¿Qué son los imanes, el magnetismo y los campos magnéticos?
El magnetismo es un fenómeno natural y la gente en el país y en el extranjero se ha dado cuenta gradualmente de su esencia.
Hace ya 3.000 años, los trabajadores de nuestro país descubrieron el fenómeno de los imanes que atraen el hierro. En el Período de los Reinos Combatientes, la gente ya sabía que cuando se muele un imán natural en forma de cuchara y se coloca sobre una losa de piedra lisa, el mango de la cuchara apuntaría automáticamente hacia el sur. Esta es la brújula más antigua del mundo y los antiguos la llamaban "Sinan".
La brújula es uno de los cuatro grandes inventos de los que los chinos están orgullosos. Con la brújula surgió la posterior Era de los Descubrimientos, la civilización industrial occidental y el descubrimiento del continente americano. A principios del siglo XIX, el erudito danés Oersted fue el primero en observar el efecto de la corriente eléctrica sobre una aguja magnética. En 1831, el científico británico Faraday descubrió la ley de la inducción electromagnética. Desde entonces, la investigación y aplicación de fenómenos magnéticos y materiales magnéticos se ha convertido en una categoría importante en electricidad y electrónica.
Electricidad y electromagnetismo, pero ¿por qué los imanes pueden atraer el hierro, el cobalto, el níquel y otros metales pero no el cobre y el aluminio? ¿Por qué una brújula apunta al sur? ¿Hay alguna conexión entre esto?
Cuando se acerca un imán a clavos o monedas de cinco centavos, los atrae. Esta atracción se llama magnetismo y el rango de magnetismo se llama campo magnético. Los objetos que pueden ser atraídos por imanes se denominan "imanes" y ellos mismos pueden convertirse en imanes o tener magnetismo bajo ciertas condiciones.
La propiedad de un imán de absorber hierro se llama magnetismo. Si utilizamos un imán natural para frotar una aguja de acero en una dirección fija varias veces, la aguja de acero puede magnetizarse. Este proceso se llama magnetización. Al igual que las baterías que generan electricidad, el magnetismo se genera mediante imanes. Debido a que la fuerza magnética se genera desde ambos extremos del imán, si se esparcen limaduras de hierro alrededor de un imán permanente en forma de barra o de herradura, las limaduras de hierro se acumularán automáticamente en los extremos del imán, pero casi ninguna limadura de hierro se acumulará. atraído por el resto del imán. Este fenómeno muestra que las partes magnéticas más fuertes se concentran en ambos extremos del imán, a los que llamamos polos magnéticos. En una batería, un extremo por el que fluye la corriente se llama terminal positivo y el otro extremo por el que fluye la corriente se llama terminal negativo. Los dos extremos del imán se llaman polo norte y el otro polo sur.
Tienen estos dos nombres, que además son científicos. Utilice un trozo de alambre para colgar el imán. En este momento el imán siempre tiene una guía en un extremo, con un extremo apuntando al norte. El extremo que apunta al norte es, por supuesto, el Polo Norte y la guía es el Polo Sur. Los imanes apuntan al norte y al sur precisamente porque la Tierra misma es un imán grande. Si lo miras desde la perspectiva de un imán, hay un polo S cerca del Polo Norte y un polo N cerca del Polo Sur. Por lo tanto, el polo norte del imán apunta al norte y el polo sur apunta al sur.
En inglés, "North" significa norte y "South" significa sur, por lo que se suele utilizar N para representar el Polo Norte y S para representar el Polo Sur.
Utilice un alambre de hierro delgado para colgar el imán para que pueda girar libremente, pero siempre se detiene en la dirección de un riel guía de polo magnético y el otro polo magnético apunta al norte. Por lo general, llamamos polo sur (o polo S) y polo norte (o polo N). Así como las cargas positivas y negativas tienen la propiedad de repeler a personas del mismo sexo y atraer a personas del sexo opuesto, también existe una fuerza interactiva entre el Polo Sur y el Polo Norte: el magnetismo.
Si no hay cables que conecten los dos extremos de la batería, no pasará corriente, pero el magnetismo no requiere cables y puede pasar directamente a través del espacio. Y, al igual que el flujo de electricidad, debe pasar por un ciclo (de N a S) y nunca detenerse ni desconectarse a mitad del camino. El camino que sigue el magnetismo es invisible y está representado por líneas de campo magnético. Las líneas de campo magnético son un concepto abstracto que no existen en sí mismas, pero los campos magnéticos sí existen. Usamos la dirección de las líneas del campo magnético para representar la dirección del campo magnético y la densidad de las líneas del campo magnético para representar la fuerza del campo magnético. Cuanto más densas sean las líneas del campo magnético, más fuerte será el campo magnético.
