MAGNETIZMUS: MAGNETICKÉ VLASTNOSTI MATERIÁLOV, POUŽITIE - FYZICKÝ - 2026

Magnetizmus alebo magnetická energia je sila, spojená charakter pohybu a schopné produkovať elektrické príťažlivosti alebo odpor v určitých látok zaťažení. Magnety sú dobre známymi zdrojmi magnetizmu.

Vo vnútri sa nachádzajú interakcie, ktoré sa premietajú do prítomnosti magnetických polí, ktoré napríklad ovplyvňujú malé kúsky železa alebo niklu.

Krásne farby polárnych svetiel sú spôsobené tým, že kozmické častice emitujú energiu, pretože sú odklonené zemským magnetickým poľom. Zdroj: Pixabay.

Magnetické pole magnetu je viditeľné, keď je umiestnené pod papier, na ktorom sú nanesené železné piliny. Podania sú okamžite orientované pozdĺž línií poľa a vytvárajú dvojrozmerný obraz poľa.

Ďalším dobre známym zdrojom sú drôty, ktoré prenášajú elektrický prúd; Na rozdiel od permanentných magnetov však magnetizmus po zastavení prúdu zmizne.

Vždy, keď sa niekde vyskytne magnetické pole, musel nejaký agent pracovať. Energia investovaná do tohto procesu sa ukladá do vytvoreného magnetického poľa a potom sa môže považovať za magnetickú energiu.

Výpočet množstva magnetickej energie uloženej v poli závisí od poľa a geometrie zariadenia alebo oblasti, v ktorej bol vytvorený.

Induktory alebo cievky sú dobrým miestom na to, aby to robili, pričom vytvárajú magnetickú energiu takmer rovnakým spôsobom, ako sa elektrická energia ukladá medzi doskami kondenzátora.

História a objav

Staré aplikácie

Legendy, ktoré povedala Pliny o starovekom Grécku, hovoria o pastierovi Magnesovi, ktorý pred viac ako 2000 rokmi našiel záhadný minerál schopný prilákať kúsky železa, ale nie iné materiály. Bol to magnetit, oxid železa so silnými magnetickými vlastnosťami.

Dôvod magnetickej príťažlivosti zostal skrytý už stovky rokov. Prinajlepšom to bolo pripisované nadprirodzeným udalostiam. Aj keď nie z tohto dôvodu, našli sa preň zaujímavé aplikácie, napríklad kompas.

Čínsky kompas vynašiel na navigáciu užívateľa počas navigácie vlastný magnetizmus Zeme.

Prvé vedecké štúdie

Štúdium magnetických javov malo veľký pokrok vďaka Williamovi Gilbertovi (1544 - 1603). Tento anglický vedec z alžbetínskej éry študoval magnetické pole sférického magnetu a dospel k záveru, že Zem musí mať svoje vlastné magnetické pole.

Zo štúdia magnetov si tiež uvedomil, že nemôže získať samostatné magnetické póly. Keď je magnet rozdelený na dva, nové magnety majú tiež oba póly.

Vedci si však uvedomili existenciu vzťahu medzi elektrickým prúdom a magnetizmom až na začiatku 19. storočia.

Hans Christian Oersted (1777 - 1851), narodený v Dánsku, mal v roku 1820 myšlienku preniesť elektrický prúd cez dirigent a pozorovať vplyv, ktorý to malo na kompas. Kompas by sa odklonil, a keď prúd prestal prúdiť, kompas by znova ukázal severne ako obvykle.

Tento jav je možné overiť priblížením kompasu k jednému z káblov vychádzajúcich z autobatérie, zatiaľ čo je štartér v prevádzke.

V okamihu uzavretia obvodu by mala ihla zaznamenať pozorovateľnú deformáciu, pretože batérie automobilov môžu dodávať prúdy dostatočne vysoko, aby sa kompas odklonil.

Týmto spôsobom sa ukázalo, že pohyblivé náboje spôsobujú magnetizmus.

Moderné vyšetrovania

Niekoľko rokov po Oerstedových pokusoch britský vedec Michael Faraday (1791 - 1867) označil ďalší míľnik objavením, že rôzne magnetické polia zase vedú k elektrickým prúdom.

Oba javy, elektrické aj magnetické, spolu úzko súvisia, pričom každý z nich vedie k vzniku druhého. Zhromaždil ich Faradayov učeník James Clerk Maxwell (1831 - 1879) v rovniciach, ktoré nesú jeho meno.

Tieto rovnice obsahujú a sumarizujú elektromagnetickú teóriu a platia dokonca aj v relativistickej fyzike.

Magnetické vlastnosti materiálov

Prečo niektoré materiály vykazujú magnetické vlastnosti alebo získavajú magnetizmus ľahko? Vieme, že magnetické pole je spôsobené pohybujúcimi sa nábojmi, a preto vo vnútri magnetu musia byť neviditeľné elektrické prúdy, ktoré spôsobujú magnetizmus.

