MAGNETISMI: MATERIAALIEN MAGNEETTISET OMINAISUUDET, KÄYTTÖ - FYYSINEN - 2026

Magnetismi tai magneettinen energia on voima liittyy luonteeltaan liikkumista ja pystyy tuottamaan sähkö vetovoima tai karkottamalla tiettyjen aineiden kuormia. Magneetit ovat tunnettuja magnetismin lähteitä.

Näiden sisällä on vuorovaikutuksia, jotka muuntuvat magneettikenttien läsnäoloksi, jotka vaikuttavat esimerkiksi pieniin rauta- tai nikkelikappaleisiin.

Pohjoisvalojen kauniit värit johtuvat kosmisista hiukkasista, jotka lähettävät energiaa, koska ne taipuvat maan magneettikentästä. Lähde: Pixabay.

Magneetin magneettikenttä tulee näkyväksi, kun se sijoitetaan paperin alle, jolle rautaleikkeet levitetään. Viilut suunnataan heti kenttäviivoja pitkin, muodostaen kentästä kaksiulotteisen kuvan.

Toinen tunnettu lähde on johdot, jotka kuljettavat sähkövirtaa; Mutta toisin kuin kestomagneetit, magneettisuus katoaa virran pysähtyessä.

Aina kun jossain tapahtuu magneettikenttä, jonkun aineen piti tehdä työtä. Tähän prosessiin sijoitettu energia varastoidaan luodussa magneettikentässä ja sitä voidaan sitten pitää magneettisenä energiana.

Laskeminen siitä, kuinka paljon magneettista energiaa varastoituu kenttään, riippuu kentästä ja laitteen geometriasta tai alueesta, jolla se on luotu.

Induktorit tai kelat ovat hyviä paikkoja tähän, jolloin ne tuottavat magneettista energiaa samalla tavalla kuin sähköenergia varastoituu kondensaattorin levyjen väliin.

Historia ja löytö

Vanhat sovellukset

Plinius muinaisesta Kreikasta kertovat legendat puhuvat paimen Magnesista, joka löysi yli 2000 vuotta sitten salaperäisen mineraalin, joka kykeni houkuttelemaan rautapalasia, mutta ei muita materiaaleja. Se oli magnetiittia, rautaoksidia, jolla oli vahvat magneettiset ominaisuudet.

Syy magneettiseen vetovoimaan oli piilossa satoja vuosia. Parhaimmillaan se johtui yliluonnollisista tapahtumista. Vaikka ei tästä syystä, sille löytyi mielenkiintoisia sovelluksia, kuten kompassi.

Kiinan keksimä kompassi hyödyntää maan omaa magneettisuutta ohjaamaan käyttäjää navigoinnin aikana.

Ensimmäiset tieteelliset tutkimukset

Magneettisten ilmiöiden tutkiminen edistyi huomattavasti William Gilbertin (1544 - 1603) ansiosta. Tämä englantilainen Elizabethan-aikakauden tutkija tutki pallomaisen magneettikentän ja päätteli, että maapallolla on oltava oma magneettikenttä.

Tutkiessaan magneetteja, hän huomasi myös, että hän ei voinut saada erillisiä magneettinapoja. Kun magneetti on jaettu kahteen osaan, uusilla magneeteilla on myös molemmat navat.

Kuitenkin vasta 1800-luvun alussa tutkijat ymmärsivät sähkövirran ja magneettisuuden välisen suhteen.

Tanskassa syntynyt Hans Christian Oersted (1777 - 1851) oli vuonna 1820 ajatus siirtää sähkövirta johtimen läpi ja tarkkailla tämän vaikutusta kompassiin. Kompassi poikkeaa, ja kun virta lakkaa virtaamasta, kompassi osoittaa jälleen pohjoiseen tavalliseen tapaan.

Tämä ilmiö voidaan todentaa tuomalla kompassi lähemmäksi yhtä kaapelia, joka tulee ulos auton akusta, kun käynnistin on käytössä.

