МАГНЕТИЗИРАНЕ: ОРБИТАЛЕН И СПИНОВ МАГНИТЕН МОМЕНТ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

На намагнитването е количество вектор описва магнитна на материал и се определя като количеството на биполярни магнитен момент на единица обем. Магнетичен материал - желязо или никел например - може да се счита за съставен от много малки магнити, наречени диполи.

Обикновено тези диполи, които от своя страна имат северни и южни магнитни полюси, се разпределят с определена степен на нарушение в обема на материала. Разстройството е по-малко при материали със силни магнитни свойства като желязо и по-голямо при други с по-малко очевиден магнетизъм.

Фигура 1. Магнитните диполи са подредени произволно вътре в материал. Източник: Ф. Сапата.

Обаче, поставяйки материала в средата на външно магнитно поле, като това, произведено в соленоид, диполите са ориентирани според полето и материалът е в състояние да се държи като магнит (Фигура 2).

Фигура 2. Поставяне на материал като парче желязо, например, вътре в соленоид, през който преминава ток I, магнитното поле на това подравнява диполите в материала. Източник: Ф. Сапата.

Нека M е векторът на намагнитване, който се определя като:

Сега интензивността на намагнитване в материала, продукт на потапяне във външното поле Н, е пропорционална на това, следователно:

M ∝ H

Константата на пропорционалност зависи от материала, тя се нарича магнитна чувствителност и се обозначава като χ:

M = χ. Н

Единиците на М в международната система са ампер / метър, като тези на Н, следователно χ е безразмерна.

Орбитален и спинов магнитен момент

Магнетизмът възниква от движещи се електрически заряди, следователно, за да определим магнетизма на атома, трябва да вземем предвид движенията на заредените частици, които го съставят.

Фигура 3. Движението на електрона около ядрото допринася за магнетизма с орбиталния магнитен момент. Източник: Ф. Сапата.

Започвайки с електрона, който се смята за орбитал на атомното ядро, той е като мъничък цикъл (затворена верига или затворен контур на тока). Това движение допринася за магнетизма на атома благодарение на орбиталния магнитен вектор m, чиято величина е:

Където I е интензитетът на тока и A е областта, затворена от цикъла. Следователно мерните единици на m в Международната система (SI) са ампери х кв. Метър.

Вектор m е перпендикулярен на равнината на контура, както е показано на фигура 3, и е насочен, както е указано от правилото на десния палец.

Палецът е ориентиран по посока на тока и четирите останали пръста са увити около контура, насочен нагоре. Тази малка верига е еквивалентна на бар магнит, както е показано на фигура 3.

Магнитен момент на завъртане

Освен орбиталния магнитен момент, електронът се държи така, сякаш се върти върху себе си. Не се случва точно по този начин, но полученият ефект е същият, така че това е друг принос, който трябва да се вземе предвид за нетния магнитен момент на атом.

Всъщност въртящият се магнитен момент е по-интензивен от орбиталния момент и е отговорен главно за нетния магнетизъм на вещество.

Фигура 4. Магнитният момент на въртене е този, който допринася най-много за нетното намагнетизиране на материал. Източник: Ф. Сапата.

Моментите на въртене се подравняват в присъствието на външно магнитно поле и създават каскаден ефект, последователно подравнявайки се със съседните моменти.

Не всички материали проявяват магнитни свойства. Това е така, защото електроните с противоположни спинове образуват двойки и отменят съответните си магнитни моменти на спина.

Само ако някой не е сдвоен, има принос към общия магнитен момент. Следователно само атомите с нечетен брой електрони имат шанс да бъдат магнитни.

Протоните в атомното ядро ​​също дават малък принос към общия магнитен момент на атома, тъй като те също имат спин и следователно свързан магнитен момент.

Но това е обратно зависимо от масата, а тази на протона е много по-голяма от тази на електрона.

