- Författare
- Renoverade inlägg
- Termisk analys av elektrisk utrustning – olika metoder Review – February 1, 2018
- Koppling av Flux FEA till AcuSolve CFD-lösning -Thermisk analys av elektrisk utrustning – 6 februari 2018
- Beräkning av kapacitansmatris med Flux PEEC – exempel på kraftmodul – 16 januari, 2018
Tjugo exempel på magnetism i arbete
- Kylskåpsmagneter- konstverk & meddelanden
- Kylskåpsmagneter- För att försegla och stänga dörrar
- Hållningsanordningar i metallverkstäder
- Hjälpmedel för skrotupplag och stålverk
- Materialseparation
- Skapande av strålningsisotoper
- Förskning inom ren fysik
- Motorer- bilindustrin, gräsklippare, köksblandare
- Inkontinens- byte av blåsventil
- Denturer
- Levation av tåg
- Navigation med hjälp av kompass
- Säkerhetstaggar för butiker och bibliotek
- Hajar Navigation
- MRI för analys av & fettinnehåll
- MRI för bilder av kroppar och organ
- Transmissionslinjetransformatorer
- Inspelningskopplingar- VIDEOBANDSPELARE, ljud & videokassetter, hårda & diskettstationer
- Inspelningsmedia- videobandspelare, ljud & videokassetter, hårda & diskettstationer, magnetoptiska disketter
- Kreditkort & ATM bankkort
Magnetismen existerar i två former, den existerar i föremål och i luft. När magnetism observeras i föremål representeras den av en grupp saker som kallas ”dipoler”, och den benämns med bokstaven ”m”. När magnetism observeras i luft kallas den helt enkelt ”ett applicerat fält”, och den betecknas med bokstaven ”h”.
En dipol är en liten enhet av magnetisering som består av en styrka och en riktning. Dipol 1 (se figur 1) har en specifik styrka (betecknas av cirkelns area) och en riktning som liknar klockan ett. Dipol 2 (se figur 2) har en styrka som är dubbelt så stor som dipol 1, och dess riktning liknar klockan nio. Ett magnetiskt föremål uppvisar en total magnetisering (m) som är beroende av kombinationen av alla dipoler i föremålet.
Figur 1- Dipol 1
Figur 2 -Dipol 2
Ett anbringat fält existerar i allmänhet på grund av någon av de två följande orsakerna. Skäl nr 1 – Ett föremåls totala magnetisering bildas på ett sådant sätt att den sänder en del av sin styrka ut i den omgivande luften. Skäl nr 2 – elektricitet som passerar genom en tråd genererar ett applicerat fält. Det är viktigt att notera att båda dessa former av ett tillämpat fält kan samexistera, antingen tillsammans eller inte tillsammans . Liksom dipolen har ett tillämpat fält en styrka och en riktning. Det tillämpade fältet 1 (se figur 3) har en styrka som anges av pilens längd och en riktning som liknar klockan tre. Det påförda fältet 2 (se figur 4) har en styrka som är hälften så stor som det påförda fältet 1 och en riktning som liknar klockan sex.
Figur 3 – Tillämpat fält 1
Figur 4- Tillämpat fält 2
Varje grupp av dipoler som avbildas i figur 5a och figur 5b representerar några olika magnetiska scenarier eller situationer. Om man anser att var och en av dessa situationer kan förekomma i vilket magnetiskt objekt som helst, kan vissa kombinationer av dipolgrupper användas för att definiera de två grundläggande magnetiska objekttyperna; ett hårt objekt och ett mjukt objekt.
Figur 5a- Grupp av dipoler som representerar ett hårt objekt
Ett hårt objekt är ett objekt som bäst kan beskrivas som att det har ett beteende som är förknippat med en sekvens av händelser som motsvarar först ”A”, sedan ”B” och sedan ”C”. ”A” beskriver en grupp dipoler i ett objekt där det inte finns något applicerat fält; varje dipol är orienterad i ett unikt läge. ”B” beskriver en grupp dipoler i ett objekt där det finns ett anbringat fält; varje dipol är orienterad mot det anbringade fältet, ungefär som klockan tre. ”C” beskriver en grupp dipoler i ett objekt, där det applicerade fältet från ”B” just har avlägsnats. Observera att några av dipolerna inte har återgått till sina ursprungliga positioner i ”A”, utan har intagit en ny unik position.
