Magnet

Z Multimediaexpo.cz

Verze z 14. 8. 2022, 14:52

Informace uvedené v tomto článku je potřeba ověřit.   Prosíme, pomozte vylepšit tento článek doplněním věrohodných zdrojů.

Železné piliny v magnetickém poli vytvořeném magnetem

Magnetické pole znázorněné siločarami

Magnet je objekt, který v prostoru ve svém okolí vytváří magnetické pole. Může mít formu permanentního magnetu nebo elektromagnetu. Permanentní magnety nepotřebují k vytváření magnetického pole vnější vlivy. Vyskytují se přirozeně v některých kamenech, ale dají se také vyrobit. Elektromagnety potřebují k vytvoření magnetického pole elektrický proud - když se zvětší proud, zvětší se i magnetické pole.

Vlastnosti magnetů

Magnety jsou přitahovány nebo odpuzovány jinými materiály. Materiál, který je silně přitahován k magnetu má vysokou permeabilitu (propustnost). Železo a ocel jsou dva příklady materiálů s velmi vysokou permeabilitou a jsou velmi silně přitahovány magnety. Voda má tak nízkou permeabilitu, že je magnetickým polem lehce odpuzována. U všeho se dá změřit permeabilita: u lidí, plynů a také u vakua ve vesmíru. SI jednotkou magnetické indukce, která je nesprávně považována za „intenzitu“ magnetického pole, je tesla (značka T). Homogenní magnetické pole, mající magnetickou indukci 1 T působí na každý metr přímého vodiče protékaného elektrickým proudem 1 ampéru silou 1 newtonu. Skutečnou jednotkou SI intenzity magnetického pole je ampér na metr (A/m). Jednotkou SI magnetického toku je Weber (značka Wb). Magnetický tok je součinem magnetické indukce a plochy, kterou pole prochází; 1 Wb = 1 T·m². Je to velmi vysoká hodnota magnetického toku.

Historie

Slovo magnet pochází z řeckého μαγνήτης λίθος (magnētēs lithos), což znamená „magnésiový kámen“. Magnesia byla oblast v Antickém Řecku, dnešní Manisa v Turecku, kde byly objeveny zásoby magnetitu už v antice. Starodávní čínští navigátoři byli mezi prvními zaznamenanými uživateli magnetických kompasů. V mytologii arabských mořeplavců hrála významnou roli pověst o magnetové hoře, zmíněna i v české pověsti o Bruncvíkovi. V patnáctém století se Arabové magnetové hory báli natolik, že ve svých plavidlech nepoužívali žádné železné předměty (tedy ani hřebíky).

Fyzický původ magnetismu

Permanentní magnety

Normální hmota je složená z částic jako jsou protony, neutrony a elektrony a všechny mají základní vlastnost: spin. Spin dává každé této částici určité magnetické pole. Proto, a také proto, že průměrný mikroskopický kousek hmoty obsahuje obrovské množství těchto částic, by se dalo očekávat, že všechna hmota bude magnetická. Dokonce i antihmota by měla magnetické vlastnosti. Přesto tomu tak není. V každém atomu a molekule je spin těchto částic přísně uspořádán podle Pauliho vylučovacího principu. Tento princip uspořádání spinu ale neplatí na velkou vzdálenost mezi atomy a molekulami. Bez tohoto vzdáleného uspořádání zde nevzniká síťové magnetické pole, protože magnetický moment každé z částic je vyrušen momentem ostatních částic. Permanentní magnety jsou zvláštní v tom, že u nich vzdálené uspořádání existuje. Nejvyšší stupeň uspořádání existuje v magnetických doménách. To se dá přirovnat k mikroskopickým sousedstvím, ve kterých je silné působení mezi částicemi a výsledkem toho je vysoká úroveň uspořádanosti. Čím vyšší je uspořádanost v doméně, tím silnější je výsledné pole. Vzdálené uspořádání (a výsledné silné magnetické pole) je hlavním znakem feromagnetických materiálů.

