Að kanna heillandi eiginleika segla

Hverjir eru eiginleikar segla? Seglar eru óvenjulegir hlutir. Þeir geta ýtt eða toga í aðra hluti án þess að snerta þá! Fólk hefur vitað umseglumí þúsundir ára. Í Grikklandi til forna fundu menn merkilega steina sem kallast lodestones sem virkuðu eins og seglar. Steinarnir gátu snúist sjálfir til að benda norður og suður, í takt við segulsvið jarðar.

Í dag eru seglar notaðir í fullt af dóti sem við notum á hverjum degi. Það er enn miklu meira að afhjúpa um eiginleika segla og hvernig við getum nýtt þá.

Segulefni

Allir hlutir í heiminum sýna einhvers konar segulmagn. En styrkur segulmagnsins er mjög mismunandi á milli hluta. Byggt á eiginleikum segla höfum við fimm stóra hópa: ferromagnetic, paramagnetic, diamagnetic, ferrimagnetic og antiferromagnetic.

Járnsegulhlutir eins og járn, kóbalt og nikkel sýna sterkasta segulmagnið. Örsmá uppbygging þeirra getur útskýrt sterkan tog þeirra í átt að segulsviðum. Atómin í járnsegulhlutum hafa óviðjafnanlegar rafeindir sem vísa í sömu átt innan svæðis sem kallast segulsvið. Þessi vísa í sömu átt eykur segulsviðið og gerir varanlegan segul.

Parasegulhlutir eins og ál og platína dragast líka í átt að segulsviðum, en krafturinn er mun veikari en í járnsegulhlutum. Ósamþykktar rafeindir í parasegulatómum benda í átt að beitt sviði en halda ekki neinni segulmagni þegar sviðið er fjarlægt.

Diamagnetic hlutir eins og kopar og gull sýna veika ýta í burtu frá segulsviðum. Þegar þau eru sett í ytra sviði mynda frumeindir þeirra framkallað segulsvið í gagnstæða átt. Hins vegar hafa þeir enga varanlega atóm tvípóla.

Ferrimagnetic hlutir sýna flókna segulröðun þar sem ósamþykktar rafeindir atóma á mismunandi grindunum standast hvor aðra, eins og í andferromagnets. En ferrimagnets halda varanlega segulmyndun þar sem andstæðar ósamþykktar rafeindir eru misjafnar. Ferrít eins og magnetít eru hversdagslegir ferromagnetic hlutir.

Tafla 1: Segulefni

Segullén

Öll efni sem eru járnsegulmagnuð hafa örsmáa segla inni í þeim sem kallast atómtvípólar. Þessir örsmáu seglar vísa venjulega í handahófskenndar áttir, þannig að þeir hætta hver öðrum. Þetta þýðir að efnið hefur enga heildarsegulmagn þegar það er látið vera í friði. En þegar efnið verður segulmagnað, raðast litlu seglarnir inni upp!

Segulvæðing á sér stað þegar hópar atóma sem kallast segulsvið fá örsmáa segla sína til að vísa sömu leið. Litlu seglarnir benda saman inn í hvert lén vegna þess að þeir eru sterklega tengdir. En mismunandi lén munu vísa í handahófskenndar áttir áður en segulvæðing á sér stað.

Ytri kraftar eins og segulsvið geta valdið því að lénin stækka og stilla upp litlum seglum sínum. Þetta gerir varanlegan segull. Upphitun efnis gefur einnig örsmáum seglum orku til að hreyfa sig. Þetta gerir lénum kleift að stilla upp litlum seglum sínum.

Annað sem hefur áhrif á hvernig lénum örsmáa segla er raðað eru streita, kornamörk, óhreinindi og afsegulsvið. Styrkur seguls fer eftir því hversu mörg lén fá pínulitlu seglana til að raða sér saman og hversu vel þau standast utanaðkomandi öfl sem reyna að klúðra þeim.

Segulsvið

Seglar búa til ósýnileg svæði umhverfis þá sem kallast segulsvið. Segulflæðið er rýmið í kringum segul þar sem þú getur fundið kraft hans. Til að sjá segulflæðið teiknum við segulsviðslínur. Fleiri línur þýða sterkara segulsvið. Línurnar koma út úr norðurpól segulsins og sveigjast að suðurpólnum.