Figur 5b- Grupp av dipoler som representerar ett mjukt objekt
Ett mjukt objekt skulle bäst beskrivas om dess beteende förknippades med en sekvens av händelser som först motsvarar ”A” och sedan ”B” och slutligen ”D”. ”A” beskriver en grupp dipoler i ett objekt, där det inte finns något applicerat fält; varje dipol är orienterad i ett unikt läge. ”B” beskriver en grupp dipoler i ett objekt där det finns ett anbringat fält; varje dipol är orienterad mot det anbringade fältet ungefär som klockan tre. ”D” beskriver en grupp dipoler i ett objekt, där det applicerade fältet i ”B” just har tagits bort; observera att alla dipoler har återgått till sina ursprungliga positioner i ”A”.
Det applicerade fältet förändrade karaktären hos både de hårda och mjuka objekten. Det hårda objektet behöll en del av de nya egenskaper som skapades av det applicerade fältet medan det mjuka objektet inte behöll några av de nya egenskaper som skapades av det applicerade fältet. Dessa beteenden definierar den väsentliga skillnaden mellan hårda och mjuka objekt, och fastställer också tydligt vilket objekt som ska användas för att åstadkomma exemplen på magnetism i arbete.
Fysikens lagar kräver att all materia existerar i sitt lägsta möjliga energitillstånd. Detta innebär att när miljöförhållandena förändras kommer materien att anpassa sig för att förbli i lägsta möjliga energitillstånd. Ett magnetiskt objekt kan uppleva tusentals miljösituationer där en förändring av det applicerade fältet innebär en ny miljösituation.
Det finns två huvudtyper av hårda objekt. Den första typen av hårda objekt kallas permanentmagneter och den andra typen kallas inspelningsmedier. Båda typerna av hårda föremål delar förmågan att lagra (eller behålla) energi även om var och en av dem lagrar denna energi på ett annat sätt.
Permanenta magneter är föremål som är konstruerade med en speciell grupp av kombinerade mineraler. När dessa mineraler en gång har förenats uppvisar de i allmänhet ingen magnetism förrän magneten laddas med den process som beskrivs ovan. Hela objektet uppvisar samma karaktär i samarbete och objektet används som en anordning för lagrad energi.
Inspelningsmedier är objekt som konstruerats med en annan grupp av särskilt kombinerade mineraler. Trots att de är olika uppvisar dessa föremål i allmänhet ingen magnetism förrän de också genomgår en sekvens av händelser som liknar den process som beskrivs ovan. Skillnaden här är att det tillämpade fältetanvänds; det tillför en koncentrerad mängd energi till en mycket liten lokaliserad del av objektet. Detta gör det möjligt att lagra energi på olika ställen på föremålet. I själva verket är det möjligt att lagra energi i designade mönster på objektet; vilket motsvarar direkt den information som en individ försöker arkivera på inspelningsmediet.
I grund och botten finns det bara en typ av mjukt objekt. Speciellt kombinerade mineraler används också för dessa föremål; även om dessa föremål, som tidigare nämnts, inte lagrar någon energi. Icke desto mindre är de mycket användbara, eftersom de har en förmåga att organisera och ibland förstärka energin från ett applicerat fält när det är närvarande.
Den energi som vanligen förknippas med magnetism är ganska användbar för att skapa stora mängder av både attraktiva och repulsiva krafter. Följande diagram är användbara för att beskriva skillnaderna mellan de två typerna av krafter och de situationer som krävs för att riktningsförändringar ska uppstå. Repulsion betecknas med bokstaven ”R” (se figur 6) och attraktion med bokstaven ”A” (se figur 7). De krafter som uppstår i båda fallen är ett direkt resultat av att dipolerna försöker minska sina energier till lägsta möjliga tillstånd. Detta kräver vanligtvis någon form av rörelse, antingen attraktion eller repulsion. Om en av de interagerande dipolerna är fixerad på plats kommer den dipol som är fri från tvång att vara den enda som kan röra sig.
Figur 6- Repulsion mellan dipoler
Figur 7- Attraktion mellan dipoler
Nu kommer vi till exemplen …
1. Kylskåpsmagneter – konstverk & meddelanden :
En kylskåpsmagnet är ett hårt föremål, och mer specifikt en permanentmagnet. När denna magnet hålls i din hand har den anpassat sig till sin nuvarande situation och vilar i sitt lägsta möjliga energitillstånd. Om du nu flyttar denna magnet mot kylskåpsdörren (som är ett mjukt föremål) har du gett magneten ett nytt miljötillstånd eller en ny situation. Magneten kommer att anpassa sig för att nå det nya lägsta möjliga energitillståndet. Den kommer att göra detta genom att skicka en del av sin energi till kylskåpsdörren som kommer att absorbera den. Denna energiminimeringsprocess illustrerar det som ovan beskrevs som attraktion; kylmagnet kommer att dras till kylskåpsdörren. Man kan dra nytta av denna dragningskraft och använda magneten för att hålla konstverk eller meddelanden på dörren; det kommer dock att finnas en gräns för den vikt som magneten kan bära.
