MAGNĒTISMS: MATERIĀLU MAGNĒTISKĀS ĪPAŠĪBAS, LIETOJUMS - FIZISKĀ - 2025

Magnētisms vai magnētiskā enerģija ir spēks saistīts raksturs kustība un spēj ražot elektrisko pievilcību vai riebumu atsevišķos vielu kravu. Magnēti ir labi zināmi magnētisma avoti.

To iekšienē notiek mijiedarbība, kas pārvēršas magnētisko lauku klātbūtnē, kas ietekmē, piemēram, mazus dzelzs vai niķeļa gabalus.

Ziemeļblāzmas skaistās krāsas ir saistītas ar kosmiskajām daļiņām, kas izstaro enerģiju, kad tās novirza Zemes magnētiskais lauks. Avots: Pixabay.

Magnēta magnētiskais lauks kļūst redzams, kad tas tiek novietots zem papīra, uz kura tiek izkliedētas dzelzs kārtis. Filmējumi tiek nekavējoties orientēti pa lauka līnijām, izveidojot lauka divdimensiju attēlu.

Vēl viens labi zināms avots ir vadi, kas pārnes elektrisko strāvu; Bet atšķirībā no pastāvīgajiem magnētiem, magnētisms pazūd, kad strāva apstājas.

Ikreiz, kad kaut kur rodas magnētiskais lauks, kādam aģentam bija jādara darbs. Šajā procesā ieguldītā enerģija tiek uzkrāta izveidotajā magnētiskajā laukā, un pēc tam to var uzskatīt par magnētisko enerģiju.

Laukā saglabātās magnētiskās enerģijas aprēķins ir atkarīgs no lauka un ierīces ģeometrijas vai reģiona, kurā tā tika izveidota.

Induktori vai spoles ir piemērotas vietas, lai to izdarītu, radot magnētisko enerģiju tādā pašā veidā, kā elektriskā enerģija tiek glabāta starp kondensatora plāksnēm.

Vēsture un atklājumi

Vecās lietotnes

Plinija stāstītās leģendas par seno Grieķiju runā par ganu Magnesu, kurš pirms vairāk nekā 2000 gadiem atrada noslēpumainu minerālu, kas spēja piesaistīt dzelzs gabalus, bet ne citus materiālus. Tas bija magnetīts, dzelzs oksīds ar spēcīgām magnētiskajām īpašībām.

Magnētiskās pievilcības iemesls simtiem gadu bija paslēpts. Labākajā gadījumā to attiecināja uz pārdabiskiem notikumiem. Lai arī ne šī iemesla dēļ, tam tika atrastas interesantas lietojumprogrammas, piemēram, kompass.

Ķīniešu izgudrotais kompass izmanto paša Zemes magnētismu, lai vadītu lietotāju navigācijas laikā.

Pirmie zinātniskie pētījumi

Magnētisko parādību izpēte guva ievērojamus panākumus, pateicoties Viljamam Gilbertam (1544 - 1603). Šis Elizabetes laikmeta angļu zinātnieks izpētīja sfēriska magnēta magnētisko lauku un secināja, ka Zemei ir jābūt savam magnētiskajam laukam.

Pētot magnētus, viņš arī saprata, ka nevar iegūt atsevišķus magnētiskos polus. Kad magnēts ir sadalīts divās daļās, jaunajiem magnētiem ir arī abi stabi.

Tomēr 19. gadsimta sākumā zinātnieki saprata, ka pastāv saikne starp elektrisko strāvu un magnētismu.

Hanss Kristians Oersteds (1777 - 1851), dzimis Dānijā, 1820. gadā bija iecerējis izvadīt elektrisko strāvu caur vadītāju un novērot, kā tas ietekmē kompasu. Kompass novirzās, un, kad strāva pārstāja plūst, kompass atkal norādīja uz ziemeļiem, kā parasti.

Šo parādību var pārliecināt, tuvinot kompasu vienam no kabeļiem, kas iznāk no automašīnas akumulatora, kamēr starteris tiek darbināts.

