Ievads magnētiskajās ierīcēs un zinātnē par tām

Privacy, Security, Society - Computer Science for Business Leaders 2016 (Jūlijs 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Ievads magnētiskajās ierīcēs un zinātnē par tām


Magnētiskās ierīces veido mūsu pasauli: tās pastiprina mūsu mājas, instrumentus, rotaļlietas un pat uzglabā mūsu datus. Kvantu fizika sniedz ieskatus, kas nepieciešami, lai saprastu magnetismu un tās saistību ar elektronu raksturīgo būtību.

Ieteicamais līmenis

Iesācējs

Vēsture

Kad Hans Christian Oersteds novēroja, ka kompasa adata tika pārvietota ikreiz, kad tuvumā esošie vadi tika aktivizēti, sākās elektrisko un magnētisko lauku mijiedarbības pētījums. Šīs divas zinātniskās zināšanas, kuras līdz 1820. gadam tika uzskatītas par divām atsevišķām parādībām, kopš tā laika ir saistītas. Pirmais magnetometrs, ko mēra magnētiskajam materiālam, izgudroja Carl Friedrich Gauss 1833. gadā. Daudzi zinātnieki papildināja izpratni par jauno pētījumu jomu, un elektromagnētisma pamati tika apkopoti Džeimsa Klerca Maxwellā 1860. gados. Tagad pazīstams kā Maxwella vienādojumi, tie veido pamatu elektrisko un magnētisko lauku mijiedarbībai. Līdz 1890. gadam elektromagnēti tika izmantoti dažādos pielietojumos. In The Journal of the Society of Arts šajā gadā Silvanus P. Thompson sniedza pārskatu par elektromagnētu un uzskaitītas četras metodes, lai noteiktu caurlaidību. Elektromagnētisti tika izmantoti, lai nodrošinātu pagaidu celtspēju un radītu ātru vibrāciju elektriskajiem zvaniem un dakšām. Rakstā iekļauta diskusija par magnētiskajiem laukiem. AllAboutCircuits.com ir daži izcili tehniski raksti, kas apraksta magnētiskos laukus, ja jūs interesē vairāk informācijas!

Ierīces

Maksvela vienādojumi ļāva attīstīt ģeneratorus, motorus, transformatorus, elektromagnētiskos slēdžus un slēdžus. Magnētiskās atmiņas ierīces saglabā datus, interpretējot magnetizētas / nemagnetizētas zonas kā 0 un 1 sekundes. Jaudīgi elektromagnēti tiek izmantoti, lai ērti pārvietotu nefasētus metālus. Metāla detektori tiek izmantoti, lai atklātu zaudētos kuģus un civilizāciju, kā arī aizsargātu mūs sabiedriskās vietās. Nesagraujoša pārbaude ir iespējama, izmantojot elektromagnētiskos paņēmienus, lai pārbaudītu sistēmas shēmas. Magnētiskais attēlojums tiek izmantots medicīnas industrijā. Tomēr, tā kā šī ir aktīva pētniecības joma, tiek sagaidīta jauna informācija, programmas un ierīces.

Zinātne

Mūsu izpratne par elektroenerģiju un elektriskiem laukiem bija nepieciešama, aplūkojot atomu atomu struktūru, un mācīties, ka materiālus var klasificēt kā elektrības vadītājus vai izolatorus, pamatojoties uz brīviem elektroniem, kas ir pieejami to ārējā apvalkā. Izprotot magnētus un magnētiskos laukus, mēs arī skatīsimies uz atomu, šoreiz ar ieskatu, ko nodrošina kvantu fizika. Materiāli var tikt klasificēti kā feromagnētiski, paramagnētiski vai diamagnētiski atkarībā no nepārraugtiem elektronu spiniem to ārējā enerģētiskā apvalkā, norādot, kā materiāls reaģēs uz magnētiskā lauka klātbūtni.

