Propriétés magnétiques du magnétisme des matériaux, utilisations

Il magnétisme o L'énergie magnétique est une force de nature associée au mouvement des charges électriques et capable de produire une attraction ou une répulsion dans certaines substances. Les aimants sont des sources de magnétisme bien connues.

À l'intérieur, ces interactions sont produites qui se traduisent par la présence de champs magnétiques, qui exercent leur influence sur de petits morceaux de fer ou de nickel, par exemple.

Les belles couleurs des lumières du Nord sont dues au fait que les particules cosmiques émettent de l'énergie lorsqu'ils sont détournés par le champ magnétique de la Terre. Source: Pixabay.

Le champ magnétique d'un aimant devient visible lorsqu'il est placé sous un papier sur lequel les fichiers en fer sont répartis. Les limites sont immédiatement orientées le long des lignes de champ, créant une image de ceci en deux dimensions.

Une autre source bien connue est les fils qui transportent le courant électrique; Mais contrairement aux aimants permanents, le magnétisme disparaît lorsque le courant cesse.

Chaque fois qu'un champ magnétique se produit quelque part, un agent devait travailler. L'énergie investie dans ce processus est stockée dans le champ magnétique créé et peut ensuite être considéré comme une énergie magnétique.

Le calcul de la quantité d'énergie magnétique stockée sur le terrain dépend de cette géométrie et de la géométrie de l'appareil ou de la région où elle a été créée.

Inducteur.

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Histoire et découverte

Anciennes applications

Les légendes racontées par Pliny sur la Grèce antique parlent de magnins pasteur, qui il y a plus de 2000 ans ont trouvé un mystérieux minéral capable d'attirer des morceaux de fer, mais pas d'autres matériaux. C'était la magnétite, un oxyde de fer avec de fortes propriétés magnétiques.

La raison de l'attraction magnétique est restée cachée pendant des centaines d'années. Dans le meilleur des cas, il a été attribué aux faits surnaturels. Bien que ce ne soit pas pour cette raison, ils ont cessé de trouver des applications intéressantes pour cela, comme la boussole.

La boussole inventée par les Chinois utilise le magnétisme de la terre elle-même afin que l'utilisateur soit orienté pendant la navigation.

Premières études scientifiques

L'étude des phénomènes magnétiques a eu une grande avancée grâce à William Gilbert (1544 - 1603). Ce scientifique anglais de l'ère élisabéthaine a étudié le champ magnétique d'un aimant sphérique et a conclu que la Terre devrait avoir son propre champ magnétique.

D'après son étude des aimants, il a également remarqué qu'il ne pouvait pas obtenir de pôles magnétiques séparés. Lorsqu'un aimant est sectionné en deux, les nouveaux aimants ont également les deux pôles.

Cependant, c'était au début du 19e siècle que les scientifiques ont remarqué l'existence de la relation entre le courant électrique et le magnétisme.

Hans Christian Oersted (1777-1851), né au Danemark, avait en 1820 la survenue d'un courant électrique à travers un conducteur et d'observer l'effet qui avait sur une boussole. La boussole a été détournée, et lorsque le courant a cessé de couler, la boussole a de nouveau pointé comme toujours vers le nord.

Ce phénomène peut être vérifié en apportant la boussole à l'un des câbles qui quittent la batterie de la voiture, tandis que le début est activé.

Au moment de fermer le circuit, l'aiguille doit ressentir une déviation observable, car les batteries des voitures peuvent fournir des courants suffisamment élevés pour que la boussole s'évale.

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De cette façon, il était clair que les charges de déménagement sont celles qui donnent naissance au magnétisme.

Recherche moderne

Quelques années après les expériences d'Oersted, le chercheur britannique Michael Faraday (1791 - 1867) a marqué une autre étape lors de la découverte que les champs magnétiques variables donnent à leur tour des courants électriques.

Les deux phénomènes, électriques et magnétiques, sont étroitement liés les uns aux autres, étant que chacun peut conduire à l'autre. Les unificateurs ont été commandés par le disciple de Faraday, James Clerk Maxwell (1831 - 1879), dans les équations qui portent son nom.

Ces équations contiennent et résument la théorie électromagnétique et sont toujours valables dans la physique relativiste.

Propriétés magnétiques des matériaux

Pourquoi certains matériaux présentent-ils des propriétés magnétiques ou acquérir facilement le magnétisme? Nous savons que le champ magnétique est dû à des charges mobiles, donc à l'intérieur de l'aimant, il doit y avoir des courants électriques invisibles qui donnent naissance au magnétisme.

Toute la matière contient des électrons en orbite autour du noyau atomique. L'électron peut être comparé à la Terre, qui a un mouvement de traduction autour du soleil et également une rotation sur son propre axe.

