Magnetismus und Elektromagnetismus
Natürliche und künstliche Magnete
Zu den für die metallurgische Industrie geförderten Eisenerzen gehört ein Erz namens magnetisches Eisenerz. Dieses Erz hat die Eigenschaft, Eisengegenstände anzuziehen.
Ein Stück solchen Eisenerzes wird als natürlicher Magnet bezeichnet, und die Anziehungseigenschaft, die es aufweist, ist Magnetismus.
Heutzutage wird das Phänomen des Magnetismus in verschiedenen Elektroinstallationen äußerst häufig genutzt. Allerdings verwenden sie mittlerweile keine natürlichen, sondern sogenannte künstliche Magnete.
Künstliche Magnete bestehen aus Spezialstählen. Ein Stück eines solchen Stahls wird auf besondere Weise magnetisiert, wodurch es magnetische Eigenschaften erhält, das heißt, es wird Dauermagnet.
Die Form von Permanentmagneten kann je nach Verwendungszweck sehr unterschiedlich sein.
Bei einem Permanentmagneten üben nur seine Pole Gravitationskräfte aus. Es wird vereinbart, dass das nach Norden gerichtete Ende des Magneten Nordpolmagnet und das nach Süden gerichtete Ende Südpolmagnet genannt wird. Jeder Permanentmagnet hat zwei Pole: Nord und Süd. Der Nordpol eines Magneten wird durch den Buchstaben C oder N gekennzeichnet, der Südpol durch den Buchstaben Yu oder S.
Der Magnet zieht Eisen, Stahl, Gusseisen, Nickel, Kobalt an. Alle diese Körper werden magnetische Körper genannt. Alle anderen Körper, die nicht von einem Magneten angezogen werden, werden als nichtmagnetische Körper bezeichnet.
Die Struktur des Magneten. Magnetisierung
Jeder Körper, auch der magnetische, besteht aus kleinsten Teilchen – Molekülen. Im Gegensatz zu den Molekülen nichtmagnetischer Körper haben die Moleküle eines magnetischen Körpers magnetische Eigenschaften und stellen molekulare Magnete dar. Im Inneren eines magnetischen Körpers sind diese molekularen Magnete mit ihren Achsen in unterschiedliche Richtungen angeordnet, so dass der Körper selbst keine magnetischen Eigenschaften aufweist. Wenn diese Magnete jedoch gezwungen werden, sich um ihre Achsen zu drehen, sodass sich ihre Nordpole in die eine und ihre Südpole in die andere Richtung drehen, erhält der Körper magnetische Eigenschaften, das heißt, er wird zum Magneten.
Der Vorgang, durch den ein magnetischer Körper die Eigenschaften eines Magneten erhält, heißt Magnetisierung... Bei der Herstellung von Permanentmagneten erfolgt die Magnetisierung mit Hilfe von elektrischem Strom. Sie können den Körper aber auch auf andere Weise magnetisieren, indem Sie einen gewöhnlichen Permanentmagneten verwenden.
Wenn ein geradliniger Magnet entlang einer neutralen Linie geschnitten wird, erhält man zwei unabhängige Magnete, und die Polarität der Enden des Magneten bleibt erhalten, und an den durch das Schneiden erhaltenen Enden erscheinen entgegengesetzte Pole.
Jeder der resultierenden Magnete kann auch in zwei Magnete geteilt werden, und egal wie sehr wir diese Teilung fortsetzen, wir werden immer unabhängige Magnete mit zwei Polen erhalten. Es ist unmöglich, einen Stab mit einem Magnetpol zu erhalten. Dieses Beispiel bestätigt die Position, dass der magnetische Körper aus vielen molekularen Magneten besteht.
Magnetische Körper unterscheiden sich voneinander durch den Grad der Beweglichkeit der molekularen Magnete. Es gibt Körper, die schnell magnetisiert und ebenso schnell entmagnetisiert werden. Umgekehrt gibt es Körper, die langsam magnetisieren, aber ihre magnetischen Eigenschaften lange behalten.
So wird Eisen unter der Einwirkung eines externen Magneten schnell magnetisiert, aber ebenso schnell entmagnetisiert, d. h. es verliert seine magnetischen Eigenschaften, wenn der Magnet entfernt wird. Stahl behält nach der Magnetisierung seine magnetischen Eigenschaften für lange Zeit , wird es zu einem Permanentmagneten.
Die Eigenschaft von Eisen, sich schnell zu magnetisieren und zu entmagnetisieren, erklärt sich aus der Tatsache, dass die molekularen Magnete des Eisens äußerst beweglich sind, sie sich unter dem Einfluss äußerer magnetischer Kräfte leicht drehen, aber genauso schnell in ihre vorherige ungeordnete Position zurückkehren, wenn der magnetisierende Körper ist entfernt.
