การทำให้เป็นแม่เหล็กเป็นปริมาณเวกเตอร์ที่อธิบายสถานะแม่เหล็กของวัสดุและกำหนดเป็นจำนวนโมเมนต์แม่เหล็กขั้วต่อหน่วยปริมาตร ตัวอย่างเช่นวัสดุแม่เหล็กเช่นเหล็กหรือนิกเกิลถือได้ว่าประกอบด้วยแม่เหล็กขนาดเล็กจำนวนมากที่เรียกว่าไดโพล
โดยปกติไดโพลเหล่านี้ซึ่งจะมีขั้วแม่เหล็กเหนือและใต้จะมีการกระจายโดยมีความผิดปกติในระดับหนึ่งภายในปริมาตรของวัสดุ ความผิดปกตินี้เกิดขึ้นน้อยกว่าในวัสดุที่มีคุณสมบัติแม่เหล็กแรงเช่นเหล็กและมากกว่าในวัสดุอื่น ๆ ที่มีแม่เหล็กที่ชัดเจนน้อยกว่า
รูปที่ 1. ไดโพลแม่เหล็กถูกจัดเรียงแบบสุ่มภายในวัสดุ ที่มา: F. Zapata
อย่างไรก็ตามด้วยการวางวัสดุไว้ตรงกลางของสนามแม่เหล็กภายนอกเช่นที่ผลิตภายในโซลินอยด์ไดโพลจะถูกปรับทิศทางตามสนามและวัสดุสามารถทำงานได้เหมือนแม่เหล็ก (รูปที่ 2)
รูปที่ 2 การวางวัสดุเช่นชิ้นส่วนเหล็กเช่นภายในโซลินอยด์ที่กระแส I ผ่านสนามแม่เหล็กของสิ่งนี้จะจัดแนวไดโพลในวัสดุ ที่มา: F. Zapata
ให้M เป็นเวกเตอร์การทำให้เป็นแม่เหล็กซึ่งกำหนดเป็น:
ตอนนี้ความเข้มของการทำให้เป็นแม่เหล็กในวัสดุผลิตภัณฑ์ของการแช่อยู่ในสนามภายนอกHเป็นสัดส่วนกับสิ่งนี้ดังนั้น:
M α H
ค่าคงที่ของสัดส่วนขึ้นอยู่กับวัสดุเรียกว่าความไวต่อแม่เหล็กและแสดงเป็นχ:
M = χ. H
หน่วยของMในระบบสากลเป็นแอมแปร์ / เมตรเช่นเดียวกับHดังนั้นχจึงไม่มีมิติ
โมเมนต์แม่เหล็กโคจรและหมุน
แม่เหล็กเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าดังนั้นในการตรวจสอบความเป็นแม่เหล็กของอะตอมเราต้องคำนึงถึงการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าซึ่งประกอบเป็นมัน
รูปที่ 3 การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสก่อให้เกิดแม่เหล็กด้วยโมเมนต์แม่เหล็กในวงโคจร ที่มา: F. Zapata
เริ่มต้นด้วยอิเล็กตรอนซึ่งถือว่าโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมมันเป็นเหมือนวงเล็ก ๆ (วงจรปิดหรือวงกระแสปิด) การเคลื่อนไหวครั้งนี้ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กของอะตอมขอบคุณไปยังวงโคจรแม่เหล็กขณะเวกเตอร์เมตรซึ่งมีขนาดเป็น:
โดยที่ฉันคือความเข้มปัจจุบันและ A คือพื้นที่ที่ล้อมรอบด้วยลูป ดังนั้นหน่วยของmในระบบสากล (SI) คือแอมป์ x ตารางเมตร
เวกเตอร์mตั้งฉากกับระนาบของลูปดังแสดงในรูปที่ 3 และกำกับตามกฎของนิ้วโป้งขวา
นิ้วหัวแม่มือวางอยู่ในทิศทางของกระแสและนิ้วที่เหลืออีกสี่นิ้วพันรอบวงชี้ขึ้น วงจรขนาดเล็กนี้เทียบเท่ากับแม่เหล็กแท่งดังแสดงในรูปที่ 3
หมุนช่วงเวลาแม่เหล็ก
นอกเหนือจากโมเมนต์แม่เหล็กในวงโคจรแล้วอิเล็กตรอนยังทำงานราวกับว่ามันกำลังหมุนรอบตัวเอง มันไม่ได้เกิดขึ้นด้วยวิธีนี้อย่างแน่นอน แต่ผลที่ได้ก็เหมือนกันดังนั้นนี่จึงเป็นอีกส่วนหนึ่งที่ต้องนำมาพิจารณาสำหรับโมเมนต์แม่เหล็กสุทธิของอะตอม