Aunque el campo magnético no se puede ver ni tocar, de hecho es una sustancia que existe objetivamente. Si coloca una placa de plexiglás o de plástico sobre el imán y espolvorea polvo de hierro sobre ella, y luego agita suavemente la placa de plástico, veremos que el polvo de hierro está dispuesto de manera circular y regular. Esta es la distribución de las líneas del campo magnético. , es decir, el campo magnético.
Los electrodos tienen las características de repeler al mismo sexo y atraer al sexo opuesto, y lo mismo ocurre con los polos magnéticos. Cuando el Polo Sur y el Polo Norte se tocan, se repelen. Pero no es necesario que los polos norte y sur de un imán se toquen; se atraerán entre sí mientras estén cerca.
A las líneas de campo magnético les gusta tomar atajos. Si se coloca un trozo de hierro (material magnético) en su camino, no dará vueltas en un círculo grande, sino que pasará a través del trozo de hierro. Además, intenta acercar la plancha a tu lado lo más cerca posible, esta es la función de "atracción".
Si quieres determinar la dirección cuando estás perdido, puedes utilizar una brújula, que en realidad es un imán muy ligero. Debido a que una brújula guía o señala el norte, simplemente se la llama "aguja magnética". Debido a que el Polo Norte de la Tierra es el polo S, que atrae al polo N de la brújula, el polo N de la brújula apunta al norte de manera similar, el Polo Sur de la Tierra es el Polo Norte y el Polo Norte atrae al Sur; Polo de la brújula, por lo que el polo sur de la brújula apunta al sur. Las líneas del campo magnético de la Tierra y la brújula son iguales, pero en direcciones opuestas. Si pones una brújula en el Polo Sur o en el Polo Norte de la Tierra, debes sostenerla en alto.
Cuando se coloca una aguja magnética cerca de otros imanes, es decir, en un campo magnético, su dirección cambiará y girará. Si la fuerza magnética del imán es débil, el ángulo de desviación de la aguja será relativamente pequeño. Si la fuerza magnética del imán es fuerte, el ángulo de desviación de la aguja será relativamente grande.
Se dice que hay una isla mágica en el mar, y las sirenas cantan en la isla para confundir a los marineros que pasan. Cualquiera que escuche la canción quedará confundido y sólo le espera un naufragio.
Sin embargo, se dice que realmente existe una isla así en el mar. Cualquier barco que se acerque a ella inexplicablemente navegará hacia ella a una velocidad muy rápida y se estrellará contra las escarpadas rocas de la orilla.
Más tarde, cuando un barco estaba a punto de cometer el mismo error, el capitán ordenó con decisión abandonar el barco y dejar que la tripulación sobreviviera en una pequeña embarcación. Según los supervivientes, todas las brújulas del barco fallaron y el barco perdió el control y se estrelló contra el acantilado de la isla en la desesperación.
Por supuesto, no hay sirenas en esta isla, pero hay algo aún más mortal: un campo magnético. Resulta que esta isla es rica en minerales magnéticos, por lo que toda la isla se convierte en un gran imán. Una vez que un barco acorazado se acerca a él, inevitablemente será absorbido por él y la brújula, es decir, la brújula, por supuesto, fallará bajo la interferencia del fuerte campo magnético.
Fuerza magnética y campo magnético
Hemos dicho que la fuerza del campo magnético está representada por líneas de campo magnético. Si se colocan dos varillas magnéticas en serie, el número de líneas de campo magnético que pasan a través de la unidad de área de sección transversal no cambiará; cuando se colocan en paralelo, la cantidad de líneas de campo magnético que pasan a través de la unidad de área de sección transversal aumenta; , las líneas del campo magnético se vuelven más densas. Si la cantidad permanece constante, la intensidad del campo magnético no cambia a medida que aumenta la cantidad, el campo magnético también aumenta. Sin embargo, cuando se yuxtaponen, las dos barras magnéticas deben presionarse firmemente, de lo contrario no podrán reforzarse.
Cuando se colocan bloques de hierro o acero en los polos de un imán en forma de U, se magnetizan, atrayendo así limaduras de hierro. Cuando se saca el bloque de hierro o acero del extremo inferior del polo magnético, todavía habrá muchas limaduras de hierro atraídas por el bloque de acero y casi todas las limaduras de hierro del bloque de hierro se caerán.
Después de que se detiene la magnetización, el magnetismo que queda en el bloque de acero se llama magnetismo residual. Los bloques de hierro tienen menos magnetismo residual, mientras que los bloques de acero tienen más magnetismo residual.
