MAGNETISM: MAGNETISKA EGENSKAPER HOS MATERIAL, ANVÄNDNINGSOMRÅDEN - FYSISK - 2025

Den magnetism eller magnetisk energi är en kraft associerad natur rörelse och i stånd att producera elektrisk attraktion eller repulsion i vissa ämnen laster. Magneter är kända magnetismkällor.

Inuti dessa finns interaktioner som översätts till närvaro av magnetfält som till exempel påverkar små järn- eller nickelstycken.

Nordljusens vackra färger beror på kosmiska partiklar som avger energi när de avböjs av jordens magnetfält. Källa: Pixabay.

Magnetens magnetfält blir synligt när den placeras under ett papper på vilket järnfilmer sprids. Registreringarna orienteras omedelbart längs fältlinjerna, vilket skapar en tvådimensionell bild av fältet.

En annan välkänd källa är ledningar som bär elektrisk ström; Men till skillnad från permanentmagneter försvinner magnetismen när strömmen stannar.

Närhelst ett magnetfält inträffar någonstans, måste någon agent göra arbete. Den energi som investeras i denna process lagras i det skapade magnetfältet och kan sedan betraktas som magnetisk energi.

Beräkningen av hur mycket magnetisk energi som lagras i fältet beror på fältet och enhetens geometri eller det område där den skapades.

Induktorer eller spolar är bra ställen att göra detta, och skapar magnetisk energi på ungefär samma sätt som elektrisk energi lagras mellan plattorna i en kondensator.

Historia och upptäckt

Gamla appar

Legenderna som berättats av Plinius om antika Grekland talar om herden Magnes, som för mer än 2000 år sedan hittade ett mystiskt mineral som kan locka till sig bitar av järn, men inte andra material. Det var magnetit, en järnoxid med starka magnetiska egenskaper.

Anledningen till den magnetiska attraktionen förblev dold i hundratals år. I bästa fall tillskrivs det övernaturliga händelser. Även om det inte av denna anledning hittades intressanta applikationer för det, till exempel kompassen.

Kompassen som uppfanns av kineserna använder jordens egen magnetism för att vägleda användaren under navigering.

Första vetenskapliga studier

Studiet av magnetiska fenomen hade ett stort framsteg tack vare William Gilbert (1544 - 1603). Denna engelska forskare från den elizabethanska tiden studerade magnetfältet för en sfärisk magnet och drog slutsatsen att jorden måste ha sitt eget magnetfält.

Från sin studie av magneter insåg han också att han inte kunde få separata magnetpoler. När en magnet är uppdelad i två har de nya magneterna båda polerna.

Det var emellertid i början av 1800-talet som forskare insåg förekomsten av förhållandet mellan elektrisk ström och magnetism.

Hans Christian Oersted (1777 - 1851), född i Danmark, hade 1820 idén att passera en elektrisk ström genom en ledare och observera vilken effekt detta hade på en kompass. Kompassen skulle avvika, och när strömmen slutade flyta, skulle kompassen åter peka norrut som vanligt.

Detta fenomen kan verifieras genom att föra kompassen närmare en av kablarna som kommer ut ur bilbatteriet medan startmotorn körs.

Vid tidpunkten för stängning av kretsen bör nålen uppleva en observerbar avböjning, eftersom bilens batterier kan tillföra strömmar tillräckligt höga så att kompassen avviker.

På detta sätt blev det klart att rörliga laddningar är det som ger upphov till magnetism.

Moderna utredningar

Några år efter Oersted-experimenten markerade den brittiska forskaren Michael Faraday (1791 - 1867) en annan milstolpe genom att upptäcka att olika magnetfält i sin tur ger upphov till elektriska strömmar.

Båda fenomenen, elektriska och magnetiska, är nära besläktade med varandra, var och en ger upphov till den andra. De fördes av Faradays lärjunge, James Clerk Maxwell (1831 - 1879), i ekvationerna som bär hans namn.

Dessa ekvationer innehåller och sammanfattar den elektromagnetiska teorin och är giltiga även inom relativistisk fysik.

Materialets magnetiska egenskaper

Varför uppvisar vissa material magnetiska egenskaper eller får magnetism lätt? Vi vet att magnetfältet beror på rörliga laddningar, därför måste det inuti magneten finnas osynliga elektriska strömmar som ger upphov till magnetism.

