MAGNETIZAM: MAGNETSKA SVOJSTVA MATERIJALA, UPOTREBE - FIZIČKA - 2024

Magnetizam ili magnetska energija je sila povezana pokret priroda i sposoban za proizvodnju električne privlačnost ili odbojnost u određenim tvarima opterećenja. Magneti su dobro poznati izvori magnetizma.

Unutar njih se nalaze interakcije koje se pretvaraju u prisutnost magnetskih polja koja utječu na, primjerice, male komadiće željeza ili nikla.

Lijepe boje sjevernog svjetla nastaju zbog kozmičkih čestica koje emitiraju energiju dok su odbijene od Zemljinog magnetskog polja. Izvor: Pixabay.

Magnetsko polje magneta postaje vidljivo kad se postavi ispod papira na kojem se šire željezne pločice. Zapisi su odmah orijentirani duž linija polja, stvarajući dvodimenzionalnu sliku polja.

Drugi poznati izvor su žice koje nose električnu struju; Ali za razliku od trajnih magneta, magnetizam nestaje kada struja prestane.

Kad god se negdje pojavi magnetsko polje, neki agent mora obaviti posao. Uložena energija u taj proces pohranjuje se u stvoreno magnetsko polje i tada se može smatrati magnetskom energijom.

Izračun koliko magnetske energije je pohranjeno u polju ovisi o polju i geometriji uređaja ili regiji u kojoj je stvoren.

Induktori ili zavojnice su dobra mjesta za to, stvarajući magnetsku energiju na isti način kao što se električna energija pohranjuje između ploča kondenzatora.

Povijest i otkrića

Stare aplikacije

Legende koje Plinije pripovijeda o drevnoj Grčkoj govore o pastiru Magnesu, koji je prije više od 2000 godina pronašao tajanstveni mineral sposoban za privlačenje komada željeza, ali ne i drugih materijala. Bio je to magnetit, željezni oksid s jakim magnetskim svojstvima.

Razlog magnetske privlačnosti ostao je skriven stotinama godina. U najboljem slučaju pripisano je nadnaravnim događajima. Iako nije iz tog razloga, za njega su pronađene zanimljive aplikacije, poput kompasa.

Kompas koji su izmislili Kinezi koristi Zemljin vlastiti magnetizam za usmjeravanje korisnika tijekom navigacije.

Prve znanstvene studije

Proučavanje magnetskih pojava imalo je veliki napredak zahvaljujući Williamu Gilbertu (1544. - 1603.). Ovaj engleski znanstvenik iz elizabetanske ere proučavao je magnetsko polje sfernog magneta i zaključio da Zemlja mora imati svoje magnetsko polje.

Iz svog proučavanja magneta, također je shvatio da ne može dobiti odvojene magnetske polove. Kad se magnet odijeli na dva, novi magneti također imaju oba pola.

Međutim, bilo je to početkom devetnaestog stoljeća kada su znanstvenici shvatili postojanje veze između električne struje i magnetizma.

Hans Christian Oersted (1777. - 1851.), rođen u Danskoj, imao je 1820. godine ideju o prolasku električne struje kroz vodič i promatranju učinka koji je imao na kompas. Kompas bi odstupio i kad bi struja prestala teći, kompas bi opet usmjerio prema sjeveru, kao i obično.

Taj se fenomen može provjeriti približavanjem kompasa jednom od kablova koji izlazi iz akumulatora automobila, dok se starter radi.

U trenutku zatvaranja kruga igla bi trebala primijetiti odbojnost, jer baterije automobila mogu napajati struju dovoljno visoko da kompas odstupa.

Na taj je način postalo jasno da su pokretni naboji ono što potiče magnetizam.

Moderna istraživanja

Nekoliko godina nakon Oersted pokusa, britanski istraživač Michael Faraday (1791. - 1867.) označio je drugu prekretnicu otkrivši da različita magnetska polja zauzvrat potiču električne struje.

Obje pojave, električna i magnetska, usko su povezane jedna s drugom, a svaka od njih daje povod za drugu. Okupio ih je Faradayev učenik James Clerk Maxwell (1831. - 1879.) u jednadžbama koje nose njegovo ime.

Te jednadžbe sadrže i rezimiraju elektromagnetsku teoriju i vrijede čak i unutar relativističke fizike.

Magnetska svojstva materijala

Zašto neki materijali pokazuju magnetska svojstva ili lako stječu magnetizam? Znamo da magnetsko polje nastaje zbog pomičnih naboja, pa unutar magneta moraju postojati nevidljive električne struje koje potiču magnetizam.