Im Eisen hingegen verbleibt ein kleiner Teil der Magnete auch nach Entfernung des Permanentmagneten noch einige Zeit in der Lage, die sie zur Zeit der Magnetisierung eingenommen haben. Daher behält Eisen nach der Magnetisierung sehr schwache magnetische Eigenschaften. Dies wird durch die Tatsache bestätigt, dass beim Entfernen der Eisenplatte vom Pol des Magneten nicht das gesamte Sägemehl von seinem Ende fiel – ein kleiner Teil davon blieb von der Platte angezogen.
Die Eigenschaft von Stahl, lange magnetisiert zu bleiben, erklärt sich aus der Tatsache, dass sich die molekularen Magnete von Stahl während der Magnetisierung kaum in die gewünschte Richtung drehen, sondern auch nach der Entfernung des magnetisierenden Körpers noch lange ihre stabile Position behalten.
Die Fähigkeit eines magnetischen Körpers, nach der Magnetisierung magnetische Eigenschaften aufzuweisen, wird als Restmagnetismus bezeichnet.
Das Phänomen des Restmagnetismus entsteht dadurch, dass in einem magnetischen Körper eine sogenannte Verzögerungskraft herrscht, die die molekularen Magnete während der Magnetisierung in der Position hält, die sie einnehmen.
Bei Eisen ist die Wirkung der Bremskraft sehr schwach, so dass es schnell entmagnetisiert und nur einen sehr geringen Restmagnetismus aufweist.
Die Eigenschaft von Eisen, sich schnell zu magnetisieren und zu entmagnetisieren, wird in der Elektrotechnik äußerst häufig genutzt. Es genügt zu sagen, dass die Kerne von jedem Elektromagnetesolche, die in Elektrogeräten verwendet werden, bestehen aus Spezialeisen mit extrem geringem Restmagnetismus.
Stahl hat eine große Haltekraft, wodurch die Eigenschaft des Magnetismus erhalten bleibt. deshalb Permanentmagnete bestehen aus speziellen Stahllegierungen.
Die Eigenschaften von Permanentmagneten werden durch Stöße, Stöße und plötzliche Temperaturschwankungen beeinträchtigt. Erhitzt man beispielsweise einen Permanentmagneten auf Rot und lässt ihn dann abkühlen, verliert er seine magnetischen Eigenschaften vollständig. Wenn Sie einen Permanentmagneten Stößen aussetzen, verringert sich seine Anziehungskraft ebenfalls erheblich.
Dies erklärt sich dadurch, dass bei starker Erwärmung oder Stößen die Wirkung einer bremsenden Kraft überwunden wird und somit die geordnete Anordnung der molekularen Magnete gestört wird. Deshalb müssen Permanentmagnete und Permanentmagnetgeräte sorgfältig gehandhabt werden.
Magnetische Kraftlinien. Wechselwirkung der Pole von Magneten
Um jeden Magneten herum befindet sich ein sogenannter Magnetfeld.
Als Magnetfeld bezeichnet man den Raum, in dem magnetische Kräfte wirken. Das Magnetfeld eines Permanentmagneten ist der Teil des Raumes, in dem die Felder eines geradlinigen Magneten und die magnetischen Kräfte dieses Magneten wirken.
Die magnetischen Kräfte des Magnetfeldes wirken in bestimmte Richtungen... Die Wirkungsrichtungen der magnetischen Kräfte werden nach Vereinbarung als magnetische Kraftlinien bezeichnet. Dieser Begriff wird im Studium der Elektrotechnik häufig verwendet, muss aber beachtet werden dass magnetische Kraftlinien nicht materiell sind: Dies ist ein herkömmlicher Begriff, der nur eingeführt wurde, um das Verständnis der Eigenschaften magnetischer Felder zu erleichtern.
Die Form des Magnetfeldes, also die Lage der magnetischen Feldlinien im Raum, hängt von der Form des Magneten selbst ab.
Magnetische Feldlinien haben eine Reihe von Eigenschaften: Sie sind immer geschlossen, kreuzen sich nie, nehmen tendenziell den kürzesten Weg und stoßen sich gegenseitig ab, wenn sie in die gleiche Richtung zeigen. Es ist allgemein anerkannt, dass Kraftlinien vom Nordpol ausgehen des Magneten und tritt in dessen Südpol ein; Im Inneren des Magneten haben sie eine Richtung vom Südpol nach Norden.
