เรารู้หรือไม่ว่าแม่เหล็กทำงานอย่างไร

แม่เหล็กสร้างแรงสนามแม่เหล็กที่คุณมองไม่เห็น แต่สามารถรู้สึกได้ถึงวิธีที่มันดึงดูดหรือขับไล่วัตถุเช่นเหล็กนิกเกิลและโคบอลต์ ผู้คนต่างหลงใหลในแม่เหล็กมาหลายร้อยปี แม่เหล็กแรกที่เรียกว่า Magnetite ถูกค้นพบในกรีซโบราณและตั้งแต่นั้นมาพวกเขามีบทบาทสำคัญในด้านวิทยาศาสตร์และชีวิตประจำวัน

แต่พวกเขาทำงานอย่างไร? ทุกอย่างลงมาที่ฟิสิกส์ แรงที่มองไม่เห็นถูกสร้างขึ้นระหว่างสองวัตถุด้วยสิ่งที่เรียกว่าอิเล็กตรอน ตอนนี้คุณรู้เรื่องแม่เหล็กเล็กน้อยลองดำน้ำและสำรวจว่าวัตถุที่น่าทึ่งเหล่านี้ส่งผลกระทบต่อชีวิตของคุณอย่างไร!

พื้นฐานของแม่เหล็ก

Magnetism เป็นพลังที่น่าสนใจและสำคัญของธรรมชาติที่สำคัญต่อชีวิตประจำวันของเรา ปรากฏการณ์ธรรมชาตินี้ลึกลับและใช้งานได้จริงตั้งแต่สนามแม่เหล็กที่มองไม่เห็นล้อมรอบโลกไปจนถึงแม่เหล็กที่เรียบง่ายบนตู้เย็นของคุณ ตลอดประวัติศาสตร์มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่มีรูปร่างความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์และแม้แต่ระบบการนำทาง เพื่อชื่นชมความมหัศจรรย์ของแม่เหล็กอย่างแท้จริงเราต้องเข้าใจก่อนว่ามันคืออะไรมันทำงานอย่างไรและเกิดขึ้นได้อย่างไร

แม่เหล็กคืออะไร?

แม่เหล็กเป็นหนึ่งในกองกำลังของธรรมชาติและเกิดขึ้นผ่านการเคลื่อนไหวและการมีปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคเช่นอิเล็กตรอน คุณอาจรู้อยู่แล้วว่าแม่เหล็กทำงานได้เพราะพื้นที่แม่เหล็กขนาดเล็กอยู่ข้างในจัดเรียงสร้างสนามแม่เหล็กรอบ ๆ แม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กเป็นพื้นที่รอบ ๆ แม่เหล็กที่คุณสามารถรู้สึกถึงการดึงหรือกด - แรงโดยตรงหรือน่ารังเกียจ ลองนึกภาพพวกเขาเหมือนหลอดแสงที่แผ่ออกมาจากด้านหนึ่งของแม่เหล็กทางทิศเหนือโค้งงอไปรอบ ๆ โค้งเพื่อกลับไปทางทิศใต้ ฟิลด์นี้แข็งแกร่งหรือจัดตั้งขึ้นอยู่กับวัสดุและประเภทของแม่เหล็กดังนั้นแม่เหล็กทุกตัวที่คุณพบจะแตกต่างกันเล็กน้อย

แม่เหล็กทุกตัวที่คุณเห็นมีสองเสา: ขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้ นี่คือส่วนที่แม่เหล็กแข็งแกร่งที่สุด เมื่อคุณนำแม่เหล็กสองตัวเข้ามาใกล้กันเสาของพวกเขาจะตอบสนอง คุณจะเห็นว่าเสาตรงข้ามดึงเข้าด้วยกัน (เช่น "เหนือ" และ "ใต้") แต่เสาเดียวกันผลักออกไปจากกันและกัน (เช่น "เหนือ" และ "เหนือ" หรือ "ใต้" และ "ใต้")

