Μαγνήτες: Τι, Τύποι, Σημαντικά γεγονότα που πρέπει να γνωρίζουν οι αρχάριοι

Περιεχόμενα

  • Ιστορία των μαγνητών
  • Τύποι μαγνητικών υλικών
  • Διαγνωστικά υλικά
  • Παραμαγνητικά υλικά
  • Σιδηρομαγνητικά υλικά
  • Τύποι μαγνητών
  • Σκληροί μαγνήτες και Μαλακοί μαγνήτες
  • Μόνιμος μαγνήτης και ηλεκτρομαγνήτης
  • Εφαρμογές ηλεκτρομαγνητών

Ιστορία των μαγνητών

Από τα αρχικά πέτρες (ή μαγνητίτη), οι άνθρωποι πήραν μια ιδέα για τη λειτουργία μαγνητών, οι οποίοι είναι μαγνητισμένα κομμάτια σιδηρομεταλλεύματος που βρίσκονται στη φύση. Η λέξη μαγνήτης προήλθε από τα ελληνικά, από τη γη που ονομάζεται «Μαγνησία», ένα μέρος της αρχαίας Ελλάδας όπου βρέθηκαν στέγες. Μέχρι το τέλος του 12ου αιώνα μ.Χ., μαγνήτες χρησιμοποιήθηκαν και μαγνητικές πυξίδες κατασκευάστηκαν και χρησιμοποιήθηκαν στην πλοήγηση σε διάφορα μέρη του κόσμου, όπως η Κίνα, η Ευρώπη κ.λπ.

είδος μαγνήτου
Ένας μόνιμος μαγνήτης που απαντάται στη φύση: οροφή (μαύρο)
Πιστωτική εικόνα: Teravolt (ομιλία), Lodestone (μαύρο)CC-BY 3.0

Βασικά, οι μαγνήτες είναι υλικό που παράγει μαγνητικά πεδία. Οι φυσικοί Curie και Faraday παρατήρησαν ότι σχεδόν όλα τα υλικά έχουν ορισμένες μαγνητικές ιδιότητες και σύμφωνα με τη μαγνητική τους συμπεριφορά τα διαιρέθηκαν σε τρεις κατηγορίες:

  • Διαγνωστικά υλικά
  • Παραμαγνητικά υλικά
  • Σιδηρομαγνητικά υλικά

Τύποι μαγνητών:

Σκληρά μαγνητικά υλικά: 

Οι σκληροί μαγνήτες είναι γενικά σιδηρομαγνητικά υλικά που έχουν την ικανότητα να διατηρούν τον μαγνητισμό για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα, δηλαδή το υλικό θα πρέπει να έχει υψηλή συγκράτηση.

Οι σκληροί μαγνήτες πρέπει επίσης να έχουν υψηλό βαθμό καταναγκασμός, δηλαδή μόνο ένα μεγάλο μέγεθος του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου θα πρέπει να μπορεί να εξαλείψει τον υπολειπόμενο μαγνητισμό που διατηρείται από το υλικό.

Μερικά παραδείγματα σκληρών μαγνητικών υλικών είναι Άλνικο (ένα κράμα που σχηματίζεται από το συνδυασμό σιδήρου, κοβαλτίου, αλουμινίου, νικελίου και χαλκού) και ξυλοκόσμημα (ένα φυσικό μέταλλο).

Σκληρός μαγνήτης
Βρόχος υστέρησης για σκληρούς μαγνήτες

Μαλακά μαγνητικά υλικά: 

Οι μαλακοί μαγνήτες είναι επίσης σιδηρομαγνητικά υλικά που μπορούν να διατηρήσουν τον μαγνητισμό τους όσο εξέρχεται το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, δηλαδή έχουν χαμηλή συγκράτηση. Έχουν επίσης χαμηλό βαθμό καταναγκασμού, δηλαδή η διατηρούμενη μαγνητισμό τους (αν και είναι πολύ μικρότερη) μπορεί να εξαλειφθεί πολύ εύκολα.

Επομένως, μπορούν εύκολα να μαγνητιστούν και να απομαγνητιστούν.

Αυτά τα είδη υλικών (μαλακοί μαγνήτες) χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ηλεκτρομαγνήτη, καθώς ένα ηλεκτρομαγνητικό υλικό πρέπει να έχει χαμηλή συγκράτηση και επίσης χαμηλό καταναγκασμό. Το μαλακό σίδερο είναι κατάλληλο υλικό ως μαλακός σιδηρομαγνήτης.

.

