MAGNETIZĀCIJA: ORBĪTAS UN GRIEŠANĀS MAGNĒTISKAIS MOMENTS, PIEMĒRI - FIZISKĀ - 2025

Magnetizācija ir vektoriāls lielums, kas raksturo magnētisko stāvokli materiāla un tiek definēts kā summu dipolārs magnētisko brīžos uz vienu tilpuma vienību. Var uzskatīt, ka magnētisku materiālu, piemēram, dzelzi vai niķeli, veido daudzi mazi magnēti, kurus sauc par dipoliem.

Parasti šie dipoli, kuriem savukārt ir ziemeļu un dienvidu magnētiskie poli, materiāla tilpumā ir sadalīti ar zināmu traucējumu pakāpi. Traucējumi ir mazāki materiālos ar spēcīgām magnētiskām īpašībām, piemēram, dzelzi, un lielāki traucējumi ir materiālos ar mazāk acīmredzamu magnētismu.

1. attēls. Magnētiskie dipoli materiāla iekšienē ir izvietoti nejauši. Avots: F. Zapata.

Tomēr, novietojot materiālu ārēja magnētiskā lauka vidū, piemēram, tā, kas izveidots solenoīdā, dipoli ir orientēti atbilstoši laukam un materiāls spēj izturēties kā ar magnētu (2. attēls).

2. attēls. Materiāla, piemēram, dzelzs gabala, ievietošana solenoīdā, caur kuru iziet strāva I, tā magnētiskais lauks izlīdzina materiāla dipolus. Avots: F. Zapata.

Ļaujiet M būt magnetizācijas vektoram, ko definē šādi:

Tagad materiāla, kas iegremdēts ārējā laukā H , magnetizācijas intensitāte ir proporcionāla tam, tāpēc:

M ∝ H

Proporcionalitātes konstante ir atkarīga no materiāla, to sauc par magnētisko jutību un apzīmē kā χ:

M = χ. H

M vienības starptautiskajā sistēmā ir ampēru / metrs, tāpat kā H , tāpēc χ ir bez dimensijas.

Orbītas un griešanās magnētiskais moments

Magnētisms rodas no kustīgiem elektriskiem lādiņiem, tāpēc, lai noteiktu atoma magnētismu, mums jāņem vērā to veidojošo lādēto daļiņu kustības.

3. attēls. Elektrona kustība ap kodolu veicina magnētismu ar orbītas magnētisko momentu. Avots: F. Zapata.

Sākot ar elektronu, kas tiek uzskatīts par riņķojošo atoma kodolu, tas ir kā niecīga cilpa (slēgta ķēde vai slēgta strāvas cilpa). Šī kustība veicina atoma magnētismu, pateicoties orbitālajam magnētiskā momenta vektoram m, kura lielums ir:

Kur I ir pašreizējā intensitāte un A ir cilpas norobežotais apgabals. Tāpēc m vienības Starptautiskajā sistēmā (SI) ir ampēri x kvadrātmetrs.

Vektors m ir perpendikulārs cilpas plaknei, kā parādīts 3. attēlā, un ir vērsts, kā norādīts labā īkšķa likumā.

Īkšķis ir orientēts strāvas virzienā, un četri atlikušie pirksti ir apvilkti ap cilpu, vērsti uz augšu. Šī mazā ķēde ir līdzvērtīga stieņa magnētam, kā parādīts 3. attēlā.

Spin magnētiskais moments

Neatkarīgi no orbītas magnētiskā momenta, elektrons uzvedas tā, it kā tas pats rotētu. Tas nenotiek tieši šādā veidā, bet iegūtais efekts ir tāds pats, tāpēc tas ir vēl viens ieguldījums, kas jāņem vērā, ņemot vērā atoma neto magnētisko momentu.

Faktiski griešanās magnētiskais moments ir intensīvāks nekā orbītas moments un galvenokārt ir atbildīgs par vielas neto magnētismu.

4. attēls. Spin magnētiskais moments ir tas, kas visvairāk veicina materiāla tīro magnetizāciju. Avots: F. Zapata.

Spin momenti izlīdzinās ārēja magnētiskā lauka klātbūtnē un rada kaskādes efektu, secīgi izlīdzinoties ar kaimiņu momentiem.

Ne visiem materiāliem piemīt magnētiskas īpašības. Tas notiek tāpēc, ka elektroni ar pretēju vērpienu veido pārus un atceļ attiecīgos griešanās magnētiskos momentus.

Ieguldījums kopējā magnētiskajā momentā var būt tikai tad, ja kāds no tiem nav savienots. Tāpēc tikai atomiem ar nepāra skaitu elektronu ir magnētiska izredze.

Protoni atoma kodolā arī dod nelielu ieguldījumu kopējā atoma magnētiskajā momentā, jo tiem ir arī spin un līdz ar to arī saistīts magnētiskais moments.

Bet tas ir apgriezti atkarīgs no masas, un protonam ir daudz lielāks nekā elektronam.

