Archwilio Priodweddau Rhyfeddol Magnetau

Beth yw priodweddau magnetau? Mae magnetau yn wrthrychau hynod. Gallant wthio neu dynnu ar bethau eraill heb gyffwrdd â nhw! Mae pobl wedi gwybod ammagnetauam filoedd o flynyddoedd. Yng Ngwlad Groeg hynafol, daeth pobl o hyd i greigiau rhyfeddol o'r enw lodestones a oedd yn gweithredu fel magnetau. Gallai'r creigiau droelli eu hunain i bwyntio tua'r gogledd a'r de, gan leinio â maes magnetig y ddaear.

Heddiw, mae magnetau'n cael eu defnyddio mewn llawer o bethau rydyn ni'n eu defnyddio bob dydd. Mae llawer mwy i'w ddarganfod o hyd ynghylch priodweddau magnetau a sut y gallwn eu defnyddio.

Deunyddiau Magnetig

Mae pob peth yn y byd yn dangos rhyw fath o fagnetiaeth. Ond mae cryfder y magnetedd yn wahanol iawn rhwng pethau. Yn seiliedig ar briodweddau magnetau, mae gennym bum grŵp mawr: ferromagnetig, paramagnetig, diamagnetig, ferrimagnetig, ac antiferromagnetic.

Mae pethau ferromagnetig fel haearn, cobalt, a nicel yn dangos y magnetedd cryfaf. Gall eu strwythur bach esbonio eu tyniad cryf tuag at feysydd magnetig. Mae gan yr atomau mewn pethau fferromagnetig electronau heb eu hail sy'n pwyntio i'r un cyfeiriad o fewn ardaloedd a elwir yn barthau magnetig. Mae'r pwyntio hwn i'r un cyfeiriad yn cynyddu'r maes magnetig ac yn gwneud magnet parhaol.

Mae pethau paramagnetig fel alwminiwm a phlatinwm hefyd yn cael eu tynnu tuag at feysydd magnetig, ond mae'r grym yn llawer gwannach nag mewn pethau ferromagnetig. Mae'r electronau heb eu cyfateb mewn atomau paramagnetig yn pwyntio i gyfeiriad maes cymhwysol ond nid ydynt yn cadw unrhyw fagneteiddio unwaith y bydd y cae wedi'i dynnu.

Mae pethau diamagnetig fel copr ac aur yn dangos gwthiad gwan i ffwrdd o feysydd magnetig. Pan gânt eu rhoi mewn maes allanol, mae eu hatomau yn gwneud maes magnetig anwythol i'r cyfeiriad arall. Fodd bynnag, nid oes ganddynt deupolau atomig parhaol.

Mae pethau fferrimagnetig yn dangos trefn magnetig gymhleth lle mae electronau atomau heb eu hail ar delltau gwahanol yn gwrthwynebu ei gilydd, fel mewn gwrthfferromagnedau. Ond mae ferrimagnets yn cadw magnetization parhaol gan fod yr electronau gwrthgyferbyniol yn anghyfartal. Mae ferrites fel magnetit yn bethau fferromagnetig bob dydd.

Tabl 1: Deunyddiau Magnetig

Parthau Magnetig

Mae gan yr holl ddeunyddiau fferromagnetig fagnetau bach y tu mewn iddynt a elwir yn deupolau atomig. Mae'r magnetau bach hyn fel arfer yn pwyntio i gyfeiriadau ar hap, felly maen nhw'n canslo ei gilydd. Mae hyn yn golygu nad oes gan y deunydd magnetedd cyffredinol pan gaiff ei adael ar ei ben ei hun. Ond pan gaiff y deunydd ei fagneteiddio, mae'r magnetau bach y tu mewn yn cyd-fynd!

Mae magneteiddio'n digwydd pan fydd grwpiau o atomau o'r enw parthau magnetig yn cael eu magnetau bach i bwyntio'r un ffordd. Mae'r magnetau bach yn pwyntio at ei gilydd y tu mewn i bob parth oherwydd eu bod wedi'u cysylltu'n gryf. Ond bydd parthau gwahanol yn pwyntio i gyfeiriadau ar hap cyn i magnetization ddigwydd.

