MAGNETYZM: WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNE MATERIAŁÓW, ZASTOSOWANIA - FIZYCZNY - 2026

Magnetyzm lub energia magnetyczna jest to ruch związany siła charakteru i zdolne do wytwarzania atrakcji elektrycznego lub odpychania w niektórych substancji obciążeń. Magnesy są dobrze znanymi źródłami magnetyzmu.

Wewnątrz nich zachodzą interakcje, które przekładają się na obecność pól magnetycznych, które wywierają wpływ na przykład na małe kawałki żelaza lub niklu.

Piękne kolory zorzy polarnej są spowodowane przez kosmiczne cząstki emitujące energię, gdy są odchylane przez pole magnetyczne Ziemi. Źródło: Pixabay.

Pole magnetyczne magnesu staje się widoczne po umieszczeniu go pod papierem, na którym rozłożone są opiłki żelaza. Opiłki są natychmiast zorientowane wzdłuż linii pola, tworząc dwuwymiarowy obraz pola.

Innym dobrze znanym źródłem są przewody przenoszące prąd elektryczny; Ale w przeciwieństwie do magnesów trwałych, magnetyzm znika, gdy prąd ustaje.

Zawsze, gdy gdzieś pojawia się pole magnetyczne, jakiś agent musiał działać. Energia zainwestowana w ten proces jest magazynowana w wytworzonym polu magnetycznym i może być następnie traktowana jako energia magnetyczna.

Obliczenie, ile energii magnetycznej jest zmagazynowane w polu, zależy od pola i geometrii urządzenia lub regionu, w którym zostało utworzone.

Cewki indukcyjne lub cewki to dobre miejsca, w których można to zrobić, wytwarzając energię magnetyczną w podobny sposób, w jaki energia elektryczna jest magazynowana między płytami kondensatora.

Historia i odkrycia

Stare aplikacje

Legendy opowiadane przez Pliniusza o starożytnej Grecji mówią o pasterzu Magnesie, który ponad 2000 lat temu znalazł tajemniczy minerał zdolny do przyciągania kawałków żelaza, ale nie innych materiałów. Był to magnetyt, tlenek żelaza o silnych właściwościach magnetycznych.

Przyczyna przyciągania magnetycznego pozostawała ukryta przez setki lat. W najlepszym przypadku przypisywano to zdarzeniom nadprzyrodzonym. Chociaż nie z tego powodu, znaleziono dla niego ciekawe aplikacje, takie jak kompas.

Wynaleziony przez Chińczyków kompas wykorzystuje własny magnetyzm Ziemi do prowadzenia użytkownika podczas nawigacji.

Pierwsze badania naukowe

W badaniach zjawisk magnetycznych nastąpił wielki postęp dzięki Williamowi Gilbertowi (1544 - 1603). Ten angielski naukowiec z epoki elżbietańskiej zbadał pole magnetyczne sferycznego magnesu i doszedł do wniosku, że Ziemia musi mieć własne pole magnetyczne.

Z badań nad magnesami zdał sobie również sprawę, że nie może uzyskać oddzielnych biegunów magnetycznych. Kiedy magnes jest podzielony na dwie części, nowe magnesy mają również oba bieguny.

Jednak dopiero na początku XIX wieku naukowcy zdali sobie sprawę z istnienia związku między prądem elektrycznym a magnetyzmem.

Hans Christian Oersted (1777 - 1851), urodzony w Danii, wpadł w 1820 na pomysł przepuszczenia prądu elektrycznego przez przewodnik i zaobserwowania, jaki to miało wpływ na kompas. Kompas odchylał się, a kiedy prąd przestał płynąć, kompas znów wskazywałby normalnie północ.

Zjawisko to można zweryfikować zbliżając kompas do jednego z przewodów wychodzących z akumulatora samochodowego w trakcie uruchamiania rozrusznika.

W momencie zamykania obwodu igła powinna odczuwać zauważalne odchylenie, ponieważ akumulatory samochodów mogą dostarczać prąd na tyle wysoki, że kompas odchyla się.

W ten sposób stało się jasne, że poruszające się ładunki są tym, co powoduje magnetyzm.

Współczesne badania

Kilka lat po eksperymentach Oersteda brytyjski badacz Michael Faraday (1791 - 1867) naznaczył kolejny kamień milowy, odkrywając, że zmieniające się pola magnetyczne z kolei powodują powstawanie prądów elektrycznych.

Oba zjawiska, elektryczne i magnetyczne, są ze sobą ściśle powiązane, a każde z nich daje początek drugiemu. Zostały one połączone przez ucznia Faradaya, Jamesa Clerka Maxwella (1831 - 1879), w równaniach noszących jego imię.

Te równania zawierają i podsumowują teorię elektromagnetyczną i są ważne nawet w ramach fizyki relatywistycznej.

