Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

21.6: Застосування магнетизму

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    75035

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    навчальні цілі

    • Поясніть, чому магнітне поле використовується в мас-спектрометрах

    Мас-спектрометрія

    Мас-спектрометрія (МС) - це мистецтво відображення спектрів (сингулярний спектр) мас зразка матеріалу. Застосовується для визначення елементного складу зразка, а також властивостей частинок і молекул (хімічних структур молекул, таких як пептиди та інші хімічні сполуки).

    зображення

    Схема мас-спектрометра: Схеми простого мас-спектрометра з аналізатором маси секторного типу. Цей призначений для вимірювання співвідношення ізотопів вуглекислого газу, як у дихальному тесті вуглець-13сечовина.

    Мас-спектрометри, як на схемі, розділяють сполуки на основі властивості, відомої як відношення маси до заряду. Зразок, що підлягає ідентифікації, спочатку іонізується, а потім пропускається через якусь форму магнітного поля. Виходячи з параметрів, таких як скільки часу потрібно молекулі, щоб пройти певну відстань, або величину відхилення, викликаного полем, можна обчислити масу для іона.

    Як це працює

    Спочатку зразок піддається випаровуванню інтенсивним нагріванням. Газоподібні компоненти зразка іонізовані (перетворені в іони) з однаковою кількістю заряду. Потім іони групуються, застосовуючи аналогічну магнітну силу до кожного. Оскільки прискорення заряду залежить від маси і сили заряду, більш легке відношення маси до заряду не проїде настільки далеко, як високе відношення маси до заряду, дозволяючи порівнювати фізичні властивості різних частинок. Групування виявляються за деяким кількісним сигналом від проведеного зондування. Детектор диференціює іони залежно від того, наскільки вони криві в магнітному полі. Сигнал обробляється в спектри (сингулярні спектра) мас частинок цього зразка. Елементи або молекули однозначно ідентифікуються шляхом кореляції відомих мас з ідентифікованими масами.

    Феромагнетизм

    Феромагнетизм - це властивість певних матеріалів, що дозволяє їм утворювати магніти і притягуватися до магнітів.

    навчальні цілі

    • Пов'язати феромагнетизм з електронною конфігурацією

    Феромагнетизм - це основний механізм, за допомогою якого певні матеріали (наприклад, залізо) утворюють постійні магніти або притягуються до магнітів. У фізиці виділяють кілька різних типів магнетизму. Феромагнетизм - найсильніший тип - це єдиний тип, який створює сили, достатньо сильні, щоб їх відчували, і відповідає за загальні явища магнетизму, що зустрічаються в повсякденному житті.

    Коли магніт потрапляє в безпосередню близькість з раніше незамагніченим феромагнітним матеріалом, він викликає локальну намагніченість матеріалу з найближчими несхожими полюсами. Регіони всередині матеріалу (звані доменами) діють як невеликі стрижні магніти. У межах доменів полюси окремих атомів вирівнюються. Кожен атом діє як крихітний стрижневий магніт. Домени невеликі і випадково орієнтовані в незамагніченому феромагнітному об'єкті. У відповідь на зовнішнє магнітне поле домени можуть збільшуватися до міліметрового розміру, вирівнюючись. Ця індукована намагніченість може бути зроблена постійною, якщо матеріал нагрівається, а потім охолоджується, або просто постукується в присутності інших магнітів, як показано в. Постійні магніти (матеріали, які можуть намагнічуватися зовнішнім магнітним полем і залишатися намагніченими після видалення зовнішнього поля) є феромагнітними, як і інші матеріали, які помітно притягуються до них.

    зображення

    Немагнітне до намагніченого заліза: (а) Ненамагнічений шматок заліза (або інший феромагнітний матеріал) має випадково орієнтовані домени. (b) При намагнічуванні зовнішнім полем домени показують більше вирівнювання, а деякі ростуть за рахунок інших. Окремі атоми вирівняні в межах доменів; кожен атом діє як крихітний стрижневий магніт.

