Egy mágnes tönkremehet?

Na várjunk, váááárjunk.

Tegyük fel, hogy van egy erős Nd mágnesem és azt közelítem egy kemény mágneses acél darabhoz, a közelítés során változik a doménszerkezete az acélnak, maga is mágnessé válik és vonzani kezdi a Nd mágnesemet.

Most eltávolítom a Nd mágnest az acéltól, de az mágneses marad, mert mágneses szempontból kemény anyag, csakhogy ekkor már az eltávolítás valamivel nagyobb miunkát jelent az eltávolítás. Éppen az a mechanikai munka az, ami szvsz a fölmágnesezett acéldarab mágneses mezejének az energiája.

Magyarul amikor közelítem az acélhoz, akkor ugye munkát végez a kezemen, amikor eltávolítom, akkor én végzek munkát, de valamivel nyilván többet... Na az a több lesz sztem az acélmágnesem mágneses mezejének az energiája.

Átgondolva, ez tutira teljesen így van.

Viszont azt, hogy a ferromágneses anyagnak energiában kifejezhető "tárolt" mágnesessége nem munkavégzés-képes energia, vagyis nem tudok vele úgy munkát végeztetni, hogy felhasználom más energiaforma előállítására, miközben "fogy", azt féllaikusi helyzetemből is biztosra veszem. :)

Minden esetben ,amikor mágnes segítségével végzünk munkát, akkor vagy mechanikai energiát "fordíttatunk le" a mágnesessel más energiaformává (generátor, dinamó), vagy mechanikai energiát rugóként felvéve-visszaadva kezelünk vele.

Megkockáztatom, hogy ha a ferromágnes mágneses tulajdonságát adó, egyirányúra beállt atomi pozícióiban "tárolt" energiát egyáltalán számosítani tudjuk, akkor valami eszméletlenül alacsony értéket fogunk kapni. Szóval ez nem egy munkavégzésre használható energiatárolás, a szó semmilyen értelmében sem.

Javítsatok ki, ha tévednék.

Még mindig filozofálva, ha a ferromágnes mágneses állapota energiát tárolna, az azt jelentené, hogy a mágneses anyag magasabb energiaszintű, mint nem mágneses állapotában.

Ha ez így volna, szerintem nem létezhetne a permanens mágnesesség, mert az anyag a stabil állapota feletti energiától valamilyen módon megszabadulna, viszonylag gyorsan (mint ahogy a foszforeszkálásnál is, a gerjesztett atomok fotont leadva előbb-utóbb (főleg előbb) visszaülnek a tespedt alap-energiaszintre).

Ha ezt a gondolatomat axiómának tekintem, akkor gyakorlatilag ki kellene mondanom, hogy az anyag ferromágneses állapota EGYÁLTALÁN nem tárol energiát.

Remélem, követhető a logikám, ha hibás is. :)

"Minden esetben ,amikor mágnes segítségével végzünk munkát, akkor vagy mechanikai energiát "fordíttatunk le" a mágnesessel más energiaformává (generátor, dinamó), vagy mechanikai energiát rugóként felvéve-visszaadva kezelünk vele."

-Ezzel egyetértek.

"Megkockáztatom, hogy ha a ferromágnes mágneses tulajdonságát adó, egyirányúra beállt atomi pozícióiban "tárolt" energiát egyáltalán számosítani tudjuk, akkor valami eszméletlenül alacsony értéket fogunk kapni. Szóval ez nem egy munkavégzésre használható energiatárolás, a szó semmilyen értelmében sem."

-Való igaz. [link] ebből kiindulva, valóban nem olyan nagy energiája van egy állandó mágnes mágneses mezejének.

"Még mindig filozofálva, ha a ferromágnes mágneses állapota energiát tárolna, az azt jelentené, hogy a mágneses anyag magasabb energiaszintű, mint nem mágneses állapotában."

-Ez tényszerűen így van, lsd előbbi táblázat, számszerűsíteni is lehet.

