- Author
- Sidste indlæg
- Termisk analyse af elektrisk udstyr – forskellige metoder anmeldelse – 1. februar, 2018
- Kobling af Flux FEA til AcuSolve CFD-løsning -Thermisk analyse af elektrisk udstyr – 6. februar 2018
- Beregning af kapacitansmatrix med Flux PEEC – Eksempel på effektmodul – 16. januar, 2018
Tyve eksempler på magnetisme på arbejde
- Køleskabsmagneter- kunstværker & budskaber
- Køleskabsmagneter- til at forsegle og lukke døre
- Metal maskinværkstedets holdeanordninger
- Hævning af skrotplads og stålværk
- Sortering af materialer
- Skabelse af stråleisotoper
- Rene fysikforskning
- Motorer- bilindustrien, plæneklippere, køkkenmixer
- Inkontinens- udskiftning af blæreventiler
- Dentures
- Levitation af tog
- Navigation via kompasset
- Sikkerhedsmærker til butikker og biblioteksartikler
- Hajer Navigation
- MRI til analyse af fugt &fedtindhold
- MRI til krops- og organbilleder
- Transmissionslinjetransformatorer
- Indspilningshoveder- VIDEOBÅNDOPTAGERE, lyd & videokassetter, hårde & diskettedrev
- Indspilningsmedier- videobåndoptager, lyd & videokassetter, hårde & diskettedrev, magneto-optiske diske
- Kreditkort & ATM bankkort
Magnetisme findes i to former, den findes i objekter og i luft. Når magnetisme observeres i objekter, repræsenteres den af en gruppe af ting, der kaldes “dipoler”, og den betegnes med bogstavet “m”. Når magnetisme observeres i luft, kaldes det simpelthen “et påført felt”, og det betegnes med bogstavet “h”.
En dipol er en lille enhed af magnetisering, som består af en styrke og en retning. Dipol 1 (se figur 1) har en bestemt styrke (betegnet ved cirklens areal) og en retning svarende til klokken et. Dipol 2 (se figur 2) har en styrke, der skal være dobbelt så stor som dipol 1, og dens retning svarer til klokken ni. Et magnetisk objekt udviser en samlet magnetisering (m), som er afhængig af kombinationen af alle dipoler i objektet.
Figur 1- Dipol 1
Figur 2 -Dipol 2
Et påført felt eksisterer generelt på grund af en af de to følgende årsager. Årsag nr. 1 – en objekts samlede magnetisering er dannet på en sådan måde, at den sender noget af sin styrke ud i den omgivende luft. Årsag nr. 2 – elektricitet, der passerer gennem en ledning, genererer et anbragt felt. Det er vigtigt at bemærke, at begge disse former for et anbragt felt kan eksistere sideløbende, enten i samarbejde eller ikke-samarbejde . Som det er tilfældet med dipolen, har et anbragt felt en styrke og en retning. Det anlagte felt 1 (se figur 3) har en styrke, der betegnes ved længden af pilen, og en retning svarende til klokken tre. Det påvirkede felt 2 (se figur 4) har en styrke, der betegnes som værende halvdelen af det påvirkede felt 1, og en retning svarende til klokken seks.
Figur 3 – Anvendt felt 1
Figur 4- Anvendt felt 2
Hver gruppe af dipoler, der er afbildet i figur 5a og figur 5b, repræsenterer nogle forskellige magnetiske scenarier eller situationer. Hvis man tager i betragtning, at hver af disse situationer kan forekomme i ethvert magnetisk objekt, kan visse kombinationer af dipolgrupper anvendes til at definere de to grundlæggende magnetiske objekttyper: et hårdt objekt og et blødt objekt.
