magnetism

Acul magnetizat este tras la o bilă de oțel.

Magnetismul este un fizic fenomen care, printre altele , ca un efect de forță între magnetul obiectelor magnetice sau magnetizabile și se deplasează sarcinile electrice este exprimat. Poate fi descris de un câmp ( câmp magnetic ) generat de aceste obiecte pe de o parte și care acționează asupra lor pe de altă parte.

Pe de o parte, câmpurile magnetice apar cu fiecare mișcare a sarcinilor electrice . Aceasta este baza electromagnetilor și, din cauza legii inducției, și a componentelor electronice inductive . Pe de altă parte, momentul magnetic al particulelor elementare există ca urmare a rotirii lor , ceea ce duce la magneți permanenți și la alte proprietăți magnetice ale solidelor, dar și lichide și gaze.

Magnetismul este o ramură a electromagnetismului . Forța de bază subiacentă se numește interacțiune electromagnetică .

Câmpuri magnetice și linii de câmp

Pile de fier pe hârtie, care sunt aliniate în funcție de câmpul unui magnet magnetic de mai jos , arată cursul liniilor câmpului magnetic. Literele N și S sunt folosite doar pentru explicații.

Câmp magnetic al unui magnet cilindric ideal cu axa de simetrie în planul imaginii

Redați fișierul media

Câmpul magnetic al magnetului barei

Pentru a descrie fenomenele magnetismului, a fost introdus termenul de câmp magnetic . Câmpurile magnetice pot fi cauzate de

• materiale magnetice, cum ar fi un magnet permanent ,
• curenți electrici , de ex. B. o bobină care transportă curent sau
• schimbarea unui câmp electric în timp .

Liniile câmpului magnetic ilustrează direcția și sensul de direcție al câmpului magnetic sau al fluxului magnetic în fiecare punct al câmpului . Această direcție este determinată de modul în care s-ar alinia polul nord al unui magnet de testare . Puterea câmpului magnetic este proporțională cu cuplul pe care l-ar experimenta acest magnet de testare dacă ar fi deviat din această direcție printr-un anumit unghi. Distanța dintre liniile de câmp arată puterea câmpului magnetic: cu cât liniile de câmp sunt mai dense, cu atât câmpul este mai puternic.

În contrast cu Electrostatica, nu există taxe în magnetostatică - adevărate monopoluri magnetice sunt posibile, dar toate faptele experimentale vorbesc împotriva existenței lor. Câmpul magnetic este astfel lipsit de surse . Prin urmare, liniile câmpului magnetic nu au început și nici sfârșit.

Cursul liniilor câmpului magnetic poate fi vizibil prin alinierea limelor de fier sau a unui ac al busolei ; Pentru demonstrații tridimensionale, piliturile de fier pot fi suspendate în ulei de silicon , de exemplu .

Sondele Hall sunt senzori electronici pe baza efectului Hall care pot măsura puterea și adesea și direcția câmpurilor magnetice.

Polul Nord și Sud

În absența altor forțe, un magnet magnet pe suprafața pământului se aliniază în așa fel încât unul dintre capetele sale indică spre nord, către polul magnetic arctic , iar celălalt către polul magnetic antarctic. Capătul orientat spre nord este numit polul nord al magnetului. S-a definit prin definiție că liniile de câmp ies din magnet la polul nord al unui magnet și îl intră la polul său sud. Prin urmare, în cazul electro-magneților sau magneților permanenți, zonele din care ies liniile de câmp sunt denumite, în general, polul nord și zonele în care intră ca polul sud .

Deoarece polul nord al magnetului este atras de polul magnetic arctic, polul magnetic arctic este un pol magnetic sudic. Același lucru se aplică invers pentru polul sud al magnetului și polul magnetic antarctic.

Efecte ale forței magnetice

Magnetic câmp exercită așa-numita forță Lorentz la deplasarea sarcinilor electrice . Este proporțional cu viteza , acționează perpendicular pe liniile câmpului magnetic și perpendicular pe direcția de mișcare a sarcinii. Este baza motoarelor electrice și a generatoarelor , precum și a devierii particulelor încărcate în mișcare (de exemplu, cu bobine de deviere ). Nici o energie nu este schimbată cu un câmp magnetic static. ${\ displaystyle q}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {\ mathrm {L}} = q \, {\ vec {v}} \ times {\ vec {B}}}$${\ displaystyle {\ vec {v}}}$

Câmpul magnetic exercită, de asemenea, forțe asupra magneților și corpurilor magnetizabile ( ferimagnetismul anumitor solide nemetalice, așa-numitele ferite și feromagnetismul metalelor precum fierul). Magneții și specimenele întinse din materiale magnetizabile sunt întotdeauna aliniate de-a lungul liniilor de câmp sau anti-paralele cu acestea, adică polul sud magnetic al unui magnet de testare este aliniat de-a lungul liniilor de câmp la polul nord al câmpului generator. Acest efect este utilizat, de exemplu, în busola magnetică , în care acul busolei, un dipol magnetic, se aliniază cu câmpul magnetic al pământului . În plus, în câmpuri neomogene corpurile magnetizabile sunt trasate în direcția creșterii intensității câmpului, vezi gradient , aplicațiile sunt electro-magneți și motorul de reticență . Acest lucru se aplică și magneților care se pot alinia liber. În schimb, magneții orientați în direcția opusă sunt respinși.