    Феромагнетизм виникає з фундаментальної властивості електрона; він також несе заряд, щоб мати дипольний момент. Таким чином, електрон сам поводиться як крихітний магніт. Цей дипольний момент походить від більш фундаментальної властивості електрона - його квантового механічного спіна. Квантова механічна природа цього спіна обмежує електрон лише двома станами: з магнітним полем, спрямованим або «вгору», або «вниз» (при будь-якому виборі вгору і вниз). Коли ці крихітні магнітні диполі вирівнюються в одному напрямку, їх окремі магнітні поля об'єднуються, створюючи вимірюване макроскопічне поле.

    Однак у матеріалах із заповненою електронною оболонкою загальний дипольний момент електронів дорівнює нулю, так як спини знаходяться в парах вгору/вниз. Тільки атоми з частково заповненими оболонками (тобто непарними спинами) можуть мати чистий магнітний момент. Таким чином, феромагнетизм зустрічається лише в матеріалах з частково заповненими оболонками. (Згідно з правилами Гунда, перші кілька електронів в оболонці, як правило, мають однаковий спін, тим самим збільшуючи загальний дипольний момент.)

    Відповідно, тільки певні матеріали (такі як залізо, кобальт, нікель і гадоліній) виявляють сильні магнітні ефекти. Такі матеріали називаються феромагнітними, після латинського слова, що позначає залізо, феррум. Група матеріалів, виготовлених зі сплавів рідкоземельних елементів, також використовується в якості міцних і постійних магнітів (популярним є неодим). Інші матеріали виявляють слабкі магнітні ефекти, виявляються лише за допомогою чутливих приладів. Феромагнітні матеріали не тільки сильно реагують на магніти (так, як залізо притягується до магнітів), вони також можуть бути намагнічені самі - тобто їх можна спонукати бути магнітними або перетворюватися на постійні магніти.

    Феромагнетизм дуже важливий у промисловості та сучасних технологіях, і є основою для багатьох електричних та електромеханічних пристроїв, таких як: електромагніти, електродвигуни, генератори, трансформатори та магнітні накопичувачі (наприклад, магнітофони та жорсткі диски).

    зображення

    Магніти на холодильник: Різні магніти, прикріплені до дверей холодильника.

    Парамагнетизм і діамагнетизм

    Парамагнетизм - це тяжіння матеріалу, перебуваючи в магнітному полі, а діамагнетизм - це відштовхування магнітних полів.

    навчальні цілі

    • Охарактеризуйте властивості діамагнітних і парамагнітних матеріалів

    Парамагнетизм

    Парамагнетизм - це форма магнетизму, за допомогою якої парамагнітний матеріал притягується лише тоді, коли він знаходиться в присутності зовнішнього застосування магнітного поля. Парамагнітні матеріали мають відносну магнітну проникність, більшу або рівну одиниці (тобто позитивну магнітну сприйнятливість) і, отже, притягуються до магнітних полів. Магнітний момент, індукований прикладеним полем, лінійний за напруженістю поля; він також досить слабкий.

    Складові атоми або молекули парамагнітних матеріалів мають постійні магнітні моменти (диполі) навіть при відсутності прикладного поля. Як правило, постійний момент викликаний спіном непарних електронів на атомних або молекулярних електронних орбіталах. При чистому парамагнетизмі диполі не взаємодіють один з одним і випадково орієнтовані за відсутності зовнішнього поля внаслідок теплового збудження; це призводить до нульового чистого магнітного моменту. Коли застосовується магнітне поле, диполі мають тенденцію вирівнюватися з прикладеною полем, що призводить до чистого магнітного моменту у напрямку прикладеного поля.

    Парамагнітні матеріали мають невелику позитивну сприйнятливість до магнітних полів. Ці матеріали трохи притягуються магнітним полем, і матеріал не зберігає магнітних властивостей при видаленні зовнішнього поля, як показано в. Парамагнітні властивості обумовлені наявністю деяких непарних електронів, і від перестановки електронних шляхів, викликаних зовнішнім магнітним полем.

    зображення

    Парамагнітні матеріали та електричні поля: Орієнтація в парамагнітному матеріалі при застосуванні електричного поля (зображення праворуч) та видаляється (зображення зліва).

