MAGNETISERING: MAGNETISK ØYEBLIKK I BANE OG SPINN, EKSEMPLER - FYSISK - 2026

Den magnetiseringen er en vektorstørrelse som beskriver den magnetiske tilstand i et materiale og er definert som mengden av dipolare magnetiske momenter per volumenhet. Et magnetisk materiale - for eksempel jern eller nikkel - kan betraktes som sammensatt av mange små magneter kalt dipoler.

Normalt er disse dipolene, som igjen har nord- og sørmagnetiske poler, fordelt med en viss forstyrrelse innenfor volumet av materialet. Forstyrrelsen er mindre i materialer med sterke magnetiske egenskaper som jern og større i andre med mindre åpenbar magnetisme.

Figur 1. Magnetiske dipoler er ordnet tilfeldig inne i et materiale. Kilde: F. Zapata.

Ved å plassere materialet midt i et eksternt magnetfelt, slik som det som produseres i en magnetventil, er dipolene imidlertid orientert i henhold til feltet og materialet er i stand til å oppføre seg som en magnet (figur 2).

Figur 2. Plassering av et materiale som et stykke jern, for eksempel inne i en magnetventil gjennom hvilken en strøm I passerer, justerer magnetfeltet til dette dipolene i materialet. Kilde: F. Zapata.

La M være magnetiseringsvektoren, som er definert som:

Nå er intensiteten av magnetiseringen i materialet, produktet av å være nedsenket i det ytre felt H , proporsjonalt med dette, derfor:

M ∝ H

Proportionalitetskonstanten avhenger av materialet, det kalles magnetisk følsomhet og betegnes som χ:

M = χ. H

Enhetene til M i det internasjonale systemet er ampere / meter, som de av H , derfor er dimension dimensjonsløs.

Orbital og spin magnetisk øyeblikk

Magnetisme oppstår fra bevegelige elektriske ladninger, derfor for å bestemme atomets magnetisme, må vi ta hensyn til bevegelsene til de ladede partiklene som utgjør det.

Figur 3. Elektronets bevegelse rundt kjernen bidrar til magnetismen med det magnetiske omkretsmomentet. Kilde: F. Zapata.

Fra og med elektronet, som anses å være i bane rundt atomkjernen, er det som en liten sløyfe (lukket krets eller lukket strømsløyfe). Denne bevegelsen bidrar til magnetismen til atomet takket være den orbitale magnetiske momentvektoren m, hvis størrelse er:

Hvor jeg er gjeldende intensitet og A er området som er omsluttet av løkken. Derfor er enhetene til m i International System (SI) ampere x kvadratmeter.

Vektor m er vinkelrett på sløyfens plan, som vist i figur 3, og er rettet som indikert av regelen om høyre tommel.

Tommelen er orientert i strømretningen, og de fire gjenværende fingrene vikles rundt løkken, og peker oppover. Denne lille kretsen tilsvarer en stangmagnet, som vist i figur 3.

Spinn magnetisk øyeblikk

Bortsett fra det magnetiske omkretsmomentet, oppfører elektronet seg som om det roterer på seg selv. Det skjer ikke akkurat på denne måten, men den resulterende effekten er den samme, så dette er et annet bidrag som må tas med i betraktningen for et atommagnetisk moment.

Faktisk er det magnetiske spinnmomentet mer intenst enn baneøyeblikket og er hovedsakelig ansvarlig for et stoffs nettmagnetisme.

Figur 4. Det magnetiske spinnmomentet er det som bidrar mest til nettomagnetiseringen av et materiale. Kilde: F. Zapata.

Spinnmomentene justeres i nærvær av et eksternt magnetfelt og skaper en kaskadeeffekt, og suksessivt samsvarer med nabomomentene.

Ikke alle materialer har magnetiske egenskaper. Dette er fordi elektronene med motsatt spinn danner par og avbryter deres respektive spinnmagnetiske øyeblikk.

Bare hvis noen er uparmerte, er det et bidrag til det totale magnetiske øyeblikket. Derfor er det bare atomer med et ulikt antall elektroner som har en sjanse til å være magnetiske.

Protonene i atomkjernen gir også et lite bidrag til atomets totale magnetiske moment, fordi de også har spinn og derfor et tilhørende magnetisk moment.