Motivul acestor observații este că se presupune o stare de energie mai mică - forțele și cuplurile funcționează întotdeauna în așa fel încât energia totală a câmpului să scadă atunci când corpurile le urmăresc, prin care energia de legare este eliberată ca lucru mecanic . În schimb, se lucrează asupra corpurilor atunci când acestea sunt mișcate împotriva forțelor. Munca scade sau mărește energia câmpului. Dacă sunt implicate bobine , energia electrică poate fi adăugată sau îndepărtată.

Mărimi și unități

Hans Christian Ørsted , Spiritul în natură , 1854

Puterea unui câmp magnetic poate fi exprimată prin două mărimi fizice diferite, intensitatea câmpului magnetic (unitate: A / m, adică amper per metru; în sistemul de unități CGS există numele Oersted pentru unitatea corespunzătoare) și magnetice densitatea fluxului (așa-numita. „Inducție magnetică”) (unitate Tesla ). Acestea diferă în vid doar printr-un factor constant, constanta câmpului magnetic : ${\ displaystyle {\ vec {H}}}$${\ displaystyle {\ vec {B}}}$ ${\ displaystyle \ mu _ {0}}$

${\ displaystyle {\ vec {B}} = \ mu _ {0} {\ vec {H}}}$.

În materie, de ex. B. la magneții permanenți, relația este mai complicată: în acest caz este continuă într-un gol transversal , într-un gol longitudinal . Măsurătorile cu o sondă de câmp magnetic în spațiul transversal și longitudinal se pot dovedi semnificativ diferite. Dimensiunea este întotdeauna lipsită de sursă, în timp ce același lucru se aplică și nu (vezi mai jos). În timp ce puterea câmpului magnetic este avantajoasă pentru calculele cu curenți electrici sau cu material feromagnetic sau ferimagnetic, densitatea fluxului magnetic este utilizată pentru a calcula tensiunile induse sau forța Lorentz. Cele două mărimi de câmp sunt legate între ele prin ecuațiile materiale ale electrodinamicii , care, în cel mai simplu caz, pot fi exprimate printr-un factor, permeabilitatea magnetică ; în cazul general, în care vectorul este denumit magnetizarea materialului se aplică în schimb . Eliberarea de surse și eliberarea de vârtejuri - acestea din urmă doar în cazul absenței curenților electrici - sunt exprimate matematic prin ecuații sau . Iată și sunt operatorii diferențiali pentru divergență sau rotație , adică pentru sursa sau densitatea vortexului unui câmp. ${\ displaystyle {\ vec {B}}}$${\ displaystyle {\ vec {H}}}$${\ displaystyle {\ vec {B}}}$${\ displaystyle {\ vec {H}}}$${\ displaystyle {\ vec {H}}}$${\ displaystyle {\ vec {H}} = {\ tfrac {\ vec {B}} {\ mu _ {0}}} - {\ vec {M}} \ ,,}$${\ displaystyle {\ vec {M}}}$${\ displaystyle {\ vec {B}}}$${\ displaystyle {\ vec {H}}}$${\ displaystyle {\ vec {j}} = 0}$${\ displaystyle \ operatorname {div} {\ vec {B}} = 0}$${\ displaystyle \ operatorname {red} {\ vec {H}} = {\ vec {j}}}$${\ displaystyle \ operatorname {div}}$${\ displaystyle \ operatorname {red}}$

Exemple de câmpuri magnetice

Câmpul magnetic intergalactic, exprimat ca densitatea fluxului magnetic în unitatea Tesla (T), este estimat a fi mai mic de 0,1  nT ( ^10-10  T), cel al Căii Lactee este estimat a fi 30 nT. Câmpul magnetic al Pământului are o putere de 40 µT la suprafață, ceea ce corespunde cu 0,4  Gauss în sistemul de unități Gaussian . Densitatea fluxului magnetic al petelor solare este mai mică de 1 mT. Magnetizarea saturație de fier este de aproximativ două Tesla.

Pe suprafața stelelor de neutroni , cum ar fi B. pulsarii , pe de altă parte, au de obicei densități de flux de 10 ⁸  Tesla, cu magnetari , un tip special de stele de neutroni, chiar și 10 ¹¹  Tesla.

Cel mai slab câmp magnetic de pe pământ în prezent cu 1 nT (2009) poate fi găsit într-o clădire cubică special protejată a Physikalisch-Technische Bundesanstalt din Berlin . Scopul cubului este de a măsura unde cerebrale slabe și semnale cardiace la oameni.

La Laboratorul Național al Câmpului Magnetic Înalt din Tallahassee (Florida), cel mai puternic câmp magnetic constant din punct de vedere temporal de pe pământ este generat la 45T. Chiar și câmpurile magnetice superioare pot fi obținute cu ajutorul magneților în impulsuri scurte. Recordul mondial pentru construcția de magneti nedistructivi este în prezent (2012) deținut de Laboratorul Național al Câmpului Magnetic Înalt din Los Alamos, SUA, cu 100,75 T.

Cu radiații laser intense , pot fi generate densități de flux de până la 34 kilotesla - dar numai pentru aproximativ 10  ps .

Câmpurile magnetice ridicate de, de exemplu, 2800 T pot fi generate cu impulsuri de curent dacă se acceptă că bobina va fi distrusă în proces (sau se va distruge singură). O creștere suplimentară a densității fluxului poate fi realizată prin comprimarea simultană a bobinei sau a câmpului prin sarcini explozive; vezi și generatorul de compresie de debit .

Energia magnetică

Fiecare câmp magnetic conține energie . Densitatea energiei , în orice moment într - un câmp magnetic în vid este dată de ${\ displaystyle \ rho _ {\ mathrm {m}}}$

${\ displaystyle \ rho _ {\ mathrm {m}} = {\ frac {1} {2}} BH = {\ frac {1} {2}} \ mu _ {0} H ^ {2} = {\ frac {B ^ {2}} {2 \ mu _ {0}}}}$.

