Magnetizacija je vektor količine opisuje magnetno stanje materiala, ki je definirana kot količina dipolarnih magnetni moment na enoto volumna. Magnetni material, na primer železo ali nikelj, lahko šteje, da je sestavljen iz številnih majhnih magnetov, imenovanih dipoli.
Običajno se ti dipoli, ki imajo severni in južni magnetni pol, porazdelijo z določeno stopnjo motnje znotraj volumna materiala. Motnja je manjša pri materialih z močnimi magnetnimi lastnostmi, kot je železo, in večja pri drugih z manj očitnim magnetizmom.
Slika 1. Magnetni dipoli so znotraj materiala razporejeni naključno. Vir: F. Zapata.
Če pa material postavimo v sredino zunanjega magnetnega polja, kot je tisto, ki nastaja znotraj magnetnega polja, se dipoli usmerijo glede na polje in material se lahko obnaša kot magnet (slika 2).
Slika 2. Postavite material, kot je na primer kos železa, na primer v solenoid, skozi katerega prehaja tok I, magnetno polje tega poravna dipole v materialu. Vir: F. Zapata.
Naj bo M magnetizacije vektor, ki je definiran kot:
Intenzivnost magnetiziranja v materialu, ki je potopljen v zunanje polje H , je sorazmerna s tem, torej:
M ∝ H
Konstanta sorazmernosti je odvisna od materiala, imenujemo jo magnetna občutljivost in je označena kot χ:
M = χ. H
Enote M v mednarodnem sistemu so amper / meter, kot enote H , zato je χ brezdimenzijski.
Orbitalni in spin magnetni moment
Magnetizem nastane zaradi premikanja električnih nabojev, zato moramo za določitev magnetizma atoma upoštevati premike nabitih delcev, ki ga sestavljajo.
Slika 3. Gibanje elektrona okoli jedra prispeva k magnetizmu z orbitalnim magnetnim trenutkom. Vir: F. Zapata.
Začenši z elektronom, za katerega velja, da kroži v atomskem jedru, je kot drobna zanka (zaprto vezje ali zaprta tokovna zanka). To gibanje prispeva k magnetizmu atoma zahvaljujoč orbitalnemu vektorju magnetnega trenutka m, katerega velikost je:
Kjer sem trenutna jakost in A je območje, zaprto z zanko. Zato so m v mednarodnem sistemu (SI) amperi x kvadratni meter.
Vektor m je pravokoten na ravnino zanke, kot je prikazano na sliki 3, in je usmerjen, kot kaže pravilo desnega palca.
Palec je usmerjen v smeri toka in štirje preostali prsti so oviti okoli zanke, usmerjeni navzgor. Ta majhen tokokrog je enakovreden črtnemu magnetu, kot prikazuje slika 3.
Spin magnetni trenutek
Razen orbitalnega magnetnega trenutka se elektron obnaša, kot da se vrti na sebi. Ne dogaja se točno tako, toda nastali učinek je enak, zato je to še en prispevek, ki ga je treba upoštevati pri neto magnetnem trenutku atoma.
Dejansko je spin magnetni trenutek bolj intenziven kot orbitalni in je glavni razlog za neto magnetizem snovi.
Slika 4. Spin magnetni moment je tisti, ki najbolj prispeva k neto magnetizaciji materiala. Vir: F. Zapata.
Vrteči se trenutki poravnajo v prisotnosti zunanjega magnetnega polja in ustvarijo kaskadni učinek, ki se zaporedno poravna s sosednjimi trenutki.
Vsi materiali nimajo magnetnih lastnosti. To je zato, ker elektroni z nasprotnimi spini tvorijo pare in prekličejo svoje magnetne trenutke spina.
Prispevek k skupnemu magnetnemu trenutku lahko prispeva le, če ima katera drugačna. Zato imajo le atomi z lihim številom elektronov možnost, da so magnetni.
Protoni v atomskem jedru prav tako malo prispevajo k skupnemu magnetnemu trenutku atoma, ker imajo tudi spino in s tem povezan magnetni moment.
Toda to je obratno odvisno od mase, masa protona pa je veliko večja od mase elektrona.
Primeri
Znotraj tuljave, skozi katero prehaja električni tok, nastane enotno magnetno polje.
