חקר המאפיינים המרתקים של מגנטים

מהן התכונות של מגנטים? מגנטים הם חפצים יוצאי דופן. הם יכולים לדחוף או למשוך דברים אחרים מבלי ממש לגעת בהם! אנשים ידעו עלמגנטיםבמשך אלפי שנים. ביוון העתיקה, אנשים מצאו סלעים יוצאי דופן הנקראים אבני אדמה שפעלו כמו מגנטים. הסלעים יכלו לסובב את עצמם כדי להצביע צפונה ודרום, תוך התאמה לשדה המגנטי של כדור הארץ.

כיום משתמשים במגנטים בהמון דברים שאנו משתמשים בהם מדי יום. יש עוד הרבה מה לחשוף לגבי התכונות של מגנטים וכיצד אנו יכולים לנצל אותם.

חומרים מגנטיים

כל הדברים בעולם מראים סוג של מגנטיות. אבל עוצמת המגנטיות שונה מאוד בין הדברים. בהתבסס על תכונות המגנטים, יש לנו חמש קבוצות גדולות: פרומגנטיות, פרמגנטיות, דיאמגנטיות, פרומגנטיות ואנטי-פרומגנטיות.

דברים פרומגנטיים כמו ברזל, קובלט וניקל מראים את המגנטיות החזקה ביותר. המבנה הזעיר שלהם יכול להסביר את המשיכה החזקה שלהם לשדות מגנטיים. לאטומים בדברים פרומגנטיים יש אלקטרונים ללא תחרות שמצביעים לאותו כיוון בתוך אזורים הנקראים תחומים מגנטיים. הצבעה זו לאותו כיוון מגדילה את השדה המגנטי ויוצרת מגנט קבוע.

דברים פרמגנטיים כמו אלומיניום ופלטינה נמשכים גם הם לעבר שדות מגנטיים, אבל הכוח חלש הרבה יותר מאשר בדברים פרומגנטיים. האלקטרונים חסרי ההתאמה באטומים פרמגנטיים מצביעים בכיוון של שדה מופעל אך אינם שומרים על מגנטיזציה לאחר הסרת השדה.

דברים דיאמגנטיים כמו נחושת וזהב מראים דחיפה חלשה הרחק משדות מגנטיים. כאשר מכניסים אותם לשדה חיצוני, האטומים שלהם יוצרים שדה מגנטי מושרה בכיוון ההפוך. עם זאת, אין להם דיפולים אטומיים קבועים.

דברים פרימגנטיים מראים סדר מגנטי מורכב שבו האלקטרונים ללא תחרות של אטומים על סריגים שונים מנוגדים זה לזה, כמו באנטי-פרומגנטים. אבל פרימגנטים שומרים על מגנטיזציה קבועה מכיוון שהאלקטרונים המנוגדים ללא תחרות אינם שווים. פריטים כמו מגנטיט הם דברים פרומגנטיים יומיומיים.

טבלה 1: חומרים מגנטיים

דומיינים מגנטיים

לכל החומרים שהם פרומגנטיים יש בתוכם מגנטים זעירים הנקראים דיפולים אטומיים. מגנטים זעירים אלה מצביעים בדרך כלל לכיוונים אקראיים, כך שהם מבטלים זה את זה. המשמעות היא שלחומר אין מגנטיות כוללת כאשר הוא נשאר לבד. אבל כשהחומר הופך לממגנט, המגנטים הזעירים בפנים מסתדרים!

מגנטיזציה מתרחשת כאשר קבוצות של אטומים הנקראות תחומים מגנטיים גורמות למגנטים הזעירים שלהם להצביע באותה כיוון. המגנטים הזעירים מצביעים יחד בתוך כל תחום מכיוון שהם מחוברים חזק. אבל תחומים שונים יצביעו לכיוונים אקראיים לפני שהמגנטיזציה מתרחשת.

כוחות חיצוניים כמו שדות מגנטיים יכולים לגרום לתחומים לגדול ולסדר את המגנטים הזעירים שלהם. זה יוצר מגנט קבוע. חימום חומר גם נותן אנרגיה למגנטים הזעירים לנוע. זה מאפשר לדומיינים לסדר את המגנטים הזעירים שלהם.

דברים אחרים המשפיעים על אופן סידור התחומים של מגנטים זעירים כוללים מתח, גבולות גרגרים, זיהומים ושדות דה-מגנטים. עוצמתו של מגנט תלויה בכמה תחומים גורמים למגנטים הזעירים שלהם להתיישר ועד כמה הם מתנגדים לכוחות חיצוניים שמנסים לבלבל אותם.

