Física

– Visão Geral

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Campo magnético

A densidade do fluxo magnético (também chamado magnético B campo ou apenas o campo magnético, geralmente denotada B ) é um campo de vetores . O magnético B campo vetor em um determinado ponto no espaço é especificado por duas propriedades:

  1. Sua direção, que é ao longo da orientação de uma agulha de bússola
  2. A sua magnitude (também chamado de força), que é proporcional ao quão fortemente a agulha da bússola orienta ao longo dessa direção.

Em unidades, a força do campo magnético B é dado em campo teslas.

 

Momento magnético

Momento magnético de um ímã (também chamado de momento de dipolo magnético e,

geralmente denotado μ ) é um vetor que caracteriza propriedades magnéticas globais do

Limalha de ferro que têm orientado no campo magnético produzido por um ímã de barra.

ímã. Para um ímã de barra, a direção dos pontos de momento magnético do polo sul do ímã para o polo norte, e a magnitude relaciona-se com o quão forte e quão distantes estes polos são. Em SI unidades, o momento magnético é especificada em termos de um • m 2 (ampères vezes metros ao quadrado).

Um ímã tanto produz seu próprio campo magnético e responde a campos magnéticos. A força do campo magnético, ele produz é, em qualquer ponto dado proporcional à magnitude do seu momento magnético. Além disso, quando o imã está colocado num campo magnético externo, produzido por uma fonte diferente, que é sujeito a um binário que tende a orientar o momento magnético paralela ao campo. A quantidade de este binário é proporcional tanto ao momento magnético e o campo externo. Um ímã também pode estar sujeito a uma força motriz em uma direção ou outra, de acordo com as posições e orientações do ímã e fonte. Se o campo é uniforme no espaço, o magneto está sujeito a nenhuma força resultante, apesar de ser sujeito a um binário.

Um fio com a forma de um círculo com a área A e transportando corrente I é um íman, com um momento magnético de grandeza igual a IA .

 

Magnetização

A magnetização de um material magnetizado é o valor local do seu momento magnético por unidade de volume, geralmente denotada M , com as unidades A / m . É um campo de vetores , em vez de apenas um vector (tal como o momento magnético), porque diferentes áreas em um ímã pode ser magnetizado com diferentes direções e pontos fortes (por exemplo, por causa de domínios, veja abaixo). Um ímã bom pode ter um momento magnético de magnitude 0,1 A • m 2 e um volume de 1 cm de 3 , ou 1 x 10 -6  m3 , e, por conseguinte, uma dimensão média de magnetização é 100.000 A / m. O ferro pode ter uma magnetização de cerca de um milhão de amperes por metro. Tal valor grande explica por ferro ímãs são tão eficaz na produção de campos magnéticos.

 

Modelagem ímãs

Existem dois modelos diferentes para ímãs: os polos magnéticos e correntes atômicas.

Embora para muitos propósitos, é conveniente pensar em um ímã como tendo norte

distinta e polos magnéticos sul, o conceito de polos não deve ser tomado literalmente: é

O campo de um ímã de barra cilíndrica calculado com modelo de Ampère.

apenas uma maneira de se referir às duas extremidades diferentes de um ímã. O imã não tem norte ou sul partículas distintas em lados opostos. Se um ímã de barra é dividido em duas partes, em uma tentativa de separar os polos norte e sul, o resultado será dois ímãs de barra, cada um dos quais tem tanto um polo norte e sul. No entanto, uma versão da abordagem magnético polos é usado por magneticians profissionais para projetar ímãs permanentes.

Nesta abordagem, a divergência da magnetização ∇ • M dentro de um ímã e da superfície normal componente M • n são tratados como uma distribuição de monopolos magnéticos . Esta é uma conveniência matemática e não implica que há realmente monopolos no ímã. Se a distribuição de polos magnéticos é conhecido, então o modelo de polo dá o campo magnético H . Fora o íman, o campo B é proporcional à H , enquanto que no interior da magnetização devem ser adicionados a H . Uma extensão deste método que permite cargas magnéticas internas é usada em teorias de ferromagnetismo.

Outro modelo é o Ampère modelo, onde todos magnetização é devido ao efeito de microscópicos, ou atómicas, circulares correntes ligadas, também chamados correntes Ampèrian, em todo o material. Para uma barra magnética cilíndrica uniformemente magnetizado, o efeito líquido de as correntes microscópicas ligado é fazer com que os ímans se comportam como se há uma folha macroscópica da corrente eléctrica que flui ao redor da superfície, com a direção de fluxo local normal ao eixo do cilindro. Correntes microscópicas em átomos no interior do material são geralmente cancelado por correntes em átomos vizinhos, por isso, apenas a superfície faz uma contribuição líquida; raspar a camada exterior de um ímã não destruir o seu campo magnético, mas vai deixar uma nova superfície de correntes não cancelados a partir das correntes circulares em todo o material. A regra da mão direita indica a direção que o fluxo de corrente.