"Ha ez így volna, szerintem nem létezhetne a permanens mágnesesség, mert az anyag a stabil állapota feletti energiától valamilyen módon megszabadulna, viszonylag gyorsan (mint ahogy a foszforeszkálásnál is, a gerjesztett atomok fotont leadva előbb-utóbb (főleg előbb) visszaülnek a tespedt alap-energiaszintre).

Ha ezt a gondolatomat axiómának tekintem, akkor gyakorlatilag ki kellene mondanom, hogy az anyag ferromágneses állapota EGYÁLTALÁN nem tárol energiát."

-Pedig létezik. Szükségképpen nem helytálló ez a gondolatmenet. Más kérdés, hogy a remanens mágnesség valamivel kisebb, mint a maximális, amikor a felmágnesezés történik, de mégis egy magsabb szintű állapot, ami elég stabil lehet, mondjuk évtizedekig.

Gyerekként én is szórakoztam azzal, hogy egy nagyobb mágnessel fel/le mágnesezgettem egy valamivel kisebbet. A művelet előtt és után a nagy mágnes erőssége a hűtő nem ferromágneses ajtajánál érzésre egész jól tesztelhető, ha oda-vissza mozgatom. Ajánlom ezt a kísérletet mindenkinek.

Elméleti oldalról meg azt kell mondanunk, hogy mivel a mágneses térnek van energiasűrűsége, egy felmágnesezett és egy nem felmágnesezett ferromágneses anyag mágneses energiaállapota nem egyforma, hisz az egyiknek van makroszkopikus mágneses tere, a másiknak nincs. A mágneses domének páronkénti beállása, és így a páronkénti kölcsönhatási energiájárulékok összege nem azonos.

Az igaz, hogy a lemágnesezéshez rezgőkörrel az elején fel kell tölteni egy kondenzátort, de ebből még nem következik, hogy a mágnes a művelet előtt ne tárolhatna szintén energiát.

Az már más kérdés, hogy ez jelentős energia-e ahhoz képest, amit azok az erők végeznek, amiket a mágnesek és vasdarabok mozgatásakor alkalmazunk ilyen-olyan műveletek közben.

(Ami még eszembe jutott mint érdekesség, az a mágneses és akusztikus Barkhausen zaj, ami a doménátfordulásokat kíséri, valamint a ferroelektromos anyagok létezése.)

"Gyerekként én is szórakoztam azzal, hogy egy nagyobb mágnessel fel/le mágnesezgettem egy valamivel kisebbet. A művelet előtt és után a nagy mágnes erőssége a hűtő nem ferromágneses ajtajánál érzésre egész jól tesztelhető, ha oda-vissza mozgatom. Ajánlom ezt a kísérletet mindenkinek. "

-Ugye ezzel nem azt akarod mondani, hogy teszem azt egy kerámiamágnes legyöngült attól, hogy egy acéldarabot felmágneseztél?

És ugye pláne nem azt, hogy ezt a hűtőajtón érezted?

Ezért szeretek itt az oldalon kolbászolni, ha valamilyen kérdéshez érdemben hozzászólunk, lehet, hogy többet tanulok belőle, mint a kérdező az én válaszomból. :D

Az atomok mágneses pozícionálódása, mint energia nekem már szinte arra az informatikai filozófiára hajaz, hogy az infomráció is energia. :)

Hmm…

Akkor most kicsit zárójelbe tenném az első válaszomat. Lehet akkor én sem értem teljesen hogyan is van ez. (Régen tanultam, akkor kialakult bennem egy összkép, de koránt sem vagyok biztos abban, hogy ez az összkép helyes bennem.)

Ugye adott egy szép mágnes, tőle mondjuk még olyan távolságra van egy vasgolyó, amely távolságnál a tapadási súrlódás még éppen ellentart a mágnes vonzóerejének. Az egész rendszernek van egy összenergiája.

