НАМАГНІЧУВАННЯ: ОРБІТАЛЬНИЙ ТА СПІНОВИЙ МАГНІТНИЙ МОМЕНТ, ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Намагніченості є величиною , вектор , що описує магнітне стан матеріалу і визначається як сума дипольних магнітних моментів на одиницю об'єму. Магнітний матеріал, наприклад, залізо або нікель, можна вважати таким, що складається з багатьох малих магнітів, званих диполями.

Зазвичай ці диполі, які в свою чергу мають північний і південний магнітні полюси, розподіляються з певним ступенем розладу в межах обсягу матеріалу. Порушення менше в матеріалах з сильними магнітними властивостями, такими як залізо, і більше в інших з менш очевидним магнетизмом.

Малюнок 1. Магнітні диполі розташовані випадковим чином всередині матеріалу. Джерело: Ф. Сапата.

Однак, розміщуючи матеріал посередині зовнішнього магнітного поля, такого, яке виробляється всередині соленоїда, диполі орієнтуються відповідно до поля і матеріал здатний вести себе як магніт (мал. 2).

Малюнок 2. Поміщаючи такий матеріал, як, наприклад, заліза, наприклад, всередині соленоїда, через який проходить струм I, магнітне поле цього вирівнює диполі в матеріалі. Джерело: Ф. Сапата.

Нехай M - вектор намагніченості, який визначається як:

Тепер інтенсивність намагніченості в матеріалі, продукт занурення у зовнішнє поле Н , пропорційна цій, тому:

M ∝ H

Константа пропорційності залежить від матеріалу, її називають магнітною сприйнятливістю і позначають як χ:

M = χ. Н

Одиниці М у міжнародній системі ампер / метр, як і Н , тому χ безрозмірний.

Орбітальний і спіновий магнітний момент

Магнетизм виникає внаслідок переміщення електричних зарядів, тому, щоб визначити магнетизм атома, ми повинні враховувати рухи заряджених частинок, які його складають.

Малюнок 3. Рух електрона навколо ядра сприяє магнетизму з орбітальним магнітним моментом. Джерело: Ф. Сапата.

Починаючи з електрона, який вважається орбітою атомного ядра, він схожий на крихітний цикл (замкнутий контур або замкнутий цикл струму). Цей рух сприяє магнетизму атома завдяки орбітальному вектору магнітного моменту m, величина якого:

Де I - сила струму, а А - область, замкнута циклом. Тому одиницями m в Міжнародному системі (СІ) є ампер х квадратний метр.

Вектор m перпендикулярний площині петлі, як показано на малюнку 3, і спрямований так, як зазначено правилом великого пальця.

Великий палець орієнтований у напрямку струму і чотири пальці, що залишилися, обмотуються навколо петлі, спрямовані вгору. Цей малий ланцюг еквівалентний смуговому магніту, як показано на малюнку 3.

Магнітний момент спина

Крім орбітального магнітного моменту, електрон поводиться так, ніби він обертається на собі. Це не відбувається саме таким чином, але отриманий ефект той самий, тому це ще один внесок, який потрібно враховувати для чистого магнітного моменту атома.

Насправді спіновий магнітний момент є більш інтенсивним, ніж орбітальний момент і головним чином відповідає за чистий магнетизм речовини.

Малюнок 4. Спіновий магнітний момент - той, який найбільше сприяє чистому намагніченості матеріалу. Джерело: Ф. Сапата.

Моменти віджиму вирівнюються за наявності зовнішнього магнітного поля і створюють ефект каскаду, послідовно вирівнюючи з сусідніми моментами.

Не всі матеріали проявляють магнітні властивості. Це тому, що електрони з протилежними спинами утворюють пари і скасовують свої відповідні магнітні моменти спіна.

Тільки за умови, що якісь залишаються без пари, є внесок у загальний магнітний момент. Тому лише атоми з непарною кількістю електронів мають шанс бути магнітними.

Протони в атомному ядрі також вносять невеликий внесок у загальний магнітний момент атома, оскільки вони також мають спін і, відповідно, магнітний момент.

Але це обернено залежить від маси, а протон набагато більший, ніж у електрона.