Gleiche magnetische Pole stoßen sich ab, ungleiche magnetische Pole ziehen sich an.
Von der Richtigkeit beider Schlussfolgerungen kann man sich in der Praxis leicht überzeugen. Nehmen Sie einen Kompass und bringen Sie einen der Pole eines geradlinigen Magneten darauf, zum Beispiel den Nordpol. Sie werden sehen, dass der Pfeil sein südliches Ende sofort zum Nordpol des Magneten dreht. Wenn Sie den Magneten schnell um 180° drehen, dreht sich die Magnetnadel sofort um 180°, d. h. ihr nördliches Ende zeigt zum Südpol des Magneten.
Magnetische Induktion. Magnetischer Fluss
Die Wirkungskraft (Anziehungskraft) eines Permanentmagneten auf einen magnetischen Körper nimmt mit zunehmendem Abstand zwischen dem Pol des Magneten und diesem Körper ab. Die größte Anziehungskraft entfaltet ein Magnet direkt an seinen Polen, also genau dort, wo die magnetischen Kraftlinien am dichtesten liegen. Mit zunehmender Entfernung vom Pol nimmt die Dichte der Kraftlinien ab, sie sind immer seltener zu finden, gleichzeitig lässt auch die Anziehungskraft des Magneten nach.
Somit ist die Anziehungskraft eines Magneten an verschiedenen Punkten des Magnetfeldes nicht gleich und wird durch die Dichte der Kraftlinien charakterisiert. Um das Magnetfeld an seinen verschiedenen Punkten zu charakterisieren, wird eine Größe namens Magnetfeldinduktion eingeführt.
Die magnetische Induktion des Feldes ist numerisch gleich der Anzahl der Kraftlinien, die durch eine Fläche von 1 cm2 verlaufen und senkrecht zu ihrer Richtung liegen.
Dies bedeutet, dass die magnetische Induktion an diesem Punkt umso größer ist, je größer die Dichte der Feldlinien an einem bestimmten Punkt im Feld ist.
Die Gesamtzahl der magnetischen Kraftlinien, die durch einen beliebigen Bereich verlaufen, wird als magnetischer Fluss bezeichnet.
Der magnetische Fluss wird mit dem Buchstaben F bezeichnet und steht in Zusammenhang mit der magnetischen Induktion durch die folgende Beziehung:
Ф = BS,
wobei F der magnetische Fluss und V die magnetische Induktion des Feldes ist; S ist die Fläche, die von einem bestimmten magnetischen Fluss durchdrungen wird.
Diese Formel ist nur gültig, wenn die Fläche S senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses steht. Andernfalls hängt die Größe des magnetischen Flusses auch vom Winkel ab, in dem sich die Fläche S befindet, und die Formel nimmt dann eine komplexere Form an.
Der magnetische Fluss eines Permanentmagneten wird durch die Gesamtzahl der Kraftlinien bestimmt, die durch den Querschnitt des Magneten verlaufen.Je größer der magnetische Fluss eines Permanentmagneten ist, desto attraktiver ist dieser Magnet.
Der magnetische Fluss eines Permanentmagneten hängt von der Qualität des Stahls, aus dem der Magnet besteht, von der Größe des Magneten selbst und dem Grad seiner Magnetisierung ab.
Magnetische Permeabilität
Die Eigenschaft eines Körpers, einen magnetischen Fluss durch sich selbst zuzulassen, heißt magnetische Permeabilität... Der magnetische Fluss kann leichter durch Luft fließen als durch einen nichtmagnetischen Körper.
Um verschiedene Substanzen nach ihren Eigenschaften vergleichen zu können magnetische Permeabilität, ist es üblich, die magnetische Permeabilität von Luft als gleich eins anzunehmen.
Man nennt sie Stoffe mit einer magnetischen Permeabilität von weniger als eins diamagnetisch... Dazu gehören Kupfer, Blei, Silber usw.
Aluminium, Platin, Zinn usw. Sie haben eine magnetische Permeabilität von etwas mehr als eins und werden paramagnetische Substanzen genannt.
Stoffe mit einer magnetischen Permeabilität von viel mehr als eins (gemessen in Tausend) werden als ferromagnetisch bezeichnet. Dazu gehören Nickel, Kobalt, Stahl, Eisen usw. Aus diesen Stoffen und ihren Legierungen werden alle Arten magnetischer und elektromagnetischer Geräte sowie Teile verschiedener elektrischer Maschinen hergestellt.
Von praktischem Interesse für Kommunikationstechnologien sind spezielle Eisen-Nickel-Legierungen, sogenannte Permaloide.