μαλακός μαγνήτης
Βρόχος υστέρησης για μαλακό μαγνήτη

Οι δύο τύποι μαγνητών: Μόνιμος μαγνήτης και ηλεκτρομαγνήτης

Μόνιμοι μαγνήτες:

μαγνήτες
Μόνιμοι μαγνήτες

Τα υλικά που μπορούν να διατηρήσουν τις σιδηρομαγνητικές τους ιδιότητες για μεγάλα χρονικά διαστήματα σε κανονική θερμοκρασία δωματίου μπορούν να ταξινομηθούν ως μόνιμοι μαγνήτες.

Ένας υψηλός βαθμός συγκράτησης (ο μαγνήτης μπορεί να διατηρήσει τον μαγνητισμό του απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου) και επίσης υψηλός βαθμός καταναγκαστικότητας (η μαγνητική ιδιότητα δεν εξαφανίζεται από εξωτερικά μαγνητικά πεδία) είναι απαραίτητος για να είναι μόνιμος μαγνήτης.

Οι μόνιμοι μαγνήτες πρέπει επίσης να είναι ανθεκτικοί στη μηχανική καταπόνηση και την αλλαγή θερμοκρασίας. 

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ένα μαγνητικό πεδίο παράγεται από ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Ως εκ τούτου, είναι θεωρητικό ότι το μαγνητικό πεδίο ενός μόνιμου μαγνήτη είναι συνέπεια της ομοιόμορφης περιστροφής των ηλεκτρονίων σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση εντός των ατόμων του υλικού καθώς το ηλεκτρικό φορτίο σε κίνηση παράγει ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό το είδος ομοιόμορφης περιστροφής των ηλεκτρονίων στα άτομα ενός υλικού οφείλεται βασικά στην ατομική δομή και στον ηλεκτρονικό προσανατολισμό του υλικού. Επομένως, μόνο μερικοί τύποι ουσιών έχουν τη δυνατότητα να διατηρούν μόνιμα ή να διατηρούν ένα μαγνητικό πεδίο.

Το Lodestone, Alnico, όπως αναφέρεται στους σκληρούς μαγνήτες, μπορεί να αποτελέσει παράδειγμα μόνιμου μαγνήτη. Από τις συζητήσεις που είχαμε μπορεί να συναχθεί ότι ο χάλυβας είναι πιο κατάλληλος για την κατασκευή μόνιμου μαγνήτη από τον σίδηρο, καθώς ο χάλυβας έχει πολύ μεγαλύτερη αξία καταναγκασμού από τον σίδηρο, αν και ο σίδηρος έχει λίγο μεγαλύτερη συγκράτηση από τον χάλυβα. Για την κατασκευή μόνιμου μαγνήτη έχουν αναπτυχθεί ορισμένα κράματα με αρκετά μεγάλες τιμές συγκράτησης και καταναγκασμού. Ένα τέτοιο κράμα με πολύ υψηλή τιμή καταναγκασμού ονομάζεται ως φωνητικά (ένα κράμα που αποτελείται από βανάδιο, σίδηρο και κοβάλτιο).

Ηλεκτρομαγνήτες

Οι ηλεκτρομαγνήτες γενικά κατασκευάζονται με περιέλιξη υλικού (συνήθως σιδηρομαγνητικών υλικών) με σύρμα σε πηνίο και σύνδεση των καλωδίων με μεταβλητή παροχή ισχύος (έτσι ώστε το ρεύμα στα καλώδια να μπορεί να μεταβάλλεται)

Πώς λειτουργεί ένας ηλεκτρομαγνήτης;

Όταν ένα ρεύμα ρέει μέσω των καλωδίων, το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από καθέναν από τους μεμονωμένους βρόχους πηνίου αθροίζεται με το μαγνητικό πεδίο των γειτονικών βρόχων και λειτουργεί συνολικά ως ένας ισχυρός μαγνήτης ράβδου με τον διακριτό Βόρειο Πόλο και τον Νότιο Πόλο.

Αυτός ο προκύπτων μαγνήτης ράβδου με τον διακριτό Βόρειο και Νότιο Πόλο του είναι πολύ ισχυρότερος από οποιονδήποτε μόνιμο μαγνήτη ράβδου που μπορεί να μαγνητιστεί και να απομαγνητιστεί κατά βούληση, δηλαδή μπορεί να συμπεριφέρεται ως μαγνήτης μόνο όταν χρειάζεται.

