- Autor
- Poslední příspěvky
- Tepelná analýza elektrických zařízení – přehled různých metod – 1. února, 2018
- Spojení Flux FEA s řešením AcuSolve CFD – Tepelná analýza elektrických zařízení – 6. února 2018
- Výpočet matice kapacit s Flux PEEC – příklad výkonového modulu – 16. ledna, 2018
Dvacet příkladů magnetismu při práci
- Magnety chladničky-. umělecká díla &zprávy
- Magnety na ledničku- k utěsňování a zavírání dveří
- Přídržná zařízení v kovodílnách
- Zvedání šrotu na skládkách a v ocelárnách
- Separace materiálů
- Vytváření izotopů záření
- Výzkum čisté fyziky
- Motory- automobilové, sekačky na trávu, kuchyňský mixér
- Inženýrství- výměna ventilu močového měchýře
- Dentury
- Levitace vlaků
- Navigace pomocí kompasu
- Zabezpečovací značky pro obchody a knihovny
- Žralok Navigace
- MRI pro analýzu vlhkosti & obsahu tuku
- MRI pro snímky těla a orgánů
- Transformátory přenosové linky
- Záznamové hlavy- VIDEOREKORDÉR, audio & videokazety, pevné & disketové mechaniky
- Záznamová média- videorekordér, audio & videokazety, pevné & disketové mechaniky, magnetooptické disky
- Kreditní karty & bankomatové karty
Magnetismus existuje ve dvou formách, existuje v předmětech a ve vzduchu. Když magnetismus pozorujeme v předmětech, je reprezentován skupinou věcí zvaných „dipóly“ a označuje se písmenem „m“. Když je magnetismus pozorován ve vzduchu, nazývá se jednoduše „přiložené pole“ a označuje se písmenem „h“.
Dipol je malá jednotka magnetizace, která se skládá ze síly a směru. Dipól 1 (viz obrázek 1) má určitou sílu (označenou plochou kruhu) a směr podobný jedné hodině. Dipól 2 (viz obrázek 2) má sílu dvakrát větší než dipól 1 a jeho směr je podobný devíti hodinám. Magnetický objekt vykazuje celkovou magnetizaci (m), která závisí na kombinaci všech dipólů v objektu.
Obrázek 1- Dipól 1
Obrázek 2 -Dipól 2
Přiložené pole obecně existuje z jednoho z následujících dvou důvodů. Důvod č. 1 – celková magnetizace objektu se utváří tak, že vysílá část své síly do okolního vzduchu. Důvod č. 2 – elektřina procházející vodičem vytváří přiložené pole. Je důležité poznamenat, že obě tyto formy aplikovaného pole mohou existovat současně; buď kooperativně, nebo nekooperativně . Stejně jako u dipólu má aplikované pole sílu a směr. Aplikované pole 1 (viz obrázek 3) má sílu označenou délkou své šipky a směr podobný třem hodinám. Aplikované pole 2 (viz obrázek 4) má sílu označenou jako polovina aplikovaného pole 1 a směr podobný šesti hodinám.
Obrázek 3 – Aplikované pole 1
Obrázek 4 – Aplikované pole 2
Každá skupina dipólů zobrazených na obrázcích 5a a 5b představuje některé různé magnetické scénáře nebo situace. Uvážíme-li, že každá z těchto situací může existovat v jakémkoli magnetickém objektu, pak lze pomocí určitých kombinací skupin dipólů definovat dva základní typy magnetických objektů; tvrdý objekt a měkký objekt.
Obrázek 5a- Skupina dipólů představující tvrdý objekt
Tvrdý objekt je takový, který by se dal nejlépe popsat jako objekt, jehož chování je spojeno s posloupností událostí odpovídající nejprve „A“, pak „B“ a pak „C“. ‚A‘ popisuje skupinu dipólů v objektu, kde není přítomno žádné aplikované pole; každý dipól je orientován v jedinečné poloze. B“ popisuje skupinu dipólů v objektu, kde je přítomno přiložené pole; každý dipól je orientován s přiloženým polem podobně jako na třech hodinách. C“ popisuje skupinu dipólů v objektu, kde bylo právě odstraněno aplikované pole „B“; všimněte si, že některé dipóly se nevrátily do své původní polohy v „A“, ale zaujaly novou jedinečnou polohu.
