MAGNETISM: PROPRIETĂȚI MAGNETICE ALE MATERIALELOR, UTILIZĂRI - FIZIC - 2025

Magnetismul sau energia magnetică este o mișcare de natură forță asociată și capabile să producă atracție electrice sau repulsie în anumite sarcini substanțe. Magneții sunt surse binecunoscute de magnetism.

În interiorul acestora există interacțiuni care se traduc în prezența câmpurilor magnetice, care își exercită influența asupra unor bucăți mici de fier sau nichel, de exemplu.

Culorile frumoase ale Luminilor de Nord se datorează particulelor cosmice care emit energie, deoarece sunt deviate de câmpul magnetic al Pământului. Sursa: Pixabay.

Câmpul magnetic al unui magnet devine vizibil atunci când este așezat sub o hârtie pe care sunt răspândite filajele de fier. Fișierele sunt imediat orientate de-a lungul liniilor de câmp, creând o imagine bidimensională a câmpului.

O altă sursă binecunoscută sunt firele care transportă curent electric; Spre deosebire de magneții permanenți, magnetismul dispare când se oprește curentul.

Ori de câte ori apare un câmp magnetic undeva, un agent trebuia să lucreze. Energia investită în acest proces este stocată în câmpul magnetic creat și poate fi considerată ca energie magnetică.

Calculul cât de multă energie magnetică este stocată în câmp depinde de câmp și de geometria dispozitivului sau a regiunii în care a fost creat.

Inductoarele sau bobinele sunt locuri bune pentru a face acest lucru, creând energie magnetică în același mod în care energia electrică este stocată între plăcile unui condensator.

Istorie și descoperire

Aplicații vechi

Legendele povestite de Pliniu despre Grecia antică vorbesc despre ciobanul Magnes, care în urmă cu mai bine de 2000 de ani a găsit un mineral misterios capabil să atragă bucăți de fier, dar nu și alte materiale. Era magnetită, un oxid de fier cu puternice proprietăți magnetice.

Motivul atracției magnetice a rămas ascuns timp de sute de ani. În cel mai bun caz, a fost atribuită evenimentelor supranaturale. Deși nu din acest motiv, au fost găsite aplicații interesante pentru aceasta, cum ar fi busola.

Busola inventată de chinezi folosește propriul magnetism al Pământului pentru a ghida utilizatorul în timpul navigării.

Primele studii științifice

Studiul fenomenelor magnetice a avut un avans mare datorită lui William Gilbert (1544 - 1603). Acest om de știință englez din epoca isabelină a studiat câmpul magnetic al unui magnet sferic și a ajuns la concluzia că Pământul trebuie să aibă propriul său câmp magnetic.

Din studiul său despre magneți, el și-a dat seama că nu poate obține poli magnetici separati. Când un magnet este secționat în doi, magneții noi au de asemenea ambii poli.

Cu toate acestea, la începutul secolului al XIX-lea, oamenii de știință au realizat existența relației dintre curentul electric și magnetism.

Hans Christian Oersted (1777 - 1851), născut în Danemarca, a avut în 1820 ideea de a trece un curent electric printr-un conductor și de a observa efectul pe care acesta l-a avut asupra unei busole. Busola s-ar abate, iar când curentul va înceta să curgă, busola va indica din nou spre nord, ca de obicei.

Acest fenomen poate fi verificat prin apropierea busolei de unul dintre cablurile care ies din bateria mașinii, în timp ce demararea este acționată.

În momentul închiderii circuitului acul trebuie să apară o deviere observabilă, deoarece bateriile mașinilor pot furniza curenți suficient de ridicați, astfel încât busola să devieze.

În acest fel, a devenit clar că sarcinile în mișcare sunt cele care dau naștere magnetismului.

Investigații moderne

La câțiva ani după experimentele Oersted, cercetătorul britanic Michael Faraday (1791 - 1867) a marcat o altă etapă, descoperind că diferite câmpuri magnetice dau naștere la curenți electrici.

Ambele fenomene, electrice și magnetice, sunt strâns legate între ele, fiecare dând naștere la celălalt. Au fost reunite de discipolul lui Faraday, James Clerk Maxwell (1831 - 1879), în ecuațiile care îi poartă numele.

Aceste ecuații conțin și rezumă teoria electromagnetică și sunt valabile chiar și în fizica relativistă.

Proprietățile magnetice ale materialelor

De ce unele materiale prezintă proprietăți magnetice sau dobândesc cu ușurință magnetismul? Știm că câmpul magnetic se datorează sarcinilor în mișcare, prin urmare în interiorul magnetului trebuie să existe curenți electrici invizibili care să conducă la magnetism.

