Das Magnetismus oder magnetische Energie ist eine Naturkraft, die mit der Bewegung elektrischer Ladungen verbunden ist und in bestimmten Substanzen Anziehung oder Abstoßung hervorrufen kann. Magnete sind bekannte Magnetismusquellen.
In diesen gibt es Wechselwirkungen, die zum Vorhandensein von Magnetfeldern führen, die beispielsweise auf kleine Eisen- oder Nickelstücke Einfluss nehmen.
Das Magnetfeld eines Magneten wird sichtbar, wenn er unter ein Papier gelegt wird, auf dem Eisenspäne verteilt sind. Die Ablagen werden sofort entlang der Feldlinien ausgerichtet, wodurch ein zweidimensionales Bild des Feldes entsteht..
Eine andere bekannte Quelle sind Drähte, die elektrischen Strom führen; Im Gegensatz zu Permanentmagneten verschwindet der Magnetismus jedoch, wenn der Strom aufhört.
Immer wenn irgendwo ein Magnetfeld auftritt, musste ein Agent arbeiten. Die in diesen Prozess investierte Energie wird in dem erzeugten Magnetfeld gespeichert und kann dann als magnetische Energie betrachtet werden.
Die Berechnung, wie viel magnetische Energie im Feld gespeichert ist, hängt davon und von der Geometrie des Geräts oder der Region ab, in der es erzeugt wurde..
Induktivitäten oder Spulen sind hierfür gute Orte, die magnetische Energie erzeugen, ähnlich wie elektrische Energie zwischen den Platten eines Kondensators gespeichert wird..
Artikelverzeichnis
Die von Plinius erzählten Legenden über das antike Griechenland sprechen vom Hirten Magnes, der vor mehr als 2000 Jahren ein mysteriöses Mineral gefunden hat, das Eisenstücke anziehen kann, aber keine anderen Materialien. Es war Magnetit, ein Eisenoxid mit starken magnetischen Eigenschaften.
Der Grund für die magnetische Anziehung blieb Hunderte von Jahren verborgen. Bestenfalls wurde es übernatürlichen Ereignissen zugeschrieben. Obwohl es nicht aufhörte, interessante Anwendungen dafür zu finden, wie zum Beispiel den Kompass.
Der von den Chinesen erfundene Kompass nutzt den Erdmagnetismus, um den Benutzer während der Navigation zu führen..
Die Untersuchung magnetischer Phänomene hatte dank William Gilbert (1544 - 1603) einen großen Fortschritt. Dieser englische Wissenschaftler der elisabethanischen Ära untersuchte das Magnetfeld eines sphärischen Magneten und kam zu dem Schluss, dass die Erde ein eigenes Magnetfeld haben muss.
Durch sein Studium der Magnete stellte er auch fest, dass er keine separaten Magnetpole erhalten konnte. Wenn ein Magnet in zwei Teile geteilt wird, haben die neuen Magnete auch beide Pole.
Es war jedoch zu Beginn des 19. Jahrhunderts, als Wissenschaftler die Existenz der Beziehung zwischen elektrischem Strom und Magnetismus erkannten.
Hans Christian Oersted (1777 - 1851), geboren in Dänemark, hatte 1820 die Idee, elektrischen Strom durch einen Leiter zu leiten und die Auswirkungen auf einen Kompass zu beobachten. Der Kompass würde abweichen, und wenn die Strömung aufhörte zu fließen, würde der Kompass wie üblich wieder nach Norden zeigen.
Dieses Phänomen kann überprüft werden, indem der Kompass näher an eines der Kabel herangeführt wird, die aus der Autobatterie kommen, während der Anlasser betrieben wird..
Zum Zeitpunkt des Schließens des Stromkreises sollte die Nadel eine beobachtbare Auslenkung erfahren, da die Batterien der Autos Ströme liefern können, die hoch genug sind, so dass der Kompass abweicht.
Auf diese Weise wurde klar, dass die in Bewegung befindlichen Ladungen diejenigen sind, die den Magnetismus hervorrufen..
Einige Jahre nach den Oersted-Experimenten markierte der britische Forscher Michael Faraday (1791 - 1867) einen weiteren Meilenstein, indem er entdeckte, dass unterschiedliche Magnetfelder wiederum zu elektrischen Strömen führen..
Beide Phänomene, elektrisch und magnetisch, sind eng miteinander verbunden, wobei jedes zum anderen führt. Sie wurden von Faradays Schüler James Clerk Maxwell (1831 - 1879) in den Gleichungen vereint, die seinen Namen tragen.
Diese Gleichungen enthalten und fassen die elektromagnetische Theorie zusammen und haben auch innerhalb der relativistischen Physik Gültigkeit..
Warum weisen einige Materialien magnetische Eigenschaften auf oder erhalten leicht Magnetismus? Wir wissen, dass das Magnetfeld auf sich bewegende Ladungen zurückzuführen ist. Daher müssen im Magneten unsichtbare elektrische Ströme vorhanden sein, die zu Magnetismus führen.
