Quines són les propietats dels imants? Els imants són objectes extraordinaris. Poden empènyer o estirar altres coses sense tocar-les! La gent n'ha sabutimantsdurant milers d'anys. A l'antiga Grècia, la gent va trobar roques notables anomenades lodestones que actuaven com imants. Les roques podrien girar per si mateixes per apuntar cap al nord i el sud, alineant-se amb el camp magnètic terrestre.
Avui en dia, els imants s'utilitzen en moltes coses que fem servir cada dia. Encara hi ha molt més per descobrir sobre quines són les propietats dels imants i com podem utilitzar-los.
Materials magnètics
Totes les coses del món mostren algun tipus de magnetisme. Però la força del magnetisme és molt diferent entre les coses. A partir de les propietats dels imants, tenim cinc grans grups: ferromagnètic, paramagnètic, diamagnètic, ferrimagnètic i antiferromagnètic.
Les coses ferromagnètiques com el ferro, el cobalt i el níquel mostren el magnetisme més fort. La seva petita estructura pot explicar la seva forta atracció cap als camps magnètics. Els àtoms de les coses ferromagnètiques tenen electrons incomparables que apunten en la mateixa direcció dins d'àrees anomenades dominis magnètics. Aquest apuntant en la mateixa direcció augmenta el camp magnètic i fa un imant permanent.
Les coses paramagnètiques com l'alumini i el platí també s'atrauen cap als camps magnètics, però la força és molt més feble que en les coses ferromagnètiques. Els electrons incomparables dels àtoms paramagnètics apunten en la direcció d'un camp aplicat, però no mantenen cap magnetització un cop eliminat el camp.
Les coses diamagnètiques com el coure i l'or mostren una empenta feble lluny dels camps magnètics. Quan es posen en un camp extern, els seus àtoms creen un camp magnètic induït en sentit contrari. Tanmateix, no tenen dipols atòmics permanents.
Les coses ferromagnètiques mostren un ordre magnètic complex on els electrons incomparables dels àtoms de diferents gelosias s'oposen entre si, com en els antiferroimants. Però els ferriimants mantenen una magnetització permanent, ja que els electrons incomparables oposats són desiguals. Les ferrites com la magnetita són coses ferromagnètiques quotidianes.
Taula 1: Materials magnètics
Material | Magnetisme | Exemples |
Ferromagnètic | Atracció molt forta als camps magnètics | Ferro, cobalt, níquel |
Paramagnètic | Atracció feble pels camps magnètics | Alumini, platí |
Diamagnètic | Repulsió feble dels camps magnètics | Coure, or |
Ferrimagnètic | Alineació complexa, magnetització permanent | Magnetita, ferrites |
Antiferromagnètic | Alineació completa, sense magnetització neta | Crom, manganès |
Dominis magnètics
Tots els materials ferromagnètics tenen minúsculs imants al seu interior anomenats dipols atòmics. Aquests imants minúsculs solen apuntar en direccions aleatòries, de manera que s'anul·len mútuament. Això significa que el material no té cap magnetisme general quan es deixa sol. Però quan el material s'imanta, els petits imants que hi ha a l'interior s'alineen!
La magnetització es produeix quan grups d'àtoms anomenats dominis magnètics aconsegueixen que els seus petits imants apunten de la mateixa manera. Els petits imants apunten junts dins de cada domini perquè estan fortament connectats. Però diferents dominis apuntaran en direccions aleatòries abans que es produeixi la magnetització.
Les forces externes com els camps magnètics poden fer créixer els dominis i alinear els seus imants minúsculs. Això fa un imant permanent. L'escalfament d'un material també dóna energia als imants petits per moure's. Això permet als dominis alinear els seus petits imants.
Altres coses que afecten com estan disposats els dominis dels imants petits inclouen l'estrès, els límits de gra, les impureses i els camps desmagnetitzadors. La força d'un imant depèn de quants dominis s'alineen els seus petits imants i de com resisteixen les forces externes que intenten desordenar-los.
