MAGNETIZEM: MAGNETNE LASTNOSTI MATERIALOV, UPORABE - FIZIČNO - 2025

Magnetizem ali magnetna energija je sila povezana narava gibanje in omogoča izdelavo električnega privlačnost ali odpor v nekaterih snovi obremenitve. Magneti so dobro znani viri magnetizma.

Znotraj teh so interakcije, ki povzročajo prisotnost magnetnih polj, ki vplivajo na primer na majhne koščke železa ali niklja.

Čudovite barve severnega sijaja so posledica kozmičnih delcev, ki oddajajo energijo, ko jih odbija magnetno polje Zemlje. Vir: Pixabay.

Magnetno polje magneta postane vidno, ko ga postavimo pod papir, na katerem se razprostirajo železni oblogi. Zapisi so takoj orientirani vzdolž poljskih črt in ustvarjajo dvodimenzionalno sliko polja.

Drug dobro znan vir so žice, ki prenašajo električni tok; Toda za razliko od trajnih magnetov magnetizem izgine, ko se tok ustavi.

Kadar koli se nekje pojavi magnetno polje, je moral neki agent opraviti svoje delo. Energija, vložena v ta postopek, se shrani v ustvarjenem magnetnem polju in se nato lahko šteje za magnetno energijo.

Izračun, koliko magnetne energije je shranjeno v polju, je odvisen od polja in geometrije naprave ali območja, kjer je bila ustvarjena.

Induktorji ali tuljave so dobra mesta za to, saj ustvarjajo magnetno energijo na enak način, kot je električna energija shranjena med ploščami kondenzatorja.

Zgodovina in odkritje

Stare aplikacije

Legende, ki jih je Plinij pripovedoval o stari Grčiji, govorijo o pastirju Magnesu, ki je pred več kot 2000 leti našel skrivnostni mineral, ki je sposoben pritegniti koščke železa, ne pa tudi drugih materialov. Bil je magnetit, železov oksid z močnimi magnetnimi lastnostmi.

Razlog za magnetno privlačnost je ostal skriven sto let. V najboljšem primeru so ga pripisali nadnaravnim dogodkom. Čeprav ne iz tega razloga, so bile zanjo najdene zanimive aplikacije, kot je kompas.

Kompas, ki so ga izumili Kitajci, uporablja Zemljin lastni magnetizem za vodenje uporabnika med navigacijo.

Prve znanstvene študije

Preučevanje magnetnih pojavov je imelo velik napredek zahvaljujoč Williamu Gilbertu (1544 - 1603). Ta angleški znanstvenik elizabetanske dobe je preučeval magnetno polje sferičnega magneta in ugotovil, da mora imeti Zemlja svoje magnetno polje.

Iz študija magnetov je tudi ugotovil, da ne more dobiti ločenih magnetnih polov. Ko je magnet presečen na dva, imata nova magneta tudi oba pola.

Vendar pa so znanstveniki spoznali obstoj razmerja med električnim tokom in magnetizmom na začetku 19. stoletja.

Hans Christian Oersted (1777 - 1851), rojen na Danskem, je imel leta 1820 idejo o prenosu električnega toka skozi prevodnik in opazovanju učinka, ki ga ima to na kompasu. Kompas bi odstopal in ko bi tok prenehal teči, bi kompas spet kot običajno usmeril proti severu.

Ta pojav je mogoče preveriti tako, da kompas približamo enemu od kablov, ki prihaja iz avtomobilske baterije med zagonom.

Ob zapiranju vezja mora igla zaznati upogib, saj baterije avtomobilov lahko napajajo tokove dovolj visoko, da kompas odstopa.

Na ta način je postalo jasno, da so gibljivi naboji tisto, kar povzroča magnetizem.

Sodobne preiskave

Nekaj ​​let po Oerstedovih poskusih je britanski raziskovalec Michael Faraday (1791 - 1867) označil še en mejnik z odkritjem, da različna magnetna polja v zameno povzročajo električne tokove.

Oba pojava, električni in magnetni, sta med seboj tesno povezana, vsak od njih pa povzroča drugega. Zbral jih je Faradayev učenec James Clerk Maxwell (1831 - 1879) v enačbah, ki nosijo njegovo ime.

Te enačbe vsebujejo in povzemajo elektromagnetno teorijo in veljajo celo znotraj relativistične fizike.

Magnetne lastnosti materialov

Zakaj nekateri materiali kažejo magnetne lastnosti ali zlahka pridobijo magnetizem? Vemo, da je magnetno polje posledica premikajočih se nabojev, zato morajo biti znotraj magneta nevidni električni tokovi, ki povzročajo magnetizem.