ประเภทของแม่เหล็ก

แม่เหล็กเป็นแรงที่เราพบทุกวัน แต่แม่เหล็กทั้งหมดไม่เหมือนกัน แม่เหล็กไฟฟ้าและแม่เหล็กชั่วคราวสามประเภทหลักมีคุณสมบัติและการใช้งานที่ไม่เหมือนใครในเทคโนโลยีอุตสาหกรรมและชีวิตประจำวัน มาสำรวจว่าพวกเขาทำงานอย่างไรและใช้งานที่ไหน

1. แม่เหล็กถาวร

คุณอาจเคยเห็นแม่เหล็กถาวรก่อนที่จะอยู่ในตู้เย็นของคุณ แม่เหล็กเหล่านี้ยังคงอยู่ในแม่เหล็กของพวกเขาเมื่อเวลาผ่านไป วัสดุเช่นเหล็กนิกเกิลและโคบอลต์สามารถทำให้เป็นแม่เหล็กได้อย่างถาวรเนื่องจากโครงสร้างอะตอมของพวกเขาช่วยให้โดเมนแม่เหล็กของพวกเขาสามารถจัดตำแหน่งได้

2. แม่เหล็กไฟฟ้า

คุณรู้หรือไม่ว่าแม่เหล็กไฟฟ้าทำงานอย่างไร? มันง่าย! คุณใช้ลวดห่อมันไว้รอบ ๆ แม่เหล็กแล้วใช้ไฟฟ้าผ่านสาย สิ่งนี้ทำให้สนามแม่เหล็ก ส่วนที่ดีที่สุด? คุณสามารถเปิดและปิดแม่เหล็กเมื่อใดก็ตามที่คุณต้องการ

3. แม่เหล็กชั่วคราว

แม่เหล็กชั่วคราวเป็นวัสดุที่กลายเป็นแม่เหล็กเมื่ออยู่ใกล้กับแม่เหล็ก ตัวอย่างเช่นหากคุณใส่ชิ้นส่วนของเหล็กใกล้กับแม่เหล็กมันจะเปลี่ยนแม่เหล็กในช่วงเวลาสั้น ๆ เพราะชิ้นส่วนแม่เหล็กของมันเรียงกัน

วัสดุแม่เหล็ก

คุณเคยสังเกตไหมว่าไม่ใช่ทุกสิ่งรอบตัวคุณแม่เหล็ก? มีเพียงวัสดุบางอย่างเท่านั้นที่สามารถกลายเป็นแม่เหล็กได้และขึ้นอยู่กับว่าอะตอมและอิเล็กตรอนของพวกเขาจัดเรียงอย่างไร

1. วัสดุแม่เหล็ก

วัสดุเช่นเหล็กนิกเกิลและโคบอลต์สามารถเป็นแม่เหล็กได้ สิ่งเหล่านี้เรียกว่าวัสดุ ferromagnetic ข้างในพวกเขากลุ่มเล็ก ๆ ของอะตอมที่เรียกว่าโดเมนแม่เหล็กจัดเรียงกันเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่ง

2. วัสดุที่ไม่ใช่แม่เหล็ก

สิ่งต่าง ๆ เช่นไม้พลาสติกและแก้วไม่สามารถดึงดูดได้ อะตอมของพวกเขาไม่ได้จัดเรียงอย่างถูกวิธีในการทำให้โดเมนแม่เหล็กเรียงลำดับดังนั้นพวกเขาจึงไม่ตอบสนองต่อแม่เหล็ก

วิธีการทำงานของแม่เหล็ก: วิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังมัน

วิทยาศาสตร์ของแม่เหล็กนั้นน่าสนใจและซับซ้อนเล็กน้อย แต่การเข้าใจพื้นฐานสามารถช่วยให้คุณเข้าใจวิธีการทำงานของพวกเขา นี่คือรายละเอียดของแนวคิดหลัก:

1. โครงสร้างอะตอมและแม่เหล็ก

แม่เหล็กเริ่มต้นด้วยอนุภาคเล็ก ๆ ที่เรียกว่าอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ศูนย์กลางของอะตอมและมีสิ่งที่เรียกว่า "สปิน" ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กขนาดเล็ก เมื่อสนามแม่เหล็กเล็ก ๆ เหล่านี้ทุกจุดในทิศทางเดียวกันพวกมันรวมกันเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่ใหญ่กว่า

