Magnetyzm i elektromagnetyzm

Magnesy naturalne i sztuczne

Wśród rud żelaza wydobywanych dla przemysłu metalurgicznego jest ruda zwana magnetyczną rudą żelaza. Ta ruda ma właściwość przyciągania do siebie żelaznych przedmiotów.

Kawałek takiej rudy żelaza nazywany jest naturalnym magnesem, a właściwością przyciągania, którą wykazuje, jest magnetyzm.

W dzisiejszych czasach zjawisko magnetyzmu jest niezwykle szeroko wykorzystywane w różnego rodzaju instalacjach elektrycznych. Jednak teraz używają nie naturalnych, ale tak zwanych sztucznych magnesów.

Sztuczne magnesy są wykonane ze specjalnych stali. Kawałek takiej stali jest w specjalny sposób namagnesowany, po czym nabiera właściwości magnetycznych, to znaczy staje się trwały magnes.

Kształt magnesów trwałych może być bardzo różnorodny, w zależności od ich przeznaczenia.

W magnesie trwałym tylko jego bieguny mają siły grawitacyjne. Uzgodniono, że skierowany na północ koniec magnesu jest nazywany magnesem na biegun północny, a koniec skierowany na południe to magnes na biegun południowy. Każdy magnes trwały ma dwa bieguny: północny i południowy. Biegun północny magnesu jest oznaczony literą C lub N, a biegun południowy literą Yu lub S.

Magnes przyciąga do siebie żelazo, stal, żeliwo, nikiel, kobalt. Wszystkie te ciała nazywane są ciałami magnetycznymi. Wszystkie inne ciała, które nie są przyciągane przez magnes, nazywane są ciałami niemagnetycznymi.

Struktura magnesu. Namagnesowanie

Każde ciało, w tym magnetyczne, składa się z najmniejszych cząstek - cząsteczek. W przeciwieństwie do cząsteczek ciał niemagnetycznych, cząsteczki ciał magnetycznych mają właściwości magnetyczne, reprezentujące magnesy molekularne. Wewnątrz ciała magnetycznego te magnesy molekularne są ułożone z osiami w różnych kierunkach, w wyniku czego samo ciało nie wykazuje żadnych właściwości magnetycznych. Ale jeśli te magnesy zostaną zmuszone do obracania się wokół swoich osi, tak że ich bieguny północne obracają się w jednym kierunku, a bieguny południowe w drugim, wówczas ciało uzyska właściwości magnetyczne, to znaczy stanie się magnesem.

Nazywa się proces, w którym ciało magnetyczne uzyskuje właściwości magnesu namagnesowanie... Przy produkcji magnesów trwałych namagnesowanie odbywa się za pomocą prądu elektrycznego. Ale możesz namagnesować ciało w inny sposób, używając zwykłego magnesu stałego.

Jeśli magnes prostoliniowy zostanie przecięty wzdłuż linii neutralnej, to otrzymamy dwa niezależne magnesy, a biegunowość końców magnesu zostanie zachowana, a na końcach uzyskanych w wyniku cięcia pojawią się przeciwne bieguny.

Każdy z powstałych magnesów można również podzielić na dwa magnesy i nieważne jak bardzo będziemy kontynuować ten podział, zawsze otrzymamy niezależne magnesy o dwóch biegunach. Niemożliwe jest uzyskanie sztabki z jednym biegunem magnetycznym. Ten przykład potwierdza stanowisko, że ciało magnetyczne składa się z wielu magnesów molekularnych.

Ciała magnetyczne różnią się między sobą stopniem ruchliwości magnesów molekularnych. Istnieją ciała, które szybko się magnesują i równie szybko rozmagnesowują. I odwrotnie, istnieją ciała, które magnetyzują się powoli, ale zachowują swoje właściwości magnetyczne przez długi czas.

Żelazo jest więc szybko namagnesowane pod działaniem magnesu zewnętrznego, ale równie szybko rozmagnesowane, to znaczy po usunięciu magnesu traci swoje właściwości magnetyczne.Stal po namagnesowaniu długo zachowuje swoje właściwości magnetyczne, tj. , staje się magnesem trwałym.

