Konċetti Eżenċiġli tal-Materiali Magneżji
Il-Momènt Dipol Magneżiku
Meta jieħdu l-istess magħluq magneżiku estern, materjali differenti jistgħu jiġu bil-reazzjonijiet ta’ ħafna differenti. Biex nindagaw l-isbaħ raġunijiet, għandna nkunu qabel nagħmlu użu kif id-dipoli magneżiku jagħmlu l-magneżju. Din il-fahm tiġi mill-bidu tal-explorazzjoni tal-momènt dipol magneżiku.
Il-momènt dipol magneżiku, li f’dak il-kemm ta’ semplifikazzjoni solit jiksemm bħal momènt magneżiku, huwa konċett fundamentali fl-elettromagnetizmu. Huwa joffri strument potenti għall-fahm u l-quantifikazzjoni tal-interazzjoni bejn l-anell tal-kurrent u l-magħluq magneżiku uniformi. Il-momènt magneżiku tal-anell tal-kurrent, li għandu l-area A u jinkella kurrent I, huwa definit hekk:
Għaddexx is-silġ huwa definit bħala vettur, li jirrendi l-momènt magneżiku kvantità vetturjali wkoll. Kedwa vettur għandhom l-istess direzzjoni.
Id-direzzjoni tal-momènt magneżiku hi perpendikulari għall-pjan tal-anell. Tista' tittfarrdha biex tipppla l-regola tal-ħaddiem—Jekk tkulħel l-ħnejjet tal-ħaddiem tiegħek fit-tiswil tal-kurrent, it-tumb tagħhek jiġi indikat id-direzzjoni tal-vettur tal-momènt magneżiku. Dan huwa illustrat fil-Figura 1.
Il-momènt magneżiku tal-anell huwa determinat biss mill-kurrent li jinkelle u l-area li tinsab. Huwa ma jkunx affetwat minn is-silġ tal-anell.
Il-Torque u l-Momènt Magneżiku
Ara l-Figura 2, li turi anell tal-kurrent posta fi magħluq magneżiku uniformi.
Fil-figura prezentata fuq:
I rrapreżenta l-kurrent.
B tdenota l-vettur tal-magħluq magneżiku.
u tstanda lill-momènt magneżiku.
θ jiġi indikat l-angolu bejn il-vettur tal-momènt magneżiku u l-vettur tal-magħluq magneżiku.
Skont li l-forzi li joppjaw fuq is-silġ opposti tal-anell jiġu kompenzati, il-forza totali li tippja l-anell tkun null. Allura, l-anell huwa sottopost għal torque magneżiku. Il-misur ta' din il-torque li tippja l-anell hija definita hekk:
Minn l-Equazzjoni 2, nistgħu nara li l-torque (t) huwa miftuħ b'mod diretta mal-momènt magneżiku. Dan għaliex il-momènt magneżiku jaħdem bħal magnett; meta jikkonfronta magħluq magneżiku estern, jixtieħ torque. Din it-torque daima tibda l-anell biex jiġi rotot hafna lejn il-posizzjoni tal-equilibru stabili.
L-equilibru stabili jiġi raggiunt meta l-magħluq magneżiku huwa perpendikulari għall-pjan tal-anell (jiġifieri, θ=0^o). Jekk l-anell jiġi rodat bl-inħalija mis-saħħar, it-torque se tipprova l-anell biex jitorna llura lejn l-equilibru. It-torque huwa wkoll null meta θ=180^o. L-iżejjed, f'dan il-każ, l-anell huwa f'equilibru instabbli. Rotazzjoni żgħira minn θ=180^o se tipprova l-anell biex jiġi rodat aktar lontan mill-punkt u lejn θ=0^o.
X'Għalih Huwa Important Il-Momènt Magneżiku?
Numru kbir ta' dispositivi jiddipendu mill-interazzjoni bejn anell tal-kurrent u l-magħluq magneżiku. Pereżempju, it-torque generat minn motor elettriku huwa bason l-interazzjoni bejn il-magħluq magneżiku tal-motor u l-kundutturi tal-kurrent. Fl-interazzjoni, l-enerġija potenzjali tivvartu skont iċ-ċavetta tal-kundutturi.
Huwa l-interazzjoni bejn il-momènt magneżiku u l-magħluq magneżiku estern li tħallef l-enerġija potenzjali fis-sistema magneżika tagħna. L-angolu bejn dawn l-ewwel vettur jiddetermina l-ammont ta' enerġija (U) storata fis-sistema, kif juri l-equazzjoni seguenta:
Il-prossim juri l-valuri storati tal-enerġija għal diversi konfigurazzjonijiet importanti:
Meta θ=0^o, is-sistema hija f'posizzjoni tal-equilibru stabili, u l-enerġija storata tara s-silġ minimu, b'U=-uB.
