Sådan fungerer magneter

Det hele startede, da vi gik på indkøb efter en magnet til en demonstration om flydende rustning. Vi ville vise, at et magnetfelt kunne få visse væsker til at opføre sig som faste stoffer. Sammen med petriskåle og jernfilter, vi havde brug for, Steve Spangler Science -kataloget havde en neodymmagnet, den blev beskrevet som "super stærk." Vi bestilte vores forsyninger, i håb om, at magneten ville være kraftig nok til at skabe en effekt, vi kunne fange på film.

Magneten forvandlede ikke bare vores jern-og-olie-væske til et fast stof-nogle gange, dens træk på væsken revnet petriskålen, der holdt den. Enkelt gang, magneten fløj uventet ud af en videografs hånd og ind i et fad fuld af tørre arkiver, hvilket krævede betydelig opfindsomhed at fjerne. Det klæbte sig også så fast til undersiden af ​​et metalbord, at vi måtte bruge en låsetang til at hente det. Da vi besluttede, at det ville være mere sikkert at holde magneten i en lomme mellem tagene, folk afviklede et øjeblik fast ved bordet, en stige og studiedøren.

Omkring kontoret, magneten blev et genstand for nysgerrighed og genstand for improviserede eksperimenter. Dens uhyggelige styrke og dens tendens til pludselig og støjende at hoppe fra uforsigtige greb til den nærmeste metaloverflade fik os til at tænke. Vi kendte alle det grundlæggende i magneter og magnetisme - magneter tiltrækker specifikke metaller, og de har nord og syd poler . Modsatte poler tiltrækker hinanden, mens ligesom poler frastøder. Magnetiske og elektriske felter er relateret, og magnetisme, sammen med tyngdekraften og stærke og svage atomkræfter, er en af ​​de fire grundlæggende kræfter i universet.

Men ingen af ​​disse fakta førte til et svar på vores mest grundlæggende spørgsmål. Hvad får en magnet til at klæbe til bestemte metaller? I forlængelse heraf, hvorfor holder de sig ikke til andre metaller? Hvorfor tiltrækker eller afviser de hinanden, afhængig af deres positionering? Og hvad gør neodymmagneter så meget stærkere end de keramiske magneter, vi legede med som børn?

For at forstå svarene på disse spørgsmål, det hjælper med at have en grundlæggende definition af en magnet. Magneter er objekter, der producerer magnetiske felter og tiltrække metaller som jern, nikkel og kobolt. Magnetfeltet kraftlinjer afslut magneten fra dens nordpol og indtast dens sydpol. Permanent eller hårdt magneter skaber deres eget magnetfelt hele tiden. Midlertidig eller blød magneter producerer magnetiske felter, mens de er i nærværelse af et magnetfelt og i et kort stykke tid efter at have forladt feltet. Elektromagneter producerer kun magnetfelter, når elektricitet passerer gennem deres trådspoler.

Indtil for nylig, alle magneter var lavet af metal elementer eller legeringer . Disse materialer producerede magneter med forskellige styrker. For eksempel:

• Keramiske magneter , ligesom dem, der bruges i køleskabsmagneter og videnskabelige eksperimenter i folkeskolen, indeholder jernoxid i en keramisk komposit. De fleste keramiske magneter, undertiden kendt som ferric magneter, ikke er særlig stærke.
• Alnico magneter er lavet af aluminium, nikkel og kobolt. De er stærkere end keramiske magneter, men ikke så stærk som dem, der indeholder en klasse af elementer kendt som sjældne jordartsmetaller .
• Neodymmagneter indeholder jern, bor og det sjældne jordartselement neodym.
• Samarium kobolt magneter kombinerer kobolt med det sjældne jordartselement samarium. I de seneste år, forskere har også opdaget magnetiske polymerer , eller plastmagneter. Nogle af disse er fleksible og formbare. Imidlertid, nogle virker kun ved ekstremt lave temperaturer, og andre henter kun meget lette materialer, som jernfilter.

