The kemagnetan adalah kuantiti vektor menerangkan keadaan magnet yang penting dan ditakrifkan sebagai jumlah momen magnet dipolar per unit isipadu. Bahan magnet - besi atau nikel misalnya - boleh dianggap sebagai terdiri daripada banyak magnet kecil yang disebut dipol.
Biasanya dipol ini, yang pada gilirannya mempunyai kutub magnet utara dan selatan, diedarkan dengan tahap gangguan tertentu dalam jumlah bahan. Kelainan ini kurang pada bahan dengan sifat magnetik yang kuat seperti besi dan lebih besar pada bahan lain dengan daya tarikan yang kurang jelas.
Gambar 1. Dipol magnetik disusun secara rawak di dalam bahan. Sumber: F. Zapata.
Walau bagaimanapun, dengan meletakkan bahan di tengah medan magnet luaran, seperti yang dihasilkan dalam solenoid, dipol berorientasi sesuai dengan medan dan bahan tersebut dapat berperilaku seperti magnet (Gambar 2).
Gambar 2. Meletakkan bahan seperti sekeping besi misalnya, di dalam solenoid yang melaluinya arus, medan magnet ini sejajar dengan dipol dalam bahan. Sumber: F. Zapata.
Biarkan M menjadi vektor magnetisasi, yang ditakrifkan sebagai:
Sekarang, intensiti daya magnet dalam bahan, produk yang direndam di medan luaran H , sebanding dengan ini, oleh itu:
M ∝ H
Pemalar berkadar bergantung pada bahan, ia disebut kerentanan magnetik dan dilambangkan sebagai χ:
M = χ. H
Unit M dalam Sistem Antarabangsa adalah ampere / meter, seperti unit H , oleh itu χ tidak berdimensi.
Momen magnetik orbital dan putaran
Magnetisme timbul daripada cas elektrik bergerak, oleh itu untuk menentukan daya tarikan atom, kita mesti mengambil kira pergerakan zarah-zarah bermuatan yang membentuknya.
Rajah 3. Pergerakan elektron di sekitar nukleus menyumbang kepada daya tarikan dengan momen magnetik orbit. Sumber: F. Zapata.
Bermula dengan elektron, yang dianggap mengorbit nukleus atom, ia seperti gelung kecil (litar tertutup atau gelung arus tertutup). Pergerakan ini menyumbang kepada daya tarikan atom berkat vektor momen magnetik orbit , yang magnitudnya adalah:
Di mana saya adalah intensiti semasa dan A adalah kawasan yang ditutup oleh gelung. Oleh itu, unit m dalam Sistem Antarabangsa (SI) adalah amp x meter persegi.
Vektor m adalah tegak lurus dengan bidang gelung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, dan diarahkan seperti yang ditunjukkan oleh aturan ibu jari kanan.
Ibu jari berorientasi pada arah arus dan empat jari yang tersisa dililit pada gelung, menunjuk ke atas. Litar kecil ini setara dengan magnet bar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Putar momen magnetik
Terlepas dari momen magnetik orbit, elektron berperilaku seolah-olah berputar pada dirinya sendiri. Ia tidak berlaku dengan cara ini, tetapi kesan yang dihasilkan adalah sama, jadi ini adalah sumbangan lain yang perlu diambil kira untuk momen magnet bersih atom.
Sebenarnya, momen putaran magnetik lebih kuat daripada momen orbit dan terutamanya bertanggungjawab untuk daya tarikan bersih suatu zat.
Rajah 4. Momen magnetik putaran adalah momen yang paling banyak menyumbang kepada magnetisasi bahan. Sumber: F. Zapata.
Momen putaran sejajar dengan adanya medan magnet luaran dan mewujudkan kesan lata, berturut-turut sejajar dengan momen tetangga.
Tidak semua bahan menunjukkan sifat magnet. Ini kerana elektron dengan putaran berpasangan berlawanan dan membatalkan momen magnet putaran masing-masing.
Hanya jika ada yang tidak berpasangan ada sumbangan untuk jumlah momen magnetik. Oleh itu, hanya atom dengan bilangan elektron ganjil yang berpeluang menjadi magnet.
Proton dalam nukleus atom juga memberikan sumbangan kecil terhadap jumlah magnetik atom, kerana mereka juga mempunyai putaran dan oleh itu momen magnet yang berkaitan.
Tetapi ini secara terbalik bergantung pada jisim, dan proton jauh lebih besar daripada elektron.
Contoh
Di dalam gegelung, di mana arus elektrik melintas, medan magnet seragam dibuat.
