МАГНЕТИЗЪМ: МАГНИТНИ СВОЙСТВА НА МАТЕРИАЛИТЕ, УПОТРЕБИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В магнетизъм или магнитната енергия е свързано сила на природата движение и в състояние да произвежда електрическа привличане или отблъскване на определени вещества натоварвания. Магнитите са добре известни източници на магнетизъм.

Вътре в тях има взаимодействия, които се превеждат в присъствието на магнитни полета, които упражняват своето влияние върху малки парчета желязо или никел, например.

Красивите цветове на Северното сияние се дължат на космическите частици, излъчващи енергия, тъй като са отклонени от магнитното поле на Земята. Източник: Pixabay

Магнитното поле на магнит става видимо, когато се постави под хартия, върху която се разпространяват железни пълнежи. Записите веднага са ориентирани по полевите линии, създавайки двуизмерно изображение на полето.

Друг добре известен източник са проводници, които носят електрически ток; Но за разлика от постоянните магнити, магнетизмът изчезва, когато токът спре.

Всеки път, когато се появи някъде магнитно поле, някой агент трябваше да свърши работа. Енергията, инвестирана в този процес, се съхранява в създаденото магнитно поле и след това може да се счита за магнитна енергия.

Изчисляването на това колко магнитна енергия се съхранява в полето зависи от полето и геометрията на устройството или района, в който е създадено.

Индукторите или намотките са добри места за това, създавайки магнитна енергия по същия начин, по който електрическата енергия се съхранява между плочите на кондензатора.

История и откритие

Стари приложения

Легендите, разказани от Плиний за древна Гърция, говорят за овчаря Магнес, който преди повече от 2000 години намери мистериозен минерал, способен да привлича парчета желязо, но не и други материали. Това беше магнетит, железен оксид със силни магнитни свойства.

Причината за магнитното привличане остана скрита в продължение на стотици години. В най-добрия случай се приписваше на свръхестествени събития. Въпреки че не по тази причина, за него бяха намерени интересни приложения, като компаса.

Компасът, изобретен от китайците, използва собствения магнетизъм на Земята, за да ръководи потребителя по време на навигация.

Първи научни изследвания

Изучаването на магнитни явления имаше голям напредък благодарение на Уилям Гилбърт (1544 - 1603). Този английски учен от елизабетинската ера изучи магнитното поле на сферичен магнит и заключи, че Земята трябва да има собствено магнитно поле.

От проучването си за магнити той също разбра, че не може да получи отделни магнитни полюси. Когато магнит е разделен на две, новите магнити също имат двата полюса.

Въпреки това, в началото на деветнадесети век учените осъзнаха съществуването на връзката между електрически ток и магнетизъм.

Ханс Кристиан Ерстед (1777 - 1851), роден в Дания, има през 1820 г. идеята да прокара електрически ток през проводник и да наблюдава ефекта, който това има върху компас. Компасът би се отклонил и когато токът спря да тече, компасът отново ще насочи север, както обикновено.

Това явление може да се провери, като приближите компаса до един от кабелите, излизащи от акумулатора на колата, докато стартерът се работи.

В момента на затваряне на веригата иглата трябва да наблюдава наблюдателно отклонение, тъй като батериите на автомобилите могат да доставят токове достатъчно високо, така че компасът да се отклонява.

По този начин стана ясно, че движещите се заряди са това, което поражда магнетизъм.

Съвременни разследвания

Няколко години след експериментите на Ерстед, британският изследовател Майкъл Фарадей (1791 - 1867) отбеляза друг важен момент, като откри, че различни магнитни полета от своя страна пораждат електрически токове.

И двете явления, електрически и магнитни, са тясно свързани помежду си, като всяко от тях поражда другото. Те бяха събрани от ученика на Фарадей Джеймс Клерк Максуел (1831 - 1879) в уравненията, които носят неговото име.

Тези уравнения съдържат и обобщават електромагнитната теория и са валидни дори в релативистката физика.

Магнитни свойства на материалите

Защо някои материали проявяват магнитни свойства или придобиват магнетизъм лесно? Знаем, че магнитното поле се дължи на движещи се заряди, следователно вътре в магнита трябва да има невидими електрически токове, които пораждат магнетизъм.

