Konsep Utama Bahan Magnetik
Momen Dipol Magnetik
Apabila terdedah kepada medan magnet luar yang sama, bahan-bahan berbeza boleh menunjukkan respons yang sangat berbeza. Untuk memahami sebab-sebab di sebaliknya, kita perlu memahami bagaimana dipol magnet mengatur tingkah laku magnet. Pemahaman ini bermula dengan penyelidikan tentang momen dipol magnetik.
Momen dipol magnetik, sering disebut sebagai momen magnet untuk keperluan kesederhanaan, merupakan konsep asas dalam elektromagnetik. Ia memberikan alat yang kuat untuk memahami dan mengkuantifikasikan interaksi antara gelung yang membawa arus dan medan magnet seragam. Momen magnet gelung, yang mempunyai kawasan A dan membawa arus I, ditakrifkan seperti berikut:
Perhatikan bahawa kawasan didefinisikan sebagai vektor, yang menjadikan momen magnet juga sebagai kuantiti vektor. Kedua-dua vektor mempunyai arah yang sama.
Arah momen magnet adalah tegak lurus kepada satah gelung. Ia boleh ditemui dengan menggunakan peraturan tangan kanan—Jika anda melengkung jari-jari tangan kanan anda mengikut arah aliran arus, ibu jari anda menunjukkan arah vektor momen magnet. Ini digambarkan dalam Rajah 1.
Momen magnet gelung hanya ditentukan oleh arus yang mengalir melaluinya dan kawasan yang ia tutup. Ia tidak dipengaruhi oleh bentuk gelung tersebut.
Tork dan Momen Magnet
Lihatlah Rajah 2, yang menggambarkan gelung yang membawa arus yang diletakkan dalam medan magnet seragam.
Dalam rajah yang ditunjukkan di atas:
I mewakili arus.
B menandakan vektor medan magnet.
u mewakili momen magnet.
θ menunjukkan sudut antara vektor momen magnet dan vektor medan magnet.
Kerana daya yang bertindak pada sisi-sisi berlawanan gelung saling menyeimbangkan, daya bersih yang bertindak pada gelung menjadi sifar. Walau bagaimanapun, gelung itu tunduk kepada tork magnet. Magnitud tork ini yang dikenakan pada gelung diberikan seperti berikut:
Dari Persamaan 2, kita boleh dengan jelas melihat bahawa tork (t) berkorelasi langsung dengan momen magnet. Ini kerana momen magnet bertindak seperti magnet; apabila diletakkan dalam medan magnet luar, ia mengalami tork. Tork ini sentiasa cenderung untuk memutar gelung menuju kedudukan keseimbangan stabil.
Keseimbangan stabil dicapai apabila medan magnet tegak lurus kepada satah gelung (i.e.,θ=0^o ). Jika gelung sedikit diputar dari kedudukan ini, tork akan bertindak untuk memulihkan gelung kembali ke keadaan keseimbangan. Tork juga sifar apabila θ=180^o . Namun, dalam kes ini, gelung berada dalam keseimbangan tidak stabil. Putaran kecil dari θ=180^o akan menyebabkan tork mendorong gelung lebih jauh dari titik ini dan menuju θ=0^o .
Mengapa Momen Magnet Penting?
Banyak peranti bergantung pada interaksi antara gelung yang membawa arus dan medan magnet. Sebagai contoh, tork yang dihasilkan oleh motor elektrik didasarkan pada interaksi antara medan magnet motor dan penghantar yang membawa arus. Semasa interaksi ini, tenaga potensial berubah seiring dengan putaran penghantar.
Interaksi antara momen magnet dan medan magnet luar yang memberikan tenaga potensial dalam sistem magnetik kita. Sudut antara kedua-dua vektor ini menentukan jumlah tenaga (U) yang tersimpan dalam sistem, seperti yang ditunjukkan dalam persamaan berikut:
Berikut adalah nilai tenaga yang tersimpan untuk beberapa konfigurasi penting:
Apabila θ=0^o , sistem berada dalam keadaan keseimbangan stabil, dan tenaga yang tersimpan mencapai minimum, dengan U=-uB.