Všetka hmota obsahuje elektróny obiehajúce okolo atómového jadra. Elektrón sa dá prirovnať k Zemi, ktorá má translačný pohyb okolo Slnka a tiež rotačný pohyb na svojej vlastnej osi.

Klasická fyzika pripisuje podobné pohyby elektrónu, hoci analógia nie je úplne presná. Ide však o to, že obe vlastnosti elektrónu spôsobujú, že sa správa ako malá slučka, ktorá vytvára magnetické pole.

Je to spin elektrónu, ktorý najviac prispieva k magnetickému poľu atómu. V atómoch s mnohými elektrónmi sú zoskupené v pároch as opačnými rotáciami. Preto sa ich magnetické polia navzájom rušia. To sa deje vo väčšine materiálov.

Existujú však niektoré minerály a zlúčeniny, v ktorých je nepárový elektrón. Týmto spôsobom nie je čisté magnetické pole nulové. To vytvára magnetický moment, vektor, ktorého veľkosť je súčinom prúdu a plochy obvodu.

Susedné magnetické momenty vzájomne pôsobia a vytvárajú oblasti nazývané magnetické domény, v ktorých je mnoho otočení zarovnaných rovnakým smerom. Výsledné magnetické pole je veľmi silné.

Ferromagnetizmus, paramagnetizmus a diamagnetizmus

Materiály, ktoré majú túto kvalitu, sa nazývajú feromagnetické. Je ich niekoľko: železo, nikel, kobalt, gadolínium a niektoré ich zliatiny.

Zvyšok prvkov v periodickej tabuľke nemá tieto veľmi výrazné magnetické efekty. Spadajú do kategórie paramagnetických alebo diamagnetických.

V skutočnosti je diamagnetizmus vlastnosťou všetkých materiálov, pri ktorých dochádza k miernemu odporu v prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa. Vizmut je prvkom s najvýraznejším diamagnetizmom.

Na druhej strane paramagnetizmus pozostáva z menej intenzívnej magnetickej odozvy ako feromagnetizmus, ale rovnako atraktívny. Paramagnetickými látkami sú napríklad hliník, vzduch a niektoré oxidy železa, ako je goetit.

Využitie magnetickej energie

Magnetizmus je súčasťou základných prírodných síl. Pretože sú súčasťou toho aj ľudia, prispôsobujú sa existencii magnetických javov, ako aj zvyšku života na planéte. Napríklad niektoré zvieratá využívajú zemské magnetické pole na geografickú orientáciu.

V skutočnosti sa verí, že vtáky vykonávajú svoju dlhú migráciu vďaka tomu, že vo svojich mozgoch majú druh organického kompasu, ktorý im umožňuje vnímať a využívať geomagnetické pole.

Aj keď ľuďom chýba kompas, ako je tento, majú namiesto toho schopnosť zmeniť prostredie oveľa viac ako zvyšok živočíšneho kráľovstva. Členovia nášho druhu tak využili magnetizmus vo svoj prospech od okamihu, keď prvý grécky pastier objavil lodestone.

Niektoré aplikácie magnetickej energie

Odvtedy existuje mnoho aplikácií magnetizmu. Tu je niekoľko:

- Vyššie uvedený kompas, ktorý využíva zemské geomagnetické pole na geografickú orientáciu.

- Staré obrazovky pre televízory, počítače a osciloskopy založené na trubici s katódovým žiarením, ktoré používajú cievky generujúce magnetické polia. Tieto sú zodpovedné za vychýlenie elektrónového lúča tak, že zasiahne určité miesta na obrazovke, čím vytvorí obraz.

- Hmotnostné spektrometre, ktoré sa používajú na štúdium rôznych typov molekúl as mnohými aplikáciami v biochémii, kriminalistike, antropológii, histórii a ďalších disciplínach. Využívajú elektrické a magnetické polia na odvádzanie nabitých častíc do trajektórií, ktoré závisia od ich rýchlosti.

- Magnetohydrodynamický pohon, pri ktorom magnetická sila poháňa prúd morskej vody (dobrý vodič) dozadu, takže podľa tretieho Newtonovho zákona dostane vozidlo alebo čln predný impulz.

- Zobrazovanie pomocou magnetickej rezonancie, neinvazívna metóda na získanie snímok o vnútornom povrchu ľudského tela. V zásade využíva veľmi intenzívne magnetické pole a analyzuje reakciu vodíkových jadier (protónov) prítomných v tkanivách, ktoré majú vyššie uvedenú vlastnosť spinu.

Tieto aplikácie sú už zavedené, ale v budúcnosti sa predpokladá, že magnetizmus môže tiež bojovať s chorobami, ako je rakovina prsníka, prostredníctvom hypertermických techník, ktoré produkujú magneticky indukované teplo.

