- Előzmények és felfedezések
- Régi alkalmazások
- Első tudományos tanulmányok
- Modern kutatások
- Az anyagok mágneses tulajdonságai
- Ferromagnetizmus, paramagnetizmus és diamagnetizmus
- A mágneses energia felhasználása
- Néhány mágneses energia alkalmazás
- Előnyök és hátrányok
- Elsődleges és másodlagos energiák
- A primer és a másodlagos energiák jellemzői
- Példák a mágneses energiára
- A tekercs mágneses energiája
- A feladat megoldódott
- Megoldás
A mágnesesség vagy a mágneses energia egy erővel összefüggő természetmozgás, amely bizonyos anyagok terheléseinél képes elektromos vonzerőt vagy taszítást okozni. A mágnesek a mágnesesség ismert forrásai.
Ezen belül vannak olyan kölcsönhatások, amelyek mágneses mezők jelenlétévé válnak, amelyek például kis vas- vagy nikkeldarabokra hatnak.
Az északi fény gyönyörű színei a kozmikus részecskéknek köszönhetően energiát bocsátanak ki, mivel azokat a Föld mágneses mezője eltereli. Forrás: Pixabay.
A mágnes mágneses tere akkor válik láthatóvá, amikor azt egy papír alá helyezik, amelyre a vasszálak vannak eloszlatva. A reszelékek azonnal a terepi vonalak mentén vannak orientálva, így a mező kétdimenziós képe lesz.
Egy másik jól ismert forrás az elektromos áramot hordozó vezetékek; De az állandó mágnesekkel ellentétben a mágnesesség eltűnik, amikor az áram leáll.
Ha valahol mágneses mező fordul elő, valamelyik ügynöknek munkát kellett végeznie. Az ebbe a folyamatba fektetett energiát a létrehozott mágneses mező tárolja, majd mágneses energianak tekinthető.
Az, hogy mekkora mágneses energiát tárolnak a mezõben, a mezõtõl és az eszköz geometriájától, vagy a keletkezési régiótól függ.
Az indukciós tekercsek vagy tekercsek erre alkalmasak, és mágneses energiát hoznak létre ugyanúgy, mint az elektromos energiát a kondenzátor lemezei között.
Előzmények és felfedezések
Régi alkalmazások
A Plinius ókori Görögországról szóló legendái Magnes pásztorról beszélnek, aki több mint 2000 évvel ezelőtt talált egy titokzatos ásványt, amely vonzza a vasdarabokat, de nem más anyagokat. Magnetit volt, egy vas-oxid, erős mágneses tulajdonságokkal.
A mágneses vonzás oka évszázadok óta rejtve marad. A legjobb esetben a természetfeletti eseményeknek tulajdonították. Bár nem ennek okán, érdekes alkalmazásokat találtak rá, mint például az iránytű.
A kínaiak által feltalált iránytű a Föld saját mágiaképességét használja a felhasználó irányításához navigálás közben.
Első tudományos tanulmányok
A mágneses jelenségek tanulmányozása nagy előrelépést tett William Gilbertnek (1544 - 1603) köszönhetően. Az Elizabethan-korszak angol tudósa egy gömbmágnes mágneses mezőjét tanulmányozta és arra a következtetésre jutott, hogy a Földnek saját mágneses mezővel kell rendelkeznie.
A mágnesek tanulmányozása során ráébredt arra is, hogy nem tud különálló mágneses pólusokat szerezni. Ha egy mágnes ketté van osztva, az új mágneseknek mindkét pólusuk van.
A tudósok azonban a 19. század elején rájöttek, hogy létezik kapcsolat az elektromos áram és a mágnesesség között.
Hans Christian Oersted (1777 - 1851), Dániában született, 1820-ban elgondolkodott az elektromos áram vezetésén keresztül történő vezetéséről, és megfigyelte ennek az iránytűre gyakorolt hatását. Az iránytű eltérni fog, és amikor az áram leáll, az iránytű ismét észak felé mutat, mint általában.
Ez a jelenség igazolható azáltal, hogy az iránytűt az indító működtetése közben közelebb hozza az egyik autóvezetékből kihúzódó kábelhez.
Az áramkör lezárásakor a tűnek észrevehető eltérést kell tapasztalnia, mivel az autók akkumulátorai elég nagy árammal látják el az iránytű eltérését.
Ily módon egyértelművé vált, hogy a mozgó töltések képezik a mágnesességet.
Modern kutatások
Néhány évvel az Oersted kísérletei után, Michael Faraday (1791 - 1867) brit kutató újabb mérföldkövet jelölt meg azzal, hogy felfedezte, hogy a változó mágneses mezők viszont villamos áramot eredményeznek.
Mindkét jelenség, mind az elektromos, mind a mágneses, szorosan összefüggenek egymással, mindegyik a másikhoz vezet. Faraday tanítványa, James Clerk Maxwell (1831 - 1879) hozta össze őket az egyenletben, amely a nevét viseli.
Ezek az egyenletek tartalmazzák és összefoglalják az elektromágneses elméletet, és még a relativista fizikában is érvényesek.