Obrázek 5b- Skupina dipólů představující měkký objekt
Měkký objekt by se nejlépe popsal, kdyby se jeho chování spojilo s posloupností událostí odpovídajících nejprve „A“, pak „B“ a nakonec „D“. ‚A‘ popisuje skupinu dipólů v objektu, kde není přítomno žádné aplikované pole; každý dipól je orientován v jedinečné poloze. B“ popisuje skupinu dipólův objektu, kde je přítomno přiložené pole; každý dipól je orientován s přiloženým polem podobně jako na třech hodinách. ‚D‘ popisuje skupinu dipólů v objektu, kde bylo právě odstraněno přiložené pole ‚B‘; všimněte si, že všechny dipóly se vrátily do své původní polohy v ‚A‘.
Přiložené pole změnilo povahu tvrdých i měkkých objektů. Tvrdý objekt si zachoval některé nové vlastnosti vytvořené přiloženým polem, zatímco měkký objekt si nezachoval žádné nové vlastnosti vytvořené přiloženým polem. Toto chování definuje zásadní rozdíl mezi tvrdými a měkkými předměty a také jasně určuje, který předmět by měl být použit k provedení příkladů magnetismu při práci.
Fyzikální zákony vyžadují, aby veškerá hmota existovala v nejnižším možném energetickém stavu. To znamená, že se změnou podmínek prostředí se hmota přizpůsobí tak, aby zůstala v nejnižším možném energetickém stavu. Magnetický objekt může zažít tisíce situací prostředí, kdy změna aplikovaného pole znamená novou situaci prostředí.
Existují dva hlavní druhy tvrdých objektů. První druh tvrdých objektů se nazývá permanentní magnety a druhý druh se nazývá záznamová média. Oba druhy tvrdých objektů mají společnou schopnost uchovávat (nebo zadržovat) energii, i když každý z nich uchovává tuto energii jiným způsobem.
Permanentní magnety jsou objekty konstruované pomocí zvláštní skupiny kombinovaných minerálů. Tyto minerály po spojení zpravidla nevykazují magnetismus, dokud se magnet nenabije výše popsaným procesem. Celý objekt vykazuje při spolupráci stejný charakter a objekt se používá jako zařízení s uloženou energií.
Záznamová média jsou objekty konstruované s jinou skupinou speciálně kombinovaných minerálů. Ačkoli se liší, tyto předměty zpravidla nevykazují žádný magnetismus, dokud u nich také nedojde ke sledu událostí podobnému výše popsanému procesu. Rozdíl je zde v tom, že použité pole; dodává koncentrované množství energie do velmi malé lokalizované části objektu. Díky tomu je možné ukládat energii na různých místech objektu. Ve skutečnosti je možné ukládat energii do navržených vzorů na objektu; což přímo odpovídá informacím, které se jedinec snaží archivovat na záznamovém médiu.
Zásadně existuje pouze jeden druh měkkého objektu. I pro tyto objekty se používají speciálně kombinované minerály; i když, jak již bylo uvedeno, tyto objekty neuchovávají žádnou energii. Přesto jsou velmi užitečné, protože mají schopnost organizovat a někdy i zesilovat energii z přiloženého pole, pokud je přítomna.
