MAGNETIZÁCIA: ORBITÁLNY A SPINOVÝ MAGNETICKÝ MOMENT, PRÍKLADY - FYZICKÝ - 2026

Magnetizácie je vektorová veličina opisujúca magnetický stav materiálu, a je definovaná ako množstvo dipolárních magnetických momentov na jednotku objemu. Magnetický materiál - napríklad železo alebo nikel - sa môže považovať za vyrobený z mnohých malých magnetov nazývaných dipóly.

Normálne sú tieto dipóly, ktoré majú zase severné a južné magnetické póly, distribuované s určitým stupňom poruchy v objeme materiálu. Porucha je menšia u materiálov so silnými magnetickými vlastnosťami, ako je železo, a väčšia u iných s menej zjavným magnetizmom.

Obrázok 1. Magnetické dipóly sú usporiadané náhodne vo vnútri materiálu. Zdroj: F. Zapata.

Avšak umiestnením materiálu do stredu vonkajšieho magnetického poľa, ako je pole vytvorené v solenoide, sú dipóly orientované podľa poľa a materiál sa môže správať ako magnet (obrázok 2).

Obrázok 2. Pri umiestnení materiálu, ako je napríklad kus železa, do solenoidu, cez ktorý prechádza prúd I, magnetické pole tohto zarovná dipóly v materiáli. Zdroj: F. Zapata.

Nech M je magnetizačný vektor, ktorý je definovaný ako:

Intenzita magnetizácie v materiáli, produkt ponorenia sa do vonkajšieho poľa H , je teraz úmerný tomu:

M ∝ H

Konštanta proporcionality závisí od materiálu, nazýva sa magnetická susceptibilita a označuje sa ako χ:

M = χ. H

Jednotky M v medzinárodnom systéme sú ampér / meter, ako jednotky H , preto χ je bezrozmerný.

Orbitálny a rotačný magnetický moment

Magnetizmus vzniká z pohybujúcich sa elektrických nábojov, preto pri určovaní magnetizmu atómu musíme vziať do úvahy pohyby nabitých častíc, ktoré ho tvoria.

Obrázok 3. Pohyb elektrónu okolo jadra prispieva k magnetizmu orbitálnym magnetickým momentom. Zdroj: F. Zapata.

Počnúc elektrónom, ktorý sa považuje za obiehajúci okolo atómového jadra, je to ako malá slučka (uzavretá slučka alebo prúdová slučka). Tento pohyb prispieva k magnetizmu atómu vďaka vektoru orbitálneho magnetického momentu m, ktorého veľkosť je:

Kde I je aktuálna intenzita a A je oblasť uzavretá slučkou. Preto sú jednotky mv medzinárodnom systéme (SI) ampéry x meter štvorcový.

Vektor m je kolmý na rovinu slučky, ako je znázornené na obrázku 3, a je nasmerovaný tak, ako je to naznačené pravidlom pravého palca.

Palec je orientovaný v smere prúdu a štyri zostávajúce prsty sú omotané okolo slučky smerom nahor. Tento malý obvod je ekvivalentom tyčového magnetu, ako je znázornené na obrázku 3.

Spin magnetický moment

Okrem okružného magnetického momentu sa elektrón správa ako keby sa otáčal sám o sebe. To sa nestáva presne týmto spôsobom, ale výsledný účinok je rovnaký, takže toto je ďalší príspevok, ktorý je potrebné zohľadniť pre čistý magnetický moment atómu.

V skutočnosti je točivý magnetický moment intenzívnejší ako okružný okamih a je zodpovedný najmä za magnetizmus siete v látke.

Obrázok 4. Magnetický moment otáčania je ten, ktorý najviac prispieva k sieťovej magnetizácii materiálu. Zdroj: F. Zapata.

Otočné momenty sa vyrovnávajú v prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa a vytvárajú kaskádový efekt, ktorý sa postupne vyrovnáva so susednými momentmi.

Nie všetky materiály majú magnetické vlastnosti. Dôvodom je skutočnosť, že elektróny s opačnými spinmi tvoria páry a rušia svoje príslušné magnetické momenty.

K celkovému magnetickému okamihu prispieva iba prípad, že sú nespárované. Preto iba atómy s nepárnym počtom elektrónov majú šancu byť magnetické.

Protóny v atómovom jadre tiež prispievajú malým dielom k celkovému magnetickému momentu atómu, pretože tiež majú spin a preto súvisiaci magnetický moment.

Ale to je nepriamo závislé od množstva a protónu je omnoho väčšie ako množstvo elektrónu.

