Mga Pangunahing Konsepto ng mga Materyales na May Magnetismo

Ang Magnetic Dipole Moment

Kapag ipinakilala sa parehong panlabas na magnetic field, iba't ibang materyales ay maaaring ipakita ang malaking pagkakaiba-iba ng mga tugon. Upang mas maunawaan ang mga pangunahing dahilan, kailangan nating unawain kung paano ang magnetic dipoles ay nagpapamahala sa magnetic behavior. Ang pag-unawa ay nagsisimula sa pagsusuri ng magnetic dipole moment.

Ang magnetic dipole moment, na kadalasang tinatawag na magnetic moment para sa simpleng paggamit, ay isang pundamental na konsepto sa electromagnetics. Ito ay nagbibigay ng mahalagang pamamaraan upang maintindihan at quantify ang interaksiyon sa pagitan ng isang current - carrying loop at isang uniform magnetic field. Ang magnetic moment ng isang current loop, na may area A at nagdadala ng current I, ay inilalarawan bilang sumusunod:

Tandaan na ang area ay inilalarawan bilang isang vector, kaya ang magnetic moment ay isang vector quantity rin. Parehong vectors ay may parehong direksyon.

Ang direksyon ng magnetic moment ay perpendikular sa plane ng loop. Ito ay maaaring makita sa pamamagitan ng pag-apply ng right-hand rule—Kapag i-curl mo ang mga daliri ng iyong kanang kamay sa direksyon ng pag-flow ng current, ang iyong thumb ay nagpapakita ng direksyon ng magnetic moment vector. Ito ay ipinapakita sa Figure 1.

Ang magnetic moment ng isang loop ay nagsisimula lamang sa current na lumilipad dito at ang area na ito ay nakakapaligid. Ito ay hindi naapektuhan ng hugis ng loop.

Torque at ang Magnetic Moment

Tingnan ang Figure 2, na nagpapakita ng isang current - carrying loop na naka-position sa loob ng isang uniform magnetic field.

Sa larawan na ipinapakita sa itaas:

•  I kumakatawan sa current.

• B tumutukoy sa magnetic field vector.

• u tumutukoy sa magnetic moment.

• θ tumutukoy sa angle sa pagitan ng magnetic moment vector at magnetic field vector.

Dahil ang mga puwersa na gumagana sa kabilang bahagi ng loop ay nag-counterbalance sa bawat isa, ang kabuuang puwersa na gumagana sa loop ay sumusunod sa zero. Gayunpaman, ang loop ay pinag-uusan ng isang magnetic torque. Ang magnitude ng torque na ito na ginagampanan sa loop ay binibigay bilang sumusunod:

Mula sa Equation 2, maaari nating malinaw na mapansin na ang torqu (t) ay direktang may kaugnayan sa magnetic moment. Ito ay dahil ang magnetic moment ay gumagamit tulad ng isang magnet; kapag ilagay sa isang panlabas na magnetic field, ito ay kumakaranas ng isang torque. Ang torque na ito ay laging may tendensya na i-rotate ang loop patungo sa stable equilibrium position.

Ang stable equilibrium ay nakuha kapag ang magnetic field ay perpendikular sa plane ng loop (i.e.,θ=0^o  ). Kung ang loop ay konting inirotate palayo mula sa posisyong ito, ang torque ay magpapabalik ng loop sa estado ng equilibrium. Ang torque ay din zero kapag θ=180^o . Gayunpaman, sa kasong ito, ang loop ay nasa unstable equilibrium. Isang maliit na rotation mula sa θ=180^o ay magdudulot ng torque na magpapalayo ang loop mula sa punto na ito at patungo sa θ=0^o  .

Bakit Mahalaga ang Magnetic Moment?

Maraming device ang depende sa interaksiyon sa pagitan ng isang current loop at isang magnetic field. Halimbawa, ang torque na ginagawa ng isang electric motor ay batay sa interaksiyon sa pagitan ng magnetic field ng motor at ang current - carrying conductors. Sa panahon ng interaksiyon, ang potential energy ay nagbabago habang ang mga conductor ay umu-rotate.

