МАГНЕТИЗАМ: МАГНЕТНА СВОЈСТВА МАТЕРИЈАЛА, УПОТРЕБЕ - ФИЗИЧКИ - 2025

Магнетисм или магнетна енергија је сила повезан покрет природа и способни да произведу електричне привлачност или одбојност у одређеним супстанцама оптерећења. Магнети су добро познати извори магнетизма.

Унутар њих постоје интеракције које резултирају у присуству магнетних поља која врше утицај на, на пример, мале комадиће гвожђа или никла.

Прелепе боје северног светла настају због космичких честица које емитују енергију док их одбија магнетно поље Земље. Извор: Пикабаи.

Магнетно поље магнета постаје видљиво када се постави под папир на који се шире гвоздене подлоге. Записи су одмах оријентисани дуж линија поља, стварајући дводимензионалну слику поља.

Други познати извор су жице које носе електричну струју; Али за разлику од трајних магнета, магнетизам нестаје када струја престане.

Кад год се негде појави магнетно поље, неки агент је морао да ради. Уложена енергија у овај процес се чува у створеном магнетном пољу и може се затим сматрати магнетном енергијом.

Прорачун колико магнетне енергије се складишти у пољу зависи од поља и геометрије уређаја или региона у коме је створен.

Индуктори или завојнице су добра места за то, стварајући магнетну енергију на исти начин као што се електрична енергија чува између плоча кондензатора.

Историја и откриће

Старе апликације

Легенде које је Плиније причао о древној Грчкој говоре о пастиру Магнесу, који је пре више од 2000 година пронашао мистериозни минерал способан да привлачи комаде гвожђа, али не и друге материјале. Био је то магнетит, гвожђе-оксид са јаким магнетним својствима.

Разлог магнетне привлачности остао је скривен стотинама година. У најбољем случају то се приписивало натприродним догађајима. Иако није из тог разлога, за њега су пронађене занимљиве апликације, попут компаса.

Компас који су измислили Кинези користи Земљин властити магнетизам за вођење корисника током навигације.

Прве научне студије

Проучавање магнетних појава имало је велики напредак захваљујући Вилијаму Гилберту (1544 - 1603). Овај енглески научник из елизабетанске ере проучавао је магнетно поље сферног магнета и закључио да Земља мора имати своје магнетно поље.

Из свог проучавања магнета, такође је схватио да не може добити одвојене магнетне полове. Када се магнет одсечи на два дела, нови магнети такође имају оба пола.

Међутим, то је било почетком 19. века када су научници схватили постојање везе између електричне струје и магнетизма.

Ханс Цхристиан Оерстед (1777 - 1851), рођен у Данској, имао је 1820. идеју да прође електричну струју кроз проводник и посматра ефекат који је имао на компас. Компас би одступио и када би струја престала да тече, компас би поново усмеравао ка северу као и обично.

Овај феномен се може потврдити приближавањем компаса једном од каблова који излази из акумулатора аутомобила, док се стартер користи.

У тренутку затварања круга, игла треба да примети деформацију, јер батерије аутомобила могу да дају струју довољно високе да компас одступа.

На овај начин постало је јасно да су покретни набоји оно што потиче магнетизам.

Савремена истраживања

Неколико година након Оерстедових експеримената, британски истраживач Мицхаел Фарадаи (1791 - 1867) обележио је још једну прекретницу откривши да различита магнетна поља заузврат потичу електричне струје.

Обе појаве, електрична и магнетна, уско су повезане једна с другом, при чему свака мора довести до друге. Окупио их је Фарадаиев ученик, Јамес Цлерк Маквелл (1831 - 1879), у једначинама које носе његово име.

Ове једначине садрже и сумирају електромагнетну теорију и важе чак и унутар релативистичке физике.

Магнетна својства материјала

Зашто неки материјали показују магнетна својства или лако добијају магнетизам? Знамо да је магнетно поље последица покретних наелектрисања, па унутар магнета морају постојати невидљиве електричне струје које потичу магнетизам.

