MAGNETISMUS: MAGNETICKÉ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ, POUŽITÍ - FYZICKÝ - 2025

Magnetismus nebo magnetická energie je síla, spojena charakter pohybu a schopné produkovat elektrické přitažlivosti nebo odpor v určitých látek zatížení. Magnety jsou dobře známými zdroji magnetismu.

Uvnitř jsou interakce, které se promítají do přítomnosti magnetického pole, které například ovlivňuje malé kousky železa nebo niklu.

Krásné barvy polárních světel jsou způsobeny tím, že kosmické částice emitují energii, protože jsou odkloněny zemským magnetickým polem. Zdroj: Pixabay.

Magnetické pole magnetu se stane viditelným, když je umístěno pod papír, na kterém jsou naneseny železné piliny. Pilíře jsou okamžitě orientovány podél linií pole a vytvářejí dvourozměrný obraz pole.

Dalším známým zdrojem jsou dráty, které přenášejí elektrický proud; Na rozdíl od permanentních magnetů však magnetismus po zastavení proudu zmizí.

Kdykoli se někde objeví magnetické pole, musel nějaký agent pracovat. Energie investovaná do tohoto procesu je uložena ve vytvořeném magnetickém poli a může být považována za magnetickou energii.

Výpočet, kolik magnetické energie je uloženo v poli, závisí na poli a geometrii zařízení nebo oblasti, kde byl vytvořen.

Induktory nebo cívky jsou dobrým místem, jak toho dosáhnout, vytvářejí magnetickou energii v podstatě stejným způsobem, jako je elektrická energie uložena mezi deskami kondenzátoru.

Historie a objev

Staré aplikace

Legendy vyprávěné Pliny o starověkém Řecku hovoří o pastýři Magnesovi, který před více než 2000 lety našel tajemný minerál schopný přitahovat kousky železa, ale ne jiné materiály. Byl to magnetit, oxid železa se silnými magnetickými vlastnostmi.

Důvod magnetické přitažlivosti zůstal skrytý po stovky let. V nejlepším případě to bylo přičítáno nadpřirozeným událostem. Ačkoli ne z tohoto důvodu, byly nalezeny zajímavé aplikace, jako je kompas.

Kompas vynalezený Číňany využívá vlastní magnetismus Země k vedení uživatele během navigace.

První vědecké studie

Studium magnetických jevů mělo velký pokrok díky Williamu Gilbertovi (1544 - 1603). Tento anglický vědec alžbětinské éry studoval magnetické pole sférického magnetu a dospěl k závěru, že Země musí mít své vlastní magnetické pole.

Ze studia magnetů si také uvědomil, že nedokáže získat oddělené magnetické póly. Když je magnet rozdělen na dva, nové magnety mají také oba póly.

Teprve na počátku 19. století si však vědci uvědomili existenci vztahu mezi elektrickým proudem a magnetismem.

Hans Christian Oersted (1777 - 1851), narozený v Dánsku, měl v roce 1820 myšlenku projít elektrický proud dirigentem a pozorovat účinek, který to mělo na kompas. Kompas by se odchýlil, a když proud přestal proudit, kompas by znovu ukázal severně jako obvykle.

Tento jev lze ověřit přiblížením kompasu k jednomu z kabelů vycházejících z autobaterie, zatímco je spuštěn startér.

V okamžiku uzavření obvodu by měla jehla zaznamenat pozorovatelné vychýlení, protože baterie automobilů mohou dodávat proudy dostatečně vysoko, aby se kompas odklonil.

Tímto způsobem bylo jasné, že pohybující se náboje způsobují magnetismus.

Moderní vyšetřování

Několik let po experimentech v Oerstedu označil britský vědec Michael Faraday (1791 - 1867) další milník objevením toho, že měnící se magnetická pole zase způsobují elektrické proudy.

Oba jevy, elektrické i magnetické, spolu úzce souvisejí, přičemž každý z nich vede ke vzniku druhého. Spojil je Faradayův žák James Clerk Maxwell (1831 - 1879) v rovnicích nesoucích jeho jméno.

Tyto rovnice obsahují a shrnují elektromagnetickou teorii a platí i v relativistické fyzice.

Magnetické vlastnosti materiálů

Proč některé materiály vykazují magnetické vlastnosti nebo získávají magnetismus snadno? Víme, že magnetické pole je způsobeno pohybujícími se náboji, a proto uvnitř magnetu musí být neviditelné elektrické proudy, které způsobují magnetismus.