Az anyagok mágneses tulajdonságai
Miért mutatnak bizonyos anyagok mágneses tulajdonságokat, vagy könnyen elsajátítják a mágnesességet? Tudjuk, hogy a mágneses teret mozgó töltések okozzák, ezért a mágnes belsejében láthatatlan elektromos áramnak kell lennie, amely a mágnesességhez vezet.
Minden anyag az atommag körül keringő elektronokat tartalmaz. Az elektron összehasonlítható a Földdel, amelynek transzlációs mozgása van a Nap körül, és forgási mozgása van a saját tengelyén.
A klasszikus fizika hasonló mozgásokat tulajdonít az elektronhoz, bár az analógia nem teljesen pontos. A lényeg azonban az, hogy az elektron mindkét tulajdonsága miatt úgy viselkedik, mint egy apró hurok, amely mágneses teret hoz létre.
Ez az elektron spinje adja a legjobban az atom mágneses mezőjét. A sok elektronmal rendelkező atomokban párosítva és ellentétes spinnel vannak csoportosítva. Így mágneses mezőik kiiktatják egymást. Ez történik a legtöbb anyagban.
Vannak azonban olyan ásványok és vegyületek, amelyekben páratlan elektron van. Ilyen módon a nettó mágneses mező nem nulla. Ez létrehoz egy mágneses pillanatot, egy vektort, amelynek nagysága az áram és az áramkör szorzata.
A szomszédos mágneses momentumok kölcsönhatásba lépnek és olyan mágneses doméneknek nevezett régiókat képeznek, amelyekben sok centrifuga azonos irányban van beállítva. A kapott mágneses mező nagyon erős.
Ferromagnetizmus, paramagnetizmus és diamagnetizmus
Az ilyen minőségű anyagokat ferromágnesesnek nevezzük. Ezek néhány: vas, nikkel, kobalt, gadolinium és ezek ötvözetei.
A periódusos rendszer többi elemében hiányoznak ezek a nagyon kifejezett mágneses hatások. A paramágneses vagy a diamagnetikus kategóriába tartoznak.
Valójában a diamagnetizmus minden olyan anyag tulajdonsága, amelyek külső mágneses mező jelenlétében enyhe taszítást tapasztalnak. A bizmut az a elem, amelyben a leginkább hangsúlyozzák a diamagnetizmust.
Másrészt a paramagnetizmus kevésbé intenzív mágneses válaszból áll, mint a ferromagnetizmus, de ugyanolyan vonzó. A paramágneses anyagok például az alumínium, a levegő és néhány vas-oxid, például a goetit.
A mágneses energia felhasználása
A mágnesesség a természet alapvető erőinek része. Mivel az emberek szintén részei, alkalmazkodnak a mágneses jelenségek létezéséhez, valamint a bolygó egész életének többi részéhez. Például egyes állatok a Föld mágneses mezőjét használják földrajzi orientációhoz.
Valójában úgy gondolják, hogy a madarak hosszú vándorlásukat annak köszönhetik, hogy agyukban van egyfajta szerves iránytű, amely lehetővé teszi számukra a geomágneses mező észlelését és felhasználását.
Noha az embereknek nincs ilyen iránytű, ehelyett sokkal több módon képesek módosítani a környezetet, mint az állatvilág többi részén. Így fajaink tagjai a mágnesesség előnyeit használják attól a pillanattól kezdve, amikor az első görög pásztor felfedezte a legkevesebb kört.
Néhány mágneses energia alkalmazás
Azóta számos mágneses alkalmazás létezik. Íme néhány:
- A fent említett iránytű, amely a Föld geomágneses mezőjét használja földrajzi tájolásához.
- Régi képernyők televíziók, számítógépek és oszcilloszkópok számára, katódsugárcső alapján, amelyek tekercsekkel mágneses teret generálnak. Ezek felelősek az elektronnyaláb elhajlásáért, úgy, hogy az a képernyő bizonyos pontjaira eljusson, és így képezi a képet.
- Tömegspektrométerek, különféle típusú molekulák tanulmányozására, biokémiai, kriminológiai, antropológiai, történeti és más tudományágakban számos alkalmazásra. Elektromos és mágneses tereket használnak a töltött részecskék eltérítésére a sebességüktől függő trajektóriákban.
- Magnetohidrodinamikus meghajtás, amelyben a mágneses erő hátravezet egy tengervízsugarat (jó vezető), úgy, hogy Newton harmadik törvénye szerint a jármű vagy a hajó előremenő impulzust kap.
- Mágneses rezonancia képalkotás, egy nem invazív módszer az emberi test belsejének képére. Alapvetően nagyon intenzív mágneses teret használ és elemzi a szövetekben lévő hidrogénmagokat (protonokat), amelyek a fent említett spin tulajdonsággal rendelkeznek.
Ezek az alkalmazások már kialakultak, de a jövőben úgy gondolják, hogy a mágnesesség képes mágnesesen indukált hőt előállító hipertermikus technikák révén olyan betegségekkel, mint az emlőrák, is küzdeni.
