MAGNETOINTI: KIERTORADAN JA SPIN-MAGNEETTINEN MOMENTTI, ESIMERKIT - FYYSINEN - 2026

Magnetointi on vektorisuure, joka kuvaa magneettisen tilan materiaalista ja on määritelty määrä dipolaarisen magneettiset momentit tilavuusyksikköä kohti. Magneettimateriaalin - esimerkiksi raudan tai nikkelin - voidaan katsoa koostuvan monista pienistä magneeteista, nimeltään dipoleja.

Normaalisti nämä dipolit, joilla puolestaan ​​on pohjoisen ja etelän magneettinavat, jakautuvat tietyllä tavalla häiriöillä materiaalin tilavuudessa. Häiriö on vähemmän materiaaleissa, joilla on vahvat magneettiset ominaisuudet, kuten rauta, ja suurempi muissa, joissa magneettisuus on vähemmän ilmeistä.

Kuva 1. Magneettiset dipolit on järjestetty satunnaisesti materiaalin sisään. Lähde: F. Zapata.

Sijoita kuitenkin materiaali ulkoisen magneettikentän keskelle, kuten esimerkiksi solenoidissa muodostettu, dipolit orientoituvat kentän mukaan ja materiaali pystyy käyttäytymään kuin magneetti (kuva 2).

Kuva 2. Materiaalin, kuten esimerkiksi rautapalan, sijoittaminen solenoidin sisään, jonka läpi virta I kulkee, tämän magneettikenttä kohdistaa materiaalin dipolit. Lähde: F. Zapata.

Olkoon M magnetointivektori, joka määritetään seuraavasti:

Nyt materiaalissa, joka on upotettu ulkoiseen kenttään H, magnetoitumisen voimakkuus on verrannollinen tähän, siksi:

M α H

Suhteellisuusvakio riippuu materiaalista, sitä kutsutaan magneettiseksi herkkyydeksi ja sitä merkitään χ:

M = χ. H

M: n yksiköt kansainvälisessä järjestelmässä ovat ampeeria / metri, kuten H: n yksiköt, siksi χ on mitaton.

Kiertoradan ja spin-magneettinen momentti

Magnetismi syntyy liikkuvista sähkövarauksista, joten atomin magneettisuuden määrittämiseksi meidän on otettava huomioon sitä muodostavien varautuneiden hiukkasten liikkeet.

Kuva 3. Elektronin liike ytimen ympärillä myötävaikuttaa magneettisuuteen kiertoradan magneettisen momentin kanssa. Lähde: F. Zapata.

Alkaen elektronista, jonka katsotaan kiertävän atomin ytimen, se on kuin pieni silmukka (suljettu piiri tai suljettu virtasilmukka). Tämä liike myötävaikuttaa atomin magnetismiin kiertoradan magneettisen momenttivektorin m avulla, jonka suuruus on:

Missä I on virran voimakkuus ja A on silmukan sulkema alue. Siksi m- yksiköt kansainvälisessä järjestelmässä (SI) ovat ampeeria x neliömetriä.

Vektori m on kohtisuorassa silmukan tasoon nähden, kuten kuvassa 3 esitetään, ja se on suunnattu oikean peukalon säännön osoittamalla tavalla.

Peukalo on suunnattu virran suuntaan ja neljä jäljellä olevaa sormea ​​kiedotaan silmukan ympäri osoittaen ylöspäin. Tämä pieni piiri vastaa sauvamagneettia, kuten kuvassa 3 esitetään.

Spin magneettinen momentti

Kiertoradan magneettisen momentin lisäksi elektroni käyttäytyy ikään kuin se pyöriä itsestään. Sitä ei tapahdu täsmälleen tällä tavalla, mutta tuloksena oleva vaikutus on sama, joten tämä on toinen panos, joka on otettava huomioon atomin nettomagneettisessa momentissa.

Itse asiassa spin-magneettinen momentti on voimakkaampi kuin kiertorata-momentti, ja se on pääasiassa vastuussa aineen netomagneettisuudesta.

Kuva 4. Spin-magneettinen momentti on se, joka vaikuttaa eniten materiaalin verkkomagnetointiin. Lähde: F. Zapata.

Pyörimismomentit kohdistuvat ulkoisen magneettikentän ollessa läsnä ja luovat kaskadiefektin kohdistuen peräkkäin naapurimomentteihin.

Kaikilla materiaaleilla ei ole magneettisia ominaisuuksia. Nämä johtuvat siitä, että elektronit, joilla on vastakkaiset spinnit, muodostavat pareja ja peruuttavat vastaavat spin-magneettiset momentit.

Vain jos parit ovat parittomia, on kyse kokonaismäärän momentista. Siksi vain atomeilla, joilla on pariton määrä elektroneja, on mahdollisuus olla magneettinen.

Atomiytimen protonit antavat myös pienen panoksen atomin kokonaismagneettiseen momenttiin, koska niillä on myös spin ja siihen liittyvä magneettinen momentti.

