MÁGNESEZÉS: ORBITÁLIS ÉS SPIN MÁGNESES MOMENTUMOK, PÉLDÁK - FIZIKAI - 2026

A mágnesezés egy olyan vektormennyiség, amely leírja az anyag mágneses állapotát, és a térfogat egységnyi dipoláris mágneses momentumainak összegét határozza meg. A mágneses anyag - például vas vagy nikkel - sok kis mágnesből áll, amelyeket dipóloknak neveznek.

Általában ezek a dipolok, amelyeknek viszont északi és déli mágneses pólusuk van, bizonyos fokú rendellenességgel oszlanak el az anyag térfogatán belül. Kevésbé zavar az erős mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagok, például a vas esetében, és nagyobb, ha kevésbé nyilvánvaló mágnesességűek.

1. ábra: A mágneses dipólok véletlenszerűen vannak elrendezve az anyag belsejében. Forrás: F. Zapata.

Ha azonban az anyagot egy külső mágneses mező közepére helyezik, mint például a mágnesszelepen képződött, a dipolok a mezőnek megfelelően vannak orientálva, és az anyag képes mágnesként viselkedni (2. ábra).

2. ábra Anyag, például vasdarab elhelyezése egy olyan mágnesszelep belsejében, amelyen áthaladok az I áram, ennek mágneses tere igazítja az anyag dipópokat. Forrás: F. Zapata.

Legyen M a mágnesezési vektor, amelyet a következőképpen határozunk meg:

Most, az anyag mágnesesedésének intenzitása, a H külső mezőbe merülve, ezzel arányos, tehát:

M ∝ H

Az arányosság állandója az anyagtól függ, mágneses érzékenységnek nevezzük, és χ-vel jelöljük:

M = χ. H

Az M egységei a Nemzetközi Rendszerben amper / méter, hasonlóan a H-hez, tehát dimension mérete nélkül.

Orbitális és spin mágneses momentum

A mágnesesség a mozgó elektromos töltésekből adódik, ezért az atom mágnesességének meghatározásához figyelembe kell vennünk az azt alkotó töltött részecskék mozgását.

3. ábra: Az elektron mozgása a mag körül hozzájárul a mágnesességhez az orbitális mágneses momentummal. Forrás: F. Zapata.

Az elektronból kiindulva, amelyet úgy tekintünk, hogy az atommag körül kering, ez olyan, mint egy apró hurok (zárt hurok vagy áram hurok). Ez a mozgás hozzájárul az atom mágnesességéhez az m körüli mágneses momentumvektornak köszönhetően , amelynek nagysága:

Ahol I az aktuális intenzitás és A a hurok által bezárt terület. Ezért az m mértékegysége a Nemzetközi Rendszerben (SI) amper x négyzetméter.

Az m vektor merőleges a hurok síkjára, ahogy az a 3. ábrán látható, és a jobb hüvelykujj szabálya szerint irányul.

A hüvelykujj az áram irányába van orientálva, és a fennmaradó négy ujj a hurok körül van felfelé mutatva. Ez a kis áramkör megegyezik a rúdmágnesekkel, amint a 3. ábra mutatja.

Spin mágneses momentum

A pálya mágneses momentumán kívül az elektron úgy viselkedik, mintha önmagát forgatná. Nem pontosan így történik, de a kapott hatás ugyanaz, tehát ez egy újabb hozzájárulás, amelyet figyelembe kell venni egy atom nettó mágneses momentumánál.

Valójában a spin-mágneses momentum intenzívebb, mint a keringési momentum, és főként az anyag nettó mágnesességéért felelős.

4. ábra: A spin mágneses nyomaték az, amely a legjobban hozzájárul az anyag nettó mágnesezéséhez. Forrás: F. Zapata.

A centrifugál-nyomatékok külső mágneses mező jelenlétében igazodnak, és kaszkádhatást hoznak létre, egymás után igazítva a szomszédos momentumokhoz.

Nem minden anyag rendelkezik mágneses tulajdonságokkal. Ennek oka az, hogy az ellenkező spinnel rendelkező elektronok párokat képeznek, és törlik a megfelelő spin mágneses momentumokat.

Csak akkor lehet hozzájárulás a teljes mágneses momentumhoz, ha ezek pár nélkül vannak. Ezért csak a páratlan számú elektronokkal rendelkező atomoknak lehet esélyük, hogy mágnesesek legyenek.

Az atommagban a protonok szintén kis mértékben járulnak hozzá az atom teljes mágneses nyomatékához, mivel spinnel is rendelkeznek, és ezért hozzájuk kapcsolódó mágneses momentummal rendelkeznek.

De ez fordítottan függ a tömegtől, és a proton sokkal nagyobb, mint az elektroné.

