MAGNETISIERUNG: MAGNETISCHES ORBITAL- UND SPINMOMENT, BEISPIELE - KÖRPERLICH - 2025

Die Magnetisierung ist eine Vektorgröße, die den magnetischen Zustand eines Materials beschreibt und als die Menge der dipolaren magnetischen Momente pro Volumeneinheit definiert ist. Ein magnetisches Material - zum Beispiel Eisen oder Nickel - besteht aus vielen kleinen Magneten, die Dipole genannt werden.

Normalerweise sind diese Dipole, die wiederum Nord- und Südmagnetpole haben, mit einem gewissen Grad an Unordnung innerhalb des Materialvolumens verteilt. Die Störung ist bei Materialien mit starken magnetischen Eigenschaften wie Eisen geringer und bei anderen mit weniger offensichtlichem Magnetismus größer.

Abbildung 1. Magnetische Dipole sind zufällig in einem Material angeordnet. Quelle: F. Zapata.

Wenn Sie das Material jedoch in die Mitte eines externen Magnetfelds legen, wie es beispielsweise in einem Solenoid erzeugt wird, werden die Dipole entsprechend dem Feld ausgerichtet und das Material kann sich wie ein Magnet verhalten (Abbildung 2).

Abbildung 2. Wenn Sie ein Material wie beispielsweise ein Stück Eisen in einem Magneten platzieren, durch den ein Strom I fließt, richtet das Magnetfeld dieses Materials die Dipole im Material aus. Quelle: F. Zapata.

Sei M der Magnetisierungsvektor, der definiert ist als:

Die Intensität der Magnetisierung im Material, das Produkt des Eintauchens in das äußere Feld H , ist daher proportional dazu:

M ∝ H.

Die Proportionalitätskonstante hängt vom Material ab, wird als magnetische Suszeptibilität bezeichnet und als χ bezeichnet:

M = χ. H.

Die Einheiten von M im internationalen System sind Ampere / Meter, wie die von H , daher ist χ dimensionslos.

Magnetisches Orbital- und Spinmoment

Magnetismus entsteht durch Bewegung elektrischer Ladungen. Um den Magnetismus des Atoms zu bestimmen, müssen wir daher die Bewegungen der geladenen Teilchen berücksichtigen, aus denen es besteht.

Figure 3. Die Bewegung des Elektrons um den Kern trägt zum Magnetismus mit dem magnetischen Orbitalmoment bei. Quelle: F. Zapata.

Beginnend mit dem Elektron, von dem angenommen wird, dass es den Atomkern umkreist, ist es wie eine winzige Schleife (geschlossener Kreislauf oder geschlossener Stromkreis). Diese Bewegung trägt dank des orbitalen magnetischen Momentvektors m, dessen Größe ist , zum Magnetismus des Atoms bei :

Dabei ist I die Stromstärke und A der von der Schleife umschlossene Bereich. Daher sind die Einheiten von m im Internationalen System (SI) Ampere x Quadratmeter.

Der Vektor m ist senkrecht zur Ebene der Schleife, wie in 3 gezeigt, und ist gerichtet, wie durch die Regel des rechten Daumens angegeben.

Der Daumen ist in Stromrichtung ausgerichtet und die vier verbleibenden Finger sind um die Schlaufe gewickelt und zeigen nach oben. Diese kleine Schaltung entspricht einem Stabmagneten, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Magnetisches Moment drehen

Abgesehen vom magnetischen Orbitalmoment verhält sich das Elektron so, als würde es sich auf sich selbst drehen. Es passiert nicht genau so, aber der resultierende Effekt ist der gleiche, also ist dies ein weiterer Beitrag, der für das magnetische Nettomoment eines Atoms berücksichtigt werden muss.

Tatsächlich ist das magnetische Spinmoment intensiver als das Orbitalmoment und ist hauptsächlich für den Nettomagnetismus einer Substanz verantwortlich.

Abbildung 4. Das magnetische Spinmoment trägt am meisten zur Nettomagnetisierung eines Materials bei. Quelle: F. Zapata.

Die Spinmomente richten sich bei Vorhandensein eines externen Magnetfelds aus und erzeugen einen Kaskadeneffekt, der sich sukzessive an benachbarten Momenten ausrichtet.

Nicht alle Materialien weisen magnetische Eigenschaften auf. Dies liegt daran, dass die Elektronen mit entgegengesetztem Spin Paare bilden und ihre jeweiligen spinmagnetischen Momente aufheben.

Nur wenn irgendwelche ungepaart sind, gibt es einen Beitrag zum gesamten magnetischen Moment. Daher haben nur Atome mit einer ungeraden Anzahl von Elektronen die Chance, magnetisch zu sein.

Die Protonen im Atomkern leisten ebenfalls einen kleinen Beitrag zum gesamten magnetischen Moment des Atoms, da sie auch Spin und damit ein damit verbundenes magnetisches Moment haben.

Dies hängt jedoch umgekehrt von der Masse ab, und die des Protons ist viel größer als die des Elektrons.

