Magnetismo Proprietà magnetiche dei materiali, usi

Lui magnetismo o L'energia magnetica è una forza della natura associata al movimento delle cariche elettriche e in grado di produrre attrazione o repulsione in determinate sostanze. I magneti sono fonti ben note di magnetismo.

All'interno di queste interazioni sono prodotti che si traducono nella presenza di campi magnetici, che esercitano la loro influenza su piccoli pezzi di ferro o nichel, ad esempio.

I bellissimi colori dell'aurora boreale sono dovuti al fatto che le particelle cosmiche emettono energia quando deviate dal campo magnetico terrestre. Fonte: Pixabay.

Il campo magnetico di un magnete diventa visibile quando viene posizionato sotto un documento su cui si diffondono i file di ferro. I limiti sono immediatamente orientati lungo le linee di campo, creando un'immagine di questo in due dimensioni.

Un'altra fonte ben nota sono i fili che trasportano corrente elettrica; Ma a differenza dei magneti permanenti, il magnetismo scompare quando la corrente cessa.

Ogni volta che si verifica un campo magnetico da qualche parte, alcuni agenti dovevano lavorare. L'energia investita in questo processo è immagazzinata nel campo magnetico creato e può quindi essere considerata come energia magnetica.

Il calcolo di quanta energia magnetica viene immagazzinata sul campo dipende da questo e dalla geometria del dispositivo o dalla regione in cui è stata creata.

Induttore.

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Storia e scoperta

Vecchie applicazioni

Le leggende raccontate da Plinio sull'antica Grecia parlano di Pastor Magnes, che più di 2000 anni fa trovarono un mistero mistero in grado di attirare pezzi di ferro, ma non altri materiali. Era magnetite, un ossido di ferro con forti proprietà magnetiche.

Il motivo dell'attrazione magnetica è rimasta nascosta per centinaia di anni. Nel miglior caso è stato attribuito a fatti soprannaturali. Anche se non per questo motivo hanno smesso di trovare applicazioni interessanti per questo, come la bussola.

La bussola inventata dai cinesi utilizza il magnetismo della terra stessa in modo che l'utente sia orientato durante la navigazione.

Primi studi scientifici

Lo studio dei fenomeni magnetici ha avuto un grande progresso grazie a William Gilbert (1544-1603). Questo scienziato inglese dell'era elisabettiana ha studiato il campo magnetico di un magnete sferico e ha concluso che la terra dovrebbe avere il proprio campo magnetico.

Dal suo studio sui magneti, notò anche che non poteva ottenere poli magnetici separati. Quando un magnete è sezionato in due, i nuovi magneti hanno anche entrambi i poli.

Tuttavia, fu all'inizio del XIX secolo quando gli scienziati notò l'esistenza della relazione tra corrente elettrica e magnetismo.

Hans Christian Oersted (1777-1851), nato in Danimarca, nel 1820 aveva il verificarsi di una corrente elettrica attraverso un conducente e osservando l'effetto che aveva su una bussola. La bussola fu deviata e quando la corrente cessò di fluire, la bussola indicò di nuovo come sempre a nord.

Questo fenomeno può essere controllato portando la bussola su uno dei cavi che lasciano la batteria dell'auto, mentre l'avvio è attivato.

Al momento della chiusura del circuito, l'ago deve sperimentare una deflessione osservabile, poiché le batterie delle auto possono fornire correnti abbastanza alte da consentire alla bussola di deviare.

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In questo modo era chiaro che le cariche mobili sono quelle che danno origine al magnetismo.

Ricerca moderna

Qualche anno dopo gli esperimenti di Oersted, il ricercatore britannico Michael Faraday (1791-1867) segnò un'altra pietra miliare quando scoprendo che i campi magnetici variabili a loro volta danno origine a correnti elettriche.

Entrambi i fenomeni, elettrici e magnetici, sono strettamente legati tra loro, essendo ciascuno può portare all'altro. Unificarli fu commissionato dal discepolo di Faraday, James Clerk Maxwell (1831-1879), nelle equazioni che portano il suo nome.

Queste equazioni contengono e riassumono la teoria elettromagnetica e sono ancora valide all'interno della fisica relativistica.

Proprietà magnetiche dei materiali

Perché alcuni materiali presentano proprietà magnetiche o acquisiscono facilmente magnetismo? Sappiamo che il campo magnetico è dovuto a carichi in movimento, quindi all'interno del magnete ci devono essere correnti elettriche invisibili che danno origine al magnetismo.

