MAGNETISME: MAGNETISKE EGENSKABER VED MATERIALER, ANVENDELSER - FYSISK - 2025

Den magnetisme eller magnetiske energi er en kraft associeret natur bevægelse og i stand til at producere elektrisk tiltrækning eller frastødning i visse stoffer belastninger. Magneter er velkendte kilder til magnetisme.

Inde i disse er der interaktioner, der oversættes til tilstedeværelsen af ​​magnetiske felter, som udøver deres indflydelse på for eksempel små jernstykker eller nikkel.

Nordlysens smukke farver skyldes kosmiske partikler, der udsender energi, da de afbøjes af jordens magnetfelt. Kilde: Pixabay.

Magnetets magnetfelt bliver synligt, når det anbringes under et papir, hvorpå jernfolier er spredt. Registreringerne er straks orienteret langs feltlinjerne, hvilket skaber et to-dimensionelt billede af feltet.

En anden velkendt kilde er ledninger, der bærer elektrisk strøm; Men i modsætning til permanente magneter, forsvinder magnetismen, når strømmen stopper.

Hver gang et magnetfelt forekommer et eller andet sted, var en eller anden agent nødt til at arbejde. Den energi, der investeres i denne proces, gemmes i det skabte magnetfelt og kan derefter betragtes som magnetisk energi.

Beregningen af, hvor meget magnetisk energi der er gemt i feltet, afhænger af feltet og geometrien for enheden eller det område, hvor det blev oprettet.

Induktorer eller spoler er gode steder at gøre dette ved at skabe magnetisk energi på omtrent samme måde som elektrisk energi opbevares mellem kondensatorens plader.

Historie og opdagelse

Gamle apps

De sagn, der blev fortalt af Plinius om det gamle Grækenland, taler om hyrden Magnes, der for mere end 2000 år siden fandt et mystisk mineral, der var i stand til at tiltrække stykker jern, men ikke andre materialer. Det var magnetit, et jernoxid med stærke magnetiske egenskaber.

Årsagen til den magnetiske tiltrækning forblev skjult i hundreder af år. I bedste fald tilskrives det overnaturlige begivenheder. Selvom det ikke var af denne grund, blev der fundet interessante applikationer til det, såsom kompasset.

Kompasset opfundet af kineserne bruger Jordens egen magnetisme til at guide brugeren under navigation.

Første videnskabelige undersøgelser

Undersøgelsen af ​​magnetiske fænomener havde en stor fremgang takket være William Gilbert (1544 - 1603). Denne engelske videnskabsmand fra den Elizabethanske tid studerede magnetisk felt af en sfærisk magnet og konkluderede, at Jorden skal have sit eget magnetiske felt.

Fra sit studium af magneter indså han også, at han ikke kunne få separate magnetiske poler. Når en magnet er delt i to, har de nye magneter også begge poler.

Det var imidlertid i begyndelsen af ​​det 19. århundrede, da videnskabsmænd indså eksistensen af ​​forholdet mellem elektrisk strøm og magnetisme.

Hans Christian Oersted (1777 - 1851), født i Danmark, havde i 1820 tanken om at føre en elektrisk strøm gennem en leder og observere den effekt, dette havde på et kompas. Kompasset ville afvige, og når strømmen stoppede med at flyde, ville kompasset igen pege nord som normalt.

Dette fænomen kan verificeres ved at bringe kompasset tættere på et af kablerne, der kommer ud af bilbatteriet, mens starteren er i drift.

På tidspunktet for lukning af kredsløbet skal nålen opleve en observerbar afbøjning, da bilerne på batterierne kan levere strøm nok til at kompasset afviger.

På denne måde blev det klart, at bevægelige ladninger er det, der giver anledning til magnetisme.

Moderne undersøgelser

Få år efter Oersted-eksperimenterne markerede den britiske forsker Michael Faraday (1791 - 1867) en anden milepæl ved at opdage, at forskellige magnetfelter på sin side giver anledning til elektriske strømme.

Begge fænomener, elektriske og magnetiske, er tæt beslægtede med hinanden, hvor hver især giver anledning til den anden. De blev samlet af Faradays discipel, James Clerk Maxwell (1831 - 1879), i ligningerne, der bærer hans navn.

Disse ligninger indeholder og opsummerer den elektromagnetiske teori og er gyldige selv inden for relativistisk fysik.

Materiales magnetiske egenskaber

Hvorfor udviser nogle materialer magnetiske egenskaber eller får let magnetisme? Vi ved, at magnetfeltet skyldes bevægelige ladninger, derfor inden i magneten skal der være usynlige elektriske strømme, der giver anledning til magnetisme.