Gall grymoedd allanol fel meysydd magnetig wneud i'r parthau dyfu a llinellu eu magnetau bach. Mae hyn yn gwneud magnet parhaol. Mae gwresogi defnydd hefyd yn rhoi egni i'r magnetau bach i symud o gwmpas. Mae hyn yn gadael i barthau leinio eu magnetau bach.

Mae pethau eraill sy'n effeithio ar sut mae parthau magnetau bach yn cael eu trefnu yn cynnwys straen, ffiniau grawn, amhureddau, a meysydd dadfagneteiddio. Mae cryfder magnet yn dibynnu ar faint o barthau sy'n cael eu magnetau bach i gyd-fynd a pha mor dda y maent yn gwrthsefyll grymoedd allanol sy'n ceisio eu llanast.

Meysydd Magnetig

Mae magnetau yn gwneud ardaloedd anweledig o'u cwmpas a elwir yn feysydd magnetig. Y fflwcs magnetig yw'r gofod o amgylch magnet lle gallwch chi deimlo ei rym. I weld y fflwcs magnetig, rydym yn tynnu llinellau maes magnetig. Mae mwy o linellau yn golygu maes magnetig cryfach. Daw'r llinellau allan o begwn gogleddol y magnet ac maent yn troi o gwmpas i begwn y de.

Mae meysydd magnetig yn digwydd pan fydd gwefrau trydan bach yn symud o gwmpas. Y tu mewn i atomau, mae'r electronau'n troelli ac yn mynd o gwmpas mewn orbitau. Mae pob atom yn fagnet bach gyda'i bolion gogleddol a deheuol ei hun. Mewn deunyddiau magnetig, mae'r magnetau bach mewn parthau yn cyd-fynd. Mae hyn yn cyfuno eu holl feysydd magnetig i wneud un maes magnetig mawr yn pwyntio un ffordd. Dyma sut mae magnetau parhaol yn cael meysydd magnetig mor gryf.

Mae'r maes magnetig anweledig yn gryfach ac yn agosach at y magnet. Mae'n mynd yn wannach wrth i chi symud ymhellach i ffwrdd. Mae gan fagnetau llai feysydd magnetig llai a gwannach. Mae gan fagnetau mwy feysydd magnetig mwy a chryfach.

Pwyliaid Magnetig

Mae gan fagnetau bolion gogledd a de. Mae'r rhain yn feysydd lle mae'r grym magnetig cryfaf. Mae polion cyferbyn yn denu ei gilydd. Mae pegynau'r gogledd a'r de yn glynu wrth ei gilydd. Mae'r un polion yn gwthio i ffwrdd oddi wrth ei gilydd. Mae dau begwn gogledd neu ddau begwn de yn gwrthyrru ac yn gwthio ar wahân.

Mae hyn yn digwydd oherwydd y ffordd y mae llinellau maes magnetig anweledig yn llifo. Mae'r llinellau'n mynd o begwn y gogledd i begwn y de y tu mewn i'r magnet. Ar y lefel atomig, mae gan bob magnet bach y tu mewn linellau maes magnetig sy'n llifo o'r gogledd i'r de. Mewn magnet, mae'r holl fagnetau bach yn llinellu eu meysydd magnetig.

Magnetau Parhaol

Er bod rhai deunyddiau fel haearn yn naturiol magnetig, mae magnetau parhaol yn aml yn cael eu cynhyrchu'n artiffisial trwy magnetization. Mae haearn, nicel, cobalt, neu aloion fel arfer yn gwneud y magnetau parhaol gorau.

Mae magneteiddio yn golygu datgelu'r deunydd i faes magnetig allanol cryf o electromagnet neu fagnet parhaol arall. Mae hyn yn achosi i'r parthau magnetig dyfu ac alinio â'r maes allanol, gan gynhyrchu magnet parhaol cryf. Mae magnetau caled yn gwrthsefyll demagnetization, tra bod magnetau meddal yn colli eu magnetedd yn haws.