Ezután egy nagyon kis munkát végzünk a vasgolyón, 1 mm-t arrébb toljuk. A mágnes szépen elkezdi vonzani a vasgolyót, ami szépen fel is gyorsul, mozgási energiára tesz szert: E = 1/2 * m * v². (Ehhez képest elhanyagolható a vasgolyó elmozdításához szükséges energia mennyisége.) Ennek az energiának valamiből keletkeznie kell, hiszen ugye van egy energiamegmaradási törvényünk. Illetve ha becsapódott a vasgolyó a mágnesbe, akkor ez az energia az ütközés során hővé alakul.

Ha jól értelmezem amit írtok, akkor itt a keletkező mozgási, majd hőenergia fedezete egy potenciális energia. Hasonlóan a gravitációhoz, ahol a testeknek van helyzeti energiája. Csak ugye a gravitáció esetén ez tiszta sor, hiszen a testeknek van egy tömege, ami nem nagyon változik a klasszikus mechanikában. Viszont mágnest tudunk csinálni egy nem mágneses anyagból. Mondjuk van egy nem mágneses vasdarabunk, körbevesszük vasgolyókkal. Oké, az egész rendszernek nincs ilyen mágneses potenciális energiája. A vasdarabot viszont fel tudjuk mágnesezni egy elektromágnessel. Akkor a felmágnesezéshez szükséges – és nem veszteségként, pl. hőtermelésként elvesző – energia ezek szerint potenciális energiává alakul? És mi a helyzet, ha egy üres univerzumban történik ez az egész felmágnesezés, ahol a létrehozott mágnest nem veszik körbe vasgolyók. Oké, ott is kell a felmágnesezéshez szükséges eszköz, annak lesz egy ilyen potenciális energiája. De egészen más ez a potenciális energia, ha ebben az üres univerzumban még pluszban ott vannak a vasgolyók a mágnes körül.

Egy kicsit még homályos nekem az egész dolog energiamérlege.

Miért homályos? Az elektromos tér esetében nem homályos? Az elektromosan töltött testeknek is van elektromos potenciáljuk, amely ha eltér egy másik testétől, amelyen szabadon mozgó töltések vannak jelen, akkor áram indul meg, azaz a töltések mozgási energiára tesznek szert, amely valóban a potenciális energia rovására megy. Sok töltés akár képes ki is egyenlíteni a potenciálokat (lásd villámok) és az áramot generáló hatás megszűnik.

Magnetosztatikában hasonló a helyzet. Ugyanis Maxwell egyik egyenlete azt mondja, hogy a mágneses tér rotciójának forrása egyrészt a változó elektromos tér (eltolási áram), másrészt a mozgó töltések jelentette áram. Ha egyik sincs, márpedig egyhelyben álló mágnesek esetén ez a helyzet, akkor a mágneses tér rotációja nulla, és be lehet vezetni egy az elektromos téréhez hasonló potenciálfüggvényt, amelyet gradiensképzésel származtatunk egy skalárfüggvényből. És igen, a munkavégzés ennek rovására fog menni, és a helyzet matematikailag hasonló lesz az elektromos és gravitációs téréhez.

Azért tennék egy megjegyzést, mert sokan kevernek két különböző nézőpontot.

1. Amikor akár egy elektromos, akár egy mágneses vagy akár egy gravitációs térbe olyan testet helyezünk, amelyre a fenti terek hatnak, de amelynek ellenhatása elhanyagolhatóan kicsi a térhez képest (ezt nevezzük próbatestnek), akkor a fizikai rendszerünket mindösszesen két dolog alkotja: a próbatest és a tér. Ekkor nem kérdezünk olyat, hogy de mi lesz a tér forrásával, vagy hogy mikor "merül le" vagy "fárad el" a tér? Méghozzá azért nem kérdezünk ilyet, mert nincs értelme, hiszen per definitionem most mondtuk ki, hogy a próbatest nem hat vissza a térre. Ekkor a tér csupán egy matematikai segédeszköz, amelynek segítségével a próbatest mozgását fel tudjuk írni és az energiamérleget számon tudjuk tartani.