Toată materia conține electroni care orbitează nucleul atomic. Electronul poate fi comparat cu Pământul, care are o mișcare de translație în jurul Soarelui și, de asemenea, o mișcare de rotație pe propria sa axă.

Fizica clasică atribuie mișcări similare electronului, deși analogia nu este complet exactă. Cu toate acestea, ideea este că ambele proprietăți ale electronului îl fac să se comporte ca o buclă minusculă care creează un câmp magnetic.

Este rotirea electronului care contribuie cel mai mult la câmpul magnetic al atomului. În atomii cu mulți electroni, aceștia sunt grupați în perechi și cu rotiri opuse. Astfel, câmpurile lor magnetice se anulează reciproc. Acest lucru se întâmplă în majoritatea materialelor.

Cu toate acestea, există unele minerale și compuși în care există un electron neperecheat. În acest fel, câmpul magnetic net nu este zero. Se creează astfel un moment magnetic, un vector a cărui magnitudine este produsul curentului și al zonei circuitului.

Momentele magnetice alăturate interacționează între ele și formează regiuni numite domenii magnetice, în care multe rotiri sunt aliniate în aceeași direcție. Câmpul magnetic rezultat este foarte puternic.

Ferromagnetism, paramagnetism și diamagnetism

Materialele care posedă această calitate se numesc feromagnetice. Sunt câteva: fier, nichel, cobalt, gadoliniu și unele aliaje ale aceluiași.

Restul elementelor din tabelul periodic nu au aceste efecte magnetice foarte pronunțate. Acestea se încadrează în categoria paramagnetice sau diamagnetice.

De fapt, diamagnetismul este o proprietate a tuturor materialelor, care prezintă o ușoară repulsie în prezența unui câmp magnetic extern. Bismutul este elementul cu cel mai accentuat diamagnetism.

Pe de altă parte, paramagnetismul constă într-un răspuns magnetic mai puțin intens decât ferromagnetismul, dar la fel de atractiv. Substanțele paramagnetice sunt de exemplu aluminiul, aerul și unii oxizi de fier, cum ar fi goethitul.

Utilizări ale energiei magnetice

Magnetismul face parte din forțele fundamentale ale naturii. Deoarece ființele umane fac parte și din ele, ele sunt adaptate la existența fenomenelor magnetice, precum și la restul vieții pe planetă. De exemplu, unele animale folosesc câmpul magnetic al Pământului pentru a se orienta geografic.

De fapt, se crede că păsările își îndeplinesc migrațiile îndelungate datorită faptului că creierul lor posedă un fel de busolă organică care le permite să perceapă și să folosească câmpul geomagnetic.

În timp ce oamenii nu au o busolă de genul acesta, în schimb au capacitatea de a modifica mediul în mai multe moduri decât restul regnului animal. Astfel, membrii speciilor noastre au folosit magnetismul în avantajul lor din momentul în care primul păstor grec a descoperit piatra.

Unele aplicații ale energiei magnetice

De atunci există multe aplicații ale magnetismului. Iată câteva:

- Busola menționată anterior, care folosește câmpul geomagnetic al Pământului pentru a se orienta geografic.

- Ecrane vechi pentru televizoare, calculatoare și osciloscoape, bazate pe tubul cu raze catodice, care utilizează bobine care generează câmpuri magnetice. Acestea sunt responsabile de devierea fasciculului de electroni, astfel încât acesta să atingă anumite locuri de pe ecran, formând astfel imaginea.

- Spectrometre de masă, utilizate pentru a studia diferite tipuri de molecule și cu multe aplicații în biochimie, criminologie, antropologie, istorie și alte discipline. Ei folosesc câmpuri electrice și magnetice pentru a devia particulele încărcate în traiectorii care depind de viteza lor.

- Propulsie magnetohidrodinamică, în care o forță magnetică conduce un jet de apă de mare (un bun conductor) înapoi, astfel încât prin a treia lege a lui Newton, un vehicul sau o barcă să primească un impuls înainte.

- Imagistica prin rezonanță magnetică, o metodă non-invazivă pentru a obține imagini din interiorul corpului uman. Practic, folosește un câmp magnetic foarte intens și analizează răspunsul nucleilor de hidrogen (protoni) prezenți în țesuturi, care au proprietatea spinului menționată anterior.

Aceste aplicații sunt deja stabilite, dar în viitor se crede că magnetismul poate combate și boli precum cancerul de sân, prin tehnici hipertermice, care produc căldură indusă magnetic.