Camps magnètics
Els imants fan zones invisibles al seu voltant anomenades camps magnètics. El flux magnètic és l'espai al voltant d'un imant on es pot sentir la seva força. Per veure el flux magnètic, dibuixem línies de camp magnètic. Més línies signifiquen un camp magnètic més fort. Les línies surten del pol nord de l'imant i es corben cap al seu pol sud.
Els camps magnètics es produeixen quan es mouen petites càrregues elèctriques. Dins dels àtoms, els electrons giren i giren en òrbites. Cada àtom és un petit imant amb els seus propis pols nord i sud. En els materials magnètics, els imants minúsculs dels dominis s'alineen. Això combina tots els seus camps magnètics per fer un camp magnètic gran apuntant en una direcció. Així és com els imants permanents obtenen camps magnètics tan forts.
El camp magnètic invisible és més fort i més proper a l'imant. Es fa més feble a mesura que t'allunyes. Els imants més petits tenen camps magnètics més petits i més febles. Els imants més grans tenen camps magnètics més grans i més forts.
Pols magnètics
Els imants tenen pols nord i sud. Són zones on la força magnètica és més forta. Els pols oposats s'atrauen. Els pols nord i sud s'uneixen. Els mateixos pols s'allunyen els uns dels altres. Dos pols nord o dos pols sud es repel·len i es separen.
Això passa per la forma en què flueixen les línies del camp magnètic invisible. Les línies van des del pol nord fins al pol sud dins de l'imant. A nivell atòmic, cada petit imant a l'interior té línies de camp magnètic que flueixen de nord a sud. En un imant, tots els imants petits alineen els seus camps magnètics.
Imants permanents
Mentre que alguns materials com el ferro són naturalment magnètics, els imants permanents sovint es produeixen artificialment per magnetització. El ferro, el níquel, el cobalt o els aliatges solen ser els millors imants permanents.
La magnetització implica exposar el material a un camp magnètic extern fort d'un electroimant o un altre imant permanent. Això fa que els dominis magnètics creixin i s'alinein amb el camp extern, produint un imant permanent fort. Els imants durs resisteixen la desmagnetització, mentre que els imants tous perden el seu magnetisme més fàcilment.
La força d'un imant permanent es correlaciona amb la seva coercivitat, la intensitat de camp necessària per desmagnetitzar-lo. Els materials alts coercitius poden fer imants permanents potents, però són més difícils de magnetitzar inicialment. La densitat màxima de flux magnètic o la magnetització de saturació i la magnetització residual també afecten la força de l'imant.
Electroimants
A més dels imants permanents, els electroimants utilitzen corrents elèctrics per induir magnetisme temporal. Quan un corrent elèctric travessa un cable enrotllat, genera un camp magnètic paral·lel a l'eix de la bobina. La intensitat del camp augmenta amb més bucles i un corrent més alt.
El material dins de la bobina també és important. El ferro tou fa que el camp magnètic sigui més fort. El ferro pot fer que un electroimant s'elevi 100 vegades més. Però el ferro també frena la rapidesa amb la qual reacciona l'imant.
Els electroimants necessiten energia per mantenir-se magnètics. Els imants permanents no. Però els electroimants es poden encendre i apagar ràpidament. El seu poder també pot canviar a l'instant. Això els fa adequats per aixecar ferro pesat i exploracions de ressonància magnètica que necessiten camps magnètics canviants.
Força magnètica i moment magnètic
La magnètica d'una cosa depèn de la quantitat de magnetisme que passa prop d'un camp magnètic. El bé que s'alinea amb el camp magnètic s'anomena moment magnètic. Això depèn dels petits blocs de construcció del material anomenats àtoms, principalment electrons que estan sols i no en parells. Aquests actuen com petits imants.
Un imant fort pot contenir molta potència magnètica que hi flueix. Això s'anomena magnetització de saturació. Un imant fort manté més del seu magnetisme quan el camp extern desapareix. Això s'anomena remanència. El magnetisme prové dels electrons que giren i orbiten. Així que les petites regles de la física quàntica controlen la força magnètica.
Propietats magnètiques
Diverses propietats fonamentals dels imants ajuden a caracteritzar el rendiment magnètic:
● Magnetització per saturació: la màxima densitat de flux magnètic que pot generar un material en un camp aplicat. Mesurat en Teslas.
● Remanència: la magnetització restant quan s'elimina el camp de conducció. Quant de magnetisme queda?
● Coercitiva: la intensitat del camp magnètic invers necessària per desmagnetitzar el material a zero. Resistent a la desmagnetització.
● Permeabilitat: Capacitat de suportar la formació d'un camp magnètic en el seu interior. Alta permeabilitat concentra el flux magnètic.
● Histèresi: Tendència a retenir un magnetisme imposat. Els materials amb una histèresi significativa fan imants permanents efectius.
L'optimització d'aquestes propietats dels imants és essencial per seleccionar el material magnètic adequat per a una aplicació determinada, ja sigui per aconseguir la màxima intensitat de camp permanent o per maximitzar els canvis de flux reversibles.
Histèresi magnètica
Els imants poden actuar de maneres emocionants! Els imants presenten un fenomen anomenat histèresi. La seva magnetització segueix un camí diferent cada vegada que cicles el camp magnètic extern. El camí precís depèn de la història prèvia de magnetització de l'imant.
Podeu veure-ho quan traceu com canvia la densitat de flux magnètic B a mesura que canvia el camp magnètic aplicat H. Aquest gràfic fa un bucle anomenat bucle d'histèresi.
Al principi, les minúscules regions magnètiques de l'imant anomenades dominis s'alineen lentament a mesura que augmenteu H. Un cop totes estan alineades, els augments addicionals de H ja no canvien B. Aleshores, quan reduïu H, B segueix una corba diferent. Quan H és zero, queda una mica de magnetització dels dominis alineats. Cal aplicar un camp magnètic en la direcció oposada per tornar la magnetització a zero.
L'àrea dins del bucle d'histèresi mostra l'energia perduda a mesura que els dominis canvien cada cicle. Els imants durs tenen bucles amples i pèrdues d'energia importants. La forma del llaç també us indica les propietats de l'imant, com ara el bé que es manté magnetitzat i el difícil que és desmagnetitzar.
Efectes de la temperatura
L'energia tèrmica pot afectar el comportament dels imants! A mesura que augmenta la temperatura, les minúscules regions magnètiques alineades en un imant anomenat dominis es mouen per l'energia tèrmica. Això fa que la magnetització baixi. A una temperatura elevada de Curie, l'energia tèrmica altera l'ordre magnètic i el magnetisme permanent desapareix completament.
El fàcil que és que un imant perdi la seva magnetització depèn de la seva temperatura de Curie. La temperatura de Curie més alta de qualsevol element pur és el ferro a 1043 K. Afegir coses com el níquel i el cobalt per fer aliatges augmenta el punt de Curie. Els imants permanents resistents a la calor us permeten utilitzar imants en aplicacions com ara generadors i motors.
Els imants de refrigeració per sota del punt Curie fan que la magnetització torni a pujar. Els electroimants superconductors només funcionen a temperatures fredes on la resistència elèctrica desapareix per crear camps magnètics potents i duradors.
Taula 2: Efectes de la temperatura sobre el magnetisme
Efecte de la temperatura | Descripció |
Temperatura de Curie | Per sobre d'aquesta temperatura, es perd el magnetisme permanent |
Agitació tèrmica | Pot interrompre l'alineació dels dominis magnètics |
Refredament per sota del punt Curie | Augmenta la magnetització a mesura que disminueix el moviment tèrmic |
Temperatures criogèniques | Habilita els electroimants superconductors amb camps persistents i d'alta intensitat |
Aplicacions magnètiques
Els imants són una eina versàtil que es troba al panorama industrial en aplicacions com:
● Motors: els motors elèctrics giratoris es basen en imants que converteixen entre energia mecànica i elèctrica mitjançant inducció electromagnètica. Els petits motors condueixen dispositius des de ventiladors fins a discs durs.
