MAGNETISATIE: ORBITAAL EN SPIN MAGNETISCH MOMENT, VOORBEELDEN - FYSIEK - 2026

De magnetisatie is een vectorgrootheid die de magnetische toestand van een materiaal beschrijft en wordt gedefinieerd als het aantal dipolaire magnetische momenten per volume-eenheid. Een magnetisch materiaal - bijvoorbeeld ijzer of nikkel - kan worden beschouwd als samengesteld uit vele kleine magneten die dipolen worden genoemd.

Normaal gesproken zijn deze dipolen, die op hun beurt magnetische noord- en zuidpolen hebben, met een zekere mate van wanorde verdeeld binnen het volume van het materiaal. De aandoening is minder in materialen met sterke magnetische eigenschappen zoals ijzer en groter in andere met minder duidelijk magnetisme.

Figuur 1. Magnetische dipolen zijn willekeurig gerangschikt in een materiaal. Bron: F. Zapata.

Door het materiaal echter in het midden van een extern magnetisch veld te plaatsen, zoals geproduceerd binnen een solenoïde, worden de dipolen georiënteerd volgens het veld en kan het materiaal zich gedragen als een magneet (Figuur 2).

Figuur 2. Door een materiaal zoals een stuk ijzer bijvoorbeeld in een solenoïde te plaatsen waar een stroom I doorheen gaat, brengt het magnetische veld hiervan de dipolen in het materiaal op één lijn. Bron: F. Zapata.

Laat M de magnetisatievector zijn, die wordt gedefinieerd als:

Nu is de intensiteit van de magnetisatie in het materiaal, product van onderdompeling in het externe veld H , evenredig met dit, daarom:

M ∝ H

De evenredigheidsconstante is afhankelijk van het materiaal, wordt magnetische susceptibiliteit genoemd en wordt aangeduid als χ:

M = χ. H.

De eenheden van M in het internationale systeem zijn ampère / meter, net als die van H , daarom is χ dimensieloos.

Orbitaal en spin magnetisch moment

Magnetisme ontstaat door bewegende elektrische ladingen, dus om het magnetisme van het atoom te bepalen, moeten we rekening houden met de bewegingen van de geladen deeltjes waaruit het bestaat.

Figuur 3. De beweging van het elektron rond de kern draagt ​​bij aan het magnetisme met het orbitaal magnetisch moment. Bron: F. Zapata.

Beginnend met het elektron, waarvan wordt aangenomen dat het in een baan rond de atoomkern draait, is het als een kleine lus (gesloten circuit of gesloten stroomlus). Deze beweging draagt ​​bij aan het magnetisme van het atoom dankzij de orbitale magnetische momentvector m, waarvan de grootte is:

Waar I is de huidige intensiteit en A is het gebied omsloten door de lus. Daarom zijn de eenheden van m in het internationale systeem (SI) ampère x vierkante meter.

Vector m staat loodrecht op het vlak van de lus, zoals weergegeven in figuur 3, en is gericht zoals aangegeven door de regel van de rechterduim.

De duim is in de richting van de stroom gericht en de vier overgebleven vingers zijn naar boven gericht om de lus gewikkeld. Dit kleine circuit is gelijk aan een staafmagneet, zoals weergegeven in figuur 3.

Draai magnetisch moment

Afgezien van het orbitale magnetische moment, gedraagt ​​het elektron zich alsof het op zichzelf roteert. Het gebeurt niet precies op deze manier, maar het resulterende effect is hetzelfde, dus dit is een andere bijdrage waarmee rekening moet worden gehouden voor het netto magnetische moment van een atoom.

In feite is het magnetische spinmoment intenser dan het orbitale moment en is het voornamelijk verantwoordelijk voor het netto magnetisme van een stof.

Figuur 4. Het magnetische spinmoment is het moment dat het meest bijdraagt ​​aan de netto magnetisatie van een materiaal. Bron: F. Zapata.

De spinmomenten worden uitgelijnd in de aanwezigheid van een extern magnetisch veld en creëren een cascade-effect, achtereenvolgens uitgelijnd met aangrenzende momenten.

Niet alle materialen vertonen magnetische eigenschappen. Dit komt doordat de elektronen met tegengestelde spin paren vormen en hun respectievelijke magnetische spinmomenten opheffen.

Alleen als er een paar ongepaard zijn, is er een bijdrage aan het totale magnetische moment. Daarom hebben alleen atomen met een oneven aantal elektronen een kans om magnetisch te zijn.

Ook de protonen in de atoomkern leveren een kleine bijdrage aan het totale magnetische moment van het atoom, omdat ze ook spin hebben en dus een bijbehorend magnetisch moment.

Maar dit is omgekeerd evenredig met massa, en die van het proton is veel groter dan die van het elektron.

