Magnetizzazione Orbitale e Spin Magnetic Moment, Esempi

IL magnetizzazione È una quantità vettoriale che descrive lo stato magnetico di un materiale ed è definita come la quantità di momenti magnetici di dipolo per unità di volume. Un materiale magnetico può essere considerato, ad esempio o nichel, se fosse costituito da molti piccoli magneti chiamati dipoli.

Normalmente questi dipoli, che a loro volta hanno poli magnetici nord e sud, sono distribuiti con un certo grado di disturbo all'interno del volume del materiale. Il disturbo è inferiore nei materiali con forti proprietà magnetiche come il ferro e maggiore in altri con magnetismo meno ovvio.

Figura 1. I dipoli magnetici sono disposti in modo casuale all'interno di un materiale. Fonte: f. Zapata.

Tuttavia, quando si posizionano il materiale nel mezzo di un campo magnetico esterno, come quello che si verifica all'interno di un solenoide, i dipoli sono orientati in base al campo e il materiale è in grado di comportarsi come un magnete (Figura 2).

figura 2. Posizionando un materiale come un pezzo di ferro, ad esempio, all'interno di un solenoide attraverso il quale passa una corrente, il campo magnetico di questo allinea i dipoli nel materiale. Fonte: f. Zapata.

Essere M Il vettore di magnetizzazione, che è definito come:

Dove M_Yo È a sua volta un altro vettore, chiamato Momento magnetico dipolare. L'origine di questo vettore è nell'atomo e sarà chiara nella sezione seguente.

Ora, l'intensità della magnetizzazione nel materiale, a seguito di essere immersa nel campo esterno H, È proporzionale a questo, quindi:

M ∝ H

La costante di proporzionalità dipende dal materiale, è chiamata suscettibilità magnetica e indica come χ:

M =χ. H

Le unità di M Nel sistema internazionale sono ampere/metro, così come quelli di H, Pertanto χ è senza dimensioni.

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Orbitale e girare il momento magnetico

Il magnetismo deriva dal movimento di carichi elettrici, quindi per determinare il magnetismo dell'atomo, dobbiamo tenere conto dei movimenti delle particelle cariche che lo costituiscono.

Può servirti: capacità termica Figura 3. Il movimento elettronico attorno al nucleo contribuisce al magnetismo con il momento magnetico orbitale. Fonte: f. Zapata.

A partire dall'elettrone, che è considerato orbitando in orbita il nucleo atomico, è come una piccola spirale (circuito chiuso o anello di corrente chiusa). Questo movimento contribuisce al magnetismo dell'atomo grazie al vettore del momento magnetico orbitale M, la cui grandezza è:

m = i.A

Dove Yo È l'intensità attuale e A È l'area bloccata dal ciclo. Pertanto, le unità di M Nel sistema internazionale (SI) sono Amps x quadrato metro.

Il vettore M È perpendicolare al piano spasi, come mostrato nella Figura 3 ed è diretto come indicato dalla regola del pollice destro.

Il pollice è orientato nella direzione della corrente e le restanti quattro dita vengono arrotolate attorno al ciclo, puntando verso l'alto. Questo piccolo circuito è equivalente a un magnete a barre, come indicato dalla Figura 3.

Il momento magnetico di Spin

A parte il momento magnetico orbitale, l'elettrone si comporta come se si accesa. Non accade esattamente in questo modo, ma l'effetto risultante è lo stesso, quindi è un altro contributo che deve essere preso in considerazione per il momento magnetico netto di un atomo.

In effetti, il momento magnetico di Espín è più intenso del momento orbitale ed è il principale responsabile del magnetismo netto di una sostanza.

Figura 4. Il momento magnetico di Espín è quello che contribuisce maggiormente alla magnetizzazione netta di un materiale. Fonte: f. Zapata.

I momenti di Espín sono allineati in presenza di un campo magnetico esterno e creano un effetto a cascata, allineandosi successivamente ai momenti vicini.

Non tutti i materiali presentano proprietà magnetiche. Questi sono dovuti al fatto che gli elettroni di spin opposti formano coppie e annullano i rispettivi momenti magnetici di ESPín.

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Solo se qualcuno è scomparso, c'è un contributo al momento magnetico totale. Pertanto, solo gli atomi con numero dispari di elettroni hanno la possibilità di essere magnetici.

I protoni nel nucleo atomico danno anche un piccolo contributo al momento magnetico totale dell'atomo, perché hanno anche rotazione e quindi un momento magnetico associato.

