Μαγνητικές ιδιότητες

Ο μαγνητισμός είναι μια φυσική δύναμη που παράγεται από την κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων. Μερικές από αυτές τις κινήσεις είναι μικροσκοπικές και συμβαίνουν μέσα σε μαγνήτες, οι οποίοι είναι ένας τύπος μαγνητικού υλικού. Τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από τα κινούμενα ηλεκτρικά φορτία, ή οι ίδιοι οι μαγνήτες, έχουν την ικανότητα να προσελκύουν ή να απωθούν άλλους μαγνήτες, καθώς και να αλλάζουν την κίνηση άλλων φορτισμένων σωματιδίων.

Μαγνητικό πεδίο: 

Το μαγνητικό πεδίο είναι μια φανταστική γραμμή δύναμης που περιβάλλει έναν μαγνήτη και η οποία επιτρέπει σε άλλα σιδηρομαγνητικά υλικά να απωθούνται ή να έλκονται προς αυτόν ανάλογα με τις μαγνητικές τους ιδιότητες.

Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου σχηματίζονται για διάφορους λόγους, όπως η τροχιακή κίνηση των ηλεκτρονίων και η ροή του ρεύματος μέσω ενός αγωγού.

Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου έχουν ορισμένα χαρακτηριστικά.

Σύμφωνα με τη σύμβαση, οι γραμμές μαγνητικού πεδίου εισέρχονται στη γη μέσω του νότιου πόλου και εξέρχονται από τον βόρειο πόλο.

Κοντά στους πόλους του μαγνήτη, οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου είναι ιδιαίτερα ισχυρές.

Δεν υπάρχει πιθανότητα να τέμνονται γραμμές μαγνητικού πεδίου μεταξύ τους σε αυτό το περιβάλλον.

Η ισχύς ενός μαγνήτη είναι ανάλογη με την εγγύτητα των γραμμών του μαγνητικού πεδίου μεταξύ τους.

Μέγεθος του μαγνητικού πεδίου

Σκεφτείτε την περίπτωση όπου ένα πηνίο που μεταφέρει ρεύμα έχει δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο, που συμβολίζεται με το γράμμα H.

H =nI/L(A/m) nI/L(A/m)

Όσον αφορά την ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, το n υποδηλώνει τον αριθμό των στροφών και το l το μήκος του κυλίνδρου.

Η πυκνότητα μαγνητικής ροής είναι ένα μέτρο της ποσότητας μαγνητικής ροής που υπάρχει σε ένα μαγνητικό πεδίο (Β). Είναι γνωστή ως πυκνότητα μαγνητικής ροής όταν μια ουσία εκτίθεται σε μαγνητικό πεδίο Η. Η πυκνότητα των γραμμών μαγνητικού πεδίου που διέρχονται από την ουσία ανά τετραγωνικό μέτρο μετράται όταν μια ουσία εκτίθεται σε μαγνητικό πεδίο Η. Παρέχεται από

B =X H (Tesla ή weber /m2) είναι η μονάδα δύναμης.

Όπου αναφέρεται ως Διαπερατότητα και ορίζεται ως ο βαθμός στον οποίο μια ουσία μπορεί να μαγνητιστεί.

Η τιμή της διαπερατότητας στο κενό μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο

m =4px 10-7(H/m) m =4px 10-7(H/m)

Μαγνητικό δίπολο

Η κίνηση του μαγνητικού διπόλου είναι παρούσα σε έναν βρόχο ρεύματος. Ως αποτέλεσμα της τροχιακής κίνησης κάθε ηλεκτρονίου σε ένα άτομο, κάθε ηλεκτρόνιο έχει μια μαγνητική ροπή. Εκτός από αυτό, κάθε ηλεκτρόνιο σε ηρεμία έχει μια αμετάβλητη γωνιακή ορμή, η οποία αναφέρεται ως γωνιακή ορμή σπιν, η οποία μπορεί να μετρηθεί. Αυτή η μαγνητική ροπή έχει σταθερό μέγεθος s =9,285*10-24 J/T και σταθερή φορά περιστροφής.

Συνεπώς, η μαγνητική ροπή που παράγεται από ένα άτομο είναι ένα διανυσματικό άθροισμα μαγνητικών ροπών που δημιουργούνται από τροχιακή κίνηση και γωνιακή ορμή σπιν.

Οι μαγνητικές ροπές των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο έχουν την τάση να ακυρώνονται σε ζεύγη, η οποία είναι γνωστή ως ακύρωση ζεύγους. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το ήλιο, οι μαγνητικές ροπές του ατόμου αλληλοεξουδετερώνονται.

