Magnetra efna aðalskrif
Magnetíski dipólmómenturinn
Þegar ólíkar efni eru sett í sama ytri rafmagnsreynslu geta þau sýnt mjög mismunandi viðbrögð. Til að skoða undirliggjandi ástæður fyrir þessu verðum við að fá stefnu á því hvernig magnetísk dípol styður rafmagnsferli. Þetta skilning byrjar með umfjöllun um magnetískan dipólmóment.
Magnetískur dipólmómentur, sem oft er nefndur einfaldlega rafmagnsmómentur, er grunnhugmynd í rafmagnsfraeði. Hann býður upp á kraftkvæmt tól til að skilja og mæla samspil milli straumleysils og jafnhluta rafmagnsreynslu. Rafmagnsmómentur straumleysils, sem hefur flatarmál A og fer straum I, er skilgreindur eins og eftirfarandi:
Athugið að flatarmálið er skilgreint sem vigur, sem gerir rafmagnsmómentann vigurstærð. Bæði vigrarnir hafa sömu stefnu.
Stefna rafmagnsmómentsins er hornrétt á plan lesils. Hún má finna með því að nota hægahandaregluna—Ef þú slær fingurnum hjá hægri hönd þín í stefnu straumsferlisins, sýnir humallinn stefnu rafmagnsmómentsvigursins. Þetta er sýnt í Mynd 1.
Rafmagnsmómentur lesils er einungis ákvörðuð af straumi sem fer gegnum hann og flatarmálinu sem hann inniheldur. Hann er óþráður af formi lesilsins.
Snúingsmoment og rafmagnsmómentur
Skoðaðu Mynd 2, sem sýnir straumleysil staðsett innan jafnhlutar rafmagnsreynslu.
Í myndinni að ofan:
I stendur fyrir strauminn.
B táknar rafmagnsvigur.
u stendur fyrir rafmagnsmóment.
θ táknar hornið milli rafmagnsmómentvigursins og rafmagnsvigursins.
Þar sem kraefnir sem virka á móti hliðum lesils standast hver öðrum, er samtals kraftur sem virkar á lesilinn núll. En lesillinn er árekstur snúingsmoment. Stærð þessa snúingsmoments er gefin eins og eftirfarandi:
Úr Jöfnu 2 má sjá að snúingsmoment (t) er beint tengt rafmagnsmóment. Þetta er vegna þess að rafmagnsmóment virkar eins og magneti; þegar hann er settur í ytri rafmagnsreynslu, erfær hann snúingsmoment. Þetta snúingsmoment hefur alltaf tendens til að snúa lesilinn til stöðugrar jafnvægisstöðu.
Stöðug jafnvægi er náð þegar rafmagnsreynsla er hornrétt á plan lesils (þ.e. θ=0°). Ef lesillinn er lítill snúinn frá þessari stöðu, mun snúingsmoment virka til að endurheimta lesilinn til jafnvægisstöðunnar. Snúingsmoment er líka núll þegar θ=180°. En í þessu tilfelli er lesillinn í óstöðugri jafnvægi. Lítil snúningur frá θ=180° mun leiða til að snúingsmoment virki til að halda lesilinn fjarkar frá þessari stöðu og til θ=0°.
Af hverju er rafmagnsmómentur mikilvæg?
Margir tæki byggja á samspili milli straumleysils og rafmagnsreynslu. Til dæmis, snúingsmoment sem myndast af eldmóti byggist á samspili milli rafmagnsreynslu eldmótsins og straumleysils. Í þessu samspili breytist orkupotens sem leysilinn snýst.
Er það samspilið milli rafmagnsmóments og ytri rafmagnsreynslu sem geymir orku í okkar rafmagnakerfi. Hornið milli þessara tveggja vigra ákvarðar magn orku (U) sem er geymd í kerfinu, eins og sýnt er í eftirtöldu jöfnu:
Hér er geymd orku fyrir nokkur mikilvæg skipulag:
Þegar θ=0°, er kerfið í stöðugri jafnvægi og geymd orku er lægsta, U=-uB.
