ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ

ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ

ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Οι μαγνητικές ιδιότητες των υλικών ήταν γνωστές από την εποχή του Θαλή.Ο Αριστοτέλης αποδίδει την πρώτη επιστημονική θεωρία του μαγνητισμού στον Θαλή, ο οποίος έζησε περίπου το 625 π.Χ. με περίπου 545 π.Χ.Αλλά η ερμηνεία τους παρέμεινε άγνωστη ως τις αρχές του 20ου αιώνα.

Οι μαγνητικές ιδιότητες των υλικών ήταν γνωστές από την εποχή του Θαλή 

 Την εποχή του Θαλή παρατηρήθηκε η ιδιότητα που έχουν κάποια πετρώματα,να έλκουν τα σιδερένια αντικείμενα.
 Το φαινόμενο αυτό αντίστοιχα,ονομάστηκε Μαγνητισμός.
 Μαγνήτης ονομάζεται οποιοδήποτε τεμάχιο υλικού ή σώμα,συνήθως μεταλλικό,που δημιουργεί μαγνητικό πεδίο στον περιβάλλοντα χώρο.

Μαγνήτης ονομάζεται οποιοδήποτε τεμάχιο υλικού ή σώμα,συνήθως μεταλλικό,που δημιουργεί μαγνητικό πεδίο στον περιβάλλοντα χώρο

 Στην πράξη,το μαγνητικό πεδίο εντοπίζεται από την αλληλεπίδραση του μαγνήτη με άλλα σώματα,όπως τη δυνατότητα να έλκει μικρά τεμάχια σιδήρου ή να προσανατολίζεται παράλληλα με τις δυναμικές γραμμές του γήινου μαγνητικού πεδίου.

ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΔΙΠΟΛΑ

 Όπως είναι γνωστό,κάθε πηνίο που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα,αλλά και κάθε μαγνήτης,εμφανίζεται στις άκρες τους δυο πόλους,είναι δηλαδή ένα μαγνητικό δίπολο.

Ένα μαγνητικό δίπολο

  Τα μαγνητικά δίπολα έχουν μία κεντρική μαγνητική γραμμή,που είναι ευθεία και λέγεται μαγνητικός άξονας του διπόλου.

Τα μαγνητικά δίπολα έχουν μία κεντρική μαγνητική γραμμή,που είναι ευθεία και λέγεται μαγνητικός άξονας του διπόλου

 Για να δημιουργήσουμε ένα μαγνητικό δίπολο τρίβουμε το βόρειο πόλο ενός μαγνήτη πάνω σε ένα μεταλλικό χαλύβδινο έλασμα με την ίδια πάντα φορά.Ενώ τρίβουμε μόνο το βόρειο πόλο του μαγνήτη παρατηρούμε ότι το έλασμα έχει μαγνητιστεί και έχει αποκτήσει και τους δύο πόλους.

 Για να δημιουργήσουμε ένα μαγνητικό δίπολο τρίβουμε το βόρειο πόλο ενός μαγνήτη πάνω σε ένα μεταλλικό χαλύβδινο έλασμα με την ίδια πάντα φορά

 Στην περίπτωση που το μαγνητικό δίπολο είναι ένας κυκλικός αγωγός,ο μαγνητικός άξονας είναι κάθετος προς το επίπεδο του αγωγού,όπως προκύπτει από το μαγνητικό του φάσμα

ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΕΙΣ ΜΑΓΝΗΤΕΣ

 Αν κόψουμε ένα ραβδόμορφο μαγνήτη σε δυο κομμάτια,παρατηρούμε ότι προκύπτουν δυο μικρότεροι μαγνήτες.Αν το κάθε κομμάτι κοπεί ξανά σε μικρότερα κομμάτια,προκύπτουν και πάλι μικρότεροι μαγνήτες κ.ο.κ.

Κόβοντας το μαγνητισμένο έλασμα παίρνουμε συνέχεια νέους μαγνήτες

 Από αυτά συμπεραίνουμε ότι είναι αδύνατο να χωρίσουμε και να απομονώσουμε τους πόλους ενός μαγνήτη.Με άλλα λόγια οι μαγνητικοί πόλοι εμφανίζονται πάντα κατά ζευγάρια.

Στοιχειώδεις μαγνήτες

 Αν ήταν δυνατό να συνεχίσουμε τη διαίρεση των μαγνητών σε ολοένα μικρότερα κομμάτια,θα φτάναμε τελικά σε μικρότατους μαγνήτες,στοιχειώδεις μαγνήτες,που θα ήταν τα άτομα ή μόρια του υλικού,από το οποίο είναι κατασκευασμένος ο μαγνήτης.
 Επομένως:
 Τα άτομα ή μόρια των μαγνητικών υλικών είναι μικρά μαγνητικά δίπολα,δηλαδή στοιχειώδεις μαγνήτες.Τα απειροελάχιστα αυτά δίπολα δε μπορούμε να αντιληφθούμε με τις αισθήσεις.