2. Kylskåpsmagneter – för att försegla och stänga dörrarna :
Kylskåpstillverkarna använder sig av den kunskap som beskrivits ovan för att inte bara stänga dörren när den kommer någorlunda nära kylskåpsramen, utan också för att dra dörren, som har en tätning av en permanentmagnet längs den inre kanten, mycket tätt mot kylskåpsramen. Detta åstadkommer två saker; det ger ägaren friheten att inte slå igen dörren och det ger en extremt effektiv termisk tätning.
3. Hållare för metall i maskinverkstäder :
I en maskinverkstad är det av yttersta vikt att metallstycken hålls stadigt på plats. Om detta åstadkoms är olyckor och misstag mindre frekventa och mindre skadliga. Genom att utnyttja samma kunskap som ovan är det möjligt att skapa attraktionskrafter som är tillräckligt stora för att göra två saker. För det första är de attraktiva krafterna tillräckliga för att hålla fast ett metallstycke som är tyngre än själva magneten, och för det andra kan de attraktiva krafterna motstå ytterligare krafter som skapas av de olika maskinoperationerna. Ett krav på dessa attraktionskrafter är att de kan slås på och stängas av på begäran. Detta kräver en skicklig avledning av magnetens energi från den hållna metallen.
4. Lyft på skrotupplag och stålverk :
På en skrotupplag eller ett stålverk är det nödvändigt att lyfta och förflytta stora mängder metall. Eftersom metallen till stor del består av stål är det ett mjukt föremål. Med den tidigare nämnda kunskapen används magnetism för att utföra denna uppgift. En mycket stor kran som använder antingen en elektromagnet eller en samling av hårda magnetiska föremål i slutet av sin kabel kan plocka upp, flytta och släppa stålbitarna.
5. Separering av material :
Gruvor av olika slag använder magnetism för att separera de material som samlas in. Attraktiva krafter, liknande de som beskrivits tidigare, placeras nära ett transportband som transporterar de utvunna materialen. När de mjuka magnetiska föremålen rör sig genom den magnetiska enheten dras de bort från den transportör som innehåller det önskade materialet och avleds till insamlingsområdet. Det finns olika grader av sofistikering som gör det möjligt för gruvan att vara ganska selektiv i sin insamling och separering av material.
6. Skapande av strålningsisotoper :
Många former av medicinsk forskning använder strålning i form av isotoper. Dessa isotoper används för att isolera och observera olika former av medicinska problem; diabetes, cancer och aids är bara några exempel. De flesta av dessa isotoper är tillverkade; de är inte rikligt förekommande i sina naturliga former. Den kunskap som presenteras ovan används faktiskt för att framställa dessa isotoper. En anordning som kallas en accelerator förser ett grundämne (t.ex. fosfor) med en enorm mängd energi som får grundämnet att ändra tillstånd och avge strålning för att minimera energin.
7. Forskning inom ren fysik :
Subatomära fysikexperiment använder magnetism för att skapa och observera de minsta strukturerna i materien. Attraktiva och repulsiva krafter genereras av magnetism i kontrollerade miljökammare. Svaren förutsägs för vissa materiestrukturer under kontrollerade omständigheter. Observation av de faktiska reaktionerna klargör eller motbevisar förutsägelserna. Detta gör det möjligt för samhället att få en tydligare förståelse för vad materia består av och ger oss bättre förutsättningar att lösa framtida problem.
8. Motorer – bilar, gräsklippare, köksblandare :
Motortillverkare använder sig av samma kunskap som ovan för att åstadkomma rotation i sina motorer. En motor är uppdelad i flera kilformade områden. Synkroniserade elektriska signaler genererar små attraktionskrafter som roterar motorn från ett kilområde till nästa. Motorns hastighet är direkt relaterad till den hastighet med vilken de elektriska signalerna upprepas.
9. Inkontinens-blåsklaffbyte :
Tyvärr lider vissa människor av en oförmåga att urinera på begäran; detta är en form av inkontinens. I ett försök att hjälpa dessa personer har konstgjorda blåsventiler utvecklats. Dessa ventiler implanteras kirurgiskt inuti individen. Ventilen innehåller en vätska som innehåller mängder av ett mjukt föremål som är jämnt utspridda i vätskan. En permanentmagnet som producerar en attraktionskraft används sedan för att flytta ventilen och öppna urinvägarna.
