperature. Najviša Curie temperatura bilo kojeg čistog elementa je gvožđe na 1043 K. Dodavanje stvari poput nikla i kobalta za pravljenje legura podiže Kirijevu tačku više. Permanentni magneti otporni na toplinu omogućuju vam korištenje magneta u aplikacijama kao što su generatori i motori.
Magneti za hlađenje ispod Curie tačke ponovo povećavaju magnetizaciju. Superprovodljivi elektromagneti rade samo na niskim temperaturama gde električni otpor nestaje i stvaraju moćna, trajna magnetna polja.
Tabela 2: Utjecaj temperature na magnetizam
Temperaturni efekat | Opis |
Curie temperatura | Iznad ove temperature, trajni magnetizam se gubi |
Termička agitacija | Može poremetiti poravnanje magnetnih domena |
Hlađenje ispod Kirijeve tačke | Povećava magnetizaciju kako se termalno kretanje smanjuje |
Kriogene temperature | Omogućite supravodljive elektromagnete sa upornim poljima velike jačine |
Magnetic Applications
Magneti su svestrani alat koji se nalazi širom industrijskog krajolika u aplikacijama kao što su:
● Motori – rotirajući elektromotori se oslanjaju na magnete koji pretvaraju između mehaničke i električne energije putem elektromagnetne indukcije. Mali motori pokreću uređaje od ventilatora do tvrdih diskova.
● Generatori - Turbinski generatori proizvode električnu energiju rotirajućim magnetima u blizini žičanih namotaja, indukujući strujni tok.
● Magnetna memorija – Hard diskovi zapisuju podatke okretanjem magnetizacije sićušnih domena na feromagnetnom disku.
● Levitacija – Maglev vozovi koriste magnete da lebde iznad pruge, eliminišući trenje za tiho, glatko putovanje.
● Medicinski uređaji – MRI aparati koriste jake supravodljive magnete za otkrivanje promena u magnetnom polju tela za dijagnostičko snimanje.
● Istraživanje – Maseni spektrometri savijaju naelektrisane čestice magnetnim poljima da bi odredili njihovu masu i hemijsku strukturu.
● Obnovljivi izvori energije – Magnetni ležajevi stabilizuju zamašnjake, pohranjujući kinetičku energiju prikupljenu iz izvora vjetra ili sunca.
Magnetna levitacija
Magnetna levitacija, ili maglev, koristi magnete kako bi stvari plutale! Magneti se udaljavaju jedan od drugog. Ali jedinstvene postavke magneta mogu učiniti stabilnim plutajućim.
Brzi maglev vozovi već saobraćaju u Aziji i Evropi. Plutanje iznad pruge znači da nema trenja od točkova, tako da maglev vozovi mogu ići preko 600 km/h! Bez točkova ili ležajeva, tiši su i glatkiji za ubrzavanje i zaustavljanje. Takođe troše manje energije od redovnih vozova.
Maglev važi za više od vozova! To bi moglo pomoći u lansiranju svemirskih letjelica, izradi akceleratora čestica, stvaranju ležajeva bez trenja i zaustavljanju vibracija u zgradama. Inženjeri još uvijek poboljšavaju super-jake magnete. Ovo bi moglo omogućiti da maglev vozovi povezuju cijele gradove u budućnosti.
Dodavanje više o tome kako maglev radi, upotrebi u stvarnom svijetu i budućim mogućnostima jednostavno objašnjava ovaj napredni koncept. Mladi učenici mogu razumjeti plutajuće vozove kroz magnetne sile bez trenja i zamisliti druge primjene ove cool tehnologije.
Zaključak
Od sićušnih magneta za frižider do magneta dugih milju koji pokreću fuzijske reaktore, magneti su od neprocjenjive vrijednosti u našem svakodnevnom životu. Razumijevanje jedinstvenih svojstava magneta i dalje potiče otkrića koja vode do novih primjena. Vrhunska područja poput spintronike i magnetnih monopola sadrže mogućnosti za elektroniku sljedeće generacije, pa čak i za kvantne kompjutere.
S obzirom da još mnogo toga treba razumjeti o kvantnim osnovama magnetizma, istraživanja će dodatno otkriti njihov ogroman potencijal. Ostaje još mnogo toga da otkrijemo o tome šta nam svojstva magneta mogu omogućiti da postignemo.
Najčešća pitanja o svojstvima magneta
Koje su jedinice jačine magnetnog polja?
Jačina magnetnog polja se kvantificira u amperima po metru (A/m) ili teslasima (T). Jedna tesla je jednaka jednom njutnu po amper metru. Jačina Zemljinog magnetnog polja je oko 0.5 gausa ili 50 mikrotesla.
Kako se izračunava magnetni fluks?
Magnetski fluks kroz površinu izračunava se množenjem jačine magnetnog polja, okomite površine i kosinusa ugla.
Koji se materijali koriste u supravodljivim magnetima?
Superprovodljivi magneti obično koriste supravodiče poput niobijum-titanijuma ili niobijum-kalajnih zavojnica koje se hlade tečnim helijumom. Noviji visokotemperaturni superprovodnici omogućavaju manje ekstremne potrebe za hlađenjem za velike jačine polja.
Meta Description
Istražite zadivljujući svijet magneta. Saznajte više o materijalima, domenima, poljima i drugim svojstvima magneta!