НАМАГНИЧЕННОСТЬ: ОРБИТАЛЬНЫЙ И СПИНОВОЙ МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ, ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Намагниченности является величиной , вектор , описывающий магнитное состояние материала и определяется как сумма дипольных магнитных моментов на единицу объема. Магнитный материал - например, железо или никель - можно рассматривать как состоящий из множества небольших магнитов, называемых диполями.

Обычно эти диполи, которые, в свою очередь, имеют северный и южный магнитные полюса, распределены с определенной степенью беспорядка в объеме материала. Беспорядок меньше в материалах с сильными магнитными свойствами, таких как железо, и больше в материалах с менее очевидным магнетизмом.

Рис. 1. Магнитные диполи расположены внутри материала случайным образом. Источник: Ф. Сапата.

Однако, помещая материал в середину внешнего магнитного поля, например, создаваемого внутри соленоида, диполи ориентируются в соответствии с полем, и материал может вести себя как магнит (Рисунок 2).

Рис. 2. Помещая такой материал, как, например, кусок железа, внутрь соленоида, через который проходит ток I, его магнитное поле выравнивает диполи в материале. Источник: Ф. Сапата.

Пусть M - вектор намагниченности, который определяется как:

Теперь, интенсивность намагничивания в материале, продукт погружения во внешнее поле H , пропорциональна этому, поэтому:

M ∝ H

Константа пропорциональности зависит от материала, она называется магнитной восприимчивостью и обозначается как χ:

М = х. ЧАС

Единицы измерения M в Международной системе - ампер / метр, как и для H , поэтому χ безразмерен.

Орбитальный и спиновой магнитный момент

Магнетизм возникает из-за движения электрических зарядов, поэтому, чтобы определить магнетизм атома, мы должны учитывать движения заряженных частиц, которые его составляют.

Рис. 3. Движение электрона вокруг ядра вносит вклад в магнетизм с орбитальным магнитным моментом. Источник: Ф. Сапата.

Начиная с электрона, который, как считается, вращается вокруг ядра атома, он похож на крошечный контур (замкнутый контур или замкнутый контур тока). Это движение способствует магнетизму атома благодаря вектору орбитального магнитного момента m, величина которого равна:

Где I - сила тока, а A - площадь, ограниченная петлей. Следовательно, единицы измерения м в Международной системе (СИ) - это амперы на квадратный метр.

Вектор m перпендикулярен плоскости петли, как показано на рисунке 3, и направлен, как показано правилом большого пальца правой руки.

Большой палец ориентируется по направлению тока, а четыре оставшихся пальца обхватывают петлю, указывая вверх. Эта небольшая схема эквивалентна стержневому магниту, как показано на рисунке 3.

Спиновый магнитный момент

Помимо орбитального магнитного момента, электрон ведет себя так, как если бы он вращался сам по себе. Это не совсем так, но результирующий эффект такой же, так что это еще один вклад, который необходимо учитывать для чистого магнитного момента атома.

Фактически, спиновый магнитный момент более интенсивен, чем орбитальный момент, и в основном отвечает за чистый магнетизм вещества.

Рис. 4. Спиновый магнитный момент вносит наибольший вклад в суммарную намагниченность материала. Источник: Ф. Сапата.

Спиновые моменты выравниваются в присутствии внешнего магнитного поля и создают каскадный эффект, последовательно выравниваясь с соседними моментами.

Не все материалы обладают магнитными свойствами. Это происходит потому, что электроны с противоположным спином образуют пары и нейтрализуют соответствующие им спиновые магнитные моменты.

Вклад в общий магнитный момент вносится только в том случае, если они непарные. Следовательно, только атомы с нечетным числом электронов могут быть магнитными.

Протоны в атомном ядре также вносят небольшой вклад в общий магнитный момент атома, потому что они также имеют спин и, следовательно, связанный с ним магнитный момент.

Но это обратно пропорционально массе, а масса протона намного больше массы электрона.

Примеры

Внутри катушки, через которую проходит электрический ток, создается однородное магнитное поле.