Segulsvið verða þegar örsmáar rafhleðslur hreyfast um. Inni í atómum snúast rafeindirnar og fara um á brautum. Hvert atóm er pínulítill segull með sinn norður- og suðurpól. Í segulmagnuðum efnum eru örsmáir seglarnir í lénum í röð. Þetta sameinar öll segulsvið þeirra til að búa til eitt stórt segulsvið sem vísar aðra leið. Þannig fá varanlegir seglar svo sterk segulsvið.

Ósýnilega segulsviðið er sterkara og nær seglinum. Það verður veikara eftir því sem þú færð lengra í burtu. Minni seglar hafa minni og veikari segulsvið. Stærri seglar hafa stærri og sterkari segulsvið.

Segulskautar

Seglar hafa norður- og suðurpól. Þetta eru svæði þar sem segulkrafturinn er sterkastur. Andstæðir skautar draga hver annan að sér. Norður- og suðurpólar standa saman. Sömu skautarnir ýta frá hvor öðrum. Tveir norðurskautar eða tveir suðurskautar hrinda frá sér og ýta í sundur.

Þetta gerist vegna þess hvernig ósýnilegu segulsviðslínurnar flæða. Línurnar fara frá norðurpólnum til suðurpólsins innan segulsins. Á atómstigi hefur hver pínulítill segull inni segulsviðslínur sem flæða norður til suðurs. Í segli raða allir litlu seglunum upp segulsviði sínu.

Varanlegir seglar

Þó að sum efni eins og járn séu náttúrulega segulmagnaðir, eru varanlegir seglar oft framleiddir tilbúnar með segulvæðingu. Járn, nikkel, kóbalt eða málmblöndur gera venjulega bestu varanlegu seglana.

Segulvæðing felur í sér að efnið verður fyrir sterku ytra segulsviði frá rafsegul eða öðrum varanlegum segul. Þetta veldur því að segulsviðin vaxa og samræmast ytra sviðinu og mynda sterkan varanlegan segul. Harðir seglar standast afsegulmyndun á meðan mjúkir seglar missa segulmagnið auðveldara.

Styrkur varanlegs seguls er í samræmi við þvingunarkraft hans, sviðsstyrkinn sem þarf til að afsegulmagna hann. Mikil þvingunarefni geta búið til öfluga varanlega segla en það er erfiðara að segulmagna í upphafi. Hámarks segulflæðisþéttleiki eða mettunar segulmagn og leifar segulmagn hefur einnig áhrif á styrk segulsins.

Rafseglar

Auk varanlegra segla nota rafseglar rafstrauma til að framkalla tímabundna segulmagn. Þegar rafstraumur fer í gegnum spóluna myndar hann segulsvið samsíða ás spólunnar. Sviðsstyrkurinn eykst með fleiri lykkjum og meiri straumi.

Efnið inni í spólunni skiptir líka máli. Mjúkt járn gerir segulsviðið sterkara. Járn getur látið rafsegul lyftast 100 sinnum meira. En járn hægir líka á því hversu hratt segullinn bregst við.

Rafseglar þurfa afl til að vera segulmagnaðir. Varanlegir seglar gera það ekki. En rafseglar geta kveikt og slökkt hratt. Kraftur þeirra getur breyst samstundis líka. Þetta gerir þær hentugar til að lyfta þungu járni og segulómskoðun sem þarfnast breytilegs segulsviðs.

Segulstyrkur og segulmagnaðir augnablik

Hversu segulmagnað eitthvað er fer eftir því hversu mikið segulmagn á sér stað nálægt segulsviði. Hversu vel það er í samræmi við segulsviðið kallast segulmagnaðir augnablik. Þetta fer eftir örsmáum byggingareiningum efnisins sem kallast atóm, aðallega rafeindir sem eru einar og ekki í pörum. Þessir virka eins og litlir seglar.

