MAGNETIZMAS: MEDŽIAGŲ MAGNETINĖS SAVYBĖS, PANAUDOJIMAS - FIZINIS - 2025

Magnetizmas arba magnetinio energija yra jėga susijęs gamta judėjimas ir pajėgi gaminti elektros atrakcija ar atstūmimo tam tikrų medžiagų krovinį. Magnetai yra gerai žinomi magnetizmo šaltiniai.

Jų viduje yra sąveikos, dėl kurių susidaro magnetiniai laukai, kurie daro įtaką, pavyzdžiui, mažiems geležies ar nikelio gabalėliams.

Puikias šiaurinių lempučių spalvas lemia kosminės dalelės, skleidžiančios energiją, nes jas nukreipia Žemės magnetinis laukas. Šaltinis: „Pixabay“.

Magnetinis magnetinis laukas tampa matomas, kai jis dedamas po popieriumi, ant kurio paskleistos geležies drožlės. Paveikslai iškart orientuojami išilgai lauko linijų, sukuriant dvimatį lauko vaizdą.

Kitas gerai žinomas šaltinis yra laidai, pernešantys elektros srovę; Tačiau skirtingai nuo nuolatinių magnetų, magnetizmas dingsta, kai srovė sustoja.

Kai kur nors atsirasdavo magnetinis laukas, kažkoks agentas turėjo atlikti darbą. Į šį procesą investuota energija kaupiama sukuriamame magnetiniame lauke ir gali būti laikoma magnetine energija.

Lauko kaupiamosios magnetinės energijos apskaičiavimas priklauso nuo to ir nuo prietaiso geometrijos ar regiono, kuriame jis buvo sukurtas.

Induktoriai ar ritės yra tinkamos vietos tai padaryti, sukuriant magnetinę energiją panašiai, kaip elektros energija kaupiama tarp kondensatoriaus plokštelių.

Istorija ir atradimai

Senos programos

Plinijaus pasakojamos legendos apie senovės Graikiją kalba apie piemenį Magnesą, kuris daugiau nei prieš 2000 metų rado paslaptingą mineralą, galintį pritraukti geležies gabalus, bet ne kitas medžiagas. Tai buvo magnetitas, geležies oksidas, pasižymintis stipriomis magnetinėmis savybėmis.

Magnetinio traukos priežastis šimtus metų buvo slepiama. Geriausiu atveju tai buvo priskirta antgamtiniams įvykiams. Nors ne dėl šios priežasties buvo rasta įdomių programų, tokių kaip kompasas.

Kinų išrastas kompasas naudojasi pačios Žemės magnetizmu, kad naudotų vartotojui navigacijos metu.

Pirmieji moksliniai tyrimai

Magnetinių reiškinių tyrimas turėjo didelę pažangą Viljamo Gilberto (1544 - 1603) dėka. Šis Elizabetano eros anglų mokslininkas ištyrė sferinio magneto magnetinį lauką ir padarė išvadą, kad Žemė turi turėti savo magnetinį lauką.

Ištyręs magnetus, jis taip pat suprato, kad negali gauti atskirų magnetinių polių. Kai magnetas dalijamas į dvi dalis, nauji magnetai taip pat turi abu polius.

Tačiau 19-ojo amžiaus pradžioje mokslininkai suprato ryšį tarp elektros srovės ir magnetizmo.

Hansas Christianas Oerstedas (1777 - 1851), gimęs Danijoje, 1820 m. Turėjo mintį praleisti elektros srovę per laidininką ir pastebėti, kokį poveikį tai turėjo kompasui. Kompasas nukrypsta, o kai srovė nustojo tekėti, kompasas vėl bus nukreiptas į šiaurę, kaip įprasta.

Šis reiškinys gali būti patikrintas priartinant kompasą prie vieno iš laidų, išeinančių iš automobilio akumuliatoriaus, kol veikia starteris.

Uždarant grandinę adata turėtų patirti pastebimą įlinkį, nes automobilių akumuliatoriai gali tiekti sroves, kad kompasas nukryptų.

Tokiu būdu tapo aišku, kad judantys krūviai yra magneto pagrindas.

Šiuolaikiniai tyrimai

Praėjus keleriems metams po Oersted eksperimento, britų tyrinėtojas Michaelas Faradėjus (1791–1867) pažymėjo dar vieną etapą sužinojęs, kad kintantys magnetiniai laukai savo ruožtu sukelia elektros sroves.

Abu reiškiniai, elektriniai ir magnetiniai, yra glaudžiai susiję vienas su kitu, kiekvienas iš jų sukelia kitą. Juos suvedė Faraday mokinys Jamesas Clerkas Maxwellas (1831 - 1879) lygiosiose, kuriose yra jo vardas.

Šios lygtys apima ir apibendrina elektromagnetinę teoriją ir galioja net reliatyvistinėje fizikoje.

Medžiagų magnetinės savybės

Kodėl kai kurios medžiagos pasižymi magnetinėmis savybėmis arba lengvai įgyja magnetizmo? Mes žinome, kad magnetinis laukas atsiranda dėl judančių krūvių, todėl magneto viduje turi būti nematomos elektros srovės, kurios sukelia magnetizmą.