    Парамагнітні матеріали включають магній, молібден, літій і тантал. На відміну від феромагнетиків, парамагнетики не зберігають ніякої намагніченості при відсутності зовнішнього застосування магнітного поля, оскільки тепловий рух рандомізує спинові орієнтації, відповідальні за магнетизм. Деякі парамагнітні матеріали зберігають розлад спина при абсолютному нулі (тобто вони є парамагнітними в основному стані). Таким чином, загальна намагніченість падає до нуля при видаленні прикладеного поля. Навіть при наявності поля є лише невелика індукована намагніченість, оскільки лише мала частка спінів буде орієнтована полем.

    Діамагнетизм

    Діамагнетизм - це властивість предмета або матеріалу, що змушує його створювати магнітне поле на противагу зовнішньо застосованому магнітному полю. Таким чином, на відміну від парамагнітів, діамагніти відштовхуються магнітними полями, що може призвести до його незвичайних ефектів, таких як левітація діамагнітного матеріалу при розташуванні над потужним магнітом (як показано в).

    зображення

    Левітуючий вуглець: піролітичний вуглець левітуючий над постійними магнітами

    Діамагнетизм, в більшій чи меншій мірі, є властивістю всіх матеріалів і він завжди вносить слабкий внесок у реакцію матеріалу на магнітне поле. Однак для матеріалів, які демонструють якусь іншу форму магнетизму (наприклад, феромагнетизм або парамагнетизм), діамагнітний внесок стає незначним. Крім того, всі провідники проявляють ефективний діамагнетизм, коли відчувають мінливе магнітне поле. Наприклад, сила Лоренца на електрони змушує їх циркулювати навколо утворення вихрових струмів. Потім вихрові струми виробляють індуковане магнітне поле навпроти прикладеного поля, чинивши опір руху провідника.

    Соленоїди, шлейфи струму та електромагніти

    Соленоїди - це петлі дроту навколо металевого сердечника і можуть бути використані для створення керованих магнітних полів.

    навчальні цілі

    • Поясніть, чому соленоїди важливі і їх будова

    Соленоїди

    Соленоїд - це котушка, намотана в щільно упаковану спіраль. У фізиці термін соленоїд відноситься до довгої тонкої петлі дроту, часто обмотаної навколо металевого сердечника; він виробляє магнітне поле, коли через нього пропускається електричний струм. Соленоїди важливі, оскільки вони можуть створювати керовані магнітні поля і можуть використовуватися як електромагніти. Термін соленоїд відноситься конкретно до котушки, призначеної для створення рівномірного магнітного поля в об'ємі простору (в якому може бути проведений певний експеримент).

    Електромагніти та струмові петлі

    На початку 19 століття було виявлено, що електричні струми викликають магнітні ефекти. Перше значне спостереження зробив данський вчений Ганс Крістіан Ерстед (1777—1851), який виявив, що стрілка компаса відхилена струмоведучим проводом. Це стало першим вагомим свідченням того, що рух зарядів мало якийсь зв'язок з магнітами. Електромагнетизм - це використання електричного струму для виготовлення магнітів. Ці тимчасово індуковані магніти називаються електромагнітами. Електромагніти використовуються для багатьох застосувань: від аварійного двору крана, який піднімає зламані автомобілі, до управління променем прискорювача частинок 90-км окружності, до магнітів у медичних апаратах візуалізації (для інших прикладів див.).

    зображення

    Використання електромагнітів: Електромагніт індукує області постійного магнетизму на дискеті, покритому феромагнітним матеріалом. Інформація, що зберігається тут, є цифровою (область або магнітна, або ні); в інших додатках вона може бути аналоговою (з різною силою), наприклад, на аудіокасетах.

    Поєднання феромагнетика з електромагнітом може виробляти особливо сильні магнітні ефекти. Всякий раз, коли потрібні сильні магнітні ефекти (наприклад, підйом металобрухту або в прискорювачах частинок) електромагніти посилюються феромагнітними матеріалами.

