22.2: Ferromagnets na umeme

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza ferromagnet.
• Eleza jukumu la nyanja za magnetic katika magnetization.
• Eleza umuhimu wa joto la Curie.
• Eleza uhusiano kati ya umeme na magnetism.

Sumaku za feri

Vifaa fulani tu, kama vile chuma, cobalt, nickel, na gadolinium, huonyesha madhara magnetic kali. Vifaa vile huitwa ferromagnetic, baada ya neno la Kilatini kwa chuma, ferrum. Kundi la vifaa vinavyotengenezwa kutoka kwa aloi za elementi za nadra za dunia pia hutumiwa kama sumaku kali na za kudumu; maarufu ni neodymium. Vifaa vingine vinaonyesha madhara magnetic dhaifu, ambayo yanaweza kupatikana tu na vyombo nyeti. Sio tu vifaa vya ferromagnetic vinavyojibu sana kwa sumaku (njia ya chuma inavutiwa na sumaku), wanaweza pia kuwa sumaku wenyewe-yaani, zinaweza kuingizwa kuwa magnetic au kufanywa kuwa sumaku za kudumu.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Kipande cha chuma kisichokuwa na magnetized kinawekwa kati ya sumaku mbili, moto, na kisha kilichopozwa, au hupigwa tu wakati wa baridi. Chuma inakuwa sumaku ya kudumu na miti iliyokaa kama inavyoonekana: pole yake ya kusini iko karibu na pole ya kaskazini ya sumaku ya awali, na pole yake ya kaskazini iko karibu na pole ya kusini ya sumaku ya awali. Kumbuka kuwa kuna vikosi vya kuvutia kati ya sumaku.

Wakati sumaku inaletwa karibu na nyenzo za ferromagnetic ambazo hazijawashwa hapo awali, husababisha magnetization ya ndani ya nyenzo na miti tofauti, kama ilivyo kwenye Kielelezo\(\PageIndex{1}\). (Hii matokeo katika mvuto wa nyenzo awali unmagnetized kwa sumaku.) Nini kinatokea kwa kiwango microscopic ni mfano katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\). Mikoa ndani ya nyenzo inayoitwa domains hufanya kama sumaku ndogo za bar. Ndani ya vikoa, miti ya atomi ya mtu binafsi imeunganishwa. Kila atomu hufanya kama sumaku ndogo ya bar. Domains ni ndogo na nasibu oriented katika kitu unmagnetized ferromagnetic. Katika kukabiliana na shamba nje magnetic, domains inaweza kukua kwa ukubwa millimeter, kujiunga wenyewe kama inavyoonekana katika Kielelezo 2b. Magnetization hii ikiwa inaweza kufanywa kudumu kama nyenzo ni joto na kisha kilichopozwa, au tu tapped mbele ya sumaku nyingine.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): (a) Kipande cha chuma kisichokuwa na magnetized (au nyenzo nyingine za ferromagnetic) kina domains nasibu oriented. (b) Wakati sumaku na shamba la nje, vikoa vinaonyesha usawa mkubwa, na baadhi hukua kwa gharama ya wengine. Atomi za kibinafsi zimekaa ndani ya vikoa; kila atomu hufanya kama sumaku ndogo ya bar.

Kinyume chake, sumaku ya kudumu inaweza kuwa demagnetized na makofi ngumu au kwa kupokanzwa kwa kukosekana kwa sumaku nyingine. Kuongezeka kwa mwendo wa joto kwenye joto la juu kunaweza kuvuruga na kupanga mwelekeo na ukubwa wa vikoa. Kuna hali ya joto iliyofafanuliwa vizuri kwa vifaa vya ferromagnetic, ambayo huitwa joto la Curie, juu ya ambayo hawawezi kuwa sumaku. Joto la Curie kwa chuma ni 1043 K\(\left(770^{\circ}C\right)\), ambalo ni juu ya joto la kawaida. Kuna elementi kadhaa na aloi ambazo zina joto la Curie chini sana kuliko joto la kawaida na ni ferromagnetic tu chini ya joto hizo.