Alt stof indeholder elektroner, der kredser om atomkernen. Elektronen kan sammenlignes med Jorden, der har en translationel bevægelse omkring solen og også en roterende bevægelse på sin egen akse.

Klassisk fysik tilskriver lignende bevægelser til elektronet, selvom analogien ikke er helt nøjagtig. Pointen er imidlertid, at begge egenskaber ved elektronet får det til at opføre sig som en lille løkke, der skaber et magnetfelt.

Det er elektronets spin, der bidrager mest til atomets magnetfelt. I atomer med mange elektroner er de grupperet parvis og med modsatte spins. Således annullerer deres magnetfelter hinanden ud. Dette er hvad der sker i de fleste af materialerne.

Der er dog nogle mineraler og forbindelser, hvor der er et uparret elektron. På denne måde er netmagnetfeltet ikke nul. Dette skaber et magnetisk moment, en vektor, hvis størrelse er produktet af strømmen og området for kredsløbet.

Sammenhængende magnetiske øjeblikke interagerer med hinanden og danner regioner kaldet magnetiske domæner, hvor mange spins er rettet i samme retning. Det resulterende magnetfelt er meget stærkt.

Ferromagnetisme, paramagnetisme og diamagnetisme

Materialer, der har denne kvalitet, kaldes ferromagnetisk. De er nogle få: jern, nikkel, kobolt, gadolinium og nogle legeringer af samme.

Resten af ​​elementerne i den periodiske tabel mangler disse meget markante magnetiske effekter. De falder ind under kategorien paramagnetisk eller diamagnetisk.

Faktisk er diamagnetisme en egenskab for alle materialer, der oplever en mindre frastødelse i nærvær af et eksternt magnetfelt. Vismut er elementet med den mest fremhævede diamagnetisme.

På den anden side består paramagnetisme af en mindre intens magnetisk respons end ferromagnetisme, men lige så attraktiv. Paramagnetiske stoffer er for eksempel aluminium, luft og nogle jernoxider såsom goethit.

Brug af magnetisk energi

Magnetisme er en del af de grundlæggende kræfter i naturen. Da mennesker også er en del af det, er de tilpasset eksistensen af ​​magnetiske fænomener såvel som resten af ​​livet på planeten. For eksempel bruger nogle dyr jordens magnetfelt til at orientere sig geografisk.

Faktisk antages det, at fugle udfører deres lange vandringer takket være det faktum, at de i deres hjerner har et slags organisk kompas, der giver dem mulighed for at opfatte og bruge det geomagnetiske felt.

Mens mennesker mangler et kompas som dette, har de i stedet evnen til at ændre miljøet på mange flere måder end resten af ​​dyreriget. Således har medlemmer af vores art anvendt magnetisme til deres fordel fra det øjeblik, den første græske hyrde opdagede lodsten.

Nogle anvendelser af magnetisk energi

Siden da er der mange anvendelser af magnetisme. Her er et par:

- Det førnævnte kompas, der gør brug af Jordens geomagnetiske felt til at orientere sig geografisk.

- Gamle skærme til fjernsyn, computere og oscilloskoper, baseret på katodestrålerøret, der bruger spoler, der genererer magnetiske felter. Disse er ansvarlige for afbøjning af elektronstrålen, så den rammer visse steder på skærmen og dermed danner billedet.

- Massespektrometre, der bruges til at studere forskellige typer molekyler og med mange anvendelser inden for biokemi, kriminologi, antropologi, historie og andre discipliner. De bruger elektriske og magnetiske felter til at afbøje ladede partikler i bane, der afhænger af deres hastighed.

- Magnetohydrodynamisk fremdrift, hvor en magnetisk kraft driver en jetstråle (en god leder) bagud, så at ved Newtons tredje lov får et køretøj eller en båd en fremadrettet impuls.

- Magnetisk resonansafbildning, en ikke-invasiv metode til at få billeder af det indre af den menneskelige krop. Grundlæggende bruger det et meget intensivt magnetfelt og analyserer responsen fra de brintkerner (protoner), der findes i vævene, som har den førnævnte egenskab ved spin.

Disse anvendelser er allerede etableret, men i fremtiden antages det, at magnetisme også kan bekæmpe sygdomme som brystkræft ved hjælp af hypertermiske teknikker, der producerer magnetisk induceret varme.