Vsa snov vsebuje elektrone, ki krožijo v atomskem jedru. Elektrone lahko primerjamo z Zemljo, ki ima pretočno gibanje okoli Sonca in tudi rotacijsko gibanje na lastni osi.

Klasična fizika pripisuje podobnim gibom elektronu, čeprav analogija ni povsem natančna. Bistvo pa je, da obe lastnosti elektrona naredita, da se obnaša kot drobna zanka, ki ustvarja magnetno polje.

Prav magnetno polje atoma najbolj prispeva spin elektrona. V atomi z veliko elektroni so razvrščeni v pare in z nasprotnimi vrti. Tako se njihova magnetna polja medsebojno odpovejo. To se dogaja v večini materialov.

Vendar pa obstaja nekaj mineralov in spojin, v katerih je neparni elektron. Na ta način neto magnetno polje ni nič. Tako nastane magnetni moment, vektor, katerega velikost je produkt toka in območja vezja.

Sosednji magnetni trenutki se medsebojno povezujejo in tvorijo področja, imenovana magnetna področja, v katerih je veliko vrtljajev poravnanih v isti smeri. Nastalo magnetno polje je zelo močno.

Feromagnetizem, paramagnetizem in diamagnetizem

Materiali, ki imajo to kakovost, se imenujejo feromagnetni. Nekaj ​​jih je: železo, nikelj, kobalt, gadolinij in nekatere zlitine istega.

Preostali elementi v periodični tabeli nimajo teh zelo izrazitih magnetnih učinkov. Spadajo v kategorijo paramagnetnih ali diamagnetskih.

Pravzaprav je diamagnetizem lastnost vseh materialov, ki ob prisotnosti zunanjega magnetnega polja doživijo rahlo odbojnost. Bizmut je element z najbolj poudarjenim diamagnetizmom.

Po drugi strani je paramagnetizem sestavljen iz manj intenzivnega magnetnega odziva kot feromagnetizem, vendar enako privlačen. Paramagnetne snovi so na primer aluminij, zrak in nekateri železovi oksidi, kot je goetit.

Uporaba magnetne energije

Magnetizem je del temeljnih sil narave. Ker so tudi človeška bitja del tega, so prilagojena obstoju magnetnih pojavov, pa tudi preostalem življenju na planetu. Nekatere živali na primer uporabljajo zemeljsko magnetno polje, da se geografsko orientirajo.

Pravzaprav velja, da ptice izvajajo dolge selitve zahvaljujoč temu, da imajo v svojih možganih nekakšen organski kompas, ki jim omogoča zaznavanje in uporabo geomagnetnega polja.

Medtem ko ljudje nimajo kompasa, kot je ta, imajo namesto tega možnost spreminjati okolje na veliko več načinov kot ostalo živalsko kraljestvo. Tako so pripadniki naše vrste uporabili magnetizem v svojo korist od trenutka, ko je prvi grški ovčar odkril lodestone.

Nekatere aplikacije magnetne energije

Od takrat obstaja veliko aplikacij magnetizma. Tukaj je nekaj:

- Zgoraj omenjeni kompas, ki uporablja zemeljsko geomagnetno polje za geografsko orientacijo.

- Stari zasloni za televizorje, računalnike in osciloskope na osnovi katodne cevi, ki uporabljajo tuljave, ki ustvarjajo magnetna polja. Ti so odgovorni za odboj elektronskega žarka, tako da ta zadene določena mesta na zaslonu in tako oblikuje sliko.

- masni spektrometri, ki se uporabljajo za proučevanje različnih vrst molekul in z mnogimi aplikacijami v biokemiji, kriminologiji, antropologiji, zgodovini in drugih disciplinah. Uporabljajo električna in magnetna polja, da odklonijo nabito delce v progi, ki so odvisne od njihove hitrosti.

- magnetnohidrodinamični pogon, pri katerem magnetna sila poganja curek morske vode (dober prevodnik) nazaj, tako da po tretjem zakonu Newtona vozilo ali čoln sprejme sprednji impulz.

- slikanje z magnetno resonanco, neinvazivna metoda za pridobivanje slik notranjosti človeškega telesa. V osnovi uporablja zelo intenzivno magnetno polje in analizira odziv vodikovih jeder (protonov), prisotnih v tkivih, ki imajo prej omenjeno lastnost spina.

Te aplikacije so že uveljavljene, v prihodnosti pa verjamejo, da se lahko magnetizem tudi s hipertermičnimi tehnikami, ki proizvajajo magnetno povzročeno toploto, bori proti boleznim, kot je rak dojke.