Figur 5a- Dipolgruppe, der repræsenterer et hårdt objekt
Et hårdt objekt er et objekt, der bedst kan beskrives som havende en adfærd, der er forbundet med en sekvens af begivenheder svarende til først “A”, derefter “B” og derefter “C”. “A” beskriver en gruppe af dipoler i et objekt, hvor der ikke er noget påført felt; hver dipol er orienteret i en unik position. “B” beskriver en gruppe af dipoler i et objekt, hvor der er et påtrykt felt; hver dipol er orienteret i forhold til det påtrykte felt i retning af klokken tre. “C” beskriver en gruppe af dipoler i et objekt, hvor det påførte felt fra “B” netop er blevet fjernet; bemærk, at nogle af dipolerne ikke er vendt tilbage til deres oprindelige positioner i “A”, men har indtaget en ny unik position.
Figur 5b- Gruppe af dipoler, der repræsenterer et blødt objekt
Et blødt objekt ville bedst kunne beskrives, hvis dets adfærd blev forbundet med en sekvens af begivenheder, der først svarer til ‘A’ og derefter ‘B’ og til sidst ‘D’. “A” beskriver en gruppe af dipoler i et objekt, hvor der ikke er noget påført felt, og hvor hver dipol er orienteret i en unik position. “B” beskriver en gruppe af dipoler i et objekt, hvor der er et påtrykt felt; hver dipol er orienteret i forhold til det påtrykte felt på samme måde som klokken tre. ‘D’ beskriver en gruppe af dipoler i et objekt, hvor det påførte felt i ‘B’ netop er blevet fjernet; bemærk, at alle dipolerne er vendt tilbage til deres oprindelige positioner i ‘A’.
Det påførte felt ændrede karakteren af både de hårde og bløde objekter. Det hårde objekt beholdt nogle af de nye egenskaber, der blev skabt af det påførte felt, mens det bløde objekt ikke beholdt nogen af de nye egenskaber, der blev skabt af det påførte felt. Denne adfærd definerer den væsentlige forskel mellem hårde og blødeobjekter og fastslår også klart, hvilket objekt der skal bruges til at udføre de eksempler på magnetisme på arbejde.
Fysikkens love kræver, at alt stof eksisterer i sin lavest mulige energitilstand. Det betyder, at når miljøforholdene ændrer sig, vil materien tilpasse sig for at forblive i den lavest mulige energitilstand. Et magnetisk objekt kan opleve tusindvis af miljøsituationer, hvor en ændring i det anvendte felt indebærer en ny miljøsituation.
Der findes to hovedtyper af hårde objekter. Den første slags hårde objekter kaldes permanente magneter, og den anden slags kaldes optagemedier. Begge slags hårde genstande deler evnen til at lagre (eller beholde) energi, selv om de hver især lagrer denne energi på forskellig vis.
Permanente magneter er genstande, der er konstrueret med en særlig gruppe af kombinerede mineraler. Disse mineraler, når de først er forenet, udviser generelt ikke magnetisme, før magneten er opladet med den ovenfor beskrevne proces. Hele objektet udviser samme karakter i samarbejde, og objektet anvendes som en anordning til lagring af energi.
Indspilningsmedier er objekter, der er konstrueret af en anden gruppe af specielt kombinerede mineraler. Selv om disse genstande er forskellige, udviser de generelt ingen magnetisme, før de også gennemgår en sekvens af begivenheder svarende til den ovenfor beskrevne proces. Forskellen her er, at det anvendte feltanvendes; det leverer en koncentreret mængde energi til en meget lille lokaliseret del af objektet. Dette gør det muligt at lagre energi på forskellige steder på objektet. Faktisk er det muligt at lagre energi i designede mønstre på objektet; hvilket svarer direkte til den information, som en person forsøger at arkivere på optagemediet.
Grundlæggende er der kun én slags blødt objekt. Specielt kombinerede mineraler anvendes også til disse genstande; selv om disse genstande som tidligere nævnt ikke opbevarer nogen energi. Ikke desto mindre er de meget nyttige, fordi de har en evne til at organisere og undertiden forstærke energien fra et anvendt felt, når det er til stede.