Примери

Вътре в намотка, през която преминава електрически ток, се създава равномерно магнитно поле.

И както е описано на фигура 2, когато поставите материал там, магнитните моменти от това се изравняват с полето на намотката. Нетният ефект е да се получи по-силно магнитно поле.

Трансформатори, устройства, които увеличават или намаляват променливите напрежения, са добри примери. Те се състоят от две намотки, първичната и вторичната, навити на мека желязна сърцевина.

Фигура 5. В сърцевината на трансформатора възниква намагнитване на мрежата. Източник: Wikimedia Commons.

През първичната намотка се променя променлив ток, който променя алтернативно линиите на магнитното поле в сърцевината, което от своя страна индуцира ток във вторичната намотка.

Честотата на трептенията е една и съща, но величината е различна. По този начин могат да се получат по-високи или по-ниски напрежения.

Вместо да навивате намотките към твърда желязна сърцевина, за предпочитане е да поставите пълнеж от метални листове, покрити с лак.

Причината се дължи на наличието на вихрови токове вътре в сърцевината, които имат ефект от прекомерното й прегряване, но индуцираните в листовете токове са по-ниски и следователно нагряването на устройството е сведено до минимум.

Безжични зарядни устройства

Мобилен телефон или електрическа четка за зъби могат да бъдат зареждани чрез магнитна индукция, която е известна като безжично зареждане или индуктивно зареждане.

Работи по следния начин: има база или зарядна станция, която има соленоидна или главна намотка, през която се променя променлив ток. Друга (вторична) бобина е прикрепена към дръжката на четката.

Токът в първичната намотка от своя страна индуцира ток в намотката на дръжката, когато четката е поставена в зарядната станция и това се грижи за зареждането на батерията, която също е в дръжката.

Големината на индуцирания ток се увеличава, когато в основната намотка се постави сърцевина от феромагнитен материал, който може да е желязо.

За да може първичната намотка да открие близостта на вторичната намотка, системата излъчва прекъсващ сигнал. След като се получи отговор, описаният механизъм се активира и токът започва да се индуцира без нужда от кабели.

Ferrofluids

Друго интересно приложение на магнитните свойства на материята са ферофлуидите. Те се състоят от малки магнитни частици от феритно съединение, суспендирани в течна среда, която може да бъде органична или дори вода.

Частиците са покрити с вещество, което предотвратява агломерацията им и по този начин остават разпределени в течността.

Идеята е течливостта на течността да се комбинира с магнетизма на феритовите частици, които сами по себе си не са силно магнитни, но придобиват намагнитване в присъствието на външно поле, както е описано по-горе.

Придобитият намагнитване изчезва веднага щом външното поле се изтегли.

Ферофлуидите първоначално са разработени от НАСА за мобилизиране на гориво в космически кораб без гравитация, давайки импулс с помощта на магнитно поле.

В момента ферофлуидите имат много приложения, някои от които все още са в експериментална фаза, като например:

- Намалете триенето на заглушителите на високоговорителите и слушалките (избягвайте реверберацията).

- Разрешава се отделянето на материали с различна плътност.

- Действайте като уплътнения върху валовете на твърдите дискове и отблъсквайте замърсяванията.

- Като лечение на рак (в експериментална фаза). Ферофлуид се инжектира в ракови клетки и се прилага магнитно поле, което произвежда малки електрически токове. Топлината, генерирана от тези, атакува злокачествените клетки и ги унищожава.

Препратки

1. Бразилски журнал по физика. Ферофлуиди: Свойства и приложения. Възстановено от: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Серия: Физика за наука и инженерство. Том 6. Електромагнетизъм. Редактиран от Дъглас Фигероа (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Физика: Принципи на приложение. 6-та зала „Ед Прентис“. 560-562.
4. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: поглед към света. 6-то съкратено издание. Учене в Cengage. 233.
5. Shipman, J. 2009. Въведение във физическите науки. Учене в Cengage. 206-208.