שדה מגנטי

מגנטים יוצרים אזורים בלתי נראים סביבם הנקראים שדות מגנטיים. השטף המגנטי הוא החלל מסביב למגנט שבו אתה יכול להרגיש את כוחו. כדי לראות את השטף המגנטי, אנו מציירים קווי שדה מגנטי. יותר קווים פירושם שדה מגנטי חזק יותר. הקווים יוצאים מהקוטב הצפוני של המגנט ומתעקלים עד לקוטב הדרומי שלו.

שדות מגנטיים מתרחשים כאשר מטענים חשמליים זעירים נעים. בתוך אטומים, האלקטרונים מסתובבים ומסתובבים במסלולים. כל אטום הוא מגנט זעיר עם הקוטב הצפוני והדרומי שלו. בחומרים מגנטיים, המגנטים הזעירים בתחומים מסתדרים. זה משלב את כל השדות המגנטיים שלהם כדי ליצור שדה מגנטי אחד גדול המצביע לכיוון אחד. כך מגנטים קבועים מקבלים שדות מגנטיים כל כך חזקים.

השדה המגנטי הבלתי נראה חזק יותר וקרוב יותר למגנט. זה נהיה חלש יותר ככל שמתרחקים. למגנטים קטנים יותר יש שדות מגנטיים קטנים וחלשים יותר. למגנטים גדולים יותר יש שדות מגנטיים גדולים וחזקים יותר.

קטבים מגנטיים

למגנטים יש קוטב צפון ודרום. אלו אזורים שבהם הכוח המגנטי הוא החזק ביותר. קטבים מנוגדים מושכים זה את זה. הקוטב הצפוני והדרומי נצמדים זה לזה. אותם מוטות נדחפים זה מזה. שני קטבים צפוניים או שני קטבים דרומיים דוחים ונדחקים זה מזה.

זה קורה בגלל האופן שבו זורמים קווי השדה המגנטי הבלתי נראים. הקווים עוברים מהקוטב הצפוני לקוטב הדרומי בתוך המגנט. ברמה האטומית, לכל מגנט זעיר בפנים יש קווי שדה מגנטי הזורמים מצפון לדרום. במגנט, כל המגנטים הזעירים מסדרים את השדות המגנטיים שלהם.

מגנטים קבועים

בעוד שחלק מהחומרים כמו ברזל הם מגנטיים באופן טבעי, מגנטים קבועים מיוצרים לרוב באופן מלאכותי על ידי מגנטיזציה. ברזל, ניקל, קובלט או סגסוגות בדרך כלל מייצרים את המגנטים הקבועים הטובים ביותר.

מגנטיזציה כוללת חשיפת החומר לשדה מגנטי חיצוני חזק מאלקטרומגנט או מגנט קבוע אחר. זה גורם לתחומים המגנטיים לגדול ולהתיישר עם השדה החיצוני, לייצר מגנט קבוע חזק. מגנטים קשיחים מתנגדים לדה-מגנטיזציה, בעוד שמגנטים רכים מאבדים את המגנטיות שלהם ביתר קלות.

חוזק מגנט קבוע מתאם עם הכפייה שלו, עוצמת השדה הדרושה כדי לבטל אותו. חומרים בעלי כפייה גבוהים יכולים ליצור מגנטים קבועים רבי עוצמה, אך הם מאתגרים יותר למגנט בהתחלה. צפיפות השטף המגנטי המקסימלי או מגנט הרוויה ומגנטיזציה שארית משפיעים גם על חוזק המגנט.

אלקטרומגנטים

בנוסף למגנטים קבועים, אלקטרומגנטים משתמשים בזרמים חשמליים כדי לגרום למגנטיות זמנית. כאשר זרם חשמלי עובר דרך חוט מפותל, הוא יוצר שדה מגנטי במקביל לציר הסליל. עוצמת השדה עולה עם יותר לולאות וזרם גבוה יותר.

גם החומר שבתוך הסליל משנה. ברזל רך מחזק את השדה המגנטי. ברזל יכול לגרום לעלייה של אלקטרומגנט פי 100 יותר. אבל הברזל גם מאט את מהירות התגובה של המגנט.

אלקטרומגנטים זקוקים לכוח כדי להישאר מגנטיים. מגנטים קבועים לא. אבל אלקטרומגנטים יכולים להידלק ולכבות במהירות. גם הכוח שלהם יכול להשתנות באופן מיידי. זה הופך אותם למתאימים להרמת ברזל כבד וסריקות MRI הזקוקות לשדות מגנטיים משתנים.

חוזק מגנטי ומומנט מגנטי

עד כמה משהו מגנטי תלוי בכמה מגנטיות מתרחשת ליד שדה מגנטי. עד כמה הוא מסתדר עם השדה המגנטי נקרא מומנט מגנטי. הדבר תלוי באבני הבניין הזעירות של החומר הנקראות אטומים, בעיקר אלקטרונים שהם לבד ולא בזוגות. אלה פועלים כמו מגנטים קטנים.