ในความเป็นจริงโมเมนต์แม่เหล็กสปินมีความรุนแรงมากกว่าโมเมนต์โคจรและส่วนใหญ่รับผิดชอบต่อแม่เหล็กสุทธิของสสาร
รูปที่ 4. โมเมนต์แม่เหล็กหมุนเป็นช่วงที่ก่อให้เกิดการดึงดูดสุทธิของวัสดุมากที่สุด ที่มา: F. Zapata
ช่วงเวลาการหมุนจะจัดตำแหน่งต่อหน้าสนามแม่เหล็กภายนอกและสร้างเอฟเฟกต์แบบเรียงซ้อนโดยสอดคล้องกับช่วงเวลาใกล้เคียง
วัสดุบางชนิดไม่ได้มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก สิ่งเหล่านี้เป็นเพราะอิเล็กตรอนที่มีรูปแบบการหมุนตรงข้ามกันและยกเลิกโมเมนต์แม่เหล็กที่หมุนตามลำดับ
เฉพาะในกรณีที่ไม่มีการจับคู่จะมีส่วนสนับสนุนโมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมด ดังนั้นอะตอมที่มีอิเล็กตรอนจำนวนคี่เท่านั้นที่มีโอกาสเป็นแม่เหล็ก
โปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมยังมีส่วนช่วยเล็กน้อยต่อโมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมดของอะตอมเนื่องจากมีการหมุนและโมเมนต์แม่เหล็กที่เกี่ยวข้อง
แต่สิ่งนี้จะผกผันกับมวลและโปรตอนนั้นมีขนาดใหญ่กว่าอิเล็กตรอนมาก
ตัวอย่าง
ภายในขดลวดที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านจะมีการสร้างสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ
และตามที่อธิบายไว้ในรูปที่ 2 เมื่อวางวัสดุไว้ที่นั่นช่วงเวลาแม่เหล็กของสิ่งนี้จะสอดคล้องกับสนามของขดลวด ผลสุทธิคือการสร้างสนามแม่เหล็กที่แรงขึ้น
หม้อแปลงไฟฟ้าอุปกรณ์ที่เพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้าสลับเป็นตัวอย่างที่ดี ประกอบด้วยขดลวดสองขดลวดหลักและตัวรองพันบนแกนเหล็กอ่อน
รูปที่ 5. ในแกนของหม้อแปลงจะมีการดึงดูดสุทธิเกิดขึ้น ที่มา: Wikimedia Commons
กระแสไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงจะถูกส่งผ่านขดลวดปฐมภูมิซึ่งจะปรับเปลี่ยนเส้นสนามแม่เหล็กภายในแกนซึ่งจะทำให้เกิดกระแสในขดลวดทุติยภูมิ
ความถี่ของการสั่นเท่ากัน แต่ขนาดต่างกัน ด้วยวิธีนี้สามารถรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นหรือต่ำลงได้
แทนที่จะพันขดลวดเป็นแกนเหล็กแข็งควรใส่แผ่นโลหะที่เคลือบด้วยวานิช
สาเหตุเนื่องมาจากมีกระแสไหลวนภายในแกนซึ่งมีผลกระทบจากความร้อนสูงเกินไป แต่กระแสที่เกิดในแผ่นงานจะต่ำกว่าดังนั้นความร้อนของอุปกรณ์จึงลดลง
ที่ชาร์จไร้สาย
โทรศัพท์มือถือหรือแปรงสีฟันไฟฟ้าสามารถชาร์จได้ด้วยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กซึ่งเรียกว่าการชาร์จแบบไร้สายหรือการชาร์จแบบอุปนัย