Elektrické vytvoření magnetismu

Elektrony hrají hlavní roli ve vytváření magnetického pole. Uvnitř atomu mohou elektrony existovat buď samostatně nebo v párech na jakékoliv orbitě. Jestliže jsou spárované, tak jednotlivé elektrony z tohoto páru mají opačný spin - jeden horní, druhý dolní. Fakt, že spiny jsou opačné, znamená, že jeden druhého vyruší. Jestliže jsou všechny elektrony spárované, magnetické pole se nevytvoří. V některých atomech jsou nespárované elektrony. Všechny magnety mají nespárované elektrony, ale ne všechny atomy s nespárovanými elektrony jsou feromagnetické. Aby byl materiál feromagnetický, musí obsahovat nespárované elektrony, ale tyto na sebe musí působit přes velkou vzdálenost tak, aby byly všechny orientované na stejnou stranu. Specifické postavení elektronů v atomu (a také vzdálenost mezi atomy) je to co vytváří vzdálené uspořádání. Elektrony mají nižší energii pokud jsou stejně orientované...

Elektromagnety

Podrobnější informace naleznete v článku: Elektromagnet.

Princip elektromagnetu

Podrobnější informace naleznete v článku: Cívka

Elektromagnet, ve své nejjednodušší formě, je cívka: drát svinutý do smyček. Když smyčkou prochází elektrický proud, vytvoří se magnetické pole. Orientace tohoto pole lze určit podle pravidla pravé ruky. Síla pole je ovlivněna několika faktory:

• Počet smyček cívky a velikost budicího proudu je určující pro velikost magnetického napětí: Čím více smyček a čím vyšší proud, tím silnější magnetické pole vznikne.
• Materiálem jádra cívky je dán magnetický odpor magnetického obvodu: paramagnetické a především feromagnetické materiály mají malý měrný magnetický odpor, proto se do nich siločáry pole koncentrují (cesta nejmenšího odporu) a tímto koncentrováním magnetického toku lze ve vzduchové mezeře dosáhnout vyšší intenzity magnetického pole než v situaci bez použití jádra. Pro tento účel se běžně používá magneticky měkké železo. Vhodně zvoleným materiálem lze pole zesílit (koncentrovat) i stokrát, tisíckrát, což je dáno permeabilitou toho materiálu.

Specifika elektromagnetů

Na dlouhé vzdálenosti lze i dipólové magnetické pole modelovat v ose dipólu obdobně jako gravitační nebo elektrické pole okolo bodového náboje: Jeho intenzita klesá podle kvadratické hyperboly. To znamená, že síla pole magnetu je nepřímo úměrná čtverci vzdálenosti od něj. Tažná síla elektromagnetu přímo závisí na toku, který prochází břemenem (např. plech), a tedy i na ploše, kterou se břemeno s elektromagnetem dotýkají. V praxi tedy záleží tedy i na hladkosti povrchů. Jesliže smyčkou elektromagnetu prochází příliš velký proud, magnetická síla sousedících smyček cívky může způsobit, že se elektromagnet sám rozdrtí, vlastní magnetickou silou.

Použití elektromagnetů

Elektromagnety se používají v mnoha případech, od urychlovače částic, přes jeřáby na šrotišti, až po stroje pro magnetickou rezonanci. Existují také speciální procesy, které vyžadují více než jednoduchý dvojpólový magnet, jako například čtyřpólový magnet, který se používá pro zaostřování paprsků částic, jako například u televize s elektronkovou obrazovkou. třeba i muže byt u lednice.