Ideja je vbrizgavanje tekočega magnetita neposredno v tumor. Zahvaljujoč toploti, ki jo ustvarjajo magnetno inducirani tokovi, bi železni delci postali dovolj vroči, da uničijo maligne celice.

Prednosti in slabosti

Ko razmišljate o uporabi določene vrste energije, je potrebna njena pretvorba v neko vrsto gibanja, kot je na primer turbina, dvigalo ali vozilo; ali da se pretvori v električno energijo, ki se vklopi na neki napravi: telefoni, televizorji, bankomat in podobno.

Energija je obseg z več manifestacijami, ki jih je mogoče spremeniti na več načinov. Ali lahko energijo majhnega magneta povečamo, tako da se nenehno premika več kot nekaj kovancev?

Da bi bila uporabna, mora imeti energijo velik razpon in izvirati iz zelo obilnega vira.

Primarne in sekundarne energije

Takšne energije najdemo v naravi, iz katere se proizvajajo druge vrste. Znane so kot primarne energije:

- Sončna energija.

- Atomska energija.

- Geotermalna energija.

- Vetrna energija.

- Energija biomase.

- Energija iz fosilnih goriv in mineralov.

Iz njih se proizvajajo sekundarne energije, kot sta elektrika in toplota. Kje je tu magnetna energija?

Električna energija in magnetizem nista dva ločena pojava. V resnici sta oba skupaj znana kot elektromagnetna pojava. Dokler eden od njih obstaja, bo obstajal tudi drugi.

Kjer je električna energija, bo v neki obliki magnetna energija. Toda to je sekundarna energija, ki zahteva predhodno preobrazbo nekaterih primarnih energij.

Značilnosti primarne in sekundarne energije

Prednosti ali slabosti uporabe neke vrste energije se ugotovijo po številnih merilih. Ti vključujejo, kako enostavna in poceni je njena proizvodnja, pa tudi, koliko lahko postopek negativno vpliva na okolje in ljudi.

Nekaj ​​pomembnega je treba upoštevati, da se energije mnogokrat spremenijo, preden jih lahko uporabimo.

Koliko preobrazb se je moralo zgoditi, da je magnet, ki bo nakupovalni seznam prilepil na vrata hladilnika? Koliko zgraditi električni avtomobil? Zagotovo dovolj.

In kako čista je magnetna ali elektromagnetna energija? Obstajajo tisti, ki menijo, da stalna izpostavljenost elektromagnetnim poljem človeškega izvora povzroča zdravstvene in okoljske težave.

Trenutno obstaja veliko raziskav, ki so namenjene preučevanju vpliva teh področij na zdravje in okolje, vendar po navedbah prestižnih mednarodnih organizacij še ni prepričljivih dokazov, da so škodljivi.

Primeri magnetne energije

Naprava, ki služi za zadrževanje magnetne energije, je znana kot induktor. To je tuljava, ki nastane z navijanjem bakrene žice z zadostnim številom zavojev, zato je v mnogih krogih koristno omejiti tok in preprečiti, da se nenadoma spreminja.

Bakrena tuljava Vir: Pixabay.

Z kroženjem toka skozi zavoje tuljave se v njem ustvari magnetno polje.

Če se tok spremeni, to storite tudi z magnetnimi polji. Te spremembe povzročajo tok v zavojih, ki jim nasprotuje, po zakonu indukcije Faraday-Lenza.

Ko se tok nenadoma poveča ali zmanjša, tuljava nasprotuje, zato lahko ima zaščitne učinke na tokokrogu.

Magnetna energija tuljave

Magnetna energija se shrani v magnetnem polju, ustvarjenem v prostornini, omejeni z zavoji tuljave, ki bo označena kot U _B in je odvisna od:

- Intenzivnost magnetnega polja B.

- Površina preseka tuljave A.

- Dolžina tuljave l.

- prepustnost vakuuma μ _o.

Izračuna se na naslednji način:

Ta enačba velja v katerem koli območju prostora, kjer je magnetno polje. Če je volumen V tega območja znan, njegova prepustnost in intenzivnost polja, je mogoče izračunati, koliko magnetne energije ima.

Vaja rešena

Magnetno polje znotraj tuljave, napolnjene z zrakom, s premerom 2,0 cm in dolžino 26 cm je 0,70 T. Koliko energije se shrani v tem polju?

Rešitev

Številčne vrednosti so nadomeščene v prejšnji enačbi, pri čemer pazimo, da vrednosti pretvorimo v enote mednarodnega sistema.

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela uporabe. Šesta izdaja. Dvorana Prentice. 606–607.
2. Wilson, JD 2011. Fizika 12. Pearson. 135–146.