In kot je opisano na sliki 2, se magnetni trenutki tega testa poravnajo s poljem tuljave, ko postavimo material tja. Neto učinek je ustvarjanje močnejšega magnetnega polja.
Transformatorji, naprave, ki povečujejo ali zmanjšujejo izmenične napetosti, so dober primer. Sestavljeni so iz dveh tuljav, primarne in sekundarne, navite na mehko železno jedro.
Slika 5. V jedru transformatorja se pojavi neto magnetizacija. Vir: Wikimedia Commons.
Skozi primarno tuljavo se spreminja spreminjajoč tok, ki izmenično spreminja črte magnetnega polja znotraj jedra, kar posledično povzroči tok v sekundarni tuljavi.
Frekvenca nihanja je enaka, velikost pa je različna. Na ta način lahko dosežemo višje ali nižje napetosti.
Namesto da tuljave navijate na trdno železno jedro, je bolje, da postavite polnjenje kovinskih listov, prekritih z lakom.
Razlog je v prisotnosti vrtinčnih tokov v jedru, ki imajo učinek prekomernega pregrevanja, vendar so tokovi, ki jih povzročajo v listih, nižji, zato je segrevanje naprave čim manjše.
Brezžični polnilci
Mobitel ali električna zobna ščetka se lahko polni z magnetno indukcijo, ki je znana kot brezžično polnjenje ali induktivno polnjenje.
Deluje na naslednji način: obstaja bazna ali polnilna postaja, ki ima magnetno ali glavno tuljavo, skozi katero se prehaja spreminjajoči tok. Na ročaj čopiča je pritrjena še ena (sekundarna) tuljava.
Tok v primarni tuljavi nato povzroči tok v tuljavi ročaja, ko čopič postavimo v polnilno postajo, s tem pa poskrbimo za polnjenje akumulatorja, ki je tudi v ročaju.
Velikost induciranega toka se poveča, ko se v glavno tuljavo položi jedro feromagnetnega materiala, ki je lahko železo.
Če primarna tuljava zazna bližino sekundarne tuljave, sistem oddaja prekinitveni signal. Ko je odziv prejet, se opisani mehanizem aktivira in tok začne inducirati, ne da bi potrebovali kable.
Ferofluidi
Druga zanimiva uporaba magnetnih lastnosti snovi so ferofluidi. Ti so sestavljeni iz drobnih magnetnih delcev feritne spojine, suspendirane v tekočem mediju, ki je lahko organski ali celo voda.
Delci so prevlečeni s snovjo, ki preprečuje njihovo aglomeracijo, in tako ostanejo razporejeni v tekočini.
Ideja je, da se pretočnost tekočine kombinira z magnetizmom feritnih delcev, ki sami po sebi niso močno magnetni, vendar pridobijo magnetizacijo v prisotnosti zunanjega polja, kot je opisano zgoraj.
Pridobljena magnetizacija izgine takoj, ko se zunanje polje umakne.
Ferofluide je prvotno razvila NASA za mobilizacijo goriva v vesoljskem plovilu brez gravitacije, ki daje impulz s pomočjo magnetnega polja.
Trenutno imajo ferofluidi veliko aplikacij, nekateri so še v poskusni fazi, kot so:
- Zmanjšajte trenje v dušilnikih zvočnikov in slušalk (izogibajte se odmevanju).
- Dovoli ločevanje materialov z različno gostoto.
- Delujte kot tesnila na gredih trdih diskov in odbijajo umazanijo.
- Kot zdravljenje raka (v poskusni fazi). Ferofluid se vbrizga v rakave celice in uporabi magnetno polje, ki proizvaja majhne električne tokove. Toplota, ki nastane s temi napadi maligne celice in jih uniči.
Reference
- Brazilijski časopis za fiziko. Ferofluidi: Lastnosti in aplikacije. Pridobljeno: sbfisica.org.br
- Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 6. Elektromagnetizem. Uredil Douglas Figueroa (USB). 215-221.
- Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela uporabe. Dvorana 6. Ed Prentice. 560-562.
- Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svet. 6. skrajšana izdaja. Cengage Learning. 233.
- Shipman, J. 2009. Uvod v fizikalne vede. Cengage Learning. 206–208.