Cieľom je vstreknúť tekutý magnetit priamo do nádoru. Vďaka teplu vytváranému magneticky indukovanými prúdmi by sa železné častice stali dostatočne horúcimi, aby zničili zhubné bunky.

Výhody a nevýhody

Keď uvažujete o použití určitého typu energie, vyžaduje to jeho premenu na nejaký druh pohybu, napríklad na turbínu, výťah alebo vozidlo; alebo že sa transformuje na elektrickú energiu, ktorá zapína niektoré zariadenia: telefóny, televízory, bankomat a podobne.

Energia je veľkosť s mnohými prejavmi, ktoré je možné mnohými spôsobmi modifikovať. Dá sa energia malého magnetu zosilniť tak, že sa neustále pohybuje viac ako niekoľko mincí?

Aby bola energia použiteľná, musí mať veľký rozsah a musí pochádzať z veľmi bohatého zdroja.

Primárne a sekundárne energie

Takéto energie sa nachádzajú v prírode, z ktorej sa vyrábajú ďalšie druhy. Sú známe ako primárne energie:

- Solárna energia.

- Atómová energia.

- Geotermálnej energie.

- Sila vetra.

- Energia z biomasy.

- Energia z fosílnych palív a minerálov.

Z nich sa vyrábajú sekundárne energie, napríklad elektrina a teplo. Kde je magnetická energia?

Elektrina a magnetizmus nie sú dva samostatné fenomény. V skutočnosti sú tieto dve skupiny známe ako elektromagnetické javy. Pokiaľ jeden z nich existuje, druhý bude existovať.

Tam, kde je elektrická energia, bude nejaká magnetická energia. Je to však sekundárna energia, ktorá si vyžaduje predchádzajúcu transformáciu niektorých primárnych energií.

Charakteristika primárnych a sekundárnych energií

Výhody alebo nevýhody použitia určitého druhu energie sú stanovené podľa mnohých kritérií. Patrí medzi ne ľahká a lacná výroba a tiež to, do akej miery je tento proces schopný negatívne ovplyvniť životné prostredie a ľudí.

Nezabudnite na to, že energie sa mnohokrát premenia skôr, ako sa dajú použiť.

Koľko transformácií muselo nastať, aby sa magnet, ktorý prilepí nákupný zoznam na dvere chladničky? Koľko stavať elektrické auto? Určite dosť.

A aká čistá je magnetická alebo elektromagnetická energia? Sú ľudia, ktorí veria, že neustále vystavenie elektromagnetickým poliam ľudského pôvodu spôsobuje zdravotné a environmentálne problémy.

V súčasnosti existuje mnoho výskumných smerov venovaných štúdiu vplyvu týchto oblastí na zdravie a životné prostredie, ale podľa prestížnych medzinárodných organizácií zatiaľ neexistuje žiadny presvedčivý dôkaz o ich škodlivosti.

Príklady magnetickej energie

Zariadenie, ktoré slúži na uloženie magnetickej energie, je známe ako induktor. Je to cievka, ktorá je tvorená navinutím medeného drôtu s dostatočným počtom zákrutov, a v mnohých obvodoch je užitočné obmedziť prúd a zabrániť jeho náhlej zmene.

Medená cievka. Zdroj: Pixabay.

Cirkuláciou prúdu skrz cievky sa v nej vytvára magnetické pole.

Ak sa aktuálny stav zmení, urobte to aj podľa čiar magnetického poľa. Podľa Faradayovho-Lenzovho zákona indukcie tieto zmeny navodzujú v ťahoch proti prúdu.

Keď sa prúd náhle zvýši alebo zníži, cievka je proti nemu, preto môže mať na obvod ochranné účinky.

Magnetická energia cievky

Magnetická energia je uložená v magnetickom poli vytvorenom v objeme ohraničenom zákrutami cievky, ktorý bude označený ako U _B a ktorý závisí od:

- Intenzita magnetického poľa B.

- Plocha prierezu cievky A.

- Dĺžka cievky l.

- priepustnosť vákua μ _o.

Vypočíta sa takto:

Táto rovnica platí v ktorejkoľvek oblasti priestoru, kde je magnetické pole. Ak je známy objem V tejto oblasti, jej priepustnosť a intenzita poľa, je možné vypočítať, koľko magnetickej energie má.

Cvičenie bolo vyriešené

Magnetické pole vnútri vzduchom naplnenej cievky s priemerom 2,0 cm a dĺžkou 26 cm je 0,70 T. Koľko energie sa v tomto poli ukladá?

Riešenie

Číselné hodnoty sú nahradené v predchádzajúcej rovnici, pričom je potrebné skonvertovať hodnoty na jednotky medzinárodného systému.

1. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Princípy s aplikáciami. Šieste vydanie. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Fyzika 12. Pearson. 135-146.