แม่เหล็ก: คุณสมบัติแม่เหล็กของวัสดุการใช้งาน - กายภาพ - 2026

แม่เหล็กหรือพลังงานแม่เหล็กเป็นพลังที่เชื่อมโยงการเคลื่อนไหวของธรรมชาติและความสามารถในการผลิตไฟฟ้าที่น่าสนใจหรือเขม่นในสารโหลดบางอย่าง แม่เหล็กเป็นแหล่งกำเนิดแม่เหล็กที่รู้จักกันดี

ภายในสิ่งเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์ที่แปลเป็นการมีอยู่ของสนามแม่เหล็กซึ่งมีอิทธิพลต่อเหล็กหรือนิกเกิลชิ้นเล็ก ๆ เช่น

สีสันที่สวยงามของแสงเหนือเกิดจากอนุภาคของจักรวาลที่เปล่งพลังงานออกมาเมื่อถูกสนามแม่เหล็กโลกเบี่ยงเบนไป ที่มา: Pixabay

สนามแม่เหล็กของแม่เหล็กจะมองเห็นได้เมื่อวางไว้ใต้กระดาษที่ตะไบเหล็กกระจาย การยื่นจะถูกจัดแนวตามเส้นเขตข้อมูลทันทีทำให้เกิดภาพสองมิติของเขตข้อมูล

อีกแหล่งหนึ่งที่รู้จักกันดีคือสายไฟที่มีกระแสไฟฟ้า แต่ไม่เหมือนกับแม่เหล็กถาวรแม่เหล็กจะหายไปเมื่อกระแสหยุด

เมื่อใดก็ตามที่สนามแม่เหล็กเกิดขึ้นที่ใดที่หนึ่งตัวแทนบางคนต้องทำงาน พลังงานที่ลงทุนในกระบวนการนี้จะถูกเก็บไว้ในสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นและสามารถพิจารณาเป็นพลังงานแม่เหล็กได้

การคำนวณปริมาณพลังงานแม่เหล็กที่เก็บไว้ในสนามขึ้นอยู่กับสนามและรูปทรงเรขาคณิตของอุปกรณ์หรือพื้นที่ที่สร้างขึ้น

ตัวเหนี่ยวนำหรือขดลวดเป็นสถานที่ที่ดีในการทำสิ่งนี้สร้างพลังงานแม่เหล็กในลักษณะเดียวกับที่เก็บพลังงานไฟฟ้าระหว่างจานของตัวเก็บประจุ

ประวัติศาสตร์และการค้นพบ

แอพเก่า ๆ

ตำนานที่เล่าโดยพลินีเกี่ยวกับกรีกโบราณพูดถึงแม็กเนสผู้เลี้ยงแกะซึ่งเมื่อกว่า 2,000 ปีก่อนได้พบแร่ลึกลับที่สามารถดึงดูดชิ้นส่วนเหล็กได้ แต่ไม่ใช่วัสดุอื่น ๆ มันคือแมกไนต์ซึ่งเป็นเหล็กออกไซด์ที่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กแรงสูง

เหตุผลของแรงดึงดูดแม่เหล็กยังคงซ่อนอยู่เป็นเวลาหลายร้อยปี อย่างดีที่สุดมันมาจากเหตุการณ์เหนือธรรมชาติ แม้ว่าจะไม่ใช่ด้วยเหตุนี้ แต่ก็พบแอปพลิเคชั่นที่น่าสนใจเช่นเข็มทิศ

เข็มทิศที่ประดิษฐ์โดยชาวจีนใช้แม่เหล็กของโลกเพื่อนำทางผู้ใช้ระหว่างการนำทาง

การศึกษาทางวิทยาศาสตร์ครั้งแรก

การศึกษาปรากฏการณ์แม่เหล็กมีความก้าวหน้าอย่างมากโดย William Gilbert (1544 - 1603) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษในยุคเอลิซาเบ ธ ผู้นี้ได้ศึกษาสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กทรงกลมและสรุปว่าโลกต้องมีสนามแม่เหล็กของตัวเอง

