MAGNETYZACJA: ORBITALNY I SPINOWY MOMENT MAGNETYCZNY, PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2026

Namagnesowanie jest wielkością wektora opisujące stan magnetycznego materiału i jest definiowana jako ilość dipolarnych momentów magnetycznych na jednostkę objętości. Można uznać, że materiał magnetyczny - na przykład żelazo lub nikiel - składa się z wielu małych magnesów zwanych dipolami.

Zwykle te dipole, które z kolei mają północne i południowe bieguny magnetyczne, są rozmieszczone z pewnym stopniem nieuporządkowania w objętości materiału. Zaburzenie jest mniejsze w materiałach o silnych właściwościach magnetycznych, takich jak żelazo, i większe w innych z mniej oczywistym magnetyzmem.

Rysunek 1. Dipole magnetyczne są rozmieszczone losowo wewnątrz materiału. Źródło: F. Zapata.

Jednak umieszczając materiał w środku zewnętrznego pola magnetycznego, takiego jak wytwarzane w solenoidzie, dipole są zorientowane zgodnie z polem i materiał może zachowywać się jak magnes (rysunek 2).

Rysunek 2. Umieszczając materiał, taki jak na przykład kawałek żelaza, wewnątrz solenoidu, przez który przepływa prąd I, pole magnetyczne tego elementu wyrównuje dipole w materiale. Źródło: F. Zapata.

Niech M będzie wektorem namagnesowania, który jest zdefiniowany jako:

Otóż, natężenie namagnesowania materiału będącego produktem zanurzenia w polu zewnętrznym H jest do tego proporcjonalne, a zatem:

M ∝ H

Stała proporcjonalności zależy od materiału, nazywa się podatnością magnetyczną i jest oznaczana jako χ:

M = χ. H.

Jednostki M w układzie międzynarodowym to amper / metr, podobnie jak jednostki H , dlatego χ jest bezwymiarowe.

Moment magnetyczny orbitalny i spinowy

Magnetyzm powstaje w wyniku poruszania się ładunków elektrycznych, dlatego aby określić magnetyzm atomu, musimy wziąć pod uwagę ruchy naładowanych cząstek, które go tworzą.

Rysunek 3. Ruch elektronu wokół jądra przyczynia się do magnetyzmu z orbitalnym momentem magnetycznym. Źródło: F. Zapata.

Zaczynając od elektronu, który jest uważany za krążący wokół jądra atomowego, przypomina małą pętlę (obwód zamknięty lub zamknięty obwód prądowy). Ruch ten przyczynia się do magnetyzmu atomu dzięki orbitalnemu wektorowi momentu magnetycznego m, którego wielkość wynosi:

Gdzie I to natężenie prądu, a A to obszar objęty pętlą. Dlatego jednostkami m w układzie międzynarodowym (SI) są ampery x metr kwadratowy.

Wektor m jest prostopadły do ​​płaszczyzny pętli, jak pokazano na ryc. 3, i jest skierowany zgodnie z regułą prawego kciuka.

Kciuk jest skierowany w kierunku prądu, a pozostałe cztery palce są owinięte wokół pętli, skierowane do góry. Ten mały obwód jest odpowiednikiem magnesu sztabkowego, jak pokazano na rysunku 3.

Wirowy moment magnetyczny

Oprócz orbitalnego momentu magnetycznego elektron zachowuje się tak, jakby obracał się wokół siebie. Nie dzieje się to dokładnie w ten sposób, ale wynikowy efekt jest taki sam, więc jest to kolejny wkład, który należy wziąć pod uwagę przy obliczaniu momentu magnetycznego netto atomu.

W rzeczywistości spinowy moment magnetyczny jest bardziej intensywny niż moment orbity i jest głównie odpowiedzialny za magnetyzm sieci substancji.

Rysunek 4. Spinowy moment magnetyczny jest tym, który w największym stopniu przyczynia się do magnesowania netto materiału. Źródło: F. Zapata.

Momenty spinowe wyrównują się w obecności zewnętrznego pola magnetycznego i tworzą efekt kaskady, kolejno wyrównując się z momentami sąsiednimi.

Nie wszystkie materiały wykazują właściwości magnetyczne. Dzieje się tak, ponieważ elektrony o przeciwnych spinach tworzą pary i anulują odpowiadające im spinowe momenty magnetyczne.

Tylko jeśli którekolwiek z nich są niesparowane, ma to wpływ na całkowity moment magnetyczny. Dlatego tylko atomy z nieparzystą liczbą elektronów mają szansę być magnetycznymi.

Protony w jądrze atomowym mają również niewielki udział w całkowitym momencie magnetycznym atomu, ponieważ mają również spin, a zatem związany z nim moment magnetyczny.