Sterkur segull getur haldið miklum segulkrafti sem flæðir í gegnum hann. Þetta er kallað mettunarsegulmyndun. Sterkur segull heldur meira af segulmagni sínu þegar ytra sviðið hverfur. Þetta er kallað remanence. Segulmagn kemur frá rafeindum sem snúast og snúast um. Svo örsmáar skammtaeðlisfræðireglur stjórna segulstyrk.

Seguleiginleikar

Nokkrir grundvallareiginleikar segla hjálpa til við að einkenna segulvirkni:

● Mettunarsegulvæðing: Hámarks mögulegur segulflæðisþéttleiki sem efni getur myndað á beitt sviði. Mælt í Tesla.

● Remanence: Eftirstöðvar segulmagnsins þegar aksturssviðið er fjarlægt. Hversu mikið segulmagn er eftir?

● Þvingandi: Andstæða segulsviðsstyrkurinn sem þarf til að afmagnetize efnið aftur í núll. Þolir afmagnetization.

● Gegndræpi: Geta til að styðja við myndun segulsviðs í sjálfu sér. Mikil gegndræpi einbeitir segulflæði.

● Hysteresis: Tilhneiging til að halda álagðri segulmagni. Efni með verulega hysteresis gera skilvirka varanlega segla.

Hagræðing þessara eiginleika segla er nauðsynleg til að velja viðeigandi segulmagnaðir efni fyrir tiltekið forrit, hvort sem það er að ná hæsta varanlegan sviðsstyrk eða hámarka afturkræfar flæðibreytingar.

Segulmagnaðir segulsýki

Seglar geta virkað á spennandi hátt! Seglar sýna fyrirbæri sem kallast hysteresis. Segulvæðing þeirra fylgir mismunandi leið í hvert skipti sem þú hjólar ytra segulsviðið. Nákvæm leið fer eftir fyrri sögu segulvæðingar.

Þú getur séð þetta þegar þú teiknar hvernig segulflæðisþéttleiki B breytist þegar beitt segulsvið H breytist. Þessi söguþráður gerir lykkju sem kallast hysteresis lykkja.

Í fyrstu raðast örsmáu segulsvæðin í seglinum sem kallast lén upp hægt og rólega eftir því sem þú hækkar H. Þegar þau eru öll í röð breytist frekari hækkun á H ekki lengur B. Síðan, þegar þú minnkar H, fylgir B ​​öðrum feril. Þegar H er núll er einhver segulmagn eftir af samræmdu lénunum. Þú þarft að beita segulsviði í gagnstæða átt til að koma segulmagninu aftur í núll.

Svæðið inni í hysteresis lykkjunni sýnir orku sem tapast þegar lénin breytast í hverri lotu. Harðir seglar hafa breiðar lykkjur og verulegt orkutap. Lögun lykkjunnar segir þér líka um eiginleika segulsins, eins og hversu vel hann helst segulmagnaður og hversu erfitt það er að afsegulmagna hann.

Hitaáhrif

Hitaorka getur haft áhrif á hvernig seglar hegða sér! Þegar hitastigið eykst sveiflast örsmá stillt segulsvæði í segli sem kallast lén í kringum hitaorkuna. Þetta gerir það að verkum að segulmagnið minnkar. Við hátt Curie hitastig ruglar varmaorkan segulröðinni og varanleg segulmagn hverfur alveg.

Hversu auðvelt það er fyrir segul að missa segulmagnið fer eftir Curie hitastigi hans. Hæsti Curie hitastig hvers hreins frumefnis er járn við 1043 K. Að bæta við efni eins og nikkel og kóbalti til að búa til málmblöndur hækkar Curie stigið hærra. Hitaþolnir varanlegir seglar gera þér kleift að nota segla í forritum eins og rafala og mótora.

Kælandi seglar fyrir neðan Curie punktinn gerir það að verkum að segulmagnið hækkar aftur. Ofurleiðandi rafseglar virka aðeins við köldu hitastigi þar sem rafviðnám hverfur til að mynda öflug, varanleg segulsvið.

Tafla 2: Hitaáhrif á segulmagn

Segulmagnsforrit

Seglar eru fjölhæfur tól sem finnast í iðnaðarlandslaginu í forritum eins og:

● Mótorar - Rafmótorar sem snúast treysta á seglum sem breytast á milli vélrænni og raforku með rafsegulvirkjun. Litlir mótorar keyra tæki frá viftum til harða diska.