All materia innehåller elektroner som kretsar kring atomkärnan. Elektronen kan jämföras med jorden, som har en translationell rörelse runt solen och också en rotationsrörelse på sin egen axel.

Klassisk fysik tillskriver liknande rörelser till elektronen, även om analogin inte är helt korrekt. Men poängen är att båda egenskaperna hos elektronen får den att uppträda som en liten slinga som skapar ett magnetfält.

Det är elektronens snurr som bidrar mest till atomens magnetfält. I atomer med många elektroner grupperas de i par och med motsatta snurr. Således avbryter deras magnetfält varandra ut. Det här är vad som händer i de flesta materialen.

Det finns emellertid vissa mineraler och föreningar där det finns en oparad elektron. På detta sätt är netmagnetfältet inte noll. Detta skapar ett magnetiskt ögonblick, en vektor vars storlek är produkten från strömmen och kretsområdet.

Intilliggande magnetiska ögonblick interagerar med varandra och bildar regioner som kallas magnetiska domäner, i vilka många snurr är inriktade i samma riktning. Det resulterande magnetfältet är mycket starkt.

Ferromagnetism, paramagnetism och diamagnetism

Material som har denna kvalitet kallas ferromagnetiska. De är några: järn, nickel, kobolt, gadolinium och några legeringar av samma.

Resten av elementen i den periodiska tabellen saknar dessa mycket uttalade magnetiska effekter. De faller inom kategorin paramagnetiska eller diamagnetiska.

Faktum är att diamagnetism är en egenskap hos alla material, som upplever en lätt avstötning i närvaro av ett yttre magnetfält. Vismut är elementet med den mest betonade diamagnetismen.

Å andra sidan består paramagnetism av ett mindre intensivt magnetiskt svar än ferromagnetism men lika attraktivt. Paramagnetiska ämnen är till exempel aluminium, luft och vissa järnoxider som goetit.

Användning av magnetisk energi

Magnetism är en del av de grundläggande krafterna i naturen. Eftersom människor också är en del av det, anpassas de till förekomsten av magnetiska fenomen, liksom resten av livet på planeten. Till exempel använder vissa djur jordens magnetfält för att orientera sig geografiskt.

Faktum är att man tror att fåglar utför sina långa vandringar tack vare det faktum att de i hjärnan har en slags organisk kompass som gör att de kan förstå och använda det geomagnetiska fältet.

Medan människor saknar en kompass som denna, har de istället förmågan att förändra miljön på många fler sätt än resten av djurriket. Således har medlemmar av vår art använt magnetism till sin fördel från det ögonblick som den första grekiska herden upptäckte stenen.

Vissa tillämpningar av magnetisk energi

Sedan dess finns det många tillämpningar av magnetism. Här är några:

- Den nämnda kompassen, som använder jordens geomagnetiska fält för att orientera sig geografiskt.

- Gamla skärmar för TV-apparater, datorer och oscilloskop, baserade på katodstråleröret, som använder spolar som genererar magnetfält. Dessa är ansvariga för att avleda elektronstrålen så att den träffar vissa platser på skärmen och därmed bildar bilden.

- Masspektrometrar, som används för att studera olika typer av molekyler och med många tillämpningar inom biokemi, kriminologi, antropologi, historia och andra discipliner. De använder elektriska och magnetiska fält för att avleda laddade partiklar i banor som beror på deras hastighet.

- Magnetohydrodynamisk framdrivning, i vilken en magnetisk kraft driver en havsstråle (en bra ledare) bakåt, så att genom Newtons tredje lag får ett fordon eller en båt en framåtimpuls.

- Bild av magnetisk resonans, en icke-invasiv metod för att få bilder av människokroppens inre. I grund och botten använder den ett mycket intensivt magnetfält och analyserar reaktionen från vätekärnorna (protonerna) som finns i vävnaderna, som har den ovannämnda egenskapen att snurra.

Dessa tillämpningar är redan etablerade, men i framtiden tros det att magnetism också kan bekämpa sjukdomar som bröstcancer genom hypertermiska tekniker, som producerar magnetiskt inducerad värme.