Apabila θ=90^o , tenaga yang tersimpan telah meningkat menjadi U=0 .
Apabila θ=180^o, tenaga yang tersimpan mencapai nilai maksimum, U=uB . Keadaan ini mewakili kedudukan keseimbangan tidak stabil.
Memahami Momen Magnet Bersih melalui Model Atom
Untuk memahami secara menyeluruh bagaimana bahan magnet menghasilkan medan magnet, pemahaman mekanik kuantum adalah penting. Walau bagaimanapun, kerana topik tersebut berada di luar lingkup artikel ini, kita masih dapat menggunakan konsep momen magnet dan model atom klasik untuk mendapatkan wawasan berharga tentang bagaimana bahan-bahan berinteraksi dengan medan magnet luar.
Model ini menggambarkan elektron sebagai orbiting inti atom dan berputar mengelilingi paksinya sendiri, seperti yang ditunjukkan dengan jelas dalam Rajah 3.
Momen Magnet Bersih Elektron, Atom, dan Objek
Gerakan orbital elektron boleh dibandingkan dengan gelung yang membawa arus kecil. Oleh itu, ia menghasilkan momen magnet (dinyatakan sebagai (u1 ) dalam rajah di atas). Begitu juga, putaran elektron juga menghasilkan momen magnet (u2). Momen magnet bersih elektron adalah hasil tambah vektor kedua-dua momen magnet ini.
Untuk atom, momen magnet bersihnya adalah hasil tambah vektor momen magnet semua elektronnya. Walaupun proton dalam atom juga mempunyai dipol magnet, kesannya secara keseluruhan biasanya dapat diabaikan berbanding dengan elektron.
Momen magnet bersih objek ditentukan dengan mengambil hasil tambah vektor momen magnet semua atom di dalamnya.
Vektor Magnetisasi
Sifat magnetik bahan ditentukan oleh momen magnet partikel penyusunnya. Seperti yang telah dibincangkan dalam artikel ini, momen magnet ini boleh dipikirkan sebagai magnet kecil. Apabila bahan diletakkan dalam medan magnet luar, momen magnet atom dalam bahan itu berinteraksi dengan medan yang dikenakan dan mengalami tork. Tork ini cenderung untuk menyelaraskan momen magnet dalam arah yang sama.
Keadaan magnetik suatu zat bergantung pada dua faktor: bilangan momen magnet atom yang ada dalam bahan dan tahap penyelarasan mereka. Jika momen magnet yang dihasilkan oleh gelung arus mikroskopik berorientasi secara rawak, mereka cenderung saling meniadakan, menghasilkan medan magnet bersih yang kecil. Untuk menggambarkan keadaan magnetik zat tersebut, kita memperkenalkan vektor magnetisasi. Ia ditakrifkan sebagai momen magnet total per unit isipadu zat tersebut:
di mana V mewakili isipadu bahan.
Apabila bahan terdedah kepada medan magnet luar, momen magnetnya cenderung untuk menyelaraskan, menyebabkan peningkatan magnitud vektor magnetisasi. Ciri-ciri vektor magnetisasi juga dipengaruhi oleh pengelasan bahan sebagai paramagnetik, ferromagnetik, atau diamagnetik.
Bahan paramagnetik dan ferromagnetik terdiri daripada atom dengan momen magnet kekal. Sebaliknya, momen magnet atom dalam bahan diamagnetik bukan kekal.
Mencari Medan Magnet Total: Permeabiliti dan Susceptibiliti
Andaikan kita meletakkan bahan di dalam medan magnet. Medan magnet total di dalam bahan mempunyai dua sumber yang berbeza:
Medan magnet luar yang dikenakan (B0).
Magnetisasi bahan sebagai tindak balas kepada medan luar (Bm).
