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• Produzione di magneti

Prodotto energetico

Il prodotto energetico deriva dalla densità del flusso magnetico e dall'intensità del campo magnetico di un magnete ed è quindi una variabile che serve come misura dell'energia magnetica di un magnete. I singoli magneti elementari sono tutti allineati e quindi formano un momento magnetico. Attraverso questa energia potenziale di tutti i momenti magnetici l'energia magnetica viene all'esistenza. Maggiore è questa energia, maggiore è il prodotto energetico e maggiori sono le forze del magnete.

La cosiddetta curva di isteresi visualizza la relazione tra la densità del flusso magnetico e l'intensità del campo magnetico durante la smagnetizzazione o la magnetizzazione. Ci sono diverse caratteristiche speciali di questa curva: ad esempio, la densità del flusso di rimanenza o la rimanenza possono essere identificate molto bene. Il termine "rimanenza" è inteso come la magnetizzazione del materiale presente dopo la rimozione di un campo magnetico esterno. Se un oggetto magnetizzato in questo modo deve essere nuovamente smagnetizzato per mezzo di un campo magnetico, il cosiddetto campo coercitivo è necessario per questo scopo. Questo campo è un campo magnetico che si oppone alla magnetizzazione con una certa forza di campo coercitiva. Da questa forza la magnetizzazione viene cancellata, ma non viceversa. Il prodotto energetico è abbreviato dal simbolo E e può essere calcolato dal prodotto massimo dell'intensità del campo magnetico H e dalla densità del flusso magnetico B. Quindi:

Il prodotto energetico può anche essere determinato dall'intensità del campo magnetico al prodotto con la densità di flusso. Tuttavia, il risultato risultante è circa quattro volte più grande del prodotto di energia massima effettiva. Inoltre, si applica una relazione proporzionale tra la densità di energia w (ovvero la quantità di energia per unità di volume del magnete) e il prodotto energetico. Se la densità di energia è calcolata esattamente, allora si scopre che la relazione proporzionale al prodotto energetico è solo il fattore 0,5:

matematicamente corretto, tuttavia, sarebbe la densità di energia w tramite l'integrale di l'intensità del campo magnetico H al di sopra della densità di flusso B è determinata:

Sebbene la relazione descritta in (2) non sia esatta, soddisfa approssimativamente i requisiti di un magnete la cui intensità del campo magnetico è proporzionale al flusso magnetico. Si applica anche qui che la derivazione locale del prodotto energetico è proporzionale alla forza: ciò è immaginabile a causa della densità di forza che agisce lungo una direzione. Questa densità di forza è nello stesso tempo in cui la densità di energia cambia nella stessa direzione.

Se la densità di energia, ovvero l'energia per unità di volume, viene moltiplicata per il volume del magnete, si ottiene l'energia magnetica totale W memorizzata nel magnete. D'altro canto, con questo volume, ovviamente, metà del prodotto energetico può essere moltiplicato - il risultato è lo stesso:

Dalle formule segue anche che l'unità per il prodotto energetico è il prodotto di Oersted (A / m) e Tesla (N / Am). I risultati abbreviati nell'unità J / m³, o N / m²: Il prodotto energetico viene quindi utilizzato per calcolare la forza tra due materiali ferromagnetici che si attestano o si respingono su una faccia nota del palo. Per la faccia Polare A, il prodotto energetico E e la forza magnetica F:

Da questa formula, è possibile dedurre alcune dipendenze: ad esempio, la forza tra i due magneti si raddoppia quando il prodotto energetico o la superficie del palo viene raddoppiata. La densità del flusso magnetico in un magnete permanente è uguale alla rimanenza o al cosiddetto campo B. Con la rimanenza viene indicata la magnetizzazione del materiale, come già brevemente menzionato sopra. Qui, il campo magnetico H del magnete si trova in una relazione proporzionale con la rimanenza: ovviamente, le proprietà specifiche del materiale devono essere considerate. Questi sono influenzati dai fattori μ (permeabilità magnetica della materia) e (permeabilità magnetica nel vuoto):

Se H è ora inserito in (1):

Quindi, la densità di energia del magnete è proporzionale al quadrato della rimanenza - quindi se la magnetizzazione è due volte più forte, quattro volte più energia magnetica è immagazzinata nel materiale. Viceversa, ciò significa che la doppia magnetizzazione può aumentare di quattro volte le forze magnetiche.

Spiegazione fisica

I magneti elementari, che chiaramente servono a chiarire i processi di magnetizzazione nell'educazione fisica, sono fondamentalmente gli elettroni degli elettroni liberi di ciascun atomo nel materiale ferromagnetico. Se anche gli spin dell'elettrone atomico sono allineati due volte con la forza con un campo di raddoppio per la magnetizzazione, allora vengono anche attratti il ​​doppio. Pertanto, la quantità totale di energia del magnete è quattro volte maggiore per un campo due volte più forte.

Ogni sistema generalmente cerca di raggiungere un minimo energetico. In precedenza, veniva menzionata la derivazione della posizione dell'energia: se fossimo al di fuori di un minimo energetico, la derivazione della posizione punta sempre al punto in cui si trova il minimo di energia. Tuttavia, se siamo direttamente a questo minimo, la derivata non è definita e scompare. Secondo questa comprensione, le forze magnetiche escono dall'impegno di un sistema in materiali ferromagnetici per cercare il più basso livello di energia possibile.

Un altro approfondimento può essere acquisito usando (7) in (5):

Ne consegue che la forza tra due magneti è proporzionale al flusso magnetico quadrato e all'area della sezione trasversale. Con una grande μ, la densità di energia dovuta alla frattura diventa particolarmente piccola. I materiali ferromagnetici di solito hanno un μ molto grande (tra 1000 e 10.000 per il ferro per esempio). Mentre il magnete si allontana dal ferro, aumenta la densità di energia dell'aria circostante. Diventa più grande della densità di energia che sarebbe presente se le linee di campo dovessero scorrere direttamente attraverso il ferro. Per trovare di nuovo l'equilibrio, il sistema cerca il minimo energetico: in base a questo, quante più linee di campo possibili dovrebbero essere nel ferro. Questa ricerca di equilibrio energetico è espressa nella forza che riporta il magnete al ferro.