● Generadors - Els generadors de turbina produeixen electricitat fent girar imants prop de bobines de filferro, induint el flux de corrent.
● Emmagatzematge magnètic: les unitats de disc dur escriuen dades fent girar la magnetització de dominis diminuts en un disc ferromagnètic.
● Levitació: els trens Maglev utilitzen imants per flotar per sobre de la via, eliminant la fricció per a un viatge silenciós i suau.
● Dispositius mèdics: les màquines de ressonància magnètica utilitzen imants superconductors forts per detectar canvis en el camp magnètic del cos per a la imatge de diagnòstic.
● Recerca - Els espectròmetres de masses dobleguen partícules carregades amb camps magnètics per determinar-ne la massa i l'estructura química.
● Energia renovable: els coixinets magnètics estabilitzen els volants, emmagatzemant l'energia cinètica recollida de fonts eòliques o solars.
Levitació magnètica
La levitació magnètica, o maglev, utilitza imants per fer que les coses surin! Els imants s'allunyen els uns dels altres. Però les configuracions d'imants úniques poden fer flotar estable.
Els trens maglev ràpids ja circulen a Àsia i Europa. Flotar per sobre de la via significa que no hi ha fricció de les rodes, de manera que els trens maglev poden superar els 600 km/h! Sense rodes ni coixinets, són més silenciosos i suaus per accelerar i parar. També consumeixen menys energia que els trens normals.
Maglev és vàlid per a més que només trens! Podria ajudar a llançar naus espacials, fer acceleradors de partícules, crear coixinets sense fricció i aturar la vibració als edificis. Els enginyers encara estan millorant imants súper forts. Això pot permetre que els trens maglev connectin ciutats senceres en el futur.
Afegir més informació sobre com funciona el maglev, els usos del món real i les possibilitats futures explica aquest concepte avançat simplement. Els estudiants joves poden entendre els trens flotants mitjançant forces imants sense fricció i imaginar altres aplicacions d'aquesta tecnologia fantàstica.
Conclusió
Des d'imants de nevera petits fins a imants de quilòmetres de llarg que alimenten reactors de fusió, els imants són inestimables a la nostra vida quotidiana. Entendre les propietats úniques dels imants continua estimulant descobriments que condueixen a noves aplicacions. Àrees d'avantguarda com l'espintrònica i els monopols magnètics ofereixen possibilitats per a l'electrònica de nova generació i fins i tot per a ordinadors quàntics.
Amb molt per entendre sobre els fonaments quàntics del magnetisme, la investigació revelarà encara més el seu enorme potencial. Queda molt més per descobrir sobre què ens poden permetre aconseguir les propietats dels imants.
Preguntes freqüents sobre les propietats dels imants
Quines són les unitats de força del camp magnètic?
La intensitat del camp magnètic es quantifica en amperes per metre (A/m) o tesles (T). Un tesla equival a un newton per ampermetre. La força del camp magnètic terrestre és d'uns 0,5 gauss o 50 microtesles.
Com es calcula el flux magnètic?
El flux magnètic a través d'una superfície es calcula multiplicant la força del camp magnètic, l'àrea perpendicular i el cosinus de l'angle.
Quins materials s'utilitzen en els imants superconductors?
Els imants superconductors solen utilitzar superconductors com bobines de niobi-titani o niobi-estany refrigerades per heli líquid. Els nous superconductors d'alta temperatura permeten necessitats de refrigeració menys extremes per a intensitats de camp altes.
Meta descripció
Explora el captivador món dels imants. Obteniu informació sobre materials, dominis, camps i altres propietats dels imants!