Þegar θ=90°, er geymd orku komið upp í U=0.
Þegar θ=180°, er geymd orku komið upp í hámarksverð, U=uB. Þetta ákveðið skipulag táknar óstöðugri jafnvægi.
Að skilja netrafmagnsmóment með atómamódelinu
Til að greina fullkomlega hvernig rafmagnsefni mynda rafmagnsreynslu, er nauðsynlegt að fara inn í kvantamekaníku. En þar sem þetta efni fer yfir markmið greinarinnar, getum við samt notað hugmyndina um rafmagnsmóment og klassíska atómamódelið til að fá gagnlegar upplýsingar um hvernig efni samspila við ytri rafmagnsreynslu.
Þetta módel lýsir elektrón sem bæði fer í ferli um atómakjarnann og snýr um eigin akse, eins og vísbild í Mynd 3.
Netrafmagnsmóment elektróna, atóma og hluta
Ferli elektróns má lýsa sem litlu straumleysil. Þar af leiðandi myndar það rafmagnsmóment (merkt sem (u1) í myndinni að ofan). Sama gildir fyrir snúning elektróns, sem myndar rafmagnsmóment (u2). Netrafmagnsmóment elektróns er vigurreikningur þessara tveggja rafmagnsmómenta.
Fyrir atóm, er netrafmagnsmóment hans vigurreikningur rafmagnsmómenta allra hans elektróna. Þó að próton í atóma hafi líka rafmagnsdípol, er almennt áhrif þeirra neitbrigðið í samanburði við elektrón.
Netrafmagnsmóment hlutar er ákveðið með því að taka vigurreikning af rafmagnsmómentum allra atóma innan hans.
Rafmagnsgreiðsluvigurinn
Rafmagnseiginleikar efnis eru ákvörðuð af rafmagnsmómentum stofnueininga hans. Eftir sem lýst er í þessari grein, geta þessi rafmagnsmóment verið hugsuð sem litlu magneti. Þegar efni er sett í ytri rafmagnsreynslu, samspila atómamagneti innan efnisins við sóttu reynsluna og erfara snúingsmoment. Þetta snúingsmoment hefur tendens til að samstilla rafmagnsmóment í sama stefnu.
Rafmagnastaða efnis fellur af tveimur stökum: fjölda atómamagneta sem eru í efninu og magn samstillings þeirra. Ef rafmagnsmóment sem myndast af litlum straumleysilum eru valkostlega stillað, munu þeir tenda til að brota hver annan, sem leiðir til næstum enginn samlaður rafmagnsfelt. Til að lýsa rafmagnastaða efnisins, kynnum við rafmagnsgreiðsluvigur. Hann er skilgreindur sem heildar rafmagnsmóment per einingar rúmmál efnisins:
þar sem V táknar rúmmál efnisins.
Þegar efni er sett í ytri rafmagnsreynslu, tenda rafmagnsmóment til að samstilla, sem leiðir til aukunar á stærð rafmagnsgreiðsluvigurs. Eiginleikar rafmagnsgreiðsluvigurs eru einnig árekstur af því hvort efni er paramagnetiskt, ferromagnetiskt eða diamagnetiskt.
Paramagnetisk og ferromagnetisk efni bestuð af atóma með varanlegum rafmagnsmóment. Samanburðarlega, eru atómamagneti í diamagnetiskum efnum ekki varanleg.
Finna heildar rafmagnsfelt: Gengjanlegt og svíkjanlegt
Gerum ráð fyrir að við setjum efni innan rafmagnsfelts. Heildar rafmagnsfelt innan efnisins hefur tvö ólík upprun:
Ytri sótt rafmagnsfelt (B0).
Rafmagnsgreiðsla efnisins í svar við ytri reynslu (Bm).
