MAGNETIZACE: ORBITÁLNÍ A ROTAČNÍ MAGNETICKÝ MOMENT, PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Magnetizace je vektorová veličina popisující magnetický stav materiálu, a je definována jako množství dipolárních magnetických momentů na jednotku objemu. Magnetický materiál - například železo nebo nikl - lze považovat za složený z mnoha malých magnetů zvaných dipóly.

Normálně jsou tyto dipóly, které mají zase severní a jižní magnetické póly, distribuovány s určitým stupněm poruchy v objemu materiálu. Porucha je méně u materiálů se silnými magnetickými vlastnostmi, jako je železo, a větší u jiných s méně zjevným magnetismem.

Obrázek 1. Magnetické dipóly jsou uvnitř materiálu uspořádány náhodně. Zdroj: F. Zapata.

Avšak umístěním materiálu do středu vnějšího magnetického pole, jako je pole vytvořené v solenoidu, jsou dipóly orientovány podle pole a materiál se může chovat jako magnet (obrázek 2).

Obrázek 2. Umístěním materiálu, jako je například železo, do solenoidu, kterým prochází proud I, magnetické pole tohoto zarovná dipóly v materiálu. Zdroj: F. Zapata.

Nechť M je vektor magnetizace, který je definován jako:

Nyní je intenzita magnetizace v materiálu, produkt ponoření do vnějšího pole H, úměrná tomuto:

M ∝ H

Konstanta proporcionality závisí na materiálu, nazývá se magnetická susceptibilita a označuje se jako χ:

M = χ. H

Jednotky M v mezinárodním systému jsou ampér / metr, jako jednotky H, proto χ je bezrozměrné.

Orbitální a rotační magnetický moment

Magnetismus vzniká z pohybujících se elektrických nábojů, proto abychom určili magnetismus atomu, musíme vzít v úvahu pohyby nabitých částic, které jej tvoří.

Obrázek 3. Pohyb elektronu kolem jádra přispívá k magnetismu orbitálním magnetickým momentem. Zdroj: F. Zapata.

Počínaje elektronem, který je považován za obíhající atomové jádro, je to jako malá smyčka (uzavřený obvod nebo uzavřená proudová smyčka). Tento pohyb přispívá k magnetismu atomu díky vektoru orbitálního magnetického momentu m, jehož velikost je:

Kde I je aktuální intenzita a A je oblast uzavřená smyčkou. Proto jednotky mv mezinárodním systému (SI) jsou ampéry x metr čtvereční.

Vektor m je kolmý na rovinu smyčky, jak je znázorněno na obrázku 3, a je nasměrován tak, jak je naznačeno pravítkem pravého palce.

Palec je orientován ve směru proudu a zbývající čtyři prsty jsou ovinuty kolem smyčky směřující nahoru. Tento malý obvod je ekvivalentní tyčovému magnetu, jak je znázorněno na obrázku 3.

Spin magnetický moment

Kromě orbitálního magnetického momentu se elektron chová, jako by se otáčel na sobě. To se nestane přesně tímto způsobem, ale výsledný účinek je stejný, takže toto je další příspěvek, který je třeba vzít v úvahu pro čistý magnetický moment atomu.

Ve skutečnosti je točivý magnetický moment intenzivnější než okružní moment a je hlavně zodpovědný za síťový magnetismus látky.

Obrázek 4. Rotační magnetický moment je ten, který nejvíce přispívá k síťové magnetizaci materiálu. Zdroj: F. Zapata.

Otočné momenty se vyrovnávají v přítomnosti vnějšího magnetického pole a vytvářejí kaskádový efekt, který se postupně vyrovnává se sousedními momenty.

Ne všechny materiály vykazují magnetické vlastnosti. Důvodem je to, že elektrony s protějšími spinu tvoří páry a ruší své příslušné spinové magnetické momenty.

Pouze pokud jsou nepárové, přispívá to k celkovému magnetickému momentu. Proto jen atomy s lichým počtem elektronů mají šanci být magnetické.

Protony v atomovém jádru také nepatrně přispívají k celkovému magnetickému momentu atomu, protože také mají spin a proto související magnetický moment.

Ale to je nepřímo závislé na hmotě a proton je mnohem větší než elektron.