Este cantitatea de intensitate a câmpului magnetic, cantitatea densității fluxului magnetic la punctul dat și constanta câmpului magnetic sau permeabilitatea vidului . ${\ displaystyle H}$${\ displaystyle B}$${\ displaystyle \ mu _ {0}}$

Energia totală a câmpului magnetic al unei bobine prin care curge curentul este

${\ displaystyle E = {\ frac {1} {2}} LI ^ {2}}$.

Aici se referă la inductanța bobinei și la puterea actuală . ${\ displaystyle L}$${\ displaystyle I}$

Electromagnetismul

Prin electromagnetism se înțelege relațiile diverse dintre magnetism și fenomene pur electrice. Câmpurile magnetice create de curenți electrici pot fi interpretate de teoria specială a relativității ca urmare a forțelor electrostatice dintre sarcini. Explicația se bazează pe faptul că un curent electric reprezintă o mișcare relativă de particule încărcate opus, ale căror densități de încărcare sunt influențate diferit de contracția Lorentz . Particulele elementare încărcate, care au propriul moment unghiular (spin) , au și ele un moment magnetic și, prin urmare, sunt printre altele. responsabil de feromagnetism . Acest lucru este interpretat de mecanica cuantică relativistă .

Chiar și cu efectul unui câmp magnetic asupra unei particule încărcate în mișcare, există un efect care poate fi explicat doar prin mecanica cuantică (vezi efectul Aharonov-Bohm ). Un câmp magnetic limitat spațial influențează dinamica unei particule încărcate, chiar dacă se mișcă doar într-o zonă cu câmp magnetic dispărut.

Mișcările purtătorilor de sarcină determină modificări ale câmpurilor electrostatice și magnetice din împrejurimile lor. Deoarece aceste schimbări se influențează reciproc și se răspândesc în spațiu, se vorbește despre unde electromagnetice . Lumina (fie vizibilă, fie invizibilă) și radioul sunt cele mai cunoscute forme ale acestui fenomen, dar această formă de electromagnetism este utilizată și în procesarea metalelor ( cuptoare cu inducție ) și pentru încălzirea chiar și a substanțelor neconductoare ( cuptoare cu microunde ).

Pentru o prezentare și clasificare aprofundată a electromagnetismului, consultați articolul Interacțiunea electromagnetică .

Reguli de direcție

Pe drepturile de degetul mare regulă sau regula tirbușon [ I : (convențională sau industrială) direcția curentului; B : direcția câmpului magnetic]

Cantitatea și semnul sarcinilor deplasate, precum și cantitatea și direcția vitezei lor determină puterea și direcția forțelor magnetice și a câmpurilor magnetice pe care se bazează, a căror măsurare exactă astăzi, printre altele. este posibil cu sondele Hall .

Pentru relația dintre direcția curentului și direcția forțelor magnetice sau a câmpurilor magnetice subiacente, sunt în circulație o serie de reguli și ajutoare de memorie denumite diferit, care inițial diferă în funcție de faptul dacă sunt din „convențional” sau „ se presupune direcția tehnică a curentului (contrar fluxului de electroni) sau direcția fluxului de electroni (numită colocvial și direcția de curgere „fizică”). Dacă prima este situația, se vorbește de reguli de mână dreaptă sau de pumn drept, altfel de reguli de mână stângă sau de pumn stâng, prima predominând în mod tradițional.

Următoarea distincție este dacă, în regula în cauză, se folosește degetele arătător și mijlociu în afară de degetul mare, care sunt aranjate în unghi drept față de cel anterior , sau dacă toate degetele, cu excepția degetului mare, sunt închipuite cu un pumn .

În timp ce primele menționate regulile sunt de fapt , la stânga sau de dreapta mână reguli - de asemenea , cunoscut sub numele de regula cu trei degete , regula UVW sau regula IBF sau FBI - direcția forței Lorentz pe un purtător de sarcină se deplasează într - un (specificat) Arată câmpul magnetic extern, regulile menționate în al doilea rând - regula pumnului stânga sau dreapta , regula de izolare, denumită în mod popular și regulă de șurub sau regulă de tirbușon - servesc în primul rând pentru a indica direcția câmpului magnetic pe care purtătorul de sarcină în mișcare prin Mișcarea sa generat, fie el cu zbor liber sau într-un conductor electric drept sau inelar, de ex B. o bobină.

Exemple: regula dreaptă sau regula (dreapta) UVW

1. Afișează degetul mare extins al mâinii drepte în direcția convențională sau de direcție a curentului unui conductor care transportă curent ( U AUSE) și afișat în unghi drept cu degetul mare în direcția câmpului magnetic extern ( determinarea V ), dreapta unghiul orientat către ambele degete mijlocii în direcția purtătorilor de sarcină din conductor (și de el însuși) acțiunea forței Lorentz ( W MPACT).
2. Și invers: Dacă un conductor electric (prin agitație mecanică U AUSE) către degetul mare de la mâna dreaptă într-un câmp magnetic extern ( determinarea V ) a adus a cărui direcție este cea a deținerii în unghi drept cu degetul arătător al degetului mare, atunci în conductor un flux de curent ( W MPACT) în direcția tehnică indusă în care degetul mare către și arată arătătorul arătat vertical degetul mijlociu.