Ito ang interaksiyon sa pagitan ng magnetic moment at ang panlabas na magnetic field na nagbibigay ng potential energy sa aming magnetic system. Ang angle sa pagitan ng dalawang vectors na ito ay nagpapasiyang ng halaga ng enerhiya (U) na nakaimbak sa system, tulad ng ipinapakita sa sumusunod na equation:

Ang sumusunod ay nagpapakita ng imbang na enerhiya values para sa maramihang mahalagang configurations:

Kapag θ=0^o , ang system ay nasa stable equilibrium state, at ang imbang na enerhiya ay umabot sa minimum, na U=-uB.

Kapag θ=90^o , ang imbang na enerhiya ay tumaas hanggang U=0 .

Kapag θ=180^o, ang imbang na enerhiya ay umabot sa maximum value, U=uB . Ang partikular na estado na ito ay kinakatawan ang unstable equilibrium position.

Unawain ang Net Magnetic Moment sa pamamagitan ng Atomic Model

Upang buo na unawain kung paano ang magnetic materials ay bumubuo ng magnetic field, kailangan nating sumulong sa quantum mechanics. Gayunpaman, dahil ang topic na ito ay nasa labas ng saklaw ng artikulo, maaari pa rin nating gamitin ang konsepto ng magnetic moment at ang classical atomic model upang makamit ang mahahalagang insights kung paano ang materyales ay interaksiyon sa panlabas na magnetic field.

Ang modelo na ito ay nagpapakita ng isang electron bilang orbiting ang atomic nucleus at spinning sa sarili nitong axis, tulad ng malinaw na ipinapakita sa Figure 3.

Ang Net Magnetic Moment ng Electrons, Atoms, at Objects

Ang orbital motion ng isang electron ay maaaring ikumpara sa isang maliit na current - carrying loop. Bilang resulta, ito ay bumubuo ng isang magnetic moment (tinatawag na (u1 )sa larawan sa itaas). Parehong, ang spin ng electron ay nagbibigay rin ng isang magnetic moment (u2). Ang net magnetic moment ng isang electron ay ang vector sum ng dalawang magnetic moments na ito.

Para sa isang atom, ang net magnetic moment nito ay ang vector sum ng magnetic moments ng lahat ng electrons nito. Bagama't ang protons sa isang atom ay may magnetic dipole, ang kanilang kabuuang epekto ay karaniwang negligible kapag ihambing sa electrons.

Ang net magnetic moment ng isang object ay natutukoy sa pamamagitan ng pagkuha ng vector sum ng magnetic moments ng lahat ng atoms sa loob nito.

Ang Magnetization Vector

Ang magnetic properties ng isang materyal ay nagsasalamin sa magnetic moments ng mga constituent particles nito. Tulad ng naipaliwanag na sa artikulo, ang mga magnetic moments na ito ay maaaring isipin bilang maliit na magnets. Kapag ilagay ang materyal sa isang panlabas na magnetic field, ang atomic magnetic moments sa loob ng materyal ay interaksiyon sa applied field at kumakaranas ng isang torque. Ang torque na ito ay may tendensya na align ang magnetic moments sa parehong direksyon.

Ang magnetic state ng isang substance ay nakasalalay sa dalawang factor: ang bilang ng atomic magnetic moments na naroroon sa materyal at ang degree ng kanilang alignment. Kung ang magnetic moments na ginawa ng microscopic current loops ay random na oriented, sila ay may tendensya na kanselahin ang bawat isa, na nagreresulta sa negligible net magnetic field. Upang ilarawan ang magnetic state ng substance, ipinasok natin ang magnetization vector. Ito ay inilalarawan bilang ang kabuuang magnetic moment per unit volume ng substance:

kung saan V kumakatawan sa volume ng materyal.

Kapag ang materyal ay inilagay sa isang panlabas na magnetic field, ang mga magnetic moments nito ay may tendensya na align, na nagreresulta sa pagtaas ng magnitude ng magnetization vector. Ang characteristics ng magnetization vector ay din naapektuhan ng classification ng materyal bilang paramagnetic, ferromagnetic, o diamagnetic.

Ang paramagnetic at ferromagnetic materials ay binubuo ng mga atom na may permanent magnetic moments. Samantalang, ang atomic magnetic moments sa diamagnetic materials ay hindi permanent.