Voorbeelden

Binnen een spoel, waar een elektrische stroom doorheen gaat, wordt een uniform magnetisch veld gecreëerd.

En zoals beschreven in figuur 2, bij het plaatsen van een materiaal daar, zijn de magnetische momenten hiervan uitgelijnd met het veld van de spoel. Het netto-effect is om een ​​sterker magnetisch veld te produceren.

Transformatoren, apparaten die wisselspanning verhogen of verlagen, zijn goede voorbeelden. Ze bestaan ​​uit twee spoelen, de primaire en de secundaire, gewikkeld op een zachte ijzeren kern.

Figuur 5. In de kern van de transformator treedt netto magnetisatie op. Bron: Wikimedia Commons.

Een veranderende stroom wordt door de primaire spoel geleid die afwisselend de magnetische veldlijnen in de kern wijzigt, wat op zijn beurt een stroom induceert in de secundaire spoel.

De frequentie van de oscillatie is hetzelfde, maar de grootte is anders. Op deze manier kunnen hogere of lagere spanningen worden verkregen.

In plaats van de spoelen op te wikkelen tot een stevige ijzeren kern, heeft het de voorkeur om een ​​vulling van metalen platen te plaatsen die bedekt zijn met vernis.

De reden is te wijten aan de aanwezigheid van wervelstromen in de kern, die het effect hebben dat deze overmatig wordt verwarmd, maar de stromen die in de platen worden geïnduceerd, zijn lager en daarom wordt de verwarming van het apparaat tot een minimum beperkt.

Draadloze laders

Een mobiele telefoon of een elektrische tandenborstel kan worden opgeladen door magnetische inductie, ook wel bekend als draadloos opladen of inductief opladen.

Het werkt op de volgende manier: er is een basis- of laadstation, die een solenoïde of hoofdspoel heeft, waardoor een veranderende stroom wordt geleid. Een andere (secundaire) spoel is aan de borstelsteel bevestigd.

De stroom in de primaire spoel induceert op zijn beurt een stroom in de spoel van het handvat wanneer de borstel in het laadstation wordt geplaatst, en dit zorgt voor het opladen van de accu die ook in het handvat zit.

De grootte van de geïnduceerde stroom wordt vergroot wanneer een kern van ferromagnetisch materiaal, dat van ijzer kan zijn, in de hoofdspoel wordt geplaatst.

Om de primaire spoel de nabijheid van de secundaire spoel te laten detecteren, zendt het systeem een ​​onderbroken signaal uit. Zodra een reactie is ontvangen, wordt het beschreven mechanisme geactiveerd en begint de stroom te worden geïnduceerd zonder dat er kabels nodig zijn.

Ferrofluïda

Een andere interessante toepassing van de magnetische eigenschappen van materie zijn ferrovloeistoffen. Deze bestaan ​​uit kleine magnetische deeltjes van een ferrietverbinding, gesuspendeerd in een vloeibaar medium, dat organisch of zelfs water kan zijn.

De deeltjes zijn bedekt met een stof die hun agglomeratie verhindert, en blijven zo verdeeld in de vloeistof.

Het idee is dat het vloeivermogen van de vloeistof wordt gecombineerd met het magnetisme van de ferrietdeeltjes, die op zichzelf niet sterk magnetisch zijn, maar een magnetisatie verkrijgen in aanwezigheid van een extern veld, zoals hierboven beschreven.

De verworven magnetisatie verdwijnt zodra het externe veld wordt teruggetrokken.

Ferrofluids zijn oorspronkelijk ontwikkeld door NASA om brandstof te mobiliseren in een ruimtevaartuig zonder zwaartekracht, waarbij ze een impuls geven met behulp van een magnetisch veld.

Momenteel hebben ferrofluids veel toepassingen, sommige nog in de experimentele fase, zoals:

- Verminder wrijving op de geluiddempers van de luidsprekers en koptelefoons (voorkom nagalm).

- Laat de scheiding toe van materialen met verschillende dichtheid.

- Werkt als afdichting op de assen van de harde schijven en stoot vuil af.

- Als kankerbehandeling (in de experimentele fase). Ferrofluid wordt in kankercellen geïnjecteerd en er wordt een magnetisch veld aangelegd dat kleine elektrische stroompjes produceert. De warmte die hierdoor wordt gegenereerd, valt de kwaadaardige cellen aan en vernietigt ze.

Referenties

1. Braziliaanse Journal of Physics. Ferrofluids: eigenschappen en toepassingen. Hersteld van: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Deel 6. Elektromagnetisme. Bewerkt door Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. 6e Ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Natuurkunde: een blik op de wereld. 6e verkorte editie. Cengage leren. 233.
5. Shipman, J. 2009. Inleiding tot natuurwetenschappen. Cengage leren. 206-208.