Visoje materijoje yra elektronai, skriejantys aplink atominį branduolį. Elektroną galima palyginti su Žeme, kurios judėjimas aplink Saulę yra transliacinis, o taip pat sukamasis judėjimas ant savo ašies.

Klasikinė fizika panašius judesius priskiria elektronui, nors analogija nėra visiškai tiksli. Tačiau esmė ta, kad abi elektrono savybės priverčia jį elgtis kaip maža kilpa, sukurianti magnetinį lauką.

Būtent elektrono sukimas labiausiai prisideda prie atomo magnetinio lauko. Atomuose, turinčiuose daug elektronų, jie yra sugrupuoti poromis ir su priešingais sukimais. Taigi jų magnetiniai laukai panaikina vienas kitą. Būtent taip nutinka daugumoje medžiagų.

Tačiau yra keletas mineralų ir junginių, kuriuose yra nesusijęs elektronas. Tokiu būdu grynasis magnetinis laukas nėra lygus nuliui. Tai sukuria magnetinį momentą, vektorių, kurio dydis yra srovės ir grandinės ploto sandauga.

Gretimi magnetiniai momentai sąveikauja tarpusavyje ir sudaro sritis, vadinamas magnetinėmis sritimis, kuriose daugybė sukinių yra išdėstyti ta pačia kryptimi. Gautas magnetinis laukas yra labai stiprus.

Feromagnetizmas, paramagnetizmas ir diamagnetizmas

Medžiagos, turinčios šią kokybę, vadinamos feromagnetinėmis. Jų yra keletas: geležies, nikelio, kobalto, gadolinio ir kai kurių lydinių.

Likusiems periodinės lentelės elementams trūksta šių ryškių magnetinių efektų. Jie priskiriami paramagnetinių ar diamagnetikų kategorijai.

Tiesą sakant, diamagnetizmas yra visų medžiagų, kurios patiria nedidelį atstumą, esant išoriniam magnetiniam laukui, savybė. Bismutas yra elementas, akcentuojantis diamagnetiką.

Kita vertus, paramagnetizmas susideda iš ne tokio intensyvaus magnetinio atsako nei feromagnetizmas, tačiau ne mažiau patrauklus. Paramagnetinės medžiagos yra, pavyzdžiui, aliuminis, oras ir kai kurie geležies oksidai, tokie kaip goetitas.

Magnetinės energijos panaudojimas

Magnetizmas yra pagrindinių gamtos jėgų dalis. Žmonės taip pat yra jo dalis, todėl jie yra pritaikyti magnetinių reiškinių egzistavimui, kaip ir visam likusiam planetos gyvenimui. Pavyzdžiui, kai kurie gyvūnai naudoja Žemės magnetinį lauką, kad orientuotųsi geografiškai.

Iš tikrųjų manoma, kad paukščiai ilgai migruoja dėl to, kad jų smegenys turi savotišką organinį kompasą, leidžiantį jiems suvokti ir naudoti geomagnetinį lauką.

Nors žmonėms trūksta tokio kompaso, jie turi galimybę pakeisti aplinką daug daugiau būdų nei likusi gyvūnų karalystė. Taigi mūsų rūšies nariai pasinaudojo magnetizmu savo naudai nuo to momento, kai pirmasis graikų aviganis atrado švelniausią akmenį.

Kai kurie magnetinės energijos pritaikymai

Nuo tada yra daug magnetizmo taikymo būdų. Štai keletas:

- Minėtas kompasas, kuris naudoja Žemės geomagnetinį lauką, kad orientuotųsi geografiškai.

- Seni televizorių, kompiuterių ir osciloskopų ekranai, pagrįsti katodinių spindulių vamzdeliu, kuriuose naudojamos ritės, generuojančios magnetinius laukus. Jie atsakingi už elektronų pluošto nukreipimą taip, kad jis patektų į tam tikras ekrano vietas ir taip sudarytų vaizdą.

- Masės spektrometrai, naudojami įvairių tipų molekulėms tirti ir naudojami daugelyje sričių biochemijoje, kriminologijoje, antropologijoje, istorijoje ir kitose disciplinose. Jie naudoja elektrinius ir magnetinius laukus, kad nukreiptų įkrautas daleles trajektorijose, kurios priklauso nuo jų greičio.

- Magnetohidrodinaminė varomoji jėga, kurios metu magnetinė jėga nukreipia jūros vandens srovę (gerą laidininką) atgal, kad pagal trečiąjį Niutono įstatymą transporto priemonė ar valtis gautų impulsą į priekį.

- Magnetinio rezonanso tomografija, neinvazinis metodas žmogaus kūno vidaus vaizdams gauti. Iš esmės jis naudoja labai intensyvų magnetinį lauką ir analizuoja audiniuose esančių vandenilio branduolių (protonų), turinčių minėtą nugaros savybę, atsaką.

Šios programos jau yra sukurtos, tačiau ateityje manoma, kad magnetizmas gali kovoti ir su tokiomis ligomis kaip krūties vėžys, naudojant hiperterminius metodus, kurie gamina magnetiškai sukeltą šilumą.