Exemple: regula pumnului drept sau regula tirbușonului

1. Dacă un conductor care transportă curent este apucat cu mâna dreaptă în așa fel încât degetul mare orientat să indice în direcția curentului convențional sau tehnic , degetele curbate indică direcția câmpului magnetic rezultat.
2. Pentru un curent circular (de exemplu, cel al unei bobine), se aplică următoarele: Dacă bobina este ținută în mâna dreaptă astfel încât degetele să fie curbate în direcția direcției tehnice a curentului , degetul mare arătat indică în direcția magnetului polul Nord.

Explicarea fenomenului

Magnetismul (similar cu supraconductivitatea ) implică efecte mecanice cuantice specifice, care nu sunt ușor de reprezentat.

Un model de succes a fost dezvoltat încă din 1927 cu teoria Heitler-Londra a formării moleculelor de hidrogen, deși această teorie părea inițial să nu aibă nimic de-a face cu „magnetismul”. Conform acestei teorii apar σ- orbitali moleculari , i. H. Cele două funcții de hidrogen atomic u _i (...) formează o stare orbitală σ-moleculară:

${\ displaystyle \ psi (\ mathbf {r} _ {1}, \, \, \ mathbf {r} _ {2}) = {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} \, \, \ left (u_ {1} (\ mathbf {r} _ {1}) u_ {2} (\ mathbf {r} _ {2}) + u_ {2} (\ mathbf {r} _ {1}) u_ { 1} (\ mathbf {r} _ {2}) \ right) \ ,. \ Qquad {\ text {(1a)}}}$

Ultimul produs rezultă din primul din cauza principiului mecanic cuantic al indistinctibilității particulelor identice . Înseamnă: primul electron  r ₁ poate fi localizat nu numai în primul nucleu atomic , ci la fel de bine într-un orbital atomic de hidrogen în al doilea nucleu atomic, în timp ce al doilea electron se află în primul nucleu atomic. Aceasta are ca rezultat „ interacțiunea de schimb ”, care joacă un rol fundamental în crearea magnetismului și este mai puternică cu factori de la 100 la 1000 decât termenii fenomenologici descriși de electrodinamică .

În cazul funcției de centrifugare  χ ( s ₁ , s ₂ ), care este responsabilă de magnetism, comportamentul complementar  se aplică atunci din cauza principiului Pauli

${\ displaystyle \ chi (s_ {1}, \, \, s_ {2}) = {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} \, \, \ left (\ alpha (s_ {1}) \ beta (s_ {2}) - \ beta (s_ {1}) \ alpha (s_ {2}) \ right) \ ,, \ qquad \ quad \, {\ text {(1b)}}}$

d. Aceasta înseamnă că nu numai  u _trebuie înlocuit cu  α și  β (primul înseamnă „ spin up ”, cel de-al doilea „ spin down ”), ci și + by - și z. B.  r ₁ cu cele două valori discrete ale lui  s ₁ , și anume cu ± ½. Se aplică următoarele:

${\ displaystyle \ alpha (+1/2) = \ beta (-1/2) = 1}$ și

${\ displaystyle \ alpha (-1/2) = \ beta (+1/2) = 0}$.

Deci, d. H. cu semnul minus în (1b), rezultatul este o funcție de centrifugare singlet . Asta înseamnă: rotirile sunt anti-paralele ; pentru solide acest lucru înseamnă antiferomagnetism și pentru molecule diatomice diamagnetism .

Tendința de a lipire moleculare , în conformitate cu funcția de locație de mai sus, ca rezultat automat în Singulettsymmetrie menționat deja în stare de spin datorită principiului lui Pauli; întrucât repulsia Coulomb a celor doi electroni ar duce la o funcție de poziție singlet și complementar la o funcție de triplet spin, adică adică „rotirile ar fi acum paralele ”.

Ultimul efect predomină cu fierul , cobaltul și nichelul ; aceste metale sunt feromagnetice . În cazul moleculelor diatomice, aceasta predomină și în cazul oxigenului , care, spre deosebire de celelalte molecule diatomice, nu este diamagnetic, ci paramagnetic . Cu toate acestea, primul efect menționat predomină cu celelalte metale, cum ar fi sodiul , potasiul , magneziul sau stronțiul , care sunt nemagnetice , sau cu manganul , care este antiferomagnetic .

Modelul de bază al magnetismului Heisenberg a apărut din modelul Heitler-Londra prin generalizare (Heisenberg 1928).

Explicația fenomenului se bazează în cele din urmă pe toate subtilitățile mecanicii cuantice, inclusiv pe structura sa matematică , în special pe spinul descris acolo și pe principiul Pauli, în timp ce electrodinamica descrie mai degrabă fenomenologia.

Magnetismul materiei

Momentul magnetic al particulelor elementare

Toate particulele elementare încărcate fundamental au un moment magnetic caracteristic . Este legat de rotația lor prin relația giromagnetică . ${\ displaystyle {\ vec {\ mu}}}$

Momentul magnetic al unor fermioni${\ displaystyle \ mu}$

Particulele elementare	Descriere	${\ displaystyle \ mu / ({\ rm {{JT ^ {- 1}})}}}$
electron	${\ displaystyle \ mu _ {\ rm {e}}}$	${\ displaystyle -9 {,} 284 \, 764 \, 7043 (28) \ cdot 10 ^ {- 24}}$
Muon	${\ displaystyle \ mu _ {\ rm {\ mu}}}$	${\ displaystyle -4 {,} 490 \, 448 \, 30 (10) \ cdot 10 ^ {- 26}}$
proton	${\ displaystyle \ mu _ {\ rm {p}}}$	${\ displaystyle 1 {,} 410 \, 606 \, 797 \, 36 (60) \ cdot 10 ^ {- 26}}$
neutron	${\ displaystyle \ mu _ {\ rm {n}}}$	${\ displaystyle -9 {,} 662 \, 3651 (23) \ cdot 10 ^ {- 27}}$

Momentul magnetic al atomilor

Momentul magnetic al unui atom este alcătuit din contribuția învelișului de electroni (momentul învelișului) și contribuția nucleului în general mult mai slabă (momentul nuclear).