Tutta la materia contiene elettroni in orbita dal nucleo atomico. L'elettrone può essere paragonato alla Terra, che ha un movimento di traduzione intorno al sole e anche uno di rotazione sul proprio asse.

Fisica classica attributi movimenti simili all'elettrone, sebbene l'analogia non sia del tutto esatta. Tuttavia, il punto è che entrambe le proprietà dell'elettrone lo fanno comportarsi come una piccola spira che crea un campo magnetico.

La proprietà che contribuisce maggiormente contribuisce al campo magnetico dell'atomo è l'elettrone. Negli atomi con molti elettroni, questi sono raggruppati in coppia e con spine opposte. Pertanto, i suoi campi magnetici vengono annullati tra loro. Questo è ciò che accade in gran parte dei materiali.

Tuttavia, ci sono alcuni minerali e composti in cui c'è un elettrone scomparso. In questo modo, il campo magnetico netto non è nullo. Questo crea un Momento magnetico, Un vettore la cui grandezza è il prodotto della corrente dall'area del circuito.

I momenti magnetici contigui interagiscono tra loro e formano le regioni chiamate Domini magnetici, in cui molti giri sono allineati nella stessa direzione. Il campo magnetico risultante è molto intenso.

Ferromagnetismo, paramagnetismo e diamagnetismo

I materiali che hanno questa qualità sono chiamati Ferromagnetico. Ce ne sono alcuni: ferro, nichel, cobalto, gadolinio e alcune leghe.

Il resto degli elementi nella tavola periodica manca di questi effetti magnetici pronunciati. Rientrare nella categoria di paramagnetico O diamagnetico.

In effetti, il diamagnetism è una proprietà di tutti i materiali, che sperimentano una leggera repulsione in presenza di un campo magnetico esterno. Il bismuto è l'elemento con il diamagnetismo più accentuato.

Da parte sua, il paramagnetismo è costituito da una risposta magnetica meno intensa del ferromagnetismo ma ugualmente attrazione. Le sostanze paramagnetiche sono ad esempio alluminio, aria e alcuni ossidi di ferro come la goetita.

Usi di energia magnetica

Il magnetismo fa parte delle forze fondamentali della natura. Poiché anche gli esseri umani ne fanno parte, sono adattati all'esistenza di fenomeni magnetici, nonché al resto della vita sul pianeta. Ad esempio, alcuni animali usano il campo magnetico della terra per guidare geograficamente.

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In effetti, si ritiene che gli uccelli eseguino le loro lunghe migrazioni grazie al fatto che nel loro cervello hanno una sorta di bussola organica che consente loro di percepire e usare il campo geomagnetico.

Mentre gli umani mancano di una bussola come questa, invece hanno la capacità di modificare l'ambiente di molti più modi rispetto al resto del regno animale. Pertanto, i membri della nostra specie hanno usato il magnetismo per il loro beneficio dallo stesso momento in cui il primo pastore greco ha scoperto la pietra.

Alcune applicazioni energetiche magnetiche

Da allora in poi ci sono molte applicazioni di magnetismo. Eccone alcuni:

- La bussola già menzionata, che utilizza il campo geomagnetico della terra per guidare geograficamente.

- Vecchi televisori, computer e oscilloscopi, basati sul tubo a raggio catodico, che utilizzano bobine che generano campi magnetici. Questi sono responsabili della deviazione del raggio di elettroni per avere un impatto su determinati luoghi sullo schermo, formando così l'immagine.

- Spettrometri di massa, usati per studiare vari tipi di molecole e con molte applicazioni in biochimica, criminologia, antropologia, storia e altre discipline. Fanno uso di campi elettrici e magnetici per deviare le particelle caricate in traiettorie che dipendono dalla loro velocità.

- Propulsione magnetoidrodinamica, in cui una forza magnetica promuove un getto di acqua di mare (buon pilota), in modo che dalla terza legge di Newton, un veicolo o una barca riceve un impulso in avanti.

- Risonanza magnetica, un metodo non invasivo per ottenere immagini dall'interno del corpo umano. Fondamentalmente utilizza un campo magnetico molto intenso e viene analizzata la risposta dei nuclei di idrogeno (protoni) presenti nei tessuti, che hanno la proprietà di cui sopra dello spin.

Queste applicazioni sono già stabilite, ma in futuro si ritiene che il magnetismo possa anche sfogliare malattie come il cancro al seno, attraverso le tecniche ipertermico, che producono calore indotto magneticamente.

L'idea è di iniettare magnetite fluida direttamente al tumore. Grazie al calore prodotto dalle correnti indotte magneticamente, le particelle di ferro si riscaldano abbastanza da distruggere le cellule maligne.

