ĮMAGNETINIMAS: ORBITOS IR NUGAROS MAGNETINIS MOMENTAS, PAVYZDŽIAI - FIZINIS - 2025

Įmagnetinimo yra vektorinė kiekis aprašant magnetinį būseną medžiagos ir yra apibrėžiamas kaip dipoliniuose magnetinių momentų per tūrio vienetui sumą. Magnetinė medžiaga, pavyzdžiui, geležis ar nikelis, gali būti laikoma sudaryta iš daugelio mažų magnetų, vadinamų dipoliais.

Paprastai šie dipoliai, kurie savo ruožtu turi šiaurės ir pietų magnetinius polius, pasiskirsto tam tikru laipsnio sutrikimu medžiagos tūryje. Sutrikimas yra mažesnis medžiagose, turinčiose stiprias magnetines savybes, tokias kaip geležis, ir kitose, kurių magnetizmas yra mažiau akivaizdus.

1 pav. Magnetiniai dipoliai yra išdėstyti atsitiktinai medžiagos viduje. Šaltinis: F. Zapata.

Tačiau, įdėdami medžiagą į išorinį magnetinio lauko vidurį, tokį, kokį sukuria solenoidas, dipoliai orientuojasi pagal lauką ir medžiaga sugeba elgtis kaip magnetas (2 paveikslas).

2 pav. Medžiagos, pavyzdžiui, geležies gabalo, įdėjimas į solenoidą, per kurį praeina srovė I, magnetinis laukas išlygina medžiagos dipolius. Šaltinis: F. Zapata.

Tegul M yra įmagnetinimo vektorius, kuris apibūdinamas kaip:

Medžiagos, įmerktos į išorinį lauką H , įmagnetinimo intensyvumas yra proporcingas tam, todėl:

M ∝ H

Proporcingumo konstanta priklauso nuo medžiagos, ji vadinama magnetiniu jautrumu ir žymima kaip χ:

M = χ. H

M vienetai tarptautinėje sistemoje yra amperai / metras, kaip ir H , todėl χ yra be matmens.

Orbitos ir nugaros magnetinis momentas

Magnetizmas atsiranda dėl judančių elektrinių krūvių, todėl norėdami nustatyti atomo magnetizmą, turime atsižvelgti į jį sudarančių įkrautų dalelių judesius.

3 pav. Elektrono judėjimas aplink branduolį prisideda prie magnetizmo su orbitos magnetiniu momentu. Šaltinis: F. Zapata.

Pradedant elektronu, kuris, kaip manoma, skrieja aplink atominį branduolį, yra tarsi maža kilpa (uždara grandinė arba uždara srovės kilpa). Šis judėjimas prisideda prie atomo magnetizmo dėl orbitos magnetinio momento vektoriaus m, kurio dydis yra:

Kur I yra srovės stipris, o A yra sritis, kurią uždaro kilpa. Todėl, iš vienetai m tarptautinės sistemos (SI) yra amperų x kvadratinį metrą.

Vektorius m yra statmenas kilpos plokštumai, kaip parodyta 3 paveiksle, ir yra nukreiptas, kaip rodo dešiniojo nykščio taisyklė.

Nykštis nukreiptas srovės kryptimi, o likę keturi pirštai apvynioti kilpa, nukreipta į viršų. Ši maža grandinė yra lygi juostos magnetui, kaip parodyta 3 paveiksle.

Sukimosi magnetinis momentas

Be orbitos magnetinio momento, elektronas elgiasi taip, tarsi jis suktųsi pats. Tai neįvyksta tiksliai tokiu būdu, tačiau gaunamas poveikis yra tas pats, todėl tai yra dar vienas įnašas, į kurį reikia atsižvelgti, atsižvelgiant į grynąjį atomo magnetinį momentą.

Tiesą sakant, sukinio magnetinis momentas yra intensyvesnis nei orbitos momentas ir daugiausia lemia medžiagos grynąjį magnetą.

4 pav. Sukimosi magnetinis momentas yra tas, kuris labiausiai prisideda prie medžiagos grynųjų įmagnetinimo. Šaltinis: F. Zapata.

Sukimosi momentai išlygėja esant išoriniam magnetiniam laukui ir sukuria kaskados efektą, paeiliui derinant su kaimyniniais momentais.

Ne visos medžiagos pasižymi magnetinėmis savybėmis. Taip yra todėl, kad elektronai su priešingais sukiniais sudaro poras ir panaikina atitinkamus sukinio magnetinius momentus.

Prie viso magnetinio momento gali prisidėti tik tuo atveju, jei jų nėra. Todėl tik atomai, turintys nelyginį skaičių elektronų, gali būti magnetiniai.

Protonai, esantys atominiame branduolyje, taip pat nedaug prisideda prie bendro atomo magnetinio momento, nes jie taip pat turi sukinį ir todėl susijusį magnetinį momentą.