Orbitală moment, care este legat de momentul cinetic orbital al a electronilor , iar momentul de spin determinat de electroni de spin contribuie la shell moment. Suma momentelor magnetice ale electronilor unui orbital atomic dublu ocupat este zero, astfel încât atomii care nu au orbitali pe jumătate ocupați nu au un moment de coajă permanent.

Momentul nuclear este foarte mic, dar nu numai că poate fi detectat ( efect Zeeman , experimentul Stern-Gerlach ), ci și utilizat în practică (de exemplu, spectroscopie RMN ( rezonanță magnetică nucleară ), tomografie MR ).

Magnetismul solidelor

Magnetismul solidelor este un fenomen de cooperare . Macroscopic Magnetizarea este alcătuit din contribuțiile blocurile individuale ( atomi , ioni , electroni cvasi libere ) care alcătuiesc solidul . Cu multe materiale, blocurile individuale au deja un moment magnetic. Cu toate acestea, chiar și din materialele ale căror blocuri de construcție poartă astfel de momente magnetice, doar câteva prezintă o magnetizare macroscopică. De regulă, diferitele momente se adună pentru a forma momentul total zero. Rezultatul este doar o magnetizare macroscopică numai dacă acest lucru nu se întâmplă, adică dacă contribuțiile lor nu se anulează reciproc.

În solide pot apărea cinci tipuri de magnetism. Numirea câmpului magnetic, precum și a câmpului electric, se face în mod analog, folosind prefixul corespunzător:

magnetism	Explicaţie	ilustrare
Diamagnetism	Dacă o substanță este adusă într-un câmp magnetic, aceasta induce un curent în cochilii de electroni ai atomilor, al căror câmp magnetic, conform regulii lui Lenz , este opus celui extern. Diamagnetismul duce la o slăbire a câmpului magnetic din substanță. În materialele ale căror atomi, ioni sau molecule nu au electroni nepereche, diamagnetismul este singura formă de magnetism.
Paramagnetism	Dacă atomii, ionii sau moleculele unui material au un moment magnetic, se aliniază paralel cu câmpul magnetic extern. Acest lucru determină o întărire a câmpului magnetic din material. În cazul unui paramagnet ideal, momentele magnetice individuale sunt izolate unele de altele. Prin urmare, după îndepărtarea câmpului magnetic extern, câmpul magnetic intern se prăbușește din cauza mișcării termice a particulelor. În mod corespunzător, paramagnetismul scade odată cu creșterea temperaturii.
Feromagnetism	În feromagnetism, momentele magnetice ale particulelor individuale nu sunt independente una de alta, ci se aliniază în mod spontan în paralel. Cuplarea momentelor magnetice nu se extinde asupra întregului material, ci este limitată la zone mici, zonele Weiss . Scalele tipice de lungime sunt de la zece nanometri la câțiva micrometri. Alinierea districtelor Weiss este distribuită statistic, astfel încât întregul corp să pară nemagnetic. Districtele pot fi aliniate în același mod de un câmp magnetic extern. Această rectificare este păstrată chiar și după ce câmpul extern a fost îndepărtat, astfel încât se obține o magnetizare permanentă. Magnetizarea poate fi distrusă prin încălzirea peste temperatura feromagnetică Curie .
Ferrimagnetismul	Și în ferimagnetism, momentele magnetice ale particulelor individuale nu sunt independente una de cealaltă. Dar există două tipuri de centre magnetice. Momentele de centrifugare ale centrelor similare sunt aliniate paralel și cele ale celor diferite sunt anti-paralele. Acest lucru duce la o dispariție parțială a momentelor magnetice. Restul comportamentului este similar cu feromagnetii.
Antiferomagnetism	Chiar și cu antiferomagnetism, momentele magnetice ale particulelor individuale nu sunt independente una de cealaltă, ci mai degrabă se aliniază spontan într-un mod anti-paralel. Prin urmare, anti-feromagnetul ideal nu prezintă un comportament magnetic către exterior. Pe măsură ce temperatura crește, mișcarea de căldură perturbă dispunerea, astfel încât antiferomagnetul se comportă tot mai mult ca un ferimagnet. Atunci când este încălzit peste temperatura Néel , anti- feromagnetul se comportă numai paramagnetic (comparați temperatura Curie pentru feromagneti).

În plus, există forme de magnetism care se caracterizează prin comportamentul nemagnetic sau neliniar al celor cinci tipuri de magnetism:

Metamagnetism

Materialele metamagnetice (de exemplu, clorura de fier (II) ) prezintă magnetizări foarte mici, cu câmpuri magnetice externe foarte mici (antiferomagnetice), cu intensitatea câmpului crescând, magnetizarea crește disproporționat de puternică și constantă și se apropie de o valoare de saturație. Acest comportament poate fi descris în așa fel încât cristalul să se comporte antiferomagnetic pentru câmpurile mici și feromagnetic pentru câmpurile puternice.