10. Tandproteser :
En ny form av vidhäftning av tandproteser utnyttjar kunskapen från ovan. Små bitar av en permanentmagnet implanteras kirurgiskt i en individs tandkött, och bitar av mjuka föremål placeras i utvalda delar av protesen. När protesen sedan sätts på plats uppstår vidhäftning på grund av attraktionen.
11. Levitation av tåg :
Magnetisk repulsion används för att få tåg att sväva. En uppsättning mycket starka dipoler (tåget) upplever en avstötande kraft från en annan uppsättning dipoler (spåret). Som ett resultat av detta rör sig tåget så långt bort från spåret som möjligt och svävar åtminstone delvis. Denna svävning minskar det motstånd som tåget utsätts för för att röra sig (friktion). Tåget behöver då mindre bränsle för att förflytta sig från en station till nästa och kan också förflytta sig i högre hastigheter.
12. Navigering med hjälp av kompass :
Navigering med hjälp av en kompass åstadkoms eftersom jorden genererar magnetism. Geografiskt sett betecknas toppen av jordklotet som ”nordpolen” och botten som ”sydpolen”. För närvarande är jordens nordpol magnetiskt en sydpol och jordens sydpol magnetiskt en nordpol. En kompass på plats ”A” på jorden kommer att peka mot jordens nordpol. Om vi tar hänsyn till den attraktiva kunskap som vi har lärt oss ovan blir det uppenbart att den ände av kompassen som är märkt med ett ”N” måste vara magnetiskt en nordpol, och den ände av kompassen som är märkt med ett ”S” måste vara magnetiskt en sydpol. Denna konfiguration för kompassen gör det möjligt för den att minimera sin energi genom att peka mot jordens ”nordpol”, som naturligtvis utgör vår riktningsreferens.
13. Säkerhetsmärken för butiks- och biblioteksföremål :
För säkerhetsåtgärder är det nödvändigt att fastställa om ett föremål (antingen en bok i ett bibliotek eller ett par jeans i en butik) lämnar ett anvisat område utan tillstånd. Denna övervakning kan göras med hjälp av magnetism. Som vi har sett kan en grupp dipoler ha unika reaktioner på sin omgivning. Vissa mjuka föremål och vissa kombinationer av hårda och mjuka föremål i ett mosaikmönster uppvisar sådana unika reaktioner att de kan användas som ”taggar”. Om en person lämnar det utsedda området på lämpligt sätt neutraliseras eller avlägsnas taggen. Om de inte gör det utlöser ”taggen” detektionssystemen och ett larm ljuder för att informera myndigheterna om problemet.
14. Hajnavigering :
Hajar navigerar i havet med hänvisning till jordens ”nordpol” och ”sydpol”. När de simmar rör de regelbundet sina huvuden från sida till sida. Man har upptäckt att de har små känselelement i sina huvuden som omvandlar jordens magnetiska energi till elektriska impulser. Dessa impulser används av hajen för att upprätthålla en riktningsreferens för navigering.
Kärnmagnetisk resonans uppstår också som ett resultat av energiminimering. Fysikerna antog för länge sedan en unik uppsättning miljöförhållanden som i själva verket skulle få en magnetisk dipol att precessera och sedan kontinuerligt snurra som en topp (eller resonera) för att minimera sin energi. Fria dipoler i närvaro av följande unika miljöförhållanden kommer att ge upphov till magnetisk resonans: ett starkt riktningsfält i en riktning som liknar klockan tolv, och ett pulserande (kortvarigt) oscillerande fält i en riktning som liknar klockan tre. (se figur 8) Det pulserande oscillerande tillämpade fältet har formen av en sinusfunktion med en frekvens någonstans i radiofrekvensområdet (flera miljoner cykler per sekund). Frekvensen bestämmer hur många gånger en funktion upprepas under en bestämd tid. Ju högre frekvens, desto snabbare förändras funktionen och desto fler cykler som kommer att ha producerats.
Resultatet av ovanstående hypotesförsök har gett oss ett ytterst viktigt observationsverktyg som är icke-invasivt; det innebär att det material eller objekt som observeras inte förändras eller förstörs. Denna teknik kallas magnetisk resonansavbildning (MRT).
15. MRI för analys av vatten- &fettinnehåll :
Magnetisk resonans används av livsmedelstillverkare (som Pepperidge Farm) för att övervaka och optimera vatten- och fettinnehållet i sina ingredienser för att bestämma och bibehålla smak och hållbarhet. Små mängder material placeras i en anordning som duplicerar ovanstående förhållanden. Resonansresponsen övervakas och korreleras direkt med antingen vatten- eller fettinnehållet. Detta görs eftersom både vatten och fett innehåller magnetiska dipoler och deras respons är tillräckligt annorlunda för att kunna särskiljas.