Сва материја садржи електроне који круже око атомског језгра. Електрони се могу упоредити са Земљом која има прелазно кретање око Сунца и такође ротационо кретање на сопственој оси.

Класична физика приписује сличне покрете електрону, иако аналогија није сасвим тачна. Међутим, поента је да се оба својства електрона чине да се понаша попут сићушне петље која ствара магнетно поље.

Управо спин електрона највише доприноси магнетном пољу атома. У атомима са много електрона они су групирани у парове и са супротним спиновима. На тај начин се њихова магнетна поља међусобно отказују. То се догађа у већини материјала.

Међутим, постоје неки минерали и једињења у којима постоји непарни електрон. На овај начин, нето магнетно поље није нула. Ово ствара магнетни тренутак, вектор чија је величина производ струје и подручја круга.

Суседни магнетни моменти међусобно делују и формирају области назване магнетне домене, у којима су многи центрифуге поравнате у истом правцу. Настало магнетно поље је врло снажно.

Феромагнетизам, парамагнетизам и дијамагнетизам

Материјали који поседују овај квалитет називају се феромагнетски. Њих је неколико: гвожђе, никл, кобалт, гадолинијум и неке легуре истог.

Остатку елемената у периодној табели недостају ови веома изражени магнетни ефекти. Спадају у категорију парамагнетских или дијамагнетних.

Заправо, дијамагнетизам је својство свих материјала који доживе мало одбојности у присуству спољног магнетног поља. Бизмут је елемент с највише наглашеним дијамагнетизмом.

С друге стране, парамагнетизам се састоји од мање интензивног магнетног одговора од феромагнетизма, али подједнако атрактивног. Парамагнетне супстанце су на пример алуминијум, ваздух и неки оксиди гвожђа као што је гоетит.

Употреба магнетне енергије

Магнетизам је део основних сила природе. Како су и људска бића такође део тога, прилагођена су постојању магнетних појава, као и остатку живота на планети. На пример, неке животиње користе магнетно поље Земље да се географски оријентишу.

У ствари, верује се да птице врше дуге миграције захваљујући чињеници да у свом мозгу имају својеврсни органски компас који им омогућава да опажају и користе геомагнетно поље.

Док људима недостаје компас као што је овај, они уместо тога имају могућност модификације животне средине на много више начина него остатак животињског царства. Тако су припадници наше врсте користили магнетизам у своју корист од тренутка када је први грчки овчар открио камени камен.

Неке примене магнетне енергије

Од тада постоји много примена магнетизма. Ево неколико:

- Наведени компас, који користи земљино геомагнетно поље да се географски оријентише.

- Стари екрани за телевизоре, рачунаре и осцилоскопе, засновани на катодној цеви, који користе завојнице које стварају магнетна поља. Они су одговорни за скретање снопа електрона тако да он погоди одређена места на екрану и тако формира слику.

- Масени спектрометри, који се користе за проучавање различитих врста молекула и са многим примењивањима у биохемији, криминологији, антропологији, историји и другим дисциплинама. Они користе електрично и магнетно поље да одбију наелектрисане честице у путањама које зависе од њихове брзине.

- Магнетохидродинамичко покретање, код које магнетна сила покреће млаз морске воде (добар проводник) уназад, тако да по трећем закону Невтона, возило или брод примају импулс напред.

- Снимање магнетном резонанцом, неинвазивна метода за добијање слика унутрашњости људског тела. У основи користи веома интензивно магнетно поље и анализира одговор водоничних језгара (протона) присутних у ткивима која имају горе поменуто својство спина.

Ове су апликације већ успостављене, али убудуће се верује да се магнетизмом може борити и против болести попут рака дојке, хипертермичким техникама, које производе магнетно индуковану топлоту.

Идеја је убризгавање течног магнетита директно у тумор. Захваљујући топлоти коју стварају магнетно индуковане струје, честице гвожђа би постале довољно вруће да униште малигне ћелије.

