Järnfilter visar vackert upp de motsatta fälten i samma poler med två stångmagneter. Spencer Grant/Photographer's Choice RF/Getty Images Det hela började när vi handlade en magnet för en demonstration om flytande kropps rustning. Vi ville visa att ett magnetfält kan få vissa vätskor att bete sig som fasta ämnen. Tillsammans med petriskålarna och järnspån som vi behövde, Steve Spangler Science -katalogen hade en neodymmagnet som den beskrivs som "superstark". Vi beställde våra förnödenheter, i hopp om att magneten skulle vara tillräckligt kraftfull för att skapa en effekt vi kunde fånga på film.
Magneten förvandlade inte bara vår järn-och-oljevätska till ett fast ämne-ibland, dess drag på vätskan sprack petriskålen som höll den. En gång, magneten flög oväntat ur en videografers hand och in i en maträtt full av torra filningar, som krävde betydande uppfinningsrikedom att ta bort. Det fastnade också så fast vid undersidan av ett metallbord att vi var tvungna att använda en låstång för att hämta den. När vi bestämde att det skulle vara säkrare att ha magneten i en ficka mellan tagningarna, människor avvecklade en stund och fastnade vid bordet, en stege och studiodörren.
Runt kontoret, magneten blev ett föremål för nyfikenhet och föremål för improviserade experiment. Dess otroliga styrka och dess tendens att plötsligt och ljudligt hoppa från otrevliga grepp till närmaste metallyta fick oss att tänka. Vi visste alla grunderna i magneter och magnetism - magneter lockar specifika metaller, och de har norr och söder stolpar . Motsatta poler lockar varandra medan poler avvisar. Magnetiska och elektriska fält är relaterade, och magnetism, tillsammans med gravitationen och starka och svaga atomkrafter, är en av de fyra grundkrafterna i universum.
Men ingen av dessa fakta ledde till ett svar på vår mest grundläggande fråga. Vad är det som får en magnet att hålla fast vid vissa metaller? I förlängningen, varför håller de sig inte till andra metaller? Varför lockar eller stöter de bort varandra, beroende på deras positionering? Och vad är det som gör neodymmagneter så mycket starkare än de keramiska magneter som vi lekte med som barn?
Järnspån (höger) riktas in längs magnetfältlinjerna i en cylindrisk neodymmagnet. För att förstå svaren på dessa frågor, det hjälper till att ha en grundläggande definition av en magnet. Magneter är objekt som producerar magnetiska fält och attraherar metaller som järn, nickel och kobolt. Magnetfältets kraftlinjer lämna magneten från dess nordpol och gå in i dess sydpol. Permanent eller hård magneter skapar sitt eget magnetfält hela tiden. Temporär eller mjuk magneter producerar magnetfält när de är i närvaro av ett magnetfält och en kort stund efter att de har lämnat fältet. Elektromagneter producerar magnetfält endast när elektricitet passerar genom sina trådspolar.
Järnspån (höger) riktas in längs magnetfältlinjerna i en kubisk neodymmagnet. Tills nyligen, alla magneter var gjorda av metall element eller legeringar . Dessa material producerade magneter med olika styrkor. Till exempel:
Innehåll
Många av dagens elektroniska enheter kräver magneter för att fungera. Detta beroende av magneter är relativt nyligen, främst för att de flesta moderna enheter kräver magneter som är starkare än de som finns i naturen. Magnetit , en form av magnetit , är den starkaste naturligt förekommande magneten. Det kan locka till sig små föremål, som gem och häftklamrar.
Vid 1100 -talet, människor hade upptäckt att de kunde använda lodestone för att magnetisera järnbitar, skapa en kompass . Upprepade gånger gnugga lodsten längs en järnnål i en riktning magnetiserade nålen. Den skulle sedan anpassa sig i nord-sydlig riktning när den stängdes av. Så småningom, forskaren William Gilbert förklarade att denna nord-syd-inriktning av magnetiserade nålar berodde på att jorden uppförde sig som en enorm magnet med nord- och sydpolen.
