Từ tính và Điện từ

Nam châm tự nhiên và nhân tạo

Trong số các quặng sắt được khai thác cho ngành luyện kim có một loại quặng được gọi là quặng sắt từ tính. Loại quặng này có đặc tính hút các vật bằng sắt về phía mình.

Một mẩu quặng sắt như vậy được gọi là nam châm tự nhiên và đặc tính hút mà nó thể hiện là từ tính.

Ngày nay, hiện tượng từ tính được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị điện khác nhau. Tuy nhiên, bây giờ họ sử dụng không phải nam châm tự nhiên mà được gọi là nam châm nhân tạo.

Nam châm nhân tạo được làm bằng thép đặc biệt. Một mảnh thép như vậy được từ hóa theo một cách đặc biệt, sau đó nó có được các đặc tính từ tính, nghĩa là nó trở thành Nam châm vĩnh cửu.

Hình dạng của nam châm vĩnh cửu có thể rất đa dạng, tùy thuộc vào mục đích của chúng.

Trong một nam châm vĩnh cửu, chỉ có các cực của nó có lực hấp dẫn. Đầu hướng về phía bắc của nam châm được thống nhất gọi là nam châm cực bắc và đầu hướng về phía nam là nam châm cực nam. Mọi nam châm vĩnh cửu đều có hai cực: bắc và nam. Cực bắc của nam châm được biểu thị bằng chữ C hoặc N, cực nam bằng chữ Yu hoặc S.

Nam châm hút sắt, thép, gang, niken, coban về phía mình. Tất cả những cơ thể này được gọi là cơ thể từ tính. Tất cả các vật khác không bị nam châm hút gọi là vật không nhiễm từ.

Cấu tạo của nam châm. từ hóa

Mỗi cơ thể, bao gồm cả cơ thể từ tính, bao gồm các hạt nhỏ nhất - phân tử. Không giống như các phân tử của vật thể không từ tính, các phân tử của vật thể từ tính có đặc tính từ tính, đại diện cho nam châm phân tử. Bên trong một vật thể có từ tính, các nam châm phân tử này được sắp xếp với các trục của chúng theo các hướng khác nhau, kết quả là bản thân vật thể đó không thể hiện bất kỳ đặc tính từ tính nào. Nhưng nếu các nam châm này buộc phải quay quanh trục của chúng sao cho các cực bắc của chúng quay theo một hướng và các cực nam của chúng quay theo hướng khác, thì cơ thể sẽ có được các đặc tính từ tính, nghĩa là nó sẽ trở thành một nam châm.

Quá trình mà một vật thể từ tính có được các đặc tính của nam châm được gọi là quá trình từ hóa... Trong quá trình sản xuất nam châm vĩnh cửu, quá trình từ hóa được thực hiện với sự trợ giúp của dòng điện. Nhưng bạn có thể từ hóa cơ thể theo một cách khác, sử dụng nam châm vĩnh cửu thông thường.

Nếu một nam châm thẳng được cắt dọc theo đường trung tính, thì sẽ thu được hai nam châm độc lập và cực của các đầu của nam châm sẽ được bảo toàn và các cực đối diện sẽ xuất hiện ở các đầu thu được do cắt.

Mỗi nam châm thu được cũng có thể được chia thành hai nam châm và cho dù chúng ta có tiếp tục phân chia như thế nào đi chăng nữa, chúng ta sẽ luôn nhận được các nam châm độc lập có hai cực. Không thể có được một thanh có một cực từ. Ví dụ này xác nhận vị trí rằng cơ thể từ tính bao gồm nhiều nam châm phân tử.

Các vật thể từ tính khác nhau về mức độ linh động của các nam châm phân tử. Có những vật thể nhanh chóng bị từ hóa và cũng nhanh chóng bị khử từ. Ngược lại, có những vật thể từ hóa chậm nhưng vẫn giữ được đặc tính từ tính trong một thời gian dài.

Vì vậy, sắt nhanh chóng bị từ hóa dưới tác dụng của một nam châm bên ngoài, nhưng cũng bị khử từ nhanh chóng, tức là nó sẽ mất đi tính chất từ ​​​​tính khi loại bỏ nam châm, Thép sau khi bị từ hóa vẫn giữ được tính chất từ ​​​​trong một thời gian dài, tức là , nó trở thành nam châm vĩnh cửu.