Τα άτομα ή μόρια των μαγνητικών υλικών είναι μικρά μαγνητικά δίπολα,δηλαδή στοιχειώδεις μαγνήτες

  Ως στοιχειώδεις μαγνήτες μπορούμε να θεωρήσουμε τα άτομα του υλικού.Η ύπαρξη αυτών των μαγνητών οφείλεται αφενός στην περιστροφή του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα και αφετέρου στην περιστροφή του πυρήνα και του ηλεκτρονίου γύρω από τον άξονά τους.

ΜΑΓΝΗΤΙΣΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

 Σε μία ράβδο σιδήρου,που είναι αμαγνήτιστη,οι στοιχειώδεις μαγνήτες είναι άτακτα διατεταγμένοι.Με την επίδραση όμως ενός μαγνητικού πεδίου,οι στοιχειώδεις μαγνήτες προσανατολίζονται προς την ίδια κατεύθυνση,με αποτέλεσμα να εμφανίζονται δυο ετερώνυμοι πόλοι στα άκρα της ράβδου.Τότε λέμε ότι η ράβδος μαγνητίζεται.

Με την επίδραση όμως ενός μαγνητικού πεδίου,οι στοιχειώδεις μαγνήτες προσανατολίζονται προς την ίδια κατεύθυνση

 Αν η ράβδος είναι από μαλακό σίδηρο,ο προσανατολισμός των στοιχειωδών μαγνητών καταστρέφεται,μόλις σταματήσει η επίδραση του μαγνητικού πεδίου.Άρα ο μαλακός σίδηρος παθαίνει παροδική μαγνήτιση.

Ο χάλυβας παθαίνει μόνιμη μαγνήτιση

 Αντίθετα,αν η ράβδος είναι από χάλυβα,οι στοιχειώδεις μαγνήτες παραμένουν προσανατολισμένοι και με την απομάκρυνση του μαγνητικού πεδίου.Ο χάλυβας παθαίνει μόνιμη μαγνήτιση.

Οι μόνιμοι μαγνήτες κατασκευάζονται από ειδικά κράματα σιδήρου,δηλαδή από ειδικούς χάλυβες,για να διατηρούν την μαγνήτιση τους

  Οι μόνιμοι μαγνήτες κατασκευάζονται από ειδικά κράματα σιδήρου,δηλαδή από ειδικούς χάλυβες,για να διατηρούν την μαγνήτιση τους.Οι ισχυροί μαγνήτες στα εργοστάσια(οι μαύροι) είναι από κράμα Al,Ni,Co.

ΕΞΗΓΗΣΗ ΤΩΝ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

 Ας θυμηθούμε την δομή των ατόμων.Κάθε άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα και ορισμένα ηλεκτρόνια.Τα ηλεκτρόνια στρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε καθορισμένες τροχιές,καθώς επίσης και γύρω από τον εαυτό τους,όπως ακριβώς η Γη στρέφεται γύρω από τον Ήλιο και τον άξονα της.

Η κίνηση κάθε ηλεκτρονίου γύρω από τον ατομικό πυρήνα,προκαλεί μικρό κυκλικό ρεύμα(δεχόμαστε τις τροχιές κυκλικές),που η συμβατική φορά είναι αντίθετη προς την κίνηση του ηλεκτρονίου

 Η κίνηση κάθε ηλεκτρονίου γύρω από τον ατομικό πυρήνα,προκαλεί μικρό κυκλικό ρεύμα(δεχόμαστε τις τροχιές κυκλικές),που η συμβατική φορά είναι αντίθετη προς την κίνηση του ηλεκτρονίου.Το ρεύμα αυτό δημιουργεί μαγνητικό πεδίο όμοιο με το πεδίο κυκλικού ρευματοφόρου αγωγού.

Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα και γύρω από τον άξονά τους

 Ο στροβιλισμός κάθε ηλεκτρονίου γύρω από τον άξονα του δημιουργεί επίσης ένα μαγνητικό πεδίο που μοιάζει κάπως με το πεδίο κυκλικού αγωγού.Σύντομα όμως επικράτησε η άποψη,ότι οι μαγνητικές ιδιότητες σε πολλά σώματα οφείλονται κυρίως στην περιστροφή των ηλεκτρονίων γύρω από τον άξονά τους (spin).

