Magnetismo ed elettromagnetismo
Magneti naturali e artificiali
Tra i minerali di ferro estratti per l'industria metallurgica c'è un minerale chiamato minerale di ferro magnetico. Questo minerale ha la proprietà di attirare a sé oggetti di ferro.
Un pezzo di tale minerale di ferro è chiamato magnete naturale e la proprietà di attrazione che esibisce è il magnetismo.
Al giorno d'oggi, il fenomeno del magnetismo è ampiamente utilizzato in varie installazioni elettriche. Tuttavia, ora non usano magneti naturali, ma cosiddetti artificiali.
I magneti artificiali sono realizzati con acciai speciali. Un pezzo di tale acciaio viene magnetizzato in modo speciale, dopodiché acquisisce proprietà magnetiche, cioè diventa magnete permanente.
La forma dei magneti permanenti può essere molto varia, a seconda del loro scopo.
In un magnete permanente, solo i suoi poli hanno forze gravitazionali. Si concorda che l'estremità rivolta a nord del magnete sia chiamata magnete del polo nord, e l'estremità rivolta a sud è il magnete del polo sud. Ogni magnete permanente ha due poli: nord e sud. Il polo nord di un magnete è indicato dalla lettera C o N, il polo sud dalla lettera Yu o S.
Il magnete attira a sé ferro, acciaio, ghisa, nichel, cobalto. Tutti questi corpi sono chiamati corpi magnetici. Tutti gli altri corpi che non sono attratti da una calamita sono chiamati corpi non magnetici.
La struttura del magnete. Magnetizzazione
Ogni corpo, incluso quello magnetico, è costituito dalle particelle più piccole: le molecole. A differenza delle molecole di corpi non magnetici, le molecole di un corpo magnetico hanno proprietà magnetiche, rappresentando magneti molecolari. All'interno di un corpo magnetico, questi magneti molecolari sono disposti con i loro assi in direzioni diverse, con il risultato che il corpo stesso non presenta alcuna proprietà magnetica. Ma se questi magneti sono costretti a ruotare attorno ai loro assi in modo che i loro poli nord girino in una direzione e i loro poli sud nell'altra, allora il corpo acquisirà proprietà magnetiche, cioè diventerà un magnete.
Viene chiamato il processo mediante il quale un corpo magnetico acquisisce le proprietà di un magnete magnetizzazione... Nella produzione di magneti permanenti, la magnetizzazione viene effettuata con l'ausilio di una corrente elettrica. Ma puoi magnetizzare il corpo in un altro modo, usando un normale magnete permanente.
Se un magnete rettilineo viene tagliato lungo una linea neutra, si otterranno due magneti indipendenti e la polarità delle estremità del magnete verrà preservata e alle estremità ottenute a seguito del taglio appariranno poli opposti.
Ciascuno dei magneti risultanti può anche essere diviso in due magneti, e non importa quanto continuiamo questa divisione, otterremo sempre magneti indipendenti con due poli. È impossibile ottenere una barra con un polo magnetico. Questo esempio conferma la posizione secondo cui il corpo magnetico è costituito da molti magneti molecolari.
I corpi magnetici differiscono l'uno dall'altro nel grado di mobilità dei magneti molecolari. Ci sono corpi che vengono rapidamente magnetizzati e altrettanto rapidamente smagnetizzati. Al contrario, ci sono corpi che si magnetizzano lentamente ma mantengono a lungo le loro proprietà magnetiche.
Quindi il ferro si magnetizza rapidamente sotto l'azione di un magnete esterno, ma altrettanto rapidamente si smagnetizza, cioè perde le sue proprietà magnetiche quando il magnete viene rimosso.L'acciaio, dopo essere stato magnetizzato, conserva a lungo le sue proprietà magnetiche, cioè , diventa un magnete permanente.
