Μαγνητική Ροπή- Φυσική

Τι είναι η Μαγνητική Ροπή;

Η παραγωγή ενός μαγνητικού πεδίου (από έναν μαγνήτη) χρησιμοποιώντας τη μαγνητική του δύναμη και τις ιδιότητες προσανατολισμού του ονομάζεται μαγνητική ροπή - η μαγνητική ροπή μέσα στον μαγνήτη δείχνει προς τον βόρειο πόλο του. Η μονάδα SI της μαγνητικής ροπής είναι αμπέρ-τετραγωνικό μέτρο (Am²). Αυτές είναι οι ίδιες διαστάσεις που έχει το ρεύμα×εμβαδόν ή η πυκνότητα ενέργειας/μαγνητικής ροής.

Τα μαγνητόμετρα μετρούν τη μαγνητική ροπή οποιουδήποτε μαγνητικού υλικού. Δεδομένου ότι η ενεργός μαγνητική ροπή είναι ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία και την ένταση του εξωτερικού πεδίου, είναι πιο βολικό να μετρηθεί από την κανονική μαγνητική ροπή. Αυτό το υλικό μελέτης για τη μαγνητική ροπή στοχεύει στην απλοποίηση της έννοιας μέσω παραδειγμάτων.

Μαθηματικά μιλώντας, η μαγνητική ροπή του βρόχου ρεύματος μπορεί να υπολογιστεί ως το γινόμενο του εμβαδού του ορθογώνιου βρόχου και του ρεύματος που ρέει στον βρόχο. Ο τύπος είναι ο εξής:

m =IA

Εδώ, το Α είναι η διανυσματική ποσότητα με το μέγεθος ίδιο με το εμβαδόν του ορθογώνιου βρόχου. Ωστόσο, οι οδηγίες του δίνονται χρησιμοποιώντας τον κανόνα του δεξιού αντίχειρα. Η ροπή που ασκείται σε ένα πηνίο που μεταφέρει ρεύμα τοποθετημένο σε μαγνητικό πεδίο μπορεί να δοθεί από το μαγνητικό πεδίο και το διανυσματικό γινόμενο της μαγνητικής ροπής.

τ =m x B

Η εξίσωση για τη μαγνητική ροπή

• Η εξίσωση της μαγνητικής ροπής είναι 

m =IA

• Η ροπή της μαγνητικής διπολικής ροπής δίνεται από 

τ =m x B

Όπου B είναι το μαγνητικό πεδίο.

•  Η δυναμική ενέργεια αντιπροσωπεύεται ως U(θ)=– m×B

Τύποι μαγνητικών ροπών

1. Κίνηση ηλεκτρονίων (Ηλεκτρικό φορτίο)
2. Γωνιακή ορμή περιστροφής

Ηλεκτρονική μαγνητική ροπή

Οι εγγενείς ιδιότητες του σπιν και του ηλεκτρικού φορτίου προκαλούν τη μαγνητική ροπή στα ηλεκτρόνια. Την ονομάζουμε μαγνητική ροπή ηλεκτρονίων. Η τιμή του m για τα ηλεκτρόνια είναι -9,284764×10-24 J/T.

Μαγνητικό δίπολο

Όταν μια πολύ μικρή απόσταση χωρίζει δύο σε αντίθεση με τους μαγνητικούς πόλους που έχουν την ίδια ισχύ πόλων, η διάταξη ονομάζεται μαγνητικό δίπολο. Συνδέονται με τη γωνιακή ορμή του σώματος.

Η ροπή που ενεργεί σε ένα μαγνητικό δίπολο:mB sinθ

Μαγνητική διπολική ροπή

Όταν η συνολική απόσταση μεταξύ των πόλων και η ισχύς τους πολλαπλασιαστεί, παίρνουμε τη μαγνητική διπολική ροπή της οποίας η μονάδα είναι joule/tesla.

Η μαγνητική διπολική στιγμή ενός βρόχου ρεύματος

Η μαγνητική διπολική ροπή ενός βρόχου ρεύματος που φέρει ρεύμα I με εμβαδόν Α δίνεται ως το μέγεθος του m:|m| =IA

Η συμπεριφορά ενός ατόμου ως μαγνητικό δίπολο

Σε μια κλειστή τροχιά, τα ηλεκτρόνια στο άτομο περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Η τροχιά γύρω από τον πυρήνα είναι ισοδύναμη με έναν βρόχο ρεύματος καθώς τα ηλεκτρόνια είναι φορτισμένα σωματίδια. Το ρεύμα περιστρέφεται δεξιόστροφα, ενώ τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται αριστερόστροφα. Αυτή η κίνηση ηλεκτρονίων δημιουργεί έναν βόρειο και έναν νότιο πόλο με αποτέλεσμα τη συμπεριφορά του ατόμου ως μαγνητικό δίπολο.