ในวัสดุส่วนใหญ่ฟิลด์เหล่านี้ยกเลิกกันดังนั้นคุณจะไม่สังเกตเห็นพวกเขา แต่ในวัสดุเช่นเหล็กทุ่งเข้าแถวในทิศทางเดียวกันสร้างสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งที่คุณสามารถมองเห็นหรือรู้สึกได้

2. แม่เหล็กไฟฟ้า

คุณอาจไม่ได้ตระหนักถึงมัน แต่ไฟฟ้าและแม่เหล็กเชื่อมต่อกันอย่างใกล้ชิด เมื่อไฟฟ้าไหลผ่านสายไฟมันจะสร้างสนามแม่เหล็กรอบ ๆ การเชื่อมต่อนี้อธิบายโดยนักฟิสิกส์ James Clerk Maxwell เป็นหลักการที่อยู่เบื้องหลังแม่เหล็กไฟฟ้ามอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ลองนึกถึงครั้งต่อไปที่คุณเห็นมอเตอร์กำลังวิ่งอยู่ในขณะที่ทำงาน!

3. ฟิสิกส์ควอนตัมและแม่เหล็ก

หากคุณต้องการดำน้ำลึกคุณสามารถดูแม่เหล็กผ่านเลนส์ของฟิสิกส์ควอนตัม อิเล็กตรอนมีคุณสมบัติที่เรียกว่าควอนตัมสปินและเมื่อสปินเหล่านี้จัดขึ้นคุณจะได้รับเอฟเฟกต์แม่เหล็ก นักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียง Richard Feynman อธิบายว่าการเข้าใจแม่เหล็กอย่างแท้จริงคุณต้องสำรวจกลไกควอนตัมและวิธีที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ใน orbitals อะตอม

ยิ่งไปกว่านั้นคือควอนตัมอิเล็กโทรดนิกส์ (QED) ซึ่งอธิบายว่าอนุภาคที่มีประจุมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กอย่างไร ในขณะที่คุณไม่จำเป็นต้องเชี่ยวชาญในการใช้แม่เหล็ก แต่มันก็น่าทึ่งมากที่คิดว่าวิทยาศาสตร์ถูกห่อหุ้มด้วยอะไรง่าย ๆ เหมือนแม่เหล็ก!

การประยุกต์ใช้แม่เหล็ก

แม่เหล็กเป็นส่วนสำคัญของชีวิตประจำวันและแรงผลักดันที่อยู่เบื้องหลังความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมากมาย จากการใช้ครัวเรือนที่เรียบง่ายไปจนถึงกระบวนการอุตสาหกรรมที่ซับซ้อนและนวัตกรรมที่ทันสมัยแม่เหล็กได้กำหนดวิธีที่เราโต้ตอบกับโลกและยังคงเป็นแรงบันดาลใจให้เกิดการพัฒนาใหม่ในด้านวิศวกรรมการแพทย์และการขนส่ง

1. ใช้ทุกวัน

แม่เหล็กเป็นส่วนหนึ่งของชีวิตประจำวันของเรามากกว่าที่คุณจะรู้ แม่เหล็กตู้เย็นเป็นวิธีที่ง่าย แต่มีประสิทธิภาพในการเก็บบันทึกรูปภาพหรือรายการช้อปปิ้งในสถานที่เพิ่มทั้งฟังก์ชั่นและสัมผัสส่วนตัวในห้องครัวของคุณ Compasses เครื่องมือที่ใช้มานานหลายศตวรรษอาศัยสนามแม่เหล็กของโลกเพื่อช่วยให้คุณค้นหาทางของคุณโดยชี้ไปทางทิศเหนือเสมอ แม้แต่ของเล่นแม่เหล็กเช่นการสร้างบล็อกหรือปริศนาใช้คุณสมบัติแม่เหล็กง่ายๆเพื่อให้ความบันเทิงและการเล่นที่สร้างสรรค์สำหรับเด็ก