Tanken är att injicera flytande magnetit direkt i tumören. Tack vare värmen som produceras av de magnetiskt inducerade strömmarna skulle järnpartiklarna bli tillräckligt varma för att förstöra de maligna cellerna.

Fördelar och nackdelar

När du tänker på användningen av en viss typ av energi kräver det att det omvandlas till någon typ av rörelse, till exempel en turbin, en hiss eller ett fordon, till exempel; eller att den omvandlas till elektrisk energi som slår på någon enhet: telefoner, tv-apparater, en bankomat och liknande.

Energi är en storlek med flera manifestationer som kan modifieras på många sätt. Kan energin från en liten magnet förstärkas så att den kontinuerligt rör sig mer än några få mynt?

För att vara användbar måste energin ha ett stort utbud och komma från en mycket riklig källa.

Primära och sekundära energier

Sådana energier finns i naturen, från vilka de andra typerna produceras. De är kända som primära energier:

- Solenergi.

- Kärnenergi.

- Geotermisk energi.

- Vindkraft.

- Biomassa energi.

- Energi från fossila bränslen och mineraler.

Sekundära energier, som el och värme, produceras från dessa. Var är den magnetiska energin här?

Elektricitet och magnetism är inte två separata fenomen. I själva verket är de två tillsammans kända som elektromagnetiska fenomen. Så länge en av dem finns, kommer den andra att existera.

Där det finns elektrisk energi kommer det att finnas magnetisk energi i någon form. Men detta är en sekundär energi, som kräver en tidigare omvandling av några av de primära energierna.

Egenskaper av primära och sekundära energier

Fördelarna eller nackdelarna med att använda någon form av energi fastställs enligt många kriterier. Dessa inkluderar hur lätt och billigt dess produktion är, och även hur mycket processen kan påverka miljön och människorna negativt.

Något viktigt att tänka på är att energier förvandlas många gånger innan de kan användas.

Hur många omvandlingar måste ha skett för att göra magneten som kommer att fästa inköpslistan på kylskåpsdörren? Hur många ska man bygga en elbil? Visst nog.

Och hur ren är den magnetiska eller elektromagnetiska energin? Det finns de som tror att konstant exponering för elektromagnetiska fält av mänskligt ursprung orsakar hälso- och miljöproblem.

För närvarande finns det många forskningslinjer avsedda för att studera inverkan av dessa områden på hälsa och miljö, men enligt prestigefyllda internationella organisationer finns det hittills inga avgörande bevis för att de är skadliga.

Exempel på magnetisk energi

En enhet som tjänar till att innehålla magnetisk energi kallas en induktor. Det är en spole som bildas av lindning av koppartråd med ett tillräckligt antal varv och är användbart i många kretsar för att begränsa strömmen och förhindra att den plötsligt ändras.

Kopparspole. Källa: Pixabay.

Genom att cirkulera en ström genom spolens varv skapas ett magnetfält inuti den.

Om strömmen ändras gör magnetfältlinjerna. Dessa förändringar inducerar en ström i de svängar som motsätter sig dem enligt Faraday-Lenz induktionslag.

När strömmen plötsligt ökar eller minskar, motsätter sig spolen den, därför kan den ha skyddande effekter på kretsen.

Spolens magnetiska energi

Magnetisk energi lagras i det magnetfält som skapas i den volym som avgränsas av de varv i spolen, som kommer att betecknas som U _B och som beror på:

- Magnetfältets intensitet B.

- Tvärsnittsområdet för spole A.

- Spolans längd.

- Vakuumets permeabilitet μ _o.

Det beräknas enligt följande:

Denna ekvation är giltig i alla områden där det finns ett magnetfält. Om volymen V i detta område är känd, dess permeabilitet och fältets intensitet är det möjligt att beräkna hur mycket magnetisk energi den har.

Träningen löst

Magnetfältet inuti en luftfylld spole med en diameter på 2,0 cm och en längd på 26 cm är 0,70 T. Hur mycket energi lagras i detta fält?

Lösning

De numeriska värdena är ersatta i den föregående ekvationen, och se till att konvertera värdena till enheterna i det internationella systemet.

1. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. Sjätte upplagan. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Fysik 12. Pearson. 135-146.