Energie běžně spojená s magnetismem je docela užitečná pro vytváření velkého množství přitažlivých i odpudivých sil. Následující diagramy jsou užitečné pro znázornění rozdílů mezi oběma druhy sil a situací nutných pro vznik směrových změn. Odpuzování je označeno písmenem „R“ (viz obrázek 6) a přitahování písmenem „A“ ( viz obrázek 7). Síly, které vznikají v obou případech, jsou přímým důsledkem snahy dipólů snížit své energie na nejnižší možný stav. Obvykle to vyžaduje nějaký druh pohybu; buď přitažlivost, nebo odpudivost. Pokud je jeden z interakčních dipólů fixován na místě, pak se pohybuje pouze dipól, který je bez omezení.
Obrázek 6- Odpuzování mezi dipóly
Obrázek 7- Přitahování mezi dipóly
A nyní k příkladům …
1. Přitahování mezi dipóly. Magnety na ledničce – umělecké dílo & sdělení :
Magnet na ledničce je tvrdý předmět, přesněji řečeno permanentní magnet. Když tento magnet držíte v ruce, přizpůsobil se své současné situaci a spočívá v nejnižším možném energetickém stavu. Pokud nyní tento magnet posunete směrem ke dveřím lednice (což je měkký předmět), dali jste magnetu nový stav prostředí nebo situaci. Magnet se přizpůsobí, aby dosáhl nového nejnižšího možného energetického stavu. Konkrétně to udělá tak, že pošle část své energie do dveří lednice, které ji pohltí. Tento proces minimalizace energie ilustruje to, co bylo výše popsáno jako přitažlivost; magnet chladničky bude přitahován ke dveřím chladničky. Tuto přitažlivou sílu lze využít a magnet použít k přichycení uměleckých děl nebo vzkazů na dveře; hmotnost, kterou magnet unese, však bude omezená.
2. Magnety chladničky – k utěsnění a zavření dveří :
Výrobci chladniček využívají výše popsané poznatky nejen k uzavření dveří, když se dostanou přiměřeně blízko k rámu chladničky, ale také k přitažení dveří, které mají podél vnitřního okraje těsnění z permanentního magnetu, velmi těsně k rámu chladničky. Tím se dosáhne dvou věcí: majitel má možnost dveře nezabouchnout a zároveň je zajištěno mimořádně účinné tepelné těsnění.
3. Zařízení pro přidržování kovů v obráběcí dílně :
V obráběcí dílně je nanejvýš důležité, aby kusy kovu pevně držely na svém místě. Pokud je toho dosaženo, jsou nehody a chyby méně časté a méně škodlivé. Využitím stejných poznatků z výše uvedeného je možné vytvořit přitažlivé síly, které jsou dostatečně velké, aby dokázaly dvě věci. Za prvé, přitažlivé síly jsou dostatečné k tomu, aby udržely kus kovu těžší než samotný magnet, a za druhé, přitažlivé síly jsou schopny odolat dalším silám vznikajícím při různých strojních operacích. Požadavkem na tyto přitažlivé síly je, aby je bylo možné na požádání zapnout a vypnout. To vyžaduje chytré odvedení energie magnetu od drženého kovu.
4. Zvedání na šrotišti a v ocelárně :
Na šrotišti nebo v ocelárně je nutné zvedat a přemisťovat velké množství kovu. Vzhledem k tomu, že kov je z velké části ocel, jedná se o měkký předmět. Díky výše uvedeným znalostem se k tomuto úkolu používá magnetismus. Velmi velký jeřáb, který používá buď elektromagnet, nebo sestavu tvrdých magnetických předmětů na konci svého lana, je schopen vyzvednout, přemístit a uvolnit ocelové kusy.
5. Jeřáb je schopen zvednout, přemístit a uvolnit kusy oceli. Separace materiálů :
Doly různých typů využívají magnetismus k separaci odebíraných materiálů. Přitažlivé síly, podobné těm dříve popsaným, jsou umístěny v blízkosti dopravníku přepravujícího vytěžené materiály. Jak se měkké magnetické předměty pohybují magnetickou sestavou, jsou odtahovány od dopravníku obsahujícího požadovaný materiál a odváděny do sběrného prostoru. K dispozici jsou různé stupně sofistikovanosti, které umožňují, aby byl důl při sběru a separaci materiálů poměrně selektivní.
