Magnetism și electromagnetism

Magneți naturali și artificiali

Printre minereurile de fier extrase pentru industria metalurgică se numără un minereu numit minereu de fier magnetic. Acest minereu are proprietatea de a atrage obiecte de fier la sine.

O bucată de astfel de minereu de fier se numește magnet natural, iar proprietatea de atracție pe care o prezintă este magnetismul.

În zilele noastre, fenomenul magnetismului este utilizat extrem de larg în diverse instalații electrice. Cu toate acestea, acum folosesc nu naturali, ci așa-numiții magneți artificiali.

Magneții artificiali sunt fabricați din oțeluri speciale. O bucată de astfel de oțel este magnetizată într-un mod special, după care capătă proprietăți magnetice, adică devine magnet permanent.

Forma magneților permanenți poate fi foarte diversă, în funcție de scopul lor.

Într-un magnet permanent, doar polii săi au forțe gravitaționale. Capătul orientat spre nord al magnetului este de acord să fie numit magnetul polului nord, iar capătul orientat spre sud este magnetul polului sud. Fiecare magnet permanent are doi poli: nord și sud. Polul nord al unui magnet este indicat cu litera C sau N, polul sud prin litera Yu sau S.

Magnetul atrage la sine fierul, oțelul, fonta, nichelul, cobaltul. Toate aceste corpuri sunt numite corpuri magnetice. Toate celelalte corpuri care nu sunt atrase de un magnet sunt numite corpuri nemagnetice.

Structura magnetului. Magnetizare

Fiecare corp, inclusiv cel magnetic, este format din cele mai mici particule - molecule. Spre deosebire de moleculele corpurilor nemagnetice, moleculele unui corp magnetic au proprietăți magnetice, reprezentând magneți moleculari. În interiorul unui corp magnetic, acești magneți moleculari sunt aranjați cu axele lor în direcții diferite, astfel încât corpul în sine nu prezintă nicio proprietăți magnetice. Dar dacă acești magneți sunt forțați să se rotească în jurul axelor lor, astfel încât polii lor nordi să se întoarcă într-o direcție și polii lor sud în cealaltă, atunci corpul va dobândi proprietăți magnetice, adică va deveni un magnet.

Procesul prin care un corp magnetic dobândește proprietățile unui magnet se numește magnetizare... În producerea magneților permanenți, magnetizarea se realizează cu ajutorul unui curent electric. Dar puteți magnetiza corpul într-un alt mod, folosind un magnet permanent obișnuit.

Dacă un magnet rectiliniu este tăiat de-a lungul unei linii neutre, atunci se vor obține doi magneți independenți, iar polaritatea capetelor magnetului va fi păstrată, iar poli opuși vor apărea la capete obținute ca urmare a tăierii.

Fiecare dintre magneții rezultați poate fi, de asemenea, împărțit în doi magneți și, indiferent cât de mult vom continua această diviziune, vom obține întotdeauna magneți independenți cu doi poli. Este imposibil să obțineți o bară cu un pol magnetic. Acest exemplu confirmă poziția conform căreia corpul magnetic este format din mulți magneți moleculari.

Corpurile magnetice diferă unele de altele prin gradul de mobilitate al magneților moleculari. Există corpuri care sunt rapid magnetizate și la fel de repede demagnetizate. În schimb, există corpuri care magnetizează lent, dar își păstrează proprietățile magnetice pentru o lungă perioadă de timp.

Deci fierul se magnetizează rapid sub acțiunea unui magnet extern, dar la fel de repede se demagnetizează, adică își pierde proprietățile magnetice atunci când magnetul este îndepărtat.Oțelul, după ce a fost magnetizat, își păstrează proprietățile magnetice pentru o lungă perioadă de timp, adică , devine un magnet permanent.