Tính chất nhanh chóng từ hóa và khử từ của sắt được giải thích là do các nam châm phân tử của sắt cực kỳ cơ động, chúng dễ dàng quay dưới tác động của lực từ bên ngoài, nhưng cũng nhanh chóng trở lại vị trí hỗn loạn trước đó khi cơ thể từ hóa bị từ hóa. loại bỏ .

Tuy nhiên, trong sắt, một tỷ lệ nhỏ nam châm, và sau khi loại bỏ nam châm vĩnh cửu, vẫn tồn tại một thời gian ở vị trí mà chúng đã chiếm giữ tại thời điểm từ hóa. Do đó, sau khi từ hóa, sắt vẫn giữ được tính chất từ ​​rất yếu. Điều này được khẳng định bởi thực tế là khi tấm sắt được lấy ra khỏi cực của nam châm, không phải tất cả mùn cưa đều rơi ra khỏi đầu của nó - một phần nhỏ của nó vẫn bị hút vào tấm.

Đặc tính của thép duy trì từ hóa trong một thời gian dài được giải thích là do các nam châm phân tử của thép hầu như không quay theo hướng mong muốn trong quá trình từ hóa, nhưng chúng vẫn giữ được vị trí ổn định trong một thời gian dài ngay cả sau khi loại bỏ cơ thể từ hóa.

Khả năng của một cơ thể từ tính thể hiện các tính chất từ ​​​​sau khi từ hóa được gọi là từ tính dư.

Hiện tượng từ dư là do trong vật thể có từ tính tồn tại cái gọi là lực hãm giữ các nam châm phân tử ở vị trí mà chúng chiếm giữ trong quá trình từ hóa.

Trong sắt, tác dụng của lực hãm rất yếu, kết quả là nó bị khử từ nhanh chóng và có rất ít từ tính dư.

Đặc tính của sắt là nhanh chóng từ hóa và khử từ được sử dụng cực kỳ rộng rãi trong kỹ thuật điện. Đủ để nói rằng các lõi của mỗi nam châm điệnnhững thứ được sử dụng trong các thiết bị điện được làm bằng sắt đặc biệt có từ tính dư cực thấp.

Thép có khả năng giữ rất lớn, do đó tính chất của từ tính được bảo toàn trong nó. đó là lý do tại sao nam châm vĩnh cửu được làm bằng hợp kim thép đặc biệt.

Các đặc tính của nam châm vĩnh cửu bị ảnh hưởng bất lợi bởi sốc, va đập và biến động nhiệt độ đột ngột. Ví dụ, nếu một nam châm vĩnh cửu được nung nóng đến đỏ và sau đó để nguội, thì nó sẽ mất hoàn toàn tính chất từ ​​tính. Tương tự như vậy, nếu bạn cho một nam châm vĩnh cửu bị sốc, thì lực hút của nó sẽ giảm đi đáng kể.

Điều này được giải thích là do khi bị đốt nóng hoặc va đập mạnh, tác dụng của lực làm chậm bị vượt qua và do đó sự sắp xếp có trật tự của các nam châm phân tử bị xáo trộn. Do đó, nam châm vĩnh cửu và các thiết bị nam châm vĩnh cửu phải được xử lý cẩn thận.

Đường sức từ. Tương tác của các cực của nam châm

Xung quanh mỗi nam châm có một cái gọi là từ trường.

Từ trường được gọi là không gian trong đó các lực từ... Từ trường của nam châm vĩnh cửu là phần không gian trong đó các trường của một nam châm thẳng và các lực từ của nam châm này tác dụng.

Lực từ của từ trường tác dụng theo những hướng nhất định... Các hướng tác dụng của lực từ được thống nhất gọi là đường sức từ... Thuật ngữ này được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu kỹ thuật điện, nhưng nó phải được ghi nhớ rằng các đường sức từ không phải là vật chất: đây là một thuật ngữ thông thường được đưa ra chỉ để tạo thuận lợi cho việc hiểu các đặc tính của từ trường.

Hình dạng của từ trường, nghĩa là vị trí của các đường sức từ trong không gian phụ thuộc vào hình dạng của chính nam châm.