Предности и мане

Када размишљате о употреби одређене врсте енергије, потребна је њена претварање у неку врсту кретања, попут турбине, лифта или возила, на пример; или да се трансформише у електричну енергију која се укључује на неким уређајима: телефонима, телевизорима, банкомату и слично.

Енергија је величина са вишеструким манифестацијама које се могу модификовати на више начина. Да ли се енергија малог магнета може појачати тако да се непрекидно креће више од неколико кованица?

Да би била употребљива, енергија мора имати велики распон и долази из веома обилног извора.

Примарне и секундарне енергије

Такве енергије се налазе у природи из које се производе и друге врсте. Познате су као примарне енергије:

- Соларна енергија.

- Атомска енергија.

- Геотермална енергија.

- Енергија ветра.

- Енергија биомасе.

- Енергија из фосилних горива и минерала.

Од њих се производе секундарне енергије, као што су електрична енергија и топлота. Где је овде магнетна енергија?

Електрична енергија и магнетизам нису две одвојене појаве. У ствари, њих двоје су познати као електромагнетни феномени. Све док једна постоји, друга ће постојати.

Тамо где постоји електрична енергија, ту ће бити и магнетна енергија у неком облику. Али ово је секундарна енергија, која захтева претходну трансформацију неких примарних енергија.

Карактеристике примарне и секундарне енергије

Предности или недостаци употребе неке врсте енергије утврђују се према многим критеријима. Они укључују колико је једноставна и јефтина његова производња, као и колико је процес способан да негативно утиче на животну средину и људе.

Нешто је важно имати на уму да се енергије трансформишу много пута пре него што се могу користити.

Колико је преображаја морало да се догоди да би магнет био налепио листу за куповину на врата фрижидера? Колико треба изградити електрични аутомобил? Свакако довољно.

А колико је чиста магнетна или електромагнетна енергија? Постоје они који верују да константно излагање електромагнетним пољима људског порекла узрокује здравствене и еколошке проблеме.

Тренутно постоје бројне линије истраживања посвећене проучавању утицаја ових области на здравље и животну средину, али према речима престижних међународних организација, за сада нема сигурних доказа да су штетне.

Примери магнетне енергије

Уређај који служи за задржавање магнетне енергије познат је као индуктор. То је завојница која се формира намотавањем бакрене жице са довољним бројем окрета, и корисно је у многим круговима да ограничи струју и спречи да се нагло мења.

Бакрена завојница. Извор: Пикабаи.

Кружењем струје кроз завоје завојнице ствара се магнетно поље унутар ње.

Ако се струја промени, то учините и са линијама магнетног поља. Ове промене индукују струју у завојима која им се супротставља, у складу са Фарадаи-Лензовим законом индукције.

Када се струја нагло повећа или смањи, завојница се томе противи, па може имати заштитне ефекте на круг.

Магнетна енергија завојнице

Магнетна енергија се чува у магнетном пољу створеном у запремини која је ограничена обртима завојнице, а која ће бити означена као У _Б и која зависи од:

- Интензитет магнетног поља Б.

- Површина пресека завојнице А.

- Дужина намота л.

- пропусност вакуума μ _о.

Израчунава се на следећи начин:

Ова једначина важи у било ком региону простора где постоји магнетно поље. Ако је волумен В овог региона познат, његова пропусност и интензитет поља, могуће је израчунати колику магнетну енергију поседује.

Вежба решена

Магнетно поље унутар завојнице испуњене ваздухом пречника 2,0 цм и дужине 26 цм износи 0,70 Т. Колико енергије се складишти у овом пољу?

Решење

Бројчане вредности су замењене у претходној једначини, водећи рачуна да конвертују вредности у јединице Међународног система.

1. Гианцоли, Д. 2006. Физика: принципи примјене. Шесто издање. Прентице Халл. 606-607.
2. Вилсон, ЈД 2011. Физика 12. Пеарсон. 135-146.