Šodien elektronu spin ir viens no četriem kvantu skaitļiem, ko izmanto, lai aprakstītu elektronu enerģētisko stāvokli:
1. galvenais kvantu skaitlis (n), enerģijas līmenis
2. orbitālā leņķa momenta kvantu skaits (l), apakšslodžu skaits
3. magnētiskais kvantu skaits (ml), enerģija subhell
4. elektronu spin kvantu skaits (ms), electon leņķiskais momentu

Elektronu spin kvantu skaitam ir divas valstis, kuras tiek sauktas vai nu par augšupejošu, $ $ m (s) = + 1/2 $ $, vai arī lejupvērstās viras, $ $ m (s) = - 1/2 $$ un jūs parasti skatās uz augšu vai uz leju vērstas bultiņas, kas norāda spinēšanas virzienu, kā parādīts 1. attēlā. Elektronu magnētiskais lauks ir saistīts ar tā griešanos.

Pirmie tiešie eksperimentālie pierādījumi par elektronu vērpšanu (lai gan tajā nebija minēta tā laika) bija Sterna-Gerlaha 1920. gadu sākuma eksperiments, kas parādīja, ka elektroniem ir magnētiskais moments. Magnētiskais moments ir griezes moments, kas vērojams ārējā magnētiskajā laukā. Otto Sterns un Walther Gerlach mēģināja izmērīt magnētiskos laukus, ko ražo orbītā elektroni. Eksperimentu rezultāti parādīja, ka elektroni rīkojās tā, it kā viņi vērtos ap asi, ražojot ļoti mazus magnētiskos laukus, neatkarīgi no orbitālajiem kustības ap kodiem. 1924. gadā Volfgangs Pauls iepazīstināja ar to, ko viņš sauc par "divvērtīgo kvantu brīvības pakāpi", kas saistīts ar elektronu visattālākajā apvalkā. Elektronu spinēšanas ideja tika ieviesta 1925. gadā, kad Samuelu Goudsmitu un George Uhlenbeck kopīgi ierosināja šo koncepciju. Toreiz tika uzskatīts, ka elektronam ir lādiņš, masa un spin. Spin tika uzskatīts par elektrona iekšējo impulsu, radot iekšējo magnētisko lauku; Elektrons rīkojās kā ļoti mazs dipola magnēts. Tas vienojās ar Faraday Indukcijas likumu, kas vēlāk tika iekļauts Maxwell's Equations, kurā teikts, ka kustīga lādiņa pārvietošana inducē magnētisko lauku. Neatkarīgi no tā, vai kustīgais uzlādes līmenis ir elektriskās strāvas vai uzlādēts elektrons, kas rotē atomu, abas rada magnētisko lauku. Elektronu pāri ir divi elektroni, kas aizņem vienu un to pašu orbitālu, bet pretējā virzienā. Elektronu griešanās virziens un orbītā nosaka iegūtā magnētiskā lauka virzienu.

Klasiskā fizika uzskatīja, ka materiāls spēj magnetizēt kā magnētiskās caurlaidības īpašību mu (μ). Mērīts Henrijā uz metru (H / m), tas norāda, kā materiāls reaģē uz magnētisko lauku. 1. tabulā dota dažu materiālu relatīvā caurlaidība. Relatīvā caurlaidība μ (r) ir specifiskā materiāla caurlaidības attiecība μ (m) līdz brīvās telpas caurlaidībai, μ0:

$ $ μ (r) = \ frac (μ (m) (H / m)} (μ0 (H / m)} $ $, kur μ0 = 4π × 10-7 H / m.

Diamagnētiskajiem materiāliem ir μ (r) 1; feromagnētiskie materiāli ir μ (r) daudz lielāki par 1.

Šodien materiāla atbildes reakcija uz magnētisko lauku izriet arī no tā atomu un molekulāro struktūru. Materiāli, kas sastāv no atomiem ar piepildītajām elektronu čaumalām un pāru elektroniem, ir nulles kopējā dipola momenta. Šiem atomiem, kur elektroni notiek pa pāriem, elektronu griešanās orbitālajā virzienā ir pretējā virzienā, un visi saistītie magnētiskie lauki atvieno viens otru; nav tīra magnētiskā lauka. Vienīgi atomi ar daļēji piepildītiem korpusiem ar nesaspīlētiem grietiem ir tīrais magnētiskais moments. Izmantojamā lauka izraisītais magnētiskais moments ir saskaņots ar lauku un diezgan vājš. To nosaka, izmantojot SQUID (supravadošo kvantu traucējumu ierīci) magnetometru. Magnētiskās īpašības rodas tikai materiālos ar daļēji piepildītiem čaumaliem. Korpusus piepilda saskaņā ar Hunda noteikumu, kas nosaka, ka orbītas vispirms ir piepildītas ar spin-up electrons (+1/2), tad ar -1/2 spin elektroniem. Ja ir nepāra elektronu skaits un spins nav atcelti, pastāv nepārspīlēts spins un atoms būs magnētiskās īpašības.