Vantaggi e svantaggi

Quando si pensa all'uso di un certo tipo di energia, la sua conversione è richiesta in qualche tipo di movimento come quello di una turbina, un ascensore o un veicolo, ad esempio; O che si trasforma in energia elettrica che accende un dispositivo: televisione, televisione, sportelli automatici e cose del genere.

L'energia è una grandezza con molteplici manifestazioni che possono essere modificate in molti modi. Può l'energia di un piccolo magnete amplificarsi per muoversi continuamente più di alcune monete?

Per essere utilizzabile, l'energia deve avere una vasta gamma e procedere con una fonte molto abbondante.

Energie primarie e secondarie

In natura sono tali energie, da cui vengono prodotti gli altri tipi. Sono conosciuti come energie primarie:

- Energia solare.

- Energia atomica.

- Energia geotermica.

- Energia eolica.

- Energia da biomassa.

- Energia fossile e di carburante minerale.

Le energie secondarie, come l'elettricità e il calore, si verificano da queste. Dov'è l'energia magnetica qui?

L'elettricità e il magnetismo non sono due fenomeni separati. In effetti, entrambi gli uniti sono noti come fenomeni elettromagnetici. A condizione che esistano uno di loro.

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Dove c'è elettricità, ci sarà in qualche modo l'energia magnetica. Ma questa è un'energia secondaria, che richiede la precedente trasformazione di alcune delle energie primarie.

Caratteristiche delle energie primarie e secondarie

I vantaggi o gli svantaggi dell'uso di una sorta di energia sono stabiliti secondo molti criteri. Tra questi ci sono quanto è facile ed economico la loro produzione e anche quanto è in grado di influenzare negativamente il processo nell'ambiente e nelle persone.

Qualcosa di importante da tenere in considerazione è che le energie vengono trasformate molte volte prima che possano essere utilizzate.

Quante trasformazioni dovrebbero verificarsi per produrre il magnete con cui la lista della spesa lascerà la porta del frigorifero? Quanti da costruire un'auto elettrica? Sicuramente abbastanza.

E quanto è pulita l'energia magnetica o elettromagnetica? Ci sono coloro che credono che l'esposizione costante ai campi elettromagnetici di origine umana causino problemi di salute e ambientali.

Esistono attualmente numerose linee di ricerca dedicate allo studio dell'influenza di questi campi sulla salute e l'ambiente, ma secondo le prestigiose organizzazioni internazionali, non ci sono prove conclusive che siano dannosi.

Esempi di energia magnetica

Un dispositivo che serve a contenere energia magnetica è noto come induttore. È una bobina che è formata dal rotolare filo di rame con un numero sufficiente di curve ed è utile in molti circuiti per limitare la corrente e impedirgli di cambiare bruscamente.

Bobina di rame. Fonte: Pixabay.

Circolando una corrente attraverso le curve di una bobina, all'interno viene creato un campo magnetico.

Se la corrente cambia, anche le linee di campo magnetico. Questi cambiamenti inducono una corrente che si oppone, secondo la legge di induzione di Faraday-Lenz.

Quando la corrente aumenta o diminuisce improvvisamente, la bobina si oppone, quindi può avere effetti protettivi sul circuito.

L'energia magnetica di una bobina

Nel campo magnetico creato nel volume delimitato dalle curve della bobina, viene immagazzinata l'energia magnetica, che sarà indicata come indicata O_B E questo dipende da:

- L'intensità del campo magnetico B.

- L'area della sezione trasversale della bobina A.

- La lunghezza della bobina l.

- Permeabilità al vuoto μ_O.

È calcolato come segue:

Il prodotto A.l È equivalente al volume bloccato dalla bobina.

Questa equazione è valida in qualsiasi regione di spazio in cui esiste un campo magnetico. Se il volume è noto V di detta regione, la sua permeabilità e l'intensità del campo, è possibile calcolare quanta energia magnetica ha.

Esercizio risolto

Il campo magnetico all'interno di una bobina piena d'aria di 2.0 cm di diametro e 26 cm di lunghezza è 0.70 t. Quanta energia viene immagazzinata in questo campo?

Dati: la permeabilità del vuoto è μ_O = 4π . 10^-7 T.m/a

Soluzione

I valori numerici vengono sostituiti nell'equazione precedente, facendo attenzione a convertire i valori alle unità di sistema internazionale.

Riferimenti

1. Giancoli, d.  2006. Fisica: principi con applicazioni. Sesta edizione. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, J.D. 2011. Fisica 12. Pearson. 135-146.