Meta θ=90^o, l-enerġija storata tara s-silġ U=0.
Meta θ=180^o, l-enerġija storata tara s-silġ massimu, b'U=uB. Dan is-silġ partikulari jirrappreżenta l-equilibru instabbli.
Fahm Il-Momènt Magneżiku Netta permezz tal-Model Atożiku
Biex nifhmu kif il-materiali magneżiki jagħmlu l-magħluq magneżiku, huwa essenzjali li ndagħmu l-mekkanika kwantika. Allura, waqt li dan is-suġġett huwa barra mill-skop ta' din l-artiklu, nistgħu nkunu qabel nifhmu l-konċett tal-momènt magneżiku u l-model atożiku klassiku biex niksbu fahm importanti kif il-materiali jagħmlu l-interazzjoni mal-magħluq magneżiku estern.
Dan il-model jirrapreżenta l-elettron bħala orbitanti lill-nuklu atomiku u spinjandi intornohom stess, kif juri l-Figura 3.
Il-Momènt Magneżiku Nett tas-Elettroni, tal-Atomi, u tal-Oġġetti
Il-moviment orbitali tal-elettron jistgħu jiġu paragonati b'anell tal-kurrent żgħir. Bħalhekk, huwa jipproduċi momènt magneżiku (indikat b' (u1) fil-figura fuq). Similament, is-spin tal-elettron ukoll ipproduċi momènt magneżiku (u2). Il-momènt magneżiku nett tal-elettron huwa l-summa vetturjali ta' dawn l-ewwel momenti magneżiku.
Għal atum, il-momènt magneżiku nett huwa l-summa vetturjali tal-momenti magneżiku kollha tas-elettroni tiegħu. Anki protons f'atum ikollhom dipol magneżiku, l-effett tagħhom huwa ċass generalment quan jinħarsu ma' dak tas-elettroni.
Il-momènt magneżiku nett tal-oġġett huwa determinat mill-summa vetturjali tal-momenti magneżiku kollha tal-atomi kollha fih.
Il-Vettur tal-Magnetizzazzjoni
Il-karatteristiċi magneżika ta' materiali huma determinati mill-momenti magneżiku tal-partikli konstitutivi tagħhom. Kif diskużat qabel f'din l-artiklu, dawn il-momenti magneżiku jistgħu jiġu miftuħ bħal magnets żgħar. Meta materiali jiġu posta fi magħluq magneżiku estern, il-momenti magneżiku atomi f'dan il-material interattgħu mal-magħluq magneżiku applicat u jiġu spjegati torque. Din it-torque tipprova l-momenti magneżiku biex jiġu alliġnat fl-istess direzzjoni.
Il-statu magneżiku tal-substànza huwa bason fuq żewġ fatturi: in-numru tal-momenti magneżiku atomi presenti fil-materiali u l-gradi ta' alliġnament tagħhom. Jekk il-momenti magneżiku ġenerati minn anelli tal-kurrent mikroskopici jiġu orientati random, huma jiġu tnednu l-kansellazzjoni ta' l-un l-ieħor, bl-għalb ta' netta magneżiku neglġiġbil. Biex niddeskrivu l-statu magneżiku tas-silġ, nippreżentaw il-vettur tal-magnetizzazzjoni. Huwa definit bħala l-momènt magneżiku totali permezz tal-unità tal-volum tas-silġ:
fejn V rrapreżenta l-volum tas-silġ.
Meta l-materiali jiġu esposti għal magħluq magneżiku estern, il-momenti magneżiku tagħhom jiġu alliġnati, li tista' tiggħalbu l-aument fil-misur tal-vettur tal-magnetizzazzjoni. Il-karatteristiċi tal-vettur tal-magnetizzazzjoni huma wkoll influenzati mill-klassifikazzjoni tal-materiali bħal paramagnetic, ferromagnetic, jew diamagnetic.
Il-materiali paramagnetic u ferromagnetic huma formati minn atomi b'momenti magneżiku permanenti. Fil-kontra, il-momenti magneżiku atomi f'di materiali diamagnetic mhumiex permanenti.
Tfittxija tal-Magħluq Magneżiku Totali: Il-Permeabilità u l-Susċettività
Supponi li nipponi materiali fi magħluq magneżiku. Il-magħluq magneżiku totali fi l-intern tas-silġ għandu żewġ sorgenti distinte:
Il-magħluq magneżiku estern (B0).