2. การใช้งานอุตสาหกรรม

แม่เหล็กมีบทบาทสำคัญในหลายอุตสาหกรรมและเทคโนโลยี มอเตอร์ไฟฟ้าซึ่งใช้พลังงานนับไม่ถ้วนอุปกรณ์จากเครื่องใช้ในครัวเรือนไปจนถึงรถยนต์ไฟฟ้าขึ้นอยู่กับแม่เหล็กเพื่อแปลงกระแสไฟฟ้าเป็นพลังงานเชิงกล ในทำนองเดียวกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าใช้แม่เหล็กในการแปลงพลังงานเชิงกลเป็นไฟฟ้าให้พลังงานสำหรับบ้านธุรกิจและอุตสาหกรรม ในการแพทย์แม่เหล็กนั้นขาดไม่ได้ในเครื่องจักร MRI (การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก) ซึ่งสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งอย่างไม่น่าเชื่อช่วยสร้างภาพที่มีรายละเอียดและช่วยชีวิตร่างกายมนุษย์เพื่อช่วยในการวินิจฉัยเงื่อนไขทางการแพทย์

3. แอปพลิเคชันขั้นสูง

แม่เหล็กยังเปิดใช้งานเทคโนโลยีที่ทันสมัยที่สุดในโลก ในตัวเร่งอนุภาคแม่เหล็กถูกใช้เพื่อเป็นแนวทางและควบคุมเส้นทางของอนุภาคที่มีประจุที่เดินทางด้วยความเร็วเกือบของแสงช่วยในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่ก้าวล้ำ Maglev Trains ซึ่งเป็นความมหัศจรรย์ของวิศวกรรมสมัยใหม่ใช้แม่เหล็กที่ทรงพลังในการยกรถไฟเหนือรางรถไฟขจัดแรงเสียดทานและช่วยให้การเดินทางที่รวดเร็วรวดเร็วและประหยัดพลังงานอย่างไม่น่าเชื่อ การใช้แม่เหล็กที่เป็นนวัตกรรมเหล่านี้ยังคงผลักดันขอบเขตของสิ่งที่เป็นไปได้ในวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ความลึกลับของแม่เหล็ก

เป็นเรื่องธรรมดาที่จะสงสัยว่าทำไมแม่เหล็กดึงดูดหรือขับไล่ซึ่งกันและกัน ในขณะที่นักฟิสิกส์ได้พัฒนาความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับแม่เหล็กบางแง่มุมยังคงเป็นปริศนา ตัวอย่างเช่นนักวิทยาศาสตร์ยังคงสำรวจว่าคุณสมบัติเชิงกลของควอนตัมมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมที่ใหญ่กว่าและมองเห็นได้ของแม่เหล็ก

คำถามที่ยังไม่ได้ตอบ

1. ทำไมวัสดุเช่น Magnetite จึงแสดงแม่เหล็กตามธรรมชาติ?

2. แม่เหล็กมีปฏิสัมพันธ์กับพลังพื้นฐานอื่น ๆ ของธรรมชาติอย่างไร?

3. เราสามารถสร้างวัสดุที่มีคุณสมบัติแม่เหล็กที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้นได้หรือไม่?

เหล่านี้เป็นคำถามที่ขับเคลื่อนการวิจัยและนวัตกรรม

บทสรุป

แม่เหล็กเป็นส่วนผสมที่น่าสนใจของทุกวันและพิเศษ พวกเขาทำงานเกี่ยวกับหลักการที่มีตั้งแต่ฟิสิกส์คลาสสิกไปจนถึงโลกควอนตัมของอิเล็กตรอนและสปิน ไม่ว่าคุณจะใช้แม่เหล็กเพื่อยึดศิลปะของลูกไว้ในตู้เย็นหรือได้รับประโยชน์จากเทคโนโลยีที่ต้องอาศัยแม่เหล็กพลังที่มองไม่เห็นนี้เป็นส่วนหนึ่งของชีวิตของคุณในรูปแบบที่นับไม่ถ้วน