Alle Materie enthält Elektronen, die den Atomkern umkreisen. Das Elektron kann mit der Erde verglichen werden, die eine Translationsbewegung um die Sonne und auch eine Rotationsbewegung um ihre eigene Achse hat..
Die klassische Physik schreibt dem Elektron ähnliche Bewegungen zu, obwohl die Analogie nicht ganz genau ist. Der Punkt ist jedoch, dass beide Eigenschaften des Elektrons bewirken, dass es sich wie eine winzige Schleife verhält, die ein Magnetfeld erzeugt..
Es ist der Spin des Elektrons, der am meisten zum Magnetfeld des Atoms beiträgt. In Atomen mit vielen Elektronen sind sie paarweise und mit entgegengesetzten Spins gruppiert. Somit heben sich ihre Magnetfelder gegenseitig auf. Dies ist bei den meisten Materialien der Fall.
Es gibt jedoch einige Mineralien und Verbindungen, in denen sich ein ungepaartes Elektron befindet. Auf diese Weise ist das Nettomagnetfeld nicht Null. Dies schafft eine magnetisches Moment, ein Vektor, dessen Größe das Produkt aus dem Strom und der Fläche der Schaltung ist.
Benachbarte magnetische Momente interagieren miteinander und bilden Bereiche, die als bezeichnet werden magnetische Domänen, in denen viele Drehungen in die gleiche Richtung ausgerichtet sind. Das resultierende Magnetfeld ist sehr stark.
Materialien, die diese Qualität besitzen, werden genannt ferromagnetisch. Es sind einige: Eisen, Nickel, Kobalt, Gadolinium und einige Legierungen derselben.
Den übrigen Elementen des Periodensystems fehlen diese ausgeprägten magnetischen Effekte. Sie fallen in die Kategorie von paramagnetisch oder diamagnetisch.
Tatsächlich ist Diamagnetismus eine Eigenschaft aller Materialien, die bei Vorhandensein eines externen Magnetfelds eine leichte Abstoßung erfahren. Wismut ist das Element mit dem stärksten Akzentmagnetismus.
Andererseits besteht der Paramagnetismus aus einer weniger intensiven magnetischen Reaktion als der Ferromagnetismus, ist aber gleichermaßen attraktiv. Paramagnetische Substanzen sind beispielsweise Aluminium, Luft und einige Eisenoxide wie Goethit.
Magnetismus ist Teil der fundamentalen Kräfte der Natur. Da auch Menschen Teil davon sind, sind sie an die Existenz magnetischer Phänomene sowie an den Rest des Lebens auf dem Planeten angepasst. Beispielsweise nutzen einige Tiere das Erdmagnetfeld, um sich geografisch zu orientieren..
Tatsächlich wird angenommen, dass Vögel ihre langen Wanderungen durchführen, da sie in ihrem Gehirn eine Art organischen Kompass haben, der es ihnen ermöglicht, das Erdmagnetfeld wahrzunehmen und zu nutzen.
Während den Menschen ein solcher Kompass fehlt, können sie die Umwelt auf viel mehr Arten verändern als der Rest des Tierreichs. So haben Mitglieder unserer Spezies den Magnetismus von dem Moment an zu ihrem Vorteil genutzt, als der erste griechische Hirte den Lodestone entdeckte..
Seitdem gibt es viele Anwendungen des Magnetismus. Hier sind ein paar:
- Der oben erwähnte Kompass, der das Erdmagnetfeld nutzt, um sich geografisch zu orientieren.
- Alte Bildschirme von Fernsehgeräten, Computern und Oszilloskopen, die auf der Kathodenstrahlröhre basieren und Spulen verwenden, die Magnetfelder erzeugen. Diese sind dafür verantwortlich, den Elektronenstrahl so abzulenken, dass er auf bestimmte Stellen auf dem Bildschirm trifft und so das Bild erzeugt.
- Massenspektrometer, die zur Untersuchung verschiedener Arten von Molekülen und mit vielen Anwendungen in der Biochemie, Kriminologie, Anthropologie, Geschichte und anderen Disziplinen verwendet werden. Sie nutzen elektrische und magnetische Felder, um geladene Teilchen in Flugbahnen abzulenken, die von ihrer Geschwindigkeit abhängen..
- Magnetohydrodynamischer Antrieb, bei dem eine Magnetkraft einen Meerwasserstrahl (einen guten Leiter) rückwärts treibt, so dass nach Newtons drittem Gesetz ein Fahrzeug oder Boot einen Vorwärtsimpuls erhält.
- Magnetresonanztomographie, eine nicht-invasive Methode, um Bilder des Inneren des menschlichen Körpers zu erhalten. Grundsätzlich verwendet es ein sehr intensives Magnetfeld und analysiert die Reaktion der in den Geweben vorhandenen Wasserstoffkerne (Protonen), die die oben erwähnte Eigenschaft des Spins aufweisen..
Diese Anwendungen sind bereits etabliert, aber in Zukunft wird angenommen, dass Magnetismus durch die Techniken auch Krankheiten wie Brustkrebs bekämpfen kann hyperthermisch, die magnetisch induzierte Wärme erzeugen.