La proprietà del ferro di magnetizzare e smagnetizzare rapidamente è spiegata dal fatto che i magneti molecolari del ferro sono estremamente mobili, ruotano facilmente sotto l'influenza di forze magnetiche esterne, ma altrettanto rapidamente ritornano alla loro precedente posizione disordinata quando il corpo magnetizzante è rimosso.
Nel ferro, tuttavia, una piccola parte dei magneti, e dopo la rimozione del magnete permanente, rimangono ancora per qualche tempo nella posizione che occupavano al momento della magnetizzazione. Pertanto, dopo la magnetizzazione, il ferro conserva proprietà magnetiche molto deboli. Ciò è confermato dal fatto che quando la piastra di ferro è stata rimossa dal polo del magnete, non tutta la segatura è caduta dalla sua estremità, una piccola parte è rimasta attratta dalla piastra.
La proprietà dell'acciaio di rimanere magnetizzato a lungo è spiegata dal fatto che i magneti molecolari dell'acciaio difficilmente ruotano nella direzione desiderata durante la magnetizzazione, ma mantengono a lungo la loro posizione stabile anche dopo la rimozione del corpo magnetizzante.
La capacità di un corpo magnetico di esibire proprietà magnetiche dopo la magnetizzazione è chiamata magnetismo residuo.
Il fenomeno del magnetismo residuo è causato dal fatto che in un corpo magnetico esiste una cosiddetta forza ritardante che mantiene i magneti molecolari nella posizione che occupano durante la magnetizzazione.
Nel ferro l'azione della forza ritardante è molto debole, con il risultato che si smagnetizza rapidamente e ha pochissimo magnetismo residuo.
La proprietà del ferro di magnetizzare e smagnetizzare rapidamente è ampiamente utilizzata nell'ingegneria elettrica. Basti dire che i nuclei di ciascuno elettromagnetiquelli utilizzati nei dispositivi elettrici sono realizzati in ferro speciale a bassissimo magnetismo residuo.
L'acciaio ha un grande potere di tenuta, grazie al quale viene preservata la proprietà del magnetismo. Ecco perché magneti permanenti sono realizzati in speciali leghe di acciaio.
Le proprietà dei magneti permanenti sono influenzate negativamente da urti, urti e improvvise fluttuazioni di temperatura. Se, ad esempio, un magnete permanente viene riscaldato fino al rosso e poi lasciato raffreddare, perderà completamente le sue proprietà magnetiche. Allo stesso modo, se sottoponi un magnete permanente a urti, la sua forza di attrazione diminuirà notevolmente.
Ciò è spiegato dal fatto che con un forte riscaldamento o urti, l'azione di una forza ritardante viene superata e quindi la disposizione ordinata dei magneti molecolari viene disturbata. Pertanto, i magneti permanenti e i dispositivi a magneti permanenti devono essere maneggiati con cura.
Linee di forza magnetiche. Interazione dei poli dei magneti
Intorno a ogni magnete c'è un cosiddetto campo magnetico.
Un campo magnetico è chiamato lo spazio in cui le forze magnetiche... Il campo magnetico di un magnete permanente è quella parte dello spazio in cui agiscono i campi di un magnete rettilineo e le forze magnetiche di questo magnete.
Le forze magnetiche del campo magnetico agiscono in determinate direzioni... Le direzioni di azione delle forze magnetiche hanno concordato di essere chiamate linee di forza magnetiche... Questo termine è ampiamente usato nello studio dell'ingegneria elettrica, ma va ricordato che le linee di forza magnetiche non sono materiali: questo è un termine convenzionale introdotto solo per facilitare la comprensione delle proprietà del campo magnetico.
La forma del campo magnetico, cioè la posizione delle linee del campo magnetico nello spazio, dipende dalla forma del magnete stesso.
Le linee del campo magnetico hanno una serie di proprietà: sono sempre chiuse, non si incrociano mai, tendono a prendere il percorso più breve e si respingono se puntano nella stessa direzione.È generalmente accettato che le linee di forza escano dal polo nord del magnete ed entrare nel suo polo sud; all'interno del magnete, hanno una direzione dal polo sud al nord.
