Magnetizacije je količina vektor opisuje stanje magnetskog materijala, a definirana je kao količina dipolarna magnetskih momenata po jediničnom volumenu. Magnetski materijal, na primjer, željezo ili nikl, može se smatrati sastavljenim od mnogih malih magneta zvanih dipoli.
Ti se dipoli, koji zauzvrat imaju sjeverni i južni magnetski stup, distribuiraju s određenim stupnjem poremećaja unutar volumena materijala. Poremećaj je manje kod materijala s jakim magnetskim svojstvima kao što je željezo i veći kod drugih s manje očitim magnetizmom.
Slika 1. Magnetski dipoli su nasumično raspoređeni unutar materijala. Izvor: F. Zapata.
Međutim, postavljanjem materijala u sredinu vanjskog magnetskog polja, poput onog koji se proizvodi unutar solenoida, dipoli su orijentirani prema polju i materijal se može ponašati poput magneta (slika 2).
Slika 2. Stavljajući materijal, na primjer, komad željeza, na primjer, u solenoid kroz koji prolazi struja I, magnetsko polje toga poravnava dipole u materijalu. Izvor: F. Zapata.
Neka je M vektor magnetizacije, koji je definiran kao:
Intenzitet magnetiziranja u materijalu, proizvod uranjanja u vanjsko polje H, proporcionalan je tome, dakle:
M ∝ H
Konstanta proporcionalnosti ovisi o materiji, naziva se magnetskom osjetljivošću i označava se kao χ:
M = χ. H
Jedinice M u međunarodnom sustavu su amper / metar, poput onih H, dakle χ je bezdimenzijski.
Orbitalni i spin magnetski moment
Magnetizam nastaje pri kretanju električnih naboja, stoga da bismo odredili magnetizam atoma, moramo uzeti u obzir kretanja nabijenih čestica koje ga čine.
Slika 3. Kretanje elektrona oko jezgre doprinosi magnetizmu s orbitalnim magnetskim momentom. Izvor: F. Zapata.
Počevši od elektrona za koji se smatra da kruži oko atomskog jezgra, to je poput sićušne petlje (zatvoreni krug ili zatvorena strujna petlja). Ovaj pokret doprinosi magnetizmu atoma zahvaljujući orbitalnom vektoru magnetskog momenta m, čija je veličina:
Gdje sam ja trenutni intenzitet, a A je područje zatvoreno petljom. Stoga su jedinice m u međunarodnom sustavu (SI) su pojačala x kvadratnom metru.
Vektor m je okomit na ravninu petlje, kao što je prikazano na slici 3, i usmjeren je kako pokazuje pravilo palca desne strane.
Palac je orijentiran u smjeru struje, a četiri preostala prsta su omotana oko petlje, usmjerena prema gore. Ovaj mali krug ekvivalentan je bar magnetu, kao što je prikazano na slici 3.
Spin magnetski trenutak
Osim orbitalnog magnetskog trenutka, elektron se ponaša kao da se vrti na sebi. To se ne događa upravo na ovaj način, ali rezultirajući efekt je isti, tako da je ovo još jedan doprinos koji treba uzeti u obzir za neto magnetski trenutak atoma.
Zapravo, magnetski moment centrifuge je intenzivniji od orbitalnog i uglavnom je odgovoran za neto magnetizam neke tvari.
Slika 4. Magnetski moment centrifuge je onaj koji najviše doprinosi neto magnetizaciji materijala. Izvor: F. Zapata.
Momenti centrifuge poravnavaju se u prisutnosti vanjskog magnetskog polja i stvaraju kaskadni efekt, sukcesivno poravnavajući se sa susjednim trenucima.
Ne pokazuju svi materijali magnetska svojstva. To je zbog toga što elektroni s suprotnim spinovima formiraju parove i otkazuju svoje magnetske momente spina.
Samo ako neki od njih nisu upareni, doprinosi ukupnom magnetskom trenutku. Stoga samo atomi s neparnim brojem elektrona imaju vjerojatnost da budu magnetski.
Protoni u atomskom jezgru također daju mali doprinos ukupnom magnetskom momentu atoma, jer oni također imaju spinovanje i samim tim pridruženi magnetski moment.
Ali to je obrnuto ovisno o masi, a protonska je mnogo veća od mase elektrona.