1. Fremstilling af magneter:Det grundlæggende
2. Fremstilling af magneter:Detaljerne
3. Hvorfor Magneter Stick
4. Magnet myter

Fremstilling af magneter:Det grundlæggende

Mange af nutidens elektroniske enheder kræver, at magneter fungerer. Denne afhængighed af magneter er relativt nylig, primært fordi de fleste moderne enheder kræver magneter, der er stærkere end dem, der findes i naturen. Lodestone , en form for magnetit , er den stærkeste naturligt forekommende magnet. Det kan tiltrække små genstande, gerne papirclips og hæfteklammer.

I det 12. århundrede, mennesker havde opdaget, at de kunne bruge lodsten til at magnetisere jernstykker, at skabe en kompas . Gnidende gnidning af lodsten langs en jernnål i en retning magnetiserede nålen. Det ville derefter justere sig selv i en nord-sydlig retning, når det blev suspenderet. Til sidst, videnskabsmand William Gilbert forklarede, at denne nord-syd-justering af magnetiserede nåle skyldtes, at Jorden opførte sig som en enorm magnet med nord- og sydpoler.

En kompassnål er ikke nær så stærk som mange af de permanente magneter, der bruges i dag. Men den fysiske proces, der magnetiserer kompassnåle og bidder af neodymlegering, er i det væsentlige den samme. Det er afhængigt af mikroskopiske områder kendt som magnetiske domæner , som er en del af den fysiske struktur af ferromagnetiske materialer , som jern, kobolt og nikkel. Hvert domæne er i det væsentlige et lillebitte, selvstændig magnet med en nord- og sydpol. I et umagnetiseret ferromagnetisk materiale, hver af nordpolerne peger i en tilfældig retning. Magnetiske domæner, der er orienteret i modsatte retninger, annullerer hinanden, så materialet producerer ikke et netto magnetfelt.

I magneter, på den anden side, de fleste eller alle magnetiske domæner peger i samme retning. I stedet for at annullere hinanden, de mikroskopiske magnetfelter kombineres til at skabe et stort magnetfelt. Jo flere domæner peger i samme retning, jo stærkere er det samlede felt. Hvert domænes magnetfelt strækker sig fra dets nordpol til domstolens sydpol foran det.

Dette forklarer, hvorfor at bryde en magnet i to skaber to mindre magneter med nord- og sydpoler. Det forklarer også, hvorfor modsatte poler tiltrækker - feltlinjerne forlader nordpolen på en magnet og kommer naturligt ind i en anden sydpol, hovedsageligt at skabe en større magnet. Ligesom poler afviser hinanden, fordi deres kraftlinjer bevæger sig i modsatte retninger, kolliderer med hinanden frem for at flytte sammen.

Fremstilling af magneter:Detaljerne

For at lave en magnet, alt du skal gøre er at tilskynde de magnetiske domæner i et stykke metal til at pege i samme retning. Det er det, der sker, når du gnider en nål med en magnet - eksponeringen for magnetfeltet tilskynder domænerne til at justere. Andre måder at justere magnetiske domæner på i et stykke metal omfatter:

• Placerer det et stærkt magnetfelt i nord-syd retning
• Ved at holde den i nord-syd retning og gentagne gange slå den med en hammer, fysisk skære domæner i en svag justering
• Giver en elektrisk strøm igennem den

To af disse metoder er blandt videnskabelige teorier om, hvordan lodsten dannes i naturen. Nogle forskere spekulerer i, at magnetit bliver magnetisk, når det bliver ramt af lyn. Andre teoretiserer, at stykker magnetit blev magneter, da jorden først blev dannet. Domænerne flugter med Jordens magnetfelt, mens jernoxid var smeltet og fleksibelt.

