MAGNETISERING: ORBITAL OG SPIN MAGNETISK ØJEBLIK, EKSEMPLER - FYSISK - 2024

Den magnetiseringen er en vektorstørrelse beskriver magnetiske tilstand af et materiale og er defineret som mængden af dipolære magnetiske momenter pr volumenenhed. Et magnetisk materiale - for eksempel jern eller nikkel - kan betragtes som sammensat af mange små magneter kaldet dipoler.

Normalt er disse dipoler, som igen har nord- og sydmagnetiske poler, fordelt med en vis forstyrrelse inden for materialets volumen. Forstyrrelsen er mindre i materialer med stærke magnetiske egenskaber såsom jern og større hos andre med mindre åbenlyst magnetisme.

Figur 1. Magnetiske dipoler er placeret tilfældigt inde i et materiale. Kilde: F. Zapata.

Ved at placere materialet i midten af ​​et eksternt magnetfelt, såsom det, der produceres i en solenoid, orienteres dipolerne imidlertid i henhold til feltet, og materialet er i stand til at opføre sig som en magnet (figur 2).

Figur 2. Placering af et materiale, såsom et stykke jern, for eksempel inde i en magnetventil, gennem hvilken en strøm I passerer, justerer dette magnetiske felt dipolerne i materialet. Kilde: F. Zapata.

Lad M være magnetiseringsvektoren, der er defineret som:

Nu er intensiteten af ​​magnetiseringen i materialet, produktet af at være nedsænket i det ydre felt H, proportionalt med dette, derfor:

M ∝ H

Proportionalitetskonstanten afhænger af materialet, det kaldes magnetisk følsomhed og betegnes som χ:

M = χ. H

Enhederne af M i det internationale system er ampere / meter, ligesom H, derfor er dimension dimensionel.

Orbital og spin magnetisk øjeblik

Magnetisme opstår ved at bevæge elektriske ladninger, derfor for at bestemme atomets magnetisme, må vi tage hensyn til bevægelserne af de ladede partikler, der udgør det.

Figur 3. Elektronens bevægelse omkring kernen bidrager til magnetismen med det magnetiske kredsløbsmoment. Kilde: F. Zapata.

Start med elektronet, der betragtes som omløbende atomkernen, er det som en lille løkke (lukket kredsløb eller lukket strømsløjfe). Denne bevægelse bidrager til atomets magnetisme takket være den orbitale magnetiske momentvektor m, hvis størrelse er:

Hvor jeg er den aktuelle intensitet, og A er det område, der er lukket af løkken. Derfor er enhederne af m i det internationale system (SI) ampere x kvadratmeter.

Vektor m er vinkelret på sløjfens plan som vist i figur 3 og er rettet som angivet ved reglen for højre tommelfinger.

Tommelfingeren er orienteret i strømretningen, og de fire resterende fingre vikles rundt om løkken og peger opad. Dette lille kredsløb svarer til en stangmagnet som vist i figur 3.

Spin magnetisk øjeblik

Bortset fra det magnetiske kredsløbsmoment, opfører elektronikken sig, som om den drejede om sig selv. Det sker ikke nøjagtigt på denne måde, men den resulterende virkning er den samme, så dette er et andet bidrag, der skal tages i betragtning for et atoms netmagnetiske øjeblik.

Faktisk er det magnetiske spinmoment mere intens end omløbsmomentet og er hovedsageligt ansvarlig for et stofs nettomagnetisme.

Figur 4. Det magnetiske spinmoment er det moment, der bidrager mest til nettomagnetiseringen af ​​et materiale. Kilde: F. Zapata.

Spin-øjeblikke justeres i nærværelse af et eksternt magnetfelt og skaber en kaskadeeffekt, der successivt er i overensstemmelse med nabomomenter.

Ikke alle materialer har magnetiske egenskaber. Dette skyldes, at elektronerne med modsat rotation danner par og annullerer deres respektive spin-magnetiske øjeblikke.

Kun hvis nogen ikke er parrede, er der et bidrag til det totale magnetiske øjeblik. Derfor er det kun atomer med et ulige antal elektroner, der har en chance for at være magnetiske.

Protonerne i atomkernen yder også et lille bidrag til atomets totale magnetiske moment, fordi de også har spin og derfor et tilknyttet magnetisk moment.