„Amagnetism”

În cazul amagnetismului, nemagnetic, nemagnetic sau nemagnetic se înțelege „nu feromagnetic”, de exemplu, ca proprietate a oțelului austenitic , spre deosebire de oțelul obișnuit . Nu există substanțe asupra cărora un câmp magnetic nu are niciun efect. În cazul unor intensități foarte mari ale câmpului magnetic, chiar și cu materiale „amagnetice”, pot exista efecte de atracție sau, într-o măsură mai mică, de respingere, deși mult mai slabe decât în ​​cazul materialelor feromagnetice. Termenul amagnetic nu este folosit în mod uniform.

Metode de măsurare a magnetismului în solide

Pentru a investiga diferitele tipuri de magnetism și dependența lor de temperatură sunt utilizate diferite metode macroscopice, precum și atomice-microscopice. Una dintre cele mai sensibile metode macroscopice se bazează pe efectul Josephson și este utilizată în SQUID , care în cercetarea materialelor este de obicei combinat cu un criostat reglat . Efectul Hall este, de asemenea, o metodă macroscopică și este, de asemenea, utilizat în multe aplicații tehnice simple, de ex. B. în motorul mașinii .

Pe scara atomică, nucleii atomici sunt utilizați folosind interacțiunea hiperfină pentru a măsura dimensiunea câmpului magnetic cu nucleii atomici din rețeaua cristalină la locația nucleului respectiv. Metodele cunoscute sunt spectroscopia Mössbauer , corelația perturbată a unghiului gamma-gamma și RMN .

Magnetismul în biologie

Deoarece fiecare activitate nervoasă constă și din curenți electrici, țesutul nostru nervos și mai ales creierul nostru produc în mod constant câmpuri magnetice care pot fi recepționate cu detectoare sensibile.

Câmpurile magnetice alternative pot declanșa curenți electrici în țesut prin inducție și pot avea astfel o influență (slabă) asupra sistemului nervos. Cortexul motor poate fi stimulat cu ajutorul stimulării magnetice transcraniene (TMS) în așa fel încât să apară contracții musculare involuntare. Nervii din mușchii înșiși pot fi, de asemenea, stimulați în acest fel.

Așa-numitele magnetofosfene (percepții senzoriale optice) apar în câmpuri corespunzătoare puternice (de exemplu într-un tomograf cu rezonanță magnetică ) . Mai mult, se știe de multă vreme că alternarea câmpurilor magnetice poate influența secreția de hormoni (de exemplu, melatonina ). Cu toate acestea, consecințele pe termen lung pentru oameni nu au putut fi observate.

Multe păsări, broaște țestoase marine și pești de mare anvergură au un simț magnetic și se pot orienta folosind câmpul magnetic al pământului .

Medicul Franz Anton Mesmer a dezvoltat o teorie, care a fost testată și respinsă de Academia Franceză de Științe în 1784 , conform căreia un fluid pe care Mesmer îl denumea magnetism animalis putea fi transmis de la persoană la persoană și în hipnoză și anumite procese de vindecare ( Ștergerile hipnotice) ar trebui să joace un rol. Pe lângă magnetismul animal care era popular la acea vreme, medicul și magnetizatorul Louis Joseph Jules Charpignon din Orléans s-a ocupat și de magnetism într-un sens mai general în jurul anului 1845.

Vezi și: Magnetotaxis , Magnetospirillum gryphiswaldense , Magnetospirillum magnetotacticum , Magnetosom

Pericole pentru oameni

Avertizare de câmp magnetic

Efectele sau pericolele câmpurilor magnetice directe asupra oamenilor nu sunt cunoscute. Câmpurile pulsate din imagistica prin rezonanță magnetică sunt, de asemenea, în general inofensive. Pe de altă parte, există pericole cu câmpuri puternice în următoarele cazuri:

• Efect de forță prin părți feromagnetice sau feromagnetice prezente pe sau în corp, de asemenea
• Piese feromagnetice sau feromagnetice zburătoare.

Din acest motiv, regulile de siguranță se aplică în laboratoarele cu câmp magnetic și pe tomografele cu rezonanță magnetică, care asigură că nici o piesă feromagnetică nu ajunge în vecinătate. Următoarele daune sunt încă relevante:

• Întreruperea sau eșecul stimulatoarelor cardiace
• Perturbarea ceasurilor neamagnetice și a altor dispozitive mecanice.

Pericole generale

Câmpurile pulsate pot influența sau distruge toate dispozitivele electronice și electrice prin inducție electromagnetică , vezi și pulsul electromagnetic .

Neregularitățile din fluxul de particule din soare ( vântul solar ) duc la așa-numitele furtuni magnetice pe pământ care, prin inducție, pot pune în pericol liniile telefonice și fixe, sistemele de cablu și, de asemenea, conductele metalice.

Câmpurile magnetice pot șterge înregistrările pe suporturi magnetice, cum ar fi banda audio , banda video sau hard disk .

Dacă un câmp magnetic se prăbușește brusc ca urmare a unui incident - întreruperea liniei în electromagnetele convenționale sau stingerea magneților supraconductori - impulsurile de tensiune electrică foarte ridicate pot rezulta din inducție. Dacă acest lucru duce la un flux de electricitate, câmpurile magnetice generate la rândul lor pot de ex. B. Trageți cu forța obiecte în magnet. Prin urmare, setările experimentale din imediata apropiere a magnetului nu trebuie să conțină bucle conductoare închise - de exemplu în orice fel de rafturi; acest lucru se realizează prin introducerea distanțierelor izolatoare.

Cei doi magneți permanenți în formă de inel de la magnetronul unui cuptor cu microunde se atrag unul pe altul atât de puternic încât poți ciupi și răni dureros un pli fin al pielii între ei.

