Magnetyzm ziemski a magnes neodymowy - cztery rzędy wielkości różnicy

Ziemia jest magnesem. To zdanie pojawia się w każdym podręczniku i prowadzi do nieporozumienia, które kosztuje ludzi cały wieczór przy sklejaniu wirnika: skoro Ziemia ma pole magnetyczne i kompas je pokazuje, to kompas nada się też do sprawdzenia biegunów magnesu neodymowego. Nie nada się. Poniżej dlaczego - z liczbami.

1. Ile wynosi pole ziemskie

Pole magnetyczne Ziemi na jej powierzchni ma indukcję od około 25 do 65 mikrotesli (µT). Wartość zależy od szerokości geograficznej: najsłabsze jest w okolicach równika, najsilniejsze blisko biegunów magnetycznych. W Polsce mieści się w okolicy 50 µT.

Zapisane w teslach: od 0,000025 T do 0,000065 T. Zapisane w militeslach, czyli jednostce używanej w katalogach magnesów: od 0,025 mT do 0,065 mT.

Pole to pochodzi z ruchów ciekłego żelaza w zewnętrznym jądrze planety. Nie jest stałe - wędruje, słabnie i wzmacnia się w skali dziesięcioleci, a w skali geologicznej wielokrotnie zmieniało biegunowość. Dla naszych celów jest jednak wystarczająco stabilne i przewidywalne, żeby igła kompasu miała się do czego ustawić.

2. Ile wynosi pole magnesu neodymowego

Magnes neodymowy klasy N38 ma remanencję Br około 1,26 T - czyli 1260 mT. To wartość wewnątrz materiału, o czym piszę szerzej przy parametrach magnesów neodymowych.

Na powierzchni magnesu, gdzie faktycznie przykłada się miernik, indukcja jest niższa, bo pole rozprasza się na krawędziach. Zależy od proporcji magnesu, ale dla typowych wymiarów używanych w prądnicach mieści się w przedziale od kilkuset do ponad tysiąca militesli. Katalogowe wartości dla magnesu walcowego 100x10 klasy N38 to około 120 mT jako średnia po powierzchni - i to jest wartość dla magnesu bardzo płaskiego, o dużej średnicy. Magnes o proporcjach bliższych sześcianowi daje odczyty kilkakrotnie wyższe.

3. Różnica: cztery rzędy wielkości

Zestawmy to wprost:

Stosunek: magnes neodymowy jest przy powierzchni od kilku tysięcy do kilkudziesięciu tysięcy razy silniejszy od pola ziemskiego. W zapisie potęgowym to różnica czterech rzędów wielkości.

Dla wyobrażenia skali: gdyby pole ziemskie było wysokości progu w drzwiach, magnes neodymowy byłby wysokości bloku mieszkalnego.

4. Dlaczego kompas przy prądnicy jest bezużyteczny

Kompas działa dlatego, że jego igła jest bardzo słabym magnesem zawieszonym na niemal bezoporowym łożysku. Pole ziemskie ma wtedy dość siły, żeby ją obrócić. To działa tylko wtedy, gdy w pobliżu nie ma nic silniejszego.

W warsztacie, w którym leży komplet dwunastu magnesów neodymowych przeznaczonych na wirnik, kompas nie pokazuje północy. Pokazuje najbliższy magnes - i to nawet z odległości metra, bo pole magnesu spada wprawdzie szybko z odległością, ale startuje z poziomu dziesięć tysięcy razy wyższego.

Konsekwencje praktyczne przy przeróbce prądnicy są trzy.

Po pierwsze: kompasem nie da się określić bieguna magnesu neodymowego w sensie „to jest północ geograficzna". Igła po prostu przyklei się do magnesu, obracając się gwałtownie. To nie jest pomiar, to przyciąganie.

Po drugie: mocny magnes potrafi trwale rozmagnesować igłę kompasu albo przemagnesować ją odwrotnie. Kompas, który leżał obok wirnika, po powrocie w teren będzie wskazywał w złą stronę i nikt się nie zorientuje.

Po trzecie: to samo dotyczy każdego czułego na pole urządzenia w pobliżu - kart magnetycznych, zegarków mechanicznych, dysków talerzowych i rozruszników serca. Katalogowy zapis „trzymać z dala od urządzeń elektronicznych" nie jest kurtuazją prawną, tylko konsekwencją tych czterech rzędów wielkości.

5. Czym ustawiać bieguny na wirniku

Przy klejeniu wirnika bieguny muszą iść naprzemiennie: N, S, N, S i tak dookoła. Pomyłka nawet przy jednym magnesie wycina jedną cewkę z pracy i widać to od razu na napięciu. Sposób opisałem szerzej w doborze magnesów do wirnika, tutaj tylko sedno.

Właściwym narzędziem jest magnes wzorcowy - jeden magnes z tej samej partii, na którym raz, na spokojnie, oznaczasz bieguny i który potem służy do sprawdzania wszystkich pozostałych. Przykładasz go do magnesu na wirniku: jeśli się odpycha, bieguny są zgodne; jeśli przyciąga, są przeciwne. Odpowiedź jest jednoznaczna, natychmiastowa i niezależna od tego, co leży obok na stole.

Sam magnes wzorcowy oznaczasz raz - i tu kompas może się przydać, pod warunkiem że wyniesiesz go z warsztatu na tyle daleko, żeby pozostałe magnesy nie miały wpływu. W praktyce kilka metrów wystarcza, ale prościej użyć aplikacji magnetometru w telefonie, która pokaże znak pola liczbowo, albo po prostu drugiego magnesu o znanych biegunach.

Alternatywą jest kupienie taniego wskaźnika biegunów albo folii magnetooptycznej, która pokazuje układ pola bezpośrednio - przydaje się też do sprawdzenia, czy sklejony wirnik ma bieguny rozłożone równo.

6. Czy pole ziemskie w ogóle wpływa na prądnicę

Nie. Przy różnicy czterech rzędów wielkości pole ziemskie jest dla prądnicy na magnesach neodymowych szumem tła. Nie wpływa na napięcie, nie wpływa na moment zaczepowy, nie wpływa na kierunek obrotu. Orientacja wiatraka względem stron świata nie ma tu żadnego znaczenia elektrycznego - liczy się wyłącznie kierunek wiatru.

Warto o tym pamiętać, bo w internecie krąży niemała liczba pomysłów na „wykorzystanie magnetyzmu ziemskiego do zasilania". Z liczb powyżej wynika, dlaczego to nie ma sensu: pole ziemskie jest nie tylko słabe, ale też praktycznie stałe - a napięcie indukuje się wyłącznie przy zmianie strumienia. Nawet gdyby dało się je wzmocnić, trzeba by nim jeszcze poruszać.

Jeśli szukasz konkretów o tym, jak zmiana strumienia zamienia się w napięcie, znajdziesz je przy przeróbce silnika od pralki. Magnesy do takiej przeróbki - z pełnymi wymiarami i udźwigiem - są w katalogu magnesów płytkowych, a zakupu dokonasz w sklepie dhit.pl.