Den energi, der almindeligvis forbindes med magnetisme, er ganske nyttig til at skabe store mængder af både tiltrækkende og frastødende kræfter. De følgende diagrammer er nyttige til at skildre forskellene mellem de to slags kræfter og de situationer, der er nødvendige for, at der opstår retningsændringer. Repulsion er betegnet med bogstavet “R” (se figur 6) og tiltrækning med bogstavet “A” ( se figur 7). De kræfter, der opstår i begge tilfælde, er et direkte resultat af, at dipolerne forsøger at reducere deres energier til den lavest mulige tilstand. Dette kræver normalt en form for bevægelse; enten tiltrækning eller frastødning. Hvis en af vekselvirkningsdipolerne er fastlåst, vil den dipol, der er fri for tvang, være den eneste dipol, der kan bevæge sig.
Figur 6- Repulsion mellem dipoler
Figur 7- Tiltrækning mellem dipoler
Nu til eksemplerne …
1. Køleskabsmagneter – kunstværk & meddelelser :
En køleskabsmagnet er en hård genstand, og mere specifikt en permanent magnet. Når man holder denne magnet i hånden, har den tilpasset sig sin nuværende situation og hviler i sin lavest mulige energitilstand. Hvis du nu flytter denne magnet mod køleskabsdøren (som er et blødt objekt), har du givet magneten en ny miljøtilstand eller situation. Magneten vil tilpasse sig for at nå den nye lavest mulige energitilstand. Konkret vil den gøre dette ved at sende en del af sin energi ind i køleskabsdøren, som vil absorbere den. Denne energiminimeringsproces illustrerer det, der ovenfor blev beskrevet som tiltrækning; kølemagneten vil blive tiltrukket af køleskabsdøren. Man kan udnytte denne tiltrækningskraft og bruge magneten til at holde kunstværker eller budskaber fast på døren; der vil dog være en grænse for den vægt, som magneten kan bære.
2. Køleskabsmagneter – til at forsegle og lukke dørene :
Køleskabsproducenterne bruger den ovenfor beskrevne viden til ikke blot at lukke døren, når den kommer rimeligt tæt på køleskabsrammen, men også til at trække døren, som har en permanentmagnetpakning langs den indvendige kant, meget tæt til køleskabsrammen. Derved opnås to ting; det giver ejeren frihed til ikke at smække døren i, og det giver en yderst effektiv termisk forsegling.
3. Metalholdningsanordninger til maskinværksteder :
I et maskinværksted er det af største vigtighed, at metalstykker holdes fast på plads. Hvis dette lykkes, er ulykker og fejl mindre hyppige og mindre skadelige. Ved at udnytte den samme viden fra ovenfor er det muligt at frembringe tiltrækningskræfter, som er store nok til at gøre to ting. For det første er de tiltrækkende kræfter tilstrækkelige til at holde et stykke metal, der er tungere end selve magneten, fast, og for det andet er de tiltrækkende kræfter i stand til at modstå yderligere kræfter, der opstår ved de forskellige maskinoperationer. Et krav til disse tiltrækningskræfter er, at de kan til- og frakobles efter ønske. Dette kræver en snedig afledning af magnetens energi væk fra det fastholdte metal.
4. Løft på skrotpladser og stålværker :
På en skrotplads eller et stålværk er det nødvendigt at løfte og flytte store mængder metal. Da metallet stort set består af stål, er det en blød genstand. Med den tidligere nævnte viden anvendes magnetisme til at udføre denne opgave. En meget stor kran, der enten bruger en elektromagnet eller en samling af hårde magnetiske genstande for enden af sit kabel, er i stand til at løfte, flytte og slippe stålstykkerne.
5. Adskillelse af materialer :
Miner af forskellige typer bruger magnetisme til at adskille de materialer, der indsamles. Tiltrækkende kræfter, svarende til dem, der er beskrevet tidligere, er placeret i nærheden af et transportbånd, der transporterer de udvundne materialer. Når de blødt magnetiske genstande bevæger sig forbi den magnetiske samling, trækkes de væk fra det transportør, der indeholder det ønskede materiale, og ledes til opsamlingsområdet. Der findes forskellige grader af sofistikering, som gør det muligt for minen at være ret selektiv i sin indsamling og adskillelse af materialer.