מגנט חזק יכול להחזיק הרבה כוח מגנטי שזורם דרכו. זה נקרא מגנטיזציה של רוויה. מגנט חזק שומר יותר מהמגנטיות שלו כאשר השדה החיצוני נעלם. זה נקרא רמננס. מגנטיות מגיעה מאלקטרונים מסתובבים ומסתובבים. אז חוקי פיזיקת קוונטים זעירים שולטים בחוזק מגנטי.

מאפיינים מגנטיים

מספר מאפיינים בסיסיים של מגנטים עוזרים לאפיין ביצועים מגנטיים:

● מגנטיזציה של רוויה: צפיפות השטף המגנטי המרבית האפשרית שחומר יכול ליצור בשדה מיושם. נמדד בטסל.

● Remanence: המגנטיזציה שנותרה בעת הסרת שדה הנסיעה. כמה מגנטיות נשארה?

● בכפייה: עוצמת השדה המגנטי ההפוכה הדרושה כדי לבטל את מגנט החומר בחזרה לאפס. מתנגד לדה-מגנטיזציה.

● חדירות: יכולת לתמוך ביצירת שדה מגנטי בתוך עצמו. חדירות גבוהה מרכזת שטף מגנטי.

● היסטרזיס: נטייה לשמור על מגנטיות כפויה. חומרים בעלי היסטרזיס משמעותי יוצרים מגנטים קבועים יעילים.

אופטימיזציה של מאפיינים אלה של מגנטים חיונית בבחירת החומר המגנטי המתאים ליישום נתון, בין אם השגת חוזק השדה הקבוע הגבוה ביותר או מקסום שינויים בשטף הפיך.

היסטרזה מגנטית

מגנטים יכולים לפעול בדרכים מרגשות! מגנטים מציגים תופעה הנקראת היסטרזיס. המגנטיזציה שלהם עוקבת אחר נתיב אחר בכל פעם שאתה מגלגל את השדה המגנטי החיצוני. הנתיב המדויק תלוי בהיסטוריה הקודמת של המגנט של המגנט.

אתה יכול לראות זאת כאשר אתה מתווה כיצד צפיפות השטף המגנטי B משתנה כאשר השדה המגנטי המופעל H משתנה. העלילה הזו מייצרת לולאה שנקראת לולאת היסטרזיס.

בהתחלה, האזורים המגנטיים הזעירים במגנט הנקראים תחומים מסתדרים לאט ככל שמגדילים את H. ברגע שכולם מסתדרים בשורה, עליות נוספות ב-H כבר לא משנות את B. לאחר מכן, כאשר אתה מפחית את H, B עוקב אחר עקומה אחרת. כאשר H הוא אפס, נותרת מגנטיזציה מסוימת מהתחומים המיושרים. אתה צריך להחיל שדה מגנטי בכיוון ההפוך כדי להחזיר את המגנטיזציה לאפס.

האזור בתוך לולאת ההיסטרזיס מציג אנרגיה שאבדה כאשר התחומים משתנים בכל מחזור. למגנטים קשים יש לולאות רחבות ואיבודי אנרגיה משמעותיים. צורת הלולאה גם מספרת לך על תכונותיו של המגנט, כמו כמה טוב הוא נשאר ממוגנט וכמה קשה לבטל אותו.

השפעות טמפרטורה

אנרגיית חום יכולה להשפיע על איך מגנטים מתנהגים! ככל שהטמפרטורה עולה, האזורים המגנטיים הזעירים המיושרים במגנט הנקראים תחומים מסתובבים על ידי אנרגיית החום. זה גורם למגנטיזציה לרדת. בטמפרטורת קירי גבוהה, אנרגיית החום משבשת את הסדר המגנטי, והמגנטיות הקבועה נעלמת לחלוטין.

כמה קל למגנט לאבד את המגנטיות שלו תלוי בטמפרטורת הקורי שלו. טמפרטורת הקורי הגבוהה ביותר של כל יסוד טהור היא ברזל ב-1043 K. הוספת דברים כמו ניקל וקובלט להכנת סגסוגות מעלה את נקודת הקורי גבוה יותר. מגנטים קבועים עמידים בחום מאפשרים לך להשתמש במגנטים ביישומים כמו גנרטורים ומנועים.

קירור מגנטים מתחת לנקודת הקורי גורם למגנטיזציה לעלות שוב. אלקטרומגנטים מוליכים-על פועלים רק בטמפרטורות קרות שבהן ההתנגדות החשמלית נעלמת כדי ליצור שדות מגנטיים חזקים ומתמשכים.

