Mga Pangunahing Konsepto ng mga Materyales na Magneto

Ang Magnetic Dipole Moment

Kapag inilapat ang parehong panlabas na magnetic field, maaaring ipakita ng iba't ibang materyales ang malaking pagkakaiba-iba sa kanilang tugon. Upang maunawaan ang mga dahilang ito, kailangan nating unawain kung paano pinamumunuan ng magnetic dipoles ang magnetic behavior. Ito ay nagsisimula sa pagsusuri ng magnetic dipole moment.

Ang magnetic dipole moment, na karaniwang tinatawag na magnetic moment para sa simpleng paggamit, ay isang pundamental na konsepto sa electromagnetics. Ito ay nagbibigay ng mahalagang kasangkapan upang maintindihan at masukat ang interaksiyon sa pagitan ng isang current - carrying loop at isang uniform na 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 direksyon ang dalawang vectors.

Ang direksyon ng magnetic moment ay perpendicular sa plane ng loop. Maaari itong makita sa pamamagitan ng pag-apply ng right-hand rule—Kapag inikot mo ang iyong mga daliri ng kanan sa direksyon ng pagtakbo ng current, ang iyong pulok ay nagpapakita ng direksyon ng magnetic moment vector. Ito ay ipinapakita sa Figure 1.

Ang magnetic moment ng isang loop ay tanging nakadepende sa current na tumatakbo dito at sa area na ito naglalaman. Hindi ito 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 na magnetic field.

Sa figure na ipinapakita sa itaas:

•  I kumakatawan sa current.

• B nagsisilbing magnetic field vector.

• u tumutukoy sa magnetic moment.

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

Dahil ang mga puwersa na nangyayari sa magkabilang bahagi ng loop ay nagbabalanse sa bawat isa, ang kabuuang puwersa na nangyayari sa loop ay sumasama sa zero. Gayunpaman, ang loop ay sangkot sa isang magnetic torque. Ang magnitude ng torque na ito na inilapat sa loop ay ibinibigay bilang sumusunod:

Mula sa Equation 2, maaari nating malinaw na makita na ang torqu (t) ay direktang nauugnay sa magnetic moment. Ito ay dahil ang magnetic moment ay gumagana tulad ng isang magnet; kapag inilapat sa isang panlabas na magnetic field, ito ay nararanasan ang isang torque. Ang torque na ito ay laging may tendensiyang i-rotate ang loop patungo sa stable equilibrium position.

Nararating ang stable equilibrium kapag ang magnetic field ay perpendicular sa plane ng loop (i.e.,θ=0^o  ). Kung ang loop ay konting inililipat 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 kaso na ito, ang loop ay nasa unstable equilibrium. Isang kaunting rotation mula sa θ=180^o ay magdudulot ng torque na ididrive ang loop mas layo mula sa punto na ito at patungo sa θ=0^o  .

Bakit Mahalaga ang Magnetic Moment?

Maraming device ang umaasa sa interaksiyon sa pagitan ng isang current loop at isang magnetic field. Halimbawa, ang torque na ginenera ng isang electric motor ay batay sa interaksiyon sa pagitan ng magnetic field ng motor at ng current - carrying conductors. Sa prosesong ito, ang potential energy ay nagbabago habang ang mga conductors ay umuubo.

Ang interaksiyon sa pagitan ng magnetic moment at ng panlabas na magnetic field ang nagbibigay ng potential energy sa aming magnetic system. Ang angle sa pagitan ng dalawang vectors na ito ang nagpapasya sa halaga ng energy (U) na naka-imbak sa system, tulad ng ipinapakita sa sumusunod na equation:

Ang mga sumusunod ay nagpapakita ng naka-imbak na energy values para sa ilang mahahalagang konfigurasyon:

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

Kapag θ=90^o , ang naka-imbak na energy ay tumaas hanggang U=0 .

Kapag θ=180^o, ang naka-imbak na energy ay umabot sa maximum value, U=uB . Ang partikular na estado na ito ay kumakatawan sa unstable equilibrium position.

Unawain ang Net Magnetic Moment sa pamamagitan ng Atomic Model

Upang buo na maintindihan kung paano gumagawa ng magnetic field ang magnetic materials, mahalaga ang pagdaloy sa quantum mechanics. Gayunpaman, dahil ang paksa na ito ay nasa labas ng saklaw ng artikulong ito, maaari pa rin nating gamitin ang konsepto ng magnetic moment at ang classical atomic model upang makakuha ng mahalagang insights kung paano ang mga materyales ang sumasalubong sa isang panlabas na magnetic field.