La physique classique attribue des mouvements similaires à l'électron, bien que l'analogie ne soit pas entièrement exacte. Cependant, le fait est que les deux propriétés de l'électron le font se comporter comme une minuscule spira qui crée un champ magnétique.

La propriété qui contribue le plus contribue au champ magnétique de l'atome est l'électron. Dans les atomes avec de nombreux électrons, ceux-ci sont regroupés en paires et avec des épines opposées. Ainsi, ses champs magnétiques sont annulés les uns avec les autres. C'est ce qui se passe dans la plupart des matériaux.

Cependant, il y a des minéraux et des composés dans lesquels un électron a disparu. De cette façon, le champ magnétique net n'est pas vide. Cela crée un Moment magnétique, Un vecteur dont l'ampleur est le produit du courant par la zone du circuit.

Les moments magnétiques contigus interagissent les uns avec les autres et forment des régions appelées Domaines magnétiques, dans lequel de nombreux tours sont alignés dans la même direction. Le champ magnétique résultant est très intense.

Ferromagnétisme, paramagnétisme et diamagnétisme

Les matériaux qui ont cette qualité sont appelés Ferromagnétique. Il y en a quelques-uns: fer, nickel, cobalt, gadolinio et quelques alliages d'entre eux.

Le reste des éléments du tableau périodique n'a pas ces effets magnétiques prononcés. Tomber dans la catégorie de paramagnétique soit diamagnétique.

En fait, le diamagnétisme est une propriété de tous les matériaux, qui connaissent une légère répulsion en présence d'un champ magnétique externe. Le bismuth est l'élément avec le diamagnétisme le plus accentué.

Pour sa part, le paramagnétisme se compose d'une réponse magnétique moins intense que le ferromagnétisme mais tout aussi l'attraction. Les substances paramagnétiques sont par exemple en aluminium, l'air et certains oxydes de fer tels que Goetita.

Utilisations de l'énergie magnétique

Le magnétisme fait partie des forces fondamentales de la nature. Comme les êtres humains en font également partie, ils sont adaptés à l'existence de phénomènes magnétiques, ainsi qu'au reste de la vie sur la planète. Par exemple, certains animaux utilisent le champ magnétique de la Terre pour guider géographiquement.

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En fait, on pense que les oiseaux effectuent leurs longues migrations grâce au fait que dans leur cerveau, ils ont une sorte de boussole organique qui leur permet de percevoir et d'utiliser le champ géomagnétique.

Alors que les humains n'ont pas de boussole comme celui-ci, ils ont plutôt la capacité de modifier l'environnement de bien plus de façons que le reste du règne animal. Ainsi, les membres de notre espèce ont utilisé le magnétisme pour leur bénéfice du même moment où le premier pasteur grec a découvert la pierre.

Quelques applications d'énergie magnétique

Depuis lors, il existe de nombreuses applications de magnétisme. Voici quelques-uns:

- La boussole déjà mentionnée, qui utilise le champ géomagnétique de la Terre à Guider Guide.

- Anciens téléviseurs, ordinateurs et oscilloscopes, basés sur le tube à rayons cathodiques, qui utilise des bobines qui génèrent des champs magnétiques. Ceux-ci sont responsables de détourner le faisceau d'électrons pour avoir un impact sur certains endroits sur l'écran, formant ainsi l'image.

- Spectromètres de masse, utilisés pour étudier divers types de molécules et avec de nombreuses applications en biochimie, criminologie, anthropologie, histoire et autres disciplines. Ils utilisent des champs électriques et magnétiques pour détourner les particules chargées dans des trajectoires qui dépendent de leur vitesse.

- La propulsion magnétohydrodynamique, dans laquelle une force magnétique favorise un jet d'eau de mer (bon conducteur), de sorte que par la troisième loi de Newton, un véhicule ou un bateau reçoit une impulsion en avant.

- Résonance magnétique, une méthode non invasive pour obtenir des images à l'intérieur du corps humain. Fondamentalement, il utilise un champ magnétique très intense et la réponse des noyaux d'hydrogène (protons) présents dans les tissus est analysée, qui ont la propriété susmentionnée du spin.

Ces applications sont déjà établies, mais à l'avenir, on pense que le magnétisme peut également lutter contre les maladies telles que le cancer du sein, par le biais de techniques hypertermic, qui produisent une chaleur magnétiquement.

L'idée est d'injecter directement la magnétite fluide à la tumeur. Grâce à la chaleur produite par des courants induits magnétiquement, les particules de fer chaufferaient suffisamment pour détruire les cellules malignes.