Как показано на рисунке 2, при размещении материала магнитные моменты этого материала совпадают с полем катушки. В результате создается более сильное магнитное поле.

Трансформаторы, устройства, которые увеличивают или уменьшают переменное напряжение, являются хорошими примерами. Они состоят из двух катушек, первичной и вторичной, намотанных на сердечник из мягкого железа.

Рис. 5. В сердечнике трансформатора возникает чистая намагниченность. Источник: Wikimedia Commons.

Через первичную катушку проходит изменяющийся ток, который попеременно изменяет силовые линии магнитного поля в сердечнике, что, в свою очередь, индуцирует ток во вторичной катушке.

Частота колебаний такая же, но разная величина. Таким образом можно получить более высокое или более низкое напряжение.

Вместо намотки катушек на прочный железный сердечник желательно положить заливку из металлических листов, покрытых лаком.

Причина заключается в наличии вихревых токов внутри сердечника, которые приводят к чрезмерному его перегреву, но токи, индуцируемые в листах, ниже, и поэтому нагрев устройства сводится к минимуму.

Беспроводные зарядные устройства

Сотовый телефон или электрическую зубную щетку можно заряжать с помощью магнитной индукции, известной как беспроводная зарядка или индукционная зарядка.

Он работает следующим образом: есть база или зарядная станция, в которой есть соленоид или основная катушка, через которые пропускается изменяющийся ток. Другой (вторичный) змеевик прикреплен к ручке щетки.

Ток в первичной катушке, в свою очередь, индуцирует ток в катушке ручки, когда щетка помещается в зарядную станцию, и это обеспечивает зарядку аккумулятора, который также находится в ручке.

Величина наведенного тока увеличивается, когда сердечник из ферромагнитного материала, которым может быть железо, помещается в основную катушку.

Чтобы первичная обмотка могла определить близость вторичной обмотки, система излучает прерывистый сигнал. Как только ответ получен, описанный механизм активируется, и ток начинает индуцироваться без использования кабелей.

Магнитные жидкости

Еще одно интересное приложение магнитных свойств вещества - феррожидкости. Они состоят из крошечных магнитных частиц ферритового соединения, взвешенных в жидкой среде, которая может быть органической или даже водой.

Частицы покрыты веществом, которое предотвращает их агломерацию, и таким образом остаются распределенными в жидкости.

Идея состоит в том, что текучесть жидкости сочетается с магнетизмом частиц феррита, которые сами по себе не являются сильно магнитными, но приобретают намагниченность в присутствии внешнего поля, как описано выше.

Приобретенная намагниченность исчезает, как только снимается внешнее поле.

Феррожидкости были первоначально разработаны НАСА для мобилизации топлива внутри космического корабля без гравитации, давая импульс с помощью магнитного поля.

В настоящее время феррожидкости находят множество применений, некоторые из которых все еще находятся в экспериментальной фазе, например:

- Уменьшите трение глушителей динамиков и наушников (избегайте реверберации).

- Разрешить разделение материалов с разной плотностью.

- Действуют как уплотнения на валах жестких дисков и отталкивают грязь.

- В качестве лечения рака (в экспериментальной фазе). Феррожидкость вводится в раковые клетки и прикладывается магнитное поле, которое производит небольшие электрические токи. Вырабатываемое ими тепло атакует злокачественные клетки и разрушает их.

Ссылки

1. Бразильский журнал физики. Феррожидкости: свойства и применение. Получено с: sbfisica.org.br
2. Фигероа, Д. (2005). Серия: Физика для науки и техники. Том 6. Электромагнетизм. Отредактировал Дуглас Фигероа (USB). 215-221.
3. Джанколи, Д. 2006. Физика: принципы с приложениями. Шестой Эд Прентис Холл. 560-562.
4. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: взгляд на мир. 6-е сокращенное издание. Cengage Learning. 233.
5. Шипман, Дж. 2009. Введение в физическую науку. Cengage Learning. 206-208.