Kytkentäpiirin sulkemishetkellä neulassa tulisi olla havaittavissa oleva taipuma, koska autojen akut voivat syöttää virtaa riittävän suureksi, jotta kompassi poikkeaa.

Tällä tavalla kävi selväksi, että liikkuvat varaukset ovat syitä, jotka herättävät vetäytymistä.

Nykyaikaiset tutkimukset

Muutama vuosi Oerstedin kokeilun jälkeen brittiläinen tutkija Michael Faraday (1791 - 1867) merkitsi uuden virstanpylvään havaitsemalla, että vaihtelevat magneettikentät puolestaan ​​aiheuttavat sähkövirtoja.

Molemmat ilmiöt, sekä sähköiset että magneettiset, liittyvät läheisesti toisiinsa, ja kumpikin aiheuttaa toisiaan. Faradayn opetuslapsi James Clerk Maxwell (1831 - 1879) yhdisti heidät hänen nimensä vastaavissa yhtälöissä.

Nämä yhtälöt sisältävät ja tekevät yhteenvedon sähkömagneettisesta teoriasta ja ovat voimassa jopa relativistisessa fysiikassa.

Materiaalien magneettiset ominaisuudet

Miksi joillakin materiaaleilla on magneettisia ominaisuuksia tai ne saavat magneettisuuden helposti? Tiedämme, että magneettikenttä johtuu liikkuvista varauksista, joten magneetin sisällä on oltava näkymättömiä sähkövirtoja, jotka aiheuttavat magneettisuutta.

Kaikki aine sisältää atomien ytimessä kiertäviä elektroneja. Elektronia voidaan verrata maahan, jolla on translaation liike Auringon ympäri ja pyörimisliike myös omalla akselillaan.

Klassinen fysiikka määrää samanlaiset liikkeet kuin elektroni, vaikka analogia ei ole täysin tarkka. Asia on kuitenkin, että elektronin molemmat ominaisuudet saavat sen käyttäytymään kuin pieni silmukka, joka luo magneettikentän.

Se on elektronin spin, joka vaikuttaa eniten atomin magneettikentään. Atomeissa, joissa on monia elektroneja, ne on ryhmitelty pareittain ja vastakkaisilla spineillä. Siten niiden magneettikentät poistavat toisiaan. Näin tapahtuu useimmissa materiaaleissa.

On kuitenkin joitain mineraaleja ja yhdisteitä, joissa on pariton elektroni. Tällä tavoin netomagneettikenttä ei ole nolla. Tämä luo magneettisen momentin, vektorin, jonka suuruus on virran ja piirin pinta-alan tulo.

Vierekkäiset magneettiset momentit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja muodostavat alueita, joita kutsutaan magneettisiksi domeeneiksi, joissa monet spinnit ovat kohdistettu samaan suuntaan. Tuloksena oleva magneettikenttä on erittäin vahva.

Ferromagnetiikka, paramagnetismi ja diamagnetismi

Materiaaleja, joilla on tämä laatu, kutsutaan ferromagneettisiksi. Niitä on muutama: rauta, nikkeli, koboltti, gadoliini ja jotkut niiden seoksista.

Muista jaksotaulukon elementeistä puuttuu nämä erittäin voimakkaat magneettiset vaikutukset. Ne kuuluvat paramagneettisen tai diamagneettisen luokkaan.

Itse asiassa diamagnetismi on kaikkien materiaalien ominaisuus, jotka kokevat lievän vasteen ulkoisen magneettikentän ollessa läsnä. Vismutti on elementti, jolla on korostettu diamagnetismi.

Toisaalta paramagnetismi koostuu vähemmän voimakkaasta magneettisesta vasteesta kuin ferromagnetizmus, mutta yhtä houkutteleva. Paramagneettisia aineita ovat esimerkiksi alumiini, ilma ja jotkut rautaoksidit, kuten goetiitti.

Magneettisen energian käyttö

Magnetismi on osa luonnon perusvoimia. Koska ihmiset ovat myös osa sitä, ne ovat sopeutuneet magneettisten ilmiöiden olemassaoloon samoin kuin muuhun elämään planeetalla. Jotkut eläimet esimerkiksi käyttävät Maan magneettikenttää orientoitumaan maantieteellisesti.