Príklady

Vo vnútri cievky, ktorou prechádza elektrický prúd, sa vytvára rovnomerné magnetické pole.

A ako je to znázornené na obrázku 2, pri umiestňovaní materiálu sa magnetické momenty zarovnávajú s poľom cievky. Sieťovým efektom je vytvorenie silnejšieho magnetického poľa.

Transformátory, zariadenia, ktoré zvyšujú alebo znižujú striedavé napätie, sú dobrými príkladmi. Skladajú sa z dvoch cievok, primárnej a sekundárnej, navinutých na mäkkom železnom jadre.

Obrázok 5. V jadre transformátora dochádza k magnetizácii siete. Zdroj: Wikimedia Commons.

Meniaci sa prúd prechádza primárnou cievkou, ktorá striedavo modifikuje čiary magnetického poľa v jadre, čo zase indukuje prúd v sekundárnej cievke.

Frekvencia kmitania je rovnaká, ale veľkosť je iná. Týmto spôsobom je možné získať vyššie alebo nižšie napätie.

Namiesto navinutia cievok na pevné železné jadro je výhodné vložiť výplň z kovových plechov pokrytých lakom.

Dôvod je spôsobený prítomnosťou vírivých prúdov vo vnútri jadra, ktoré spôsobujú nadmerné prehrievanie, ale prúdy indukované v listoch sú nižšie, a preto je ohrev zariadenia minimalizovaný.

Bezdrôtové nabíjačky

Mobilný telefón alebo elektrická zubná kefka sa môže nabíjať magnetickou indukciou, ktorá sa nazýva bezdrôtové alebo indukčné nabíjanie.

Funguje to nasledujúcim spôsobom: existuje základňa alebo nabíjacia stanica, ktorá má solenoid alebo hlavnú cievku, cez ktorú prechádza meniaci sa prúd. Ďalšia (sekundárna) cievka je pripevnená k rukoväti kefy.

Prúd v primárnej cievke zase indukuje prúd v cievke držadla, keď je kefa umiestnená v nabíjacej stanici, a to sa stará o nabíjanie batérie, ktorá je tiež v držadle.

Veľkosť indukovaného prúdu sa zvyšuje, keď je jadro feromagnetického materiálu, ktorým môže byť železo, umiestnené v hlavnej cievke.

Aby primárna cievka detegovala blízkosť sekundárnej cievky, systém vysiela prerušovaný signál. Po prijatí odozvy sa aktivuje opísaný mechanizmus a prúd sa začne indukovať bez potreby káblov.

ferrofluids

Ďalšou zaujímavou aplikáciou magnetických vlastností látky sú ferrofluidy. Pozostávajú z malých magnetických častíc feritovej zlúčeniny suspendovaných v kvapalnom médiu, ktorým môže byť organická alebo dokonca voda.

Častice sú potiahnuté látkou, ktorá zabraňuje ich aglomerácii, a teda zostávajú rozptýlené v kvapaline.

Ide o to, že tekutosť kvapaliny je kombinovaná s magnetizmom feritových častíc, ktoré samy osebe nie sú silne magnetické, ale získavajú magnetizáciu v prítomnosti vonkajšieho poľa, ako je opísané vyššie.

Získaná magnetizácia zmizne ihneď po odňatí vonkajšieho poľa.

Ferrofluidy boli pôvodne vyvinuté NASA na mobilizáciu paliva v kozmickej lodi bez gravitácie, čo dáva impulz pomocou magnetického poľa.

Ferrofluidy majú v súčasnosti veľa aplikácií, niektoré sú stále v experimentálnej fáze, napríklad:

- Znížte trenie na tlmičoch reproduktorov a slúchadiel (zabráňte dozvuku).

- Umožnite separáciu materiálov s rôznou hustotou.

- Kontrolujte tesnenia hriadeľov pevných diskov a odpudzujte nečistoty.

- Ako liečba rakoviny (v experimentálnej fáze). Ferrofluid sa vstrekuje do rakovinových buniek a aplikuje sa magnetické pole, ktoré produkuje malé elektrické prúdy. Teplo generované týmito útokmi poškodzuje zhubné bunky a ničí ich.

Referencie

1. Brazilian Journal of Physics. Ferrofluidy: Vlastnosti a aplikácie. Obnovené z: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Séria: Fyzika pre vedu a techniku. Zväzok 6. Elektromagnetizmus. Editoval Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Princípy s aplikáciami. 6. ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Fyzika: Pohľad na svet. 6. skrátené vydanie. Cengage Learning. 233.
5. Shipman, J. 2009. Úvod do fyzikálnej vedy. Cengage Learning. 206-208.