המגנטיזציה היא כמות וקטור המתארת את המדינה המגנטית של חומר מוגדר כסכום של רגעים מגנטיים dipolar ליחידת נפח. חומר מגנטי - ברזל או ניקל למשל - יכול להיחשב כמורכב ממגנטים קטנים רבים המכונים דיפול.
בדרך כלל הדיפולות הללו, שבתורן יש קטבים מגנטיים צפוניים ודרום, מופצות בדרגה מסוימת של הפרעה בנפח החומר. ההפרעה היא פחות בחומרים בעלי תכונות מגנטיות חזקות כמו ברזל וגדולה אצל אחרים עם מגנטיות פחות ברורה.
איור 1. דיפולולים מגנטיים מסודרים באופן אקראי בתוך חומר. מקור: פ. זפטה.
עם זאת, על ידי הצבת החומר באמצע שדה מגנטי חיצוני, כמו זה המיוצר בתוך סולנואיד, הדיפולנים מכוונים לפי השדה והחומר מסוגל להתנהג כמגנט (איור 2).
איור 2. הצבת חומר כמו פיסת ברזל למשל, בתוך סולנואיד דרכו עובר זרם, השדה המגנטי של זה מיישר את הדיפולים בחומר. מקור: פ. זפטה.
תן ל- M להיות וקטור המגנטציה, המוגדר כ:
כעת עוצמת המגנטציה בחומר, תוצר של טבילה בשדה החיצוני H , פרופורציונלית לכך, לפיכך:
M ∝ H
קבוע המידתיות תלוי בחומר, זה נקרא רגישות מגנטית ומצוין כ- χ:
M = χ. ח
היחידות של M במערכת הבינלאומית הן אמפר / מטר, כמו אלה של H , לכן χ הוא חסר ממדים.
רגע מגנטי סביב מסלול
המגנטיות נובעת מהנעה של מטענים חשמליים, ולכן כדי לקבוע את המגנטיות של האטום, עלינו לקחת בחשבון את תנועות החלקיקים הטעונים המהווים אותו.
איור 3. תנועת האלקטרון סביב הגרעין תורמת למגנטיות ברגע המגנטי האורביטאלי. מקור: פ. זפטה.
החל מהאלקטרון שנחשב כמקיף את הגרעין האטומי, זה כמו לולאה זעירה (מעגל סגור או לולאה של זרם סגור). תנועה זו תורמת למגנטיות האטום בזכות וקטור הרגע המגנטי האורביטאלי m, שעוצמתו היא:
איפה אני העוצמה הנוכחית ו- A הוא האזור הסגור על ידי הלולאה. לכן יחידות ה- m במערכת הבינלאומית (SI) הן אמפר x מטר מרובע.
וקטור m ניצב למישור הלולאה, כפי שמוצג באיור 3, ומכוון כמצוין על ידי כלל האגודל הימני.
האגודל מכוון לכיוון הזרם וארבע האצבעות הנותרות נעטפות סביב הלולאה ומצביעות כלפי מעלה. מעגל קטן זה שווה למגנט בר, כפי שמוצג באיור 3.
ספין רגע מגנטי
מלבד הרגע המגנטי המסלול, האלקטרון מתנהג כאילו הוא מסתובב על עצמו. זה לא קורה בדיוק כך, אבל ההשפעה המתקבלת זהה, כך שזו תרומה נוספת שצריך לקחת בחשבון לרגע המגנטי נטו של אטום.
למעשה, הרגע המגנטי של הסחרור הוא אינטנסיבי יותר מהרגע המסלול והוא אחראי בעיקר למגנטיות נטו של חומר.
איור 4. הרגע המגנטי הספין הוא זה התורם ביותר למגנטציה נטו של חומר. מקור: פ. זפטה.
רגעי הסחרור מתיישרים בנוכחות שדה מגנטי חיצוני ויוצרים אפקט מפל, ומתיישרים בזה אחר זה עם הרגעים הסמוכים.
לא כל החומרים מציגים תכונות מגנטיות. הסיבות לכך הן שהאלקטרונים עם ספין מנוגדים יוצרים זוגות ומבטלים את הרגעים המגנטיים הספינים שלהם.
רק אם חלקם אינם מותאמים יש תרומה לרגע המגנטי הכולל. לכן, רק לאטומים עם מספר מוזר של אלקטרונים יש סיכוי להיות מגנטי.
הפרוטונים בגרעין האטומי גם תורמים תרומה קטנה לרגע המגנטי הכולל של האטום, מכיוון שיש להם גם סיבוב ולכן הוא רגע מגנטי נלווה.
אבל זה תלוי הפוך במסה, וזה של הפרוטון גדול בהרבה מזה של האלקטרון.
