МАГНЕТИЗМ: МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ, ВИКОРИСТАННЯ - ФІЗИЧНІ - 2025

Магнетизм або магнітна енергія є сила , пов'язаним рухом природи і здатним виробляти електричне притягання або відштовхування в певних речовинах навантажень. Магніти - добре відомі джерела магнетизму.

Всередині них є взаємодії, які переводяться на наявність магнітних полів, які чинять свій вплив, наприклад, на невеликі шматочки заліза або нікелю.

Красиві кольори Північного сяйва обумовлені космічними частинками, що випромінюють енергію, коли вони відхиляються від магнітного поля Землі. Джерело: Pixabay.

Магнітне поле магніту стає видимим, коли його поміщають під папір, на який розкидаються залізо. Подача одразу орієнтується уздовж ліній поля, створюючи двовимірне зображення поля.

Ще одне відоме джерело - дроти, що проводять електричний струм; Але на відміну від постійних магнітів, магнетизм зникає, коли струм припиняється.

Кожного разу, коли десь виникає магнітне поле, якомусь агенту доводилося виконувати роботу. Енергія, вкладена в цей процес, зберігається в створеному магнітному полі і потім може розглядатися як магнітна енергія.

Розрахунок, скільки магнітної енергії зберігається в полі, залежить від поля та геометрії пристрою або області, де він був створений.

Індуктори або котушки є хорошими місцями для цього, створюючи магнітну енергію приблизно так само, як електрична енергія зберігається між пластинами конденсатора.

Історія та відкриття

Старі програми

Легенди, розказані Плінієм про Давню Грецію, говорять про вівчарку Магнеса, який понад 2000 років тому знайшов таємничий мінерал, здатний залучати шматки заліза, але не інші матеріали. Це був магнетит, оксид заліза з сильними магнітними властивостями.

Причина магнітного потягу залишалася прихованою протягом сотень років. У кращому випадку це було віднесено до надприродних подій. Хоча не з цієї причини, для нього знайшли цікаві додатки, такі як компас.

Компас, винайдений китайцями, використовує власний магнетизм Землі для керівництва користувачем під час навігації.

Перші наукові дослідження

Вивчення магнітних явищ мало великий прогрес завдяки Вільяму Гілберту (1544 - 1603). Цей англійський вчений єлизаветинської епохи вивчав магнітне поле сферичного магніту і дійшов висновку, що Земля повинна мати власне магнітне поле.

Зі свого вивчення магнітів він також зрозумів, що не може отримати окремі магнітні полюси. Коли магніт розділяється на два, нові магніти також мають обидва полюси.

Однак саме на початку 19 століття вчені зрозуміли існування зв’язку між електричним струмом і магнетизмом.

Ганс Крістіан Ерстед (1777 - 1851), народився в Данії, в 1820 році мав ідею пропускати електричний струм через провідник і спостерігати за тим ефектом, який це чинив на компас. Компас відхилиться, і коли струм перестане текти, компас знову вкаже на північ, як зазвичай.

Це явище можна перевірити, наблизивши компас до одного з кабелів, що виходять з акумуляторної батареї автомобіля, під час роботи стартера.

На момент закриття ланцюга голка повинна відчути відхилення, оскільки акумулятори автомобілів можуть подавати струми досить високо, щоб компас відхилявся.

Таким чином стало зрозуміло, що рухомі заряди - це те, що породжує магнетизм.

Сучасні дослідження

Через кілька років після Ерстедських експериментів британський дослідник Майкл Фарадей (1791 - 1867) відзначив ще одну віху, виявивши, що різні магнітні поля в свою чергу породжують електричні струми.

Обидва явища, електричне та магнітне, тісно пов’язані між собою, причому кожне з них породжує інше. Їх зібрав учень Фарадея Джеймс Клерк Максвелл (1831 - 1879) у рівняннях, що носять його ім'я.

Ці рівняння містять та узагальнюють електромагнітну теорію і є чинними навіть у релятивістській фізиці.

Магнітні властивості матеріалів

Чому деякі матеріали проявляють магнітні властивості або набувають магнетизму легко? Ми знаємо, що магнітне поле обумовлене рухомими зарядами, тому всередині магніту повинні бути невидимі електричні струми, які породжують магнетизм.