มันทำงานในลักษณะต่อไปนี้: มีฐานหรือสถานีชาร์จซึ่งมีโซลินอยด์หรือขดลวดหลักซึ่งส่งผ่านกระแสที่เปลี่ยนแปลงไป ขดลวดอื่น (รอง) ติดอยู่ที่ด้ามแปรง
กระแสไฟฟ้าในขดลวดปฐมภูมิจะทำให้เกิดกระแสในขดลวดของที่จับเมื่อวางแปรงไว้ในสถานีชาร์จและจะดูแลการชาร์จแบตเตอรี่ที่อยู่ในที่จับด้วย
ขนาดของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นเมื่อแกนของวัสดุแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งอาจเป็นเหล็กวางอยู่ในขดลวดหลัก
สำหรับขดลวดปฐมภูมิในการตรวจจับความใกล้ชิดของขดลวดทุติยภูมิระบบจะปล่อยสัญญาณไม่ต่อเนื่อง เมื่อได้รับการตอบสนองกลไกที่อธิบายไว้จะถูกเปิดใช้งานและกระแสไฟฟ้าจะเริ่มถูกเหนี่ยวนำโดยไม่ต้องใช้สายเคเบิล
Ferrofluids
การประยุกต์ใช้คุณสมบัติแม่เหล็กของสสารที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่งคือเฟอร์โรฟลูอิด สิ่งเหล่านี้ประกอบด้วยอนุภาคแม่เหล็กเล็ก ๆ ของสารประกอบเฟอร์ไรต์ซึ่งแขวนลอยอยู่ในตัวกลางของเหลวซึ่งอาจเป็นสารอินทรีย์หรือแม้แต่น้ำก็ได้
อนุภาคถูกเคลือบด้วยสารที่ป้องกันการรวมตัวของพวกมันและยังคงกระจายอยู่ในของเหลว
แนวคิดก็คือความสามารถในการไหลของของเหลวจะรวมกับแม่เหล็กของอนุภาคเฟอร์ไรต์ซึ่งโดยตัวมันเองไม่ใช่แม่เหล็กอย่างแรง แต่ได้รับการดึงดูดในที่ที่มีสนามภายนอกตามที่อธิบายไว้ข้างต้น
การดึงดูดที่ได้รับจะหายไปทันทีที่สนามภายนอกถูกถอนออก
Ferrofluids ได้รับการพัฒนาโดย NASA เพื่อระดมเชื้อเพลิงภายในยานอวกาศที่ไม่มีแรงโน้มถ่วงให้แรงกระตุ้นด้วยความช่วยเหลือของสนามแม่เหล็ก
ปัจจุบัน ferrofluids มีการใช้งานมากมายบางส่วนยังอยู่ในขั้นทดลองเช่น:
- ลดแรงเสียดทานที่ท่อไอเสียของลำโพงและหูฟัง (หลีกเลี่ยงเสียงก้อง)
- อนุญาตให้แยกวัสดุที่มีความหนาแน่นต่างกัน
- ทำหน้าที่เป็นซีลที่เพลาของฮาร์ดไดรฟ์และขับไล่สิ่งสกปรก
- เป็นการรักษามะเร็ง (อยู่ในระยะทดลอง) Ferrofluid ถูกฉีดเข้าไปในเซลล์มะเร็งและใช้สนามแม่เหล็กที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขนาดเล็ก ความร้อนที่เกิดจากการโจมตีเซลล์ร้ายและทำลายเซลล์เหล่านี้
อ้างอิง
- วารสารฟิสิกส์ของบราซิล. Ferrofluids: คุณสมบัติและการใช้งาน สืบค้นจาก: sbfisica.org.br
- Figueroa, D. (2005). ซีรี่ส์: ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เล่ม 6. แม่เหล็กไฟฟ้า. แก้ไขโดย Douglas Figueroa (USB) 215-221
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th Ed Prentice Hall 560-562
- Kirkpatrick, L. 2007. ฟิสิกส์: มองโลก. ฉบับย่อที่ 6 การเรียนรู้ Cengage 233
- Shipman, J. 2009. วิทยาศาสตร์กายภาพเบื้องต้น. การเรียนรู้ Cengage 206-208