Den mest almindelige metode til fremstilling af magneter i dag indebærer at placere metal i et magnetfelt. Feltet udøver drejningsmoment på materialet, tilskynde domæner til at tilpasse sig. Der er en lille forsinkelse, kendt som hysterese , mellem anvendelsen af ​​feltet og ændringen i domæner - det tager et øjeblik, før domænerne begynder at bevæge sig. Her er hvad der sker:

• De magnetiske domæner roterer, tillader dem at stille op langs magnet-feltets nord-syd linjer.
• Domæner, der allerede pegede i nord-syd retning, bliver større, efterhånden som domænerne omkring dem bliver mindre.
• Domæne vægge , eller grænser mellem nabodomæner, fysisk flytte for at imødekomme domænevækst. I et meget stærkt felt, nogle vægge forsvinder helt.

Den resulterende magnetstyrke afhænger af mængden af ​​kraft, der bruges til at flytte domæner. Dens varighed, eller tilbageholdenhed , afhænger af, hvor svært det var at tilskynde domæner til at justere. Materialer, der er svære at magnetisere, bevarer generelt deres magnetisme i længere perioder, mens materialer, der er lette at magnetisere, ofte vender tilbage til deres oprindelige ikke -magnetiske tilstand.

Du kan reducere en magnetstyrke eller afmagnetisere den helt ved at udsætte den for et magnetfelt, der er justeret i den modsatte retning. Du kan også afmagnetisere et materiale ved at opvarme det over dets Curie -punkt , eller temperaturen, ved hvilken den mister sin magnetisme. Varmen forvrænger materialet og ophidser de magnetiske partikler, får domæner til at falde ud af justering.

Stor, kraftige magneter har mange industrielle anvendelser, fra at skrive data til at fremkalde strøm i ledninger. Men forsendelse og installation af enorme magneter kan være svært og farligt. Ikke kun kan magneter beskadige andre varer under transport, de kan være vanskelige eller umulige at installere ved deres ankomst. Ud over, magneter har en tendens til at samle en række ferromagnetiske affald, som er svær at fjerne og endda kan være farlig.

Af denne grund, faciliteter, der bruger meget store magneter, har ofte udstyr på stedet, der lader dem omdanne ferromagnetiske materialer til magneter. Tit, enheden er i det væsentlige en elektromagnet.

Hvorfor Magneter Stick

Hvis du har læst, hvordan elektromagneter fungerer, du ved, at en elektrisk strøm, der bevæger sig gennem en ledning, skaber et magnetfelt. Elektriske ladninger i bevægelse er også ansvarlige for magnetfeltet i permanente magneter. Men en magnetfelt kommer ikke fra en stor strøm, der bevæger sig gennem en ledning - den kommer fra bevægelsen af elektroner .

Mange mennesker forestiller elektroner som små partikler, der kredser om et atom kerne den måde, hvorpå planeter kredser om en sol. Som kvantefysikere i øjeblikket forklarer det, elektronernes bevægelse er lidt mere kompliceret end som så. I det væsentlige, elektroner fylder et atoms skallelignende orbitaler , hvor de opfører sig som både partikler og bølger. Elektronerne har en oplade og a masse , samt en bevægelse, som fysikere beskriver som spin i opadgående eller nedadgående retning. Du kan lære mere om elektroner i Sådan fungerer atomer.

Generelt, elektroner fylder atomets orbitaler par . Hvis en af ​​elektronerne i et par drejer opad, den anden drejer nedad. Det er umuligt for begge elektroner i et par at snurre i samme retning. Dette er en del af et kvantemekanisk princip kendt som Pauli -udelukkelsesprincip .

Selvom et atoms elektroner ikke bevæger sig særlig langt, deres bevægelse er nok til at skabe et lille magnetfelt. Da parrede elektroner drejer i modsatte retninger, deres magnetfelter annullerer hinanden. Atomer af ferromagnetiske elementer, på den anden side, har flere uparrede elektroner, der har samme spin. Jern, for eksempel, har fire uparede elektroner med samme spin. Fordi de ikke har modstående felter til at annullere deres effekter, disse elektroner har en orbital magnetisk moment . Det magnetiske moment er et vektor - den har en størrelse og en retning. Det er relateret til både magnetfeltstyrken og det moment, feltet udøver. En hel magents magnetiske øjeblikke stammer fra alle dens atomers øjeblikke.