Itse asiassa lintujen uskotaan suorittavan pitkät vaelluksensa johtuen siitä, että aivoissaan heillä on eräänlainen orgaaninen kompassi, jonka avulla he voivat havaita ja käyttää geomagneettista kenttää.

Vaikka ihmisiltä puuttuu tällainen kompassi, heillä on sen sijaan kyky muuttaa ympäristöä monella tavalla enemmän kuin muualla eläinvaltiossa. Siksi lajien jäsenemme ovat käyttäneet magnetismia etunaan siitä hetkestä alkaen kun ensimmäinen kreikkalainen paimen löysi lodestoneen.

Jotkut magneettisen energian sovellukset

Siitä lähtien on olemassa monia magnetismin sovelluksia. Tässä on muutama:

- Edellä mainittu kompassi, joka käyttää maapallon geomagneettikenttää orientoitumaan maantieteellisesti.

- Katodisäteputkeen perustuvat televisioiden, tietokoneiden ja oskilloskooppien vanhat näytöt, joissa käytetään magneettikentän muodostavia keloja. Nämä vastaavat elektronisuihkun taipumisesta siten, että se osuu tiettyihin kohtiin näytössä ja muodostaa kuvan.

- Massaspektrometrit, joita käytetään tutkimaan erityyppisiä molekyylejä ja joilla on monia sovelluksia biokemiassa, kriminologiassa, antropologiassa, historiassa ja muilla aloilla. He hyödyntävät sähkö- ja magneettikenttiä varautuneiden hiukkasten poikittamiseksi suuntauksesta, joka riippuu niiden nopeudesta.

- Magnetohydrodynaaminen työntövoima, jossa magneettinen voima ajaa meriveden suihkun (hyvä johdin) taaksepäin siten, että Newtonin kolmannen lain mukaan ajoneuvo tai vene saa eteenpäin-impulssin.

- Magneettikuvauskuvaus, ei-invasiivinen menetelmä kuvien saamiseksi ihmiskehon sisätiloista. Pohjimmiltaan se käyttää erittäin intensiivistä magneettikenttää ja analysoi kudoksissa olevien vetyydinten (protonien) vasteen, joilla on edellä mainittu spin-ominaisuus.

Nämä sovellukset ovat jo vakiintuneita, mutta tulevaisuudessa uskotaan, että magneettisuus voi torjua myös rintasyövän kaltaisia ​​sairauksia hypertermisillä tekniikoilla, jotka tuottavat magneettisesti indusoitua lämpöä.

Ajatuksena on injektoida nestemagnetiitti suoraan kasvaimeen. Magneettisesti indusoitujen virtojen tuottaman lämmön ansiosta rautahiukkaset kuumenevat tarpeeksi kuumiksi tuhoamaan pahanlaatuiset solut.

Hyödyt ja haitat

Kun mietit tietyn tyyppisen energian käyttöä, se vaatii sen muuttamisen tietyntyyppiseksi liikkeeksi, kuten esimerkiksi turbiinin, hissin tai ajoneuvon liikkeeksi; tai että se muuttuu sähköenergiaksi, joka kytkee jonkin laitteen päälle: puhelimet, televisiot, pankkiautomaatti ja vastaavat.

Energia on suuruusluokka, jolla on useita ilmenemismuotoja, joita voidaan muokata monin tavoin. Voidaanko pienen magneetin energiaa vahvistaa siten, että se liikkuu jatkuvasti enemmän kuin muutama kolikko?

Voidakseen käyttää energiaa, energialla on oltava suuri valikoima ja peräisin erittäin runsaasta lähteestä.

Primääriset ja toissijaiset energiat

Tällaisia ​​energioita löytyy luonnosta, joista muut tyypit tuotetaan. Ne tunnetaan primaarienergioina:

- Aurinkoenergia.

- atomienergia.

- Maalämpö.

- Tuulivoima.

- Biomassan energia.

- Fossiilisten polttoaineiden ja mineraalien energia.