Aizverot ķēdi, adatai jānovēro ievērojama novirze, jo automašīnu akumulatori var piegādāt strāvas pietiekami lielas, lai kompass novirzītos.

Tādā veidā kļuva skaidrs, ka kustīgās maksas rada magnētismu.

Mūsdienu izmeklēšana

Dažus gadus pēc Oersted eksperimentiem britu pētnieks Maikls Faraday (1791 - 1867) iezīmēja vēl vienu pavērsiena punktu, atklājot, ka mainīgie magnētiskie lauki savukārt rada elektriskās strāvas.

Abas parādības, gan elektriskās, gan magnētiskās, ir cieši saistītas viena ar otru, un katra no tām rada otru. Viņus vienoja Faradeja māceklis Džeimss Klerks Maksvels (1831 - 1879) vienādojumos, uz kuriem ir viņa vārds.

Šie vienādojumi satur un apkopo elektromagnētisko teoriju un ir derīgi pat relativistiskajā fizikā.

Materiālu magnētiskās īpašības

Kāpēc dažiem materiāliem piemīt magnētiskas īpašības vai tie viegli iegūst magnētismu? Mēs zinām, ka magnētisko lauku rada kustīgi lādiņi, tāpēc magnēta iekšpusē jābūt neredzamām elektriskām strāvām, kas rada magnētismu.

Visā matērijā ir elektroni, kas riņķo ap atoma kodolu. Elektronu var salīdzināt ar Zemi, kurai ir translācijas kustība ap Sauli un arī rotācijas kustība uz pašas ass.

Klasiskā fizika piedēvē līdzīgus kustības elektronam, kaut arī analoģija nav pilnīgi precīza. Tomēr jautājums ir tāds, ka abas elektronu īpašības liek tam izturēties kā ar mazu cilpu, kas rada magnētisko lauku.

Tieši elektronu griešanās visvairāk veicina atoma magnētisko lauku. Atomos ar daudziem elektroniem tie ir sagrupēti pa pāriem un ar pretējiem griezieniem. Tādējādi viņu magnētiskie lauki viens otru izslēdz. Tas ir tas, kas notiek lielākajā daļā materiālu.

Tomēr ir daži minerāli un savienojumi, kuros ir nepāra elektrons. Tādā veidā tīrais magnētiskais lauks nav nulle. Tas rada magnētisko momentu, vektoru, kura lielums ir strāvas un ķēdes laukuma reizinājums.

Blakus esošie magnētiskie momenti mijiedarbojas viens ar otru un veido reģionus, kurus sauc par magnētiskajiem domēniem, kuros daudzi griezieni ir izlīdzināti vienā virzienā. Iegūtais magnētiskais lauks ir ļoti spēcīgs.

Feromagnētisms, paramagnetisms un diamagnētisms

Materiālus, kuriem piemīt šī kvalitāte, sauc par feromagnētiskiem. Tie ir daži: dzelzs, niķelis, kobalts, gadolīnijs un daži to pašu sakausējumi.

Pārējiem periodiskās tabulas elementiem trūkst šo ļoti izteikto magnētisko efektu. Viņi ietilpst paramagnētisko vai diamagnētisko kategorijā.

Faktiski diamagnētisms ir visu materiālu īpašums, kuriem ārēja magnētiskā lauka klātbūtnē ir raksturīga neliela atgrūšanās. Bismuts ir elements ar visizcilāko diamagnētismu.

No otras puses, paramagnetisms sastāv no mazāk intensīvas magnētiskās reakcijas nekā feromagnētisms, bet tikpat pievilcīgs. Paramagnētiskas vielas ir, piemēram, alumīnijs, gaiss un daži dzelzs oksīdi, piemēram, goetīts.

Magnētiskās enerģijas lietojumi

Magnētisms ir daļa no galvenajiem dabas spēkiem. Tā kā cilvēki tajā ir arī daļa, tie ir pielāgoti magnētisko parādību esamībai, kā arī pārējai planētas dzīvībai. Piemēram, daži dzīvnieki izmanto Zemes magnētisko lauku, lai orientētos ģeogrāfiski.

