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What are magnets? Most materials

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Academic year: 2021

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History of Magnets

• More than 2000 years ago, rocks called  lodestones were found in the region of  Magnesia in Greece. • In the 12th century, the Chinese used them for  navigating ships.

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What are magnets?

• Most materials – Have paired up electrons moving in opposite  directions. – The field created by one moving charge is  canceled by the other. – No magnetic field is created.

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What are magnets?

Any charges in motion produce a magnetic field. • Some materials like Iron, Nickel, or Cobalt – Have a single electron or paired electrons spinning  in the same directions. – The magnetic field created by one electron is not  canceled by the other. – An atomic sized magnet is created.

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Why is Fe magnetic and Al not?

• What makes a good magnet? – Every spinning electron is a tiny magnet. – A pair of electrons spinning in the same direction is a stronger  magnet. – A pair of electrons spinning in opposite directions work against  one another; the magnetic fields cancel. • Fe has two unpaired electrons spinning in the  same direction. – Cobalt has 3. – Nickel has 4. – Aluminum has one unpaired electron.

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Magnetic Poles

• All magnets have two regions “poles” that produce  magnetic forces. • They are named like this because if you take a  magnet and suspend it from the middle (so that it  can swing freely), it will rotate until the north pole  of the magnet points north and the south pole  points south. • Like poles repel.Opposite poles attract.

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No less than two.

• North and South cannot be separated.  

• If a magnet is broken, poles aren’t separated; 

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Magnetic Domains

• In magnetic materials, neighboring atoms pair  up to form large groups of atoms whose net  spins are aligned. • These groups are called domains.When a piece of iron is not a magnet, the  domains point in random directions. 

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Magnetic Domains

• If the non‐magnetized iron is placed in a strong  magnetic field, the domains will line up in the  direction of the field. • In temporary magnets, the domains will return to  their random orientation after the field is removed. • In permanent magnets, the domains will remain  aligned.  • 1 domain = 1 quadrillion (1015) atoms

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Magnetic Fields

• You have probably noticed that forces  between the magnets (both attraction and  repulsion), are felt not only when the magnets  are touching each other, but also when they  are held apart. • In the same way that gravity can be described  by a gravitational field, magnetic forces can be  described by the magnetic fields around  magnets.

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Magnetic Field Demo

• What kinds of magnetic fields are produced by 

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Magnetic

Field Lines

The shape of the  magnetic field. If  you place a compass  in the field its arrow  will point parallel to  the field lines.

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Magnetic Field Lines

• Magnetic field lines are the same as         electric field lines in that both are stronger  when lines are drawn closer together.  – So the magnetic field is stronger at the poles • The magnetic field lines have arrows going  from north to south. • Magnetic field lines do not cross because the  magnetic field cannot go in two directions at  once.

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Temporary Magnets

• What happens when you place a magnet next  to a nail? • This is because the magnet causes the nail to  become polarized; the nail becomes a magnet. • Aluminum and lead are not a magnetic.  This is temporary; if you pull the magnet away, the nail loses its  magnetism.

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Permanent Magnets

• Permanent magnets are produced in the same  manner as the nail; however, due to the  microscopic structure of the material, the  magnetism becomes more permanent. • Most permanent magnets are made of ALNICO,  an iron alloy containing 8% Aluminum, 14%  Nickel, and 3% Cobalt. altho. Al is not a magnetSome rare earth elements, such as neodymium  and gadolinium, produce strong permanent  magnets.

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Common Uses of Magnets

• Magnetic recording media: VHS tapes, audio cassettes, floppy disks, hard  disks.  • Credit, debit, and ATM cards • Common television and computer monitors • Speakers and Microphones • Electric motors and generators • Compasses • Magnets can pick up magnetic items (iron nails, staples, tacks, paper clips)  that are either too small, too hard to reach, or too thin for fingers to hold.  Some screwdrivers are magnetized for this purpose.  • Magnets can be used in scrap and salvage operations to separate  magnetic metals (iron, steel, and nickel) from non‐magnetic metals  (aluminum, non‐ferrous alloys, etc.).  • Magnetic levitation transport, or maglev, is a form of transportation that  suspends, guides and propels vehicles (especially trains).  The maximum  recorded speed of a maglev train is 361 mph. 

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How to demagnetize a magnet

• Heating a magnet past its Curie temperature ‐ the molecular motion destroys the alignment  of the magnetic domains.  – 768°C for Iron • Hammering or jarring – the mechanical disturbance tends to  randomize the magnetic domains.  • Placing the magnet in an alternating magnetic  field.

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Ferrofluid

• a mixture of tiny iron particles covered with a  liquid coating that are then added to water or oil. • Used in car suspensions, cancer detection,    loud speakers • video

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Earth’s Magnetic Field

• Earth is a huge  magnet. • This is possibly  due to the  molten Iron core. • The magnetic  field around Earth  is called the  Magnetosphere

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Earth’s Magnetic Field

• Magnetic north pole is different than geographical north pole.  • There is about a 25  ̊difference from geographic north pole to  magnetic north pole, this is called magnetic declination • In addition, the north pole  of a magnet is attracted to  earth’s north pole because that  is the magnetic south pole. • The south pole of a magnet  is attracted to the earth’s  south pole because that  is the magnetic north pole.

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Magnetosphere

• Extends several tens of thousands of km into space.