Heildar rafmagnsfelt innan efnisins er summa þessara tveggja atriða:
B0 er mynduð af straumleysil; Bm er mynduð af rafmagnsefninu. Er sýnt að Bm er samhverfa rafmagnsgreiðsluvigur:
þar sem μ0 er fasti sem kallaður er gengjanleiki frjálsrar rýmdar. Þar af leiðandi höfum við:
Rafmagnsgreiðsluvigur er einnig tengdur ytri reynslu eftir eftirtöldu jöfnu:
þar sem grikkt bókstafur χ er samhverfanlegur stuðull sem kallaður er rafmagnssvíkjanleiki. Gildi χ fer eftir tegund efnisins.
Með því að sameina síðustu tvær jöfnur, höfum við:
Mikilvægi jöfnunnar og samhverfu
Þessi jafna hefur innsælkva þýðingu: hún sýnir að heildar rafmagnsfelt innan efnisins er jafnt ytri sóttu rafmagnsfelti margfaldað með stuðlinum 1+x. Þessi stuðull, sem kallaður er samhverfanleiki, er mikilvægur stuðull til að lýsa hvernig efni svarar á rafmagnsreynslu. Samhverfanleiki er algengt merktur með ur.
Rafmagnssvíkjanleiki mismunandi efna
Mynd 4 sýnir rafmagnsferli þriggja mismunandi tegunda efna þegar sett er innan jafnhlutar rafmagnsreynslu. Innri svæði efnisins er táknað með gulri rétthyrningi.
Rafmagnssvíkjanleiki mismunandi efna
Í Mynd 4(a), eru rafmagnslínurnar innan efnisins lengri en utan. Þetta bendir á að heildar rafmagnsfelt innan diamagnetiska efnis er svöl blautari en ytri sóttu rafmagnsfelt. Fyrir diamagnetisk efni, er rafmagnssvíkjanleiki (X) smár negatív gildi. Til dæmis, við 300 K, hefur kopar rafmagnssvíkjanleika –9.8 × 10⁻⁶. Af þessu leiðandi partur repel efni rafmagnsreynslu úr innri sitt.
Mynd 4(b) sýnir svar paramagnetisks efna. Hér eru rafmagnslínurnar innan efnisins tréngari en utan. Þetta bendir á að heildar rafmagnsfelt innan efnisins er svöl sterktari en ytri sóttu rafmagnsfelt. Fyrir paramagnetisk efni, er X smár positíf gildi. Til dæmis, við 300 K, hefur lítíum rafmagnssvíkjanleika 2.1 × 10⁻⁵.
Loks, í Mynd 4(c), dreifir ferromagnetisk efni rafmagnslínur, sem gerir þær að fara gegnum efnið. Efninu kemur rafmagnsreynsla, sem hækkar rafmagnsfelt innan. Fyrir ferromagnetisk efni, hefur X positíf gildi sem fer frá 1,000 til 100,000. Af þessu leiðandi framleiða þessi efni rafmagnsreynslu sem er mikið sterktari en ytri sóttu rafmagnsreynslu.
Er mikilvægt að athuga að fyrir ferromagnetisk efni, er X ekki fast. Þar af leiðandi, er rafmagnsgreiðsla (M) ekki línuleg fall af ytri sóttu rafmagnsreynslu (B0).
Samþætting
Rafmagnsefni eru mikilvæg í fjölbreyttum notkunartækjum, eins og spennubreytileikar, eldmótar og gögnageymslu. Rafmagnastaða efnis fellur af fjölda atómamagneta í efninu og hversu vel þeir samstilla sig í svar við ytri rafmagnsreynslu. Sem lýst er, getum við flokkuð rafmagnsefni í þrjá tegundir eftir þessum mörgum: paramagnetisk, diamagnetisk og ferromagnetisk. Við munum skoða þessa flokkana í nánari upplýsingum í næstu grein.