Příklady

Uvnitř cívky, skrz kterou prochází elektrický proud, se vytvoří jednotné magnetické pole.

A jak je popsáno na obrázku 2, při umísťování materiálu tam jsou magnetické momenty tohoto zarovnány s polem cívky. Síťovým efektem je vytvoření silnějšího magnetického pole.

Transformátory, zařízení, která zvyšují nebo snižují střídavé napětí, jsou dobrými příklady. Skládají se ze dvou cívek, primární a sekundární, navinutých na měkké železné jádro.

Obrázek 5. V jádru transformátoru dochází k magnetizaci sítě. Zdroj: Wikimedia Commons.

Měnící se proud je veden primární cívkou, která střídavě modifikuje linie magnetického pole uvnitř jádra, což zase indukuje proud v sekundární cívce.

Frekvence oscilace je stejná, ale velikost je jiná. Tímto způsobem lze získat vyšší nebo nižší napětí.

Místo navíjení cívek na pevné železné jádro je výhodné vložit výplň z kovových listů pokrytých lakem.

Důvod je způsoben přítomností vířivých proudů uvnitř jádra, které způsobují nadměrné přehřátí, ale proudy indukované v listech jsou nižší, a proto je ohřev zařízení minimalizován.

Bezdrátové nabíječky

Mobilní telefon nebo elektrický zubní kartáček lze nabíjet magnetickou indukcí, která se nazývá bezdrátové nabíjení nebo induktivní nabíjení.

Funguje to následujícím způsobem: existuje základna nebo nabíjecí stanice, která má solenoid nebo hlavní cívku, přes kterou prochází měnící se proud. K rukojeti kartáče je připojena další (sekundární) cívka.

Proud v primární cívce zase indukuje proud ve cívce držadla, když je kartáč umístěn v nabíjecí stanici, a to zajišťuje nabíjení baterie, která je také v držadle.

Velikost indukovaného proudu se zvyšuje, když je jádro feromagnetického materiálu, kterým může být železo, umístěno v hlavní cívce.

Aby primární cívka detekovala blízkost sekundární cívky, systém vysílá přerušovaný signál. Jakmile je přijata odpověď, je popsaný mechanismus aktivován a proud začíná být indukován bez potřeby kabelů.

Ferrofluidy

Další zajímavou aplikací magnetických vlastností hmoty jsou ferrofluidy. Skládají se z malých magnetických částic feritové sloučeniny suspendovaných v kapalném médiu, kterým může být organická nebo dokonce voda.

Částice jsou potaženy látkou, která zabraňuje jejich aglomeraci, a tak zůstávají rozptýleny v kapalině.

Myšlenka je taková, že tekutost kapaliny je kombinována s magnetismem feritových částic, které samy o sobě nejsou silně magnetické, ale získávají magnetizaci v přítomnosti vnějšího pole, jak je popsáno výše.

Získaná magnetizace zmizí, jakmile je externí pole odebráno.

Ferrofluidy byly původně vyvinuty NASA pro mobilizaci paliva v kosmické lodi bez gravitace, dávající impuls pomocí magnetického pole.

V současnosti mají ferrofluidy mnoho aplikací, některé stále v experimentální fázi, jako například:

- Snižte tření na tlumičích reproduktorů a sluchátek (zamezte ozvěně).

- Umožněte oddělení materiálů s různou hustotou.

- Působit jako těsnění na hřídelích pevných disků a odpuzovat nečistoty.

- Jako léčba rakoviny (v experimentální fázi). Ferrofluid se vstřikuje do rakovinných buněk a aplikuje se magnetické pole, které produkuje malé elektrické proudy. Teplo generované těmito útoky zhoubné buňky ničí.

Reference

1. Brazilský žurnál fyziky. Ferrofluidy: Vlastnosti a aplikace. Obnoveno z: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Série: Fyzika pro vědu a techniku. Svazek 6. Elektromagnetismus. Editoval Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Principy s aplikacemi. 6. ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Fyzika: Pohled na svět. 6. zkrácené vydání. Cengage Learning. 233.
5. Shipman, J. 2009. Úvod do fyzikální vědy. Cengage Learning. 206-208.