MAGNETISERING: OMLOPPSMOMENT OCH VRIDMAGNETISKT MOMENT, EXEMPEL - FYSISK - 2025

Den magnetiseringen är en vektorstorhet som beskriver det magnetiska tillståndet hos ett material och definieras som den mängd dipolära magnetiska moment per enhetsvolym. Ett magnetiskt material - till exempel järn eller nickel - kan betraktas som att det består av många små magneter som kallas dipoler.

Normalt distribueras dessa dipoler, som i sin tur har magnet- och norrmagnetiska poler, med en viss störning inom materialets volym. Störningen är mindre i material med starka magnetiska egenskaper som järn och större hos andra med mindre uppenbar magnetism.

Figur 1. Magnetiska dipoler är placerade slumpmässigt inuti ett material. Källa: F. Zapata.

Men genom att placera materialet i mitten av ett yttre magnetfält, såsom det som produceras i en solenoid, är dipolerna orienterade i enlighet med fältet och materialet kan bete sig som en magnet (figur 2).

Figur 2. Placering av ett material såsom ett järnstycke, till exempel inuti en magnetventil genom vilken en ström I passerar, justerar magnetfältet för detta dipolerna i materialet. Källa: F. Zapata.

Låt M vara magnetiseringsvektorn, som definieras som:

Nu är intensiteten hos magnetiseringen i materialet, produkt av att nedsänkas i det yttre fältet H , proportionellt mot detta, därför:

M ∝ H

Proportionalitetskonstanten beror på materialet, det kallas magnetisk känslighet och betecknas χ:

M = χ. H

Enheterna för M i det internationella systemet är ampere / meter, liksom de för H , därför är dimension dimensionlöst.

Orbital och spin magnetiskt ögonblick

Magnetism uppstår från rörliga elektriska laddningar, därför för att bestämma atomens magnetism måste vi ta hänsyn till rörelserna hos de laddade partiklarna som utgör den.

Figur 3. Elektronens rörelse runt kärnan bidrar till magnetismen med det magnetiska omloppsmomentet. Källa: F. Zapata.

Från och med elektronen, som anses kretsa om atomkärnan, är den som en liten slinga (sluten krets eller sluten strömslinga). Denna rörelse bidrar till atomens magnetism tack vare den orbital magnetiska momentvektorn m, vars storlek är:

Där jag är den aktuella intensiteten och A är det område som är omsluten av slingan. Därför är enheterna i m i det internationella systemet (SI) ampere x kvadratmeter.

Vektor m är vinkelrätt mot slingans plan, såsom visas i figur 3, och är riktad såsom indikeras av regeln för höger tumme.

Tummen är orienterad i strömriktningen och de fyra återstående fingrarna lindas runt öglan och pekar uppåt. Denna lilla krets motsvarar en stavmagnet, som visas i figur 3.

Snurr magnetiskt ögonblick

Bortsett från det magnetiska omloppsmomentet bete sig elektronen som om den roterar på sig själv. Det händer inte exakt på detta sätt, men den resulterande effekten är densamma, så detta är ytterligare ett bidrag som måste beaktas för en atoms netmagnetiska ögonblick.

I själva verket är det magnetiska spinnmomentet mer intensivt än omloppsmomentet och är huvudsakligen ansvarigt för ett ämnes nettomagnetism.

Bild 4. Det magnetiska spinnmomentet är det som bidrar mest till nätmagnetiseringen av ett material. Källa: F. Zapata.

Spinnmomenten anpassar sig i närvaro av ett yttre magnetfält och skapar en kaskadeffekt, som successivt anpassar sig till närliggande stunder.

Inte alla material uppvisar magnetiska egenskaper. Detta beror på att elektronerna med motsatta spinn bildar par och avbryter deras respektive spinnmagnetiska moment.

Endast om några är oparade är det ett bidrag till det totala magnetiska ögonblicket. Därför är det bara atomer med ett udda antal elektroner som har en chans att bli magnetiska.

Protonerna i atomkärnan ger också ett litet bidrag till atomens totala magnetiska ögonblick, eftersom de också har snurr och därför ett tillhörande magnetiskt ögonblick.