Paghahanap sa Total Magnetic Field: Permeability at Susceptibility

Kapag ilagay natin ang isang materyal sa loob ng magnetic field, ang total magnetic field sa loob ng materyal ay may dalawang distinct sources:

• Ang externally applied magnetic field (B0).

• Ang magnetization ng materyal bilang tugon sa external field (Bm).

Ang total magnetic field sa loob ng materyal ay ang sum ng dalawang components na ito:

B0 ay ginagawa ng isang current-carrying conductor; Bm ay ginagawa ng magnetic substance. Maaari itong ipakita na Bm ay proportional sa magnetization vector:

kung saan μ0 ay isang constant na tinatawag na permeability of free space. Kaya, meron tayo ng:

Ang magnetization vector ay din related sa external field sa pamamagitan ng sumusunod na equation:

kung saan ang Greek letter χ ay isang proportionality factor na kilala bilang magnetic susceptibility. Ang value ng χ ay depende sa uri ng materyal.

Pinagsama ang huling dalawang equations, meron tayo ng:

Ang Significance ng Equation at Relative Permeability

Ang equation na ito ay may intuitive interpretation: ito ay nagpapahiwatig na ang total magnetic field sa loob ng materyal ay katumbas ng externally applied magnetic field na pinarami ng factor 1+x . Ang factor na ito, na tinatawag na relative permeability, ay isang mahalagang parameter para sa characterization kung paano ang materyal ay tumugon sa magnetic field. Ang relative permeability ay karaniwang tinatawag na ur.

Magnetic Susceptibility ng Iba't Ibang Materyales

Ang Figure 4 ay nagpapakita ng magnetic behavior ng tatlong distinct types ng materyales kapag sila ay inilagay sa isang uniform magnetic field. Ang interior area ng materyal ay kinakatawan ng isang dilaw na rectangle.

Magnetic Susceptibility ng Iba't Ibang Materyales

Sa Figure 4(a), ang magnetic field lines sa loob ng materyal ay mas malawak na spaced kaysa sa mga nasa labas. Ito ay nagpapahiwatig na ang total magnetic field sa loob ng isang diamagnetic material ay medyo mas mahina kaysa sa externally applied field. Para sa diamagnetic materials, ang magnetic susceptibility (X) ay isang maliit na negative value. Halimbawa, sa 300 K, ang copper ay may magnetic susceptibility ng –9.8 × 10⁻⁶. Bilang resulta, ang materyal ay partial na nangirepel ang magnetic field mula sa interior nito.

Ang Figure 4(b) ay nagpapakita ng tugon ng isang paramagnetic material. Dito, ang magnetic field lines sa loob ng materyal ay mas closely packed kaysa sa external field. Ito ay nagpapahiwatig na ang total magnetic field sa loob ng materyal ay medyo mas malakas kaysa sa external field. Para sa paramagnetic materials, X ay isang maliit na positive value. Halimbawa, sa 300 K, ang magnetic susceptibility ng lithium ay 2.1 × 10⁻⁵.

Sa wakas, sa Figure 4(c), ang ferromagnetic material ay distorting ang magnetic field lines, na nagpapadala sa kanila sa loob ng materyal. Ang materyal ay naging magnetized, na significantly boosting ang magnetic field sa loob. Para sa ferromagnetic materials, X ay may positive value na nasa range mula 1,000 hanggang 100,000. Dahil sa kanilang mataas na magnetic susceptibility, ang mga materyales na ito ay bumubuo ng magnetic field na mas malakas kaysa sa externally applied one.

Mahalagang tandaan na para sa ferromagnetic materials,  hindi ito isang constant. Bilang resulta, ang magnetization (M) ay hindi isang linear function ng externally applied magnetic field (B0).

Wrapping Up

Ang magnetic materials ay mahalaga sa maraming aplikasyon, kabilang ang transformers, motors, at data storage devices. Ang magnetic state ng isang substance ay nakasalalay sa bilang ng atomic magnetic moments sa materyal at kung gaano sila aligned sa presensya ng isang panlabas na magnetic field. Tulad ng maikling napag-usapan, maaari nating i-classify ang magnetic materials sa tatlong uri batay sa mga criteria na ito: paramagnetic, diamagnetic, at ferromagnetic. Mag-aaral tayo ng mas detalyado ang mga kategorya na ito sa susunod na artikulo.