 

Convenções de nomenclatura Polo

O polo norte de um ímã é o polo que, quando o ímã é suspenso livremente, aponta para a Terra Polo Norte Magnético no Ártico. Desde polos opostos (norte e sul) atrair, o Polo Norte Magnético é na verdade o sul polo do campo magnético da Terra.

Como uma questão prática, para dizer que polo de um imã é norte e sul, que é, não é necessário usar o campo magnético da Terra em tudo. Por exemplo, um método seria o de comparar a um eletromagneto, cujos polos podem ser identificados pela regra da mão direita. As linhas do campo magnético de um ímã são consideradas pela convenção a surgir a partir do polo norte do ímã e reentrar no polo sul.

Os materiais magnéticos

O termo ímã é geralmente reservado para os objetos que produzem seu próprio campo magnético persistente, mesmo na ausência de um campo magnético aplicado. Apenas algumas classes de materiais pode fazer isso. A maioria dos materiais, no entanto, produzir um campo magnético em resposta a um campo magnético aplicado; um fenômeno conhecido como magnetismo. Existem vários tipos de magnetismo, e todos os materiais exibem, pelo menos um deles.

O comportamento magnético total do material pode variar amplamente, dependendo da estrutura do material, particularmente na sua configuração eletrônica. Várias formas de comportamento magnético têm sido observadas em materiais diferentes, incluindo:

  • Ferromagnéticos e ferrimagnéticos materiais são os que normalmente pensado como magnético; eles são atraídos para um ímã forte o suficiente para que a atração pode ser sentida. Estes materiais são os únicos que podem reter a magnetização e se tornar ímãs; um exemplo comum é um tradicional ímã de geladeira. Materiais ferrimagnéticos, que incluem ferrites e o mais antigo materiais magnéticos magnetita e magnetita, são semelhantes, mas mais fraco do que ferromagnéticos. A diferença entre os materiais ferrimagnéticos ferro-e está relacionada com a sua estrutura microscópica, como explicado em magnetismo.
  • Paramagnéticos substâncias, tais como platina, alumínio e oxigênio, são fracamente atraídos por ambos os polos de um ímã. Esta atração é centenas de milhares de vezes mais fraca do que a de materiais ferromagnéticos, por isso só pode ser detectada por meio de instrumentos sensíveis ou usando extremamente fortes ímãs. Magnéticos ferrofluidos, embora eles são feitos de partículas ferromagnéticas pequenas suspensas no líquido, são por vezes considerados paramagnética, uma vez que não pode ser magnetizado.
  • Diamagnético meios repelida por ambos os polos. Em comparação com as substâncias ferromagnéticas, paramagnéticas e diamagnéticas de substâncias, tais como carbono, de, água, e de plástico, são ainda mais fracamente repelidos por um íman. A permeabilidade dos materiais diamagnéticos é menos do que a permeabilidade de um vácuo. Todas as substâncias que não possuem um dos outros tipos de magnetismo são diamagnéticas; isto inclui a maioria das substâncias. Embora vigor em um objeto diamagnético de um ímã comum é muito fraca para ser sentida, usando extremamente fortes ímãs supercondutores, objetos diamagnéticos, como pedaços de chumbo e até mesmo ratos pode ser levitado, para que eles flutuam no ar. Supercondutores repelir campos magnéticos a partir de seu interior e são fortemente diamagnéticos.

Existem vários outros tipos de magnetismo, tal como vidro de spin , superparamagnetismo , superdiamagnetism , e metamagnetismo .

Ferromagnético magnetização

 Ferromagnéticos materiais podem ser magnetizados, das seguintes formas:

  • O aquecimento do objeto acima da sua temperatura Curie , deixar arrefecer num campo magnético e martelando medida que arrefece. Este é o método mais eficaz e é semelhante para os processos industriais utilizados para criar magnetos permanentes.
  • Colocar o produto de um campo magnético externo irá resultar no produto retido parte do magnetismo na remoção. Vibração tem sido demonstrado que o aumento do efeito. Materiais ferrosos alinhados com o campo magnético da Terra, que estão sujeitos a vibrações (por exemplo, quadro de um transportador) foram mostrados para adquirir magnetismo residual significativo.
  • Stroking: Um íman existente é movido a partir de uma extremidade do artigo para a outra várias vezes na mesma direção.