Come i poli magnetici si respingono, a differenza dei poli magnetici si attraggono.
È facile convincersi della correttezza di entrambe le conclusioni nella pratica. Prendi una bussola e portaci uno dei poli di un magnete rettilineo, ad esempio il polo nord. Vedrai che la freccia girerà istantaneamente la sua estremità sud verso il polo nord del magnete. Se giri rapidamente il magnete di 180 °, l'ago magnetico girerà immediatamente di 180 °, cioè la sua estremità nord sarà rivolta verso il polo sud del magnete.
Induzione magnetica. Flusso magnetico
La forza di azione (attrazione) di un magnete permanente su un corpo magnetico diminuisce all'aumentare della distanza tra il polo del magnete e questo corpo. Un magnete mostra la massima forza di attrazione direttamente ai suoi poli, cioè esattamente dove le linee di forza magnetica sono localizzate più densamente. Allontanandosi dal polo, la densità delle linee di forza diminuisce, si trovano sempre più raramente, insieme a questo si indebolisce anche la forza di attrazione del magnete.
Pertanto, la forza di attrazione di un magnete in diversi punti del campo magnetico non è la stessa ed è caratterizzata dalla densità delle linee di forza. Per caratterizzare il campo magnetico nei suoi vari punti si introduce una grandezza chiamata induzione del campo magnetico.
L'induzione magnetica del campo è numericamente uguale al numero di linee di forza che attraversano un'area di 1 cm2, situata perpendicolarmente alla loro direzione.
Ciò significa che maggiore è la densità delle linee di campo in un dato punto del campo, maggiore è l'induzione magnetica in quel punto.
Il numero totale di linee di forza magnetiche che attraversano una regione è chiamato flusso magnetico.
Il flusso magnetico è indicato dalla lettera F ed è correlato all'induzione magnetica attraverso la seguente relazione:
Ф = BS,
dove F è il flusso magnetico, V è l'induzione magnetica del campo; S è l'area attraversata da un dato flusso magnetico.
Questa formula è valida solo se l'area S è perpendicolare alla direzione del flusso magnetico. Altrimenti, l'entità del flusso magnetico dipenderà anche dall'angolo in cui si trova l'area S, e quindi la formula assumerà una forma più complessa.
Il flusso magnetico di un magnete permanente è determinato dal numero totale di linee di forza che attraversano la sezione trasversale del magnete.Maggiore è il flusso magnetico di un magnete permanente, più attraente è quel magnete.
Il flusso magnetico di un magnete permanente dipende dalla qualità dell'acciaio di cui è composto il magnete, dalle dimensioni del magnete stesso e dal grado della sua magnetizzazione.
Permeabilità magnetica
Viene chiamata la proprietà di un corpo di consentire il flusso magnetico attraverso se stesso permeabilità magnetica... È più facile che il flusso magnetico passi attraverso l'aria che attraverso un corpo non magnetico.
Essere in grado di confrontare diverse sostanze in base alla loro permeabilità magnetica, è consuetudine considerare la permeabilità magnetica dell'aria uguale all'unità.
Sono chiamate sostanze con permeabilità magnetica inferiore all'unità diamagnetica... Includono rame, piombo, argento, ecc.
Alluminio, platino, stagno, ecc. Hanno una permeabilità magnetica leggermente superiore all'unità e sono chiamate sostanze paramagnetiche.
Le sostanze con una permeabilità magnetica molto maggiore di uno (misurata in migliaia) sono chiamate ferromagnetiche. Questi includono nichel, cobalto, acciaio, ferro, ecc. Tutti i tipi di dispositivi magnetici ed elettromagnetici e parti di varie macchine elettriche sono prodotti da queste sostanze e dalle loro leghe.
Di interesse pratico per le tecnologie della comunicazione sono le speciali leghe ferro-nichel chiamate permaloid.