MAGNETIZARE: MOMENT ORBITAL ȘI ROTATIV MAGNETIC, EXEMPLE - FIZIC - 2025

Magnetizarea este o mărime vectorială care descrie starea magnetică a unui material și este definit ca fiind cantitatea momentelor magnetice dipolare per unitate de volum. Un material magnetic - de exemplu fier sau nichel - poate fi considerat ca fiind format din mai mulți magneți mici numiți dipoli.

În mod normal, acești dipoli, care la rândul lor au poli magnetici nord și sud, sunt distribuiți cu un anumit grad de tulburare în volumul materialului. Tulburarea este mai mică în materialele cu proprietăți magnetice puternice, cum ar fi fierul și mai mare în altele cu un magnetism mai puțin evident.

Figura 1. Dipolii magnetici sunt aranjați aleatoriu în interiorul unui material. Sursa: F. Zapata.

Cu toate acestea, prin plasarea materialului în mijlocul unui câmp magnetic extern, cum este cel produs în interiorul unui solenoid, dipolii sunt orientați în funcție de câmp și materialul este capabil să se comporte ca un magnet (figura 2).

Figura 2. Plasarea unui material precum o bucată de fier, de exemplu, în interiorul unui solenoid prin care trece un curent I, câmpul magnetic al acestuia aliniază dipolii din material. Sursa: F. Zapata.

Fie M vectorul de magnetizare, care este definit ca:

Acum, intensitatea magnetizării din material, produsul fiind imersat în câmpul extern H , este proporțional cu acesta, prin urmare:

M ∝ H

Constanța proporționalității depinde de material, se numește sensibilitate magnetică și se notează ca χ:

M = χ. H

Unitățile M din Sistemul Internațional sunt amperi / metru, ca cele ale lui H , prin urmare χ nu are dimensiuni.

Moment magnetic orbital și rotativ

Magnetismul provine din mișcarea sarcinilor electrice, prin urmare, pentru a determina magnetismul atomului, trebuie să luăm în considerare mișcările particulelor încărcate care îl constituie.

Figura 3. Mișcarea electronului în jurul nucleului contribuie la magnetism cu momentul magnetic orbital. Sursa: F. Zapata.

Începând cu electronul, care este considerat a orbita nucleul atomic, este ca o buclă minusculă (circuit închis sau buclă de curent închis). Această mișcare contribuie la magnetismul atomului datorită vectorului de moment magnetic orbital m, a cărui magnitudine este:

Unde I este intensitatea curentului și A este zona închisă de buclă. Prin urmare, unitățile m în Sistemul Internațional (SI) sunt amperi x metru pătrat.

Vectorul m este perpendicular pe planul buclei, așa cum se arată în figura 3, și este direcționat așa cum este indicat de regula degetului mare.

Degetul mare este orientat în direcția curentului și cele patru degete rămase sunt înfășurate în jurul buclei, îndreptate în sus. Acest mic circuit este echivalent cu un magnet de bare, așa cum se arată în figura 3.

Rotire moment magnetic

În afară de momentul magnetic orbital, electronul se comportă ca și cum s-ar roti pe el însuși. Nu se întâmplă exact în acest fel, dar efectul rezultat este același, deci aceasta este o altă contribuție care trebuie luată în considerare pentru momentul magnetic net al unui atom.

De fapt, momentul magnetic de centrifugare este mai intens decât momentul orbital și este responsabil în principal de magnetismul net al unei substanțe.

Figura 4. Momentul magnetic de centrifugare este cel care contribuie cel mai mult la magnetizarea netă a unui material. Sursa: F. Zapata.

Momentele de rotire se aliniază în prezența unui câmp magnetic extern și creează un efect de cascadă, alinându-se succesiv cu momentele vecine.

Nu toate materialele prezintă proprietăți magnetice. Acestea se datorează faptului că electronii cu rotire opusă formează perechi și anulează momentele lor magnetice de rotire respective.

Doar dacă există vreun pachet, există o contribuție la momentul magnetic total. Prin urmare, doar atomii cu un număr impar de electroni au șansa de a fi magnetici.

Protonii din nucleul atomic contribuie, de asemenea, la o mică contribuție la momentul magnetic total al atomului, deoarece au și spin și deci un moment magnetic asociat.