En kompassnål är inte så stark som många av de permanentmagneter som används idag. Men den fysiska processen som magnetiserar kompassnålar och bitar av neodymlegering är i huvudsak densamma. Det förlitar sig på mikroskopiska regioner som kallas magnetiska domäner , som är en del av den fysiska strukturen av ferromagnetiska material , som järn, kobolt och nickel. Varje domän är i huvudsak en liten, fristående magnet med en nord- och sydpol. I ett omagnetiserat ferromagnetiskt material, var och en av nordpolerna pekar i slumpmässig riktning. Magnetiska domäner som är orienterade i motsatta riktningar avbryter varandra, så materialet producerar inte ett nettomagnetiskt fält.
I ett omagnetiserat ferromagnetiskt material, domäner pekar i slumpmässiga riktningar. I magneter, å andra sidan, de flesta eller alla magnetiska domäner pekar i samma riktning. Istället för att avbryta varandra, de mikroskopiska magnetfälten kombineras för att skapa ett stort magnetfält. Ju fler domäner pekar i samma riktning, desto starkare är det övergripande fältet. Varje domäns magnetfält sträcker sig från dess nordpol in i sydpolen av domänen framför det.
I en magnet, de flesta eller alla domäner pekar i samma riktning. Detta förklarar varför brytning av en magnet till hälften skapar två mindre magneter med nord- och sydpolen. Det förklarar också varför motsatta poler lockar - fältlinjerna lämnar nordpolen på en magnet och går naturligt in i en annan södra polen, skapar i huvudsak en större magnet. Liksom poler stöter bort varandra eftersom deras kraftlinjer rör sig i motsatta riktningar, kolliderar med varandra snarare än att flytta tillsammans.
Att ansluta nordpolen på en magnet till sydpolen på en annan magnet skapar i huvudsak en större magnet.
Järnfiltreringar sträcker sig längs magnetfältet hos fyra små magneter. Efter att magneten tagits bort, filerna kommer att fortsätta att ha sina egna svaga magnetfält. För att göra en magnet, allt du behöver göra är att uppmuntra de magnetiska domänerna i en metallbit att peka i samma riktning. Det är vad som händer när du gnuggar en nål med en magnet - exponeringen för magnetfältet uppmuntrar domänerna att anpassa sig. Andra sätt att justera magnetiska domäner i en metallbit inkluderar:
Två av dessa metoder finns bland vetenskapliga teorier om hur stenar formas i naturen. Vissa forskare spekulerar i att magnetit blir magnetisk när den träffas av blixtnedslag. Andra teoretiserar att bitar av magnetit blev magneter när jorden först bildades. Domänerna anpassade sig till jordens magnetfält medan järnoxid var smält och flexibel.
Den vanligaste metoden att göra magneter idag innebär att man placerar metall i ett magnetfält. Fältet anstränger sig vridmoment på materialet, uppmuntra domänerna att anpassa sig. Det är en liten försening, känd som hysteres , mellan tillämpningen av fältet och förändringen av domäner - det tar några ögonblick innan domänerna börjar röra sig. Här är vad som händer:
Den resulterande magnetens styrka beror på mängden kraft som används för att flytta domänerna. Dess beständighet, eller retentivitet , beror på hur svårt det var att uppmuntra domänerna att anpassa sig. Material som är svåra att magnetisera behåller i allmänhet sin magnetism under längre perioder, medan material som är lätta att magnetisera ofta återgår till sitt ursprungliga icke -magnetiska tillstånd.
Du kan minska en magnetstyrka eller avmagnetisera den helt genom att utsätta den för ett magnetfält som är inriktat i motsatt riktning. Du kan också avmagnetisera ett material genom att värma det över dess Curie poäng , eller temperaturen vid vilken den tappar sin magnetism. Värmen förvränger materialet och upphetsar de magnetiska partiklarna, vilket får domänerna att falla ur anpassning.
FraktmagneterStor, kraftfulla magneter har många industriella användningsområden, från att skriva data till att inducera ström i ledningar. Men frakt och installation av enorma magneter kan vara svårt och farligt. Inte bara kan magneter skada andra föremål under transport, de kan vara svåra eller omöjliga att installera vid ankomsten. Dessutom, magneter tenderar att samla en rad ferromagnetiska skräp, som är svår att ta bort och till och med kan vara farlig.
Av denna anledning, anläggningar som använder mycket stora magneter har ofta utrustning på plats som låter dem förvandla ferromagnetiska material till magneter. Ofta, enheten är i huvudsak en elektromagnet.