Proprietatea fierului de a magnetiza și demagnetiza rapid se explică prin faptul că magneții moleculari ai fierului sunt extrem de mobili, se rotesc cu ușurință sub influența forțelor magnetice externe, dar la fel de repede revin la poziția lor anterioară dezordonată atunci când corpul magnetizant este eliminat .

În fier, însă, o mică parte din magneți, și după îndepărtarea magnetului permanent, rămân încă ceva timp în poziția pe care o ocupau în momentul magnetizării. Prin urmare, după magnetizare, fierul păstrează proprietăți magnetice foarte slabe. Acest lucru este confirmat de faptul că, atunci când placa de fier a fost îndepărtată de pe polul magnetului, nu tot rumegușul a căzut de la capătul său - o mică parte a rămas atrasă de placă.

Proprietatea oțelului de a rămâne magnetizat timp îndelungat se explică prin faptul că magneții moleculari ai oțelului se rotesc cu greu în direcția dorită în timpul magnetizării, dar își păstrează poziția stabilă mult timp chiar și după îndepărtarea corpului de magnetizare.

Capacitatea unui corp magnetic de a prezenta proprietăți magnetice după magnetizare se numește magnetism rezidual.

Fenomenul de magnetism rezidual este cauzat de faptul că într-un corp magnetic există o așa-numită forță de întârziere care menține magneții moleculari în poziția pe care o ocupă în timpul magnetizării.

În fier, acțiunea forței de întârziere este foarte slabă, astfel încât se demagnetizează rapid și are foarte puțin magnetism rezidual.

Proprietatea fierului de a magnetiza și demagnetiza rapid este folosită pe scară largă în inginerie electrică. Este suficient să spunem că nucleele fiecăruia electromagneticele folosite la aparatele electrice sunt din fier special cu magnetism rezidual extrem de redus.

Oțelul are o mare putere de reținere, datorită căreia proprietatea magnetismului este păstrată în el. De aceea magneți permanenți sunt realizate din aliaje speciale de oțel.

Proprietățile magneților permanenți sunt afectate negativ de șoc, impact și fluctuații bruște de temperatură. Dacă, de exemplu, un magnet permanent este încălzit la roșu și apoi lăsat să se răcească, atunci își va pierde complet proprietățile magnetice. De asemenea, dacă supuneți un magnet permanent la șocuri, atunci forța sa de atracție va scădea semnificativ.

Acest lucru se explică prin faptul că la încălzire sau șocuri puternice, acțiunea unei forțe de întârziere este depășită și astfel dispunerea ordonată a magneților moleculari este perturbată. Prin urmare, magneții permanenți și dispozitivele cu magnet permanenți trebuie manipulați cu grijă.

Linii de forță magnetice. Interacțiunea polilor magneților

În jurul fiecărui magnet există un așa-numit camp magnetic.

Un câmp magnetic se numește spațiul în care forțele magnetice... Câmpul magnetic al unui magnet permanent este acea parte a spațiului în care acționează câmpurile unui magnet rectiliniu și forțele magnetice ale acestui magnet.

Forțele magnetice ale câmpului magnetic acționează în anumite direcții... Direcțiile de acțiune ale forțelor magnetice au convenit să fie numite linii de forță magnetice... Acest termen este utilizat pe scară largă în studiul ingineriei electrice, dar trebuie reținut că liniile magnetice de forță nu sunt materiale: acesta este un termen convențional introdus doar pentru a facilita înțelegerea proprietăților câmpului magnetic.

Forma câmpului magnetic, adică locația liniilor câmpului magnetic în spațiu depinde de forma magnetului însuși.

Liniile de câmp magnetic au o serie de proprietăți: sunt întotdeauna închise, nu se intersectează niciodată, tind să ia calea cea mai scurtă și se resping unele pe altele dacă îndreptează în aceeași direcție. Este general acceptat că liniile de forță ies de la polul nord a magnetului și intră în polul său sudic; în interiorul magnetului, au o direcție de la polul sud spre nord.