Dar aceasta depinde invers de masă, iar cea a protonului este mult mai mare decât cea a electronului.

Exemple

În interiorul unei bobine, prin care trece un curent electric, este creat un câmp magnetic uniform.

Și așa cum este descris în figura 2, când așezați un material acolo, momentele magnetice ale acestuia se aliniază cu câmpul bobinei. Efectul net este acela de a produce un câmp magnetic mai puternic.

Transformatoarele, dispozitive care cresc sau reduc tensiunile alternative, sunt exemple bune. Ele constau din două bobine, primara și secundară, înfășurate pe un miez de fier moale.

Figura 5. În miezul transformatorului apare o magnetizare netă. Sursa: Wikimedia Commons.

Un curent în schimb este trecut prin bobina primară care modifică alternativ liniile de câmp magnetic din miez, care la rândul său induce un curent în bobina secundară.

Frecvența oscilației este aceeași, dar mărimea este diferită. În acest fel, se pot obține tensiuni mai mari sau mai mici.

În loc să înfășurați bobinele pe un miez solid de fier, este de preferat să puneți o umplutură de foi metalice acoperite cu lac.

Motivul se datorează prezenței curenților eddy în interiorul miezului, care au ca efect supraîncălzirea excesivă a acestuia, dar curenții induși în foi sunt mai mici și, prin urmare, încălzirea dispozitivului este redusă la minimum.

Încărcătoare wireless

Un telefon mobil sau o periuță electrică de dinți poate fi încărcat prin inducție magnetică, care este cunoscută sub denumirea de încărcare wireless sau încărcare inductivă.

Funcționează astfel: există o bază sau o stație de încărcare, care are un solenoid sau o bobină principală, prin care trece un curent în schimbare. O altă bobină (secundară) este atașată la mânerul periei.

Curentul din bobina primară, la rândul său, induce un curent în bobina mânerului atunci când peria este plasată în stația de încărcare și aceasta are grijă de încărcarea bateriei care este, de asemenea, în mâner.

Mărimea curentului indus este crescută atunci când un nucleu de material feromagnetic, care poate fi fier, este plasat în bobina principală.

Pentru ca bobina primară să detecteze apropierea bobinei secundare, sistemul emite un semnal intermitent. Odată ce un răspuns este primit, mecanismul descris este activat și curentul începe să fie indus fără a fi nevoie de cabluri.

Ferofluid

O altă aplicație interesantă a proprietăților magnetice ale materiei sunt ferrofluidele. Acestea constau din particule magnetice minuscule dintr-un compus de ferită, suspendate într-un mediu lichid, care poate fi organic sau chiar apă.

Particulele sunt acoperite cu o substanță care împiedică aglomerarea lor și rămân astfel distribuite în lichid.

Ideea este că fluiditatea lichidului este combinată cu magnetismul particulelor de ferită, care de la sine nu sunt puternic magnetice, ci dobândesc o magnetizare în prezența unui câmp extern, așa cum este descris mai sus.

Magnetizarea dobândită dispare imediat ce câmpul extern este retras.

Ferrofluidele au fost inițial dezvoltate de NASA pentru a mobiliza combustibilul într-o navă spațială fără gravitație, dând impuls cu ajutorul unui câmp magnetic.

În prezent, ferrofluidele au multe aplicații, unele încă în faza experimentală, cum ar fi:

- Reduceți frecarea pe mușcările difuzoarelor și căștilor (evitați reverberația).

- Permiteți separarea materialelor cu densitate diferită.

- Acționați ca etanșe pe arborele hard disk-urilor și respingeți murdăria.

- Ca tratament pentru cancer (în faza experimentală). Ferrofluidul este injectat în celulele canceroase și se aplică un câmp magnetic care produce curenți electrici mici. Căldura generată de aceste atacă celulele maligne și le distruge.

Referințe

1. Jurnalul brazilian de fizică. Ferrofluide: proprietăți și aplicații. Recuperat de la: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Serie: fizică pentru știință și inginerie. Volumul 6. Electromagnetism. Editat de Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Fizică: Principii cu aplicații. 6 Ed. Sala Prentice. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Fizica: o privire asupra lumii. A 6-a ediție prescurtată. Cengage Learning. 233.
5. Shipman, J. 2009. Introducere în știința fizică. Cengage Learning. 206-208.