Bet tai atvirkščiai priklauso nuo masės, o protonas yra daug didesnis nei elektronas.

Pavyzdžiai

Ritės, per kurią praeina elektros srovė, viduje sukuriamas vienodas magnetinis laukas.

Kaip aprašyta 2 paveiksle, dedant medžiagą ten, jos magnetiniai momentai sutampa su ritės lauku. Bendras poveikis yra sukurti stipresnį magnetinį lauką.

Geri pavyzdžiai yra transformatoriai, įtaisai, didinantys ar mažinantys kintamąją įtampą. Juos sudaro dvi ritės - pirminė ir antrinė, suvyniotos ant minkštos geležies šerdies.

5 pav. Transformatoriaus šerdyje įvyksta tinklo įmagnetinimas. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Kintama srovė praleidžiama per pirminę ritę, kuri pakaitomis modifikuoja magnetinio lauko linijas šerdies viduje, o tai savo ruožtu indukuoja srovę antrinėje ritėje.

Virpesių dažnis yra tas pats, bet dydis yra skirtingas. Tokiu būdu galima gauti aukštesnę ar mažesnę įtampą.

Vietoj vyniotų ritinių į tvirtą geležies šerdį, geriau dėti metalinių lakštų užpildą, padengtą laku.

Priežastis yra dėl to, kad šerdies viduje yra sūkurinių srovių, dėl kurių ji per daug perkaista, tačiau lakštuose sukeltos srovės yra mažesnės, todėl prietaiso šildymas sumažinamas iki minimumo.

Belaidžiai įkrovikliai

Mobilųjį telefoną ar elektrinį dantų šepetėlį galima įkrauti magnetine indukcija, vadinama belaidžiu arba indukciniu įkrovimu.

Tai veikia tokiu būdu: yra bazė arba įkrovimo stotelė, kurioje yra solenoidas arba pagrindinė ritė, per kurią praleidžiama kintanti srovė. Kita (antrinė) ritė pritvirtinta prie šepetėlio rankenos.

Srovė pirminėje ritėje savo ruožtu sukelia srovę rankenos ritėje, kai šepetys dedamas į įkrovimo stotį, ir tai pasirūpina akumuliatoriaus, kuris taip pat yra rankenoje, įkrovimu.

Sukeltos srovės dydis padidėja, kai į pagrindinę ritę įdedama feromagnetinės medžiagos, kuri gali būti geležis, šerdis.

Kad pirminė ritė galėtų nustatyti antrinės ritės artumą, sistema skleidžia pertraukiamą signalą. Gavus atsakymą, aprašytasis mechanizmas suaktyvinamas ir srovė pradedama sukelti nereikia laidų.

Ferrofluidai

Kitas įdomus medžiagos magnetinių savybių pritaikymas yra ferrofluidai. Juos sudaro mažos ferito junginio magnetinės dalelės, suspenduotos skystoje terpėje, kuri gali būti organinė ar net vanduo.

Dalelės yra padengtos medžiaga, kuri neleidžia jų aglomeracijai, todėl pasiskirsto skystyje.

Idėja yra ta, kad skysčio tekėjimas yra derinamas su ferito dalelių, kurios savaime nėra stipriai magnetinės, magnetizmu, tačiau įgyja išorinį lauką, kaip aprašyta aukščiau.

Įgytas įmagnetinimas dingsta, kai tik pašalinamas išorinis laukas.

Ferrofluidus iš pradžių sukūrė NASA, norėdama mobilizuoti degalus erdvėlaivyje be sunkio jėgos, suteikdama impulsą magnetinio lauko pagalba.

Šiuo metu ferrofluidai yra naudojami daug, kai kurie iš jų vis dar yra eksperimentiniame etape, pavyzdžiui:

- Sumažinkite garsiakalbių ir ausinių duslintuvų trintį (venkite atgarsio).

- Leiskite atskirti medžiagas, kurių tankis yra skirtingas.

- Dirbkite kaip sandarikliai ant kietųjų diskų velenų ir atstumkite nešvarumus.

- kaip gydymas vėžiu (eksperimentiniame etape). Ferrofluidas įšvirkščiamas į vėžio ląsteles ir taikomas magnetinis laukas, sukuriantis mažas elektros sroves. Šių medžiagų skleidžiama šiluma užpuola piktybines ląsteles ir jas sunaikina.

Nuorodos

1. Brazilijos fizikos žurnalas. Ferrofluidai: savybės ir pritaikymas. Atkurta iš: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika mokslui ir inžinerijai. 6 tomas. Elektromagnetizmas. Redagavo Douglas Figueroa (USB). 215–221.
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: principai su taikymu. 6-oji Ed Prentice salė. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: žvilgsnis į pasaulį. 6-as sutrumpintas leidimas. „Cengage“ mokymasis. 233.
5. Shipman, J. 2009. Fizinių mokslų įvadas. „Cengage“ mokymasis. 206-208.