6. Fremstilling af strålingsisotoper :
Mange former for medicinsk forskning anvender stråling i form af isotoper. Disse isotoper bruges til at isolere og observere forskellige former for medicinske problemer; diabetes, kræft og AIDS er blot nogle få eksempler. De fleste af disse isotoper er fremstillet; de forekommer ikke hyppigt i deres naturlige former. Den viden, der præsenteres ovenfor, bruges faktisk til at fremstille disse isotoper. Et apparat kaldet en accelerator forsyner et grundstof (som f.eks. fosfor) med en enorm mængde energi, hvilket får grundstoffet til at ændre tilstand og udsende stråling for at minimere dets energi.
7. Forskning i ren fysik :
Subatomare fysikforsøg udnytter magnetisme til at skabe og observere de mindste strukturer i materien. Tiltrækkende og frastødende kræfter genereres af magnetisme i kontrollerede miljøkamre. Der forudsiges reaktioner for visse materiestrukturer under kontrollerede omstændigheder. Observation af de faktiske reaktioner afklarer eller modbeviser forudsigelserne. Dette gør det muligt for samfundet at få en klarere forståelse af, hvad stof består af, og giver os bedre forudsætninger for at løse fremtidens problemer.
8. Motorer – bilmotorer, plæneklippere, køkkenblandere :
Motorproducenter anvender den samme viden fra ovenstående til at frembringe rotation i deres motorer. En motor er opdelt i flere kileformede områder. Synkroniserede elektriske signaler skaber små tiltrækningskræfter, som får motoren til at rotere fra et kileformet område til det næste. Motorens hastighed er direkte forbundet med den hastighed, hvormed de elektriske signaler gentages.
9. Inkontinens-blæreventiludskiftning :
Der er desværre nogle mennesker, der lider under en manglende evne til at tisse efter behov; dette er en form for inkontinens. I et forsøg på at hjælpe disse mennesker er der blevet udviklet kunstige blæreventiler. Disse ventiler bliver kirurgisk implanteret inde i den enkelte person. Ventilen indeholder en væske, som indeholder mængder af en blød genstand, der er fordelt ensartet i væsken. En permanent magnet, der skaber en tiltrækningskraft, bruges derefter til at flytte ventilen og åbne urinvejene.
10. Tandproteser :
En ny form for fastgørelse af tandproteser udnytter viden fra ovenstående. Små stykker af permanentmagnet indopereres kirurgisk i en persons tandkød, og stykker af bløde genstande placeres i udvalgte dele af protesen. Når protesen derefter sættes på plads, opstår der adhæsion som følge af tiltrækningen.
11. Svæven af tog :
Magnetisk frastødning bruges til at få tog til at svæve. Et sæt meget stærke dipoler (toget) oplever en frastødende kraft fra et andet sæt dipoler (sporet). Som følge heraf bevæger toget sig så langt væk fra sporet som muligt og er i det mindste delvist svævet. Denne svævekraft reducerer den modstand, som toget oplever for at bevæge sig (friktion). Toget vil derfor kræve mindre brændstof for at bevæge sig fra en station til den næste og kan også bevæge sig med højere hastigheder.
12. Navigation ved hjælp af kompas :
Navigation ved hjælp af et kompas sker, fordi jorden genererer magnetisme. Geografisk set betegnes toppen af kloden som “Nordpolen”, og bunden som “Sydpolen”. I øjeblikket er jordens “nordpol” magnetisk set en sydpol, og jordens “sydpol” er magnetisk set en nordpol. Et kompas på sted “A” på jorden vil pege mod jordens “nordpol”. Hvis vi overvejer den tiltrækkende viden, som vi har lært ovenfor, bliver det klart, at den ende af kompasset, der er mærket med et “N”, magnetisk set må være en nordpol, og den ende af kompasset, der er mærket med et “S”, magnetisk set må være en sydpol. Denne konfiguration af kompasset gør det muligt for det at minimere sin energi til at pege mod Jordens “nordpol”, som naturligvis giver os vores retningsmæssige reference.