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Auroras

• Charged particles from the sun become         trapped in Earth’s magnetic field. • This occurs near the magnetic poles. • These charged particles collide with electrons of  the atoms in our atmosphere and transfer their  energy. • The colors of the lights are determined by the type  of gases in the atmosphere. – O2 releases green light; N2 releases red light • aurora borealis (northern lights); aurora australis  (southern lights)

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Magnetic field of Earth is not stable

• The magnetic poles of Earth wander up to 15 km  every year. • Based upon the study of lava flows throughout  the world, Earth's magnetic field reverses at  intervals, ranging from tens of thousands to  many millions of years, with an average interval  of approximately 250,000 years.  • The last reversal is theorized to        have occurred 780,000 years ago.

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Animal Migration

• Some animal species do have the       ability to detect the magnetic field,        & they use it to make their migrations.  • Bats and sea turtles use magnetic        information to find their way. • We're not 100 percent sure how animals detect the  magnetic field, but small particles of magnetite have  been found in the brains of some species. Those  particles may be reacting to the magnetic field and  activating nerves in such a way as to send orientation  information to the animal's brain.

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Moving Charges

• A moving charge produces a magnetic

field.

• Many charges in motion – an electric

current – also produce a magnetic field.

• This was discovered in 1820 by Hans

Oersted. He ran an electric current

through a wire and positioned compasses around the wire.

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The Right Hand Rule

• Which way is the magnetic field pointing? 1.  Hold your hand as if grasping the wire. 2.  Point your thumb in the direction of the  current. 3.  The magnetic field will is in the direction that  your remaining four fingers point. • The right hand rule can also be applied to a loop of  wire.

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Solenoids

A solenoid combines loops of wire to increase  magnetic field strength.  The greater the number of  loops, the greater the field strength. • The field of a solenoid can be increased further by  inserting a ferromagnetic rod in the center.  This is  called an electromagnet.

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Another Right Hand Rule

• Which way does the force push the charge? 1.  Put your index finger in the direction of the  charge’s velocity (current).  Index = I = current 2.  Point your middle finger in the direction of  the magnetic field. Middle = M = magnetic 3.  Your thumb will point in the direction of the  magnetic force.

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Magnetic Force on Wires

The force experienced by a current‐carrying wire is  the sum of all of the individual forces of the  electrons moving within it. F = BIl • The parallel wires near each other will experience  magnetic force: towards each other if the current is  in the same direction and away if it is in opposite  directions. • A speaker uses the force on a coil of wire to vibrate  a cone that transmits sound.

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Electromagnetism

• Oersted discovered that a magnetic field can  be formed from a current, now we will learn  how a current can be formed from a magnetic  field • When Michael Faraday made his discovery of  electromagnetic induction in 1831, he  discovered that a changing magnetic field is  necessary to induce a current in a nearby  circuit.

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Creating Current

• Faraday discovered that if a wire is moved in a  magnetic field, a voltage is produced, and if  there is a complete loop, a current will flow.  This is how electricity is generated. • This is electromagnetic induction

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3 Ways of Inducing a Current

1. A circuit is moved into or out of a magnetic  field. 2. A circuit is rotated in a magnetic field. 3. The intensity or direction of a magnetic field  is varied.

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Why the loops?

• By bending the wire into a loop, the magnetic  field lines are bunched up inside the loop. • If you add more loops, the magnetic field will  become stronger. – Two loops = magnetic field is doubled. – Three loops = magnetic field is tripled. • Electromagnet – a current carrying wire with  many loops.

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Add a core to the electromagnet

• If a piece of iron is placed inside the coil of the  electromagnet, the domains of the piece of  iron are forced into alignment, increasing the  intensity of the magnetic field. • Electromagnets are strong       temporary magnets – they       can be turned on and off       easily.

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Generating electricity

In industry, electricity is generated by spinning a  coil of wire in a magnetic field. To increase the voltage or current generated: • Spin the coil faster.  • Put more loops on the coil.  • Use a stronger magnetic field.  • Use a coil with a larger area. 

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Applications of Induction

• Generators  – A generator is nothing more than the reverse  of an electric motor – A motor, you put current (battery) into it ,  electrical energy, and you get mechanical  work out of it (spinning our wire) – A generator, you put mechanical work into it  (water running, or falling, steam, etc.) and you  get current out • Microphone  – A simple microphone is the reverse  (symmetry) of a speaker. – A speaker, you put alternating current into it  and you get sound out. – A microphone, you put sound into and you get  alternating current out. 

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Speakers

• Alexander Graham Bell patented the  first electrical loudspeaker as part of  his telephone in 1876. • The loudspeakers in most sound  systems use magnets to produce  sound waves. • One design is a flexible paper cone  attached to a coil of wire and a  permanent magnet • The current through the wire causes a  magnetic force on the coil.  

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Faraday’s Law of Induction

Michael Faraday calculated the magnitude of  electromotive force (emf) caused by induced  current. emf = ‐NΔφm/Δtemf is measured in volts.  N is the number of loops  in a wire.  What factors go into flux?

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Transformerssssssss!

Transformers can either step voltage up OR  down! · This is the main reason why we use AC circuits! • Notice that the transformer is made with two  different wire coils. • The magnetic field of one coil is transferred to  the other coil via an iron core. • The difference in coil configuration creates a  difference in voltage!

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• The principal reason voltage is induced in the  loops of a generator coil is that loops are 

rotating, and changing the amount of 

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Transformers

• You see transformers everywhere! – They are those big cylindrical cans you see on  power poles – They are those big green metal boxes you see on  the side of some buildings that say, “Danger! High  Voltage!” – They are in many appliances that require to step  up the voltage supplied in our walls (120V) – Because of transformers, AC voltage became the  voltage of choice 

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Transformer Equation

V2 = V1 (N2/N1) • N1 is the primary coil.  N2 is the secondary coil. • A step‐up transformer is used on a 120 V line to  provide a potential difference of 2400 V.  If the  primary has 75 turns, how many turns must the  secondary have?

References

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