Primjeri
Unutar zavojnice kroz koju prolazi električna struja stvara se ujednačeno magnetsko polje.
A kako je opisano na slici 2, kad se materijal postavi tamo, magnetski momenti ovog poravnavaju se s poljem zavojnice. Neto učinak je stvaranje jačeg magnetskog polja.
Transformatori, uređaji koji povećavaju ili smanjuju naizmjenične napone, dobri su primjeri. Sastoje se od dvije zavojnice, primarne i sekundarne, namotane na mekom željeznom jezgrom.
Slika 5. U jezgri transformatora dolazi do neto magnetiziranja. Izvor: Wikimedia Commons.
Kroz primarnu zavojnicu prolazi promjenjiva struja koja naizmjenično mijenja linije magnetskog polja unutar jezgre, što zauzvrat inducira struju u sekundarnoj zavojnici.
Učestalost oscilacija je ista, ali veličina je različita. Na taj se način mogu dobiti viši ili niži naponi.
Umjesto namotavanja svitaka u čvrstu željeznu jezgru, poželjno je staviti ispune metalnih listova prekrivenih lakom.
Razlog je prisutnost vrtložne struje u jezgri, koja ima učinak pretjeranog pregrijavanja, ali struje inducirane u plahtama su niže, pa je stoga grijanje uređaja minimalizirano.
Bežični punjači
Mobitel ili električna četkica za zube mogu se puniti magnetskom indukcijom, koja je poznata i kao bežično punjenje ili induktivno punjenje.
Djeluje na sljedeći način: postoji baza ili stanica za punjenje, koja ima solenoid ili glavni svitak, kroz koji prolazi promjenjiva struja. Još jedna (sekundarna) zavojnica pričvršćena je na kvaku četke.
Struja u primarnoj zavojnici zauzvrat inducira struju u zavojnici ručke kada se četkica postavi u stanicu za punjenje, a time se vodi računa o punjenju baterije koja je također u ručici.
Jačina inducirane struje povećava se kada se jezgra feromagnetskog materijala, koja može biti željezo, stavi u glavni svitak.
Da bi primarna zavojnica otkrila blizinu sekundarne zavojnice, sustav emitira isprekidani signal. Nakon što se dobije odgovor, opisani mehanizam se aktivira i struja počinje inducirati bez potrebe za kablovima.
Ferrofluids
Još jedna zanimljiva primjena magnetskih svojstava materije su ferofluidi. Oni se sastoje od sitnih magnetskih čestica feritnog spoja, suspendiranog u tekućem mediju, koji može biti organski ili čak voda.
Čestice su obložene tvarima koja sprečava njihovu aglomeraciju, te tako ostaju raspodijeljeni u tekućini.
Ideja je da se protočnost tekućine kombinira s magnetizmom feritnih čestica, koje same po sebi nisu snažno magnetske, već dobivaju magnetizaciju u prisutnosti vanjskog polja, kako je gore opisano.
Stečena magnetizacija nestaje čim se povuče vanjsko polje.
Ferofluide je izvorno razvila NASA kako bi mobilizirala gorivo u svemirskoj letjelici bez gravitacije, dajući impuls uz pomoć magnetskog polja.
Trenutno ferofluidi imaju brojne primjene, neke još u eksperimentalnoj fazi, kao što su:
- Smanjite trenje prigušivača zvučnika i slušalica (izbjegavajte odjek).
- Dopustite odvajanje materijala različite gustoće.
- Djelujte kao brtve na osovinama tvrdih diskova i odvratite prljavštinu.
- Kao liječenje raka (u eksperimentalnoj fazi). Ferofluid se ubrizgava u stanice raka i primjenjuje se magnetsko polje koje stvara male električne struje. Toplina koja nastaje tim napadima napada maligne stanice i uništava ih.
Reference
- Brazilski časopis za fiziku. Ferofluidi: Svojstva i primjena. Oporavilo sa: sbfisica.org.br
- Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost i inženjerstvo. Svezak 6. Elektromagnetizam. Uredio Douglas Figueroa (USB). 215-221.
- Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela s primjenama. 6. dvorana Ed Prentice. 560-562.
- Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svijet. 6. skraćeno izdanje. Cengage Learning. 233.
- Shipman, J. 2009. Uvod u fizikalne znanosti. Cengage Learning. 206-208.