Вся речовина містить електрони, що обертаються навколо атомного ядра. Електрон можна порівняти із Землею, яка має поступальний рух навколо Сонця, а також обертальний рух на власній осі.

Класична фізика приписує аналогічні рухи електрону, хоча аналогія не зовсім точна. Однак справа в тому, що обидві властивості електрона змушують його вести себе як крихітна петля, яка створює магнітне поле.

Саме спін електрона найбільше сприяє магнітному полі атома. В атомах з багатьма електронами вони згруповані в пари і з протилежними спінами. Таким чином, їх магнітні поля скасовують одне одного. Це те, що відбувається в більшості матеріалів.

Однак є деякі мінерали та сполуки, в яких є непарний електрон. Таким чином, чисте магнітне поле не дорівнює нулю. Це створює магнітний момент, вектор, величина якого добуток струму та площі ланцюга.

Суміжні магнітні моменти взаємодіють один з одним і утворюють області, звані магнітними доменами, в яких багато спінів вирівняні в одному напрямку. Отримане магнітне поле дуже сильне.

Феромагнетизм, парамагнетизм та діамагнетизм

Матеріали, що володіють цією якістю, називаються феромагнітними. Їх декілька: залізо, нікель, кобальт, гадоліній та деякі сплави того ж.

У решті елементів періодичної таблиці відсутні дуже виражені магнітні ефекти. Вони відносяться до категорії парамагнітних або діамагнітних.

Насправді діамагнетизм - це властивість усіх матеріалів, які відчувають незначне відштовхування за наявності зовнішнього магнітного поля. Вісмут - стихія з найбільш акцентованим діамагнетизмом.

З іншого боку, парамагнетизм складається з менш інтенсивної магнітної реакції, ніж феромагнетизм, але однаково привабливий. Парамагнітними речовинами є, наприклад, алюміній, повітря та деякі оксиди заліза, такі як гетит.

Використання магнітної енергії

Магнетизм - частина основних сил природи. Оскільки люди також є її частиною, вони пристосовані до існування магнітних явищ, а також до решти життя на планеті. Наприклад, деякі тварини використовують магнітне поле Землі для географічного орієнтування.

Насправді вважається, що птахи здійснюють свої довгі міграції завдяки тому, що їхній мозок має своєрідний органічний компас, що дозволяє їм сприймати та використовувати геомагнітне поле.

Хоча людям не вистачає такого компаса, натомість вони мають можливість змінювати навколишнє середовище набагато більше способів, ніж решта тваринництва. Таким чином, представники нашого виду використовували магнетизм на свою користь з моменту, коли перша грецька вівчарка виявила плити.

Деякі додатки магнітної енергії

З тих пір існує багато застосувань магнетизму. Ось декілька:

- Згаданий компас, який використовує геомагнітне поле Землі для географічного орієнтування.

- Старі екрани для телевізорів, комп’ютерів та осцилоскопів на основі катодної пробірки, в яких використовуються котушки, що генерують магнітні поля. Вони відповідають за відхилення пучка електронів, щоб він потрапляв у певні місця на екрані, утворюючи таким чином зображення.

- Мас-спектрометри, використовувані для вивчення молекул різних типів і з багатьма сферами застосування в біохімії, кримінології, антропології, історії та інших дисциплінах. Вони використовують електричні та магнітні поля для відхилення заряджених частинок у траєкторіях, що залежать від їх швидкості.

- Магнітогідродинамічне рушій, при якому магнітна сила приводить струмінь морської води (хороший провідник) назад, так що за третім законом Ньютона транспортний засіб або човен отримує імпульс вперед.

- магнітно-резонансна томографія, неінвазивний метод отримання зображень внутрішніх частин людського тіла. В основному він використовує дуже інтенсивне магнітне поле та аналізує реакцію ядер водню (протонів), наявних у тканинах, які мають вищезазначену властивість спіна.

Ці програми вже встановлені, але в майбутньому вважається, що магнетизм може також боротися із захворюваннями, такими як рак молочної залози, за допомогою гіпертермічних методів, які виробляють магнітно-індуковану теплоту.

Ідея полягає у введенні рідини магнетиту безпосередньо в пухлину. Завдяки теплу, яке виробляються магнітно-індукованими струмами, частинки заліза стають досить гарячими, щоб знищити злоякісні клітини.