Sva materija sadrži elektrone koji kruže oko atomskog jezgra. Elektroni se mogu uspoređivati ​​sa Zemljom koja ima prelazno gibanje oko Sunca i rotacijsko gibanje na vlastitoj osi.

Klasična fizika pripisuje slične pokrete elektronu, iako analogija nije posve točna. Međutim, poanta je u tome što se oba svojstva elektrona čine da se ponaša poput sićušne petlje koja stvara magnetsko polje.

Upravo spin elektrona najviše doprinosi magnetskom polju atoma. U atomima s mnogo elektrona oni su grupirani u parove i sa suprotnim spinovima. Na taj se način njihova magnetska polja međusobno poništavaju. To se događa u većini materijala.

Međutim, postoje neki minerali i spojevi u kojima postoji neparni elektron. Na taj način neto magnetsko polje nije nula. To stvara magnetski trenutak, vektor čija je veličina produkt struje i područja kruga.

Susjedni magnetski momenti međusobno djeluju i tvore regije nazvane magnetske domene u kojima su mnogi centrifuge poravnate u istom smjeru. Nastalo magnetsko polje vrlo je snažno.

Feromagnetizam, paramagnetizam i dijamagnetizam

Materijali koji posjeduju tu kvalitetu nazivaju se feromagnetski. Njih je nekoliko: željezo, nikal, kobalt, gadolinij i neke legure istog.

Ostatku elemenata u periodnoj tablici nedostaju ovi vrlo izraženi magnetski učinci. Spadaju u kategoriju paramagnetskih ili dijamagnetskih.

Zapravo, dijamagnetizam je svojstvo svih materijala koji imaju malu odbojnost u prisutnosti vanjskog magnetskog polja. Bizmut je element s najizraženijim dijamagnetizmom.

S druge strane, paramagnetizam se sastoji od manje intenzivnog magnetskog odgovora od feromagnetizma, ali podjednako atraktivnog. Paramagnetne tvari su na primjer aluminij, zrak i neki željezovi oksidi, poput goetita.

Korištenje magnetske energije

Magnetizam je dio temeljnih sila prirode. Kako su i ljudska bića također dio toga, prilagođena su postojanju magnetskih pojava, kao i ostatku života na planeti. Na primjer, neke životinje koriste se magnetskim poljem Zemlje da se zemljopisno orijentiraju.

Zapravo se vjeruje da ptice izvode svoje duge migracije zahvaljujući činjenici da u svom mozgu imaju svojevrsni organski kompas koji im omogućuje percepciju i korištenje geomagnetskog polja.

Iako ljudima nedostaje takav kompas, oni umjesto toga imaju mogućnost modificiranja okoliša na mnogo više načina nego ostatak životinjskog carstva. Tako su pripadnici naše vrste koristili magnetizam u svoju korist od trenutka kada je prvi grčki ovčar otkrio lodestone.

Neke primjene magnetske energije

Od tada postoji mnogo primjena magnetizma. Evo nekoliko:

- Spomenuti kompas, koji koristi zemljino geomagnetsko polje da se zemljopisno orijentira.

- Stari ekrani za televizore, računala i osciloskope, temeljeni na katodnoj cijevi, koji koriste zavojnice koje stvaraju magnetska polja. Oni su odgovorni za odbijanje snopa elektrona tako da on udara u određena mjesta na ekranu i tako formira sliku.

- Maseni spektrometri, koji se koriste za proučavanje različitih vrsta molekula i s mnogim primjenama u biokemiji, kriminologiji, antropologiji, povijesti i drugim disciplinama. Oni koriste električno i magnetsko polje da odbiju nabijene čestice u putanjama koje ovise o njihovoj brzini.

- Magnetohidrodinamičko pokretanje, pri čemu magnetska sila pokreće mlaz morske vode (dobrog vodiča) unatrag, tako da po trećem Newtonovom zakonu vozilo ili brod primaju pomak naprijed.

- Snimanje magnetskom rezonancom, neinvazivna metoda dobivanja slika unutrašnjosti ljudskog tijela. U osnovi koristi vrlo intenzivno magnetsko polje i analizira odgovor vodikovih jezgara (protona) prisutnih u tkivima, koji imaju gore spomenuto svojstvo centrifuge.

Te su aplikacije već uspostavljene, ali ubuduće se vjeruje da se magnetizam može boriti i protiv bolesti poput raka dojke, hipertermičkim tehnikama, koje stvaraju magnetski izazvanu toplinu.