Die Idee ist, flüssigen Magnetit direkt in den Tumor zu injizieren. Dank der Wärme, die durch die magnetisch induzierten Ströme erzeugt wird, würden die Eisenpartikel heiß genug werden, um die bösartigen Zellen zu zerstören..
Wenn Sie über die Verwendung einer bestimmten Art von Energie nachdenken, muss diese in eine bestimmte Art von Bewegung umgewandelt werden, z. B. eine Turbine, einen Aufzug oder ein Fahrzeug. Oder dass es in elektrische Energie umgewandelt wird, die ein Gerät einschaltet: Telefone, Fernseher, einen Geldautomaten und ähnliches.
Energie ist eine Größe mit mehreren Erscheinungsformen, die auf viele Arten modifiziert werden können. Kann die Energie eines kleinen Magneten so verstärkt werden, dass er sich kontinuierlich um mehr als ein paar Münzen bewegt??
Um nutzbar zu sein, muss die Energie eine große Reichweite haben und aus einer sehr reichlichen Quelle stammen.
Solche Energien kommen in der Natur vor, aus denen die anderen Arten hergestellt werden. Sie sind als Primärenergien bekannt:
- Solarenergie.
- Atomenergie.
- Geothermische Energie.
- Windkraft.
- Biomassenenergie.
- Energie aus fossilen Brennstoffen und Mineralien.
Daraus werden Sekundärenergien wie Strom und Wärme erzeugt. Wo ist hier die magnetische Energie??
Elektrizität und Magnetismus sind keine zwei getrennten Phänomene. Tatsächlich sind beide zusammen als elektromagnetische Phänomene bekannt. Solange einer von ihnen existiert, wird der andere existieren.
Wo elektrische Energie vorhanden ist, gibt es in irgendeiner Form magnetische Energie. Dies ist jedoch eine Sekundärenergie, die die vorherige Umwandlung einiger Primärenergien erfordert.
Die Vor- oder Nachteile der Verwendung von Energie werden nach vielen Kriterien festgelegt. Dazu gehört, wie einfach und kostengünstig die Herstellung ist und wie stark der Prozess die Umwelt und die Menschen negativ beeinflussen kann..
Es ist wichtig zu berücksichtigen, dass Energien viele Male umgewandelt werden, bevor sie genutzt werden können..
Wie viele Transformationen müssen stattgefunden haben, um den Magneten herzustellen, mit dem die Einkaufsliste an der Kühlschranktür befestigt wird? Wie viele, um ein Elektroauto zu bauen? Sicher genug.
Und wie sauber ist die magnetische oder elektromagnetische Energie? Es gibt Menschen, die glauben, dass die ständige Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern menschlichen Ursprungs Gesundheits- und Umweltprobleme verursacht.
Derzeit gibt es zahlreiche Forschungslinien, die sich mit der Untersuchung des Einflusses dieser Bereiche auf Gesundheit und Umwelt befassen. Laut renommierten internationalen Organisationen gibt es jedoch bislang keine schlüssigen Beweise dafür, dass sie schädlich sind.
Eine Vorrichtung, die zur Aufnahme magnetischer Energie dient, ist als Induktor bekannt. Es ist eine Spule, die durch Wickeln von Kupferdraht mit einer ausreichenden Anzahl von Windungen gebildet wird und in vielen Schaltkreisen nützlich ist, um den Strom zu begrenzen und zu verhindern, dass er sich abrupt ändert.
Durch Zirkulieren eines Stroms durch die Windungen einer Spule wird ein Magnetfeld in ihr erzeugt..
Wenn sich der Strom ändert, ändern sich auch die Magnetfeldlinien. Diese Änderungen induzieren einen Strom in den Windungen, die ihnen entgegengesetzt sind, gemäß dem Faraday-Lenz-Induktionsgesetz.
Wenn der Strom plötzlich zunimmt oder abnimmt, ist die Spule ihm entgegengesetzt, daher kann er Schutzwirkungen auf die Schaltung haben.
Magnetische Energie wird in dem Magnetfeld gespeichert, das in dem durch die Windungen der Spule begrenzten Volumen erzeugt wird, das als bezeichnet wird ODERB. und das hängt ab von:
- Die Intensität des Magnetfeldes B..
- Die Querschnittsfläche der Spule ZU.
- Spulenlänge l.
- Die Permeabilität des Vakuums μoder.
Es wird wie folgt berechnet:
Diese Gleichung gilt in jedem Raumbereich, in dem ein Magnetfeld vorhanden ist. Wenn die Lautstärke bekannt ist V. Aus dieser Region, ihrer Permeabilität und der Intensität des Feldes kann berechnet werden, wie viel magnetische Energie sie besitzt.
Das Magnetfeld in einer luftgefüllten Spule mit einem Durchmesser von 2,0 cm und einer Länge von 26 cm beträgt 0,70 T. Wie viel Energie wird in diesem Feld gespeichert?
Tatsache: Die Durchlässigkeit des Vakuums beträgt μoder = 4π. 10-7 T.m / A.
Die numerischen Werte werden in der vorherigen Gleichung ersetzt, wobei darauf geachtet wird, die Werte in Einheiten des internationalen Systems umzurechnen.
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