MIKNATISLANMA: YÖRÜNGE VE SPIN MANYETIK MOMENT, ÖRNEKLER - FIZIKSEL - 2025

Mıknatıslanma bir vektör miktarı malzemenin manyetik durumunu açıklayan ve birim hacim başına dipolar Manyetik anlar miktarı olarak tanımlandığı gibidir. Manyetik bir malzeme - örneğin demir veya nikel - çift kutuplar adı verilen birçok küçük mıknatıstan oluştuğu düşünülebilir.

Normalde, sırasıyla kuzey ve güney manyetik kutuplara sahip olan bu çift kutuplar, malzemenin hacmi içinde belirli bir düzensizlik derecesiyle dağılmıştır. Bozukluk, demir gibi güçlü manyetik özelliklere sahip malzemelerde daha az ve daha az belirgin manyetizmaya sahip diğerlerinde daha fazladır.

Şekil 1. Manyetik dipoller, bir malzemenin içinde rastgele düzenlenmiştir. Kaynak: F. Zapata.

Ancak, malzeme bir solenoid içinde üretilenler gibi harici bir manyetik alanın ortasına yerleştirilerek, dipoller alana göre yönlendirilir ve malzeme bir mıknatıs gibi davranabilir (Şekil 2).

Şekil 2. Bir demir parçası gibi bir malzemeyi, örneğin içinden bir akımın geçtiği bir solenoidin içine yerleştirirken, bunun manyetik alanı malzemedeki dipolleri hizalar. Kaynak: F. Zapata.

M , aşağıdaki gibi tanımlanan manyetizasyon vektörü olsun :

Şimdi, H dış alanına daldırılmanın ürünü olan malzemedeki manyetizasyonun yoğunluğu bununla orantılıdır, bu nedenle:

M ∝ H

Orantılılık sabiti malzemeye bağlıdır, buna manyetik duyarlılık denir ve χ olarak gösterilir:

M = χ. 'H

Birimleri M Uluslararası Sistemde olanlar gibi amper / metre, olan H nedenle χ boyutsuz olduğunu.

Orbital ve spin manyetik moment

Manyetizma, hareket eden elektrik yüklerinden kaynaklanır, bu nedenle atomun manyetizmasını belirlemek için, onu oluşturan yüklü parçacıkların hareketlerini hesaba katmalıyız.

Şekil 3. Elektronun çekirdek etrafındaki hareketi, yörüngesel manyetik moment ile manyetizmaya katkıda bulunur. Kaynak: F. Zapata.

Atom çekirdeğinin yörüngesinde olduğu düşünülen elektrondan başlayarak, küçük bir döngü (kapalı devre veya kapalı akım döngüsü) gibidir. Bu hareket , büyüklüğü aşağıdaki olan yörüngesel manyetik moment vektörü m sayesinde atomun manyetizmasına katkıda bulunur :

Burada ben akım yoğunluğu ve A, döngü tarafından çevrelenen alandır. Bu nedenle, Uluslararası Sistemdeki (SI) m birimleri amper x metrekare'dir.

Vektör m , Şekil 3'te gösterildiği gibi ilmeğin düzlemine diktir ve sağ başparmak kuralıyla gösterildiği gibi yönlendirilir.

Başparmak akım yönüne doğru yönlendirilir ve kalan dört parmak yukarı doğru bakacak şekilde ilmeğin etrafına sarılır. Bu küçük devre, Şekil 3'te gösterildiği gibi bir çubuk mıknatısa eşdeğerdir.

Manyetik momenti döndür

Yörüngesel manyetik momentin dışında, elektron kendi etrafında dönüyormuş gibi davranır. Tam olarak bu şekilde gerçekleşmez, ancak ortaya çıkan etki aynıdır, bu nedenle bu, bir atomun net manyetik momenti için dikkate alınması gereken başka bir katkıdır.

Aslında, spin manyetik momenti yörünge momentinden daha yoğundur ve esas olarak bir maddenin net manyetizmasından sorumludur.

Şekil 4. Dönme manyetik momenti, bir malzemenin net mıknatıslanmasına en çok katkıda bulunan momenttir. Kaynak: F. Zapata.

Dönme momentleri, harici bir manyetik alanın varlığında hizalanır ve ardışık olarak komşu momentlerle hizalanan bir kademeli etki yaratır.

Tüm malzemeler manyetik özellik göstermez. Bunun nedeni, ters spinli elektronların çiftler oluşturması ve ilgili spin manyetik momentlerini iptal etmesidir.

Sadece herhangi biri eşleşmemişse, toplam manyetik moment için bir katkı vardır. Bu nedenle, yalnızca tek sayıda elektrona sahip atomların manyetik olma şansı vardır.

Atom çekirdeğindeki protonlar aynı zamanda atomun toplam manyetik momentine küçük bir katkı sağlar, çünkü aynı zamanda spinleri ve dolayısıyla ilişkili bir manyetik momenti vardır.