● Rafallar - Hverflarafstöðvar framleiða rafmagn með því að snúa seglum nálægt vírspólum, sem örva straumflæði.

● Segulgeymsla - Harðir diskar skrifa gögn með því að fletta segulmagninu á örsmáum lénum á ferromagnetic disk.

● Levitation - Maglev lestir nota segla til að fljóta fyrir ofan brautina, sem útilokar núning fyrir hljóðláta, slétta ferð.

● Lækningatæki - MRI vélar nota sterka ofurleiðandi segla til að greina breytingar á segulsviði líkamans til myndgreiningar.

● Rannsóknir - Massamælar beygja hlaðnar agnir með segulsviðum til að ákvarða massa þeirra og efnafræðilega uppbyggingu.

● Endurnýjanleg orka - Segullegir koma á stöðugleika á svifhjólum og geyma hreyfiorku sem safnað er úr vindi eða sólarorku.

Magnetic levitation

Magnetic levitation, eða maglev, notar segla til að láta hluti fljóta! Seglar ýta frá hvor öðrum. En einstök seguluppsetning getur gert stöðugt fljótandi.

Hratt maglev lestir ganga nú þegar í Asíu og Evrópu. Að fljóta fyrir ofan brautina þýðir enginn núningur frá hjólum, þannig að maglev lestir geta farið yfir 600 km/klst! Án hjóla eða legur eru þau hljóðlátari og mýkri til að flýta fyrir og stoppa. Þeir nota líka minni orku en venjulegar lestir.

Maglev gildir fyrir meira en bara lestir! Það gæti hjálpað til við að skjóta geimförum á loft, búa til öreindahraða, búa til núningslausar legur og stöðva titring í byggingum. Verkfræðingar eru enn að bæta ofursterka segla. Þetta gæti gert maglev lestum kleift að tengja heilar borgir í framtíðinni.

Að bæta við meira um hvernig maglev virkar, raunverulega notkun og framtíðarmöguleika útskýrir þetta háþróaða hugtak einfaldlega. Ungir nemendur geta skilið fljótandi lestir í gegnum núningslausa segulkrafta og ímyndað sér aðra notkun þessarar flottu tækni.

Niðurstaða

Allt frá örsmáum kæliseglum til kílómetra langra segla sem knýja samrunakljúfa, seglar eru ómetanlegir í daglegu lífi okkar. Að skilja einstaka eiginleika segla heldur áfram að örva uppgötvanir sem leiða til nýrra forrita. Nýjasta svæði eins og spunatækni og segulmagnaðir einpólar bjóða upp á möguleika fyrir næstu kynslóð rafeindatækni og jafnvel skammtatölva.

Þar sem margt er enn ókunnugt um skammtafræðigrundvöll segulmagnsins, munu rannsóknir afhjúpa enn frekar gríðarlega möguleika þeirra. Það er svo miklu meira eftir að uppgötva um hvað eiginleikar segla geta gert okkur kleift að ná fram.

Algengar spurningar um eiginleika segla

Hverjar eru einingar segulsviðsstyrks?

Segulsviðsstyrkur er magngreindur í amperum á metra (A/m) eða tesla (T). Ein tesla jafngildir einum newton á hvern ampermetra. Segulsviðsstyrkur jarðar er um 0,5 gauss eða 50 míkróteslas.

Hvernig reiknar þú segulflæði?

Segulflæðið í gegnum yfirborð er reiknað með því að margfalda segulsviðsstyrkinn, hornrétt svæði og kósínus hornsins.

Hvaða efni eru notuð í ofurleiðandi seglum?

Ofurleiðandi seglar nota venjulega ofurleiðara eins og niobium-titanium eða niobium-tin spólur sem kældir eru með fljótandi helíum. Nýrri háhita ofurleiðarar leyfa minni mikilli kælingarþörf fyrir háan sviðsstyrk.

Meta lýsing

Kannaðu grípandi heim segla. Lærðu um efni, lén, reiti og aðra eiginleika segla!