Piemēri

Spoles iekšpusē, caur kuru iziet elektriskā strāva, tiek izveidots vienmērīgs magnētiskais lauks.

Un, kā aprakstīts 2. attēlā, ievietojot tajā materiālu, šī materiāla magnētiskie momenti sakrīt ar spoles lauku. Neto efekts ir spēcīgāka magnētiskā lauka radīšana.

Labi piemēri ir transformatori, ierīces, kas palielina vai samazina mainīgo spriegumu. Tās sastāv no divām spolēm, primārās un sekundārās, kas ir uzvilktas uz mīksta dzelzs serdeņa.

5. attēls. Transformatora kodolā notiek tīkla magnetizācija. Avots: Wikimedia Commons.

Caur primāro spoli tiek mainīta mainīga strāva, kas pārmaiņus maina magnētiskā lauka līnijas kodolā, kas, savukārt, inducē strāvu sekundārajā spolē.

Svārstību frekvence ir vienāda, bet lielums ir atšķirīgs. Tādā veidā var iegūt augstāku vai zemāku spriegumu.

Tā vietā, lai tinumus uztītu uz cietas dzelzs serdes, vēlams ievietot metāla lakšņu pildījumu, kas pārklāts ar laku.

Iemesls ir saistīts ar virpuļstrāvu klātbūtni serdeņa iekšienē, kuras dēļ tā pārmērīgi pārkarst, bet loksnēs ierosinātās strāvas ir zemākas, un tāpēc ierīces sildīšana tiek samazināta līdz minimumam.

Bezvadu lādētāji

Mobilo tālruni vai elektrisko zobu suku var uzlādēt ar magnētiskās indukcijas palīdzību, ko sauc par bezvadu uzlādi vai induktīvo uzlādi.

Tas darbojas šādā veidā: ir bāze vai uzlādes stacija, kurai ir solenoīds vai galvenā spole, caur kuru tiek nodota mainīga strāva. Vēl viena (sekundārā) spole ir piestiprināta pie sukas roktura.

Strāva primārajā spolē savukārt izraisa strāvu roktura spolē, kad suku ievieto uzlādes stacijā, un tas rūpējas par akumulatora, kas atrodas arī rokturī, uzlādi.

Induktīvās strāvas lielums palielinās, ja galvenajā spolē tiek ievietots feromagnētiskā materiāla kodols, kas var būt dzelzs.

Lai primārā spole varētu noteikt sekundārās spoles tuvumu, sistēma izstaro periodisku signālu. Kad ir saņemta atbilde, aprakstītais mehānisms tiek aktivizēts un strāvu sāk izraisīt bez kabeļiem.

Ferrofluīdi

Vēl viens interesants vielas magnētisko īpašību pielietojums ir ferrofluīdi. Tie sastāv no sīkām ferīta savienojuma magnētiskām daļiņām, kas suspendētas šķidrā vidē, kas var būt organiska vai pat ūdens.

Daļiņas ir pārklātas ar vielu, kas novērš to aglomerāciju, un tādējādi paliek sadalītas šķidrumā.

Ideja ir tāda, ka šķidruma plūstamība tiek apvienota ar ferīta daļiņu magnetizāciju, kuras pašas par sevi nav spēcīgi magnētiskas, bet ārējā lauka klātbūtnē iegūst magnetizāciju, kā aprakstīts iepriekš.

Iegūtā magnetizācija pazūd, tiklīdz ārējais lauks tiek noņemts.

Ferrofluīdus sākotnēji izstrādāja NASA, lai mobilizētu degvielu kosmosa kuģī bez gravitācijas, dodot impulsu ar magnētiskā lauka palīdzību.

Pašlaik ferrofluīdiem ir daudz lietojumu, daži no tiem joprojām ir eksperimentālā fāzē, piemēram:

- samaziniet berzi skaļruņu un austiņu izpūtējiem (izvairieties no atkārtotas atskaņošanas).

- Ļauj atdalīt materiālus ar dažādu blīvumu.

- Rīkojieties kā cieto disku blīves un notīriet netīrumus.

- kā vēža ārstēšana (eksperimentālajā fāzē). Ferrofluīds tiek ievadīts vēža šūnās un tiek uzklāts magnētiskais lauks, kas rada mazas elektriskās strāvas. Šo siltumu radītais uzbrūk ļaundabīgajām šūnām un iznīcina tās.

Atsauces

1. Brazīlijas fizikas žurnāls. Ferrofluīdi: īpašības un pielietojums. Atgūts no: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Sērija: Fizika zinātnei un inženierijai. Sējums 6. Elektromagnētisms. Rediģēja Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: principi un pielietojumi. 6. Eda Prentice zāle. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: skats uz pasauli. 6. saīsināts izdevums. Cengage mācīšanās. 233.
5. Shipman, J. 2009. Ievads fizikālajās zinātnēs. Cengage mācīšanās. 206.-208.