Läs mer
En förenklad bild av en atom, med en kärna och kretsande elektroner Om du har läst hur elektromagneter fungerar, du vet att en elektrisk ström som rör sig genom en tråd skapar ett magnetfält. Rörliga elektriska laddningar är också ansvariga för magnetfältet i permanenta magneter. Men en magnetfält kommer inte från en stor ström som går genom en tråd - den kommer från rörelsen av elektroner .
Många föreställer sig elektroner som små partiklar som kretsar runt en atoms kärnan hur planeter kretsar kring en sol. Som kvantfysiker för närvarande förklarar det, elektronernas rörelse är lite mer komplicerad än så. Väsentligen, elektroner fyller en atoms skalliknande orbitaler , där de beter sig som både partiklar och vågor. Elektronerna har a avgift och a massa , liksom en rörelse som fysiker beskriver som snurra i riktning uppåt eller nedåt. Du kan lära dig mer om elektroner i Hur atomer fungerar.
Rent generellt, elektroner fyller atomens orbitaler par . Om en av elektronerna i ett par snurrar uppåt, den andra snurrar nedåt. Det är omöjligt för båda elektronerna i ett par att snurra i samma riktning. Detta är en del av en kvantmekanisk princip som kallas Pauli -uteslutningsprincip .
Även om en atoms elektroner inte rör sig särskilt långt, deras rörelse är tillräckligt för att skapa ett litet magnetfält. Eftersom parade elektroner snurrar i motsatta riktningar, deras magnetfält avbryter varandra. Atomer av ferromagnetiska element, å andra sidan, har flera oparade elektroner som har samma snurr. Järn, till exempel, har fyra oparade elektroner med samma snurr. Eftersom de inte har några motstående fält för att avbryta deras effekter, dessa elektroner har en orbital magnetiskt moment . Magnetmomentet är a vektor - den har en storlek och riktning. Det är relaterat till både magnetfältets styrka och vridmomentet som fältet utövar. En hel magents magnetiska stunder kommer från ögonblicken i alla dess atomer.
En järnatom och dess fyra oparade elektroner I metaller som järn, det orbitala magnetmomentet uppmuntrar närliggande atomer att anpassa sig längs samma nord-syd-fältlinjer. Järn och andra ferromagnetiska material är kristallina. När de svalnar från ett smält tillstånd, grupper av atomer med parallell orbital spin snurrar upp inom kristallstrukturen. Detta bildar de magnetiska domäner som diskuterades i föregående avsnitt.
Du kanske har märkt att materialen som gör bra magneter är desamma som materialmagneterna lockar. Detta beror på att magneter lockar till sig material som har oparade elektroner som snurrar i samma riktning. Med andra ord, kvaliteten som förvandlar en metall till en magnet lockar också metallen till magneter. Många andra element är diamagnetisk - deras oparade atomer skapar ett fält som svagt stöter bort en magnet. Några material reagerar inte alls med magneter.
Denna förklaring och dess bakomliggande kvantfysik är ganska komplicerade, och utan dem kan tanken på magnetisk attraktion vara mystifierande. Så det är inte förvånande att människor har betraktat magnetiska material med misstänksamhet under mycket av historien.
MätmagneterDu kan mäta magnetfält med hjälp av instrument som gauss meter , och du kan beskriva och förklara dem med hjälp av många ekvationer. Här är några av grunderna:
Transrapid -tåg vid Emsland, Tyskland testanläggning Bild som används under GNU Free Documentation License Varje gång du använder en dator, du använder magneter. En hårddisk är beroende av magneter för att lagra data, och vissa bildskärmar använder magneter för att skapa bilder på skärmen. Om ditt hem har en dörrklocka, den använder förmodligen en elektromagnet för att driva en brusmakare. Magneter är också viktiga komponenter i CRT -tv, högtalare, mikrofoner, generatorer, transformatorer, elektriska motorer, inbrottslarm, kassettband, kompasser och bilhastighetsmätare.