Beispiele

In einer Spule, durch die ein elektrischer Strom fließt, wird ein gleichmäßiges Magnetfeld erzeugt.

Und wie in Abbildung 2 beschrieben, richten sich die magnetischen Momente beim Platzieren eines Materials dort nach dem Feld der Spule aus. Der Nettoeffekt besteht darin, ein stärkeres Magnetfeld zu erzeugen.

Transformatoren, Geräte, die Wechselspannungen erhöhen oder verringern, sind gute Beispiele. Sie bestehen aus zwei Spulen, der primären und der sekundären, die auf einen Weicheisenkern gewickelt sind.

Abbildung 5. Im Kern des Transformators tritt eine Nettomagnetisierung auf. Quelle: Wikimedia Commons.

Ein sich ändernder Strom wird durch die Primärspule geleitet, der abwechselnd die Magnetfeldlinien innerhalb des Kerns modifiziert, was wiederum einen Strom in der Sekundärspule induziert.

Die Frequenz der Schwingung ist gleich, aber die Größe ist unterschiedlich. Auf diese Weise können höhere oder niedrigere Spannungen erhalten werden.

Anstatt die Spulen zu einem massiven Eisenkern aufzuwickeln, ist es vorzuziehen, eine Füllung aus mit Lack bedeckten Blechen zu verwenden.

Der Grund liegt im Vorhandensein von Wirbelströmen im Kern, die zu einer übermäßigen Überhitzung führen. Die in den Blechen induzierten Ströme sind jedoch geringer, und daher wird die Erwärmung der Vorrichtung minimiert.

Drahtlose Ladegeräte

Ein Mobiltelefon oder eine elektrische Zahnbürste kann durch magnetische Induktion aufgeladen werden, was als drahtloses Laden oder induktives Laden bekannt ist.

Es funktioniert wie folgt: Es gibt eine Basis- oder Ladestation mit einem Magneten oder einer Hauptspule, durch die ein sich ändernder Strom geleitet wird. Eine weitere (sekundäre) Spule ist am Bürstengriff angebracht.

Der Strom in der Primärspule induziert wiederum einen Strom in der Spule des Griffs, wenn die Bürste in die Ladestation eingesetzt wird, und dies sorgt für das Laden der Batterie, die sich ebenfalls im Griff befindet.

Die Größe des induzierten Stroms wird erhöht, wenn ein Kern aus ferromagnetischem Material, das Eisen sein kann, in der Hauptspule angeordnet ist.

Damit die Primärspule die Nähe der Sekundärspule erkennt, sendet das System ein intermittierendes Signal aus. Sobald eine Antwort empfangen wurde, wird der beschriebene Mechanismus aktiviert und der Strom wird ohne Kabel induziert.

Ferrofluide

Eine weitere interessante Anwendung der magnetischen Eigenschaften von Materie sind Ferrofluide. Diese bestehen aus winzigen magnetischen Partikeln einer Ferritverbindung, die in einem flüssigen Medium suspendiert sind, das organisch oder sogar wasserhaltig sein kann.

Die Partikel sind mit einer Substanz beschichtet, die ihre Agglomeration verhindert und somit in der Flüssigkeit verteilt bleibt.

Die Idee ist, dass die Fließfähigkeit der Flüssigkeit mit dem Magnetismus der Ferritpartikel kombiniert wird, die an sich nicht stark magnetisch sind, sondern in Gegenwart eines externen Feldes eine Magnetisierung erhalten, wie oben beschrieben.

Die erfasste Magnetisierung verschwindet, sobald das externe Feld zurückgezogen wird.

Ferrofluide wurden ursprünglich von der NASA entwickelt, um Treibstoff innerhalb eines Raumfahrzeugs ohne Schwerkraft zu mobilisieren und mithilfe eines Magnetfelds Impulse zu geben.

Derzeit haben Ferrofluide viele Anwendungen, von denen sich einige noch in der experimentellen Phase befinden, wie z.

- Reduzieren Sie die Reibung an den Schalldämpfern der Lautsprecher und Kopfhörer (vermeiden Sie Nachhall).

- Ermöglichen Sie die Trennung von Materialien mit unterschiedlicher Dichte.

- Wirken als Dichtungen auf den Wellen der Festplatten und weisen Schmutz ab.

- Als Krebsbehandlung (in der Versuchsphase). Ferrofluid wird in Krebszellen injiziert und ein Magnetfeld angelegt, das kleine elektrische Ströme erzeugt. Die von diesen erzeugte Wärme greift die bösartigen Zellen an und zerstört sie.

Verweise

1. Brasilianisches Journal für Physik. Ferrofluide: Eigenschaften und Anwendungen. Wiederhergestellt von: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Reihe: Physik für Wissenschaft und Technik. Band 6. Elektromagnetismus. Herausgegeben von Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Physik: Prinzipien mit Anwendungen. 6. Ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Physik: Ein Blick auf die Welt. 6. gekürzte Ausgabe. Lernen einbinden. 233.
5. Shipman, J. 2009. Einführung in die Physik. Lernen einbinden. 206-208.