Magnetizarea momentului magnetic orbital și spin, exemple

934
Basil Manning

magnetizare este o cantitate vectorială care descrie starea magnetică a unui material și este definită ca numărul de momente magnetice dipol per unitate de volum. Un material magnetic - fierul sau nichelul, de exemplu - poate fi considerat ca și cum ar fi alcătuit din mulți magneți mici numiți dipoli.

În mod normal, acești dipoli, care la rândul lor au poli magnetici nord și sud, sunt distribuiți cu un anumit grad de tulburare în volumul materialului. Tulburarea este mai mică la materialele cu proprietăți magnetice puternice precum fierul și mai mare la altele cu magnetism mai puțin evident.

Figura 1. Dipolii magnetici sunt dispuși la întâmplare în interiorul unui material. Sursa: F. Zapata.

Cu toate acestea, prin plasarea materialului în mijlocul unui câmp magnetic extern, cum ar fi cel produs într-un solenoid, dipolii sunt orientați în funcție de câmp și materialul se poate comporta ca un magnet (figura 2).

Figura 2. Plasând un material, cum ar fi o bucată de fier, de exemplu, în interiorul unui solenoid prin care trece un curent I, câmpul magnetic al acestuia aliniază dipolii din material. Sursa: F. Zapata.

Fi M vectorul de magnetizare, care este definit ca:

Acum, intensitatea magnetizării în material, produs al imersiunii în câmpul extern H, este proporțional cu acesta, prin urmare:

M H

Constanta de proporționalitate depinde de material, se numește susceptibilitate magnetică și este notată ca χ:

M =χ. H

Unitățile din M în sistemul internațional sunt amperi / metru, ca și cei de H, prin urmare χ este adimensional.

Indice articol

  • 1 Moment magnetic orbital și spin
    • 1.1 Moment de centrifugare magnetic
  • 2 Exemple
    • 2.1 Încărcătoare wireless
    • 2.2 Ferrofluizi
  • 3 Referințe

Moment magnetic orbital și spin

Magnetismul apare din sarcinile electrice în mișcare, prin urmare, pentru a determina magnetismul atomului, este necesar să se țină seama de mișcările particulelor încărcate care îl constituie..

Figura 3. Mișcarea electronului în jurul nucleului contribuie la magnetism cu momentul magnetic orbital. Sursa: F. Zapata.

Începând cu electronul, care se consideră că orbitează nucleul atomic, este ca o buclă mică (circuit închis sau buclă închisă de curent). Această mișcare contribuie la magnetismul atomului datorită vectorului moment orbital magnetic m, a cărei magnitudine este:

m = I.A

Unde Eu este intensitatea curentului și LA este zona închisă de buclă. Prin urmare, unitățile de m în Sistemul Internațional (SI) sunt amperi x metru pătrat.

Vectorul m este perpendiculară pe planul buclei așa cum se arată în figura 3 și este direcționată așa cum este indicat de regula degetului mare drept.

Degetul mare este orientat în direcția curentului și cele patru degete rămase sunt înfășurate în jurul buclei, îndreptate în sus. Acest circuit mic este echivalent cu un magnet cu bare, așa cum se indică în figura 3.

Moment magnetic de centrifugare

În afară de momentul magnetic orbital, electronul se comportă ca și cum ar fi rotit pe sine. Nu se întâmplă exact așa, dar efectul rezultat este același, deci este o altă contribuție care trebuie luată în considerare pentru momentul magnetic net al unui atom..

De fapt, momentul magnetic de spin este mai intens decât momentul orbital și este în principal responsabil pentru magnetismul net al unei substanțe..

Figura 4. Momentul magnetic de centrifugare este cel care contribuie cel mai mult la magnetizarea netă a unui material. Sursa: F. Zapata.

Momentele de rotire se aliniază în prezența unui câmp magnetic extern și creează un efect de cascadă, aliniat succesiv cu momentele învecinate.

Nu toate materialele prezintă proprietăți magnetice. Acestea se datorează faptului că electronii cu spin opus formează perechi și își anulează momentele magnetice de spin respective..

Doar dacă sunt nepereche există o contribuție la momentul magnetic total. Prin urmare, numai atomii cu număr impar de electroni au șansa de a fi magnetici.

Protonii din nucleul atomic aduc, de asemenea, o mică contribuție la momentul magnetic total al atomului, deoarece au și spin și, prin urmare, un moment magnetic asociat..

Dar acest lucru depinde invers de masă, iar cea a protonului este mult mai mare decât cea a electronului..