Właściwość żelaza do szybkiego magnesowania i rozmagnesowywania tłumaczy się tym, że magnesy molekularne żelaza są niezwykle ruchliwe, łatwo obracają się pod wpływem zewnętrznych sił magnetycznych, ale równie szybko wracają do poprzedniego nieuporządkowanego położenia, gdy ciało magnesujące jest usunięte.

W żelazie jednak niewielka część magnesów po usunięciu magnesu stałego pozostaje jeszcze przez pewien czas w położeniu, które zajmowały w czasie namagnesowania. Dlatego po namagnesowaniu żelazo zachowuje bardzo słabe właściwości magnetyczne. Potwierdza to fakt, że po zdjęciu żelaznej płytki z bieguna magnesu nie wszystkie trociny spadły z jego końca — niewielka ich część pozostała przyciągnięta do płytki.

Właściwość stali, która pozostaje namagnesowana przez długi czas, tłumaczy się tym, że magnesy molekularne stali prawie nie obracają się w pożądanym kierunku podczas magnesowania, ale zachowują swoją stabilną pozycję przez długi czas nawet po usunięciu korpusu magnesującego.

Zdolność ciała magnetycznego do wykazywania właściwości magnetycznych po namagnesowaniu nazywana jest magnetyzmem szczątkowym.

Zjawisko magnetyzmu szczątkowego jest spowodowane tym, że w ciele magnetycznym występuje tak zwana siła opóźniająca, która utrzymuje magnesy molekularne w pozycji, jaką zajmują podczas namagnesowania.

W żelazie działanie siły opóźniającej jest bardzo słabe, w wyniku czego żelazo szybko się rozmagnesowuje i ma bardzo mały magnetyzm szczątkowy.

Właściwość żelaza do szybkiego magnesowania i rozmagnesowania jest niezwykle szeroko stosowana w elektrotechnice. Dość powiedzieć, że rdzenie każdego elektromagnesyte stosowane w urządzeniach elektrycznych są wykonane ze specjalnego żelaza o wyjątkowo niskim magnetyzmie szczątkowym.

Stal ma dużą siłę trzymania, dzięki czemu zachowana jest w niej właściwość magnetyzmu. dlatego magnesy trwałe wykonane są ze specjalnych stopów stali.

Na właściwości magnesów trwałych niekorzystnie wpływają wstrząsy, uderzenia i nagłe zmiany temperatury. Jeśli na przykład magnes trwały zostanie podgrzany do czerwoności, a następnie pozostawiony do ostygnięcia, całkowicie straci swoje właściwości magnetyczne. Podobnie, jeśli poddasz magnes stały wstrząsom, wówczas jego siła przyciągania znacznie się zmniejszy.

Wyjaśnia to fakt, że przy silnym ogrzewaniu lub wstrząsach działanie siły opóźniającej zostaje pokonane, a tym samym zaburzony jest uporządkowany układ magnesów molekularnych. Dlatego z magnesami trwałymi i urządzeniami z magnesami trwałymi należy obchodzić się ostrożnie.

Magnetyczne linie sił. Oddziaływanie biegunów magnesów

Wokół każdego magnesu znajduje się tzw pole magnetyczne.

Pole magnetyczne nazywa się przestrzenią, w której siły magnetyczne... Pole magnetyczne magnesu trwałego to ta część przestrzeni, w której działają pola prostoliniowego magnesu i siły magnetyczne tego magnesu.

Siły magnetyczne pola magnetycznego działają w określonych kierunkach... Kierunki działania sił magnetycznych zostały nazwane magnetycznymi liniami sił... Termin ten jest szeroko stosowany w badaniach elektrotechniki, ale należy o nim pamiętać że magnetyczne linie sił nie są materialne: jest to konwencjonalny termin wprowadzony tylko w celu ułatwienia zrozumienia właściwości pola magnetycznego.

Kształt pola magnetycznego, czyli położenie linii pola magnetycznego w przestrzeni, zależy od kształtu samego magnesu.

Linie pola magnetycznego mają szereg właściwości: są zawsze zamknięte, nigdy się nie krzyżują, mają tendencję do wybierania najkrótszej ścieżki i odpychają się, jeśli są skierowane w tym samym kierunku.Ogólnie przyjmuje się, że linie sił wychodzą z bieguna północnego magnesu i wprowadź jego biegun południowy; wewnątrz magnesu mają kierunek od bieguna południowego do północnego.