Magnetismul în limbajul cotidian și în viața de zi cu zi

Neînțelegerile apar adesea din confuzia termenilor „magnetic” (în sensul feromagnetic ), „magnetizat” și „magnetizabil”.

În limbajul colocvial, magnetismul este înțeles aproape exclusiv ca feromagnetism, deoarece acest lucru este obișnuit și familiar în viața de zi cu zi: ținerea magneților pe o foaie de metal, funcționarea unei busole etc. Celelalte tipuri de magnetism (diamagnetism, paramagnetism etc.) .), pe de altă parte, sunt vizibile în mediul cotidian. Prin „magnetic” se înțelege de obicei „feromagnetic”. Majoritatea oamenilor asociază pe bună dreptate termenul de magnetism foarte puternic cu materialele fier și oțel. Ceea ce este mai puțin cunoscut este că nichelul și cobaltul sunt, de asemenea, feromagnetice.

Concepțiile greșite despre magnetizabilitate sunt răspândite și pot fi găsite și în unele cărți și alte surse. De exemplu, un obiect din oțel simplu este feromagnetic și, prin urmare, magnetizabil, dar numai „moale” magnetic, ceea ce înseamnă că își pierde din nou magnetizarea foarte repede. Un ac temporar de busolă nu poate fi realizat din nici un fir de oțel prin perierea acestuia cu un magnet permanent, un fir de oțel magnetic moale nu este potrivit. Dacă atingeți un fir de oțel magnetic moale cu un magnet permanent, acesta va fi atras, dar nu magnetizat permanent. Un ac de oțel magnetic „dur”, pe de altă parte, poate fi magnetizat permanent, ceea ce înseamnă că își pierde magnetizarea doar pe o perioadă lungă de timp și, prin urmare, ar putea funcționa ca o busolă improvizată.

Puteți verifica cu ușurință dacă un obiect este „magnetic” (în sensul feromagnetic) atingându-l cu un magnet permanent. Dacă simțiți o forță, atunci obiectul este feromagnetic. Dacă un obiect este „magnetizat” - adică este el însuși un magnet permanent - poate fi verificat folosind o bucată foarte ușoară de oțel nemagnetizat (de exemplu, o capsă sau o agrafă): Dacă capsa se blochează pe obiect, atunci aceasta este el magnetizează.

Magnetizarea sculelor, de exemplu, poate fi de dorit în practică (de exemplu, unele șurubelnițe sunt magnetizate intenționat pentru a simplifica manipularea șuruburilor mici de fier). Cu toate acestea, magnetizarea poate fi, de asemenea, nedorită, deoarece provoacă în mod constant mici pilituri de fier sau altele asemenea. rămâneți la dispozitiv.

Notebook-urile Apple au uneori o priză de alimentare cuplată magnetic. Această conexiune MagSafe este eliberată în majoritatea cazurilor dacă cablul este tras accidental și astfel poate preveni căderea dispozitivului de la masă pe podea. Dopul plat are un cadru feromagnetic care este atras de magnet în zona ușor încastrată a prizei. Dacă dispozitivul este pus într-un rucsac fără capac, care este, de asemenea, utilizat pentru transportul sculelor manuale, mufa poate atrage particule de fier și rugină și se poate înfunda. Aceste particule pot fi extrase cu ajutorul unei benzi adezive puternice.

ecranare

Influența cursului liniilor câmpului magnetic de către materialul feromagnetic. Ecranarea creează un spațiu practic fără câmp în interiorul inelului.

Ecranarea dispozitivelor, instalațiilor și încăperilor electrotehnice este utilizată pentru a menține câmpurile electrice și / sau magnetice la distanță de acestea sau, dimpotrivă, pentru a proteja mediul înconjurător de câmpurile emanate de instalație. Se folosesc scuturi magnetice de ex. B. utilizat în monitoarele CRT și osciloscoapele cu tuburi catodice , deoarece sursele de interferență magnetică pot provoca interferențe de imagine. Magneții permanenți din difuzoarele televizoarelor cu tuburi de imagine sunt adesea ecranate magnetic.

Materialele magnetice moi sunt utilizate pentru a proteja câmpurile magnetice statice și câmpurile magnetice de joasă frecvență, adică H. materiale feromagnetice cu permeabilitate ridicată și remanență redusă. Ecranul magnetic are, de asemenea, un efect de ecranare electrică dacă este suficient de conductiv. Câmpurile alternative electromagnetice de înaltă frecvență ( unde electromagnetice ) pot fi complet protejate numai cu plicuri închise, conductoare electric, rotunde, cu o grosime suficientă. Golurile sau deschiderile reduc atenuarea ecranării și o fac imposibilă dacă dimensiunea lor cea mai mare atinge sau depășește ordinea de mărime a lungimii de undă care trebuie protejată.