Ferromagnético desmagnetização

Materiais ferromagnéticos magnetizados podem ser desmagnetizado (ou neutralizado), das seguintes formas:

  • Aquecendo um ímã passado sua temperatura Curie ; o movimento molecular destrói o alinhamento dos domínios magnéticos. Esta sempre remove toda magnetização.
  • Colocar o íman em um campo magnético alternado com uma intensidade acima coercitividade do material e depois, lentamente, quer puxando para fora do magneto ou lentamente diminuindo o campo magnético a zero. Este é o princípio utilizado em demagnetizers comerciais para desmagnetizar ferramentas e apagar cartões de crédito e os discos rígidos e bobinas de desmagnetização utilizados para desmagnetizar CRTs .
  • Alguns desmagnetização ou magnetização inversa ocorrerá se qualquer parte do ímã é submetido a um campo reverso acima do material magnético coercibilidade .
  • Desmagnetização ocorre progressivamente, se o íman é submetido a campos cíclicos suficientes para deslocar o íman da parte linear do segundo quadrante da curva BH do material magnético (a curva de desmagnetização).
  • Martelando ou chocante: a perturbação mecânica tende a embaralhar os domínios magnéticos. Isso vai deixar alguma magnetização residual.

Unidades e cálculos

Para a maioria das aplicações de engenharia, MKS (racionalizada) ou SI (Sistema Internacional) unidades são comumente usados. Dois outros conjuntos de unidades, Gaussiane CGS-UEM , são as mesmas para as propriedades magnéticas e são comumente usados em física.

Em todas as unidades, é conveniente utilizar dois tipos de campo magnético, B e H, assim como a magnetização M , definido como o momento magnético por unidade de volume.

  1. A indução magnética campo B é dada em unidades SI de teslas (T). B é o campo magnético cujo tempo variação produz, pela Lei de Faraday, circulando campos elétricos (que as empresas de energia vendem). B também produz uma força de deflexão em movimento cobrado partículas (como em tubos de TV). O Tesla é equivalente ao fluxo magnético (em Weber) por unidade de área (em metros ao quadrado), dando, assim, B na unidade de uma densidade de fluxo. Em CGS, a unidade de B é o Gauss (G). Um tesla é igual a 10 4  G.
  2. O campo magnético H é dada em unidades SI de amperes-voltas por metro (A-turn / m). As voltas aparecem porque quando H é produzido por um fio de corrente de carga, o seu valor é proporcional ao número de espiras de fio que. Em CGS, a unidade de H é o oersted (Oe). One A-turn / m é igual a 4π × 10 -3 Oe.
  3. A magnetização M é dado em unidades SI de amperes por metro (A / m). Em CGS, a unidade de M é o oersted (Oe). One A / m é igual a 10 -3 emu / cm 3 . Um ímã permanente de bom pode ter uma magnetização tão grande quanto um milhão de amperes por metro.
  4. Em unidades SI, a relação B  = μ 0 ( H  +  M ) detém, onde μ 0 é a permeabilidade do espaço, que é igual a 4π × 10 -7  T • m / A. No CGS, é escrito como B  = H  + 4π M .(A abordagem polo dá μ H em unidades SI. Uma μ M termo em SI deve então completar esta μ H para dar ao campo correto dentro de B , o ímã. Ele vai concordar com o campo B calculado usando correntes Amper).

Os materiais que não são magnetos permanentes geralmente satisfaz a relação H  = χ H em SI, onde χ é o (sem dimensão) a susceptibilidade magnética. A maioria dos materiais não-magnéticos têm um relativamente pequeno χ (da ordem de milionésimos), mas imãs macios podem ter χ da ordem de centenas ou milhares. Para materiais que satisfazem M  = χ H , também podemos escrever B  = μ 0 (1 +  χ ) H  = μ μ H  = μ H , onde μ r  = 1 +  χ é o (dimensão) permeabilidade relativa e μ = μ 0 μ r é a permeabilidade magnética. Ambos os duros e moles ímãs têm um mais complexo, dependente da história, o comportamento descrito por que são chamados de ciclos de histerese, que dão ou B vs H ou Mvs H . No CGS, M = χ H , mas χ SI  = 4 πχ CGS , e μ = μ r .

Cuidado: em parte porque não há símbolos romanos e gregos suficientes, não há comumente acordados símbolo do teor polo magnético e momento magnético. O símbolo m tem sido utilizado para a força polo (unidade A • m, onde aqui o reto m é para o metro) e para o momento magnético (unidade A • m 2). O símbolo μ tem sido utilizado em alguns textos para a permeabilidade magnética e noutros textos de momento magnético. Usaremos μ para a permeabilidade magnética e m para o momento magnético. Por força polo, vamos empregar m . Para uma barra magnética de secção transversal A com magnetização uniforme M ao longo do seu eixo, a força polo é dado por m  = MA , de modo que M pode ser pensado como uma força por unidade de área do polo.