จากการศึกษาแม่เหล็กเขาก็ตระหนักว่าเขาไม่สามารถแยกขั้วแม่เหล็กได้ เมื่อแม่เหล็กถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนแม่เหล็กใหม่จะมีทั้งสองขั้ว

อย่างไรก็ตามในตอนต้นของศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักถึงการมีอยู่ของความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและแม่เหล็ก

Hans Christian Oersted (1777 - 1851) เกิดในเดนมาร์กมีความคิดที่จะส่งกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำและสังเกตผลกระทบที่เกิดขึ้นกับเข็มทิศในปี พ.ศ. 2363 เข็มทิศจะเบี่ยงเบนและเมื่อกระแสหยุดไหลเข็มทิศจะชี้ไปทางทิศเหนืออีกครั้งตามปกติ

ปรากฏการณ์นี้สามารถตรวจสอบได้โดยนำเข็มทิศเข้าใกล้สายเคเบิลเส้นใดเส้นหนึ่งที่ออกมาจากแบตเตอรี่รถยนต์ในขณะที่สตาร์ทเตอร์อยู่

ในช่วงเวลาของการปิดวงจรเข็มควรมีการเบี่ยงเบนที่สังเกตได้เนื่องจากแบตเตอรี่ของรถยนต์สามารถจ่ายกระแสได้สูงพอที่เข็มทิศจะเบี่ยงเบนไป

ด้วยวิธีนี้จึงเห็นได้ชัดว่าประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่เป็นสิ่งที่ก่อให้เกิดแม่เหล็ก

การสืบสวนสมัยใหม่

ไม่กี่ปีหลังจากการทดลองของ Oersted ไมเคิลฟาราเดย์นักวิจัยชาวอังกฤษ (พ.ศ. 2334 - 2410) ได้สร้างความสำเร็จอีกขั้นด้วยการค้นพบว่าสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกันทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า

ปรากฏการณ์ทั้งสองไฟฟ้าและแม่เหล็กมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดโดยแต่ละปรากฏการณ์ก่อให้เกิดกันและกัน James Clerk Maxwell สาวกของฟาราเดย์นำมารวมกัน (1831 - 1879) ในสมการที่มีชื่อของเขา

สมการเหล่านี้ประกอบด้วยและสรุปทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าและใช้ได้แม้ในฟิสิกส์สัมพัทธภาพ

คุณสมบัติแม่เหล็กของวัสดุ

เหตุใดวัสดุบางชนิดจึงมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กหรือได้รับแม่เหล็กได้ง่าย เรารู้ว่าสนามแม่เหล็กเกิดจากประจุที่เคลื่อนที่ดังนั้นภายในแม่เหล็กจะต้องมีกระแสไฟฟ้าที่มองไม่เห็นซึ่งก่อให้เกิดแม่เหล็ก

สสารทั้งหมดประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอนสามารถเปรียบเทียบได้กับโลกซึ่งมีการเคลื่อนที่แบบแปลรอบดวงอาทิตย์และการเคลื่อนที่แบบหมุนบนแกนของมันเอง

ฟิสิกส์คลาสสิกมีการเคลื่อนที่คล้ายกับอิเล็กตรอนแม้ว่าการเปรียบเทียบจะไม่ถูกต้องทั้งหมด อย่างไรก็ตามประเด็นก็คือคุณสมบัติทั้งสองของอิเล็กตรอนทำให้มันทำงานเหมือนวงเล็ก ๆ ที่สร้างสนามแม่เหล็ก

เป็นการหมุนของอิเล็กตรอนที่ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กของอะตอมมากที่สุด ในอะตอมที่มีอิเล็กตรอนจำนวนมากจะรวมกลุ่มกันเป็นคู่และมีการหมุนตรงกันข้าม ดังนั้นสนามแม่เหล็กของพวกมันจึงหักล้างกัน นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในวัสดุส่วนใหญ่

อย่างไรก็ตามมีแร่ธาตุและสารประกอบบางชนิดที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ ด้วยวิธีนี้สนามแม่เหล็กสุทธิจึงไม่เป็นศูนย์ สิ่งนี้จะสร้างโมเมนต์แม่เหล็กเวกเตอร์ที่มีขนาดเป็นผลคูณของกระแสและพื้นที่ของวงจร