Ma questo dipende inversamente dell'impasto e quello del protone è molto più grande di quello dell'elettrone.

Esempi

All'interno di una bobina, attraverso la quale passa una corrente elettrica, viene creato un campo magnetico uniforme.

E come descritto nella Figura 2, quando si posizionano un materiale lì, i momenti magnetici di questo sono allineati con il campo della bobina. L'effetto netto è quello di produrre un campo magnetico più intenso.

I trasformatori, i dispositivi che aumentano o riducono le tensioni alternative, sono buoni esempi. Sono costituiti da due bobine, le scuole primarie e superiori, sopraffatte su un nucleo di ferro dolce.

Figura 5. Nel nucleo del trasformatore si verifica una magnetizzazione netta. Fonte: Wikimedia Commons.

La bobina primaria è fatta da una corrente mutevole che modifica alternativamente le linee di campo magnetico all'interno del nucleo, che a sua volta induce una corrente nella bobina secondaria.

La frequenza dell'oscillazione è la stessa, ma la grandezza è diversa. In questo modo, è possibile ottenere tensioni maggiori o minori.

Invece di avvolgere le bobine su un nucleo di ferro solido, è preferibile.

Il motivo è dovuto alla presenza delle correnti di Foucault all'interno del nucleo, che hanno l'effetto di riscaldarlo notevolmente, ma le correnti indotte nei fogli sono inferiori e quindi il riscaldamento del dispositivo è ridotto al minimo.

Caricatori wireless

Un telefono cellulare o uno spazzolino elettrico possono essere caricati mediante induzione magnetica, che è noto come carico wireless o carico induttivo.

Funziona come segue: c'è una base o una stazione di carico, che ha un solenoide o una bobina principale, che effettua un passaggio di corrente mutevole. Nella maniglia del pennello è posizionata un'altra bobina (secondaria).

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La corrente nella bobina primaria a sua volta induce una corrente nella bobina di mango quando il pennello viene posizionato nella stazione di carico e si occupa del caricamento della batteria che si trova anche nella maniglia.

L'entità della corrente indotta aumenta quando un nucleo di materiale ferromagnetico viene posizionato nella bobina principale, che può essere ferro.

Per la bobina primaria per rilevare la vicinanza della bobina secondaria, il sistema emette un segnale intermittente. Una volta ricevuta la risposta, il meccanismo descritto viene attivato e la corrente inizia a essere indotta senza la necessità di cavi.

Ferrofluido

Un'altra interessante applicazione delle proprietà magnetiche della materia sono il ferrofluido. Questi sono costituiti da piccole particelle magnetiche di un composto di ferrite, sospeso in mezzo liquido, che può essere organico o persino acqua.

Le particelle sono coperte da una sostanza che impedisce il loro agglomerato e quindi rimangono distribuite nel liquido.

L'idea è che la capacità di fluire dal fluido sia combinata con il magnetismo delle particelle di ferrite, che non sono fortemente magnetiche, ma acquisiscono una magnetizzazione in presenza di un campo esterno, come descritto in precedenza.

La magnetizzazione acquisita scompare non appena il campo esterno viene rimosso.

I ferrofluidi sono stati originariamente sviluppati dalla NASA per mobilitare il carburante all'interno di una nave senza gravità, dando l'impulso con l'aiuto di un campo magnetico.

Attualmente, i ferrofluidi hanno molte applicazioni, alcune ancora in una fase sperimentale, come ad esempio:

- Riduci l'attrito negli altoparlanti di altoparlanti e cuffie (evita il riverbero).

- Consenti la separazione di materiali con densità diversa.

- Agire come timbri sugli assi di dischi rigidi e respingere lo sporco.

- Come trattamento per il cancro (in fase sperimentale). Il ferrofluido viene iniettato nelle cellule tumorali e viene applicato un campo magnetico che produce piccole correnti elettriche. Il calore generato da questi attacchi maligni e le distrugge.

Riferimenti

1. Brasiliano Journal of Physics. Ferrofluidi: proprietà e applicazioni. Recuperato da: sbfisica.org.Br
2. Figueroa, d. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volume 6. Elettromagnetismo. A cura di Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, d.  2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 °.Ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, l. 2007. Fisica: uno sguardo al mondo. 6a edizione abbreviata. Apprendimento del Cengage. 233.
5. Shipman, j. 2009. Introduzione alla scienza fisica. Apprendimento del Cengage. 206-208.