Men detta är omvänt beroende av massa, och protonens är mycket större än elektronens.

exempel

Inuti en spole, genom vilken en elektrisk ström passerar, skapas ett enhetligt magnetfält.

Och som beskrivs i figur 2, när de placerar ett material där, stämmer de magnetiska momenten i detta med spolens fält. Nettoeffekten är att producera ett starkare magnetfält.

Transformatorer, enheter som ökar eller minskar växelspänningar är bra exempel. De består av två spiraler, den primära och den sekundära, lindade på en mjuk järnkärna.

Figur 5. I transformatorns kärna inträffar en nettomagnetisering. Källa: Wikimedia Commons.

En växlande ström passeras genom primärspolen som växelvis modifierar magnetfältlinjerna i kärnan, vilket i sin tur inducerar en ström i sekundärspolen.

Svängningsfrekvensen är densamma, men storleken är annorlunda. På detta sätt kan högre eller lägre spänningar erhållas.

Istället för att linda upp spolarna till en fast järnkärna är det att föredra att lägga en fyllning av metallplattor täckta med lack.

Anledningen beror på närvaron av virvelströmmar inuti kärnan, som har effekten att överhettas den överdrivet, men strömmarna som induceras i arken är lägre, och därför minimeras uppvärmningen av anordningen.

Trådlösa laddare

En mobiltelefon eller en elektrisk tandborste kan laddas genom magnetisk induktion, som kallas trådlös laddning eller induktiv laddning.

Det fungerar på följande sätt: det finns en bas- eller laddningsstation, som har en magnetventil eller huvudspole, genom vilken en växlande ström passeras. En annan (sekundär) spole är fäst på borsthandtaget.

Strömmen i primärspolen inducerar i sin tur en ström i spolen på handtaget när borsten placeras i laddstationen, och detta tar hand om att ladda batteriet som också finns i handtaget.

Storleken på den inducerade strömmen ökas när en kärna av ferromagnetiskt material, som kan vara järn, placeras i huvudspolen.

För att den primära spolen ska detektera närheten till den sekundära spolen avger systemet en intermittent signal. När ett svar mottagits aktiveras den beskrivna mekanismen och strömmen börjar induceras utan kablarbehov.

ferrofluider

En annan intressant tillämpning av magnetiska egenskaper hos materien är ferrofluider. Dessa består av små magnetiska partiklar av en ferritförening, suspenderad i ett flytande medium, som kan vara organiskt eller till och med vatten.

Partiklarna är belagda med ett ämne som förhindrar deras agglomerering och därmed förblir distribuerat i vätskan.

Tanken är att vätskans flytbarhet kombineras med ferritpartiklarnas magnetism, som i sig inte är starkt magnetiska, men erhåller en magnetisering i närvaro av ett yttre fält, såsom beskrivits ovan.

Den förvärvade magnetiseringen försvinner så snart det yttre fältet dras tillbaka.

Ferrofluider utvecklades ursprungligen av NASA för att mobilisera bränsle i ett rymdskepp utan tyngdkraft, vilket gav impuls med hjälp av ett magnetfält.

För närvarande har ferrofluider många applikationer, vissa fortfarande i experimentfasen, såsom:

- Minska friktionen på ljuddämparna på högtalarna och hörlurarna (undvik efterklang).

- Låt separering av material med olika densitet.

- Fungera som tätningar på hårddiskens axlar och avvisa smuts.

- Som cancerbehandling (i experimentfasen). Ferrofluid injiceras i cancerceller och ett magnetfält appliceras som producerar små elektriska strömmar. Värmen som genereras av dessa attackerar de maligna cellerna och förstör dem.

referenser

1. Brazilian Journal of Physics. Ferrofluider: Egenskaper och applikationer. Återställd från: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik för vetenskap och teknik. Volym 6. Elektromagnetism. Redigerad av Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6: e Ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: En titt på världen. 6: e förkortade upplagan. Cengage Learning. 233.
5. Shipman, J. 2009. Introduktion till fysisk vetenskap. Cengage Learning. 206-208.