I metaller som jern, det magnetiske kredsløbsmoment tilskynder nærliggende atomer til at flugte langs de samme nord-syd-feltlinjer. Jern og andre ferromagnetiske materialer er krystallinske. Da de afkøles fra en smeltet tilstand, grupper af atomer med parallelt orbital spin opstilles inden for krystalstrukturen. Dette danner de magnetiske domæner, der blev diskuteret i det foregående afsnit.

Du har måske bemærket, at de materialer, der laver gode magneter, er de samme som de materialer, magneterne tiltrækker. Dette skyldes, at magneter tiltrækker materialer, der har uparrede elektroner, der spinder i samme retning. Med andre ord, kvaliteten, der gør et metal til en magnet, tiltrækker også metallet til magneter. Mange andre elementer er diamagnetisk - deres uparede atomer skaber et felt, der svagt afviser en magnet. Et par materialer reagerer slet ikke med magneter.

Denne forklaring og dens underliggende kvantefysik er ret komplicerede, og uden dem kan ideen om magnetisk tiltrækning være mystificerende. Så det er ikke overraskende, at folk har set magnetiske materialer med mistanke i store dele af historien.

Du kan måle magnetfelter ved hjælp af instrumenter som f.eks gauss meter , og du kan beskrive og forklare dem ved hjælp af talrige ligninger. Her er nogle af de grundlæggende:

• Magnetiske kraftlinjer, eller strøm , måles i Webers (Wb) . I elektromagnetiske systemer, fluxen vedrører nuværende .
• Et felts styrke, eller densiteten af strøm , måles i Tesla (T) eller gauss (G) . En Tesla er lig med 10, 000 gauss. Du kan også måle feltstyrken i Webers per kvadratmeter . I ligninger, symbolet B repræsenterer feltstyrke.
• Feltets størrelse måles i ampere per meter eller oersted . Symbolet H repræsenterer det i ligninger.

Magnet myter

Hver gang du bruger en computer, du bruger magneter. En harddisk er afhængig af magneter til at gemme data, og nogle skærme bruger magneter til at oprette billeder på skærmen. Hvis dit hjem har en dørklokke, den bruger sandsynligvis en elektromagnet til at drive en støjmager. Magneter er også vitale komponenter i CRT -fjernsyn, højttalere, mikrofoner, generatorer, transformere, elektriske motorer, tyverialarmer, kassettebånd, kompasser og bilhastighedsmålere.

Ud over deres praktiske anvendelser, magneter har mange fantastiske egenskaber. De kan fremkalde strøm i ledning og levere moment til elmotorer. Et stærkt nok magnetfelt kan svæve små genstande eller endda små dyr. Maglev -tog bruger magnetisk fremdrift til at køre med høje hastigheder, og magnetiske væsker hjælper med at fylde raketmotorer med brændstof. Jordens magnetfelt, kendt som magnetosfæren , beskytter den mod solvind . Ifølge magasinet Wired, nogle mennesker implanterer endda små neodymmagneter i deres fingre, giver dem mulighed for at detektere elektromagnetiske felter [Kilde:Wired].

Magnetic Resonance Imaging (MRI) maskiner bruger magnetiske felter til at give læger mulighed for at undersøge patienters indre organer. Læger bruger også pulserede elektromagnetiske felter til at behandle knækkede knogler, der ikke er helet korrekt. Denne metode, godkendt af United States Food and Drug Administration i 1970'erne, kan reparere knogler, der ikke har reageret på anden behandling. Lignende pulser af elektromagnetisk energi kan hjælpe med at forhindre knogletab og muskeltab hos astronauter, der befinder sig i nul-tyngdekraftsmiljøer i længere perioder.