Όταν αυτή η ακύρωση δεν συμβαίνει, η μαγνητική ροπή ενός ατόμου δεν μηδενίζεται σε ορισμένες περιπτώσεις. Ένα μαγνητικό δίπολο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αναπαραστήσει αυτούς τους τύπους ατόμων.

Κατά κανόνα, οι μαγνητικές ροπές των ατόμων κατανέμονται τυχαία και δεν υπάρχει καθαρή μαγνητική ροπή σε κανέναν όγκο υλικού που περιέχει εκατοντάδες χιλιάδες άτομα. Όταν το υλικό διατηρείται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, ωστόσο, οι ροπές επενεργούν στα ατομικά δίπολα και αυτές οι ροπές τα αναγκάζουν να ευθυγραμμιστούν παράλληλα με το πεδίο. Είναι δυνατό να αυξηθεί ο βαθμός ευθυγράμμισης αυξάνοντας την ένταση του εφαρμοζόμενου πεδίου και επίσης μειώνοντας τη θερμοκρασία του εφαρμοζόμενου πεδίου. Όταν εφαρμόζεται ένα αρκετά ισχυρό πεδίο, η ευθυγράμμιση είναι σχεδόν τέλεια και αναφερόμαστε σε αυτό ως το υλικό που είναι μαγνητικά κορεσμένο.

Όταν τα ατομικά δίπολα είναι ευθυγραμμισμένα, μερικώς ή πλήρως, σε οποιονδήποτε μικρό όγκο του υλικού, υπάρχει μια καθαρή μαγνητική ροπή προς την κατεύθυνση του πεδίου.

Το διάνυσμα μαγνήτισης I ορίζεται ως η μαγνητική ροπή ανά μονάδα όγκου του διανύσματος μαγνήτισης. Αναφέρεται ως η ένταση της μαγνήτισης ή απλά η μαγνήτιση σε ορισμένους κύκλους.

Ως αποτέλεσμα, I =M/V.

Όπου M είναι η μαγνητική ροπή που μετράται σε αμπέρ.

2 V είναι ο όγκος ενός δοχείου.

Χρησιμοποιείται η μονάδα αμπέρ/μέτρο του I.

Οι μαγνήτες ταξινομούνται ανάλογα με τις μαγνητικές τους ιδιότητες.

Οι μαγνήτες μπορούν να ταξινομηθούν στις ακόλουθες κατηγορίες με βάση τα χαρακτηριστικά που περιγράφονται παραπάνω:

• Διαμαγνητικό

• Παραμαγνητικό

• Σιδηρομαγνητικό

• Ferri-magnetic

• Αντισιδηρομαγνητικά υλικά

Διαμαγνητική ουσία

Ουσία με Διαμαγνητικές Ιδιότητες

Οι διαμαγνητικές ουσίες απωθούνται από μαγνήτες λόγω του γεγονότος ότι παράγουν αρνητική μαγνήτιση όταν εκτίθενται σε μαγνητικό πεδίο. Μια διαμαγνητική ουσία δεν έχει καθαρή μαγνητική ροπή γιατί όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό πεδίο σε αυτήν, η μαγνητική ροπή των ηλεκτρονίων ευθυγραμμίζεται προς την αντίθετη κατεύθυνση από το εφαρμοζόμενο πεδίο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η καθαρή μαγνητική ροπή να είναι μηδέν. Κάθε στοιχείο του περιοδικού πίνακα έχει την ιδιότητα του διαμαγνητισμού, αλλά μόνο λίγα στοιχεία, όπως Cu, Al2O3, Si και Zn, έχουν ισχυρότερη διαμαγνητική ιδιότητα από τα υπόλοιπα.

Παραμαγνητική ουσία

Ουσία με Παραμαγνητικές Ιδιότητες

Επειδή η καθαρή μαγνητική ροπή δεν ακυρώνεται πλήρως στο παραμαγνητικό υλικό, υπάρχει μια μικρή μαγνητική ροπή στο υλικό. Στο παραμαγνητικό υλικό, οι μαγνητικές ροπές ευθυγραμμίζονται τυχαία και όταν υποβάλλονται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, αυτές οι μαγνητικές ροπές ευθυγραμμίζονται προς την κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου H. Αυτό είναι γνωστό ως φαινόμενο πόλωσης. Το αλουμίνιο, το Cr, το Mo, το Ti και το Zr είναι παραδείγματα παραμαγνητικών υλικών.