Podobnie jak bieguny magnetyczne odpychają się, w przeciwieństwie do biegunów magnetycznych przyciągają.

W praktyce łatwo przekonać się o słuszności obu wniosków. Weź kompas i przynieś do niego jeden z biegunów prostoliniowego magnesu, na przykład biegun północny. Zobaczysz, że strzała natychmiast zwróci swój południowy koniec na północny biegun magnesu. Jeśli szybko obrócisz magnes o 180 °, igła magnetyczna natychmiast obróci się o 180 °, to znaczy jej północny koniec będzie skierowany w stronę południowego bieguna magnesu.

Indukcja magnetyczna. Strumień magnetyczny

Siła działania (przyciągania) magnesu trwałego na ciało magnetyczne maleje wraz ze wzrostem odległości między biegunem magnesu a tym ciałem. Magnes wykazuje największą siłę przyciągania bezpośrednio na swoich biegunach, czyli dokładnie tam, gdzie linie sił magnetycznych są najbardziej zagęszczone. Oddalając się od bieguna gęstość linii sił maleje, są one spotykane coraz rzadziej, wraz z tym słabnie również siła przyciągania magnesu.

Zatem siła przyciągania magnesu w różnych punktach pola magnetycznego nie jest taka sama i charakteryzuje się gęstością linii sił. Aby scharakteryzować pole magnetyczne w różnych jego punktach, wprowadza się wielkość zwaną indukcją pola magnetycznego.

Indukcja magnetyczna pola jest liczbowo równa liczbie linii sił przechodzących przez obszar 1 cm2, położony prostopadle do ich kierunku.

Oznacza to, że im większa gęstość linii pola w danym punkcie pola, tym większa indukcja magnetyczna w tym punkcie.

Całkowita liczba linii sił magnetycznych przechodzących przez dowolny obszar nazywana jest strumieniem magnetycznym.

Strumień magnetyczny jest oznaczony literą F i jest powiązany z indukcją magnetyczną poprzez następującą zależność:

Ф = BS,

gdzie F to strumień magnetyczny, V to indukcja magnetyczna pola; S to obszar penetrowany przez dany strumień magnetyczny.

Ten wzór jest ważny tylko wtedy, gdy pole S jest prostopadłe do kierunku strumienia magnetycznego. W przeciwnym razie wielkość strumienia magnetycznego będzie również zależała od kąta, pod jakim znajduje się obszar S, a wtedy wzór przybierze bardziej złożoną postać.

Strumień magnetyczny magnesu trwałego jest określony przez całkowitą liczbę linii sił przechodzących przez przekrój poprzeczny magnesu.Im większy strumień magnetyczny magnesu stałego, tym bardziej atrakcyjny jest ten magnes.

Strumień magnetyczny magnesu trwałego zależy od jakości stali, z której wykonany jest magnes, wielkości samego magnesu oraz stopnia jego namagnesowania.

Przepuszczalność magnetyczna

Nazywa się właściwość ciała polegającą na przepuszczaniu przez siebie strumienia magnetycznego przepuszczalność magnetyczna... Strumień magnetyczny łatwiej przechodzi przez powietrze niż przez ciało niemagnetyczne.

Aby móc porównać różne substancje według ich przenikalność magnetyczna, zwykle uważa się, że przepuszczalność magnetyczna powietrza jest równa jedności.

Nazywa się je substancje o przenikalności magnetycznej mniejszej niż jedność diamagnetyczny... Należą do nich miedź, ołów, srebro itp.

Aluminium, platyna, cyna itp. Mają przenikalność magnetyczną nieco większą od jedności i nazywane są substancjami paramagnetycznymi.

Substancje o przenikalności magnetycznej znacznie większej niż jeden (mierzonej w tysiącach) nazywane są ferromagnetykami. Należą do nich nikiel, kobalt, stal, żelazo itp. Z tych substancji i ich stopów produkowane są wszelkiego rodzaju urządzenia magnetyczne i elektromagnetyczne oraz części różnych maszyn elektrycznych.

Praktyczne znaczenie dla technologii komunikacyjnych mają specjalne stopy żelazowo-niklowe zwane permaloidami.