Nauka o działaniu magnesów
Andrew Brookes/Getty Images
Siła wytwarzana przez magnes jest niewidzialna i tajemnicza. Czy kiedykolwiek zastanawialiście się jak działają magnesy ?
Kluczowe wnioski: Jak działają magnesy
- Magnetyzm to zjawisko fizyczne, przez które substancja jest przyciągana lub odpychana przez pole magnetyczne.
- Dwa źródła magnetyzmu to prąd elektryczny i spinowe momenty magnetyczne cząstek elementarnych (głównie elektronów).
- Silne pole magnetyczne powstaje, gdy momenty magnetyczne elektronów materiału są wyrównane. Kiedy są nieuporządkowane, materiał nie jest ani silnie przyciągany, ani odpychany przez pole magnetyczne.
Co to jest magnes?
Magnes to dowolny materiał zdolny do wytwarzania pole magnetyczne . Ponieważ każdy poruszający się ładunek elektryczny generuje pole magnetyczne, elektrony są malutkimi magnesami. Ten prąd elektryczny jest jednym ze źródeł magnetyzmu. Jednak elektrony w większości materiałów są zorientowane losowo, więc wypadkowe pole magnetyczne jest niewielkie lub nie ma go wcale. Mówiąc prościej, elektrony w magnesie mają tendencję do orientacji w ten sam sposób. Dzieje się to naturalnie w przypadku wielu jonów, atomów i materiałów, gdy są one chłodzone, ale nie jest tak powszechne w temperaturze pokojowej. Niektóre pierwiastki (np. żelazo, kobalt i nikiel) są ferromagnetyczne (mogą zostać namagnesowane w polu magnetycznym) w temperaturze pokojowej. Dla tych elementy , potencjał elektryczny jest najniższy, gdy momenty magnetyczne elektronów walencyjnych są wyrównane. Wiele innych elementów jest diamagnetyczny . Niesparowane atomy w materiałach diamagnetycznych generują pole, które słabo odpycha magnes. Niektóre materiały w ogóle nie reagują z magnesami.
Dipol magnetyczny i magnetyzm
Magnetyczny atomowy dipol jest źródłem magnetyzmu. Na poziomie atomowym dipole magnetyczne są głównie wynikiem dwóch rodzajów ruchu elektronów. Wokół jądra występuje ruch orbitalny elektronu, który wytwarza orbitalny dipolowy moment magnetyczny. Druga składowa momentu magnetycznego elektronu wynika z obracać dipolowy moment magnetyczny. Jednak ruch elektronów wokół jądra tak naprawdę nie jest orbitą, ani moment magnetyczny dipola spinowego nie jest powiązany z rzeczywistym „wirowaniem” elektronów. Niesparowane elektrony mają tendencję do przyczyniania się do zdolności materiału do namagnesowania, ponieważ momentu magnetycznego elektronu nie można całkowicie zlikwidować, gdy istnieją „nieparzyste” elektrony.
Jądro atomowe i magnetyzm
Protony i neutrony w jądrze mają również orbitalny i spinowy moment pędu oraz momenty magnetyczne. Jądrowy moment magnetyczny jest znacznie słabszy niż elektronowy moment magnetyczny, ponieważ chociaż moment pędu różnych cząstek może być porównywalny, moment magnetyczny jest odwrotnie proporcjonalny do masy (masa elektronu jest znacznie mniejsza niż masa protonu lub neutronu). Słabszy jądrowy moment magnetyczny odpowiada za jądrowy rezonans magnetyczny (NMR), który jest wykorzystywany do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI).
Źródła
- Cheng, David K. (1992). Elektromagnetyka polowa i falowa . Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN 978-0-201-12819-2.
- Du Trémolet de Lacheisserie, Étienne; Damien Gignoux; Michela Schlenkera (2005). Magnetyzm: podstawy . Skoczek. ISBN 978-0-387-22967-6.
- Kronmüllera, Helmuta. (2007). Podręcznik magnetyzmu i zaawansowanych materiałów magnetycznych . John Wiley & Synowie. ISBN 978-0-470-02217-7.