Charakteristiky magnetů

Permanentní magnety a dipóly

Všechny magnety mají alespoň dva póly: čili mají nejméně jeden severní a jeden jižní pól. Póly nejsou párem věcí na nebo uvnitř magnetu. Jedná se pouze o pojem sloužící k popisu magnetů. Na začátku článku je obrázek magnetu, póly na něm vypadají jako dvě specifické oblasti, protože největší povrchová intenzita pole se objevuje na pólech magnetu, ale neznamená to, že se jedná o specifické oblasti. K pochopení pólů si lze představit řadu lidí, kteří se všichni dívají stejným směrem a stojí v jedné rovině. I když můžeme vymezit oblast, kde se nachází všechna čela a kde všechny týly, neexistuje jediný bod ve kterém by se všechny nacházely. Každý jediný člověk má na jedné straně čelo a na druhé týl. Když se řada rozdělí na půl, každá polovina bude stále mít čelo a týl. Dokonce i když řadu rozdělíme na jednotlivé osoby, každá z nich bude mít své čelo a týl. Takto se dá postupovat do nekonečna. Stejné je to s magnety. Na magnetu není místo, kde by se nacházely všechny jižní či severní póly. Když se magnet rozdělí na dva, tak oba dva budou mít severní i jižní pól. Tyto dva menší magnety se dají dále rozdělit a každý díl bude mít zase oba póly. Ve většině případů se stane, že když budeme materiál rozdělovat na stále menší a menší části, časem se dostaneme do bodu, kdy už budou jednotlivé částečky natolik malé, že si nedokáží udržet magnetické pole. Přesto se ale nestanou oddělenými póly, jen ztratí schopnost udržet si magnetické pole. Některé materiály ale můžeme rozdělit až na molekulární úroveň a stále si zachovají pole s jižním a severním pólem. Existují teorie o samostatných jižních a severních pólech - magnetických monopólech, ale takový monopól ještě nebyl nikde nalezen.

Určení severního pólu a zemské magnetické pole

Standardní pojmenování pólů magnetu je důležité. Už v historii termíny severní a jižní ukazovaly na uvědomí si vztahu mezi magnety a magnetickým polem země. Volně podepřený magnet se časem vždy natočí od severu k jihu, protože je přitahován k severnímu a jižnímu zemskému magnetickému pólu. Konec magnetu, který zjevně směřuje spíše k severnímu zemskému geografickému pólu, se označuje jako severní pól magnetu, část směřující k jihu zase jako jižní pól magnetu. Současný geografický severní pól je vlastně magnetickým jihem. Situace je komplikovaná, protože zmagnetizované horniny na oceánském dně ukazují, že magnetické pole Země se v minulosti již mnohokrát otočilo, takže toto pojmenování pólů bude v budoucnu zase obráceně. Navíc zemské magnetické póly nejen že přesně neodpovídají geografickým pólům o celé stupně, ale dokonce mohou být i na rovníku nebo jich Země může mít i více než jen dva, tak, jak se mění momentální stav zemského jádra. Aby se těmto problémům mezi geografickými a magnetickými póly předešlo, u magnetů se často používá označení pozitivní a negativní pól: Pozitivní je ten, který se otáčí k současnému severnějšímu magnetickému pólu. Naštěstí použitím pravidla pravé ruky pro magnetismus a elektromagnety lze orientaci magnetického pole magnetu určit i bez znalosti zemského geomagnetického pole.