Ancak bu tersine kütleye bağlıdır ve protonunki elektronunkinden çok daha büyüktür.

Örnekler

İçinden elektrik akımının geçtiği bir bobinin içinde tek tip bir manyetik alan oluşturulur.

Ve şekil 2'de açıklandığı gibi, oraya bir malzeme yerleştirirken, bunun manyetik momentleri bobinin alanıyla aynı hizadadır. Net etki, daha güçlü bir manyetik alan üretmektir.

Transformatörler, alternatif voltajları artıran veya azaltan cihazlar iyi örneklerdir. Yumuşak bir demir çekirdeğe sarılmış iki bobinden oluşurlar, birincil ve ikincil.

Şekil 5. Transformatörün çekirdeğinde net bir mıknatıslanma meydana gelir. Kaynak: Wikimedia Commons.

Çekirdek içindeki manyetik alan çizgilerini dönüşümlü olarak değiştiren birincil bobinden değişen bir akım geçirilir ve bu da ikincil bobinde bir akımı indükler.

Salınımın frekansı aynıdır, ancak büyüklüğü farklıdır. Bu şekilde daha yüksek veya daha düşük voltajlar elde edilebilir.

Bobinleri katı bir demir çekirdeğe sarmak yerine, vernikle kaplı bir metal levha dolgusu koymak tercih edilir.

Bunun nedeni, çekirdek içinde aşırı ısınma etkisine sahip, ancak tabakalarda indüklenen akımların daha düşük olması ve bu nedenle cihazın ısınmasının en aza indirgenmiş olan girdap akımlarının varlığından kaynaklanmaktadır.

Kablosuz şarj cihazları

Bir cep telefonu veya elektrikli diş fırçası, kablosuz şarj veya endüktif şarj olarak bilinen manyetik indüksiyonla şarj edilebilir.

Şu şekilde çalışır: içinden değişen bir akımın geçtiği bir solenoid veya ana bobini olan bir baz veya şarj istasyonu vardır. Fırça sapına başka bir (ikincil) bobin takılır.

Birincil bobindeki akım, fırça şarj istasyonuna yerleştirildiğinde sapın bobininde bir akım oluşturur ve bu, yine sapta bulunan pilin şarj edilmesini sağlar.

Ana bobine demir olabilecek bir ferromanyetik malzeme çekirdeği yerleştirildiğinde indüklenen akımın büyüklüğü artar.

Birincil bobinin ikincil bobinin yakınlığını tespit etmesi için, sistem aralıklı bir sinyal yayar. Bir yanıt alındığında, açıklanan mekanizma etkinleştirilir ve akım kablolara ihtiyaç duyulmadan endüklenmeye başlar.

ferrosıvılar

Maddenin manyetik özelliklerinin bir başka ilginç uygulaması ferrofluidlerdir. Bunlar, organik veya hatta su olabilen sıvı bir ortamda süspanse edilmiş bir ferrit bileşiğinin küçük manyetik parçacıklarından oluşur.

Parçacıklar, topaklaşmalarını önleyen ve böylece sıvı içinde dağılmış halde kalan bir maddeyle kaplanır.

Buradaki fikir, sıvının akışkanlığının, kendi başlarına güçlü bir manyetik olmayıp, yukarıda açıklandığı gibi bir dış alan varlığında bir mıknatıslanma elde eden ferrit parçacıklarının manyetizması ile birleştirilmesidir.

Dış alan geri çekilir çekilmez edinilen mıknatıslanma kaybolur.

Ferrofluidler başlangıçta NASA tarafından, yerçekimi olmayan bir uzay aracı içindeki yakıtı harekete geçirmek için geliştirildi ve manyetik alan yardımıyla itici güç sağladı.

Şu anda, ferrofluidlerin, bazıları hala deneysel aşamada olan birçok uygulaması vardır, örneğin:

- Hoparlörlerin ve kulaklıkların susturucuları üzerindeki sürtünmeyi azaltın (yankılanmayı önleyin).

- Farklı yoğunluktaki malzemelerin ayrılmasına izin verin.

- Sabit sürücülerin millerinde conta görevi görür ve kiri uzaklaştırır.

- Bir kanser tedavisi olarak (deneysel aşamada). Ferrofluid kanser hücrelerine enjekte edilir ve küçük elektrik akımları üreten bir manyetik alan uygulanır. Bunların ürettiği ısı, habis hücrelere saldırır ve onları yok eder.

Referanslar

1. Brezilya Fizik Dergisi. Ferrofluidler: Özellikleri ve uygulamaları. Kurtarıldı: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Seri: Bilim ve Mühendislik için Fizik. Cilt 6. Elektromanyetizma. Douglas Figueroa (USB) tarafından düzenlendi. 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Fizik: Uygulamalı Prensipler. 6. Ed Prentice Salonu. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Fizik: Dünyaya Bir Bakış. 6. kısaltılmış baskı. Cengage Learning. 233.
5. Shipman, J. 2009. Fiziksel Bilimlere Giriş. Cengage Learning. 206-208.