Men dette er omvendt afhængig af masse, og protonen er meget større end for elektronet.

eksempler

Inde i en spole, gennem hvilken en elektrisk strøm passerer, dannes et ensartet magnetfelt.

Og som beskrevet i figur 2, når de placerer et materiale der, er de magnetiske øjeblikke af dette på linje med spolens felt. Nettoeffekten er at producere et stærkere magnetfelt.

Transformere, enheder, der øger eller formindsker skiftende spændinger, er gode eksempler. De består af to spoler, den primære og den sekundære, viklet på en blød jernkerne.

Figur 5. I transformerens kerne forekommer en netmagnetisering. Kilde: Wikimedia Commons.

En skiftende strøm ledes gennem den primære spole, der skiftevis ændrer magnetfeltlinierne inden i kernen, hvilket igen inducerer en strøm i den sekundære spole.

Hyppigheden af ​​svingningen er den samme, men størrelsen er forskellig. På denne måde kan der opnås højere eller lavere spændinger.

I stedet for at vikle spolerne op til en solid jernkerne foretrækkes det at lægge en fyldning af metalplader dækket med lak.

Årsagen skyldes tilstedeværelsen af ​​hvirvelstrømme inde i kernen, som har den virkning at overdreven overophedes, men de strømme, der induceres i pladerne, er lavere, og derfor minimeres opvarmningen af ​​enheden.

Trådløse opladere

En mobiltelefon eller en elektrisk tandbørste kan oplades ved magnetisk induktion, der kaldes trådløs opladning eller induktiv opladning.

Det fungerer på følgende måde: der er en base eller en ladestation, som har en magnetventil eller hovedspiral, gennem hvilken en skiftende strøm passeres. En anden (sekundær) spole er fastgjort til børstehåndtaget.

Strømmen i den primære spole inducerer igen en strøm i spolen på håndtaget, når børsten placeres i ladestationen, og dette tager sig af opladning af batteriet, der også er i håndtaget.

Størrelsen af ​​den inducerede strøm øges, når en kerne af ferromagnetisk materiale, som kan være jern, anbringes i hovedspolen.

For at den primære spole skal detektere nærheden af ​​den sekundære spole, udsender systemet et intermitterende signal. Når et svar er modtaget, aktiveres den beskrevne mekanisme, og strømmen begynder at blive induceret uden behov for kabler.

ferrofluider

En anden interessant anvendelse af stoffets magnetiske egenskaber er ferrofluider. Disse består af små magnetiske partikler af en ferritforbindelse, suspenderet i et flydende medium, der kan være organisk eller endda vand.

Partiklerne er coatet med et stof, der forhindrer deres agglomerering, og forbliver således fordelt i væsken.

Ideen er, at væskens flydbarhed kombineres med ferritpartiklernes magnetisme, som i sig selv ikke er stærkt magnetiske, men får en magnetisering i nærvær af et ydre felt, som beskrevet ovenfor.

Den erhvervede magnetisering forsvinder, så snart det eksterne felt trækkes tilbage.

Ferrofluider blev oprindeligt udviklet af NASA til at mobilisere brændstof i et rumfartøj uden tyngdekraft, hvilket gav impuls ved hjælp af et magnetfelt.

I øjeblikket har ferrofluider mange anvendelser, nogle er stadig i den eksperimentelle fase, såsom:

- Reducer friktion på lyddæmpere på højttalerne og hovedtelefonerne (undgå efterklang).

- Tillad separering af materialer med forskellig densitet.

- Opfør dig som tætninger på harddiskernes aksler og frastøt snavs.

- Som kræftbehandling (i den eksperimentelle fase). Ferrofluid injiceres i kræftceller, og der påføres et magnetfelt, der producerer små elektriske strømme. Varmen, der genereres af disse, angriber de ondartede celler og ødelægger dem.

Referencer

1. Brazilian Journal of Physics. Ferrofluider: Egenskaber og applikationer. Gendannes fra: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik til videnskab og teknik. Bind 6. Elektromagnetisme. Redigeret af Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Fysik: Principper med applikationer. 6. Ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: Et kig på verden. 6. forkortede udgave. Cengage Learning. 233.
5. Shipman, J. 2009. Introduktion til fysisk videnskab. Cengage Learning. 206-208.