Các đường sức từ có một số tính chất: chúng luôn đóng, không bao giờ cắt nhau, có xu hướng đi theo đường ngắn nhất và đẩy nhau nếu chúng cùng hướng. Người ta thường chấp nhận rằng các đường sức từ đi từ cực bắc của nam châm và đi vào cực nam của nó; bên trong nam châm, chúng có hướng từ cực nam lên cực bắc.

Giống như các cực từ đẩy nhau, không giống như các cực từ hút nhau.

Thật dễ dàng để thuyết phục bản thân về tính đúng đắn của cả hai kết luận trong thực tế. Lấy một chiếc la bàn và mang một trong các cực của một nam châm thẳng, chẳng hạn như cực bắc. Bạn sẽ thấy rằng mũi tên sẽ ngay lập tức quay đầu phía nam của nó sang cực bắc của nam châm. Nếu bạn nhanh chóng xoay nam châm 180 °, thì kim nam châm sẽ ngay lập tức quay 180 °, tức là đầu bắc của nó sẽ đối diện với cực nam của nam châm.

Cảm ứng từ. từ thông

Lực tác dụng (lực hút) của một nam châm vĩnh cửu lên một vật có từ tính giảm khi khoảng cách giữa cực của nam châm và vật này tăng lên. Một nam châm thể hiện lực hút lớn nhất ngay tại các cực của nó, nghĩa là chính xác nơi các đường sức từ có mật độ dày đặc nhất. Di chuyển ra xa cực, mật độ của các đường sức giảm dần, chúng ngày càng hiếm được tìm thấy, cùng với đó, lực hút của nam châm cũng yếu đi.

Như vậy, lực hút của nam châm tại các điểm khác nhau của từ trường là không giống nhau và được đặc trưng bởi độ đậm nhạt của các đường sức. Để đặc trưng cho từ trường tại các điểm khác nhau của nó, người ta đưa vào một đại lượng gọi là cảm ứng từ trường.

Cảm ứng từ của trường có giá trị bằng số đường sức đi qua diện tích 1 cm2, nằm vuông góc với phương của chúng.

Điều này có nghĩa là mật độ đường sức tại một điểm nhất định trong trường càng lớn thì cảm ứng từ tại điểm đó càng lớn.

Tổng số đường sức từ đi qua một miền bất kỳ được gọi là từ thông.

Từ thông được ký hiệu là chữ F và liên hệ với cảm ứng từ thông qua mối quan hệ sau:

Ф = BS,

trong đó F là từ thông, V là cảm ứng từ trường; S là diện tích bị từ thông cho trước xuyên qua.

Công thức này chỉ đúng nếu diện tích S vuông góc với hướng của từ thông. Mặt khác, độ lớn của từ thông cũng sẽ phụ thuộc vào góc mà diện tích S nằm, và khi đó công thức sẽ có dạng phức tạp hơn.

Từ thông của nam châm vĩnh cửu được xác định bằng tổng số đường sức đi qua tiết diện ngang của nam châm.Từ thông của nam châm vĩnh cửu càng lớn thì lực hút của nam châm đó càng lớn.

Từ thông của nam châm vĩnh cửu phụ thuộc vào chất lượng của thép làm nam châm, kích thước của nam châm và mức độ từ hóa của nó.

Tính thấm từ

Đặc tính của một vật thể cho phép từ thông xuyên qua chính nó được gọi là tính thấm từ... Từ thông dễ dàng đi qua không khí hơn là đi qua một vật thể không có từ tính.

Biết so sánh các chất khác nhau theo Tính thấm từ, người ta thường coi độ từ thẩm của không khí bằng đơn vị.

Chúng được gọi là các chất có độ thấm từ nhỏ hơn độ từ nghịch đơn vị... Chúng bao gồm đồng, chì, bạc, v.v.

Nhôm, bạch kim, thiếc, v.v. Chúng có độ thấm từ lớn hơn một chút và được gọi là chất thuận từ.

Các chất có độ từ thẩm lớn hơn một (đo bằng hàng nghìn) được gọi là chất sắt từ. Chúng bao gồm niken, coban, thép, sắt, v.v. Tất cả các loại thiết bị từ tính và điện từ và các bộ phận của các loại máy điện khác nhau đều được sản xuất từ ​​các chất này và hợp kim của chúng.

Mối quan tâm thiết thực đối với các công nghệ truyền thông là các hợp kim sắt-niken đặc biệt được gọi là permaloid.