Приклади

Усередині котушки, через яку проходить електричний струм, створюється рівномірне магнітне поле.

І як описано на малюнку 2, при розміщенні матеріалу туди магнітні моменти цього вирівнюють із полем котушки. Чистий ефект полягає в створенні більш сильного магнітного поля.

Трансформатори - пристрої, що збільшують або зменшують змінні напруги - хороші приклади. Вони складаються з двох котушок, первинної та вторинної, намотаних на м’яке залізне серцевина.

Малюнок 5. У серцевині трансформатора відбувається чисте намагнічування. Джерело: Wikimedia Commons.

Змінюючий струм пропускається через первинну котушку, яка по черзі змінює лінії магнітного поля всередині ядра, що, в свою чергу, індукує струм у вторинній котушці.

Частота коливань однакова, але величина різна. Таким чином можна отримати більш високі або менші напруги.

Замість того, щоб намотувати котушки до твердої залізної серцевини, бажано класти начинку з металевих листів, покритих лаком.

Причина пов’язана з наявністю вихрових струмів всередині сердечника, які призводять до надмірного його перегріву, але струми, що індукуються в листах, нижчі, а отже, нагрівання пристрою мінімізоване.

Бездротові зарядні пристрої

Мобільний телефон або електрична зубна щітка можуть заряджатися магнітною індукцією, яка відома як бездротова зарядка або індуктивна зарядка.

Він працює наступним чином: є базова або зарядна станція, на якій є соленоїд або основна котушка, через яку пропускається змінна струм. Інша (вторинна) котушка кріпиться до ручки кисті.

Струм у первинній котушці, в свою чергу, викликає струм у котушці рукоятки, коли щітка розміщена в зарядній станції, і це забезпечує подзарядку акумулятора, який також знаходиться в рукоятці.

Величина індукованого струму збільшується, коли в основну котушку поміщається серцевина з феромагнітного матеріалу, яка може бути залізом.

Щоб первинна котушка виявила близькість вторинної котушки, система випромінює переривчастий сигнал. Після отримання відповіді описаний механізм активується і струм починає індукуватись без потреби в кабелях.

Ферофлюїди

Ще одне цікаве застосування магнітних властивостей речовини - це ферофлюїди. Вони складаються з крихітних магнітних частинок феритової сполуки, суспендованих у рідкому середовищі, яке може бути органічною або навіть водою.

Частинки покриті речовиною, яка перешкоджає їх агломерації, і, таким чином, залишаються розподіленими в рідині.

Ідея полягає в тому, що текучість рідини поєднується з магнетизмом частинок фериту, які самі по собі не є сильно магнітними, але набувають намагнічування в присутності зовнішнього поля, як описано вище.

Набуте намагнічування зникає, як тільки виводиться зовнішнє поле.

Ферофлюїди були спочатку розроблені НАСА для мобілізації палива в космічному кораблі без тяжкості, даючи імпульс за допомогою магнітного поля.

В даний час ферофлюїди мають багато застосувань, деякі ще перебувають у фазі експерименту, такі як:

- Зменшіть тертя на глушники гучномовців та навушників (уникайте реверберації).

- Дозволити розділення матеріалів різної щільності.

- Діють як ущільнювачі на валах жорстких дисків і відштовхують бруд.

- Як лікування раку (в експериментальній фазі). Ферофлюїд вводиться в ракові клітини і застосовується магнітне поле, яке виробляє невеликі електричні струми. Тепло, що утворюється цими нападами, нападає на злоякісні клітини і знищує їх.

Список літератури

1. Бразильський журнал фізики. Ферофлюїди: Властивості та застосування. Відновлено з: sbfisica.org.br
2. Фігероа, Д. (2005). Серія: Фізика для науки та техніки. Том 6. Електромагнетизм. Під редакцією Дугласа Фігероа (USB). 215-221.
3. Джанколі, Д. 2006. Фізика: принципи застосування. 6-ий Ед Прентіс Холл. 560-562.
4. Кіркпатрик, Л. 2007. Фізика: погляд у світ. 6-е скорочене видання. Cengage Learning. 233.
5. Шипман, Дж. 2009. Вступ до фізичної науки. Cengage Learning. 206-208.