Men dette er omvendt avhengig av masse, og protonen er mye større enn det for elektronet.

eksempler

Inne i en spole, gjennom hvilken en elektrisk strøm går gjennom, opprettes et jevn magnetisk felt.

Og som beskrevet i figur 2, når de plasserer et materiale der, stemmer de magnetiske øyeblikkene av dette i samsvar med spolenes felt. Nettoeffekten er å produsere et sterkere magnetfelt.

Transformatorer, enheter som øker eller reduserer vekslende spenninger, er gode eksempler. De består av to spoler, den primære og den sekundære, såret på en myk jernkjerne.

Figur 5. I kjernen av transformatoren oppstår en nettomagnetisering. Kilde: Wikimedia Commons.

En skiftende strøm føres gjennom primærspolen som vekselvis modifiserer magnetfeltlinjene i kjernen, som igjen induserer en strøm i sekundærspolen.

Frekvensen for svingningen er den samme, men størrelsesorden er forskjellig. På denne måten kan høyere eller lavere spenning oppnås.

I stedet for å vikle opp spolene til en solid jernkjerne, er det å foretrekke å legge en fylling av metallplater dekket med lakk.

Årsaken skyldes tilstedeværelsen av virvelstrømmer inne i kjernen, som har effekten av å overopphete den i overkant, men strømningene indusert i arkene er lavere, og derfor blir oppvarmingen av enheten minimert.

Trådløse ladere

En mobiltelefon eller en elektrisk tannbørste kan lades ved magnetisk induksjon, som er kjent som trådløs lading eller induktiv lading.

Det fungerer på følgende måte: det er en base eller ladestasjon, som har en magnetventil eller hovedspiral, gjennom hvilken en vekslende strøm føres. En annen (sekundær) spole er festet til børstehåndtaket.

Strømmen i primærspolen induserer på sin side en strøm i spolen på håndtaket når børsten plasseres i ladestasjonen, og dette tar seg av å lade batteriet som også er i håndtaket.

Størrelsen på den induserte strømmen økes når en kjerne av ferromagnetisk materiale, som kan være jern, plasseres i hovedspolen.

For at primærspolen skal oppdage nærhet til sekundærspolen, avgir systemet et intermitterende signal. Når en respons er mottatt, aktiveres den beskrevne mekanismen, og strømmen begynner å bli indusert uten behov for kabler.

ferrofluider

En annen interessant anvendelse av stoffets magnetiske egenskaper er ferrofluider. Disse består av bittesmå magnetiske partikler av en ferrittforbindelse, suspendert i et flytende medium, som kan være organisk eller til og med vann.

Partiklene er belagt med et stoff som forhindrer deres agglomerering, og forblir dermed distribuert i væsken.

Tanken er at væskens flytbarhet kombineres med magnetismen til ferrittpartiklene, som i seg selv ikke er sterkt magnetiske, men oppnår en magnetisering i nærvær av et ytre felt, som beskrevet ovenfor.

Den ervervede magnetiseringen forsvinner så snart det eksterne feltet er trukket tilbake.

Ferrofluider ble opprinnelig utviklet av NASA for å mobilisere drivstoff i et romskip uten tyngdekraft, noe som ga impuls ved hjelp av et magnetfelt.

Foreløpig har ferrofluider mange bruksområder, noen er fremdeles i eksperimentfasen, for eksempel:

- Reduser friksjonen på lyddemperne til høyttalerne og hodetelefonene (unngå gjenklang).

- Tillat separasjon av materialer med forskjellig tetthet.

- Oppfør deg som tetninger på akslene på harddiskene og frastøt smuss.

- Som kreftbehandling (i eksperimentell fase). Ferrofluid injiseres i kreftceller og det påføres et magnetfelt som produserer små elektriske strømmer. Varmen som genereres av disse angriper de ondartede cellene og ødelegger dem.

referanser

1. Brazilian Journal of Physics. Ferrofluider: Egenskaper og applikasjoner. Gjenopprettet fra: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 6. Elektromagnetisme. Redigert av Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6. Ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Fysikk: En titt på verden. 6. forkortede utgave. Cengage Learning. 233.
5. Shipman, J. 2009. Introduksjon til fysisk vitenskap. Cengage Learning. 206-208.