16. MRI för bilder av kroppens & organ :
Magnetisk resonans används för att ta fram 3D-bilder av kroppens organ med en tydlighet och upplösning som överstiger den konventionella röntgenstrålens, och utan användning av skadlig genomträngande röntgenstrålning. För att producera en användbar bild krävs en ännu mer speciell uppsättning villkor än den som beskrivs ovan. Det krävs fortfarande en justering av det tillämpade fältet, men detta fält har nu två komponenter, ett enhetligt fält och ett gradientfält. Ett enhetligt fält är ett fält som har en storlek över en volym, t.ex. en sfär med en diameter på 16 tum, som skiljer sig från genomsnittet med endast 30 eller 40 ppm (parts per million), eller alternativt med endast 0,003 eller 0,004 procent (%) var som helst i sfären. Gradientfältet är ett fält som förändras linjärt med avståndet från sfärens centrum när man rör sig mot sfärens kant. Detta gradientfält ger ett sätt att bestämma rumsliga förhållanden under bildproduktionen och är därmed en viktig bidragande orsak till den ökade klarhet och upplösning som en MRT ger. Det enhetliga fältet och gradientfältet används samtidigt för att rikta in dipolerna i observationsområdet. Dessa dipoler minimerar sina energier genom att rikta in sig på fältet. Nu införs det pulserande fältet; enligt beskrivningen ovan kommer dipolerna att resonera för att på bästa sätt minimera sina energier. Denna resonans övervakas och registreras som en elektrisk impuls. En sekvens av olika gradientfält kommer att appliceras och täcka hela det intressanta organområdet. När alla data har samlats in (detta tar nästan en timme) bearbetas de av en kraftfull dator för att producera 3D-bilden.
17. Transformatorer för överföringsledningar :
Mjukmagnetiska föremål används av elbolagen. De stora transformatorerna (både bostads- och industritransformatorer) omvandlar energi från en form till energi av en annan form. Närmare bestämt omvandlar de spänning på en magnitud till en spänning på 110 eller 220 volt, vilket är de typiska spänningarna för hushållsapparater. Överföringsledningar innehåller flera tusen volt, och en transformator som innehåller mjukmagnetiska föremål används för att omvandla denna stora amplitud av spänning till de 110 och 220 volt som används i ditt hus.
18. Inspelningshuvuden – videobandspelare, ljud & videokassetter, hårda & diskettstationer :
En speciell kodningssekvens används för att åstadkomma informationslagring. Denna kodningssekvens kräver att energi (i form av tillämpade fält) presenteras för lagringsmedia i små organiserade områden. Mjukmagnetiska föremål används för att kanalisera denna magnetiska energi till lämpliga platser för att åstadkomma informationslagring.
19. Inspelningsmedia- videobandspelare, ljud & videokassetter, hårda & diskettstationer :
Som tidigare nämnts är inspelningsmedia ett hårdmagnetiskt objekt. Dessa former av medier används i stor utsträckning i vår vardag antingen direkt eller indirekt. Den önskade informationen sparas på det magnetiska materialet för att vi ska kunna hämta den senare. Vi kan också spela in och spela in igen som vi vill utan att prestandan eller kapaciteten försämras.
20. Kreditkort & Bankomatkort :
De flesta kreditkort innehåller en remsa med ett hårdmagnetiskt föremål på baksidan av kortet. Denna remsa innehåller kodad information; närmare bestämt ditt eller dina namn, ditt eller dina kontonummer och förmodligen några andra speciella uppgifter. När du gör ett köp med ett kreditkort är det numera ovanligt att kontoristen behöver prata med någon för att klargöra din möjlighet att köpa en vara. Istället kommer handläggaren att föra ditt kort genom en liten låda. Denna låda är ett intelligent gränssnitt mellan butiken och kreditkortsföretaget. Din kreditkortsinformation avläses från kortet av den lilla lådan och skickas sedan direkt till kreditkortsdatorn via en telefonlinje. Handläggaren skriver sedan in köpesumman och väntar på ett godkännandenummer. Om du använder en uttagsautomat kommer uttagsautomaten att få tillgång till dina kontouppgifter från ditt kort och uppmanar dig sedan att inleda banktransaktioner. Alla dina val är datorstyrda och helt automatiserade och alla initieras av magnetics.