6. Vytváření izotopů záření :
Mnoho forem lékařského výzkumu využívá záření ve formě izotopů. Tyto izotopy se používají k izolaci a pozorování různých forem lékařských problémů; diabetes, rakovina a AIDS jsou jen několika příklady. Většina těchto izotopů se vyrábí; v přirozené formě nejsou hojně rozšířeny. Výše uvedené poznatky se ve skutečnosti používají k výrobě těchto izotopů. Zařízení zvané urychlovačposkytuje prvku ( například fosforu) obrovské množství energie, což způsobí, že prvek změní stav a začne vyzařovat záření, aby se minimalizovala jeho energie.
7. Výzkum v oblasti čisté fyziky :
Pokusy v oblasti subatomární fyziky využívají magnetismus k vytváření a pozorování nejmenších struktur hmoty. Přitažlivé a odpudivé síly jsou vytvářeny magnetismem v kontrolovaných komorách prostředí. Reakce jsou předpovídány pro určité struktury hmoty za kontrolovaných podmínek. Pozorování skutečných reakcí objasňuje nebo vyvrací předpovědi. To umožňuje společnosti získat jasnější představu o tom, z čeho se hmota skládá, a lépe nás to vybaví pro řešení budoucích problémů.
8. Motory – automobilové, sekačky na trávu, kuchyňské mixéry :
Výrobci motorů využívají k výrobě rotace ve svých motorech stejné poznatky z výše uvedeného. Motor je rozdělen na několik klínovitých oblastí. Synchronizované elektrické signály vytvářejí malé přitažlivé síly, které otáčejí motorem z jedné klínovité oblasti do druhé. Rychlost motoru přímo souvisí s rychlostí, s jakou se elektrické signály opakují.
9. Jakou rychlostí se elektrické signály opakují? Inkontinence – náhrada chlopně močového měchýře :
Naneštěstí někteří lidé trpí neschopností močit na požádání; jedná se o formu inkontinence. Ve snaze pomoci těmto lidem byly vyvinuty umělé chlopně močového měchýře. Tyto chlopně se chirurgicky implantují do těla jedince. Ventil obsahuje kapalinu, která obsahuje množství měkkého předmětu rovnoměrně rozptýleného v kapalině. Permanentní magnet vytvářející přitažlivou sílu pak slouží k pohybu ventilu a otevření močových cest.
10. Zubní náhrady :
Nová forma adheze zubní náhrady využívá poznatků z výše uvedeného. Do dásní jedince jsou chirurgicky implantovány malé kousky permanentního magnetu a do vybraných částí zubní náhrady jsou umístěny kousky měkkých předmětů. Když se pak zubní náhrada nasadí na místo, vznikne přitažlivostí adheze.
11. Levitace vlaků :
Magnetické odpuzování se používá k levitaci vlaků. Na jeden soubor velmi silných dipólů (Vlak) působí odpudivá síla od jiného souboru dipólů (Kolej). V důsledku toho se vlak pohybuje co nejdále od trati a je alespoň částečně levitován. Tato levitace snižuje odpor, který vlak klade při pohybu (tření). Vlak pak potřebuje k přesunu z jedné stanice do druhé méně paliva a může se také pohybovat vyšší rychlostí.
12. Navigace pomocí kompasu :
Navigace pomocí kompasu se uskutečňuje proto, že Země vytváří magnetismus. Geograficky je horní část zeměkoule označena jako „severní pól“ a spodní část jako „jižní pól“. V současné době je zemský ‚severní pól‘ magneticky jižním pólem a zemský ‚jižní pól‘ je magneticky severním pólem. Kompas v místě „A“ na Zemi bude ukazovat na zemský „severní pól“. Uvážíme-li přitažlivé poznatky, které jsme se dozvěděli výše, je zřejmé, že konec kompasu označený písmenem „N“ musí být magneticky severní pól a konec kompasu označený písmenem „S“ musí být magneticky jižní pól. Tato konfigurace kompasu umožňuje minimalizovat jeho energii směřující k zemskému „severnímu pólu“, který nám samozřejmě poskytuje směrovou referenci.