Σιδηρομαγνητική ουσία

Ουσία με σιδηρομαγνητικές ιδιότητες

Ο σιδηρομαγνητισμός είναι μια ιδιότητα των υλικών που, σε αντίθεση με τους διαμαγνήτες και τους παραμαγνήτες, έχουν την τάση να διατηρούν τον μαγνητισμό τους ακόμη και όταν αφαιρεθεί το μαγνητικό πεδίο. Αυτό το φαινόμενο αναφέρεται επίσης ως υστέρηση και το γράφημα που απεικονίζει τη σχέση μεταξύ των διακυμάνσεων του μαγνητισμού και του μαγνητικού πεδίου αναφέρεται ως Βρόχος Υστέρησης. Ωστόσο, τα σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν την τάση να χάνουν τις μαγνητικές τους ιδιότητες σε ένα συγκεκριμένο σημείο ή θερμοκρασία. Σημείο Κιουρί ή Θερμοκρασία Κιουρί είναι η θερμοκρασία ή το σημείο στο οποίο ολοκληρώθηκαν τα πειράματα του Κιουρί.

Μαγνητική ουσία Ferri

Ουσία με Ferri-Μαγνητικές Ιδιότητες

Όταν συγκρίνουμε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό και ένα σιδηρομαγνητικό υλικό, η πιο σημαντική διαφορά είναι ότι ορισμένες μαγνητικές περιοχές σε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση με άλλες μαγνητικές περιοχές, ενώ άλλες μαγνητικές περιοχές δείχνουν προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αντίθετα, όλες οι μαγνητικές περιοχές σε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση η μία με την άλλη.

Αντισιδηρομαγνητική ουσία

Ουσία που είναι αντισιδηρομαγνητική

Οι μαγνητικές ροπές ατόμων ή μορίων σε αντισιδηρομαγνητικά υλικά, που συνήθως σχετίζονται με το σπιν των ηλεκτρονίων, ευθυγραμμίζονται σε κανονικό σχέδιο με γειτονικά σπιν σε αντίθετες κατευθύνσεις, με αποτέλεσμα ένα κανονικό σχέδιο ευθυγράμμισης.

Το MnO εμφανίζει αντισιδηρομαγνητισμό, το οποίο είναι σπάνιο φαινόμενο.

Νόμος Κιουρί

Είναι γνωστός ως νόμος Κιουρί ότι η μαγνητική επιδεκτικότητα των παραμαγνητικών υλικών είναι αντιστρόφως ανάλογη με την απόλυτη θερμοκρασία τους.

Η μαγνητική επιδεκτικότητα των παραμαγνητικών υλικών μειώνεται όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του υλικού και ισχύει το αντίστροφο. Η μαγνητική επιδεκτικότητα των σιδηρομαγνητικών ουσιών δεν αλλάζει με τη θερμοκρασία.

χ =C/T

όπου C υποδηλώνει τη σταθερά Curie,

σύμφωνα με το νόμο του Κιουρί

Ο ορισμός της θερμοκρασίας Curie (T) ή της θερμοκρασίας Curie (T) είναι η θερμοκρασία πάνω από την οποία παρατηρείται η συμπεριφορά ενός σιδηρομαγνητικού υλικού με εκείνη ενός παραμαγνητικού υλικού. Γνωστή ως θερμοκρασία Κιουρί, είναι η απόλυτη ελάχιστη θερμοκρασία στην οποία μια σιδηρομαγνητική ουσία μπορεί να μετατραπεί σε παραμαγνητική ουσία. Οι τιμές του ποικίλλουν ανάλογα με το σιδηρομαγνητικό υλικό, για παράδειγμα, για Ni, Fe και Co.

Στην περίπτωση του Fe, η θερμοκρασία είναι 358° C, στην περίπτωση του CO, η θερμοκρασία είναι 770° C και η θερμοκρασία είναι 1120° C. Ξαφνικά, ο σιδηρομαγνητισμός των ουσιών εξαφανίζεται όταν επιτευχθεί η θερμοκρασία.

Συμπέρασμα –

Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου σχηματίζονται για διάφορους λόγους, όπως η τροχιακή κίνηση των ηλεκτρονίων και η ροή του ρεύματος μέσω ενός αγωγού. Η ισχύς ενός μαγνήτη είναι ανάλογη με την εγγύτητα των γραμμών του μαγνητικού πεδίου μεταξύ τους. Ως αποτέλεσμα της τροχιακής κίνησης κάθε ηλεκτρονίου σε ένα άτομο, κάθε ηλεκτρόνιο έχει μια μαγνητική ροπή. Οι μαγνητικές ροπές των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο έχουν την τάση να ακυρώνονται σε ζεύγη, η οποία είναι γνωστή ως ακύρωση ζεύγους. Μια διαμαγνητική ουσία δεν έχει καθαρή μαγνητική ροπή, επειδή όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό πεδίο σε αυτήν, η μαγνητική ροπή των ηλεκτρονίων ευθυγραμμίζεται προς την αντίθετη κατεύθυνση από το εφαρμοζόμενο πεδίο.