Az ötlet az, hogy a folyékony magnetitet közvetlenül a tumorba injektálják. A mágnesesen indukált áramok által előállított hőnek köszönhetően a vas részecskék elég melegednek ahhoz, hogy elpusztítsák a rosszindulatú sejteket.
Előnyök és hátrányok
Amikor egy bizonyos típusú energia felhasználására gondolunk, akkor azt valamilyen típusú mozgássá kell átalakítani, például turbina, felvonó vagy jármű mozgatására; vagy hogy átalakul elektromos energiává, amely bekapcsol bizonyos készülékeket: telefonokat, televíziókat, ATM-ket és hasonlókat.
Az energia nagyságrendű, többféle megnyilvánulással, amelyek sokféle módon módosíthatók. Meg lehet erősíteni egy kis mágnes energiáját oly módon, hogy folyamatosan mozog, mint néhány érmenél?
Ahhoz, hogy felhasználható legyen, az energiának nagy tartományban kell lennie, és nagyon bőséges forrásból kell származnia.
Elsődleges és másodlagos energiák
Az ilyen energiák megtalálhatók a természetben, amelyekből a többi típus előállítható. Elsődleges energiákként ismertek:
- Napenergia.
- Atomenergia.
- Geotermikus energia.
- Szélenergia.
- Biomassza energia.
- Fosszilis tüzelőanyagokból és ásványokból származó energia.
Ebből szekunder energiák, például villamos energia és hő keletkeznek. Hol van a mágneses energia?
Az elektromosság és a mágnesesség nem két különálló jelenség. Valójában a kettőt együtt elektromágneses jelenségnek nevezik. Amíg az egyik létezik, a másik létezik.
Ahol van elektromos energia, ott valamilyen formában is mágneses energia lesz. De ez egy másodlagos energia, amelyhez szükség van néhány primer energia előzetes átalakulására.
A primer és a másodlagos energiák jellemzői
Valamely energia felhasználásának előnyeit vagy hátrányait számos kritérium határozza meg. Ide tartozik a gyártás mennyire könnyű és olcsó, valamint az is, hogy a folyamat mennyiben képes negatívan befolyásolni a környezetet és az embereket.
Fontos szem előtt tartani, hogy az energiák sokszor átalakulnak, mielőtt felhasználhatók lennének.
Hány transzformációnak kell történnie ahhoz, hogy a mágnes elkészítse a bevásárló listát a hűtőszekrény ajtaján? Hány épít egy elektromos autót? Természetesen elég.
És milyen tiszta a mágneses vagy elektromágneses energia? Vannak, akik úgy vélik, hogy az emberi eredetű elektromágneses terek állandó expozíciója egészségügyi és környezeti problémákat okoz.
Jelenleg számos kutatási vonal foglalkozik e területek egészségre és a környezetre gyakorolt hatásainak tanulmányozásával, ám a rangos nemzetközi szervezetek szerint eddig nincs meggyőző bizonyíték arra, hogy ezek károsak lennének.
Példák a mágneses energiára
A mágneses energia tárolására szolgáló készüléket induktornak nevezzük. Ez egy olyan tekercs, amelyet elegendő számú fordulattal réz huzal tekercselésével hoznak létre, és sok áramkörben hasznos korlátozni az áramot, és megakadályozni annak hirtelen változását.
Réztekercs. Forrás: Pixabay.
Ha egy áramot egy tekercs fordulatain keresztül keringtetnek, mágneses mező jön létre benne.
Ha az áram megváltozik, akkor változtassa meg a mágneses mező vonalait is. Ezek a változások a Faraday-Lenz indukciós törvény szerint olyan fordulatokat indukálnak, amelyek ellenzik őket.
Amikor az áram hirtelen növekszik vagy csökken, a tekercs szembeszáll azzal, ezért védőhatást gyakorolhat az áramkörre.
A tekercs mágneses energiája
A mágneses energiát a tekercs fordulataival meghatározott térfogatú mágneses mezőben tárolja, amelyet U B- vel jelölnek, és amely a következőktől függ:
- A B mágneses mező intenzitása
- Az A tekercs keresztmetszeti területe
- A tekercs hossza l.
- A vákuum permeabilitása μ o.
Ezt a következőképpen kell kiszámítani:
Ez az egyenlet a tér bármely régiójában érvényes, ahol van mágneses mező. Ha ismert ennek a régiónak a V térfogata, annak permeabilitása és a mező intenzitása, akkor kiszámolható, mennyi mágneses energiája van.
A feladat megoldódott
A 2,0 cm átmérőjű és 26 cm hosszú levegővel kitöltött tekercs belsejében a mágneses mező 0,70 T. Mennyi energia tárolódik ebben a mezőben?
Megoldás
A numerikus értékeket az előző egyenlet helyettesíti, ügyelve arra, hogy az értékeket a Nemzetközi Rendszer egységeire konvertáljuk.
- Giancoli, D. 2006. Fizika: alapelvek alkalmazásokkal. Hatodik kiadás. Prentice Hall. 606-607.
- Wilson, JD, 2011. Fizika 12. Pearson. 135-146.