ในขณะที่ไม่ใช่ทุกแง่มุมของแม่เหล็กที่เข้าใจได้อย่างสมบูรณ์ แต่ความรู้ของเราช่วยให้คุณควบคุมปรากฏการณ์ที่เหลือเชื่อนี้สำหรับการใช้งานทุกประเภท ดังนั้นครั้งต่อไปที่คุณรู้สึกว่าแท่งแม่เหล็กติดกับพื้นผิวโลหะใช้เวลาสักครู่เพื่อชื่นชมวิทยาศาสตร์ที่น่าตื่นตาตื่นใจที่อยู่เบื้องหลัง

คำถามที่พบบ่อย

1. สนามแม่เหล็กคืออะไรและสร้างขึ้นได้อย่างไร?

สนามแม่เหล็กเป็นพื้นที่รอบ ๆ แม่เหล็กที่แรงแม่เหล็กสามารถทำหน้าที่กับวัตถุได้ คุณอาจพบว่ามันมีประโยชน์ที่จะคิดว่ามันเป็นสนามพลังที่มองไม่เห็น สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีกระแสไฟฟ้าหรืออนุภาคที่มีประจุ ทุกอย่างเชื่อมโยงกับหลักการของแม่เหล็กไฟฟ้าและฟิสิกส์

2. ทำไมแม่เหล็กจึงติดกับวัตถุบางอย่าง?

แม่เหล็กติดกับวัตถุที่มีวัสดุแม่เหล็กเช่นเหล็ก เมื่อคุณนำแม่เหล็กมาใกล้วัสดุเหล่านี้เส้นสนามแม่เหล็กของมันจะจัดเรียงกับโดเมนแม่เหล็กในวัตถุดึงมันเข้าด้วยกัน การจัดตำแหน่งนี้เสริมสร้างแรงดึงดูดของแม่เหล็กทำให้ "ติด" มันเป็นเหตุผลที่วัตถุบางอย่างดึงดูดแม่เหล็กในขณะที่สิ่งอื่นไม่ได้

3. แม่เหล็กทั้งสองมีพฤติกรรมอย่างไร?

แม่เหล็กทุกตัวที่คุณใช้จะมีสองเสา: ขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้ นี่คือวิธีที่พวกเขาประพฤติ: เหมือนเสา (เหนือ-เหนือหรือใต้-ใต้) ขับไล่ซึ่งกันและกันในขณะที่เสาตรงข้าม (เหนือ-ใต้) ดึงดูด หากคุณเคยสังเกตเห็นการดึงหรือกดระหว่างสองแม่เหล็กคุณกำลังประสบกับการโต้ตอบนี้ เสาเป็นที่ที่สนามแม่เหล็กแข็งแกร่งที่สุด

4. เข็มทิศทำงานกับสนามแม่เหล็กของโลกได้อย่างไร?

เมื่อคุณใช้เข็มทิศเข็มจะจัดเรียงกับสนามแม่เหล็กของโลก โลกนั้นทำตัวเหมือนแม่เหล็กยักษ์ต้องขอบคุณแกนเหล็กหลอมเหลว เข็มซึ่งเป็นแม่เหล็กขนาดเล็กทำปฏิกิริยากับสนามนี้และชี้ไปที่ขั้วโลกเหนือแม่เหล็ก มันเป็นวิธีที่เรียบง่าย แต่แยบยลเพื่อช่วยให้คุณค้นหาทิศทางของคุณ

5. สนามแม่เหล็กสามารถโต้ตอบกับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าได้หรือไม่?

ใช่ถ้าคุณเคยสงสัยสนามแม่เหล็กอาจส่งผลกระทบต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ปฏิสัมพันธ์นี้สร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและมีบทบาทสำคัญในการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนและแรงแม่เหล็กทำงานอย่างไรในระดับเล็ก ๆ หลักการเหล่านี้ยังช่วยอธิบายปรากฏการณ์ในชีวิตประจำวันมากมายที่คุณพบเกี่ยวข้องกับไฟฟ้าและแม่เหล็ก