Mae cryfder magnet parhaol yn cyd-fynd â'i orfodaeth, dwyster y cae sydd ei angen i'w ddadfagneteiddio. Gall deunyddiau gorfodol uchel wneud magnetau parhaol pwerus ond maent yn fwy heriol i'w magneteiddio i ddechrau. Mae'r dwysedd fflwcs magnetig mwyaf neu magnetization dirlawnder a magnetization gweddilliol hefyd yn effeithio ar gryfder y magnet.

Electromagnetau

Yn ogystal â magnetau parhaol, mae electromagnetau yn defnyddio cerrynt trydan i ysgogi magnetedd dros dro. Pan fydd cerrynt trydan yn mynd trwy wifren dorchog, mae'n cynhyrchu maes magnetig yn gyfochrog ag echelin y coil. Mae cryfder y cae yn cynyddu gyda mwy o ddolenni a cherrynt uwch.

Mae'r deunydd y tu mewn i'r coil hefyd yn bwysig. Mae haearn meddal yn gwneud y maes magnetig yn gryfach. Gall haearn wneud lifft electromagnet 100 gwaith yn fwy. Ond mae haearn hefyd yn arafu pa mor gyflym y mae'r magnet yn ymateb.

Mae angen pŵer ar electromagnetau i aros yn magnetig. Nid yw magnetau parhaol yn gwneud hynny. Ond gall electromagnetau droi ymlaen ac i ffwrdd yn gyflym. Gall eu pŵer newid yn syth, hefyd. Mae hyn yn eu gwneud yn addas ar gyfer codi haearn trwm a sganiau MRI sydd angen newid meysydd magnetig.

Cryfder Magnetig a Moment Magnetig

Mae pa mor magnetig yw rhywbeth yn dibynnu ar faint o fagnetedd sy'n digwydd ger maes magnetig. Gelwir pa mor dda y mae'n cyd-fynd â'r maes magnetig yn foment magnetig. Mae hyn yn dibynnu ar flociau adeiladu bach y defnydd a elwir yn atomau, yn bennaf electronau sydd ar eu pen eu hunain ac nid mewn parau. Mae'r rhain yn gweithredu fel magnetau bach.

Gall magnet cryf ddal llawer o bŵer magnetig yn llifo trwyddo. Gelwir hyn yn magnetization dirlawnder. Mae magnet cryf yn cadw mwy o'i magnetedd pan fydd y maes allanol yn diflannu. Gelwir hyn yn remanence. Daw magnetedd o electronau'n nyddu ac yn cylchdroi. Felly mae rheolau ffiseg cwantwm bach yn rheoli cryfder magnetig.

Priodweddau Magnetig

Mae nifer o briodweddau sylfaenol magnetau yn helpu i nodweddu perfformiad magnetig:

● Magneteiddio Dirlawnder: Y dwysedd fflwcs magnetig mwyaf posibl y gall deunydd ei gynhyrchu mewn maes cymhwysol. Wedi'i fesur yn Teslas.

● Remanence: Y magnetization sy'n weddill pan fydd y maes gyrru yn cael ei ddileu. Faint o fagnetedd sydd ar ôl?

● Coercively: Y cryfder maes magnetig gwrthdro sydd ei angen i ddadfagneteiddio'r deunydd yn ôl i sero. Yn gwrthsefyll dadfagneteiddio.

● Athreiddedd: Y gallu i gefnogi ffurfio maes magnetig ynddo'i hun. Mae athreiddedd uchel yn canolbwyntio fflwcs magnetig.

● Hysteresis: Tuedd i gadw magnetedd gosodedig. Mae deunyddiau â hysteresis sylweddol yn gwneud magnetau parhaol effeithiol.

Mae optimeiddio priodweddau magnetau yn hanfodol wrth ddewis y deunydd magnetig addas ar gyfer cais penodol, p'un a yw'n cyflawni'r cryfder maes parhaol uchaf neu'n gwneud y mwyaf o newidiadau fflwcs cildroadwy.