Veškerá hmota obsahuje elektrony obíhající atomové jádro. Elektron lze přirovnat k Zemi, která má translační pohyb kolem Slunce a také rotační pohyb na své vlastní ose.

Klasická fyzika připisuje podobné pohyby elektronu, ačkoli analogie není úplně přesná. Jde však o to, že obě vlastnosti elektronu způsobují, že se chová jako malá smyčka, která vytváří magnetické pole.

Je to spin elektronu, který nejvíce přispívá k magnetickému poli atomu. V atomech s mnoha elektrony jsou seskupeny do dvojic a s protějšími točbami. Jejich magnetická pole se tedy navzájem ruší. To se děje ve většině materiálů.

Existují však některé minerály a sloučeniny, ve kterých je nepárový elektron. Tímto způsobem není čisté magnetické pole nulové. Tím se vytvoří magnetický moment, vektor, jehož velikost je součinem proudu a plochy obvodu.

Sousední magnetické momenty interagují spolu navzájem a vytvářejí oblasti zvané magnetické domény, ve kterých je mnoho otočení zarovnáno stejným směrem. Výsledné magnetické pole je velmi silné.

Ferromagnetismus, paramagnetismus a diamagnetismus

Materiály, které mají tuto kvalitu, se nazývají feromagnetické. Je jich několik: železo, nikl, kobalt, gadolinium a některé jejich slitiny.

Zbytek prvků v periodické tabulce postrádá tyto velmi výrazné magnetické efekty. Patří do kategorie paramagnetických nebo diamagnetických.

Ve skutečnosti je diamagnetismus vlastností všech materiálů, u nichž dochází k mírnému odpuzování v přítomnosti vnějšího magnetického pole. Vizmut je prvek s nejvýraznějším diamagnetismem.

Na druhé straně paramagnetismus sestává z méně intenzivní magnetické odezvy než ferromagnetismus, ale stejně atraktivní. Paramagnetickými látkami jsou například hliník, vzduch a některé oxidy železa, jako je goethit.

Využití magnetické energie

Magnetismus je součástí základních přírodních sil. Jelikož jsou součástí toho také lidé, přizpůsobují se existenci magnetických jevů i zbytku života na planetě. Některá zvířata například využívají zemské magnetické pole k geografické orientaci.

Ve skutečnosti se věří, že ptáci provádějí své dlouhé migrace díky skutečnosti, že ve svých mozcích mají určitý druh organického kompasu, který jim umožňuje vnímat a využívat geomagnetické pole.

I když lidé nemají kompas jako je tento, mají místo toho možnost změnit prostředí mnohem více než ve zbytku království zvířat. Členové našeho druhu tak využívali magnetismus ke své výhodě od okamžiku, kdy první řecký pastýř objevil lodestone.

Některé aplikace magnetické energie

Od té doby existuje mnoho aplikací magnetismu. Zde je několik:

- Výše ​​uvedený kompas, který využívá geomagnetického pole Země k geografické orientaci.

- Staré obrazovky pro televizory, počítače a osciloskopy založené na trubici s katodovým paprskem, které používají cívky vytvářející magnetická pole. Tito jsou zodpovědní za vychýlení elektronového paprsku tak že to udeří na určitá místa na obrazovce, tak tvořit obraz.

- Hmotnostní spektrometry, používané ke studiu různých typů molekul as mnoha aplikacemi v biochemii, kriminologii, antropologii, historii a dalších oborech. Využívají elektrická a magnetická pole k vychýlení nabitých částic v trajektoriích, které závisí na jejich rychlosti.

- Magnetohydrodynamický pohon, při kterém magnetická síla tlačí proud mořské vody (dobrý vodič) dozadu, takže podle Newtonova třetího zákona dostane vozidlo nebo loď dopředný impuls.

- Zobrazování magnetickou rezonancí, neinvazivní metoda získávání obrazů vnitřku lidského těla. V zásadě používá velmi intenzivní magnetické pole a analyzuje odezvu vodíkových jader (protonů) přítomných v tkáních, které mají výše uvedenou vlastnost spinu.

Tyto aplikace jsou již zavedeny, ale v budoucnu se předpokládá, že magnetismus může také bojovat s chorobami, jako je rakovina prsu, pomocí hypertermických technik, které produkují magneticky indukované teplo.