Avantages et inconvénients

Lorsque vous réfléchissez à l'utilisation d'un certain type d'énergie, sa conversion est requise dans un certain type de mouvement comme celle d'une turbine, d'un ascenseur ou d'un véhicule, par exemple; ou qu'il est transformé en énergie électrique qui tourne sur un appareil: télévision, télévision, guichets automatiques et des choses comme ça.

L'énergie est une magnitude avec de multiples manifestations qui peuvent être modifiées à bien des égards. L'énergie d'un petit aimant peut-elle se déplacer plus que quelques pièces en continu?

Pour être utilisable, l'énergie doit avoir une grande portée et procéder avec une source très abondante.

Énergies primaires et secondaires

Dans la nature sont de telles énergies, à partir desquelles les autres types sont produits. Ils sont connus sous le nom d'énergies primaires:

- Énergie solaire.

- Énergie atomique.

- Énergie géothermique.

- Énergie éolienne.

- Énergie biomasse.

- Énergie fossile et minéral.

Les énergies secondaires, comme l'électricité et la chaleur, se produisent à partir de ces. Où est l'énergie magnétique ici?

L'électricité et le magnétisme ne sont pas deux phénomènes distincts. En fait, les deux United sont connus sous le nom de phénomènes électromagnétiques. À condition qu'il y ait l'un d'eux existera l'autre.

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Là où il y a de l'électricité, il y aura une énergie magnétique d'une manière ou d'une autre. Mais c'est une énergie secondaire, qui nécessite la transformation préalable de certaines des énergies primaires.

Caractéristiques des énergies primaires et secondaires

Les avantages ou les inconvénients de l'utilisation d'une sorte d'énergie sont établis selon de nombreux critères. Parmi eux, il y a à quel point leur production est facile et bon marché, et aussi à quel point il est capable d'influencer négativement le processus dans l'environnement et les gens.

Quelque chose d'important à prendre en compte est que les énergies sont transformées plusieurs fois avant de pouvoir être utilisées.

Combien de transformations devraient se produire pour fabriquer l'aimant avec lequel la liste de courses quittera la porte du réfrigérateur? Combien pour construire une voiture électrique? Sûrement.

Et la propreté de l'énergie magnétique ou électromagnétique? Il y a ceux qui croient qu'une exposition constante aux champs électromagnétiques d'origine humaine provoque des problèmes de santé et d'environnement.

Il existe actuellement de nombreuses voies de recherche dédiées à l'étude de l'influence de ces domaines sur la santé et l'environnement, mais selon des organisations internationales prestigieuses, il n'y a aucune preuve concluante qu'ils sont nocifs.

Exemples d'énergie magnétique

Un appareil qui sert à contenir de l'énergie magnétique est connu sous le nom d'inducteur. Il s'agit d'une bobine qui est formée en roulant du fil de cuivre avec un nombre suffisant de virages, et est utile dans de nombreux circuits pour restreindre le courant et l'empêcher de changer fortement.

Bobine de cuivre. Source: Pixabay.

En circulant un courant à travers les virages d'une bobine, un champ magnétique est créé à l'intérieur.

Si le courant change, les lignes de champ magnétique aussi. Ces changements induisent un courant qui s'oppose à eux, selon la loi d'initiation de Faraday-Lenz.

Lorsque le courant augmente ou diminue soudainement, la bobine s'y oppose, il peut donc avoir des effets protecteurs sur le circuit.

L'énergie magnétique d'une bobine

Dans le champ magnétique créé dans le volume délimité par les virages de la bobine, l'énergie magnétique est stockée, qui sera désignée comme OU_B Et cela dépend de:

- L'intensité du champ magnétique B.

- La zone de la section transversale de la bobine POUR.

- La longueur de la bobine l.

- Perméabilité sous vide μ_soit.

Il est calculé comme suit:

Le produit POUR.l Il équivaut au volume verrouillé par la bobine.

Cette équation est valable dans n'importe quelle région de l'espace où il y a un champ magnétique. Si le volume est connu V de cette région, sa perméabilité et l'intensité du champ, il est possible de calculer la quantité d'énergie magnétique.

Exercice résolu

Le champ magnétique à l'intérieur d'une bobine pleine d'air de 2.0 cm de diamètre et 26 cm de long mesure 0.70 T. Combien d'énergie est stockée dans ce domaine?

Données: la perméabilité du vide est μ_soit = 4π . dix^-7 T.M / A

Solution

Les valeurs numériques sont remplacées dans l'équation précédente, en prenant soin de convertir les valeurs en unités système internationales.

Les références

1. Giancoli, D.  2006. Physique: principes avec applications. Sixième édition. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, J.D. 2011. Physique 12. Pearson. 135-146.