Цялата материя съдържа електрони в орбита на атомното ядро. Електронът може да се сравни със Земята, която има транслационно движение около Слънцето, а също и въртеливо движение по собствената си ос.

Класическата физика приписва подобни движения на електрона, въпреки че аналогията не е напълно точна. Въпросът е обаче, че и двете свойства на електрона го карат да се държи като мъничка верига, която създава магнитно поле.

Именно спинът на електрона допринася най-много за магнитното поле на атома. В атомите с много електрони те са групирани по двойки и с противоположни завъртания. По този начин техните магнитни полета се отменят взаимно. Това се случва в повечето материали.

Има обаче някои минерали и съединения, в които има неспарен електрон. По този начин нетното магнитно поле не е нула. Това създава магнитен момент, вектор, чиято величина е произведение на тока и площта на веригата.

Съседни магнитни моменти взаимодействат помежду си и образуват области, наречени магнитни домейни, в които много завъртания са подравнени в една и съща посока. Полученото магнитно поле е много силно.

Феромагнетизъм, парамагнетизъм и диамагнетизъм

Материалите, притежаващи това качество, се наричат ​​феромагнитни. Те са няколко: желязо, никел, кобалт, гадолиний и някои сплави от същото.

На останалите елементи в периодичната таблица липсват тези силно изразени магнитни ефекти. Те попадат в категорията на парамагнитните или диамагнитните.

Всъщност диамагнетизмът е свойство на всички материали, които изпитват леко отблъскване в присъствието на външно магнитно поле. Висмутът е стихията с най-подчертан диамагнетизъм.

От друга страна, парамагнетизмът се състои от по-малко интензивен магнитен отговор от феромагнетизма, но също толкова привлекателен. Парамагнитните вещества са например алуминий, въздух и някои железни оксиди, като например гетит.

Използване на магнитна енергия

Магнетизмът е част от основните сили на природата. Тъй като човешките същества също са част от него, те са адаптирани към съществуването на магнитни явления, както и за останалия живот на планетата. Например някои животни използват магнитното поле на Земята, за да се ориентират географски.

Всъщност се смята, че птиците извършват дългите си миграции благодарение на факта, че мозъците им притежават вид органичен компас, който им позволява да възприемат и използват геомагнитното поле.

Докато хората нямат подобен компас, те вместо това имат способността да променят околната среда по много повече начини от останалото животинско царство. По този начин, членовете на нашия вид са използвали магнетизма в своя полза от момента, в който първата гръцка овчарка е открила лостака.

Някои приложения на магнитната енергия

Оттогава има много приложения на магнетизма. Ето няколко:

- Гореспоменатият компас, който използва геомагнитното поле на Земята, за да се ориентира географски.

- Стари екрани за телевизори, компютри и осцилоскопи, базирани на катодната тръба, които използват намотки, генериращи магнитни полета. Те са отговорни за отклоняването на електронния лъч, така че той да удря определени места на екрана, като по този начин формира изображението.

- Масспектрометри, използвани за изучаване на различни видове молекули и с много приложения в биохимията, криминологията, антропологията, историята и други дисциплини. Те използват електрически и магнитни полета, за да отклонят заредените частици в траектории, които зависят от скоростта им.

- Магнетохидродинамично задвижване, при което магнитна сила задвижва струя морска вода (добър проводник) назад, така че по третия закон на Нютон, превозно средство или лодка получават преден импулс.

- Магнитно-резонансно изображение, неинвазивен метод за получаване на изображения от вътрешността на човешкото тяло. По принцип той използва много интензивно магнитно поле и анализира реакцията на водородните ядра (протони), присъстващи в тъканите, които имат гореспоменатото свойство на спин.

Тези приложения вече са установени, но в бъдеще се смята, че магнетизмът може да се бори и срещу заболявания като рак на гърдата, чрез хипертермични техники, които произвеждат магнитно индуцирана топлина.