ช่วงเวลาแม่เหล็กที่ต่อเนื่องกันมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันและสร้างบริเวณที่เรียกว่าโดเมนแม่เหล็กซึ่งการหมุนจำนวนมากจะจัดแนวในทิศทางเดียวกัน สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นมีความแข็งแรงมาก

แม่เหล็กไฟฟ้า, พาราแมกเนติกและไดอะแมกเนติก

วัสดุที่มีคุณสมบัตินี้เรียกว่าเฟอร์แม่เหล็ก พวกมันมีอยู่ไม่กี่ชนิด: เหล็กนิกเกิลโคบอลต์แกโดลิเนียมและโลหะผสมบางชนิดที่เหมือนกัน

องค์ประกอบที่เหลือในตารางธาตุไม่มีผลแม่เหล็กที่เด่นชัดมากเหล่านี้ พวกมันอยู่ในประเภทของพาราแมกเนติกหรือไดแมกเนติก

ในความเป็นจริงไดอะแมกเนติกส์เป็นสมบัติของวัสดุทุกชนิดซึ่งมีแรงผลักเล็กน้อยต่อหน้าสนามแม่เหล็กภายนอก บิสมัทเป็นองค์ประกอบที่มีการเน้นมิติแม่เหล็กมากที่สุด

ในทางกลับกันพาราแมกเนติกประกอบด้วยการตอบสนองของแม่เหล็กที่รุนแรงน้อยกว่าเฟอร์ริติกส์ แต่มีความน่าสนใจไม่แพ้กัน สารพาราแมกเนติก ได้แก่ อลูมิเนียมอากาศและเหล็กออกไซด์บางชนิดเช่นโกเอไทต์

การใช้พลังงานแม่เหล็ก

แม่เหล็กเป็นส่วนหนึ่งของพลังพื้นฐานของธรรมชาติ เนื่องจากมนุษย์เป็นส่วนหนึ่งของมันพวกมันจึงถูกปรับให้เข้ากับการดำรงอยู่ของปรากฏการณ์แม่เหล็กเช่นเดียวกับสิ่งมีชีวิตที่เหลือบนโลก ตัวอย่างเช่นสัตว์บางชนิดใช้สนามแม่เหล็กของโลกเพื่อปรับทิศทางตามภูมิศาสตร์

ในความเป็นจริงเชื่อกันว่านกทำการอพยพเป็นเวลานานเนื่องจากสมองของพวกมันมีเข็มทิศอินทรีย์ชนิดหนึ่งที่ช่วยให้พวกมันรับรู้และใช้สนามแม่เหล็กได้

ในขณะที่มนุษย์ขาดเข็มทิศเช่นนี้ แต่พวกเขามีความสามารถในการปรับเปลี่ยนสภาพแวดล้อมได้หลายวิธีมากกว่าอาณาจักรสัตว์อื่น ๆ ดังนั้นสมาชิกในสายพันธุ์ของเราจึงใช้แม่เหล็กเพื่อประโยชน์ของพวกมันตั้งแต่ช่วงที่คนเลี้ยงแกะชาวกรีกคนแรกค้นพบลอดสโตน

การใช้พลังงานแม่เหล็กบางอย่าง

ตั้งแต่นั้นมามีการประยุกต์ใช้แม่เหล็กมากมาย นี่คือบางส่วน:

- เข็มทิศดังกล่าวข้างต้นซึ่งใช้ประโยชน์จากสนามแม่เหล็กโลกเพื่อปรับทิศทางตามภูมิศาสตร์

- หน้าจอเก่าสำหรับโทรทัศน์คอมพิวเตอร์และออสซิลโลสโคปโดยอาศัยหลอดรังสีแคโทดซึ่งใช้ขดลวดที่สร้างสนามแม่เหล็ก สิ่งเหล่านี้มีหน้าที่ในการเบี่ยงเบนลำแสงอิเล็กตรอนเพื่อให้ไปกระทบกับสถานที่บางแห่งบนหน้าจอจึงสร้างภาพขึ้นมา