Il-magnetizzazzjoni tas-silġ b'reazzjoni għal il-magħluq magneżiku estern (Bm).
Il-magħluq magneżiku totali fi l-intern tas-silġ huwa is-somma ta' dawn l-ewwel komponenti:
B0 huwa prodott mill-kunduttur tal-kurrent; Bm huwa prodott mill-silġ magneżiku. Tista' tintuża li Bm huwa proporzjonali mal-vettur tal-magnetizzazzjoni:
fejn μ0 huwa kostant imsejħ permeabilità tas-spazju liber. Għalhekk, għandna:
Il-vettur tal-magnetizzazzjoni huwa wkoll relazjonat mal-magħluq estern permezz tal-equazzjoni seguenta:
fejn il-ħarf greku χ huwa fattur ta' proporzjonalità imsejħ susċettività magneżika. Il-valur ta' χ idependi mit-tip ta' materiali.
Biex nkombinaw l-aħħar żewġ equazzjonijiet, għandna:
Il-Signifikanza tal-Equazzjoni u l-Permeabilità Relattiva
Din l-equazzjoni tghallim intuizzjoni: tindika li l-magħluq magneżiku totali fi l-intern tas-silġ huwa ekwivalent għal magħluq magneżiku estern moltiplikat bl-fattur 1+x. Dan il-fattur, imsejħ permeabilità relattiva, huwa parametru importanti għal karatterizzazzjoni kif materiali jirreazzjuna għal magħluq magneżiku. L-permeabilità relattiva hija sovent indikata b'ur.
Il-Susċettività Magneżika ta' Materiali Differenti
Il-Figura 4 tirrapreżenta l-komportament magneżiku ta' tre tipi differenti ta' materiali meta jiġu posta fi magħluq magneżiku uniformi. Is-silġ intern tas-silġ huwa rappreżentat b'rettangulu ħalib.
Il-Susċettività Magneżika ta' Materiali Differenti
Fl-Figura 4(a), il-linji tal-magħluq magneżiku fi l-intern tas-silġ huma akbar esperti minn dawn barra. Dan jindika li l-magħluq magneżiku totali fi materiali diamagnetic huwa qasir mill-magħluq magneżiku estern. Għal materiali diamagnetic, is-susċettività magneżika (X) huwa valur negattiv żgħir. Pereżempju, f'300 K, il-kupru għandu susċettività magneżika ta' –9.8 × 10⁻⁶. Bħalhekk, it-talb għaddexx tipprova l-magħluq magneżiku mill-intern.
Il-Figura 4(b) turi r-reazzjoni ta' materiali paramagnetic. Hawn, il-linji tal-magħluq magneżiku fi l-intern tas-silġ huma akbar qasri minn dawn tal-magħluq magneżiku estern. Dan jindika li l-magħluq magneżiku totali fi l-intern tas-silġ huwa qasir mill-magħluq magneżiku estern. Għal materiali paramagnetic, X huwa valur pozitiv żgħir. Pereżempju, f'300 K, is-susċettività magneżika tal-litju huwa 2.1 × 10⁻⁵.
Nharbah, fl-Figura 4(c), il-materiali ferromagnetic jiġu deformati l-linji tal-magħluq magneżiku, li jgħalbu l-passejġ tal-magħluq magneżiku permezz tas-silġ. Tas-silġ jkun magnetizzat, li jiġi boostat l-magħluq magneżiku fi l-intern. Għal materiali ferromagnetic, X għandu valur pozitiv mill-1,000 sa 100,000. Għalhekk, dawn il-materiali jipproduċu magħluq magneżiku qasir mill-magħluq magneżiku estern.
Huwa important li nifferrmxu li għal materiali ferromagnetic, mhux kostant. Bħalhekk, il-magnetizzazzjoni (M) mhux funzjoni lineari tal-magħluq magneżiku estern (B0).
Kkonkluzzjoni
Il-materiali magneżiki huma essenzjali għal numru kbir ta' applikazzjonijiet, inkluż trasformaturi, motors, u dispositivi ta' stokkazzjoni tad-data. Il-statu magneżiku tas-silġ huwa bason fuq in-numru tal-momenti magneżiku atomi fil-materiali u kif jkun alliġnat permezz tal-magħluq magneżiku estern. Kif diskużat qabel, nistgħu nklassifikaw il-materiali magneżiki f'trin tipi differenti permezz ta' dawn il-kriterji: paramagnetic, diamagnetic, u ferromagnetic. Nidherġu dawn il-kategoriji f'detajl fl-artiklu li jmiss.
