NộI Dung
- Từ trường là gì?
- Nam châm vĩnh cửu
- Nam châm lớn có lực từ mạnh không?
- Nhiệt độ Curie là gì?
- Nam châm điện
- Công dụng của nam châm điện
- Sự kiện từ tính thú vị
Nhiều người quen thuộc với nam châm vì họ thường có nam châm trang trí trên tủ lạnh nhà bếp. Tuy nhiên, nam châm có nhiều mục đích thực tế ngoài việc trang trí, và nhiều ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta mà chúng ta không hề biết.
Có rất nhiều câu hỏi về cách nam châm hoạt động, và các câu hỏi từ tính chung khác. Tuy nhiên, để trả lời hầu hết các câu hỏi này và để hiểu làm thế nào các nam châm khác nhau có thể có cường độ từ trường khác nhau, điều quan trọng là phải hiểu từ trường là gì và nó được tạo ra như thế nào.
Từ trường là gì?
Từ trường là một lực tác dụng lên một hạt tích điện và phương trình chi phối cho tương tác này là Luật Lorentz. Phương trình đầy đủ cho lực của một điện trường E và một từ trường B trên một hạt có điện tích q và vận tốc v được đưa ra bởi:
vec {F} = q vec {E} + q vec {v} lần vec {B}.Hãy nhớ rằng bởi vì lực lượng ĐỤ, nhữn cánh đồng E và Bvà vận tốc v là tất cả các vectơ, × hoạt động là sản phẩm chéo vector, không nhân lên.
Từ trường được tạo ra bằng cách di chuyển các hạt tích điện, thường được gọi là dòng điện. Các nguồn từ trường phổ biến từ dòng điện là nam châm điện, chẳng hạn như một dây đơn giản, một dây trong một vòng lặp và một vài vòng dây trong một chuỗi được gọi là một điện từ. Từ trường của trái đất cũng được gây ra bởi sự di chuyển các hạt tích điện trong lõi.
Tuy nhiên, những nam châm trên tủ lạnh của bạn dường như không có bất kỳ dòng chảy hoặc nguồn năng lượng nào. Làm thế nào để làm việc?
Nam châm vĩnh cửu
Một nam châm vĩnh cửu là một phần của vật liệu sắt từ có một thuộc tính nội tại tạo ra từ trường. Hiệu ứng nội tại tạo ra từ trường là một spin electron và sự liên kết của các spin này tạo ra các miền từ tính. Những miền này dẫn đến một từ trường ròng.
Các vật liệu sắt từ có xu hướng có thứ tự miền cao ở dạng xuất hiện tự nhiên, có thể dễ dàng được căn chỉnh hoàn toàn bởi một từ trường bên ngoài. Do đó, nam châm sắt từ có xu hướng từ tính khi được tìm thấy trong tự nhiên và dễ dàng giữ lại các tính chất từ của chúng.
Vật liệu từ tính tương tự như vật liệu sắt từ và có thể tạo ra từ trường khi được tìm thấy trong tự nhiên, nhưng phản ứng với các trường bên ngoài khác nhau. Vật liệu từ tính sẽ tạo ra một từ trường có định hướng ngược lại với sự có mặt của một trường bên ngoài. Hiệu ứng này có thể hạn chế cường độ mong muốn của nam châm.
Vật liệu từ tính chỉ có từ tính với sự có mặt của từ trường bên ngoài, thẳng hàng và có xu hướng khá yếu.
Nam châm lớn có lực từ mạnh không?
Như đã đề cập, nam châm vĩnh cửu bao gồm các miền từ tính được sắp xếp ngẫu nhiên. Trong mỗi miền, có một số mức độ đặt hàng tạo ra từ trường. Do đó, sự tương tác của tất cả các miền trong một mảnh vật liệu sắt từ do đó tạo ra từ trường tổng thể, hoặc ròng, cho nam châm.
Nếu các miền được căn chỉnh ngẫu nhiên, có khả năng có thể có một từ trường rất nhỏ hoặc hiệu quả bằng không. Tuy nhiên, nếu một từ trường bên ngoài được đưa đến gần nam châm không có thứ tự, các miền sẽ bắt đầu căn chỉnh. Khoảng cách của trường căn chỉnh đến các miền sẽ ảnh hưởng đến sự liên kết tổng thể, và do đó từ trường ròng kết quả.
Để vật liệu sắt từ trong từ trường bên ngoài trong một thời gian dài có thể giúp hoàn thành việc đặt hàng và tăng từ trường được sản xuất. Tương tự, từ trường ròng của một nam châm vĩnh cửu có thể được giảm bằng cách đưa vào một số từ trường ngẫu nhiên hoặc gây nhiễu, có thể làm sai lệch các miền và giảm từ trường ròng.