Οι δυο κινήσεις του ηλεκτρονίου

 Όλα τα ηλεκτρόνια έχουν spin.Στις περισσότερες περιπτώσεις σχηματίζουν ζευγάρια με αντίθετο spin,με αποτέλεσμα η συνολική μαγνητική τους επίδραση να εξουδετερώνεται.
 Άρα:
 Κάθε ηλεκτρόνιο ενός ατόμου,με τις δυο κινήσεις που κάνει,δημιουργεί συγχρόνως δυο μαγνητικά πεδία.

Κάθε ηλεκτρόνιο ενός ατόμου,με τις δυο κινήσεις που κάνει,δημιουργεί συγχρόνως δυο μαγνητικά πεδία

 Στα άτομα ή μόρια των μαγνητικών υλικών οι κινήσεις των ηλεκτρονίων γίνονται με τέτοιο τρόπο,που στο σύνολο τους τα άτομα ή μόρια είναι μικρά μαγνητικά δίπολα,δηλαδή στοιχειώδεις μαγνήτες.Αντίθετα,στα υπόλοιπα υλικά οι κινήσεις των ηλεκτρονίων γίνονται έτσι που τα άτομα δεν παρουσιάζουν μαγνητικές ιδιότητες.

Οι μαγνητικές ιδιότητες των υλικών οφείλονται στη περιφορά και στο στροβιλισμό των ηλεκτρονίων,που κινούνται γύρω από τους πυρήνες των ατόμων

 Άρα:
 Οι μαγνητικές ιδιότητες των υλικών οφείλονται στη περιφορά και στο στροβιλισμό των ηλεκτρονίων,που κινούνται γύρω από τους πυρήνες των ατόμων.   

Οι μαγνητικές περιοχές πριν προσανατολισθούν

 Για παράδειγμα το άτομο του σιδήρου έχει συνολικά 26 ηλεκτρόνια.Από αυτά,όμως,τα 22 αποτελούν ζευγάρια με αντίθετο spin,ώστε το ένα να εξουδετερώνει το μαγνητικό πεδίο του άλλου.Στην εξωτερική όμως στοιβάδα,υπάρχουν 4 ηλεκτρόνια τα οποία περιστρέφονται με το ίδιο spin,με αποτέλεσμα η συνολική μαγνητική τους επίδραση να αθροίζεται.Στα 4 αυτά ηλεκτρόνια οφείλονται κυρίως οι μαγνητικές ιδιότητες του σιδήρου.

Οι μαγνητικές περιοχές αφού προσανατολισθούν

 Μέσα στα μαγνητικά υλικά,δημιουργούνται με πολύπλοκο τρόπο,μικρές μαγνητικές περιοχές που συμπεριφέρονται σαν μικροί μόνιμοι μαγνήτες.Κάθε τέτοια μαγνητική περιοχή περιέχει 10¹⁰ άτομα και έχει εύρος 10^-3 mm περίπου.

Κάθε τέτοια μαγνητική περιοχή περιέχει 10¹⁰ άτομα και έχει εύρος 10^-3 mm περίπου

 Ένα κομμάτι υλικού που δεν είναι μαγνητισμένο έχει αυτές τις μαγνητικές περιοχές σε κατάσταση αταξίας.Στην περίπτωση που το υλικό αυτό μαγνητιστεί τότε,όλες οι μαγνητικές περιοχές προσανατολίζονται ομοιόμορφα .

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ CURIE

 Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει το φαινόμενο κατά το οποίο, αν θερμάνουμε ένα μαγνητισμένο υλικό πάνω από κάποια θερμοκρασία, χάνει τις μαγνητικές του ιδιότητες.Η θερμοκρασία αυτή λέγεται θερμοκρασία Curie.

Απομαγνήτιση υλικού με θέρμανση

 Θερμοκρασία Curie ονομάζεται η θερμοκρασία στην οποία αν θερμάνουμε ένα μαγνητισμένο υλικό πάνω από αυτήν,χάνει τις μαγνητικές του ιδιότητες.

Θερμοκρασία Curie ονομάζεται η θερμοκρασία στην οποία αν θερμάνουμε ένα μαγνητισμένο υλικό πάνω από αυτήν, χάνει τις μαγνητικές του ιδιότητες

 Το μαγνητισμένο υλικό χάνει τις μαγνητικές του ιδιότητες γιατί πάνω από αυτή τη θερμοκρασία οι μαγνητικές περιοχές χάνουν τον προσανατολισμό που είχαν. 

Απομαγνήτιση υλικού με κρούση

 Το ίδιο θα παρατηρήσουμε, αν σφυρηλατήσουμε ένα μαγνητισμένο υλικό (π.χ. μεταλλικό έλασμα).Η σφυρηλάτηση καταστρέφει τη διάταξη που είχαν οι μαγνητικές περιοχές με αποτέλεσμα να απομαγνητιστεί.