Hysteresis Magnetig

Gall magnetau weithredu mewn ffyrdd cyffrous! Mae magnetau'n arddangos ffenomen o'r enw hysteresis. Mae eu magnetization yn dilyn llwybr gwahanol bob tro y byddwch chi'n beicio'r maes magnetig allanol. Mae'r union lwybr yn dibynnu ar hanes blaenorol y magnet o fagneteiddio.

Gallwch weld hyn pan fyddwch yn plotio sut mae'r dwysedd fflwcs magnetig B yn newid wrth i'r maes magnetig cymhwysol H newid. Mae'r plot hwn yn gwneud dolen o'r enw dolen hysteresis.

Ar y dechrau, mae'r rhanbarthau magnetig bach yn y magnet a elwir yn barthau yn cyd-fynd yn araf wrth i chi gynyddu H. Unwaith y byddant i gyd wedi'u leinio, nid yw cynnydd pellach yn H bellach yn newid B. Yna, pan fyddwch yn lleihau H, mae B yn dilyn cromlin wahanol. Pan fydd H yn sero, mae rhywfaint o fagneteiddio yn weddill o'r parthau alinio. Mae angen i chi gymhwyso maes magnetig i'r cyfeiriad arall i ddod â'r magnetization yn ôl i sero.

Mae'r ardal y tu mewn i'r ddolen hysteresis yn dangos egni a gollwyd wrth i'r parthau newid pob cylchred. Mae gan magnetau caled ddolenni eang a cholledion ynni sylweddol. Mae siâp y ddolen hefyd yn dweud wrthych am briodweddau'r magnet, fel pa mor dda y mae'n aros yn magnetized a pha mor anodd yw dadmagneteiddio.

Effeithiau Tymheredd

Gall ynni gwres effeithio ar sut mae magnetau'n ymddwyn! Wrth i'r tymheredd gynyddu, mae'r rhanbarthau magnetig bach wedi'u halinio mewn magnet o'r enw parthau yn cael eu jiglo o gwmpas gan yr egni gwres. Mae hyn yn gwneud i'r magnetization fynd i lawr. Ar dymheredd Curie uchel, mae'r egni gwres yn gwneud llanast o'r drefn magnetig, ac mae'r magnetedd parhaol yn diflannu'n llwyr.

Mae pa mor hawdd yw hi i fagnet golli ei fagneteiddio yn dibynnu ar ei dymheredd Curie. Y tymheredd Curie uchaf o unrhyw elfen pur yw haearn ar 1043 K. Mae ychwanegu pethau fel nicel a chobalt i wneud aloion yn codi pwynt Curie yn uwch. Mae magnetau parhaol sy'n gwrthsefyll gwres yn gadael ichi ddefnyddio magnetau mewn cymwysiadau fel generaduron a moduron.

Mae oeri magnetau o dan y pwynt Curie yn gwneud i'r magnetization fynd i fyny eto. Dim ond ar dymheredd oer y mae electromagnetau uwchddargludol yn gweithio lle mae gwrthiant trydanol yn diflannu i wneud meysydd magnetig pwerus, parhaol.

Tabl 2: Effeithiau Tymheredd ar Magnetedd

Cymwysiadau Magnetig

Mae magnetau yn offeryn amlbwrpas a geir ar draws y dirwedd ddiwydiannol mewn cymwysiadau fel:

● Motors - Mae moduron trydan nyddu yn dibynnu ar magnetau sy'n trosi rhwng ynni mecanyddol a thrydanol trwy anwythiad electromagnetig. Mae moduron bach yn gyrru dyfeisiau o gefnogwyr i yriannau caled.

● Generaduron - Mae generaduron tyrbin yn cynhyrchu trydan trwy gylchdroi magnetau ger coiliau gwifren, gan achosi llif cerrynt.

● Storio magnetig - Mae gyriannau disg caled yn ysgrifennu data trwy fflipio magneteiddio parthau bach ar ddisg ferromagnetig.

● Levitation - Mae trenau Maglev yn defnyddio magnetau i arnofio uwchben y trac, gan ddileu ffrithiant ar gyfer teithio tawel, llyfn.

● Dyfeisiau meddygol - mae peiriannau MRI yn defnyddio magnetau uwch-ddargludo cryf i ganfod newidiadau ym maes magnetig y corff ar gyfer delweddu diagnostig.