Το υλικό που χρησιμοποιείται ως πυρήνας πρέπει να έχει υψηλή διαπερατότητα, χαμηλή συγκράτηση και επίσης χαμηλό καταναγκασμό. Σε έναν ηλεκτρομαγνήτη, το μαγνητικό πεδίο και η πυκνότητα ροής μπορούν εύκολα να μεταβληθούν ανάλογα με το ρεύμα στις περιελίξεις. Αυτή η ιδιότητα ενός ηλεκτρομαγνήτη χρησιμοποιείται ευρέως σε διαφορετικές εφαρμογές, αλλά σε αντίθεση με τον μόνιμο μαγνήτη, αυτό απαιτεί τροφοδοτικό για να λειτουργήσει και επίσης για ηλεκτρομαγνήτη, υπάρχει κάποια απώλεια ενέργειας στη μαγνητισμό και στον απομαγνητισμό του πυρήνα, όπως μελετήθηκε προηγουμένως με τη μορφή ο βρόχος υστέρησης.

Ο σχηματισμός Βόρειου Πόλου και Νότιου Πόλου όταν το ρεύμα ρέει μέσω των περιελίξεων εξαρτάται από την κατεύθυνση της ροής ρεύματος στους βρόχους. Πού θα σχηματιστεί ο Βόρειος και ο Νότιος Πόλος μπορεί να προβλεφθεί από το διάγραμμα που φαίνεται παρακάτω.

πολικότητα μαγνήτη
Βόρειος-Νότος Πόλος σύμφωνα με την κατεύθυνση του ρεύματος στο πηνίο

Παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η ισχύς του ηλεκτρομαγνήτη

Η ισχύς του μαγνητικού πεδίου ή η πυκνότητα μαγνητικής ροής εξαρτάται από το ποσότητα ρεύματος που ρέει μέσω των περιελίξεων και επίσης ο αριθμός στροφών στο πηνίο. Πιο συγκεκριμένα, η ισχύς του μαγνητικού πεδίου είναι ευθέως ανάλογη και των δύο, κάτι που σχετίζεται με την έκφραση της μαγνητοκινητικής δύναμης, η οποία έχει ως εξής:

Μαγνητο-κινητήρια δύναμη (MMF) = IXN 

όπου  είναι το ρεύμα που ρέει μέσω της περιέλιξης και το Ν είναι ο αριθμός στροφών.

Μια άλλη προϋπόθεση για την οποία μαγνητική ισχύς ενός ηλεκτρομαγνήτης εξαρτάται από το υλικό που χρησιμοποιείται ως πυρήνας. Γενικά, ο πυρήνας αποτελείται από σιδηρομαγνητικό υλικό με υψηλό βαθμό διαπερατότητας (το μέτρο της ευκολίας με την οποία ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να διεισδύσει ή να διαπεράσει ένα δεδομένο υλικό). Εάν χρησιμοποιούμε οποιοδήποτε μη μαγνητικό υλικό όπως ξύλο, πλαστικό κ.λπ., μπορεί να θεωρηθεί σαν ο πυρήνας να αποτελείται από ελεύθερο χώρο καθώς η διαπερατότητα ενός τέτοιου υλικού είναι πολύ χαμηλή και ως εκ τούτου, η πυκνότητα μαγνητικής ροής θα είναι αμελητέα.

Ηλεκτρομαγνήτης001
Εφαρμογή ηλεκτρομαγνήτη
Image Credit: ΚεραίαΑΓΕΜ5520CC BY-SA 3.0

Εφαρμογές ηλεκτρομαγνητών

  • Οι ηλεκτρομαγνήτες χρησιμοποιούνται ευρέως σε ηλεκτρικές συσκευές όπως ηλεκτρικά κουδούνια, επαγωγικές θερμάστρες, ηλεκτρικοί ανεμιστήρες, τηλέγραφος, ηλεκτρικά τρένα, ηλεκτρική γεννήτρια κινητήρα κ.λπ.
  • Χρησιμοποιούνται για μαγνητική ανύψωση όπως στα τρένα maglev.
  • Χρησιμοποιούνται σε ακουστικά, ηχεία, μαγνητόφωνα και ακόμη και σε σκληρούς δίσκους των υπολογιστών μας.
  • Χρησιμοποιούνται ως ρελέ και σε εξοπλισμό όπως φασματόμετρα μάζας και ακόμη και σε επιταχυντές σωματιδίων.
  • Χρησιμοποιούνται ακόμη και για ιατρικούς σκοπούς, όπως για την απομάκρυνση τεμαχίων σιδήρου από πληγές και επίσης σε μηχανήματα μαγνητικής τομογραφίας. 

Για περισσότερα άρθρα σχετικά με την Ηλεκτρονική κάντε κλικ εδώ

Διαβάστε επίσης: