Veci de exemple de magnetism

Magnetismul există în două forme, există în obiecte și în aer. Atunci când magnetismul este observat în obiecte, el este reprezentat de un grup de lucruri numite „dipoli” și este denumit prin litera „m”. Când magnetismul este observat în aer, se numește pur și simplu „un câmp aplicat” și este denumit prin litera „h”.

Un dipol este o unitate mică de magnetizare care constă dintr-o intensitate și o direcție. Dipolul 1 (a se vedea figura 1) are o anumită intensitate (desemnată prin aria cercului) și o direcție asemănătoare cu cea de la ora unu. Dipolul 2 (a se vedea figura 2) are o intensitate să fie de două ori mai mare decât cea a dipolului 1, iar direcția sa este similară cu ora nouă. Un obiect magnetic prezintă o magnetizare totală (m) care depinde de combinația tuturor dipolilor din cadrul obiectului.

Figura 1- Dipolul 1

Figura 2 -Dipolul 2

Un câmp aplicat există, în general, din cauza unuia dintre următoarele două motive. Motivul nr. 1 – magnetizarea globală a unui obiect este formată în așa fel încât trimite o parte din forța sa în aerul înconjurător. Motivul nr. 2 – electricitatea care trece printr-un fir generează un câmp aplicat. Este important de reținut că ambele forme ale unui câmp aplicat pot coexista; fie în mod cooperant, fie în mod necooperant . Ca și în cazul dipolului, un câmp aplicat are o intensitate și o direcție. Câmpul aplicat 1 (a se vedea figura 3) are o intensitate desemnată de lungimea săgeții sale și o direcție similară cu cea de la ora trei. Câmpul aplicat 2 (a se vedea figura 4) are o intensitate desemnată ca fiind jumătate din cea a câmpului aplicat 1 și o direcție similară cu cea de la ora șase.

Figura 3 – Câmpul aplicat 1

Figura 4- Câmpul aplicat 2

Cărui grup de dipoli reprezentați în figura 5a și figura 5b îi corespund câteva scenarii sau situații magnetice diferite. Dacă se consideră că fiecare dintre aceste situații poate exista în orice obiect magnetic, atunci anumite combinații de grupuri de dipoli pot fi utilizate pentru a defini cele două tipuri de bază de obiecte magnetice: un obiect dur și un obiect moale.

Figura 5a- Grup de dipoli reprezentând un obiect dur

Un obiect dur este unul care ar fi cel mai bine descris ca având un comportament asociat cu o secvență de evenimente corespunzătoare mai întâi lui „A”, apoi lui ‘ B’ și apoi lui „C”. ‘A’ descrie un grup de dipoli dintr-un obiect în care nu este prezent niciun câmp aplicat; fiecare dipol este orientat într-o poziție unică. „B” descrie un grup de dipoli într-un obiect în care este prezent un câmp aplicat; fiecare dipol este orientat în funcție de câmpul aplicat, la ora trei. „C” descrie un grup de dipoli într-un obiect, în care câmpul aplicat din „B” tocmai a fost eliminat; vă rugăm să observați că unii dintre dipoli nu au revenit la pozițiile lor inițiale din „A”, ci au luat o nouă poziție unică.

Figura 5b- Grup de dipoli reprezentând un obiect moale

Un obiect moale ar fi cel mai bine descris dacă comportamentul său ar fi asociat cu o secvență de evenimente corespunzătoare mai întâi lui ‘A’ și apoi lui ‘B’ și în final lui ‘D’. ‘A’ descrie un grup de dipoli dintr-un obiect, în care nu este prezent niciun câmp aplicat; fiecare dipol este orientat într-o poziție unică. „B” descrie un grup de dipoli într-un obiect, în care este prezent un câmp aplicat; fiecare dipol este orientat în raport cu câmpul aplicat similar cu ora trei. ‘D’ descrie un grup de dipoli într-un obiect, în care câmpul aplicat din ‘B’ tocmai a fost eliminat; vă rugăm să observați că toți dipolii au revenit la pozițiile inițiale din ‘A’.

Câmpul aplicat a schimbat natura atât a obiectelor dure, cât și a celor moi. Obiectul dur a păstrat unele dintre noile caracteristici create de câmpul aplicat, în timp ce obiectul moale nu a păstrat niciuna dintre noile caracteristici create de câmpul aplicat. Aceste comportamente definesc diferența esențială dintre obiectele dure și moi și, de asemenea, stabilește în mod clar ce obiect ar trebui folosit pentru a realiza exemplele de magnetism la lucru.

Legile fizicii cer ca toată materia să existe în cea mai mică stare de energie posibilă. Aceasta înseamnă că, pe măsură ce condițiile de mediu se schimbă, materia se va adapta pentru a rămâne în cea mai joasă stare energetică posibilă. Un obiect magnetic poate experimenta mii de situații de mediu în care o schimbare a câmpului aplicat implică o nouă situație de mediu.

Există două tipuri principale de obiecte dure. Primul tip de obiecte dure se numesc magneți permanenți, iar al doilea tip se numesc medii de înregistrare. Ambele tipuri de obiecte dure au în comun capacitatea de a stoca (sau reține) energie, deși fiecare stochează această energie într-un mod diferit.

Amagneții permanenți sunt obiecte construite cu un grup special de minerale combinate. Aceste minerale, odată unite, nu prezintă în general magnetism până când magnetul nu este încărcat prin procesul descris mai sus. Întregul obiect prezintă același caracter în cooperare și obiectul este utilizat un dispozitiv de stocare a energiei.

Mediile de înregistrare sunt obiecte construite cu un grup diferit de minerale special combinate. Deși diferite, aceste obiecte nu prezintă, în general, nici un magnetism până când nu trec și ele printr-o secvență de evenimente similare cu procesul descris mai sus. Diferența în acest caz constă în faptul că câmpul aplicat este utilizat; acesta furnizează o cantitate concentrată de energie unei porțiuni localizate foarte mici a obiectului. Acest lucru face posibilă stocarea energiei în diferite locații de pe obiect. De fapt, este posibilă stocarea energiei în modele proiectate pe obiect; ceea ce corespunde direct cu informațiile pe care un individ încearcă să le arhiveze pe suportul de înregistrare.

În principiu, există un singur tip de obiect moale. Pentru aceste obiecte se folosesc și minerale special combinate; deși, așa cum am menționat mai devreme, aceste obiecte nu rețin nicio energie. Cu toate acestea, ele sunt foarte utile, deoarece au capacitatea de a organiza și, uneori, de a amplifica energia unui câmp aplicat, atunci când acesta este prezent.

Energia asociată în mod obișnuit cu magnetismul este destul de utilă pentru a crea cantități mari de forțe atât atractive, cât și repulsive. Următoarele diagrame sunt utile pentru a descrie diferențele dintre cele două tipuri de forțe, precum și situațiile necesare pentru ca schimbările de direcție să rezulte. Repulsia este desemnată prin litera „R” (a se vedea figura 6), iar atracția prin litera „A” ( a se vedea figura 7). Forțele care rezultă în ambele cazuri sunt un rezultat direct al încercărilor dipolilor de a-și reduce energiile la cea mai mică stare posibilă. De obicei, acest lucru necesită un anumit tip de mișcare; fie atracție, fie repulsie. În cazul în care unul dintre dipolii de interacțiune este fixat pe loc, atunci dipolul care este liber de constrângere va fi singurul care se va mișca.

Figura 6- Repulsie între dipoli

Figura 7- Atracție între dipoli

Acum să trecem la exemple …

1. Magneții de frigider – ilustrații & mesaje :

Un magnet de frigider este un obiect dur și, mai precis, un magnet permanent. Atunci când acest magnet este ținut în mână, el s-a adaptat la situația sa actuală și se află în cea mai joasă stare energetică posibilă. Dacă acum mutați acest magnet spre ușa frigiderului (care este un obiect moale), i-ați oferit magnetului o nouă condiție sau situație de mediu. Magnetul se va adapta pentru a ajunge la noua stare de energie cea mai joasă posibilă. Mai exact, va face acest lucru trimițând o parte din energia sa în ușa frigiderului, care o va absorbi. Acest proces de minimizare a energiei ilustrează ceea ce a fost descris mai sus drept atracție; magnetul de refrigerare va fi atras de ușa frigiderului. Se poate profita de această forță de atracție și se poate folosi magnetul pentru a ține opere de artă sau mesaje pe ușă; va exista totuși o limită a greutății pe care magnetul o poate suporta.

2. Magneții de frigider – pentru a etanșa și închide ușile :

Fabricanții de frigidere folosesc cunoștințele descrise mai sus nu numai pentru a închide ușa atunci când se apropie rezonabil de rama frigiderului, ci și pentru a trage ușa, care are o garnitură cu magnet permanent de-a lungul marginii interioare, foarte strâns de rama frigiderului. Acest lucru realizează două lucruri; permite proprietarului libertatea de a nu trânti ușa la închidere și asigură o etanșare termică extrem de eficientă.

3. Dispozitive de fixare în atelierul de mașini metalice :

Într-un atelier de mașini este extrem de important ca piesele de metal să fie ținute ferm în poziție. Dacă se reușește acest lucru, accidentele și greșelile sunt mai puțin frecvente și mai puțin dăunătoare. Utilizând aceleași cunoștințe de mai sus, este posibil să se producă forțe de atracție care sunt suficient de mari pentru a face două lucruri. În primul rând, forțele de atracție sunt suficiente pentru a menține o bucată de metal mai grea decât magnetul propriu-zis și, în al doilea rând, forțele de atracție sunt capabile să reziste la forțele suplimentare create de diferitele operațiuni ale mașinii. O cerință a acestor forțe de atracție este ca ele să poată fi activate și dezactivate la cerere. Acest lucru necesită o deviere inteligentă a energiei magnetului de la metalul reținut.

4. Ridicarea de fier vechi și de oțelărie :

Într-un depozit de fier vechi sau într-o oțelărie, este necesar să se ridice și să se mute cantități mari de metal. Deoarece metalul este în mare parte oțel, acesta este un obiect moale. Cu ajutorul cunoștințelor menționate anterior, se folosește magnetismul pentru a îndeplini această sarcină. O macara foarte mare care folosește fie un electromagnet, fie un ansamblu de obiecte magnetice dure la capătul cablului său, este capabilă să ridice, să relocalizeze și să elibereze piesele de oțel.

5. Separarea materialelor :

Minele de diferite tipuri folosesc magnetismul pentru a separa materialele care sunt colectate. Forțele de atracție, similare cu cele descrise anterior, sunt plasate în apropierea unui transportor care transportă materialele extrase. Pe măsură ce obiectele magnetice moi se deplasează pe lângă ansamblul magnetic, ele sunt îndepărtate de transportorul care conține materialul dorit și sunt deviate către zona de colectare. Sunt disponibile diferite grade de sofisticare care permit minerului să fie destul de selectiv în colectarea și separarea materialelor.

6. Crearea de izotopi de radiații :

Multe forme de cercetare medicală utilizează radiații sub formă de izotopi. Acești izotopi sunt folosiți pentru a izola și observa diferite forme de probleme medicale; diabetul, cancerul și SIDA sunt doar câteva exemple. Cei mai mulți dintre acești izotopi sunt fabricați; ei nu sunt abundenți în formele lor naturale. Cunoștințele prezentate mai sus sunt de fapt folosite pentru a produce acești izotopi. Un dispozitiv numit acceleratorfurnizează unui element ( cum ar fi fosforul) o cantitate enormă de energie, determinând elementul să își schimbe starea și să emită radiații pentru a-și minimiza energia.

7. Cercetări de fizică pură :

Experimentele de fizică subatomică utilizează magnetismul pentru a crea și observa cele mai mici structuri ale materiei. Forțele de atracție și repulsie sunt generate de magnetism în camere cu mediu controlat. Sunt prezise răspunsuri pentru anumite structuri ale materiei în circumstanțe controlate. Observarea răspunsurilor reale clarifică sau infirmă predicțiile. Acest lucru permite societății să înțeleagă mai clar din ce constă materia și ne echipează mai bine pentru a rezolva problemele viitoare.

8. Motoare – automobile, mașini de tuns iarba, mașini de tuns iarba, mixere de bucătărie :

Fabricanții de motoare utilizează aceleași cunoștințe de mai sus pentru a produce rotația în motoarele lor. Un motor este împărțit în mai multe zone în formă de pană. Semnalele electrice sincronizate generează mici forțe de atracție care rotesc motorul de la o regiune de pană la alta. Viteza motorului este direct legată de viteza cu care se repetă semnalele electrice.

9. Incontinența-înlocuirea valvei vezicale :

Din păcate, unele persoane suferă de o incapacitate de a urina la cerere; aceasta este o formă de incontinență. În efortul de a ajuta aceste persoane, au fost dezvoltate valve vezicale artificiale. Aceste valve sunt implantate chirurgical în interiorul individului. Supapa conține un fluid care conține cantități de un obiect moale dispersate uniform în fluid. Un magnet permanent care produce o forță de atracție este apoi utilizat pentru a mișca supapa și a deschide tractul urinar.

10. Proteze dentare :

O nouă formă de aderență a protezelor dentare utilizează cunoștințele de mai sus. Bucăți mici de magnet permanent sunt implantate chirurgical în gingiile unui individ, iar bucăți de obiecte moi sunt plasate în porțiuni selectate ale protezei. Când proteza este apoi pusă la locul ei, aderența rezultă din atracție.

11. Levitația trenurilor :

Repulsia magnetică este folosită pentru a face să leviteze trenurile. Un set de dipoli foarte puternici (Trenul) resimte o forță de respingere din partea unui alt set de dipoli (Calea ferată). Ca urmare, trenul se îndepărtează cât mai mult posibil de șină și levitează cel puțin parțial. Această levitație reduce rezistența pe care o întâmpină trenul pentru a se deplasa (frecare). Astfel, trenul va avea nevoie de mai puțin combustibil pentru a se deplasa de la o stație la alta și, de asemenea, se poate deplasa la viteze mai mari.

12. Navigația cu ajutorul busolei :

Navigația cu ajutorul busolei se realizează datorită faptului că pământul generează magnetism. Din punct de vedere geografic, partea de sus a globului pământesc este denumită „Polul Nord”, iar partea de jos „Polul Sud”. În prezent, „Polul Nord” al Pământului este, din punct de vedere magnetic, un pol sudic, iar „Polul Sud” al Pământului este, din punct de vedere magnetic, un pol nordic. O busolă aflată în locația „A” de pe Pământ va indica spre „Polul Nord” al Pământului. Dacă luăm în considerare cunoștințele atractive pe care le-am învățat de mai sus, devine evident că capătul busolei etichetate cu un „N” trebuie să fie magnetic un pol nord, iar capătul busolei etichetate cu un „S” trebuie să fie magnetic un pol sud. Această configurație a busolei îi permite acesteia să își minimizeze energia îndreptată spre „Polul Nord” al Pământului, care, desigur, ne oferă referința noastră direcțională.

13. Etichete de securitate pentru obiectele din magazine și biblioteci :

Pentru măsurile de securitate este necesar să se determine dacă un obiect (fie o carte într-o bibliotecă, fie o pereche de blugi într-un magazin) părăsește o zonă desemnată fără permisiune. Această monitorizare se poate face cu ajutorul magnetismului. După cum am văzut, un grup de dipoli poate avea răspunsuri unice la mediul lor. Unele obiecte moi și unele combinații de obiecte dure și moi într-un model mozaic prezintă astfel de răspunsuri unice, încât pot fi folosite ca „etichete”. Dacă o persoană părăsește zona desemnată în mod corespunzător, eticheta este neutralizată sau îndepărtată. Dacă nu o face, atunci „eticheta” declanșează sistemele de detecție, iar o alarmă sună pentru a anunța autoritățile despre problemă.

14. Navigația rechinilor :

Rechinii navighează în ocean cu referire la ‘Polul Nord’ și ‘Polul Sud’ al Pământului. În timp ce înoată, ei își mișcă regulat capul dintr-o parte în alta. S-a descoperit că aceștia au în cap mici elemente de detecție care convertesc energia magnetică a Pământului în impulsuri electrice. Aceste impulsuri sunt folosite de rechin pentru a menține o referință direcțională pentru navigație.

Rezonanța magnetică nucleară apare, de asemenea, ca rezultat al minimizării energiei. Fizicienii au emis cu mult timp în urmă ipoteza unui set unic de condiții de mediu care ar determina, de fapt, ca un dipol magnetic să preceseze și apoi să se rotească continuu ca un top (sau să rezoneze) pentru a-și minimiza energia. Dipolii liberi în prezența următoarelor condiții unice de mediu vor produce rezonanță magnetică; un câmp puternic de aliniere aplicat într-o direcție similară cu ora 12 și un câmp aplicat pulsatoriu (de scurtă durată) oscilant este în direcția similară cu ora 3. (a se vedea figura 8 ) Câmpul aplicat oscilant pulsatoriu este sub forma unei funcții sinusoidale la o frecvență undeva în domeniul frecvențelor radio (câteva milioane de cicluri pe secundă). Frecvența determină de câte ori se repetă o funcție într-un anumit interval de timp. Cu cât frecvența este mai rapidă, cu atât funcția se schimbă mai repede și cu atât mai multe cicluri care vor fi fost produse.

Rezonanța magnetică