13. Značky pro zabezpečení předmětů v obchodech a knihovnách :
Pro bezpečnostní opatření je nutné určit, zda předmět (buď kniha v knihovně, nebo pár džínů v obchodě) neopustí bez povolení určený prostor. Toto sledování lze provádět pomocí magnetismu. Jak jsme viděli, skupina dipólů může mít jedinečné reakce na své okolí. Některé měkké předměty a některé kombinace tvrdých a měkkých předmětů v mozaikovém vzoru vykazují tak jedinečné odezvy, že je lze použít jako „značky“. Pokud osoba vhodným způsobem opustí určenou oblast, značka se neutralizuje nebo odstraní. Pokud tak neučiní, „značka“ spustí detekční systémy a rozezní se alarm, který upozorní orgány na problém.
14. Navigace žraloků :
Žraloci se v oceánu orientují podle zemského „severního pólu“ a „jižního pólu“. Při plavání pravidelně pohybují hlavou ze strany na stranu. Bylo zjištěno, že mají v hlavě malé snímací prvky, které přeměňují magnetickou energii Země na elektrické impulsy. Tyto impulsy žralok využívá k udržování směrové reference pro navigaci.
Jaderná magnetická rezonance vzniká také v důsledku minimalizace energie. Fyzikové již dávno vyslovili hypotézu o jedinečném souboru podmínek prostředí, které by v důsledku způsobily, že magnetický dipól by se precesoval a pak neustále točil jako vrchol (neboli rezonoval), aby se minimalizovala jeho energie. Volný dipól v přítomnosti následujících jedinečných podmínek prostředí vyvolá magnetickou rezonanci; silné vyrovnávací přiložené pole ve směru podobném dvanácti hodinám a pulzní (krátkodobé) kmitající přiložené pole je ve směru podobném třem hodinám. (viz obrázek 8 ) Pulzní oscilující přiložené pole má tvar sinusové funkce s frekvencí někde v oblasti rádiových frekvencí (několik milionů cyklů za sekundu). Frekvence určuje, kolikrát se funkce zopakuje za určitý čas. Čím rychlejší je frekvence, tím rychleji se funkce mění a tím více cyklů, které budou vytvořeny.
Výsledek výše uvedeného hypotetického experimentu nám poskytl mimořádně důležitý nástroj pro pozorování, který je neinvazivní; to znamená, že pozorovaný materiál nebo objekt není změněn ani zničen. Tato technika se nazývá zobrazování magnetickou rezonancí (MRI).
15. MRI pro analýzu obsahu vlhkosti & tuku :
Magnetickou rezonanci používají výrobci potravin (například Pepperidge Farm) ke sledování a optimalizaci obsahu vody a tuku ve svých surovinách za účelem stanovení a zachování chuti a trvanlivosti. Malá množství surovin se umístí do zařízení, které duplikuje výše uvedené podmínky. Sleduje se rezonanční odezva, která přímo souvisí s obsahem vody nebo tuku. Toho se dosáhne, protože voda i tuk obsahují magnetické dipóly a jejich odezva je natolik odlišná, že je lze rozlišit.