Obvyklé použití magnetů a elektromagnetů

• Magnetická záznamová média: Obvyklé VHS kazety obsahují kotouč s magnetickým páskem. Informace, která přináší zvuk a obraz je zakódována v magnetické vrstvě pásku. Obvyklé audio kazety také používají magnetický pásek. Podobně je tomu u počítačů, diskety a harddisky zaznamenávají data na tenkou magnetickou vrstvu.
• Kreditní a magnetické karty: Mají na jedné straně magnetický pásek. Ten obsahuje nutné informace pro spojení s bankou nebo různé formy klíčů.
• Televize a počítačové monitory: Velká většina televizorů a monitorů se spoléhá na elektromagnet, který vytváří obraz pomocí katodové trubice. Plazmové obrazovky a LCD panely používají zcela jinou technologii.
• Reprobedny a mikrofony: Reprobedny se spoléhají na kombinaci permanentního magnetu a elektromagnetu. Reproduktor je zařízení, které přeměňuje elektrickou energii (signál) na mechanickou energii (zvuk). Elektromagnet přenáší signál, který vytváří proměnlivé magnetické pole a to přitahuje nebo odpuzuje pole vytvořené permanentním magnetem. Toto přitahování a odpuzování pohybuje s membránou a ta vytváří zvuk. Ne všechny reprobedny používají tuto technologii, ale většina ano. Standardní mikrofóny jsou založené na stejném principu, ale obráceně. Mikrofon má kužel nebo membránu připojenou na smyčku drátu. Smyčka spočívá uvnitř speciálně vytvarovaného magnetu. Když zvuk zavibruje membránou, tak smyčka zavibruje stejně. Tím jak se smyčka pohybuje v magnetickém poli vytváří napětí (Lenzův zákon). Toto napětí v drátu je nyní elektrickým signálem, který představuje původní zvuk.
• Elektromotory a generátory: Některé elektrické motory (podobně jako reprobedny) se spoléhají na elektromagnet a permanentní magnet a na stejném principu mění elektrickou energii v mechanickou. Generátor funguje obráceně: mění mechanickou energii v elektrickou.
• Transformátory: Transformátory jsou zařízení, která přenášejí elektrickou energii mezi dvěma cívkami, které jsou elektricky odizolované, ale propojené magneticky.
• Magie: Přirozeně magnetický Magnetovec se stejně jako železné magnety používal ve spojení s jemnými železnými zrnky („magnetický písek“) v afro-americké lidové magii známé jako hoodoo. Kameny jsou symbolicky spojeny se jmény lidí a rituálně posypané magnetickým pískem aby ukázaly svoje magnetické pole. Jeden kámen se dá použít aby osobě přinesl vytoužené věci; dva kameny se dají použít aby se dva lidé do sebe zamilovali.

Magnetizování materiálů

Podrobnější informace naleznete na stránce: magnetizace

Feromagneticky tvrdé materiály se dají trvale zmagnetovat následujícími způsoby:

• Vložením předmětu do magnetického pole si daná věc udrží některé magnetické vlastnosti i po vyjmutí z magnetického pole. Ukázalo se, že vibrace tento efekt zvyšuje.2010-04-17 Železné materiály spojené se zemským magnetickým polem a vystavené vibracím (jako například rám nákladního vozu) získávají značné množství zbytkového magnetismu.
• Vložením předmětu do solenoidu, kterým prochází stejnosměrný proud.
• Hlazením - přejíždíme magnetem po nějaké věci opakovaně z jednoho konce na druhý stále ve stejném směru.
• Vložením ocelové tyče do magnetického pole, jejím ohřátím na vysokou teplotu a nakonec, když chladne, bušením do tyče kladivem. Je také možno položit magnet v severo-jižním směru do zemského magnetického pole. V tomto případě nebude magnet příliš silný, ale efekt bude stálý.

Odmagnetování

Permanentní magnety se dají odmagnetizovat následujícími způsoby:

• Ohřátím magnetu nad Curieho teplotu, což zničí uspořádání domén v magnetu.
• Křesáním jednoho magnetu o druhý v náhodných směrech se tyto odmagnetují. To funguje jen někdy, některé materiály mají velmi velké koercitivní pole a nedají se odmagnetovat jinými permanentními magnety.
• Bití kladivem nebo pěchování zničí uspořádání domén v magnetu. Ovšem také tak lze domény uspořádat zase jinak (např. válcováním za studena, ad orientovaný transformátorový plech).
• Vložení magnetu do solenoidu s buzením střídavým proudem mění uspořádání jednotlivých domén, ty se orientují především ve dvou směrech, čímž se v součtu jejich dílčí magnetická pole vyruší. Tedy obdobně, jako stejnosměrný proud naopak domény uspořádává, obzvlášť konstantní se stejnosměrnými pulsy (například superpozice stejnosměrného budicího proudu s menším sinusoidním).