- สเปกโตรมิเตอร์มวลใช้ในการศึกษาโมเลกุลประเภทต่างๆและการประยุกต์ใช้งานมากมายในด้านชีวเคมีอาชญวิทยามานุษยวิทยาประวัติศาสตร์และสาขาวิชาอื่น ๆ พวกเขาใช้ประโยชน์จากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเพื่อเบี่ยงเบนอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในวิถีที่ขึ้นอยู่กับความเร็วของมัน

- แรงขับเคลื่อนของ Magnetohydrodynamic ซึ่งแรงแม่เหล็กจะขับเคลื่อนเจ็ทของน้ำทะเล (ตัวนำที่ดี) ไปข้างหลังดังนั้นตามกฎข้อที่สามของนิวตันยานพาหนะหรือเรือจะได้รับแรงกระตุ้นไปข้างหน้า

- การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กซึ่งเป็นวิธีการที่ไม่รุกรานเพื่อให้ได้ภาพภายในของร่างกายมนุษย์ โดยทั่วไปจะใช้สนามแม่เหล็กที่เข้มข้นมากและวิเคราะห์การตอบสนองของนิวเคลียสของไฮโดรเจน (โปรตอน) ที่มีอยู่ในเนื้อเยื่อซึ่งมีคุณสมบัติดังกล่าวข้างต้นในการหมุน

แอปพลิเคชั่นเหล่านี้ได้รับการยอมรับแล้ว แต่ในอนาคตเชื่อกันว่าแม่เหล็กสามารถต่อสู้กับโรคต่างๆเช่นมะเร็งเต้านมผ่านเทคนิค hyperthermic ซึ่งทำให้เกิดความร้อนที่เกิดจากแม่เหล็ก

ความคิดคือการฉีดของเหลวแมกไนต์เข้าไปในเนื้องอกโดยตรง ด้วยความร้อนที่เกิดจากกระแสแม่เหล็กทำให้อนุภาคเหล็กร้อนพอที่จะทำลายเซลล์ร้ายได้

ข้อดีและข้อเสีย

เมื่อคุณคิดถึงการใช้พลังงานบางประเภทจำเป็นต้องมีการแปลงเป็นการเคลื่อนไหวบางประเภทเช่นกังหันลิฟต์หรือยานพาหนะเป็นต้น หรือเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าที่เปิดอุปกรณ์บางอย่างเช่นโทรศัพท์โทรทัศน์ตู้เอทีเอ็มและอื่น ๆ

พลังงานเป็นขนาดที่มีอาการหลายอย่างที่สามารถแก้ไขได้หลายวิธี สามารถขยายพลังงานของแม่เหล็กขนาดเล็กเพื่อให้เคลื่อนที่ได้มากกว่าสองสามเหรียญอย่างต่อเนื่องหรือไม่?

พลังงานจะต้องมีช่วงที่ดีและมาจากแหล่งที่อุดมสมบูรณ์มาก

พลังงานหลักและรอง

พลังงานดังกล่าวพบได้ในธรรมชาติซึ่งเกิดจากพลังงานประเภทอื่น ๆ พวกเขาเรียกว่าพลังงานหลัก:

- พลังงานแสงอาทิตย์.

- พลังงานปรมาณู.

- พลังงานความร้อนใต้พิภพ.

- พลังงานลม.

- พลังงานชีวมวล.

- พลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิลและแร่ธาตุ

พลังงานทุติยภูมิเช่นไฟฟ้าและความร้อนเกิดจากสิ่งเหล่านี้ พลังงานแม่เหล็กอยู่ที่ไหน?