Faktiski tiek uzskatīts, ka putni ilgstoši pārvietojas, pateicoties tam, ka viņu smadzenēs ir sava veida organiskais kompass, kas ļauj viņiem uztvert un izmantot ģeomagnētisko lauku.

Kaut arī cilvēkiem trūkst šāda kompasa, viņiem tā vietā ir iespēja pārveidot vidi daudz vairāk nekā pārējā dzīvnieku valstībā. Tādējādi mūsu sugas pārstāvji ir izmantojuši magnētismu savā labā, sākot no brīža, kad pirmais grieķu gans atklāja lodestonu.

Daži magnētiskās enerģijas pielietojumi

Kopš tā laika ir daudz magnētisma pielietojumu. Šeit ir daži:

- Iepriekš minētais kompass, kas izmanto Zemes ģeomagnētisko lauku, lai orientētos ģeogrāfiski.

- vecie televizoru, datoru un osciloskopu ekrāni, kas balstīti uz katodstaru lampu un kuros izmanto spoles, kas rada magnētiskos laukus. Tie ir atbildīgi par elektronu staru novirzīšanu tā, lai tas sasniegtu noteiktas vietas ekrānā, tādējādi veidojot attēlu.

- Masas spektrometri, ko izmanto dažāda veida molekulu izpētei un ar daudziem pielietojumiem bioķīmijā, kriminoloģijā, antropoloģijā, vēsturē un citās disciplīnās. Viņi izmanto elektriskos un magnētiskos laukus, lai novirzītu uzlādētas daļiņas trajektorijās, kas ir atkarīgas no to ātruma.

- Magnetohidrodinamiskā vilce, kurā magnētiskais spēks virza jūras ūdens strūklu (labu vadītāju) atpakaļgaitā, lai saskaņā ar Ņūtona trešo likumu transportlīdzeklis vai laiva saņemtu impulsu uz priekšu.

- magnētiskās rezonanses attēlveidošana, neinvazīva metode, lai iegūtu attēlus no cilvēka ķermeņa iekšpuses. Pamatā tas izmanto ļoti intensīvu magnētisko lauku un analizē audos esošo ūdeņraža kodolu (protonu) reakciju, kuriem piemīt iepriekšminētā spinēšanas īpašība.

Šīs lietojumprogrammas jau ir izveidotas, taču nākotnē tiek uzskatīts, ka magnētisms var apkarot arī tādas slimības kā krūts vēzis, izmantojot hipertermiskus paņēmienus, kas rada magnētiski ierosinātu siltumu.

Ideja ir šķidruma magnetīta ievadīšana tieši audzējā. Pateicoties siltumam, ko rada magnētiski izraisītas straumes, dzelzs daļiņas kļūtu pietiekami karstas, lai iznīcinātu ļaundabīgās šūnas.

Priekšrocības un trūkumi

Kad domājat par noteikta veida enerģijas izmantošanu, tā ir jāpārveido par dažāda veida kustību, piemēram, piemēram, ar turbīnu, liftu vai transportlīdzekli; vai arī tas tiek pārveidots par elektrisko enerģiju, kas ieslēdz kādu ierīci: tālruņus, televizorus, bankomātu un tamlīdzīgas ierīces.

Enerģija ir lielums ar vairākām izpausmēm, kuras var modificēt daudzos veidos. Vai mazā magnēta enerģiju var pastiprināt tā, lai tas nepārtraukti kustētos vairāk nekā dažas monētas?

Lai šī enerģija būtu izmantojama, tai jābūt ļoti lielam diapazonam, un tai jābūt no ļoti bagātīga avota.

Primārā un sekundārā enerģija

Šādas enerģijas ir sastopamas dabā, no kuras tiek ražoti pārējie veidi. Tos sauc par primārajām enerģijām:

- Saules enerģija.

- Atomenerģija.

- Geotermāla enerģija.

- Vēja enerģija.

- Biomasas enerģija.

- Enerģija no fosilā kurināmā un minerāliem.