13. Sikkerhedsmærker for butiks- og biblioteksgenstande :
Til sikkerhedsforanstaltninger er det nødvendigt at kunne fastslå, om en genstand (enten en bog på et bibliotek eller et par jeans i en butik) forlader et udpeget område uden tilladelse. Denne overvågning kan foretages med magnetisme. Som vi har set, kan en gruppe af dipoler have unikke reaktioner på deres omgivelser. Nogle bløde genstande og nogle kombinationer af hårde og bløde genstande i et mosaikmønster udviser sådanne unikke reaktioner, at de kan bruges som “tags”. Hvis en person forlader det udpegede område på passende vis, neutraliseres eller fjernes mærket. Hvis de ikke gør det, udløser “tagget” detektionssystemerne, og der lyder en alarm, som underretter myndighederne om problemet.
14. Hajnavigation :
Hajer navigerer i havet i forhold til jordens ‘nordpol’ og ‘sydpol’. Mens de svømmer, bevæger de jævnligt hovedet fra side til side. Man har opdaget, at de har små sanseelementer i deres hoveder, som omdanner jordens magnetiske energi til elektriske impulser. Disse impulser bruges af hajen til at opretholde en retningsbestemt reference til navigation.
Nuklear magnetisk resonans opstår også som følge af energiminimering. Fysikere har for længe siden opstillet en hypotese om et unikt sæt af miljøforhold, som i realiteten ville få en magnetisk dipol til at forcere og derefter konstant at dreje som en top (eller resonere) for at minimere sin energi. Frie dipoler i tilstedeværelse af følgende unikke miljøbetingelser vil frembringe magnetisk resonans: et stærkt, justeret felt i en retning svarende til klokken tolv, og et pulserende (kortvarigt) oscillerende felt i en retning svarende til klokken tre. (se figur 8) Det pulserende oscillerende felt er i form af en sinusfunktion med en frekvens et sted i radiofrekvensområdet (flere millioner cyklusser pr. sekund). Frekvensen bestemmer, hvor mange gange en funktion gentages i løbet af et bestemt tidsrum. Jo hurtigere frekvensen er, jo hurtigere ændrer funktionen sig, og jo flere cyklusser, der vil være blevet produceret.
Resultatet af ovenstående hypoteserede eksperiment har givet os et yderst vigtigt observationsredskab, som er ikke-invasivt; det betyder, at det materiale eller objekt, der observeres, ikke ændres eller ødelægges. Denne teknik kaldes Magnetic Resonance Imaging (MRI).
15. MRI til analyse af vand &fedtindhold :
Magnetisk resonans anvendes af fødevareproducenter (som Pepperidge Farm) til at overvåge og optimere vand- og fedtindholdet i deres ingredienser med henblik på at bestemme og bevare smag og holdbarhed. Små mængder materialer anbringes i en anordning, der kopierer de ovennævnte forhold. Resonansresponsen overvåges og sættes direkte i forbindelse med enten vand- eller fedtindholdet. Dette opnås, fordi vand og fedt begge indeholder magnetiske dipoler, og deres respons er forskellig nok til, at de kan skelnes.