Si se colocan dos imanes con diferentes intensidades uno al lado del otro, las líneas del campo magnético del imán fuerte serán forzadas a través del imán débil, de modo que las líneas del campo magnético del imán débil se cancelarán. Originalmente estaban atados al mismo poste. De esta manera, cuando se van, el polo S y el polo N del imán débil intercambian posiciones entre sí, el polo S original se convierte en el polo N y el polo N original se convierte en el polo S.
Bajo la acción de un imán fuerte, la posición del pequeño imán en el cuerpo cambia, por lo que, como se acaba de mencionar, la dirección de las líneas del campo magnético original cambia.
¿Enseñarte un juego de usar imanes para atraer cosas pequeñas como clavos o clips? Prepare algunos elementos para el experimento a continuación. Vaya a la tienda y compre de 3 a 5 imanes de ferrita y 10 metros de alambre esmaltado con una longitud de 0,4 mm de diámetro. Al comprar imanes, elija aquellos con una superficie lisa. Cuando están conectados en serie, pueden atraerse fuertemente entre sí. Este imán se puede utilizar como barra magnética.
Después de que el pequeño clavo es atraído por un imán, el pequeño clavo también se convierte en un imán. Por supuesto, su magnetismo es débil en comparación con el de los imanes. Aunque débil, también es magnético. Si colocas un clavo pequeño cerca de otros clavos cercanos, serán absorbidos uno por uno y colgarán en una cuerda, lo cual es muy interesante.
No importa la forma que tenga el hierro, contiene el "ingrediente" de un imán. Hablaremos de qué es esta composición más adelante, pero por ahora considérelos como pequeños imanes. Generalmente están dispuestos de forma desordenada, por lo que no presentan propiedades magnéticas. Si se coloca hierro en un campo magnético y los pequeños imanes se colocan de manera ordenada, mostrará magnetismo.
¿Por qué los imanes sólo atraen metales como el hierro, el cobalto y el níquel?
De hecho, esta pregunta es inapropiada, porque los experimentos muestran que cualquier sustancia puede magnetizarse en mayor o menor medida en un campo magnético, pero el grado de magnetización es diferente. Cuando una sustancia se magnetiza, se convierte en un imán, con cargas iguales que se repelen y cargas opuestas que se atraen. Los metales como el cobre y el aluminio también pueden ser magnéticos, pero la magnetización es muy débil y la fuerza magnética es tan débil que es básicamente invisible.
Las sustancias que están fuertemente magnetizadas como el hierro, el cobalto y el níquel se denominan materiales ferromagnéticos. El acero y las aleaciones que contienen metales como el cobalto y el níquel pueden mantener su magnetismo durante mucho tiempo después de ser magnetizados. Se denominan imanes permanentes. Los imanes permanentes se utilizan en muchos equipos eléctricos, como amperímetros de CC, contadores de electricidad, altavoces, auriculares, etc.
En el caso de las sustancias ferromagnéticas magnetizadas, su magnetismo no ha desaparecido por completo debido a la desaparición del campo magnético externo, y queda algo de magnetismo. Este tipo de sustancia se denomina sustancia magnética remanente. Según el magnetismo residual, se puede dividir en materiales magnéticos blandos y materiales magnéticos duros. Los materiales magnéticos blandos tienen un magnetismo residual débil y se desmagnetizan fácilmente. Los materiales magnéticos duros tienen un fuerte magnetismo residual y no son fáciles de desmagnetizar, lo que los hace adecuados para fabricar imanes permanentes. Se utiliza en instrumentos magnetoeléctricos, parlantes, micrófonos, motores hidromagnéticos y otros equipos eléctricos.
También existe un material magnético llamado ferrita, que está compuesto por hilos de óxido y óxidos de metales divalentes (como Ni, Co, Mn, Mg, etc.). ).Es eléctricamente similar a los semiconductores y magnéticamente similar a los materiales ferromagnéticos. La ferrita se ha convertido en un material magnético indispensable en la tecnología electrónica. La ferrita se utiliza como elemento de almacenamiento en computadoras electrónicas y como núcleo de bobinas inductoras en circuitos electrónicos.
Un imán permanente, no importa en cuántos pedazos se corte, cada pedazo es un imán y tiene su propio polo sur y polo norte independientes. Este es realmente un fenómeno interesante.
Muchos dispositivos eléctricos, como motores, zumbadores y parlantes, funcionan con magnetismo. Después de todo, los dos polos magnéticos y las dos cargas siguen siendo diferentes. Por ejemplo, las cargas positivas y negativas se pueden separar, pero es imposible tener polos norte y sur separados. Incluso si una barra magnética se divide en segmentos, cada segmento siempre tiene dos polos magnéticos opuestos, un polo sur y un polo norte.