● Ymchwil - Mae sbectromedrau màs yn plygu gronynnau wedi'u gwefru â meysydd magnetig i bennu eu màs a'u strwythur cemegol.

● Ynni adnewyddadwy - Mae Bearings magnetig yn sefydlogi olwynion hedfan, gan storio ynni cinetig a gynaeafir o ffynonellau gwynt neu solar.

Levitation Magnetig

Mae codiad magnetig, neu maglev, yn defnyddio magnetau i wneud i bethau arnofio! Magnetau gwthio i ffwrdd oddi wrth ei gilydd. Ond gall setiau magnet unigryw wneud arnofio sefydlog.

Mae trenau maglev cyflym eisoes yn rhedeg yn Asia ac Ewrop. Mae arnofio uwchben y trac yn golygu dim ffrithiant oddi ar olwynion, fel y gall trenau maglev fynd dros 600 km/awr! Heb unrhyw olwynion na Bearings, maent yn dawelach ac yn llyfnach i gyflymu a stopio. Maent hefyd yn defnyddio llai o ynni na threnau arferol.

Mae Maglev yn ddilys ar gyfer mwy na threnau yn unig! Gallai helpu i lansio llong ofod, gwneud cyflymyddion gronynnau, creu berynnau di-ffrithiant, ac atal dirgryniadau mewn adeiladau. Mae peirianwyr yn dal i wella magnetau uwch-gryf. Efallai y bydd hyn yn gadael i drenau maglev gysylltu dinasoedd cyfan yn y dyfodol.

Mae ychwanegu mwy am sut mae maglev yn gweithio, defnyddiau'r byd go iawn, a phosibiliadau'r dyfodol yn esbonio'r cysyniad datblygedig hwn yn syml. Gall myfyrwyr ifanc ddeall trenau arnofio trwy rymoedd magnet di-ffrithiant a dychmygu cymwysiadau eraill o'r dechnoleg oer hon.

Casgliad

O fagnetau oergell bach i fagnetau milltir o hyd sy'n pweru adweithyddion ymasiad, mae magnetau yn amhrisiadwy yn ein bywydau bob dydd. Mae deall priodweddau unigryw magnetau yn parhau i sbarduno darganfyddiadau sy'n arwain at gymwysiadau newydd. Mae meysydd blaengar fel spintronics a monopoles magnetig yn cynnig posibiliadau ar gyfer electroneg cenhedlaeth nesaf a hyd yn oed cyfrifiaduron cwantwm.

Gyda llawer i'w ddeall o hyd am sylfeini cwantwm magnetedd, bydd ymchwil yn datgelu eu potensial aruthrol ymhellach. Mae llawer mwy i'w ddarganfod o hyd am yr hyn y gall priodweddau magnetau ein galluogi i'w gyflawni.

Cwestiynau Cyffredin am Priodweddau Magnetau

Beth yw'r unedau cryfder maes magnetig?

Mae cryfder maes magnetig yn cael ei fesur mewn amperau fesul metr (A/m) neu teslas (T). Mae un tesla yn hafal i un newton fesul metr ampere. Cryfder maes magnetig y ddaear yw tua 0.5 gauss neu 50 microteslas.

Sut ydych chi'n cyfrifo fflwcs magnetig?

Mae'r fflwcs magnetig trwy arwyneb yn cael ei gyfrifo trwy luosi cryfder y maes magnetig, yr ardal berpendicwlar, a chosin yr ongl.

Pa ddeunyddiau a ddefnyddir mewn magnetau uwch-ddargludo?

Mae magnetau uwch-ddargludo fel arfer yn defnyddio uwch-ddargludyddion fel coiliau niobium-titanium neu niobium-tun wedi'u hoeri gan heliwm hylif. Mae uwch-ddargludyddion tymheredd uchel mwy newydd yn caniatáu anghenion oeri llai eithafol ar gyfer cryfderau maes uchel.

Disgrifiad Meta

Archwiliwch fyd hudolus magnetau. Dysgwch am ddeunyddiau, parthau, caeau, a phriodweddau eraill magnetau!