Medan magnet total di dalam bahan adalah hasil tambah kedua-dua komponen ini:
B0 dihasilkan oleh penghantar yang membawa arus; Bm dihasilkan oleh bahan magnet. Dapat ditunjukkan bahawa Bm berkadar dengan vektor magnetisasi:
di mana μ0 adalah pemalar yang dipanggil permeabiliti ruang bebas. Oleh itu, kita mempunyai:
Vektor magnetisasi juga berkaitan dengan medan luar melalui persamaan berikut:
di mana huruf Yunani χ adalah faktor proporsional yang dikenali sebagai susceptibiliti magnet. Nilai χ bergantung pada jenis bahan.
Menggabungkan dua persamaan terakhir, kita mempunyai:
Signifikan Persamaan dan Permeabiliti Relatif
Persamaan ini mempunyai interpretasi intuitif: ia menunjukkan bahawa medan magnet total di dalam bahan setara dengan medan magnet luar yang dikenakan dikalikan dengan faktor 1+x . Faktor ini, yang dikenali sebagai permeabiliti relatif, merupakan parameter penting untuk menggambarkan bagaimana bahan bertindak balas terhadap medan magnet. Permeabiliti relatif biasanya dilambangkan dengan ur.
Susceptibiliti Magnet Bahan Berbeza
Rajah 4 menggambarkan tingkah laku magnet tiga jenis bahan yang berbeza apabila diletakkan dalam medan magnet seragam. Kawasan dalaman bahan diwakili oleh segi empat tepat kuning.
Susceptibiliti Magnet Bahan Berbeza
Dalam Rajah 4(a), garis-garis medan magnet di dalam bahan lebih luas berbanding di luar. Ini menunjukkan bahawa medan magnet total di dalam bahan diamagnetik sedikit lebih lemah daripada medan luar yang dikenakan. Untuk bahan diamagnetik, susceptibiliti magnet (X) adalah nilai negatif yang kecil. Sebagai contoh, pada 300 K, tembaga mempunyai susceptibiliti magnet -9.8 × 10⁻⁶. Oleh itu, bahan ini sebahagiannya menolak medan magnet dari interiornya.
Rajah 4(b) menunjukkan respons bahan paramagnetik. Di sini, garis-garis medan magnet di dalam bahan lebih rapat berbanding medan luar. Ini bermaksud bahawa medan magnet total di dalam bahan sedikit lebih kuat daripada medan luar. Untuk bahan paramagnetik, X adalah nilai positif yang kecil. Sebagai contoh, pada 300 K, susceptibiliti magnet litium adalah 2.1 × 10⁻⁵.
Akhirnya, dalam Rajah 4(c), bahan ferromagnetik mendistorsi garis-garis medan magnet, menyebabkan mereka melewati bahan. Bahan tersebut menjadi magnetized, meningkatkan secara signifikan medan magnet di dalamnya. Untuk bahan ferromagnetik, X mempunyai nilai positif yang berkisar antara 1,000 hingga 100,000. Kerana susceptibiliti magnet yang tinggi, bahan-bahan ini menghasilkan medan magnet yang jauh lebih kuat daripada medan luar yang dikenakan.
Penting untuk dicatat bahawa untuk bahan ferromagnetik, X bukan pemalar. Oleh itu, magnetisasi (M) bukan fungsi linear medan magnet luar (B0).
Kesimpulan
Bahan magnetik adalah penting dalam pelbagai aplikasi, termasuk transformator, motor, dan peranti penyimpanan data. Keadaan magnetik suatu zat bergantung pada bilangan momen magnet atom dalam bahan dan sejauh mana mereka menyelaraskan diri dalam kehadiran medan magnet luar. Seperti yang telah dibincangkan singkat, kita boleh mengklasifikasikan bahan magnetik menjadi tiga jenis berdasarkan kriteria ini: paramagnetik, diamagnetik, dan ferromagnetik. Kita akan mengkaji kategori-kategori ini dengan lebih mendalam dalam artikel masa depan.