Ale jest to odwrotnie zależne od masy, a proton jest znacznie większy niż elektron.

Przykłady

Wewnątrz cewki, przez którą przepływa prąd elektryczny, powstaje jednolite pole magnetyczne.

Jak opisano na rysunku 2, po umieszczeniu tam materiału momenty magnetyczne tego materiału są wyrównane z polem cewki. Efektem netto jest wytworzenie silniejszego pola magnetycznego.

Dobrym przykładem są transformatory, urządzenia zwiększające lub zmniejszające napięcia przemienne. Składają się z dwóch cewek, pierwotnej i wtórnej, nawiniętych na miękki żelazny rdzeń.

Rysunek 5. W rdzeniu transformatora zachodzi namagnesowanie netto. Źródło: Wikimedia Commons.

Zmieniający się prąd przepływa przez cewkę pierwotną, która na przemian modyfikuje linie pola magnetycznego w rdzeniu, co z kolei indukuje prąd w cewce wtórnej.

Częstotliwość oscylacji jest taka sama, ale wielkość jest inna. W ten sposób można uzyskać wyższe lub niższe napięcia.

Zamiast nawijać cewki na solidny żelazny rdzeń, lepiej jest umieścić wypełnienie z blach pokrytych lakierem.

Przyczyną jest występowanie wewnątrz rdzenia prądów wirowych, które powodują jego nadmierne przegrzanie, ale prądy indukowane w blachach są mniejsze, a tym samym nagrzewanie się urządzenia jest zminimalizowane.

Ładowarki bezprzewodowe

Telefon komórkowy lub elektryczną szczoteczkę do zębów można ładować za pomocą indukcji magnetycznej, znanej jako ładowanie bezprzewodowe lub ładowanie indukcyjne.

Działa to w następujący sposób: jest baza lub stacja ładująca, która posiada cewkę lub cewkę główną, przez którą przepływa zmienny prąd. Kolejna (wtórna) cewka jest przymocowana do rączki szczotki.

Prąd w cewce pierwotnej z kolei indukuje prąd w cewce rączki, gdy szczotka jest umieszczona w stacji ładującej, a to dba o ładowanie akumulatora, który również znajduje się w rączce.

Wielkość indukowanego prądu wzrasta, gdy rdzeń z materiału ferromagnetycznego, którym może być żelazo, jest umieszczony w głównej cewce.

Aby cewka pierwotna wykryła bliskość cewki wtórnej, system emituje przerywany sygnał. Po otrzymaniu odpowiedzi opisany mechanizm zostaje aktywowany i prąd zaczyna być indukowany bez potrzeby stosowania kabli.

Ferrofluidy

Innym interesującym zastosowaniem magnetycznych właściwości materii są ferrofluidy. Składają się one z maleńkich magnetycznych cząstek związku ferrytowego, zawieszonych w ciekłym ośrodku, którym może być woda organiczna lub nawet woda.

Cząsteczki są pokryte substancją, która zapobiega ich aglomeracji, a tym samym pozostaje rozprowadzona w cieczy.

Chodzi o to, że płynność cieczy jest połączona z magnetyzmem cząstek ferrytu, które same w sobie nie są silnie magnetyczne, ale uzyskują magnetyzację w obecności zewnętrznego pola, jak opisano powyżej.

Uzyskane namagnesowanie zanika, gdy tylko zewnętrzne pole zostanie wycofane.

Ferrofluidy zostały pierwotnie opracowane przez NASA w celu mobilizacji paliwa w statku kosmicznym bez grawitacji, dając impuls za pomocą pola magnetycznego.

Obecnie ferrofluidy mają wiele zastosowań, niektóre wciąż znajdują się w fazie eksperymentalnej, takich jak:

- Zmniejsz tarcie na tłumikach głośników i słuchawek (unikaj pogłosu).

- Umożliwiają oddzielanie materiałów o różnej gęstości.

- Działają jak uszczelki na wałkach dysków twardych i odpychają brud.

- Jako lek na raka (w fazie eksperymentalnej). Ferrofluid jest wstrzykiwany do komórek rakowych i przykładane jest pole magnetyczne, które wytwarza niewielkie prądy elektryczne. Wytworzone przez nie ciepło atakuje złośliwe komórki i niszczy je.

Bibliografia

1. Brazilian Journal of Physics. Ferrofluidy: właściwości i zastosowania. Odzyskany z: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Seria: Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 6. Elektromagnetyzm. Pod redakcją Douglasa Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. 6th Ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6. wydanie skrócone. Cengage Learning. 233.
5. Shipman, J. 2009. Wprowadzenie do nauk fizycznych. Cengage Learning. 206-208.