La fel ca polii magnetici se resping, spre deosebire de polii magnetici se atrag.

Este ușor să te convingi de corectitudinea ambelor concluzii în practică. Luați o busolă și aduceți la ea unul dintre polii unui magnet rectiliniu, de exemplu, polul nord. Veți vedea că săgeata își va întoarce instantaneu capătul sudic către polul nord al magnetului. Dacă rotiți rapid magnetul la 180 °, atunci acul magnetic se va întoarce imediat la 180 °, adică capătul său nordic va fi îndreptat spre polul sudic al magnetului.

Inductie magnetica. Flux magnetic

Forța de acțiune (atracție) a unui magnet permanent asupra unui corp magnetic scade pe măsură ce distanța dintre polul magnetului și acest corp crește. Un magnet prezintă cea mai mare forță de atracție direct la polii săi, adică exact acolo unde liniile de forță magnetică sunt situate cel mai dens. Îndepărtându-se de pol, densitatea liniilor de forță scade, ele se găsesc din ce în ce mai rar, odată cu aceasta, slăbește și forța de atracție a magnetului.

Astfel, forța de atracție a unui magnet în diferite puncte ale câmpului magnetic nu este aceeași și se caracterizează prin densitatea liniilor de forță. Pentru a caracteriza câmpul magnetic în diferitele sale puncte, se introduce o mărime numită inducție a câmpului magnetic.

Inducția magnetică a câmpului este numeric egală cu numărul de linii de forță care trec printr-o zonă de 1 cm2, situată perpendicular pe direcția lor.

Aceasta înseamnă că, cu cât este mai mare densitatea liniilor de câmp într-un anumit punct al câmpului, cu atât este mai mare inducția magnetică în acel punct.

Numărul total de linii de forță magnetice care trec prin orice regiune se numește flux magnetic.

Fluxul magnetic este notat cu litera F și este legat de inducția magnetică prin următoarea relație:

Ф = BS,

unde F este fluxul magnetic, V este inducția magnetică a câmpului; S este aria pătrunsă de un flux magnetic dat.

Această formulă este valabilă numai dacă aria S este perpendiculară pe direcția fluxului magnetic. În caz contrar, mărimea fluxului magnetic va depinde și de unghiul la care se află zona S, iar apoi formula va lua o formă mai complexă.

Fluxul magnetic al unui magnet permanent este determinat de numărul total de linii de forță care trec prin secțiunea transversală a magnetului.Cu cât fluxul magnetic al unui magnet permanent este mai mare, cu atât acest magnet este mai atractiv.

Fluxul magnetic al unui magnet permanent depinde de calitatea oțelului din care este fabricat magnetul, de mărimea magnetului în sine și de gradul de magnetizare a acestuia.

Permeabilitatea magnetică

Proprietatea unui corp de a permite fluxul magnetic prin el însuși se numește permeabilitate magnetică... Este mai ușor ca fluxul magnetic să treacă prin aer decât printr-un corp nemagnetic.

Pentru a putea compara diferite substanțe în funcție de acestea permeabilitatea magnetică, se obișnuiește să se considere permeabilitatea magnetică a aerului ca fiind egală cu unitatea.

Se numesc substanțe cu permeabilitate magnetică mai mică decât unitatea diamagnetică... Acestea includ cuprul, plumbul, argintul etc.

Aluminiu, platină, cositor etc. Au o permeabilitate magnetică puțin mai mare decât unitatea și se numesc substanțe paramagnetice.

Substantele cu o permeabilitate magnetica mult mai mare decat unu (masurata in mii) se numesc feromagnetice. Acestea includ nichel, cobalt, oțel, fier etc. Toate tipurile de dispozitive magnetice și electromagnetice și părți ale diferitelor mașini electrice sunt produse din aceste substanțe și aliajele lor.

De interes practic pentru tehnologiile de comunicare sunt aliajele speciale fier-nichel numite permaloid.