2. A próbatest nem szimplán csak kis próbatest többé, hanem a tér erősségével összemérhető hatást produkáló test, amely kihatással van a tér forrására, ezért a tér forrását is hozzávesszük a rendszerhez. Ekkor már nem beszélhetünk sztatikáról, mert a tér maga is változik időben ennek a visszahatásnak a következtében. A források generálják a teret, és ezek visszahatnak a forrásokra. Ez már dinamikus modell, nem sztatikus.

Ennek fényében egy mágnes felé közelítő pici vasgolyó az első modell szerint írandó le, mert a mágnes erőssége nem fog attól változni, hogy egy vasgolyó került a közelébe. Ha viszont a mágneses teret áramló töltések hozzák létre, akkor egy mágneses térrel rendelkező test már módosítja ezt az áramot, és ezáltal annak mágneses terét is, és ezért a második modell szükséges.

A házi körülmények közt felmágnesezett gemkapcsok, kulcstartók és egyebek hamar elveszítik a mágnesességüket, köszönhetően a hőmozgásnak vagy egy ellenkező irányú mágneses térnek. A felmágnesezéskor a munkavégzés abban nyilvánul meg, hogy a mikroszkopikus méretű mágneses doméneket a hőmozgás ellenében befordítjuk egy összerendezett állapotba. Ha ezt egy mágnessel érjük el, akkor nyilván ez valamennyire visszahat magára a mágnesre is, de azért ez egy erős mágnes és ennek a mágnesnek ellent is kell tartani, vagyis a munka egy részét a felmágnesező mágnest illetve a felmágnesezendő fémet fixen tartó apparátus végzi. Hosszú idő alatt valóban elfáradhat egy permanens mágnes is, de ehhez igencsak intenzív "használat" kell, vagyis az, hogy a mágnes rendszeresen végezzen munkát és kerüljön vele ellentétes irányú mágneses térbe, amely az ő doménjeire is hatással van.

"Oké, az egész rendszernek nincs ilyen mágneses potenciális energiája. A vasdarabot viszont fel tudjuk mágnesezni egy elektromágnessel. Akkor a felmágnesezéshez szükséges – és nem veszteségként, pl. hőtermelésként elvesző – energia ezek szerint potenciális energiává alakul?"

-Így van, ez lesz a létrtejött mágneses mező energiája.

"És mi a helyzet, ha egy üres univerzumban történik ez az egész felmágnesezés, ahol a létrehozott mágnest nem veszik körbe vasgolyók."

-Nem látok semmiféle különbséget. Azért potenciális energia, mert benne van a "lehetőség", ha valaki mobndjuk mégis odavinne pár vasgolyót...

"Oké, ott is kell a felmágnesezéshez szükséges eszköz, annak lesz egy ilyen potenciális energiája. De egészen más ez a potenciális energia, ha ebben az üres univerzumban még pluszban ott vannak a vasgolyók a mágnes körül."

-Nem a delejezőgépnek lesz helyzeti energiája, hanem a létrejött és visszamaradó mágneses mezőnek lesz energiája. És ha vasgolyóval közelítünk, akkor meg a vasgolyónak helyzeti energiája. Nem látok különbséget aszerint, hogy van-e a közelben vasgolyó.

"Ha ezt egy mágnessel érjük el, akkor nyilván ez valamennyire visszahat magára a mágnesre is, de azért ez egy erős mágnes és ennek a mágnesnek ellent is kell tartani, vagyis a munka egy részét a felmágnesező mágnest illetve a felmágnesezendő fémet fixen tartó apparátus végzi"

-Tegyük fel, hogy moöndjuk egy erős mágnest közelítünk az acél ollóhoz. Ekkor az olló fölmágneseződése/gerjesztése szerintem leginkább is az elektromos megiosztáshoz hasonló jelenség. Azzal a lényeges különbséggel, hogy mágnes eltávolítása után is maradhat mágnessége az ollónak, csakhogy ebben az esetben a dolog energiamérlege úgy alakul, hogy valamivel több munka a mágnesezett ollótól eltávolítani a mágnesünket, mint amennyi munkát a kezünkön akkor végzett, amikor közelítettüka kettőt.