Mutta tämä on käänteisesti riippuvainen massasta, ja protoni on paljon suurempi kuin elektronin.

esimerkit

Käämin sisälle, jonka läpi sähkövirta kulkee, syntyy tasainen magneettikenttä.

Ja kuten kuviossa 2 on kuvattu, sijoittaessaan materiaalia siihen, tämän magneettiset momentit kohdistuvat kelan kenttään. Nettovaikutus on tuottaa voimakkaampi magneettikenttä.

Muuntajat, laitteet, jotka lisäävät tai vähentävät vaihtojännitettä, ovat hyviä esimerkkejä. Ne koostuvat kahdesta kelasta, ensisijaisesta ja toissijaisesta, kelattu pehmeään raudasydämeen.

Kuva 5. Muuntajan ytimessä tapahtuu verkkomagnetointi. Lähde: Wikimedia Commons.

Muuttuva virta johdetaan ensiökäämin läpi, joka vuorotellen modifioi ytimen magneettikenttälinjoja, mikä puolestaan ​​indusoi virran toissijaisessa kelassa.

Värähtelyn taajuus on sama, mutta voimakkuus on erilainen. Tällä tavoin voidaan saada suurempia tai pienempiä jännitteitä.

Käämien käämityksen sijasta kiinteään raudasydämeen on edullista laittaa lakalla peitetty metallilevyjen täyte.

Syynä on pyörrevirtojen läsnäolo ytimen sisällä, joiden seurauksena ylikuumenee liiallisesti, mutta levyissä indusoidut virrat ovat pienempiä, ja siksi laitteen kuumennus minimoidaan.

Langattomat laturit

Matkapuhelin tai sähköinen hammasharja voidaan ladata magneettisen induktion avulla, joka tunnetaan langattomana latauksena tai induktiivisena latauksena.

Se toimii seuraavasti: on tukiasema tai latausasema, jossa on solenoidi tai pääkela, jonka kautta muuttuva virta johdetaan. Toinen (toissijainen) kela on kiinnitetty harjan kahvaan.

Ensiökelan virta puolestaan ​​indusoi virran kahvan kelassa, kun harja asetetaan latausasemaan, ja tämä huolehtii myös akussa olevan akun lataamisesta.

Indusoidun virran suuruus kasvaa, kun pääkelaan asetetaan ferromagneettisen materiaalin ydin, joka voi olla rauta.

Primaarikäämin toissijaisen kelan läheisyyden havaitsemiseksi järjestelmä lähettää ajoittaisen signaalin. Kun vastaus on saatu, kuvattu mekanismi aktivoituu ja virta alkaa indusoitua ilman kaapeleita.

Ferronesteet

Toinen mielenkiintoinen sovellus aineen magneettisiin ominaisuuksiin ovat ferrofluidit. Ne koostuvat pienistä ferriittiyhdisteen magneettisista hiukkasista, jotka on suspendoitu nestemäiseen väliaineeseen, joka voi olla orgaaninen tai jopa vesi.

Hiukkaset on päällystetty aineella, joka estää niiden taajautumisen ja pysyy siten jakautuneena nesteeseen.

Ajatuksena on, että nesteen juoksevuus yhdistetään ferriittihiukkasten magneettisuuteen, jotka itsessään eivät ole voimakkaasti magneettisia, mutta saavat magnetoitumisen ulkoisen kentän läsnä ollessa, kuten yllä on kuvattu.

Saatu magnetoituminen katoaa heti, kun ulkoinen kenttä poistetaan.

NASA kehitti alun perin ferrofluideja polttoaineen mobilisoimiseksi avaruusaluksessa ilman painovoimaa antaen impulssin magneettikentän avulla.

Tällä hetkellä ferrofluideilla on monia sovelluksia, joista osa on vielä kokeiluvaiheessa, kuten:

- Vähennä kaiuttimien ja kuulokkeiden äänenvaimentimien kitkaa (välttää kaikua).

- Anna erottaa tiheydeltään erilaisia ​​materiaaleja.

- Toimi tiivisteenä kiintolevyjen akseleille ja hylkää lika.

- syöpähoitona (kokeellisessa vaiheessa). Ferrofluidi ruiskutetaan syöpäsoluihin ja siihen kohdistetaan magneettikenttä, joka tuottaa pieniä sähkövirtoja. Näiden tuottama lämpö hyökkää pahanlaatuisiin soluihin ja tuhoaa ne.

Viitteet

1. Brasilian fysiikan lehti. Ferrofluidit: Ominaisuudet ja sovellukset. Palautettu osoitteesta: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Sarja: Fysiikka tiedelle ja tekniikalle. Volume 6. Sähkömagneettisuus. Toimittanut Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Fysiikka: Periaatteet ja sovellukset. Kuudes Ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Fysiikka: Katso maailmaa. Kuudes lyhennetty painos. Cengagen oppiminen. 233.
5. Shipman, J. 2009. Fysiikan perusteet. Cengagen oppiminen. 206-208.