Tanken er at injicere flydende magnetit direkte i tumoren. Takket være den varme, der produceres af de magnetisk inducerede strømme, ville jernpartiklerne blive varme nok til at ødelægge de ondartede celler.

Fordele og ulemper

Når du tænker på brugen af ​​en bestemt type energi, kræver den dens konvertering til en eller anden type bevægelse, såsom f.eks. En turbin, en elevator eller et køretøj; eller at det omdannes til elektrisk energi, der tænder for en enhed: telefoner, fjernsyn, en ATM og lignende.

Energi er en størrelse med flere manifestationer, der kan ændres på mange måder. Kan energien fra en lille magnet forstærkes, så den kontinuerligt bevæger sig mere end et par mønter?

For at være anvendelig skal energien have en stor rækkevidde og komme fra en meget rig kilde.

Primære og sekundære energier

Sådanne energier findes i naturen, hvorfra de andre typer er produceret. De er kendt som primære energier:

- Solenergi.

- Atomenergi.

- Geotermisk energi.

- Vindkraft.

- Biomasseenergi.

- Energi fra fossile brændstoffer og mineraler.

Sekundære energier, såsom elektricitet og varme, produceres fra disse. Hvor er den magnetiske energi her?

Elektricitet og magnetisme er ikke to separate fænomener. Faktisk er de to sammen kendt som elektromagnetiske fænomener. Så længe en af ​​dem findes, vil den anden eksistere.

Hvor der er elektrisk energi, vil der være magnetisk energi i en eller anden form. Men dette er en sekundær energi, som kræver forudgående transformation af nogle af de primære energier.

Karakteristika ved primære og sekundære energier

Fordelene eller ulemperne ved at bruge en slags energi bestemmes efter mange kriterier. Disse inkluderer, hvor let og billigt dets produktion er, og også hvor meget processen er i stand til at påvirke miljøet og mennesker negativt.

Noget vigtigt at huske på er, at energier transformeres mange gange, før de kan bruges.

Hvor mange omdannelser må der have fundet sted for at fremstille den magnet, der klæber indkøbslisten til køleskabsdøren? Hvor mange skal der bygges en elbil? Sikkert nok.

Og hvor ren er den magnetiske eller elektromagnetiske energi? Der er dem, der mener, at konstant eksponering for elektromagnetiske felter af menneskelig oprindelse forårsager sundheds- og miljøproblemer.

I øjeblikket findes der adskillige forskningslinjer, der er dedikeret til at studere indflydelsen af ​​disse felter på sundhed og miljø, men ifølge prestigefyldte internationale organisationer er der indtil videre ingen afgørende bevis for, at de er skadelige.

Eksempler på magnetisk energi

En enhed, der tjener til at indeholde magnetisk energi er kendt som en induktor. Det er en spole, der dannes af vikling af kobbertråd med et tilstrækkeligt antal omdrejninger, og er nyttigt i mange kredsløb til at begrænse strømmen og forhindre, at den pludselig ændrer sig.

Kobberspiral. Kilde: Pixabay.

Ved at cirkulere en strøm gennem spolens sving dannes der et magnetfelt indeni.

Hvis strømmen ændres, skal magnetfeltlinjerne også gøres. Disse ændringer inducerer en strøm i de vendinger, der er imod dem, i henhold til Faraday-Lenz-induktionsloven.

Når strømmen pludselig stiger eller formindskes, er spolen imod den, derfor kan den have beskyttende effekter på kredsløbet.

Spolens magnetiske energi

Magnetisk energi lagres i det magnetiske felt, som skabes i volumenet afgrænset af vindingerne af spolen, som vil blive betegnet som U _B, og som afhænger af:

- Magnetfeltets B. intensitet

- Tværsnitsarealet til spole A.

- Spolens længde l.

- Permeabiliteten af ​​vakuumet μ _o.

Det beregnes som følger:

Denne ligning er gyldig i ethvert område i rummet, hvor der er et magnetfelt. Hvis volumen V i dette område er kendt, dets permeabilitet og feltets intensitet, er det muligt at beregne, hvor meget magnetisk energi den besidder.

Træning løst

Magnetfeltet inde i en luftfyldt spole med en diameter på 2,0 cm og en længde på 26 cm er 0,70 T. Hvor meget energi er der gemt i dette felt?

Løsning

De numeriske værdier er substitueret i den forrige ligning, og sørg for at konvertere værdierne til enhederne i det internationale system.

1. Giancoli, D. 2006. Fysik: Principper med applikationer. Sjette udgave. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Fysik 12. Pearson. 135-146.