Sumaku za umeme

Mapema katika karne ya 19, iligunduliwa kuwa mikondo ya umeme husababisha athari za magnetic. Uchunguzi muhimu wa kwanza ulikuwa na mwanasayansi wa Denmark Hans Christian Oersted (1777—1851), ambaye aligundua kuwa sindano ya dira ilifutwa na waya wa kubeba sasa. Huu ulikuwa ushahidi wa kwanza muhimu kwamba harakati za mashtaka zilikuwa na uhusiano wowote na sumaku. Electromagnetism ni matumizi ya sasa ya umeme kufanya sumaku. Sumaku hizi za muda zinaitwa umeme. Electrommagnets wameajiriwa kwa kila kitu kutoka crane wrecking yadi kwamba akanyanyua magari chakavu kudhibiti boriti ya 90 km-mduara chembe accelerator kwa sumaku katika mashine ya matibabu imaging (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Chombo cha imaging resonance magnetic (MRI). Kifaa hutumia coil superconducting cylindrical kwa shamba kuu magnetic. Mgonjwa huenda kwenye “handaki” hii kwenye gurney. (mikopo: Bill McChesney, Flickr)

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) kinaonyesha kwamba majibu ya filings ya chuma kwa coil ya sasa ya kubeba na sumaku ya kudumu ya bar. Mwelekeo ni sawa. Kwa kweli, sumaku za umeme na ferrosumaku zina sifa sawa za msingi-kwa mfano, zina miti ya kaskazini na kusini ambayo haiwezi kutengwa na ambayo kama miti hurudisha na tofauti na miti huvutia.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Vipande vya chuma karibu na (a) coil ya sasa ya kubeba na (b) sumaku hufanya kama sindano ndogo za dira, kuonyesha sura ya mashamba yao. Majibu yao kwa coil ya kubeba sasa na sumaku ya kudumu inaonekana kuwa sawa sana, hasa karibu na mwisho wa coil na sumaku.

Kuchanganya ferromagnet na electromagnet inaweza kuzalisha madhara hasa magnetic (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Wakati wowote madhara magnetic nguvu zinahitajika, kama vile kuinua chuma chakavu, au katika accelerators chembe, umeme ni kuimarishwa na vifaa ferromagnetic. Mipaka ya jinsi nguvu sumaku inaweza kufanywa ni zilizowekwa na coil upinzani (itakuwa overheat na kuyeyuka katika kutosha juu ya sasa), na hivyo sumaku superconducting inaweza kuajiriwa. Hizi bado ni mdogo, kwa sababu mali za superconducting zinaharibiwa na shamba kubwa sana la magnetic.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Electromagnet yenye msingi wa ferromagnetic inaweza kuzalisha athari kali za magnetic. Uwekaji wa vikoa katika msingi hutoa sumaku, miti ambayo ni iliyokaa na electromagnet.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\) kinaonyesha matumizi machache ya mchanganyiko wa umeme na ferromagnets. Vifaa vya Ferromagnetic vinaweza kutenda kama vifaa vya kumbukumbu, kwa sababu mwelekeo wa mashamba magnetic ya nyanja ndogo zinaweza kuachwa au kufutwa. Uhifadhi wa habari wa magnetic kwenye video za video na anatoa ngumu za kompyuta ni miongoni mwa programu za kawaida. Mali hii ni muhimu katika ulimwengu wetu wa digital.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Electromagnet inasababisha mikoa ya magnetism ya kudumu kwenye diski ya floppy iliyotiwa na nyenzo za ferromagnetic. Taarifa iliyohifadhiwa hapa ni digital (kanda ni ama magnetic au la); katika programu nyingine, inaweza kuwa analog (kwa nguvu tofauti), kama vile kwenye audiotapes.

Sasa: Chanzo cha Magnetism Yote

Electromagnet inajenga magnetism na sasa umeme. Katika sehemu za baadaye tunachunguza hii kwa kiasi kikubwa, kutafuta nguvu na mwelekeo wa mashamba ya magnetic yaliyoundwa na mikondo mbalimbali. Lakini vipi kuhusu ferromagnets? Kielelezo\(\PageIndex{7}\) kinaonyesha mifano ya jinsi mikondo ya umeme inavyounda magnetism kwenye ngazi ndogo ndogo. (Kumbuka kwamba hatuwezi kuchunguza moja kwa moja njia za elektroni binafsi kuhusu atomi, na hivyo mfano au picha ya kuona, sambamba na uchunguzi wote wa moja kwa moja, unafanywa. Tunaweza kuchunguza moja kwa moja kasi ya elektroni ya orbital angular, kasi yake ya spin, na wakati unaofuata magnetic, yote ambayo yanaelezewa na umeme wa sasa wa kujenga magnetism ya subatomic.) Mikondo, ikiwa ni pamoja na yale yanayohusiana na chembe nyingine ndogo ndogo kama protoni, inatuwezesha kuelezea ferromagnetism na madhara mengine yote ya magnetic. Ferromagnetism, kwa mfano, matokeo kutoka kwa ushirikiano wa ndani wa ushirika wa spins za elektroni, inawezekana katika vifaa vingine lakini si kwa wengine.