Idėja yra suleisti skysto magnetito tiesiai į naviką. Dėl šilumos, kurią sukuria magnetiškai sukeltos srovės, geležies dalelės būtų pakankamai įkaitusios, kad sunaikintų piktybines ląsteles.

Privalumai ir trūkumai

Galvojant apie tam tikros rūšies energijos naudojimą, reikia ją paversti tam tikru judesio tipu, pavyzdžiui, turbinos, lifto ar transporto priemonės; arba kad ji virsta elektros energija, kuri įjungia tam tikrą įrenginį: telefonus, televizorius, bankomatą ir panašiai.

Energija yra didybė, turinti daugybę apraiškų, kurios gali būti modifikuotos įvairiais būdais. Ar mažo magnito energija gali būti sustiprinta taip, kad jis nuolat judėtų daugiau nei keliomis monetomis?

Kad energija būtų naudojama, ji turi būti labai gausi ir gauta iš labai gausaus šaltinio.

Pirminė ir antrinė energijos

Tokios energijos yra gamtoje, iš kurių gaminami kiti tipai. Jie yra žinomi kaip pirminės energijos:

- Saulės energija.

- atominė energija.

- Geotermine energija.

- Vėjo energija.

- Biomasės energija.

- Iškastinio kuro ir mineralų energija.

Iš jų gaminamos antrinės energijos, tokios kaip elektra ir šiluma. Kur čia magnetinė energija?

Elektra ir magnetizmas nėra du atskiri reiškiniai. Tiesą sakant, abu kartu yra žinomi kaip elektromagnetiniai reiškiniai. Kol vienas iš jų egzistuos, kitas egzistuos.

Kur yra elektros energija, tam tikra forma bus ir magnetinė energija. Bet tai yra antrinė energija, kuriai iš anksto reikia pertvarkyti kai kurias pirmines energijas.

Pirminės ir antrinės energijos charakteristikos

Tam tikros rūšies energijos naudojimo pranašumai ar trūkumai nustatomi pagal daugelį kriterijų. Tai apima tai, kaip lengva ir pigi jo gamyba, taip pat tai, kiek procesas gali neigiamai paveikti aplinką ir žmones.

Svarbu atsiminti tai, kad energijos transformuojasi daug kartų, prieš jas panaudojant.

Kiek pertvarkymų turėjo įvykti, kad magnetas, priklijuojantis pirkinių sąrašą prie šaldytuvo durų? Kiek pastatyti elektromobilį? Be abejo.

Kokia švari yra magnetinė ar elektromagnetinė energija? Yra manančių, kad nuolatinis žmogaus kilmės elektromagnetinių laukų poveikis sukelia sveikatos ir aplinkos problemų.

Šiuo metu yra atlikta daugybė tyrimų krypčių, skirtų tirti šių sričių įtaką sveikatai ir aplinkai, tačiau, pasak prestižinių tarptautinių organizacijų, kol kas nėra įtikinamų įrodymų, kad jos yra kenksmingos.

Magnetinės energijos pavyzdžiai

Įtaisas, kuris skirtas laikyti magnetinę energiją, yra žinomas kaip induktorius. Tai yra ritė, suformuota apvijant varinę laidą su pakankamu apsisukimų skaičiumi, ir daugelyje grandinių naudinga apriboti srovę ir neleisti jai staiga pasikeisti.

Varinė ritė. Šaltinis: „Pixabay“.

Cirkuliavus srovei per ritės posūkius, jos viduje sukuriamas magnetinis laukas.

Jei srovė keičiasi, keiskite ir magnetinio lauko linijas. Pagal Faradėjaus-Lenzo indukcijos dėsnį šie pokyčiai sukelia jiems priešingą posūkių srovę.

Kai srovė staiga padidėja ar sumažėja, ritė priešinasi jai, todėl ji gali turėti apsauginį poveikį grandinei.

Ritinės magnetinė energija

Magnetinė energija kaupiama magnetiniame lauke, sukuriamame tūryje, kurį riboja ritės posūkiai, kuris bus žymimas kaip U _B ir kuris priklauso nuo:

- B magnetinio lauko intensyvumas.

- A ritės skerspjūvio plotas.

- ritės ilgis l.

- Vakuumo pralaidumas μ _o.

Jis apskaičiuojamas taip:

Ši lygtis galioja bet kuriame kosmoso regione, kuriame yra magnetinis laukas. Jei žinomas šio regiono tūris V, jo pralaidumas ir lauko intensyvumas, galima apskaičiuoti, kiek magnetinės energijos jis turi.

Pratimas išspręstas

Magnetinis laukas oro užpildytos ritės, kurios skersmuo yra 2,0 cm, o ilgis - 26 cm, viduje yra 0,70 T. Kiek energijos sukaupta šiame lauke?

Sprendimas

Skaitinės vertės pakeičiamos ankstesne lygtimi, atsargiai paverčiant reikšmes tarptautinės sistemos vienetais.

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: principai su taikymu. Šeštas leidimas. Prentice salė. 606–607.
2. Wilson, JD 2011. Fizika 12. Pearson. 135–146.