Magneter kan også beskytte dyrs sundhed. Køer er modtagelige for en tilstand, der kaldes traumatisk retikuloperikarditis , eller hardwaresygdom , som kommer fra at sluge metalgenstande. Slukkede genstande kan punktere en koes mave og beskadige dens membran eller hjerte. Magneter er med til at forhindre denne tilstand. En praksis involverer at føre en magnet over køernes mad for at fjerne metalgenstande. En anden er at fodre magneter til køerne. Lang, smalle alnico magneter, kendt som ko -magneter , kan tiltrække metalstykker og hjælpe med at forhindre dem i at skade koens mave. De indtagne magneter hjælper med at beskytte køerne, men det er stadig en god idé at holde fodringsområderne fri for metalrester. Mennesker, på den anden side, bør aldrig spise magneter, da de kan hænge sammen gennem en persons tarmvægge, blokerer blodgennemstrømningen og dræber væv. Hos mennesker, slugte magneter kræver ofte operation for at fjerne.

Nogle mennesker går ind for brug af magnetterapi til behandling af en lang række sygdomme og tilstande. Ifølge praktiserende læger, magnetiske indlægssåler, armbånd, halskæder, madrasunderlag og puder kan helbrede eller lindre alt fra gigt til kræft. Nogle advokater foreslår også, at forbrug af magnetiseret drikkevand kan behandle eller forhindre forskellige lidelser. Amerikanerne bruger anslået 500 millioner dollars om året på magnetiske behandlinger, og mennesker på verdensplan bruger omkring 5 mia. [Kilde:Winemiller via NCCAM].

Forslagsstillere giver flere forklaringer på, hvordan dette fungerer. Den ene er, at magneten tiltrækker det jern, der findes i hæmoglobin i blodet, forbedre cirkulationen til et bestemt område. En anden er, at magnetfeltet på en eller anden måde ændrer strukturen af ​​nærliggende celler. Imidlertid, videnskabelige undersøgelser har ikke bekræftet, at brug af statiske magneter har nogen effekt på smerter eller sygdom. Kliniske forsøg tyder på, at de positive fordele, der tilskrives magneter, faktisk kan komme fra tiden, ekstra dæmpning i magnetiske indlægssåler eller placebo -effekten. Ud over, drikkevand indeholder typisk ikke elementer, der kan magnetiseres, gør ideen om magnetisk drikkevand tvivlsom.

Nogle fortalere foreslår også brug af magneter til at reducere hårdt vand i hjem. Ifølge produktproducenter, store magneter kan reducere niveauet af hårdt vandskala ved at fjerne ferromagnetiske hårde vandmineraler. Imidlertid, de mineraler, der generelt forårsager hårdt vand, er ikke ferromagnetiske. En toårig Consumer Reports-undersøgelse tyder også på, at behandling af indgående vand med magneter ikke ændrer mængden af ​​opbygning af vand i en husholdningsvandvarmer.

Selvom magneter sandsynligvis ikke vil stoppe kroniske smerter eller fjerne kræft, de er stadig fascinerende at studere.

En magnet kan have flere nord- og sydpoler, og disse poler forekommer altid i par . Der kan ikke være nogen nordpol uden en tilsvarende sydpol, ingen sydpol uden et tilsvarende nord.

Oprindeligt udgivet:2. apr. 2007

Ofte stillede spørgsmål om Magnet

Hvorfor er jordens magnetfelt vigtigt?

Er mennesker elektromagnetiske?

Er magneter skadelige for kroppen?

Kan magneter beskadige min Macbook?

Hvad er magnetisk induktans?

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sådan fungerer elektromagneter
• Sådan fungerer Liquid Body Armor
• Sådan fungerer kompasser
• Sådan fungerer båndoptagere
• Sådan fungerer harddiskdrev
• Sådan fungerer videobåndoptagere
• Sådan fungerer Magna Doodle
• Sådan fungerer elektricitet
• Sådan fungerer atomerne
• Sådan fungerer Maglev -tog
• Sådan fungerer MR
• Sådan fungerer højttalere
• Sådan fungerer dørklokker
• Sådan fungerer elmotorer

Flere store links

• Exploratorium:Snacks om magnetisme
• NASA:Udforskningen af ​​Jordens Magnetosfære
• Phy6.org:Den store magnet, jorden
• NCCAM:Spørgsmål og svar om brug af magneter til behandling af smerter
• Cool Magnet Man:Hvordan fungerer magneter?