Переваги і недоліки

Якщо ви думаєте про використання певного виду енергії, вона вимагає перетворення її в певний тип руху, наприклад, турбіни, ліфта або транспортного засобу; або що вона перетворюється на електричну енергію, яка вмикається на якийсь пристрій: телефони, телевізори, банкомат тощо.

Енергія - це величина з безліччю проявів, яку можна змінити різними способами. Чи можна посилити енергію малого магніту, щоб він безперервно рухався більше кількох монет?

Щоб використовувати його, енергія повинна мати великий діапазон і надходити з дуже рясного джерела.

Первинна та вторинна енергії

Такі енергії знаходяться в природі, з якої виробляються інші типи. Вони відомі як первинні енергії:

- Сонячна енергія.

- Атомна енергія.

- Геотермальна енергія.

- Енергія вітру.

- Енергія біомаси.

- Енергія з викопних палив та корисних копалин.

Вторинні енергії, такі як електрика і тепло, виробляються з них. Де тут магнітна енергія?

Електрика та магнетизм - це не два окремих явища. Насправді ці два разом відомі як електромагнітні явища. Поки одна з них існує, інша буде існувати.

Там, де є електрична енергія, там буде магнітна енергія в якійсь формі. Але це вторинна енергія, яка потребує попереднього перетворення деяких первинних енергій.

Характеристика первинної та вторинної енергій

Переваги чи недоліки використання якоїсь енергії встановлюються за багатьма критеріями. Сюди можна віднести, наскільки легким і дешевим є його виробництво, а також наскільки процес здатний негативно впливати на навколишнє середовище та людей.

Щось важливо пам’ятати, це те, що енергії перетворюються багато разів, перш ніж їх можна використовувати.

Скільки перетворень повинно відбутися, щоб магніт, який буде приклеювати список покупок до дверей холодильника? Скільки побудувати електромобіль? Звичайно, досить.

І наскільки чиста магнітна чи електромагнітна енергія? Є такі, хто вважає, що постійне потрапляння електромагнітних полів людського походження спричиняє проблеми зі здоров’ям та довкіллям.

В даний час існує чимало напрямків досліджень, присвячених вивченню впливу цих сфер на здоров'я та навколишнє середовище, але, за даними престижних міжнародних організацій, поки що немає переконливих доказів того, що вони шкідливі.

Приклади магнітної енергії

Пристрій, який служить для стримування магнітної енергії, відомий як індуктор. Це котушка, яка утворюється намотуванням мідного дроту з достатньою кількістю витків, і в багатьох схемах корисно обмежити струм і не допустити його різкого зміни.

Мідна котушка. Джерело: Pixabay.

Циркулюючи струм по витках котушки, всередині нього створюється магнітне поле.

Якщо струм змінюється, це роблять і лінії магнітного поля. Ці зміни викликають струм у витках, що протистоїть їм, відповідно до закону індукції Фарадея-Ленца.

Коли струм раптово збільшується або зменшується, котушка протистоїть їй, тому може мати захисний вплив на ланцюг.

Магнітна енергія котушки

У магнітному полі, створеному в обсязі, відмежованому витками котушки, зберігається магнітна енергія, яка буде позначатися як U _B і яка залежить від:

- Інтенсивність магнітного поля B.

- Площа поперечного перерізу котушки А.

- Довжина котушки l.

- Проникність вакууму μ _o.

Він розраховується так:

Це рівняння справедливо в будь-якій області простору, де є магнітне поле. Якщо об'єм V цієї області відомий, його проникність та напруженість поля, можна обчислити, якою кількістю магнітної енергії він володіє.

Вправа вирішена

Магнітне поле всередині заповненої повітрям котушки діаметром 2,0 см і довжиною 26 см становить 0,70 Т. Скільки енергії зберігається в цьому полі?

Рішення

Чисельні значення підміняються в попередньому рівнянні, піклуючись про перетворення значень в одиниці Міжнародної системи.

1. Джанколі, Д. 2006. Фізика: принципи застосування. Шосте видання. Prentice Hall. 606-607.
2. Вілсон, JD 2011. Фізика 12. Пірсон. 135-146.