Cílem je vstříknout tekutý magnetit přímo do nádoru. Díky teplu vytvářenému magneticky indukovanými proudy by železné částice byly dostatečně horké, aby zničily zhoubné buňky.

Výhody a nevýhody

Když přemýšlíte o použití určitého typu energie, vyžaduje to jeho přeměnu na nějaký druh pohybu, jako je například turbína, výtah nebo vozidlo; nebo že se transformuje na elektrickou energii, která zapíná některé zařízení: telefony, televizory, bankomat a podobně.

Energie je velikost s mnoha projevy, které lze mnoha způsoby upravit. Může být energie malého magnetu zesílena tak, aby se nepřetržitě pohybovala více než několika mincemi?

Aby byla energie použitelná, musí mít velký rozsah a musí pocházet z velmi hojného zdroje.

Primární a sekundární energie

Takové energie se nacházejí v přírodě, ze které se vyrábějí další typy. Jsou známy jako primární energie:

- Solární energie.

- Atomová energie.

- Geotermální energie.

- Síla větru.

- Energie biomasy.

- Energie z fosilních paliv a minerálů.

Z nich se vyrábí sekundární energie, jako je elektřina a teplo. Kde je magnetická energie?

Elektřina a magnetismus nejsou dva oddělené jevy. Ve skutečnosti jsou obě společně známé jako elektromagnetické jevy. Dokud jeden z nich existuje, druhý bude existovat.

Tam, kde je elektrická energie, bude v nějaké formě magnetická energie. Jedná se však o sekundární energii, která vyžaduje předchozí transformaci některých primárních energií.

Charakteristika primární a sekundární energie

Výhody nebo nevýhody použití určitého druhu energie jsou stanoveny podle mnoha kritérií. Zahrnují, jak snadná a levná je jeho výroba, a také to, jak moc je tento proces schopen negativně ovlivnit životní prostředí a lidi.

Je třeba mít na paměti, že energie se mnohokrát promění, než je lze použít.

Kolik transformací muselo dojít, aby se magnet, který přilepí nákupní seznam ke dveřím chladničky? Kolik postavit elektrické auto? Určitě.

A jak čistá je magnetická nebo elektromagnetická energie? Existují lidé, kteří věří, že neustálé vystavení elektromagnetickým polím lidského původu způsobuje zdravotní a environmentální problémy.

V současné době existuje řada výzkumných linií zaměřených na studium vlivu těchto oborů na zdraví a životní prostředí, ale podle prestižních mezinárodních organizací zatím neexistuje žádný přesvědčivý důkaz, že jsou škodlivé.

Příklady magnetické energie

Zařízení, které slouží k uložení magnetické energie, je známé jako induktor. Je to cívka, která je tvořena navíjením měděného drátu s dostatečným počtem otáček, a v mnoha obvodech je užitečné omezit proud a zabránit jeho náhlé změně.

Měděná cívka. Zdroj: Pixabay.

Cirkulací proudu skrze závity cívky se uvnitř ní vytvoří magnetické pole.

Pokud se změní aktuální, proveďte také čáry magnetického pole. Podle Faraday-Lenzova zákona o indukci tyto změny vyvolávají v tahech proti proudu.

Když se proud náhle zvýší nebo sníží, cívka je proti, proto může mít na obvod ochranné účinky.

Magnetická energie cívky

Magnetická energie je uložena v magnetickém poli vytvořeném v objemu ohraničeném zatáčkami cívky, který bude označen jako U _B a který závisí na:

- Intenzita magnetického pole B.

- průřezová plocha cívky A.

- Délka cívky l.

- propustnost vakua μ _o.

Vypočítá se takto:

Tato rovnice platí v jakékoli oblasti prostoru, kde je magnetické pole. Pokud je znám objem V této oblasti, její propustnost a intenzita pole, je možné vypočítat, kolik magnetické energie má.

Cvičení vyřešeno

Magnetické pole uvnitř vzduchem naplněné cívky o průměru 2,0 cm a délce 26 cm je 0,70 T. Kolik energie je v tomto poli uloženo?

Řešení

Číselné hodnoty jsou nahrazeny v předchozí rovnici, přičemž je třeba převést hodnoty na jednotky mezinárodního systému.

1. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Principy s aplikacemi. Šesté vydání. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Fyzika 12. Pearson. 135-146.