Vezi si

• Tensiune magnetică sau inundații (cantitate fizică)
• Magnet elementar (prezentare model pentru a explica anumite proprietăți ale unei substanțe magnetizabile)
• Efect magnetocaloric (schimbarea temperaturii la schimbarea câmpului magnetic)
• Teorema lui Bohr-van-Leeuwen (magnetismul este un efect mecanic pur cuantic în solide)

Link-uri web

Wikționar: Magnetism  - explicații ale semnificațiilor, originea cuvintelor, sinonime, traduceri

• Magnetism în detaliu la Welt der Physik

Observații

1. ↑ Strict vorbind, libertatea de surse se aplică întotdeauna densității fluxului magnetic , dar nu și intensității câmpului magnetic , vezi mai jos.${\ displaystyle {\ vec {B}}}$${\ displaystyle {\ vec {H}}}$
2. ↑ Exprimat matematic: Câmpurile magnetice sunt întotdeauna câmpuri de vârtej , în timp ce câmpurile electrostatice sunt întotdeauna câmpuri de gradient (fiecare câmp vectorial poate fi împărțit într-o parte de gradient (parte fără vârtej) și o parte cu vortex (parte fără sursă)).
3. ^ PJ Morrison: linii de câmp magnetic, dinamică hamiltoniană și sisteme Nontwist. Fizica plasmelor, vol. 7 nr. 6, iunie 2000, pp. 2279-2289 . Articolul arată că în aranjamente tridimensionale fără simetrie specială, liniile de câmp închise apar chiar relativ rar. Acest lucru sugerează, de asemenea, următorul paradox: Se are în vedere un magnet cu bare realizat din material flexibil, în care cineva a legat o buclă simplă înainte de magnetizare. Liniile sale de câmp se desfășoară în interior de la polul S la polul N de-a lungul nodului și se închid în afara magnetului în spațiu liber. Acum magnetul se desface încet. Liniile sale de câmp sunt întotdeauna închise. Deoarece un nod nu poate dispărea într-o buclă închisă din motive topologice, liniile de câmp care înconjoară magnetul alungit al barei ar trebui acum să conțină un nod, ceea ce nu este posibil. Paradoxul poate fi rezolvat renunțând la ideea liniilor de câmp închise.
4. ↑ Măsurarea câmpului magnetic pe inima omului cu senzori mici la temperatura camerei (comunicat de presă PTB din 11 decembrie 2009).
5. ↑ Cercetătorii câmpului magnetic vizează obiectivul Hundred-Tesla ( Memento din 28 septembrie 2012 în Arhiva Internet ), comunicat de presă al Laboratorului Național Los Alamos din 22 martie 2012.
6. ↑ Prezentarea TU Dresda (fișier PDF, 8,2 MB, accesat la 30 iunie 2011)
7. ↑ Conform principiului Pauli, complementaritatea constă în faptul că, cu moleculele diatomice, o funcție de poziție simetrică (semn +) trebuie multiplicată cu o funcție de rotire antisimetrică (semn -), și invers.
8. ↑ Pentru teoria magnetismului vezi z. BU Krey, A. Owen, Fizica teoretică de bază - o prezentare succintă , Springer, Berlin 2007.
9. ↑ CODATA Valorile recomandate. Institutul Național de Standarde și Tehnologie, accesat pe 21 iulie 2019 .  Momentul magnetic al electronului.
10. ↑ CODATA Valorile recomandate. Institutul Național de Standarde și Tehnologie, accesat pe 21 iulie 2019 .  Momentul magnetic al muonului.
11. ↑ CODATA Valorile recomandate. Institutul Național de Standarde și Tehnologie, accesat pe 21 iulie 2019 .  Momentul magnetic al protonului.
12. ↑ CODATA Valorile recomandate. Institutul Național de Standarde și Tehnologie, accesat pe 21 iulie 2019 .  Momentul magnetic al neutronului.
13. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Manual de chimie anorganică . Ediția a 101-a. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9 , pp. 1300-1310.
14. ^ Gerhard Fasching: Materiale pentru inginerie electrică . 3. Ediție. Springer, Viena 1994, p. 384.
15. ↑ Brahim Selmaoui, Yvan Touitou: Câmpurile magnetice sinusoidale 50-HZ deprimă activitatea NAT pineală a șobolanului și melatonina serică. Rolul duratei și intensității expunerii . În: Științe ale vieții . bandă 57 , nr. 14 , 1995, ISSN  0024-3205 , pp. 1351-1358 , doi : 10.1016 / 0024-3205 (95) 02092-W . 
16. ↑ Wood, AW, Armstrong, SM, Sait, Ml., Devine, L., Martin, MJ: Modificări ale profilurilor melatoninei plasmatice umane ca răspuns la expunerea la câmpul magnetic de 50 Hz . În: Journal of Pineal Research . bandă 25 , nr. 2 , 1998, ISSN  0742-3098 , p. 116-127 , doi : 10.1111 / j.1600-079X.1998.tb00548.x . 
17. ↑ Yvan Touitou, Yasmina Djeridane, Jacques Lambrozo, Françoise Camus, Brahim Selmaoui: Efectele pe termen lung (până la 20 de ani) ale expunerii la câmpul magnetic de 50 Hz asupra sistemului imunitar și a parametrilor hematologici la bărbații sănătoși . În: Biochimie clinică . bandă 46 , nr. 1-2 , 2013, ISSN  0009-9120 , p. 59-63 , doi : 10.1016 / j.clinbiochem.2012.09.003 . 
18. ↑ Touitou, Yvan și Lambrozo, Jacques și Camus, Françoise și Charbuy, Henriette: Câmpurile magnetice și ipoteza melatoninei: un studiu al lucrătorilor expus cronic la câmpurile magnetice de 50 Hz . În: American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology . bandă 284 , nr. 6 , 2003, p. R1529-R1535 , doi : 10.1152 / ajpregu.00280.2002 . 
19. ↑ Louis Jules Charpignon: fiziologie, medicină și metafizică vă magnetism. Bruxelles 1851.
20. ↑ Sabine Kleine: Raportul dintre magnetismul animal și hipnotism. În: Rapoartele istorice medicale din Würzburg. Volumul 13, 1995, pp. 299-330; aici: p. 314 f.