Niistä tuotetaan sekundaarisia energioita, kuten sähköä ja lämpöä. Missä magneettinen energia on täällä?

Sähkö ja magnetismi eivät ole kaksi erillistä ilmiötä. Itse asiassa nämä kaksi yhdessä tunnetaan nimellä sähkömagneettiset ilmiöt. Niin kauan kuin yksi heistä on olemassa, toinen on olemassa.

Missä on sähköenergiaa, siellä on jossain muodossa myös magneettista energiaa. Mutta tämä on sekundaarinen energia, joka vaatii joidenkin primäärienergioiden etukäteen tapahtuvaa muuntamista.

Primaarisen ja sekundaarisen energian ominaisuudet

Jonkinlaisen energian käytön edut tai haitat määritetään monien kriteerien perusteella. Niihin sisältyy kuinka helppo ja halpa sen tuotanto on ja kuinka paljon prosessi pystyy vaikuttamaan kielteisesti ympäristöön ja ihmisiin.

Jotain tärkeää pitää mielessä, että energiat muuttuvat monta kertaa, ennen kuin niitä voidaan käyttää.

Kuinka monta muutosta on tapahtunut, jotta magneetti, joka kiinnittää ostoslistan jääkaapin oveen, tehdään? Kuinka monta rakentaa sähköauton? Varmasti tarpeeksi.

Ja kuinka puhdas on magneettinen tai sähkömagneettinen energia? Joidenkin mielestä jatkuva altistuminen ihmisistä peräisin oleville sähkömagneettisille kentille aiheuttaa terveys- ja ympäristöongelmia.

Tällä hetkellä on olemassa lukuisia tutkimuslinjoja, joiden tarkoituksena on tutkia näiden alojen vaikutusta terveyteen ja ympäristöön, mutta arvostettujen kansainvälisten järjestöjen mukaan toistaiseksi ei ole vakuuttavaa näyttöä siitä, että ne olisivat haitallisia.

Esimerkkejä magneettisesta energiasta

Laite, joka toimii magneettisen energian pitämiseksi, tunnetaan induktorina. Se on käämi, joka on muodostettu käämittämällä kuparilankaa riittävän monella kierroksella, ja se on hyödyllinen monissa piireissä rajoittamaan virtaa ja estämään sen muutosta äkillisesti.

Kuparikela. Lähde: Pixabay.

Kiertämällä virtaa kelan kierrosten läpi, sen sisälle syntyy magneettikenttä.

Jos virta muuttuu, niin myös magneettikenttälinjat. Nämä muutokset indusoivat virran käännöksissä, jotka vastustavat niitä Faraday-Lenzin induktiolain mukaan.

Kun virta kasvaa tai pienenee yhtäkkiä, kela vastustaa sitä, joten sillä voi olla suojaava vaikutus piiriin.

Kelan magneettinen energia

Magneettinen energia varastoidaan magneettikentään, joka luodaan tilavuudessa, joka rajoitetaan kelan kierroksilla, jota kutsutaan nimellä U _B ja joka riippuu:

- Magneettikentän B voimakkuus

- Kelan A poikkileikkauspinta-ala

- Kelan pituus l.

- Tyhjiön läpäisevyys μo .

Se lasketaan seuraavasti:

Tämä yhtälö on voimassa kaikilla avaruuden alueilla, joissa on magneettikenttä. Jos tämän alueen tilavuus V tunnetaan, sen läpäisevyys ja kentän voimakkuus on mahdollista laskea, kuinka paljon magneettista energiaa sillä on.

Harjoitus ratkaistu

Ilmamaisesti täytetyn kelan, jonka halkaisija on 2,0 cm ja pituus 26 cm, sisällä oleva magneettikenttä on 0,70 T. Kuinka paljon energiaa varastoidaan tässä kentässä?

Ratkaisu

Numeeriset arvot korvataan edellisessä yhtälössä, muuntamalla arvot kansainvälisen järjestelmän yksiköiksi.

1. Giancoli, D. 2006. Fysiikka: Periaatteet ja sovellukset. Kuudes painos. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Fysiikka 12. Pearson. 135-146.