    Електромагніт створює магнетизм електричним струмом. У наступних розділах ми досліджуємо це більш кількісно, знаходячи силу та напрямок магнітних полів, створених різними струмами. Струми, в тому числі пов'язані з іншими субмікроскопічними частинками, такими як протони, дозволяють пояснити феромагнетизм і всі інші магнітні ефекти. Наприклад, феромагнетизм є результатом внутрішнього кооперативного вирівнювання електронних спінів, можливо в одних матеріалах, але не в інших.

    Ключові моменти

    • Випаровуючи матеріал на іони, мас-спектрометри можуть сказати, які елементи складають цей матеріал.
    • Коли магнітне поле застосовується до іонів, вони відхиляються або прискорюють різні кількості залежно від їх співвідношення електричного заряду до маси.
    • Спостерігаючи, наскільки відхиляються іони, мас-спектрометр може визначити відношення заряду до маси кожного іона і, таким чином, який елемент він є.
    • Феромагнетизм - це основний механізм, за допомогою якого певні матеріали (наприклад, залізо) утворюють постійні магніти або притягуються до магнітів.
    • Коли феромагнітний матеріал наближається до магніту, полюси окремих атомів матеріалу вирівнюються по лініях магнітного поля. Якщо зробити постійним, таке вирівнювання може створити постійний магніт.
    • Феромагнетизм зустрічається лише в матеріалах з частково заповненими електронними оболонками.
    • Парамагніти діють як магніти, перебуваючи в присутності зовнішнього застосування магнітного поля.
    • Діамагніти створюють магнітне поле на противагу зовнішньо застосованому магнітному полю. Таким чином, вони відштовхують магніти.
    • Діамагнетизм є властивістю всіх матеріалів і завжди вносить слабкий внесок у реакцію матеріалу на магнітне поле. Однак для матеріалів, що демонструють феромагнетизм або парамагнетизм, діамагнітний внесок стає незначним.
    • Петлі дроту в магнітному полі створюють струм.
    • Електромагнетизм - це використання електричного струму для виготовлення магнітів. Електромагніти - це тимчасові магніти, які зберігають свої магнітні властивості лише тоді, коли через них проходить струм.
    • Соленоїди та електромагніти мають багато застосувань у фізиці та техніці, оскільки вони дозволяють контролювати магнітні поля.

    Ключові умови

    • електричний заряд: Квантове число, яке визначає електромагнітні взаємодії деяких субатомних частинок; за умовністю електрон має електричний заряд -1 і протон +1, а кварки мають дробовий заряд.
    • маса: кількість речовини, яку містить тіло, незалежно від її об'єму або об'єму. Це одне з чотирьох основних властивостей речовини. Вимірюється в кілограмах в системі вимірювання СІ.
    • магнітне поле: умова в просторі навколо магніту або електричного струму, в якому є виявлена магнітна сила, і де присутні два магнітних полюса.
    • спін: квантовий момент моменту, пов'язаний з субатомними частинками; він також створює магнітний момент.
    • дипольний момент: векторний добуток заряду на будь-якому полюсі диполя та відстань, що розділяє їх.
    • електронна оболонка: Колективні стани всіх електронів в атомі, що мають однакове основне квантове число (візуалізується як орбіта, по якій рухаються електрони).
    • феромагнетизм: явище, за допомогою якого певні речовини можуть стати постійними магнітами при впливі магнітного поля.
    • парамагнетизм: Тенденція магнітних диполів вирівнюватися із зовнішнім магнітним полем; матеріали, які демонструють цю тенденцію, стають тимчасовими магнітами.
    • діамагнетизм: слабка форма магнетизму, яка спостерігається лише при наявності зовнішнього магнітного поля; за рахунок індукованого магнітного поля в протилежному напрямку.
    • феромагнітні: з матеріалу, такого як залізо або нікель, який легко намагнічується.
    • магнітне поле: умова в просторі навколо магніту або електричного струму, в якому є виявлена магнітна сила, і де присутні два магнітних полюса.

    ЛІЦЕНЗІЇ ТА АВТОРСТВА

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ КОНТЕНТ, РАНІШЕ ДІЛИВСЯ

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ ВМІСТ, СПЕЦИФІЧНА АТРИБУЦІЯ