Kilder

• Andrews, C.M. "Forståelse for permanente magneter." TechNotes. Gruppe Arnold. December 1998. http://www.arnoldmagnetics.com/mtc/pdf/TN_9802.pdf
• Byerly, Diane et al. "Pulserede elektromagnetiske felter - en modforanstaltning til knogletab og muskelatrofi." Space Life Sciences. (3/9/2007) http://research.jsc.nasa.gov/PDF/SLiSci-12.pdf
• Tømrer, C.J. "Magnetfelt". AccessScience@McGraw-Hill. Sidst ændret 4/10/2000 (3/9/2007).
• Tømrer, C.J. "Magnetisme." AccessScience@McGraw-Hill. Sidst ændret 2/13/2006 (3/9/2007).
• Konstantinides, S. "Nye permanente magneter og deres anvendelser." Maj 1995. http://www.arnoldmagnetics.com/mtc/pdf/novel_pm.pdf
• Cunningham, Aimee. "Magnet makeover." Science News. 2/3/2007 (3/9/2007).
• Encyclopedia Britannica. "Magnet." Encyclopedia Britannica Online. 3/2007 (3/9/2007)
• Epstein, Arthur J. og Joel S. Miller. "Magnet." AccessScience@McGraw-Hill. Sidst ændret 4/10/2000 (3/9/2007).
• Hewitt, Paul G. "Konceptuel fysik." Addison-Wesley Publishing Company, Inc. 1987.
• Huang, S. "Hvorfor virker magneter ikke på nogle rustfrit stål?" Videnskabelig amerikansk. 2/10/2006 (3/9/2007). http://sciam.com/print_version.cfm?articleID=0000999C-453C-151C-BF1F83414B7FFEB5
• Hungerford, Laura. "Ko -magneter." Newton Spørg en videnskabsmand. 16/7/2003 (3/9/2007) http://www.newton.dep.anl.gov/askasci/vet00/vet00032.htm
• Killeya, Matthew. "Første praktiske plastmagneter blev oprettet." Ny videnskabsmand 30/08/2004 (3/9/2007). http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn6326
• Luborsky, F.E. "Magnetiske materialer." AccessScience@McGraw-Hill. Sidst ændret 17.6.2004 (14-03-2007)
• Manning, Kenneth V. "Magnetisk øjeblik." AccessScience@McGraw-Hill. Sidst ændret 4/10/2000 (14-03-2007)
• Nationalt center for komplementær og alternativ medicin. "Spørgsmål og svar om brug af magneter til behandling af smerter." 5/2004 (3/9/2007) http://nccam.nih.gov/health/magnet/magnet.htm
• Norton, Quinn. "En sjette sans for en kablet verden." Kablet. 6/7/2006 (3/9/2007) http://www.wired.com/news/technology/0, 71087-0.html
• Penicott, Katie. "Magnetisk polymer får sin debut." Physics Web 11/16/2001 (3/9/2007) http://physicsweb.org/articles/news/5/11/11
• Phy6.org. "Den store magnet, Jorden. "11/29/2004 (3/9/2007) http://www.phy6.org/earthmag/dmglist.htm
• Powell, Mike R. "Magnetisk vand- og brændstofbehandling:myte, Magi eller almindelig videnskab? "Skeptisk spørger. Januar/februar 1998. (3/9/2007). Http://www.csicop.org/si/9801/powell.html
• Pumfrey, Stephen og David Tilley. "William Gilbert:Glemt geni." Fysik Web. 11/2003 (3/9/2007). http://physicsweb.org/articles/world/16/11/2
• Hård, Dr. David P. "Magnetisme." NASA. 25/11/2001. (3/9/2007) http://sci-toys.com/scitoys/scitoys/magnets/suspension.html