No tiem tiek ražota sekundārā enerģija, piemēram, elektrība un siltums. Kur šeit ir magnētiskā enerģija?

Elektrība un magnētisms nav divas atšķirīgas parādības. Faktiski abus kopā sauc par elektromagnētiskām parādībām. Kamēr viens no tiem pastāvēs, otrs pastāvēs.

Kur ir elektriskā enerģija, kaut kādā formā būs arī magnētiskā enerģija. Bet tā ir sekundārā enerģija, kurai nepieciešama iepriekšēja dažu primāro enerģijas pārveidošana.

Primāro un sekundāro enerģiju raksturojums

Kāda veida enerģijas izmantošanas priekšrocības vai trūkumi tiek noteikti pēc daudziem kritērijiem. To skaitā ir tas, cik vienkārša un lēta ir tā ražošana, kā arī tas, cik daudz process var negatīvi ietekmēt vidi un cilvēkus.

Svarīgi paturēt prātā, ka enerģijas tiek pārveidotas daudzas reizes, pirms tās var izmantot.

Cik daudz pārvērtību ir jānotiek, lai magnēts, kas pielīmē pirkumu sarakstu pie ledusskapja durvīm? Cik daudz būvēt elektromobili? Protams, ka tā ir.

Un cik tīra ir magnētiskā vai elektromagnētiskā enerģija? Ir cilvēki, kuri uzskata, ka pastāvīga pakļaušana cilvēku izcelsmes elektromagnētiskajiem laukiem rada veselības un vides problēmas.

Pašlaik ir daudz pētījumu virzienu, kas veltīti šo jomu ietekmes uz veselību un vidi izpētei, taču saskaņā ar prestižām starptautiskām organizācijām līdz šim nav pārliecinošu pierādījumu par to kaitīgumu.

Magnētiskās enerģijas piemēri

Ierīce, kas paredzēta magnētiskās enerģijas saturēšanai, ir pazīstama kā induktors. Tā ir spole, kas veidojas, tinot vara stiepli ar pietiekamu skaitu pagriezienu, un daudzās shēmās ir noderīgi ierobežot strāvu un neļaut tai pēkšņi mainīties.

Vara spole. Avots: Pixabay.

Cirkulējot strāvu pa spoles pagriezieniem, tā iekšpusē tiek izveidots magnētiskais lauks.

Ja mainās strāva, mainiet arī magnētiskā lauka līnijas. Šīs izmaiņas izraisa strāvu pagriezienos, kas tām ir pretējas, saskaņā ar Faraday-Lenz indukcijas likumu.

Kad strāva pēkšņi palielinās vai samazinās, spole pret to iedarbojas, tāpēc tai var būt aizsargājoša iedarbība uz ķēdi.

Spoles magnētiskā enerģija

Magnētiskā enerģija tiek uzkrāta magnētiskajā laukā, kas izveidots tilpumā, ko ierobežo spoles pagriezieni, kuri tiks apzīmēti kā U _B un kas ir atkarīgi no:

- B magnētiskā lauka intensitāte

- A spoles šķērsgriezuma laukums.

- spoles garums l.

- vakuuma caurlaidība μ _o.

To aprēķina šādi:

Šis vienādojums ir spēkā visos kosmosa reģionos, kur ir magnētiskais lauks. Ja ir zināms šī reģiona V tilpums, tā caurlaidība un lauka intensitāte, ir iespējams aprēķināt, cik magnētiskās enerģijas tam pieder.

Vingrinājums atrisināts

Magnētiskais lauks ar gaisu piepildītas spoles ar diametru 2,0 cm un 26 cm garumā ir 0,70 T. Cik enerģijas tiek uzkrāts šajā laukā?

Risinājums

Skaitliskās vērtības tiek aizstātas ar iepriekšējo vienādojumu, uzmanīgi pārrēķinot vērtības starptautiskās sistēmas vienībās.

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: principi un pielietojumi. Sestais izdevums. Prentice zāle. 606–607.
2. Vilsons, JD 2011. Fizika 12. Pīrsons. 135.-146.