Ideja je ubrizgati tekući magnetit izravno u tumor. Zahvaljujući toplini proizvedenoj magnetski induciranim strujama, čestice željeza postale bi dovoljno vruće da unište maligne stanice.

Prednosti i nedostatci

Kad razmišljate o korištenju određene vrste energije, zahtijeva pretvaranje u neku vrstu kretanja, poput turbine, dizala ili vozila, na primjer; ili da se pretvara u električnu energiju koja se uključuje na nekim uređajima: telefonima, televizorima, bankomatu i slično.

Energija je veličina s višestrukim manifestacijama koje se mogu mijenjati na više načina. Može li se energija malog magneta pojačati tako da se kontinuirano kreće više od nekoliko kovanica?

Da bi bila upotrebljiva, energija mora imati velik raspon i dolazi iz vrlo obilnog izvora.

Primarne i sekundarne energije

Takve energije nalaze se u prirodi iz koje se proizvode i druge vrste. Poznate su kao primarne energije:

- Solarna energija.

- Atomska energija.

- Geotermalna energija.

- Snaga vjetra.

- Energija biomase.

- Energija iz fosilnih goriva i minerala.

Od njih se proizvode sekundarne energije, poput električne i toplinske energije. Gdje je ovdje magnetska energija?

Električna energija i magnetizam nisu dvije odvojene pojave. Zapravo, njih dvoje su poznati kao elektromagnetski fenomeni. Sve dok jedan od njih postoji, postojat će i drugi.

Tamo gdje postoji električna energija, bit će magnetska energija u nekom obliku. Ali to je sekundarna energija, koja zahtijeva prethodnu transformaciju nekih primarnih energija.

Karakteristike primarne i sekundarne energije

Prednosti ili nedostaci upotrebe neke vrste energije utvrđuju se prema mnogim kriterijima. Oni uključuju koliko je jednostavna i jeftina njegova proizvodnja, kao i koliko je postupak sposoban negativno utjecati na okoliš i ljude.

Treba imati na umu da se energije mnogo puta transformiraju prije nego što se mogu koristiti.

Koliko je transformacija moralo nastupiti da bi magnet koji će popis za kupovinu nalijepiti na vrata hladnjaka? Koliko izgraditi električni automobil? Sigurno dovoljno.

A koliko je čista magnetska ili elektromagnetska energija? Postoje oni koji vjeruju da stalno izlaganje elektromagnetskim poljima ljudskog porijekla uzrokuje zdravstvene i ekološke probleme.

Trenutno postoje brojne linije istraživanja posvećene istraživanju utjecaja ovih polja na zdravlje i okoliš, ali prema rečima prestižnih međunarodnih organizacija, za sada nema uvjerljivih dokaza da su štetna.

Primjeri magnetske energije

Uređaj koji služi za zadržavanje magnetske energije poznat je kao induktor. To je zavojnica koja nastaje namotavanjem bakrene žice s dovoljnim brojem okreta, a korisno je u mnogim krugovima da ograniči struju i spriječi da se naglo promijeni.

Bakrena zavojnica. Izvor: Pixabay.

Kruženjem struje kroz zavoje svitka, unutar nje se stvara magnetsko polje.

Ako se struja promijeni, promijenite i linije magnetskog polja. Ove promjene induciraju struju u zavojima koja im se suprotstavlja, prema Faraday-Lenzovom zakonu indukcije.

Kad se struja naglo poveća ili smanji, zavojnica se tome protivi, pa može imati zaštitne učinke na krug.

Magnetska energija svitka

Magnetska energija pohranjuje se u magnetskom polju stvorenom u volumenu ograničenom obrtima zavojnice, koji će biti označen kao U _B i koji ovisi o:

- Intenzitet magnetskog polja B.

- Područje presjeka zavojnice A.

- Duljina zavojnice l.

- propusnost vakuuma μ _o.

Izračunava se na sljedeći način:

Ova jednadžba vrijedi u bilo kojem području prostora u kojem postoji magnetsko polje. Ako je volumen V ovog područja poznat, njegova propusnost i intenzitet polja, moguće je izračunati koliko magnetske energije posjeduje.

Vježba riješena

Magnetsko polje unutar zavojnice ispunjene zrakom promjera 2,0 cm i duljine 26 cm iznosi 0,70 T. Koliko energije se skladišti u ovom polju?

Riješenje

Brojčane vrijednosti zamjenjuju se u prethodnoj jednadžbi, vodeći računa da vrijednosti pretvore u jedinice Međunarodnog sustava.

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela s primjenama. Šesto izdanje. Dvorana Prentice. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Fizika 12. Pearson. 135-146.