Exemple

În interiorul unei bobine, prin care trece un curent electric, se creează un câmp magnetic uniform.

Și așa cum este descris în figura 2, atunci când așezați un material acolo, momentele magnetice ale acestuia se aliniază cu câmpul bobinei. Efectul net este de a produce un câmp magnetic mai puternic.

Transformatoarele, dispozitive care cresc sau scad tensiunile alternative, sunt exemple bune. Acestea constau din două bobine, prima și cea secundară, înfășurate pe un miez de fier moale..

Figura 5. În miezul transformatorului are loc o magnetizare netă. Sursa: Wikimedia Commons.

Un curent în schimbare este trecut prin bobina primară care modifică alternativ liniile câmpului magnetic din interiorul miezului, care la rândul său induce un curent în bobina secundară..

Frecvența oscilației este aceeași, dar magnitudinea este diferită. În acest fel, se pot obține tensiuni mai mari sau mai mici.

În loc să înfășurați bobinele până la un miez solid de fier, este de preferat să puneți o umplutură de foi metalice acoperite cu lac.

Motivul se datorează prezenței curenților turbionari în interiorul miezului, care au ca efect supraîncălzirea excesivă, dar curenții induși în foi sunt mai mici și, prin urmare, încălzirea dispozitivului este minimizată..

Încărcătoare wireless

Un telefon mobil sau o periuță de dinți electrică pot fi încărcate prin inducție magnetică, cunoscută sub numele de încărcare fără fir sau încărcare inductivă..

Funcționează după cum urmează: există o bază sau o stație de încărcare, care are un solenoid sau o bobină principală, prin care este trecut un curent de schimbare. O altă bobină (secundară) este plasată pe mânerul pensulei.

Curentul din bobina primară induce un curent în bobina mânerului atunci când peria este plasată în stația de încărcare, iar aceasta se ocupă de încărcarea bateriei care se află și în mâner.

Mărimea curentului indus este crescută atunci când un miez de material feromagnetic, care poate fi fier, este plasat în bobina principală..

Pentru ca bobina primară să detecteze apropierea bobinei secundare, sistemul emite un semnal intermitent. Odată primit un răspuns, mecanismul descris este activat și curentul începe să fie indus fără a fi nevoie de cabluri..

Ferrofluizi

O altă aplicație interesantă a proprietăților magnetice ale materiei sunt ferofluidele. Acestea constau din mici particule magnetice ale unui compus de ferită, suspendate într-un mediu lichid, care poate fi organic sau chiar apă..

Particulele sunt acoperite cu o substanță care împiedică aglomerarea lor și astfel rămân distribuite în lichid.

Ideea este că fluiditatea lichidului este combinată cu magnetismul particulelor de ferită, care prin ele însele nu sunt puternic magnetice, dar dobândesc o magnetizare în prezența unui câmp extern, așa cum s-a descris anterior.

Magnetizarea dobândită dispare imediat ce câmpul extern este retras.

Ferrofluidele au fost inițial dezvoltate de NASA pentru a mobiliza combustibilul într-o navă spațială fără gravitație, dând impuls cu ajutorul unui câmp magnetic..

În prezent, ferofluidele au multe aplicații, unele încă în faza experimentală, cum ar fi:

- Reduceți frecarea pe tobe de difuzoare și căști (preveniți reverberarea).

- Permiteți separarea materialelor cu densitate diferită.

- Acționați ca etanșări pe arborii de pe hard disk și respingeți murdăria.

- Ca tratament pentru cancer (în faza experimentală). Ferrofluidul este injectat în celulele canceroase și se aplică un câmp magnetic care produce curenți electrici mici. Căldura generată de acestea atacă celulele maligne și le distruge.

Referințe

  1. Jurnalul brazilian de fizică. Ferrofluide: Proprietăți și aplicații. Recuperat de pe: sbfisica.org.br
  2. Figueroa, D. (2005). Seria: Fizică pentru știință și inginerie. Volumul 6. Electromagnetismul. Editat de Douglas Figueroa (USB). 215-221.
  3. Giancoli, D. 2006. Fizică: principii cu aplicații. Sala a 6-a Ed Prentice. 560-562.
  4. Kirkpatrick, L. 2007. Fizica: O privire asupra lumii. Ediția a 6-a prescurtată. Cengage Learning. 233.
  5. Shipman, J. 2009. Introducere în știința fizică. Cengage Learning. 206-208.

Nimeni nu a comentat acest articol încă.