Dan seperti yang dijelaskan dalam gambar 2, ketika meletakkan bahan di sana, momen magnetik ini sejajar dengan medan gegelung. Kesan bersih adalah untuk menghasilkan medan magnet yang lebih kuat.
Transformer, peranti yang meningkatkan atau menurunkan voltan bergantian, adalah contoh yang baik. Mereka terdiri daripada dua gegelung, primer dan sekunder, dililit pada teras besi lembut.
Rajah 5. Di teras pengubah berlaku pemagnetan bersih. Sumber: Wikimedia Commons.
Arus yang berubah dilalui gegelung primer yang secara bergantian mengubah garis medan magnet di dalam teras, yang seterusnya mendorong arus di gegelung sekunder.
Kekerapan ayunannya sama, tetapi besarnya berbeza. Dengan cara ini, voltan yang lebih tinggi atau rendah dapat diperoleh.
Daripada menggulung gegelung ke teras besi padat, lebih baik meletakkan pengisian kepingan logam yang ditutup dengan varnis.
Sebabnya adalah kerana adanya arus eddy di dalam inti, yang mempunyai kesan terlalu panas sehingga berlebihan, tetapi arus yang disebabkan oleh lembaran lebih rendah, dan oleh itu pemanasan peranti diminimumkan.
Pengecas tanpa wayar
Telefon bimbit atau berus gigi elektrik boleh dicas dengan induksi magnetik, yang dikenali sebagai pengecasan tanpa wayar atau pengecasan induktif.
Ia berfungsi dengan cara berikut: terdapat pangkalan atau stesen pengecasan, yang mempunyai solenoid atau gegelung utama, di mana arus perubahan dilalui. Gegelung lain (sekunder) dilekatkan pada pemegang berus.
Arus pada gegelung primer pada gilirannya menyebabkan arus pada gegelung pemegang ketika sikat diletakkan di stesen pengisian, dan ini menjaga pengisian bateri yang juga ada di pegangan.
Besarnya arus yang diinduksi meningkat apabila inti bahan feromagnetik, yang mungkin besi, diletakkan di gegelung utama.
Untuk gegelung utama untuk mengesan jarak gegelung sekunder, sistem memancarkan isyarat sekejap-sekejap. Setelah tindak balas diterima, mekanisme yang dijelaskan diaktifkan dan arus mula diinduksi tanpa memerlukan kabel.
Ferrofluid
Aplikasi lain yang menarik bagi sifat magnetik jirim ialah ferrofluida. Ini terdiri daripada zarah-zarah magnet kecil dari sebatian ferit, yang digantung dalam medium cair, yang boleh menjadi air organik atau bahkan air.
Zarah-zarah dilapisi dengan bahan yang menghalang pengagregatannya, dan dengan itu tetap tersebar di dalam cecair.
Ideanya adalah bahawa aliran masuk cecair digabungkan dengan kemagnetan zarah ferit, yang dengan sendirinya tidak kuat magnetik, tetapi memperoleh kemagnetan di hadapan medan luaran, seperti yang dijelaskan di atas.
Kemagnetan yang diperoleh akan hilang sebaik sahaja medan luaran ditarik.
Ferrofluid pada awalnya dikembangkan oleh NASA untuk menggerakkan bahan bakar di dalam kapal angkasa tanpa gravitasi, memberikan impuls dengan bantuan medan magnet.
Pada masa ini, ferrofluid mempunyai banyak aplikasi, beberapa masih dalam fasa eksperimen, seperti:
- Mengurangkan geseran pada peredam pembesar suara dan fon kepala (elakkan gema).
- Benarkan pemisahan bahan dengan ketumpatan yang berbeza.
- Bertindak sebagai penutup pada batang cakera keras dan menangkis kotoran.
- Sebagai rawatan barah (dalam fasa eksperimen). Ferrofluid disuntik ke dalam sel barah dan medan magnet digunakan untuk menghasilkan arus elektrik yang kecil. Haba yang dihasilkan oleh ini menyerang sel-sel malignan dan memusnahkannya.
Rujukan
- Jurnal Fizik Brazil. Ferrofluid: Sifat dan aplikasi. Dipulihkan dari: sbfisica.org.br
- Figueroa, D. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 6. Elektromagnetisme. Disunting oleh Douglas Figueroa (USB). 215-221.
- Giancoli, D. 2006. Fizik: Prinsip dengan Aplikasi. Dewan Prentice Ed ke-6. 560-562.
- Kirkpatrick, L. 2007. Fizik: Pandangan Dunia. Edisi ringkasan ke-6. Pembelajaran Cengage. 233.
- Shipman, J. 2009. Pengantar Sains Fizikal. Pembelajaran Cengage. 206-208.