Ориентација на магнетот и насока на магнетизација

1. Вовед

Магнетите играат клучна улога во бројни аспекти на современиот живот, од едноставното работење на заптивката на вратата од фрижидерот до сложеното функционирање на високотехнолошките уреди за медицинско снимање и електричните мотори. Ориентацијата на магнетот и насоката на неговата магнетизација се фундаментални својства што го одредуваат неговото магнетно однесување и функционалност. Разбирањето на овие концепти е од суштинско значење за инженерите, научниците и технолозите кои работат со магнетни материјали во различни апликации.

2. Основи на магнетизмот

2.1 Магнетни полиња

Магнетно поле е регион во вселената каде што може да се детектира магнетна сила. Претставено е со линии на магнетното поле, кои ја покажуваат насоката и релативната јачина на магнетната сила. Линиите на магнетното поле излегуваат од северниот пол на магнетот и влегуваат во јужниот пол. Јачината на магнетното поле се мери во тесли (T) или гауси (G), каде што 1 T = 10.000 G.

2.2 Магнетни моменти

Магнетниот момент на магнет е мерка за неговата тенденција да се усогласи со надворешно магнетно поле. Тоа е векторска величина, со магнитуда и насока. За едноставен прачкест магнет, магнетниот момент е поврзан со јачината на магнетот и растојанието меѓу неговите полови. Насоката на магнетниот момент е од јужниот пол до северниот пол на магнетот.

2.3 Основни својства на магнетите

Магнетите имаат два главни вида на пола: северен и јужен. Истите полови се одбиваат, додека спротивните полови се привлекуваат. Магнетот може да врши сила врз други магнетни материјали или подвижни наелектризирани честички. Перманентните магнети ги задржуваат своите магнетни својства подолг период, додека електромагнетите можат да се вклучуваат и исклучуваат со контролирање на електричната струја што тече низ намотката.

3. Ориентација на магнет

3.1 Влијание на надворешни магнетни полиња

Кога магнет е поставен во надворешно магнетно поле, тој има тенденција да се усогласи со полето. Северниот пол на магнетот ќе биде насочен во насока на линиите на надворешното магнетно поле. Ова е затоа што магнетното поле врши вртежен момент врз магнетот, обидувајќи се да го ротира додека не достигне позиција на минимална потенцијална енергија, што се случува кога магнетот е усогласен со полето. На пример, ако иглата на компасот (мал магнет) се постави во магнетното поле на Земјата, таа ќе се усогласи така што неговиот северен пол ќе биде насочен кон географскиот север (што всушност е магнетниот јужен пол на Земјата).

3.2 Геометриски форми и ориентација

Обликот на магнетот, исто така, влијае на неговата ориентација. Прачестиот магнет има добро дефиниран северен и јужен пол, а неговата ориентација е релативно едноставна. Сепак, за посложени форми како што се прстенести магнети или цилиндрични магнети, ориентацијата може да биде покомплицирана. Кај прстенест магнет, линиите на магнетното поле формираат затворени јамки во прстенот, а ориентацијата на прстенот во однос на надворешното поле зависи од тоа како полето комуницира со овие внатрешни јамки. Цилиндричните магнети можат да имаат различни шеми на магнетизација, како што се аксијални (по оската на цилиндарот) или радијални (нормално на оската), што влијае на нивната ориентација во надворешно поле.

3.3 Својства на материјалот и ориентација

Материјалот на магнетот игра значајна улога во неговата ориентација. Различните магнетни материјали имаат различни нивоа на магнетна сусцептибилност, што е мерка за тоа колку лесно материјалот може да се магнетизира во надворешно поле. Феромагнетните материјали, како што се железото, никелот и кобалтот, имаат висока магнетна сусцептибилност и можат да бидат силно магнетизирани. Тие имаат тенденција полесно да се усогласуваат со надворешно магнетно поле во споредба со парамагнетните материјали, кои имаат слаба позитивна сусцептибилност, и дијамагнетните материјали, кои имаат слаба негативна сусцептибилност и се одбиваат од магнетните полиња.

4. Насока на магнетизација

4.1 Порамнување на магнетните домени

Во магнетен материјал, атомите или молекулите имаат мали магнетни моменти. Овие магнетни моменти се групирани во региони наречени магнетни домени. Во немагнетизиран материјал, магнетните домени се случајно ориентирани, па затоа нивниот нето магнетен ефект се поништува. Кога материјалот е магнетизиран, се применува надворешно магнетно поле, кое предизвикува магнетните домени да се усогласат во насока на полето. Како што се повеќе и повеќе домени се усогласуваат, материјалот станува магнетизиран и се создава нето магнетно поле.

4.2 Методи на магнетизација

4.2.1 Користење на соленоиди

Соленоид е намотка од жица низ која тече електрична струја. Кога струја поминува низ соленоидот, таа создава магнетно поле слично на она на прачкаст магнет. За да се магнетизира материјал со помош на соленоид, материјалот се става во внатрешноста на соленоидот, а еднонасочна струја (DC) се пропушта низ намотката. Магнетното поле генерирано од соленоидот ги усогласува магнетните домени во материјалот, магнетизирајќи го. Насоката на магнетизација зависи од насоката на протокот на струјата во соленоидот. Ако струјата тече во една насока, северниот пол на магнетизираниот материјал ќе биде на едниот крај од соленоидот, а ако струјата е обратна, северниот пол ќе биде на другиот крај.

