Магнетизатион је вектор количина описује магнетну стање материјала и дефинише се као износ биполарним магнетских момената по јединици запремине. Магнетни материјал - на пример гвожђе или никл - може се сматрати као састављен од многих малих магнета званих диполи.
Обично се ови диполи, који заузврат имају северни и јужни магнетни пол, дистрибуирају са одређеним степеном поремећаја унутар запремине материјала. Поремећај је мање код материјала са јаким магнетним својствима као што је гвожђе и већи код других са мање очигледним магнетизмом.
Слика 1. Магнетни диполи су насумично распоређени унутар материјала. Извор: Ф. Запата.
Међутим, постављањем материјала у средину спољног магнетног поља, попут оног које се производи унутар соленоида, диполи су оријентисани према пољу и материјал се може понашати попут магнета (слика 2).
Слика 2. Намештајући материјал, на пример, комад гвожђа, на пример, у соленоид кроз који пролази струја И, магнетно поље овог поравнава диполе у материјалу. Извор: Ф. Запата.
Нека је М вектор магнетизације који је дефинисан као:
Интензитет магнетизације материјала, продукта урањања у спољно поље Х , пропорционалан је томе, дакле:
М ∝ Х
Константа пропорционалности зависи од материјала, она се назива магнетна осетљивост и означава се као χ:
М = χ. Х
Јединице М у међународном систему су ампер / метар, попут оних Х , дакле χ је без димензија.
Орбитални и спино магнетни момент
Магнетизам настаје због померања електричних набоја, па да бисмо одредили магнетизам атома, морамо водити рачуна о кретању наелектрисаних честица које га чине.
Слика 3. Кретање електрона око језгра доприноси магнетизму са орбиталним магнетним моментом. Извор: Ф. Запата.
Полазећи од електрона, за који се сматра да кружи око атомског језгра, он је попут сићушне петље (затворени круг или затворена струјна петља). Овај покрет доприноси магнетизму атома захваљујући орбиталном вектору магнетног момента м, чија је величина:
Где сам тренутни интензитет, а А је област затворена петљом. Према томе, јединице м у Међународном систему (СИ) су ампере к квадратни метар.
Вектор м је окомит на равнину петље, као што је приказано на слици 3, и усмерен је као што показује правило палца десне стране.
Палац је оријентисан у правцу струје, а четири преостала прста су омотана око петље, окренута према горе. Овај мали круг еквивалентан је бар магнету, као што је приказано на слици 3.
Спин магнетни тренутак
Осим орбиталног магнетног момента, електрон се понаша као да се врти на себи. То се не догађа баш на овај начин, али резултирајући ефекат је исти, тако да је ово још један допринос који треба узети у обзир за нето магнетни тренутак атома.
Заправо, магнетни момент центрифуге је интензивнији од орбиталног и углавном је одговоран за нето магнетизам неке супстанце.
Слика 4. Магнетни момент центрифуге је онај који највише доприноси нето магнетизацији материјала. Извор: Ф. Запата.
Моменти центрифуге поравнавају се у присуству спољног магнетног поља и стварају каскадни ефекат, сукцесивно поравнавајући се са суседним тренуцима.
Нису сви материјали показали магнетна својства. То је зато што електрони са супротним спиновима формирају парове и отказују њихове магнетне моменте спина.
Само ако неки од њих нису упарени, доприноси укупном магнетном тренутку. Стога само атоми са непарним бројем електрона имају шансу да буду магнетни.
Протони у атомском језгру такође дају мали допринос укупном магнетном моменту атома, јер они такође имају спиновање и самим тим придружени магнетни момент.
Али ово је обрнуто зависно од масе, а протонска маса је много већа од масе електрона.
Примери
Унутар завојнице кроз коју пролази електрична струја ствара се једнолично магнетно поље.
И као што је описано на слици 2, када се материјал постави тамо, магнетни моменти овог поравнавају се са пољем завојнице. Нето ефекат је стварање јачег магнетног поља.
Трансформатори, уређаји који повећавају или смањују наизменичне напоне, добри су примери. Састоје се од две завојнице, примарне и секундарне, намотане на меко жељезно језгро.
Слика 5. У језгри трансформатора долази до нето магнетизације. Извор: Викимедиа Цоммонс.
Кроз примарну завојницу пролази променљива струја која наизменично мења линије магнетног поља унутар језгре, што заузврат индукује струју у секундарном калему.
Фреквенција осцилација је иста, али величина је различита. На тај се начин могу добити виши или нижи напони.
Уместо да намотавају завојнице чврстом гвозденом језгром, пожељније је да се стави метални лим који је прекривен лаком.
Разлог је због присуства вртложних струја у језгри, које имају за последицу прекомерно загревање, али струје индуковане у листовима су ниже, па је зато загревање уређаја сведено на минимум.
Бежични пуњачи
Мобител или електрична четкица за зубе могу се пунити магнетном индукцијом, која је позната и као бежично пуњење или индуктивно пуњење.
Дјелује на сљедећи начин: постоји базна станица или станица за пуњење, која има соленоид или главни намотај, кроз који се пролази промјењива струја. Друга (секундарна) завојница је причвршћена на кваку четке.
Струја у примарној завојници заузврат индукује струју у завојници дршке када се четкица постави на станицу за пуњење, која је одговорна за пуњење батерије која је такође у ручици.
Јачина индуковане струје се повећава када се језгра феромагнетског материјала, која може бити гвожђе, постави у главни завој.
Да би примарна завојница открила близину секундарне завојнице, систем емитује испрекидани сигнал. Једном када се добије одговор, описани механизам се активира и струја почиње да се индукује без потребе за кабловима.
Ферофлуидс
Друга занимљива примена магнетних својстава материје су ферофлуиди. Они се састоје од ситних магнетних честица феритног једињења, суспендованих у течном медијуму, који може бити органски или чак вода.
Честице су обложене супстанцом која спречава њихову агломерацију и тако остају расподељени у течности.
Идеја је да се течност течности комбинује са магнетизмом феритних честица, које саме по себи нису снажно магнетне, али добијају магнетизацију у присуству спољног поља, како је горе описано.
Стечена магнетизација нестаје чим се спољно поље повуче.
Ферофлуиди су првотно развили од стране НАСА-е да би мобилизирали гориво у свемирској летјелици без гравитације, дајући импулс уз помоћ магнетног поља.
Тренутно ферофлуиди имају много примена, неке су још у експерименталној фази, као што су:
- Смањите трење на пригушивачима звучника и слушалица (избегавајте одјек).
- Дозволите одвајање материјала различите густоће.
- Дјелујете као бртве на осовинама чврстих дискова и одбијају прљавштину.
- Као лечење рака (у експерименталној фази). Ферофлуид се убризгава у ћелије рака и примењује се магнетно поље које ствара мале електричне струје. Топлина генерисана овим малигним ћелијама уништава их.
Референце
- Бразилски часопис за физику. Ферофлуиди: Својства и примене. Опоравак од: сбфисица.орг.бр
- Фигуероа, Д. (2005). Серија: Физика за науку и инжењерство. Том 6. Електромагнетизам. Уредио Доуглас Фигуероа (УСБ). 215-221.
- Гианцоли, Д. 2006. Физика: принципи примјене. Дворана 6. Ед Прентице. 560-562.
- Киркпатрицк, Л. 2007. Физика: поглед на свет. 6. скраћено издање. Ценгаге Леарнинг. 233.
- Схипман, Ј. 2009. Увод у физичке науке. Ценгаге Леарнинг. 206-208.