Muhimu kwa taarifa kwamba sasa umeme ni chanzo cha magnetism yote ni ukweli kwamba haiwezekani kutenganisha miti ya magnetic kaskazini na kusini. (Hii ni tofauti na kesi ya mashtaka mazuri na hasi, ambayo yanajitenga kwa urahisi.) Kitanzi cha sasa kinazalisha dipole ya magnetic - yaani, uwanja wa magnetic ambao hufanya kama pole ya kaskazini na jozi ya kusini ya pole. Kwa kuwa miti ya magnetic ya kaskazini na kusini, inayoitwa monopoles ya magnetic, hazizingatiwi, mikondo hutumiwa kuelezea athari zote za magnetic. Ikiwa monopoles ya magnetic ilikuwepo, basi tunapaswa kurekebisha uhusiano huu wa msingi kwamba magnetism yote ni kutokana na sasa umeme. Hakuna sababu inayojulikana kwamba monopoles ya magnetic haipaswi kuwepo - hazijawahi kuzingatiwa - na hivyo utafutaji katika ngazi ya subnuclear kuendelea. Ikiwa haipo, tungependa kujua kwa nini sio. Kama zipo, tungependa kuona ushahidi wao.

MIKONDO YA UMEME NA SUMAKU

Umeme wa sasa ni chanzo cha magnetism yote.

Kielelezo\(\PageIndex{7}\): (a) Katika mfano wa sayari wa atomi, elektroni inazunguka kiini, na kutengeneza kitanzi kilichofungwa na kuzalisha shamba la magnetic na pole ya kaskazini na pole ya kusini. (b) Electroni na spin na inaweza kuwa crudely picha kama malipo kupokezana, kutengeneza sasa ambayo inazalisha shamba magnetic na pole kaskazini na pole kusini. Wala mfano wa sayari wala sura ya elektroni inayozunguka ni sawa kabisa na fizikia ya kisasa. Hata hivyo, hutoa njia muhimu ya kuelewa matukio.

PHET EXPLORATIONS: SUMAKU NA UMEME

Kuchunguza mwingiliano kati ya dira na bar sumaku. Kugundua jinsi unaweza kutumia betri na waya kufanya sumaku! Je, unaweza kufanya hivyo sumaku nguvu? Je, unaweza kufanya shamba magnetic reverse?

Muhtasari

• Miti ya magnetic daima hutokea kwa jozi za kaskazini na kusini-haiwezekani kutenganisha miti ya kaskazini na kusini.
• Magnetism yote imeundwa na sasa umeme.
• Vifaa vya ferromagnetic, kama vile chuma, ni wale ambao huonyesha athari kali za magnetic.
• Atomi katika vifaa vya ferromagnetic hufanya kama sumaku ndogo (kutokana na mikondo ndani ya atomi) na zinaweza kuunganishwa, kwa kawaida katika mikoa yenye ukubwa wa milimita inayoitwa domains.
• Domains inaweza kukua na kuunganisha kwa kiwango kikubwa, kuzalisha sumaku za kudumu. Nyenzo hizo ni sumaku, au zinachukuliwa kuwa magnetic.
• Juu ya joto la Curie la nyenzo, uchochezi wa mafuta huharibu usawa wa atomi, na ferromagnetism hupotea.
• Magnetic huajiri mikondo ya umeme ili kufanya mashamba magnetic, mara nyingi husaidiwa na mashamba yaliyoingizwa katika vifaa vya ferromagnetic.

faharasa

ferromagnetic

vifaa, kama vile chuma, cobalt, nikeli, na gadolinium, kwamba maonyesho madhara magnetic nguvu

sumaku

kuwa akageuka kuwa sumaku; kuwa ikiwa kuwa magnetic

vikoa

mikoa ndani ya vifaa kwamba kuishi kama sumaku ndogo bar

Curie joto

joto la juu ambalo nyenzo za ferromagnetic haziwezi kuwa sumaku

electromagnetism

matumizi ya mikondo ya umeme ili kushawishi magnetism

electromagnet

kitu ambacho ni magnetic kwa muda wakati umeme wa sasa unapitia

monopoles magnetic

pole ya magnetic pekee; pole ya kusini bila pole ya kaskazini, au kinyume chake (hakuna monopole ya magnetic imewahi kuzingatiwa)