Właściwości magnetyczne materiałów

Dlaczego niektóre materiały wykazują właściwości magnetyczne lub łatwo nabywają magnetyzm? Wiemy, że pole magnetyczne jest spowodowane poruszającymi się ładunkami, dlatego wewnątrz magnesu muszą znajdować się niewidzialne prądy elektryczne, które powodują magnetyzm.

Cała materia zawiera elektrony krążące wokół jądra atomowego. Elektron można porównać do Ziemi, która wykonuje ruch postępowy wokół Słońca, a także ruch obrotowy wokół własnej osi.

Fizyka klasyczna przypisuje elektronowi podobne ruchy, chociaż analogia nie jest do końca dokładna. Chodzi jednak o to, że obie właściwości elektronu powodują, że zachowuje się on jak maleńka pętla, która tworzy pole magnetyczne.

To spin elektronu w największym stopniu przyczynia się do powstania pola magnetycznego atomu. W atomach z wieloma elektronami są one zgrupowane w parach i mają przeciwne spiny. W ten sposób ich pola magnetyczne znoszą się nawzajem. Tak dzieje się w większości materiałów.

Istnieją jednak pewne minerały i związki, w których występuje niesparowany elektron. W ten sposób pole magnetyczne netto nie jest zerowe. Tworzy to moment magnetyczny, wektor, którego wielkość jest iloczynem prądu i pola obwodu.

Sąsiednie momenty magnetyczne oddziałują ze sobą i tworzą regiony zwane domenami magnetycznymi, w których wiele spinów jest ułożonych w tym samym kierunku. Powstałe pole magnetyczne jest bardzo silne.

Ferromagnetyzm, paramagnetyzm i diamagnetyzm

Materiały posiadające tę właściwość nazywane są ferromagnetycznymi. Jest ich kilka: żelazo, nikiel, kobalt, gadolin i niektóre ich stopy.

Reszta pierwiastków w układzie okresowym nie ma tych bardzo wyraźnych efektów magnetycznych. Należą do kategorii paramagnetycznych lub diamagnetycznych.

W rzeczywistości diamagnetyzm jest właściwością wszystkich materiałów, które odczuwają lekkie odpychanie w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Bizmut to pierwiastek o najbardziej zaakcentowanym diamagnetyzmie.

Z drugiej strony paramagnetyzm składa się z mniej intensywnej odpowiedzi magnetycznej niż ferromagnetyzm, ale jest równie atrakcyjny. Substancje paramagnetyczne to na przykład aluminium, powietrze i niektóre tlenki żelaza, takie jak getyt.

Zastosowania energii magnetycznej

Magnetyzm jest częścią podstawowych sił natury. Ponieważ istoty ludzkie również są jego częścią, są przystosowane do istnienia zjawisk magnetycznych, a także reszty życia na planecie. Na przykład niektóre zwierzęta wykorzystują pole magnetyczne Ziemi do orientacji geograficznej.

W rzeczywistości uważa się, że ptaki dokonują długich wędrówek dzięki temu, że ich mózgi posiadają rodzaj organicznego kompasu, który pozwala im dostrzec i wykorzystać pole geomagnetyczne.

Chociaż ludziom brakuje takiego kompasu, zamiast tego mają możliwość modyfikowania środowiska na wiele więcej sposobów niż reszta królestwa zwierząt. Tak więc członkowie naszego gatunku używali magnetyzmu na swoją korzyść od momentu, gdy pierwszy grecki pasterz odkrył lodestone.

Wybrane zastosowania energii magnetycznej

Od tego czasu istnieje wiele zastosowań magnetyzmu. Tu jest kilka:

- Wspomniany kompas, który wykorzystuje pole geomagnetyczne Ziemi do orientacji geograficznej.

- Stare ekrany do telewizorów, komputerów i oscyloskopów, oparte na lampie katodowej, które wykorzystują cewki generujące pola magnetyczne. Są one odpowiedzialne za odchylanie wiązki elektronów tak, aby uderzała w określone miejsca na ekranie, tworząc w ten sposób obraz.

- Spektrometry masowe, używane do badania różnych typów cząsteczek i mające wiele zastosowań w biochemii, kryminologii, antropologii, historii i innych dyscyplinach. Wykorzystują pola elektryczne i magnetyczne do odchylania naładowanych cząstek po trajektoriach zależnych od ich prędkości.

- Napęd magnetohydrodynamiczny, w którym siła magnetyczna kieruje strumień wody morskiej (dobrego przewodnika) do tyłu, tak że zgodnie z trzecim prawem Newtona pojazd lub łódź otrzymuje impuls do przodu.

- Rezonans magnetyczny - nieinwazyjna metoda uzyskiwania obrazów wnętrza ludzkiego ciała. Zasadniczo wykorzystuje bardzo intensywne pole magnetyczne i analizuje odpowiedź jąder wodoru (protonów) obecnych w tkankach, które mają wspomnianą właściwość spin.

Zastosowania te są już znane, ale uważa się, że w przyszłości magnetyzm może również zwalczać choroby, takie jak rak piersi, za pomocą technik hipertermicznych, które wytwarzają ciepło indukowane magnetycznie.