16. Rezonance vody a tuku se provádí pomocí magnetického pole. MRI pro zobrazení tělesných &orgánů :
Magnetická rezonance se používá k vytvoření trojrozměrných snímků orgánů v těle s jasností a rozlišením převyšujícím rozlišení běžného rentgenového záření a bez použití škodlivě pronikavého rentgenového záření. Vytvoření užitečného obrazu vyžaduje ještě speciálnější soubor podmínek, než je popsáno výše. Stále je vyžadováno vyrovnání aplikovaného pole, ale toto pole má nyní dvě složky, rovnoměrné „pole a gradientní pole. Rovnoměrné pole je pole, jehož velikost v objemu, jako je koule o průměru 16 palců, se liší od průměru pouze o 30 nebo 40 částic na milion (ppm), případně pouze o 0,003 nebo 0,004 procenta (%) kdekoli v kouli. Gradientní pole je pole, které se lineárně mění se vzdáleností od středu koule směrem k jejímu okraji. Toto gradientní pole poskytuje prostředek k určení prostorových vztahů při tvorbě obrazu, a tím významně přispívá ke zvýšení jasnosti a rozlišení, které magnetická rezonance poskytuje. Rovnoměrné pole a gradientní pole se používají současně k vyrovnání dipólů v oblasti pozorování. Tyto dipóly minimalizují své energie tím, že se vyrovnávají s polem. Nyní se zavede pulzní pole; jak bylo popsáno výše, dipóly budou rezonovat tak, aby co nejlépe minimalizovaly své energie. Tato rezonance se sleduje a zaznamenává jako elektrický impuls. Aplikuje se sekvence různých gradientních polí, která pokrývají celou zájmovou oblast orgánu. Jakmile jsou všechna data shromážděna (to trvá téměř hodinu), zpracuje je výkonný počítač a vytvoří 3D obraz
17. Transformátory přenosového vedení :
Měkké magnetické objekty používají energetické společnosti. Velké transformátory (bytové i průmyslové) přeměňují energii z jedné formy na energii jiné formy. Konkrétně transformují napětí o jedné velikosti na napětí 110 nebo 220 V, což jsou typická napětí domácích spotřebičů. Přenosové vedení obsahuje několik tisíc voltů a transformátor obsahující měkké magnetické předměty se používá k přeměně této velké amplitudy napětí na napětí 110 a 220 voltů, které se používá ve vaší domácnosti.
18. Přenosové vedení obsahuje několik tisíc voltů. Záznamové hlavy – videorekordéry, audio & videokazety, pevné & disketové jednotky :
K dosažení uložení informace se používá speciální kódovací sekvence. Tato kódovací sekvence vyžaduje, aby energie (ve formě aplikovaných polí) byla paměťovým médiím předkládána v malých organizovaných oblastech. Softmagnetické objekty se používají k nasměrování této magnetické energie do příslušných míst, aby se dosáhlo uložení informace.
19. Záznamová média – videorekordéry, audio & videokazety, pevné & disketové mechaniky :
Jak již bylo uvedeno, záznamová média jsou tvrdé magnetické objekty. Tyto formy médií jsou hojně využívány v našem každodenním životě buď přímo, nebo nepřímo. Požadované informace se ukládají na magnetický materiál pro naše pozdější načtení. Jsme také schopni nahrávat a znovu nahrávat, jak si přejeme, aniž by došlo ke snížení výkonu nebo schopností
20. Kreditní karty & Bankomatové bankovní karty :
Většina kreditních karet obsahuje na zadní straně karty proužek tvrdého magnetického objektu. Tento proužek obsahuje zakódované informace; konkrétně vaše jméno (jména), číslo (čísla) účtu a pravděpodobně několik dalších speciálních položek. Při nákupu kreditní kartou se dnes již zřídka stává, že by prodavač musel s někým hovořit, aby si ujasnil vaši schopnost zakoupit zboží. Místo toho úředník projde vaši kartu malým boxem. Tato krabička je inteligentním rozhraním mezi obchodem a úřadem vydávajícím kreditní karty. Informace o vaší kreditní kartě jsou z karty přečteny malou krabičkou a poté jsou prostřednictvím telefonní linky předány přímo do počítače kreditní karty. Prodavač pak zadá částku vašeho nákupu a počká na schvalovací číslo. Pokud použijete bankomat, ten získá přístup k informacím o vašem účtu z vaší karty a poté vás vyzve k zahájení bankovních transakcí. Všechny vaše volby jsou řízeny počítačem, jsou plně automatizované a všechny jsou iniciovány magneticky.