Υλικά Μαγνητικής Διαπερατότητας

Με βάση τη διαπερατότητα ενός υλικού, ταξινομείται στις ακόλουθες υποκατηγορίες: 

• Διαμαγνητισμός

Τα υλικά με διαμαγνητισμό έχουν σχετική τιμή διαπερατότητας ελαφρώς μικρότερη από 1, με αποτέλεσμα τη μείωση της πυκνότητας της μαγνητικής ροής μέσα στα υλικά με διαμαγνητισμό. Αυτά τα υλικά τείνουν να απωθούνται σε εξωτερικά μαγνητικά πεδία ασθενώς.

Παράδειγμα:Βισμούθιο, χαλκός, χρυσός, αντιμόνιο, άργυρος, μόλυβδος, πυρίτιο, υδράργυρος

• Παραμαγνητισμός

Τα υλικά με παραμαγνητισμό έχουν σχετική τιμή διαπερατότητας ελαφρώς μεγαλύτερη από 1 και αυτός είναι ο λόγος που τα παραμαγνητικά υλικά γίνονται ασθενώς μαγνητικά προς την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου όταν έρχονται σε επαφή με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Όλα τα παραμαγνητικά άτομα έχουν μόνιμη μαγνητική διπολική ροπή. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο με παραμαγνητισμό σπιν τείνουν να προσανατολίζουν τις μαγνητικές ροπές. Ωστόσο, εάν υπάρχει μια θερμική κίνηση γύρω από το άτομο, αυτοί οι μαγνητικός προσανατολισμός λόγω της περιστροφής ηλεκτρονίων μπορεί επίσης να είναι τυχαίοι. Λόγω αυτού του τυχαίου προσανατολισμού στη θερμική ενέργεια, αυτά τα υλικά έχουν καθαρή μαγνητική ροπή μηδέν.

Παράδειγμα:Πλατίνα, ασβέστιο, λίθιο, βολφράμιο, αλουμίνιο

Σιδηρομαγνητισμός

Ο σιδηρομαγνητισμός προκαλείται από την ευθυγράμμιση των μόνιμων διπόλων στα άτομα που προκύπτουν από μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια στα εξωτερικά κελύφη και την αλληλεπίδραση μεταξύ των διπόλων των γειτονικών ατόμων. Για παράδειγμα, το εξωτερικό περίβλημα των σιδηρομαγνητικών υλικών όπως ο σίδηρος και το κοβάλτιο περιέχει ηλεκτρόνια, αλλά το εσωτερικό κέλυφος κοντά στο άκρο παραμένει άδειο. Ως αποτέλεσμα, τα σιδηροηλεκτρικά υλικά έχουν τεράστιες μαγνητικές ροπές σπιν λόγω της ηλεκτρονικής δομής τους, που οδηγούν σε ατομικές διπολικές ροπές στερεού.

Υπολογισμός της μαγνητικής ροπής

Για τον υπολογισμό της μαγνητικής ροπής στον κυκλικό βρόχο μεταφοράς ρεύματος ακτίνας R και μήκους l:

B=µ0iR²/2(R² + l²)

Για τον υπολογισμό της μαγνητικής ροπής ενός ηλεκτρονίου που κάνει περιστροφές: 

Είναι το διανυσματικό άθροισμα της τροχιακής και της μαγνητικής ροπής του σπιν.

B =neh/ 4πm

Εδώ το n είναι ένας φυσικός αριθμός 

h είναι η σταθερά του Planck.

e:φορτίο σε ηλεκτρόνιο

m =μάζα ηλεκτρονίου

Εξήγηση:

Η μαγνητική ροπή ενός ατόμου δίνεται από: 

B =½ eωr²

e:φορτίο σε ηλεκτρόνιο

ω:Γωνιακή ταχύτητα ηλεκτρονίου

r:ακτίνα

Συμπέρασμα

Αυτό το άρθρο σχετικά με τη μαγνητική ροπή συζητά τα κρίσιμα θέματα που καλύπτονται ή σχετίζονται με τη μαγνητική ροπή, όπως οι τύποι, ο υπολογισμός και οι παραλλαγές της. Το υλικό μελέτης και οι σημειώσεις για τις μαγνητικές ροπές παρέχονται παραπάνω.

Εδώ, ορίζουμε τη μαγνητική ροπή ως παράγοντα για τη μέτρηση της τάσης ενός σώματος να αλληλεπιδρά με οποιοδήποτε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Η κατεύθυνσή του βρίσκεται εφαρμόζοντας τον κανόνα του δεξιού αντίχειρα. Τα κινούμενα φορτία και η γωνιακή ορμή σπιν προκαλούν τη μαγνητική ροπή. Η μαγνητική ροπή έχει τρεις τύπους:Παραμαγνητισμός, Διαμαγνητισμός και Σιδηρομαγνητισμός, που συζητήθηκαν εκτενώς παραπάνω.