16. MRI til billeder af kroppens & organer :
Magnetisk resonans anvendes til at fremstille 3D-billeder af kroppens organer med en klarhed og en opløsning, der overgår den konventionelle røntgenstråles klarhed og opløsning, og uden brug af skadelige, gennemtrængende røntgenstråler. Fremstillingen af et brugbart billede kræver et endnu mere specielt sæt af betingelser end det ovenfor beskrevne. Det er stadig nødvendigt at justere det anvendte felt, men dette felt har nu to komponenter, nemlig et ensartet felt og et gradientfelt. Et ensartet felt er et felt, hvis størrelse over et volumen som f.eks. en kugle med en diameter på 16 tommer kun afviger fra gennemsnittet med 30 eller 40 ppm (parts per million) eller alternativt med kun 0,003 eller 0,004 procent (%) overalt på kuglen. Gradientfeltet er et felt, der ændrer sig lineært med afstanden fra kuglens centrum, efterhånden som man bevæger sig mod kuglens kant. Dette gradientfelt giver mulighed for at bestemme de rumlige relationer under billedfremstillingen og bidrager således i høj grad til den øgede klarhed og opløsning, som en MRT giver. Det ensartede felt og gradientfeltet anvendes samtidig til at justere dipolerne i observationsområdet. Disse dipoler minimerer deres energier ved at rette sig ind efter feltet. Nu indføres det pulserende felt; som beskrevet ovenfor vil dipolerne resonere for at minimere deres energier bedst muligt. Denne resonans overvåges og registreres som en elektrisk impuls. Der anvendes en sekvens af forskellige gradientfelter, som dækker hele det pågældende organområde. Når alle data er blevet indsamlet (dette tager næsten en time), behandles de af en kraftig computer for at fremstille 3D-billedet.
17. Transmissionslinjetransformere :
Bløde magnetiske genstande anvendes af elselskaberne. De store transformere (både bolig- og industritransformere) omdanner energi fra en form til energi af en anden form. Konkret omdanner de spænding på én størrelse til en spænding på 110 eller 220 volt, som er de typiske spændinger i husholdningsapparater. Transmissionsledninger indeholder flere tusinde volt, og en transformer, der indeholder blødmagnetiske genstande, bruges til at omdanne denne store amplitude af spænding til de 110 og 220 volt, der bruges i dit hus.
18. Optagehoveder – videobåndoptager, lyd- & videokassetter, harddisk & diskettedrev :
En særlig kodningssekvens anvendes til at opnå informationslagring. Denne kodningssekvens kræver, at energi (i form af påførte felter) præsenteres for lagringsmedier i små organiserede områder. Blødmagnetiske genstande anvendes til at kanalisere denne magnetiske energi til passende steder for at opnå informationslagring.
19. Optagemedier – videobåndoptager, lyd & videokassetter, hårde & diskettedrev :
Som tidligere nævnt er optagemedier et hårdt magnetisk objekt. Disse former for medier anvendes i vid udstrækning i vores hverdag enten direkte eller indirekte. De ønskede oplysninger gemmes på det magnetiske materiale, så vi senere kan hente dem frem igen. Vi er også i stand til at optage og genindspille, som vi ønsker, uden at ydeevnen eller kapaciteten forringes.
20. Kreditkort & Bankkort til hæveautomater :
De fleste kreditkort indeholder en strimmel af hårdt magnetisk objekt på bagsiden af kortet. Denne strimmel indeholder kodede oplysninger; nærmere bestemt dit (dine) navn(e), kontonummer(e) og sandsynligvis et par andre specielle oplysninger. Når du foretager et køb med et kreditkort, er det nu sjældent, at ekspedienten skal tale med nogen for at få afklaret, om du har mulighed for at købe en vare. I stedet vil ekspedienten føre dit kort gennem en lille boks. Denne boks er en intelligent grænseflade mellem butikken og kreditkortkontoret. De kreditkortoplysninger, som den lille boks aflæser fra dit kort, sendes direkte til kreditkortcomputeren via en telefonlinje. Ekspedienten indtaster derefter dit købsbeløb og venter på et godkendelsesnummer. Hvis du bruger en hæveautomat, får hæveautomaten adgang til dine kontooplysninger fra dit kort og beder dig derefter om at indlede banktransaktioner. Alle dine valg er computerstyrede og fuldt automatiserede og alle initieret af magnetics.