טבלה 2: השפעות טמפרטורה על מגנטיות

יישומים מגנטיים

מגנטים הם כלי רב תכליתי המצוי ברחבי הנוף התעשייתי ביישומים כמו:

● מנועים - מנועים חשמליים מסתובבים מסתמכים על מגנטים הממירים בין אנרגיה מכנית לחשמלית באמצעות אינדוקציה אלקטרומגנטית. מנועים קטנים מניעים מכשירים ממאווררים לכוננים קשיחים.

● גנרטורים - גנרטורים של טורבינות מייצרים חשמל על ידי סיבוב מגנטים ליד סלילי תיל, תוך גרימת זרימת זרם.

● אחסון מגנטי - כונני דיסקים קשיחים כותבים נתונים על ידי הפיכת המגנטיזציה של תחומים זעירים בדיסק פרומגנטי.

● ריחוף - רכבות מגלב משתמשות במגנטים כדי לצוף מעל המסילה, ומבטלים חיכוך לנסיעה שקטה וחלקה.

● מכשירים רפואיים - מכשירי MRI מפעילים מגנטים מוליכים-על חזקים כדי לזהות שינויים בשדה המגנטי של הגוף לצורך הדמיה אבחנתית.

● מחקר - ספקטרומטרי מסה מכופפים חלקיקים טעונים עם שדות מגנטיים כדי לקבוע את המסה והמבנה הכימי שלהם.

● אנרגיה מתחדשת - מיסבים מגנטיים מייצבים את גלגלי התנופה, אוגרים אנרגיה קינטית שנקטפה ממקורות רוח או שמש.

ריחוף מגנטי

ריחוף מגנטי, או מגלב, משתמש במגנטים כדי לגרום לדברים לצוף! מגנטים מתרחקים זה מזה. אבל הגדרות מגנט ייחודיות יכולות ליצור ציפה יציבה.

רכבות מגלב מהירות כבר פועלות באסיה ובאירופה. ריחוף מעל המסילה אומר ללא חיכוך מגלגלים, כך שרכבות מגלב יכולות לעבור מעל 600 קמ"ש! ללא גלגלים או מיסבים, הם שקטים וחלקים יותר כדי להאיץ ולעצור. הם גם צורכים פחות אנרגיה מרכבות רגילות.

מגלב תקף ליותר מסתם רכבות! זה יכול לעזור לשגר חלליות, לייצר מאיצי חלקיקים, ליצור מיסבים ללא חיכוך ולעצור רעידות בבניינים. מהנדסים עדיין משפרים מגנטים חזקים במיוחד. זה עשוי לאפשר לרכבות מגלב לחבר ערים שלמות בעתיד.

הוספת עוד על איך מגלב עובד, שימושים בעולם האמיתי ואפשרויות עתידיות מסבירה את הרעיון המתקדם הזה בפשטות. תלמידים צעירים יכולים להבין רכבות צפות באמצעות כוחות מגנט חסרי חיכוך ולדמיין יישומים אחרים של הטכנולוגיה המגניבה הזו.

סיכום

ממגנטים זעירים למקרר ועד למגנטים באורך קילומטרים המניעים כורי היתוך, מגנטים חשובים לאין ערוך בחיי היומיום שלנו. הבנת התכונות הייחודיות של מגנטים ממשיכה לדרבן תגליות המובילות ליישומים חדשים. אזורים מתקדמים כמו ספינטרוניקה ומונופולים מגנטיים מכילים אפשרויות לדור הבא של אלקטרוניקה ואפילו מחשבים קוונטיים.

עם עוד הרבה מה להבין על היסודות הקוונטיים של מגנטיות, המחקר יחשוף עוד יותר את הפוטנציאל האדיר שלהם. יש עוד כל כך הרבה מה לגלות על מה התכונות של מגנטים יכולות לאפשר לנו להשיג.

שאלות נפוצות לגבי מאפיינים של מגנטים

מהן יחידות עוצמת השדה המגנטי?

חוזק השדה המגנטי נכמת באמפר למטר (A/m) או טסלות (T). טסלה אחת שווה ניוטון אחד לאמפר מטר. עוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ היא בסביבות 0.5 גאוס או 50 מיקרוטסל.

איך מחשבים שטף מגנטי?

השטף המגנטי דרך משטח מחושב על ידי הכפלת עוצמת השדה המגנטי, השטח הניצב והקוסינוס של הזווית.

באילו חומרים משתמשים במגנטים מוליכים?

מגנטים מוליכי-על משתמשים בדרך כלל במוליכי-על כמו ניוביום-טיטניום או סלילי ניוביום-פח המקוררים באמצעות הליום נוזלי. מוליכים חדשים יותר בטמפרטורה גבוהה מאפשרים צרכי קירור פחות קיצוניים עבור עוצמות שדה גבוהות.

מטא תיאור

חקור את העולם הכובש של מגנטים. למד על חומרים, תחומים, שדות ותכונות אחרות של מגנטים!