Példák

A tekercs belsejében, amelyen áthalad az elektromos áram, egységes mágneses mező jön létre.

És a 2. ábrán leírtak szerint egy anyag odahelyezésekor ennek mágneses momentumai egyeznek a tekercs mezőjével. A nettó hatás erősebb mágneses mező előállítása.

Jó példa a transzformátorok, amelyek váltakozó feszültséget növelik vagy csökkentik. Két tekercsből állnak, az elsődlegesből és a másodlagosból, amelyek egy puha vasmagon vannak feltekerve.

5. ábra. A transzformátor magjában hálózati mágnesesedés következik be. Forrás: Wikimedia Commons.

A primer tekercsen egy változó áram halad át, amely felváltva módosítja a mag mágneses mező vonalait, ami viszont áramot indukál a másodlagos tekercsben.

Az oszcilláció gyakorisága azonos, de a nagysága eltér. Ily módon nagyobb vagy alacsonyabb feszültség érhető el.

A tekercsek szilárd vasmagra történő feltekercselése helyett inkább lakkkal bevont fémlemezek töltését tegyük rá.

Ennek oka az, hogy a magban örvényáramok vannak, amelyek túlságosan melegítik azt, de a lapokban indukált áramok alacsonyabbak, ezért a készülék melegítése minimálisra csökken.

Vezeték nélküli töltők

A mobiltelefon vagy az elektromos fogkefe feltölthető mágneses indukcióval, amelyet vezeték nélküli töltésnek vagy induktív töltésnek hívnak.

Az alábbiak szerint működik: van egy bázis vagy töltőállomás, ahol van egy mágnesszelep vagy fő tekercs, amelyen keresztül egy változó áram kerül átadásra. Egy másik (másodlagos) tekercs van rögzítve a kefe fogantyújához.

Az elsődleges tekercsben lévő áram viszont áramot indukál a fogantyú tekercsében, amikor a kefét a töltőállomásba helyezik, és ez gondoskodik az akkumulátor töltéséről, amely szintén a fogantyúban van.

Az indukált áram nagysága megnő, ha a főtekercsbe ferromágneses anyag magját, amely lehet vas, elhelyezzük.

Annak érdekében, hogy az elsődleges tekercs észlelje a másodlagos tekercs közelségét, a rendszer szakaszos jelet bocsát ki. Miután válasz érkezett, aktiválódik a leírt mechanizmus, és kábelek nélkül indul az áram indukálása.

ferrofluid

Az anyag mágneses tulajdonságainak másik érdekes alkalmazása a ferrofluidok. Ezek a ferritvegyület apró mágneses részecskéiből állnak, amelyeket folyékony közegben szuszpendálnak, amely lehet szerves vagy akár víz.

A részecskék olyan anyaggal vannak bevonva, amely megakadályozza azok agglomerációját, és így eloszlik a folyadékban.

Az ötlet az, hogy a folyadék folyóképességét kombinálják a ferritrészecskék mágnesességével, amelyek önmagukban nem erősen mágnesesek, de külső tér jelenlétében mágnesesedést szereznek, a fentiekben leírtak szerint.

A megszerzett mágnesezés eltűnik, amint a külső teret visszahúzzák.

A ferrofluidokat eredetileg a NASA fejlesztette ki, hogy gravitáció nélkül mozgósítsák az űrhajón belüli üzemanyagot, és mágneses mező segítségével impulzust adtak.

Jelenleg a ferrofluidoknak számos alkalmazásuk van, néhányuk még a kísérleti szakaszban, például:

- Csökkentse a súrlódást a hangszórók és a fejhallgatók kipufogódobjain (kerülje a visszhangot).

- Hagyja elválasztani a különböző sűrűségű anyagokat.

- Tömítésként működjön a merevlemez-tengelyek tengelyén, és taszítsa meg a szennyeződéseket.

- Rákkezelésként (a kísérleti szakaszban). A ferrofluidot a rákos sejtekbe fecskendezik és mágneses teret alkalmaznak, amely kis elektromos áramot eredményez. Az ezek által generált hő megtámadja a rosszindulatú sejteket és elpusztítja őket.

Irodalom

1. Brazil Fizikai Folyóirat. Ferrofluidok: Tulajdonságok és alkalmazások. Helyreállítva: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Sorozat: Fizika a tudomány és a technika számára. 6. kötet. Elektromágnesesség. Szerkesztette Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: alapelvek alkalmazásokkal. 6. Ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pillantás a világra. 6. rövidített kiadás. Cengage tanulás. 233.
5. Shipman, J. 2009. Bevezetés a fizikai tudományba. Cengage tanulás. 206-208.