Pomysł polega na wstrzyknięciu płynnego magnetytu bezpośrednio do guza. Dzięki ciepłu wytwarzanemu przez prądy indukowane magnetycznie cząsteczki żelaza byłyby wystarczająco gorące, aby zniszczyć złośliwe komórki.

Zalety i wady

Kiedy myślisz o wykorzystaniu określonego rodzaju energii, wymaga to przekształcenia go w pewien rodzaj ruchu, na przykład turbiny, windy lub pojazdu; lub że jest przekształcana w energię elektryczną, która włącza jakieś urządzenie: telefony, telewizory, bankomat i tym podobne.

Energia jest wielkością z wieloma przejawami, którą można modyfikować na wiele sposobów. Czy można wzmocnić energię małego magnesu, tak aby poruszał się w sposób ciągły więcej niż kilka monet?

Aby energia była użyteczna, musi mieć duży zasięg i pochodzić z bardzo obfitego źródła.

Energie pierwotne i wtórne

Takie energie występują w naturze, z której wytwarzane są inne rodzaje. Są znane jako energie pierwotne:

- Energia słoneczna.

- Energia atomowa.

- Energia geotermalna.

- Moc wiatru.

- Energia z biomasy.

- Energia z paliw kopalnych i minerałów.

Wytwarzane są z nich energie wtórne, takie jak energia elektryczna i ciepło. Gdzie jest tutaj energia magnetyczna?

Elektryczność i magnetyzm to nie dwa odrębne zjawiska. W rzeczywistości oba razem są znane jako zjawiska elektromagnetyczne. Dopóki jeden z nich istnieje, drugi będzie istniał.

Tam, gdzie jest energia elektryczna, będzie tam energia magnetyczna w jakiejś formie. Ale jest to energia wtórna, która wymaga wcześniejszej transformacji niektórych energii pierwotnych.

Charakterystyka energii pierwotnej i wtórnej

Zalety lub wady używania jakiegoś rodzaju energii określa się według wielu kryteriów. Należą do nich, jak łatwa i tania jest jego produkcja, a także jak bardzo proces może negatywnie wpłynąć na środowisko i ludzi.

Ważne jest, aby pamiętać, że energie zmieniają się wiele razy, zanim będą mogły zostać użyte.

Ile przemian musiało nastąpić, aby magnes przyklejał listę zakupów do drzwi lodówki? Ile zbudować samochód elektryczny? Z pewnością wystarczy.

A jak czysta jest energia magnetyczna lub elektromagnetyczna? Są tacy, którzy uważają, że ciągła ekspozycja na pola elektromagnetyczne wytwarzane przez człowieka powoduje problemy zdrowotne i środowiskowe.

Obecnie istnieje wiele kierunków badań poświęconych badaniu wpływu tych dziedzin na zdrowie i środowisko, ale według prestiżowych organizacji międzynarodowych nie ma jak dotąd rozstrzygających dowodów na ich szkodliwość.

Przykłady energii magnetycznej

Urządzenie, które służy do przechowywania energii magnetycznej, jest znane jako induktor. Jest to cewka, która jest utworzona przez nawinięcie drutu miedzianego z wystarczającą liczbą zwojów i jest przydatna w wielu obwodach w celu ograniczenia prądu i zapobieżenia jego nagłej zmianie.

Zwój Miedziany. Źródło: Pixabay.

Krążąc prąd przez zwoje cewki, w jej wnętrzu powstaje pole magnetyczne.

Jeśli prąd się zmienia, zmieniają się również linie pola magnetycznego. Zmiany te indukują prąd w zwojach, który jest im przeciwny, zgodnie z prawem indukcji Faradaya-Lenza.

Gdy prąd nagle wzrasta lub maleje, cewka przeciwstawia się temu, dlatego może mieć działanie ochronne na obwód.

Energia magnetyczna cewki

Energia magnetyczna jest magazynowana w polu magnetycznym wytworzonym w objętości ograniczonej zwojami cewki, która będzie oznaczona jako U _B i która zależy od:

- natężenie pola magnetycznego B.

- Pole przekroju poprzecznego cewki A.

- długość cewki l.

- Przepuszczalność próżni μ _o.

Jest obliczany w następujący sposób:

To równanie jest ważne w każdym obszarze przestrzeni, w którym występuje pole magnetyczne. Znając objętość V tego obszaru, jego przepuszczalność i natężenie pola, można obliczyć, ile posiada energii magnetycznej.

Ćwiczenie rozwiązane

Pole magnetyczne wewnątrz wypełnionej powietrzem cewki o średnicy 2,0 cm i długości 26 cm wynosi 0,70 T. Ile energii jest zmagazynowane w tym polu?

Rozwiązanie

Wartości liczbowe są zastępowane w poprzednim równaniu, zwracając uwagę na konwersję wartości na jednostki systemu międzynarodowego.

1. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. Szósta edycja. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Fizyka 12. Pearson. 135-146.