Có kích thước của một nam châm ảnh hưởng đến sức mạnh của nó? Câu trả lời ngắn gọn là có, nhưng chỉ vì kích thước của nam châm có nghĩa là có nhiều miền tương ứng có thể sắp xếp và tạo ra từ trường mạnh hơn so với một mảnh nhỏ hơn của cùng một vật liệu. Tuy nhiên, nếu chiều dài của nam châm rất dài, có nhiều khả năng các từ trường đi lạc sẽ làm sai lệch các miền và làm giảm từ trường ròng.
Nhiệt độ Curie là gì?
Một yếu tố góp phần khác của sức mạnh nam châm là nhiệt độ. Năm 1895, nhà vật lý người Pháp Pierre Curie đã xác định rằng các vật liệu từ tính có sự cắt nhiệt độ tại điểm mà tính chất từ của chúng có thể thay đổi. Cụ thể, các miền không còn phù hợp nữa, do đó việc căn chỉnh miền tuần dẫn đến từ trường ròng yếu.
Đối với sắt, nhiệt độ Curie vào khoảng 1418 độ F. Đối với từ tính, nó là khoảng 1060 độ F. Lưu ý rằng những nhiệt độ này thấp hơn đáng kể so với điểm nóng chảy của chúng. Do đó, nhiệt độ của nam châm có thể ảnh hưởng đến sức mạnh của nó.
Nam châm điện
Một loại nam châm khác là nam châm điện, về cơ bản là nam châm có thể bật và tắt.
Nam châm điện phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau là một điện từ. Một điện từ là một chuỗi các vòng hiện tại, dẫn đến một trường đồng nhất ở trung tâm của các vòng. Điều này là do thực tế là mỗi vòng dây hiện tại riêng lẻ tạo ra một từ trường tròn về dây. Bằng cách đặt một số trong chuỗi, sự chồng chất của từ trường tạo ra một trường đồng nhất, thẳng qua tâm của các vòng.
Phương trình cho độ lớn của từ trường điện từ chỉ đơn giản là: B =0tôi, Ở đâu μ0 _là tính thấm của không gian trống, _n là số vòng lặp hiện tại trên mỗi đơn vị chiều dài và Tôi là dòng điện đang chảy qua chúng. Hướng của từ trường được xác định theo quy tắc bàn tay phải và hướng của dòng chảy, và do đó có thể đảo ngược bằng cách đảo ngược hướng của dòng điện.
Rất dễ dàng để thấy rằng cường độ của một điện từ có thể được điều chỉnh theo hai cách chính. Đầu tiên, dòng điện thông qua điện từ có thể được tăng lên. Mặc dù có vẻ như dòng điện có thể tăng tùy ý, nhưng có thể có những hạn chế về nguồn điện hoặc điện trở của mạch, điều này có thể dẫn đến thiệt hại nếu dòng điện bị quá tải.
Do đó, một cách an toàn hơn để tăng cường độ từ tính của điện từ là tăng số vòng lặp hiện tại. Từ trường rõ ràng tăng tỷ lệ thuận. Giới hạn duy nhất trong trường hợp này có thể là số lượng dây có sẵn hoặc giới hạn không gian nếu điện từ quá dài do số vòng lặp hiện tại.
Có nhiều loại nam châm điện ngoài solenoids, nhưng tất cả đều có chung tính chất: Sức mạnh của chúng tỷ lệ thuận với dòng chảy hiện tại.
Công dụng của nam châm điện
Nam châm điện có mặt khắp nơi và có nhiều công dụng. Một ví dụ phổ biến và rất đơn giản của nam châm điện, cụ thể là điện từ, là loa. Dòng điện thay đổi qua loa làm cho cường độ của từ trường điện từ tăng và giảm.
Khi điều này xảy ra, một nam châm khác, cụ thể là một nam châm vĩnh cửu, được đặt ở một đầu của điện từ và chống lại một bề mặt rung. Khi hai từ trường thu hút và đẩy lùi do từ trường thay đổi, bề mặt rung được kéo và đẩy tạo ra âm thanh.
Loa chất lượng tốt hơn sử dụng solenoids chất lượng cao, nam châm vĩnh cửu và bề mặt rung để tạo ra âm thanh chất lượng cao hơn.
Sự kiện từ tính thú vị
Nam châm kích thước lớn nhất trên thế giới là chính trái đất! Như đã đề cập, trái đất có từ trường là do dòng điện được tạo ra với lõi của trái đất. Mặc dù nó không phải là một từ trường rất mạnh so với nhiều nam châm cầm tay nhỏ hoặc từng được sử dụng trong máy gia tốc hạt, nhưng trái đất lại là một trong những nam châm lớn nhất mà chúng ta biết đến!
Một vật liệu từ tính thú vị khác là từ tính. Magnetite là một loại quặng sắt không chỉ rất phổ biến mà còn là khoáng chất có hàm lượng sắt cao nhất. Đôi khi nó được gọi là lodestone, do đặc tính duy nhất của nó là có từ trường luôn luôn thẳng hàng với từ trường của trái đất. Do đó, nó được sử dụng như một la bàn từ tính vào đầu năm 300 trước Công nguyên.