Ideea este să injectați magnetită fluidă direct în tumoră. Datorită căldurii produse de curenții induși magnetic, particulele de fier ar deveni suficient de fierbinți pentru a distruge celulele maligne.

Avantaje și dezavantaje

Când vă gândiți la utilizarea unui anumit tip de energie, aceasta necesită conversia ei într-un tip de mișcare, cum ar fi o turbină, un elevator sau un vehicul, de exemplu; sau că este transformată în energie electrică care pornește un anumit dispozitiv: telefoane, televizoare, un bancomat și altele asemenea.

Energia este o mărime cu multiple manifestări care pot fi modificate în mai multe moduri. Poate fi amplificată energia unui magnet mic, astfel încât să se miște continuu mai mult decât câteva monede?

Pentru a putea fi utilizată, energia trebuie să aibă o gamă foarte bună și să provină dintr-o sursă foarte abundentă.

Energii primare și secundare

Astfel de energii se găsesc în natură, din care sunt produse celelalte tipuri. Sunt cunoscute sub numele de energii primare:

- Energie solara.

- Energie Atomică.

- Energie geotermală.

- Putere eoliana.

- Energie de biomasă.

- Energie din combustibili fosili și minerale.

Din acestea se produc energii secundare, precum electricitatea și căldura. Unde este energia magnetică aici?

Electricitatea și magnetismul nu sunt două fenomene separate. De fapt, cele două sunt cunoscute sub numele de fenomene electromagnetice. Atâta timp cât una dintre ele există, celălalt va exista.

Acolo unde există energie electrică, va exista energie magnetică într-o anumită formă. Dar aceasta este o energie secundară, care necesită transformarea prealabilă a unora dintre energiile primare.

Caracteristicile energiilor primare și secundare

Avantajele sau dezavantajele utilizării unui fel de energie sunt stabilite după mai multe criterii. Acestea includ cât de ușoară și ieftină este producția sa, precum și cât de mult este capabil să influențeze negativ mediul și oamenii.

Ceva important de reținut este faptul că energiile se transformă de multe ori înainte de a putea fi utilizate.

Câte transformări trebuie să fi avut loc pentru a face magnetul care va lipi lista de cumpărături pe ușa frigiderului? Câți să construiască o mașină electrică? Cu siguranță suficient.

Și cât de curată este energia magnetică sau electromagnetică? Există cei care consideră că expunerea constantă la câmpurile electromagnetice de origine umană provoacă probleme de sănătate și de mediu.

În prezent, există numeroase linii de cercetare dedicate studierii influenței acestor domenii asupra sănătății și mediului, însă, potrivit unor organizații internaționale de prestigiu, nu există până în prezent dovezi concludente că acestea sunt dăunătoare.

Exemple de energie magnetică

Un dispozitiv care servește la conținerea energiei magnetice este cunoscut sub numele de inductor. Este o bobină care se formează prin înfășurarea sârmei de cupru cu un număr suficient de rotații și este utilă în multe circuite pentru a restricționa curentul și a preveni schimbarea bruscă a acestuia.

Bobina de cupru. Sursa: Pixabay.

Circulând un curent prin virajele unei serpentine, în interiorul acestuia se creează un câmp magnetic.

Dacă curentul se schimbă, procedați la linii de câmp magnetic. Aceste schimbări induc un curent în virajele care se opun acestora, conform legii de inducție Faraday-Lenz.

Când curentul crește sau scade brusc, bobina se opune, prin urmare poate avea efecte de protecție asupra circuitului.

Energia magnetică a unei bobine

Energia magnetică este stocată în câmpul magnetic creat în volumul delimitat de virajele bobinei, care va fi notată ca U _B și care depinde de:

- Intensitatea câmpului magnetic B.

- Zona transversală a bobinei A.

- Lungimea bobinei l.

- Permeabilitatea vidului μ _o.

Se calculează astfel:

Această ecuație este valabilă în orice regiune a spațiului unde există un câmp magnetic. Dacă se cunoaște volumul V al acestei regiuni, permeabilitatea și intensitatea câmpului, este posibil să se calculeze câtă energie magnetică are.

Exercițiu rezolvat

Câmpul magnetic din interiorul unei bobine umplute cu aer cu un diametru de 2,0 cm și o lungime de 26 cm este 0,70 T. Câtă energie este stocată în acest câmp?

Soluţie

Valorile numerice sunt substituite în ecuația anterioară, având grijă să convertim valorile în unitățile sistemului internațional.

1. Giancoli, D. 2006. Fizică: Principii cu aplicații. Ediția a șasea. Sala Prentice. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Fizică 12. Pearson. 135-146.