דוגמאות
בתוך סליל, דרכו עובר זרם חשמלי, נוצר שדה מגנטי אחיד.
וכפי שתואר באיור 2, כשמניחים שם חומר, הרגעים המגנטיים של זה מתיישרים עם שדה הסליל. האפקט נטו הוא לייצר שדה מגנטי חזק יותר.
רובוטריקים, מכשירים המגדילים או מורידים מתח מתח לסירוגין, הם דוגמאות טובות. הם מורכבים משני סלילים, ראשוניים ומשניים, פצעים על ליבת ברזל רכה.
איור 5. בליבת השנאי מתרחשת מגנטציה נטו. מקור: Wikimedia Commons.
זרם משתנה מועבר דרך הסליל הראשוני שמשנה לסירוגין את קווי השדה המגנטי בתוך הליבה, מה שבתורו גורם לזרם בסליל המשני.
תדירות התנודה זהה, אך הגודל שונה. בדרך זו ניתן להשיג מתח גבוה יותר או נמוך יותר.
במקום לסובב את הסלילים לליבת ברזל מוצקה, עדיף לשים מילוי של יריעות מתכת מכוסות לכה.
הסיבה נובעת מנוכחותם של זרמי סוערים בתוך הליבה, אשר משפיעים על התחממותה יתר על המידה, אך הזרמים הנגרמים בסדינים נמוכים יותר ולכן חימום המכשיר ממוזער.
מטענים אלחוטיים
ניתן לטעון טלפון סלולרי או מברשת שיניים חשמלית באמצעות אינדוקציה מגנטית, המכונה טעינה אלחוטית או טעינה אינדוקטיבית.
זה עובד בצורה הבאה: יש בסיס או תחנת טעינה, שיש בהם סליל או סליל ראשי, דרכם מועבר זרם משתנה. סליל נוסף (משני) מחובר לידית המברשת.
הזרם בסליל הראשי מביא בתורו זרם בסליל הידית כשמכניסים את המברשת לתחנת הטעינה, וזה דואג לטעינת הסוללה שנמצאת גם כן בתוך הידית.
עוצמת הזרם המושרה מוגברת כאשר ליבה של חומר פרומגנטי, העשוי להיות ברזל, מונחת בסליל הראשי.
לסליל הראשי לאיתור קרבת הסליל המשני המערכת פולטת אות לסירוגין. ברגע שמתקבלת תגובה, המנגנון המתואר מופעל והזרם מתחיל להיות מושר ללא צורך בכבלים.
Ferrofluids
יישום מעניין נוסף של התכונות המגנטיות של החומר הם פרופורידים. אלה מורכבים מחלקיקים מגנטיים זעירים של תרכובת פריט, המותלים במדיום נוזלי, שיכולים להיות אורגניים או אפילו מים.
החלקיקים מצופים בחומר המונע את הנגיף שלהם, וכך נשארים מופצים בנוזל.
הרעיון הוא שזרימת הנוזל משולבת במגנטיות של חלקיקי הפריט, שהם כשלעצמם אינם מגנטיים חזק, אך רוכשים מגנטציה בנוכחות שדה חיצוני, כמתואר לעיל.
המגנטציה הנרכשת נעלמת ברגע הנסיגה של השדה החיצוני.
במקור פותחו נוזלים Ferrofluids לצורך גיוס דלק בחללית ללא כוח משיכה, מה שמאפשר דחף בעזרת שדה מגנטי.
נכון לעכשיו, ל- Ferrofluids יש יישומים רבים, חלקם עדיין בשלב הניסוי, כגון:
- צמצם את החיכוך בצלילי הרמקולים והאוזניות (הימנעו מהדהדה).
- אפשר הפרדת חומרים בצפיפות שונה.
- לפעול כחותמות על פירי הכוננים הקשיחים ולהדוף לכלוך.
- כטיפול בסרטן (בשלב הניסוי). Ferrofluid מוזרק לתאי סרטן ומופעל שדה מגנטי המייצר זרמים חשמליים קטנים. החום שנוצר על ידי אלה תוקף את התאים הממאירים ומשמיד אותם.
הפניות
- כתב העת לפיזיקה ברזילאי. Ferrofluids: מאפיינים ויישומים. התאושש מ: sbfisica.org.br
- Figueroa, D. (2005). סדרה: פיזיקה למדע והנדסה. כרך 6. אלקטרומגנטיות. נערך על ידי דאגלס פיגארואה (USB). 215-221.
- Giancoli, D. 2006. פיזיקה: עקרונות עם יישומים. אולם אד פרנטיס השישי. 560-562.
- Kirkpatrick, L. 2007. פיזיקה: מבט על העולם. המהדורה המקוצר השישי. לימוד Cengage. 233.
- Shipman, J. 2009. מבוא למדע הגופני. לימוד Cengage. 206-208.