Идеята е да се инжектира течен магнетит директно в тумора. Благодарение на топлината, произведена от магнитно индуцираните токове, железните частици ще станат достатъчно горещи, за да унищожат злокачествените клетки.

Предимства и недостатъци

Когато мислите за използването на определен тип енергия, тя изисква нейното преобразуване в някакъв вид движение, като например на турбина, асансьор или превозно средство; или че тя се преобразува в електрическа енергия, която се включва на някакво устройство: телефони, телевизори, банкомат и други подобни.

Енергията е величина с множество прояви, които могат да се променят по много начини. Може ли енергията на малък магнит да се усили, така че той непрекъснато да се движи повече от няколко монети?

За да бъде използваема, енергията трябва да има голям обхват и да идва от много изобилен източник.

Първични и вторични енергии

Такива енергии се намират в природата, от които се произвеждат другите видове. Те са известни като първични енергии:

- Слънчева енергия.

- Атомна енергия.

- Геотермална енергия.

- Вятърната енергия.

- Енергия от биомаса.

- Енергия от изкопаеми горива и минерали.

От тях се произвеждат вторични енергии, като електричество и топлина. Къде е магнитната енергия тук?

Електричеството и магнетизмът не са две отделни явления. Всъщност двете заедно са известни като електромагнитни явления. Докато единият от тях съществува, другият ще съществува.

Там, където има електрическа енергия, ще има магнитна енергия под някаква форма. Но това е вторична енергия, която изисква предварителна трансформация на някои от първичните енергии.

Характеристики на първичната и вторичната енергия

Предимствата или недостатъците на използването на някакъв вид енергия се установяват според много критерии. Те включват колко лесно и евтино е производството му, както и доколко процесът е в състояние да повлияе негативно на околната среда и хората.

Нещо важно да се има предвид е, че енергиите се трансформират много пъти, преди да могат да бъдат използвани.

Колко трансформации трябва да са настъпили, за да се направи магнитът, който ще залепи списъка за пазаруване към вратата на хладилника? Колко да се изгради електрическа кола? Със сигурност достатъчно.

И колко чиста е магнитната или електромагнитната енергия? Има такива, които вярват, че постоянното излагане на електромагнитни полета от човешки произход причинява проблеми със здравето и околната среда.

В момента има многобройни изследвания, посветени на изучаването на влиянието на тези области върху здравето и околната среда, но според престижни международни организации засега няма категорични доказателства, че те са вредни.

Примери за магнитна енергия

Устройство, което служи да съдържа магнитна енергия, е известно като индуктор. Това е намотка, която се образува от навиване на медна тел с достатъчен брой завои и е полезно в много вериги да се ограничи токът и да се предотврати рязката му промяна.

Медна намотка Източник: Pixabay

Чрез циркулация на ток през завоите на намотка се създава магнитно поле вътре в него.

Ако токът се промени, направете и линиите на магнитното поле. Тези промени предизвикват ток в завоите, който им се противопоставя, според закона за индукция на Фарадей-Ленц.

Когато токът се увеличава или намалява внезапно, намотката се противопоставя, следователно може да има защитни ефекти върху веригата.

Магнитната енергия на бобина

Магнитната енергия се съхранява в магнитното поле, създадено в обема, ограничен от завоите на намотката, който ще бъде означен като U _B и който зависи от:

- Интензивността на магнитното поле B.

- Площта на напречното сечение на намотката А.

- Дължината на бобината l.

- Пропускливостта на вакуума μ _o.

Изчислява се по следния начин:

Това уравнение е валидно във всеки район на пространството, където има магнитно поле. Ако обемът V на този регион е известен, неговата пропускливост и интензивността на полето, е възможно да се изчисли колко магнитна енергия притежава.

Упражнението е разрешено

Магнитното поле във вътрешността на напълнена с въздух намотка с диаметър 2,0 см и дължина 26 см е 0,70 Т. Колко енергия се съхранява в това поле?

Решение

Числовите стойности са заместени в предишното уравнение, като се внимава преобразуването на стойностите в единиците на Международната система.

1. Giancoli, D. 2006. Физика: Принципи на приложение. Шесто издание. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Физика 12. Pearson. 135-146.