Förutom deras praktiska användningsområden, magneter har många fantastiska egenskaper. De kan inducera ström i tråd och matningsmoment för elmotorer. Ett tillräckligt starkt magnetfält kan sväva små föremål eller till och med små djur. Maglev -tåg använder magnetisk framdrivning för att resa i höga hastigheter, och magnetiska vätskor hjälper till att fylla raketmotorer med bränsle. Jordens magnetfält, känd som magnetosfären , skyddar den från solvind . Enligt tidningen Wired, vissa människor implanterar till och med små neodymmagneter i fingrarna, så att de kan upptäcka elektromagnetiska fält [Källa:Wired].
Magnetic Resonance Imaging (MRI) -maskiner använder magnetfält för att låta läkare undersöka patienters inre organ. Läkare använder också pulserade elektromagnetiska fält för att behandla brutna ben som inte läkt korrekt. Den här metoden, godkänd av United States Food and Drug Administration på 1970 -talet, kan reparera ben som inte har svarat på annan behandling. Liknande pulser av elektromagnetisk energi kan hjälpa till att förhindra ben- och muskelförlust hos astronauter som befinner sig i miljöer med noll gravitation under längre perioder.
Magneter kan också skydda djurs hälsa. Kor är mottagliga för ett tillstånd som kallas traumatisk retikuloperikardit , eller hårdvarusjukdom , som kommer från att svälja metallföremål. Förtärda föremål kan punktera en kos mage och skada dess membran eller hjärta. Magneter är avgörande för att förhindra detta tillstånd. En övning innebär att man för en magnet över korens föda för att ta bort metallföremål. En annan är att mata magneter till korna. Lång, smala alnico -magneter, känd som ko -magneter , kan attrahera metallbitar och förhindra att de skadar koens mage. De intagna magneterna hjälper till att skydda korna, men det är fortfarande en bra idé att hålla matningsområdena fria från metallskräp. Människor, å andra sidan, ska aldrig äta magneter, eftersom de kan hålla ihop genom en persons tarmväggar, blockerar blodflödet och dödar vävnad. I människor, sväljna magneter kräver ofta operation för att ta bort.
Ko -magneter Foto med tillstånd av Amazon Vissa människor förespråkar användning av magnetterapi för att behandla en mängd olika sjukdomar och tillstånd. Enligt utövare, magnetiska innersulor, armband, halsband, madrasser och kuddar kan bota eller lindra allt från artrit till cancer. Vissa förespråkare föreslår också att intag av magnetiserat dricksvatten kan behandla eller förebygga olika sjukdomar. Amerikanerna spenderar uppskattningsvis 500 miljoner dollar per år på magnetiska behandlingar, och människor världen över spenderar cirka 5 miljarder dollar. [Källa:Winemiller via NCCAM].
Förespråkarna ger flera förklaringar till hur detta fungerar. En är att magneten lockar till sig järnet som finns i hemoglobin i blodet, förbättra cirkulationen till ett specifikt område. En annan är att magnetfältet på något sätt förändrar strukturen hos närliggande celler. Dock, vetenskapliga studier har inte bekräftat att användning av statiska magneter har någon effekt på smärta eller sjukdom. Kliniska prövningar tyder på att de positiva fördelarna som tillskrivs magneter faktiskt kan komma från tiden, ytterligare dämpning i magnetiska innersulor eller placeboeffekten. Dessutom, dricksvatten innehåller vanligtvis inte element som kan magnetiseras, vilket gör tanken på magnetiskt dricksvatten tveksam.
Vissa förespråkare föreslår också användning av magneter för att minska hårt vatten i hem. Enligt produkttillverkare, stora magneter kan minska nivån på hårt vatten genom att eliminera ferromagnetiska hårdvattenmineraler. Dock, de mineraler som generellt orsakar hårt vatten är inte ferromagnetiska. En tvåårig Consumer Reports-studie tyder också på att behandling av inkommande vatten med magneter inte förändrar mängden skalavlagring i en hushållsvattenberedare.
Även om magneter sannolikt inte kommer att avsluta kronisk smärta eller eliminera cancer, de är fortfarande fascinerande att studera.
Magnetiska stolparEn magnet kan ha flera nord- och sydpoler, och dessa poler förekommer alltid i par . Det kan inte finnas någon nordpol utan en motsvarande sydpol, ingen sydpol utan motsvarande norr.
Ursprungligen publicerat:2 apr. 2007