Při pokusech o vyrušení magnetického pole elektromagnetu nepomůže ani přerušení proudu přesně při jeho průchodu nulou: V jádru může zůstat slabé magnetické pole v důsledku hystereze, a to i přesto, že jde o jádro z magneticky měkkého materiálu (např. z měkkého železa).

Materiály permanentních magnetů

Hromádka feritových magnetů

Moderní magnety na bázi vzácných zemin:

• Neodymové magnety (NdFeB) - dosud nejsilnější typy magnetů.
• Samarium-kobaltové magnety (SmCo)

Ostatní magnety:

• Alnico magnety
• Feritové magnety
• Plastické magnety
• Pružné magnety

Magnetické síly

Zmagnetované látky na sebe vzájemně působí.

Síly mezi magnety

Když se k sobě dostatečně přiblíží dva magnety, budou na sebe působit takto:

• Když se přiblíží severní póly magnetů, magnety se budou odpuzovat.
• Když se severní pól jednoho magnetu přiblíží k jižnímu pólu druhého magnetu, magnety se budou přitahovat.

Magnety a feromagnetické materiály

Když se magnet dostatečně přiblíží k feromagnetickému materiálu (který není zmagnetizovaný), magnet začne feromagnetický materiál silně přitahovat bez ohledu na jejich vzájemné postavení. Jak jižní tak severní pól budou přitahovat materiál stejnou silou.

Magnety a diamagnetické materiály

Podle definice diamagnetické materiály slabě odpuzují magnetické pole nezávisle na severo-jižní orientaci.

Magnety a paramagnetické materiály

Podle definice paramagnetické materiály jsou magnetickým polem slabě přitahovány bez ohledu na severo-jižní orientaci.

Výpočet magnetické síly

Výpočet přitažlivé nebo odpudivé síly mezi dvěma magnety je obecně velmi komplikovaný, protože záleží na tvaru, zmagnetování, orientaci a vzdálenosti magnetů.

Síla mezi dvěma monopóly

Síla mezi dvěma monopóly se vypočte takto:

\(F={{\mu m_1m_2}\over{4\pi r^2}}\) [1]

kde

F je síla, jednotka newton

m je magnetické množství pólů, jednotka ampér·metr

μ je permeabilita média mezi magnety, jednotka teslametr na ampér nebo henry na metr

r je vzdálenost magnetů, jednotka metr.

Protože magnetické monopóly existují jenom teoreticky, tato rovnice nepopisuje fyzicky uskutečnitelný stav. Je zde uvedena, protože se jedná o nejjednodušší výpočet magnetických sil. Ve skutečnosti bude užitečnější vzorec uvedený níže.

Síla mezi dvěma velmi blízkými přitahujícími se povrchy

\(F=\frac{AB^2}{2\mu_0}\) [2]

kde

A je plocha každého povrchu, v m², a

B je magnetická indukce mezi povrchy, v tesla

Síla mezi dvěma tyčovými magnety

Síla mezi dvěma identickými válcovými magnety jejichž konce jsou vedle sebe:

\(F=\mu_0L^2}\right] \left[{\frac 1 {x^2}} + {\frac 1 {(x+2L)^2}} - {\frac 2 {(x+L)^2}} \right]\) [3]

kde

B₀ je magnetická indukce každé tyče, v T,

A je povrch každé tyče, v m²,

L je délka každého magnetu, v m,

R je průměr každého magnetu, v m, a

x je vzdálenost mezi magnety, v m

Reference

Související články

• elektromagnet
• elektromagnetismus
• elektromagnetické pole
• neodymový magnet
• diamagnetismus
• magnetický dvojpól
• magnetismus
• molekulární magnet
• paramagnetismus
• jednomolekulový magnet
• magnetická terapie