 

Campos de um ímã

Longe de um ímã, o campo magnético criado por esse ímã é quase sempre descrito (para uma boa aproximação) por um campo de dipolo caracterizado pelo seu momento magnético total. Isto é verdade, independentemente da forma do ímã, enquanto o momento magnético é diferente de zero. Uma característica de um campo dipolar é que a intensidade do campo cai inversamente com o cubo da distância entre o centro do magneto.

Mais perto do ímã, o campo magnético se torna mais complicado e mais dependente da forma detalhada e magnetização do ímã. Formalmente, o campo pode ser expressa como uma expansão multipolar: Um campo de dipolo, além de um campo quadripolar , além de um campo octupolo, etc

De perto, muitos campos diferentes são possíveis. Por exemplo, para um ímã de barra magro por muito tempo com seu polo norte em uma extremidade e polo sul, no outro, o campo magnético perto de uma das extremidades cai inversamente com o quadrado da distância que poste.

 

Calculando a força magnética.

 Força de um único ímã

A força de um determinado ímã é dada às vezes em termos da sua força de tração – a sua capacidade de se mover (push / pull) outros objetos. A força de tração exercida por qualquer um eletroímã ou um íman permanente no “espaço de ar” (isto é, o ponto no espaço onde termina o íman) é dada pela equação de Maxwell:

Onde,

F é a força (unidade SI: newton)

Uma é a secção transversal da área do poste em metros quadrados

B é a indução magnética exercida pelo ímã

Portanto, se um ímã está agindo na vertical, ele pode levantar uma massa m, em quilogramas, pela equação simples:

Força entre dois polos magnéticos

 Classicamente, a força entre dois polos magnéticos é dada por:

 Onde,

F é a força (unidade SI: newton)

m 1 e m 2 são as magnitudes de pólos magnéticos (unidade SI: ampere-metro )

μ é a permeabilidade do meio de intervenção (unidade SI: tesla metros por ampere , henry por metro ou newton por ampere ao quadrado)

r é a separação (unidade SI: metro).

A descrição polo é útil aos engenheiros projetar reais ímãs, mas ímãs reais têm uma distribuição polo mais complexo do que um único norte e sul. Portanto, a implementação da ideia polo não é simples. Em alguns casos, uma das fórmulas mais complexas dadas a seguir será mais útil.

Força entre duas superfícies vizinhas magnetizados da área A

A força mecânica entre duas superfícies vizinhas magnetizadas pode ser calculada com a seguinte equação. A equação é válida apenas para casos em que o efeito de franja é insignificante e o volume do espaço de ar é muito menor do que a do material magnetizado:

Onde:

A é a área de superfície de cada, em m 2

H é o campo de magnetização, em A / m

μ 0 é a permeabilidade do espaço, o que equivale a 4π × 10 -7  T • m / D

B representa a densidade de fluxo, em T.

Força entre dois ímãs de barra

Final A força entre duas barras cilíndricas idênticas ímãs colocados para final é dado por:

Onde:

0 representa a densidade de fluxo magnético muito próximo de cada um dos polos, em T,

A é a área de cada um dos polos, em m 2,

L é o comprimento de cada ímã, em metros,

R é o raio de cada íman, em metros, e

x é a distância entre os dois magnetos, em m.

Refere-se a densidade de fluxo no polo para a magnetização do magnete.

Note-se que todas estas formulações são baseadas no modelo de Gilbert, que é utilizável em relativamente grandes distâncias. Em outros modelos (por exemplo, o modelo de Ampère), uma formulação mais complicada é usada que às vezes não podem ser resolvidos analiticamente. Nestes casos, os métodos numéricos devem ser usados.

Força entre dois ímãs cilíndricos

Para dois imãs cilíndricos com raio R e altura T, com o seu dipolo magnético alinhado, a força pode ser bem aproximada (mesmo em distâncias da ordem do T ) por,

Onde M é a magnetização dos magnetos e X é a diferença entre os magnetos. Em desacordo com a declaração na seção anterior, uma medida da densidade de fluxo magnético muito perto do ímã Bo está relacionada a M pela fórmula,

O dipolo magnético efetivo pode ser escrito como,

m = MV

Onde V é o volume do imã. Para um cilindro, isso é  V= Π R² t

Quando t << x, a aproximação de dipolo ponto obtido,

Que corresponde à expressão de a força entre dois dipolos magnéticos.

TABELA PERIÓDICA 

TABELA PERIÓDICA

TABELA PERIÓDICA

 

 

 Fonte : http://en.wikipedia.org/

 

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