Diamagnētiskie materiāli, tādi kā varš, sudrabs un zelts, nesatur pastāvīgu magnētisko īpašību. Visi viņu elektroni ir sapāroti, tāpēc nevienam atomam nav tīra magnētiskā momenta. Šie materiāli ir nedaudz atgrūžami ar magnētisko lauku un nesaglabās magnētiskās īpašības, kad no ārējā lauka tiek noņemts. Diamagnētiskos materiālus atteiks abos baterijas magnētu galos.

Magnētiskā lauka klātbūtnē paramagnētiskie materiāli, piemēram, alumīnijs un platīns, kļūst vāji magnetizēti. Tos nedaudz piesaista magnētiskais lauks un magnētiskās īpašības netiek saglabātas ārējā lauka noņemšanas laikā. To magnetizācija ir saistīta ar dažu nesaskaņotu elektronu klātbūtni un no ārējā magnētiskā lauka radīto elektronu ceļu pārkārtošanās.

Feromagnētiskiem materiāliem piemīt dažādas īpašības. Kā parādīts 1. tabulā, to relatīvais caurlaidība ir daudz lielāka par citiem materiāliem. Viņiem ir lielas atomu grupas (apmēram 10 ** 12 - 10 ** 17), kur viņu elektronu spinumi savienojas viens ar otru. Šie pielīdzinājumi veido magnētiskos domēnus. Magnētiskie domēni ir atsevišķas zonas, kurām ir robežas, un tās neietekmē apkārtējās jomas, ja tās pastāv. Kad tos ievieto spēcīgā magnētiskajā laukā, šos atsevišķos magnētiskos laukus var izlīdzināt, padarot magnētisko efektu vēl spēcīgāku, kā parādīts 2. attēlā. Dabiskajos magnētos, piemēram, Lodestone, ir atomu dipola momenti, kas ir saskaņoti domēnos, kas rada pietiekami spēcīgu efektu, ka ārējā magnētiskā lauka rezultāti.

Ja dzelzs gabals nav magnetizēts, domēnu izlases orientācija nedod tīro magnētisko lauku. Ja tas novietots spēcīgā ārējā magnētiskajā laukā, domēna sienas pārvietosies, pārorientējot domēnus, tā ka vairāk dipolu tiek savienoti ar ārējo lauku. Tā kā domēni aug pie lietišķā magnētiskā lauka, domēnu sienu kustība notiek, pārtraucot un strauji lecot, sauktu par Barkhauzena efektu. Lēkmes var izraisīt spriegumu stiepļu tinumā, kas savukārt var radīt Barkhausen troksni, ja skaļrunis ir iekļauts ķēdē. Domēni paliek šajā jaunajā konfigurācijā, kad magnētiskais lauks tiek noņemts, jo kristāla režģa defekti mēdz ierobežot domēna sienu kustību vienreiz magnetizēti. Tomēr magnetizēts materiāls var zaudēt savas magnētiskās īpašības.

Apkure palielinās siltuma kustību līdz punktam, kad dipoli zaudēs līdzinājumu. Ja temperatūra paaugstinās virs noteiktā punkta, ko sauc par Curie temperatūru, spēja magnetizēt vai piesaistīt magnētam pazūd, lai gan tā joprojām atbildēs uz ārējo lauku. Materiālus var arī demagnetizēt, pakļaujot tiem vibrāciju, tos satverot vai ātri iedarbojošus magnētiskus laukus pielietojot no degšanas spoles. Šīs darbības mēdz atbrīvot domēna sienas no to mainītās stāvokļa, un domēna robežas mēdz mainīt, atdalot materiālu.

Tagad nākamajā reizē, kad izmantojat magnētu, lai saglabātu attēlu savā ledusskapī, vai arī vēlaties izvēlēties materiālu, kas aizsargā jutīgas shēmas no magnētisko lauku nevēlamām sekām, jūs zināt, ka elektronu raksturīgais īpašums ir iespējams.