4.2.2 Постојани магнетни полиња

Друг метод на магнетизација е со користење на перманентен магнет. Силен перманентен магнет се приближува до материјалот што треба да се магнетизира. Магнетното поле на перманентниот магнет предизвикува магнетните домени во материјалот да се усогласат. Овој метод често се користи за задачи на магнетизација од мал обем или едноставни задачи. На пример, за да се магнетизира шрафцигер за да може да собере мали метални завртки, силен перманентен магнет може да се протрие по должината на шрафцигерот во една насока.

4.3 Демагнетизација и ремагнетизација

Демагнетизацијата е процес на намалување или елиминирање на магнетизацијата на материјал. Ова може да се направи со загревање на материјалот над неговата Кириева температура, што е температурата на која феромагнетниот материјал ги губи своите магнетни својства. Друг метод е да се подложи материјалот на наизменично магнетно поле кое постепено се намалува во јачина. Ова предизвикува магнетните домени повторно да се ориентираат случајно. Потоа може да се изврши повторна магнетизација со користење на методите опишани погоре.

5. Апликации

5.1 Електроника

Во електрониката, магнетите се користат во широк спектар на уреди. На пример, кај звучниците, перманентните магнети се користат за создавање магнетно поле кое реагира со намотка што пропушта струја, предизвикувајќи намотката да вибрира и да произведува звук. Кај тврдите дискови, магнетите се користат за складирање на податоци со магнетизирање на мали региони на површината на дискот. Ориентацијата на магнетизацијата во овие региони претставува бинарни податоци (0 и 1).

5.2 Медицина

Магнетната резонанца (МРИ) е техника на медицинско снимање која користи силни магнетни полиња и радио бранови за да генерира детални слики од внатрешноста на телото. Пациентот е сместен во голем магнет, а магнетното поле ги усогласува атомите на водород во телото. Потоа се користат радио бранови за да се наруши ова усогласување, а сигналите што ги емитираат атомите додека се враќаат во нивната првобитна состојба се детектираат и се користат за создавање слики. Магнетите се користат и во магнетната терапија, иако научните докази за нивната ефикасност се уште се предмет на дебата.

5.3 Енергија

Во енергетскиот сектор, магнетите се користат во генератори и мотори. Во генератор, намотка од жица се ротира во магнетно поле, што индуцира електрична струја во намотката. Во електричен мотор, електрична струја поминува низ намотка во магнетно поле, предизвикувајќи намотката да ротира. Перманентните магнети често се користат во овие уреди за да се создадат потребните магнетни полиња.

6. Неодамнешни достигнувања и идни перспективи

6.1 Високо-перформансни магнетни материјали

Неодамнешните истражувања се фокусираа на развој на високо-перформансни магнетни материјали, како што се магнетите од ретки земјени елементи. Овие магнети имаат екстремно високи магнетни својства и се користат во апликации каде што е потребно силно магнетно поле во мал волумен, како што се кај моторите на електричните возила и ветерните турбини. Сепак, снабдувањето со ретки земјени елементи е ограничено и во тек се истражувања за пронаоѓање алтернативни материјали или за подобрување на рециклирањето на ретки земјени магнети.

6.2 Наноскален магнетизам

На наноразмер, магнетните материјали покажуваат уникатни својства. Наночестичките од магнетни материјали можат да се користат во различни апликации, како што се во магнетни уреди за складирање со поголема густина на складирање и во магнетни сензори со подобрена чувствителност. Истражувачите исто така ја истражуваат употребата на наноразмерни магнети во медицински апликации, како што е целна испорака на лекови со користење на магнетни наночестички.

6.3 Спинтроника

Спинтрониката е област во развој која ги комбинира електрониката и магнетизмот. Таа се базира на спинот на електроните, а не само на нивниот полнеж. Спинтронските уреди имаат потенцијал да бидат побрзи, енергетски поефикасни и да имаат поголем капацитет за складирање во споредба со традиционалните електронски уреди. Магнетите играат клучна улога во спинтронските уреди, бидејќи се користат за контрола на спинот на електроните.

7. Заклучок

Ориентацијата на магнетот и насоката на магнетизацијата се фундаментални концепти во областа на магнетизмот. Разбирањето на овие концепти е од суштинско значење за дизајнирањето и работењето на магнетните уреди во различни индустрии. Влијанието на надворешните магнетни полиња, геометриските форми и својствата на материјалите врз ориентацијата на магнетот, како и методите на магнетизација, се темелно истражени. Примените на магнетите во електрониката, медицината и енергетиката ја истакнуваат нивната важност во современото општество. Неодамнешните достигнувања во високо-перформансните магнетни материјали, наноскалниот магнетизам и спинтрониката нудат возбудливи идни перспективи за областа на магнетизмот. Како што продолжуваат истражувањата, можеме да очекуваме да видиме уште поиновативни примени на магнетите во годините што доаѓаат.