ไฟฟ้าและแม่เหล็กไม่ใช่ปรากฏการณ์สองอย่างที่แยกจากกัน ในความเป็นจริงทั้งสองอย่างรวมกันเรียกว่าปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้า ตราบใดที่หนึ่งในนั้นยังคงมีอยู่

เมื่อมีพลังงานไฟฟ้าจะมีพลังงานแม่เหล็กในรูปแบบบางอย่าง แต่นี่เป็นพลังงานทุติยภูมิซึ่งต้องมีการเปลี่ยนแปลงก่อนของพลังงานหลักบางส่วน

ลักษณะของพลังงานหลักและพลังงานทุติยภูมิ

ข้อดีหรือข้อเสียของการใช้พลังงานบางประเภทถูกกำหนดขึ้นตามเกณฑ์หลายประการ สิ่งเหล่านี้รวมถึงการผลิตที่ง่ายและราคาถูกและกระบวนการนี้สามารถส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมและผู้คนได้มากเพียงใด

สิ่งสำคัญที่ต้องจำไว้คือพลังงานจะเปลี่ยนแปลงหลายครั้งก่อนที่จะนำมาใช้ได้

ต้องมีการเปลี่ยนแปลงกี่ครั้งที่จะทำให้แม่เหล็กที่จะติดรายการช้อปปิ้งกับประตูตู้เย็น? จะสร้างรถยนต์ไฟฟ้าได้กี่คัน? เพียงพอแน่นอน

และพลังงานแม่เหล็กหรือแม่เหล็กไฟฟ้าสะอาดแค่ไหน? มีผู้ที่เชื่อว่าการสัมผัสกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของมนุษย์อย่างต่อเนื่องทำให้เกิดปัญหาสุขภาพและสิ่งแวดล้อม

ปัจจุบันมีงานวิจัยมากมายที่อุทิศให้กับการศึกษาอิทธิพลของสาขาเหล่านี้ที่มีต่อสุขภาพและสิ่งแวดล้อม แต่จากข้อมูลขององค์กรระหว่างประเทศที่มีชื่อเสียงยังไม่มีหลักฐานแน่ชัดว่าเป็นอันตราย

ตัวอย่างพลังงานแม่เหล็ก

อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่บรรจุพลังงานแม่เหล็กเรียกว่าตัวเหนี่ยวนำ เป็นขดลวดที่เกิดจากการพันลวดทองแดงที่มีจำนวนรอบเพียงพอและมีประโยชน์ในหลาย ๆ วงจรเพื่อ จำกัด กระแสและป้องกันไม่ให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน

ขดลวดทองแดง ที่มา: Pixabay

โดยการหมุนเวียนกระแสผ่านการหมุนของขดลวดสนามแม่เหล็กจะถูกสร้างขึ้นภายใน

ถ้ากระแสเปลี่ยนเส้นสนามแม่เหล็กก็เช่นกัน การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ก่อให้เกิดกระแสในรอบที่ต่อต้านพวกเขาตามกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ - เลนซ์

เมื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นหรือลดลงอย่างกะทันหันขดลวดจะต่อต้านดังนั้นจึงสามารถมีผลป้องกันในวงจรได้

พลังงานแม่เหล็กของขดลวด

พลังงานแม่เหล็กจะถูกเก็บไว้ในสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นในปริมาตรที่คั่นด้วยการหมุนของขดลวดซึ่งจะแสดงเป็น U _Bและขึ้นอยู่กับ:

- ความเข้มของสนามแม่เหล็ก B

- พื้นที่หน้าตัดของขดลวดก.

- ความยาวของขดลวดล.

- การซึมผ่านของสูญญากาศμ _o

คำนวณได้ดังนี้:

สมการนี้ใช้ได้ในพื้นที่ใด ๆ ที่มีสนามแม่เหล็ก หากทราบปริมาตร V ของพื้นที่นี้ความสามารถในการซึมผ่านและความเข้มของสนามจะสามารถคำนวณได้ว่ามีพลังงานแม่เหล็กเท่าใด

การออกกำลังกายได้รับการแก้ไข

สนามแม่เหล็กภายในขดลวดเติมอากาศที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.0 ซม. และความยาว 26 ซม. เท่ากับ 0.70 T สนามนี้เก็บพลังงานไว้เท่าใด?

สารละลาย

ค่าตัวเลขจะถูกแทนที่ในสมการก่อนหน้าโดยดูแลในการแปลงค่าเป็นหน่วยของระบบสากล

1. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. พิมพ์ครั้งที่หก. ศิษย์ฮอลล์. 606-607
2. Wilson, JD 2011. ฟิสิกส์ 12. Pearson. 135-146