Ang modelo na ito ay nagpapakita ng isang electron bilang orbiting sa atomic nucleus at spinning sa sariling 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 nag-generate ng magnetic moment (tinutukoy bilang (u1 )sa figure sa itaas). Parehong, ang spin ng electron ay nagbibigay din 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 din, ang kanilang pangkalahatang epekto ay karaniwang hindi mahalaga kumpara sa electrons.

Ang net magnetic moment ng isang bagay ay nagsisimula sa pagkuha ng vector sum ng magnetic moments ng lahat ng atoms sa loob nito.

Ang Magnetization Vector

Ang magnetic properties ng isang materyal ay nagsisimula sa magnetic moments ng mga constituent particles nito. Tulad ng naipagusapan na sa artikulong ito, ang mga magnetic moments na ito ay maaaring isipin bilang maliit na magnets. Kapag inilapat ang isang materyal sa isang panlabas na magnetic field, ang atomic magnetic moments sa loob ng materyal ay sumasalubong sa inilapat na field at nararanasan ang isang torque. Ang torque na ito ay may tendensiyang i-align ang mga magnetic moments sa parehong direksyon.

Ang magnetic state ng isang substansiya ay naka-asa sa dalawang factor: ang bilang ng atomic magnetic moments na nasa materyal at ang degree ng kanilang alignment. Kung ang magnetic moments na gawa sa microscopic current loops ay random na oriented, sila ay may tendensiyang kanselahin ang bawat isa, na nagreresulta sa negligible net magnetic field. Upang ilarawan ang magnetic state ng substansiya, ipinasok natin ang magnetization vector. Ito ay inilalarawan bilang total magnetic moment per unit volume ng substansiya:

kung saan V kumakatawan sa volume ng materyal.

Kapag inilapat ang materyal sa isang panlabas na magnetic field, ang mga magnetic moments nito ay may tendensiyang i-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 atoms na may permanenteng magnetic moments. Sa kabilang banda, ang atomic magnetic moments sa diamagnetic materials ay hindi permanent.

Paghahanap sa Total Magnetic Field: Permeability at Susceptibility

Suppose na inilapat natin ang isang materyal sa loob ng isang magnetic field. Ang total magnetic field sa loob ng materyal ay may dalawang distinct na sources:

• Ang panlabas na inilapat na magnetic field (B0).

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

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

B0 ay ginawa ng isang current-carrying conductor; Bm ay ginawa ng magnetic substance. Maaaring ipakita na Bm ay proporsyonal sa magnetization vector:

kung saan μ0 ay isang constant na tinatawag na permeability of free space. Kaya, kami ay may:

Ang magnetization vector ay din nauugnay 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 halaga ng χ ay depende sa uri ng materyal.

Pagsasama ng huling dalawang equations, kami ay may:

Ang Significance ng Equation at Relative Permeability

Ang equation na ito ay may intuitive na interpretation: ito ay nagpapahiwatig na ang total magnetic field sa loob ng materyal ay katumbas ng panlabas na inilapat na magnetic field na pinarami ng factor 1+x . Ang factor na ito, na tinatawag na relative permeability, ay nagsisilbing isang mahalagang parameter para sa characterization kung paano ang materyal ay sumasalubong sa isang 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 na types ng materyales kapag inilapat sila sa isang uniform na 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 malayo ang espasyo kumpara sa mga nasa labas. Ito ay nagpapahiwatig na ang total magnetic field sa loob ng isang diamagnetic material ay kaunti lamang na mas mahina kaysa sa panlabas na inilapat na 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 na –9.8 × 10⁻⁶. Bilang resulta, ang materyal ay partial na nangangahi ng magnetic field mula sa interior nito.

Sa Figure 4(b), ipinapakita ang tugon ng isang paramagnetic material. Dito, ang magnetic field lines sa loob ng materyal ay mas malapit ang espasyo kumpara sa panlabas na field. Ito ay nagpapahiwatig na ang total magnetic field sa loob ng materyal ay kaunti lamang na mas malakas kaysa sa panlabas na 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 nagdudulot sa kanila na lumampas sa materyal. Ang materyal ay naging magnetized, na siyang nagpapataas ng 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 naggagawa ng magnetic field na mas malakas kaysa sa panlabas na inilapat na field.

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

Wrapping Up

Ang magnetic materials ay mahalaga sa maraming uri ng aplikasyon, kasama ang transformers, motors, at data storage devices. Ang magnetic state ng isang substansiya ay naka-asa sa bilang ng atomic magnetic moments sa materyal at kung gaano sila aligned sa presensya ng isang panlabas na magnetic field. Tulad ng maikling napagusapan, maaari nating ikategorya ang magnetic materials sa tatlong uri batay sa mga criteria na ito: paramagnetic, diamagnetic, at ferromagnetic. Ipaglaban natin ang mga kategorya na ito sa mas detalyadong artikulo sa susunod.