자기 : 재료의 자기 특성, 용도 - 물리적 인 - 2025

자기 또는 자기 에너지 힘 연결된 자연 운동과 특정 물질의 부하에 전기적 인력 또는 반발력을 생성 할 수있다. 자석은 잘 알려진 자성의 원천입니다.

이 내부에는 자기장의 존재로 변환되는 상호 작용이 있으며, 예를 들어 작은 철 또는 니켈 조각에 영향을 미칩니다.

오로라의 아름다운 색은 지구 자기장에 의해 굴절되면서 에너지를 방출하는 우주 입자 때문입니다. 출처 : Pixabay.

자석의 자기장은 철 파일링이 펼쳐진 종이 아래에 놓을 때 볼 수 있습니다. 파일링은 필드 라인을 따라 즉시 배치되어 필드의 2 차원 이미지를 만듭니다.

또 다른 잘 알려진 소스는 전류를 전달하는 전선입니다. 그러나 영구 자석과 달리 자기는 전류가 멈출 때 사라집니다.

자기장이 어딘가에서 발생할 때마다 일부 에이전트는 작업을 수행해야했습니다. 이 과정에 투자 된 에너지는 생성 된 자기장에 저장되어 자기 에너지로 간주 될 수 있습니다.

자기장에 얼마나 많은 자기 에너지가 저장되는지에 대한 계산은 장과 장치의 기하학적 구조 또는 생성 된 영역에 따라 다릅니다.

인덕터 또는 코일은이를 수행하기에 좋은 장소이며, 전기 에너지가 커패시터 플레이트 사이에 저장되는 것과 거의 동일한 방식으로 자기 에너지를 생성합니다.

역사와 발견

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Pliny가 고대 그리스에 대해 말한 전설은 2000 년 이상 전에 철 조각을 끌어 당길 수있는 신비한 광물을 발견했지만 다른 재료는 찾을 수없는 Magnes 목자에 대해 이야기합니다. 자기 특성이 강한 산화철 인 마그네타이트였다.

자기 인력의 원인은 수백 년 동안 숨겨져있었습니다. 기껏해야 그것은 초자연적 사건 때문이었습니다. 이러한 이유로는 아니지만 나침반과 같은 흥미로운 응용 프로그램이 발견되었습니다.

중국인이 발명 한 나침반은 탐색 중에 사용자를 안내하기 위해 지구 자체의 자기를 사용합니다.

최초의 과학적 연구

자기 현상에 대한 연구는 William Gilbert (1544-1603) 덕분에 큰 발전을 이루었습니다. 엘리자베스 시대의이 영국 과학자는 구형 자석의 자기장을 연구하고 지구 자체에 자기장이 있어야한다고 결론지었습니다.

자석 연구를 통해 그는 별도의 자극을 얻을 수 없다는 것을 깨달았습니다. 자석이 두 개로 나뉘어지면 새 자석에도 두 극이 있습니다.

그러나 과학자들이 전류와 자기 사이의 관계의 존재를 깨달은 것은 19 세기 초였습니다.

덴마크에서 태어난 Hans Christian Oersted (1777-1851)는 1820 년에 도체를 통해 전류를 전달하고 이것이 나침반에 미치는 영향을 관찰한다는 아이디어를 가지고있었습니다. 나침반이 어긋나고 전류가 흐르지 않으면 나침반은 다시 평소와 같이 북쪽을 가리 킵니다.

이 현상은 스타터가 작동하는 동안 자동차 배터리에서 나오는 케이블 중 하나에 나침반을 더 가까이 가져 가면 확인할 수 있습니다.

회로를 닫는 순간 자동차의 배터리가 나침반이 벗어나도록 충분히 높은 전류를 공급할 수 있기 때문에 바늘이 눈에 띄는 편향을 경험해야합니다.

이런 식으로 움직이는 전하가 자기를 일으키는 것이 분명해졌습니다.

현대 조사

Oersted 실험이 있은 지 몇 년 후 영국의 연구원 인 Michael Faraday (1791-1867)는 다양한 자기장이 전류를 발생 시킨다는 사실을 발견함으로써 또 다른 이정표를 세웠습니다.

전기적 및 자기 적 현상은 서로 밀접하게 관련되어 있으며 각각이 서로를 발생시킵니다. 그들은 패러데이의 제자 제임스 클러 크 맥스웰 (1831-1879)에 의해 그의 이름을 가진 방정식으로 모였습니다.

이 방정식은 전자기 이론을 포함하고 요약하며 상대 론적 물리학에서도 유효합니다.

재료의 자기 특성

일부 재료가 자기 특성을 나타내거나 자기를 쉽게 획득하는 이유는 무엇입니까? 우리는 자기장이 움직이는 전하에 기인한다는 것을 알고 있습니다. 따라서 자석 내부에는 자성을 일으키는 보이지 않는 전류가 있어야합니다.

모든 물질은 원자핵을 도는 전자를 포함합니다. 전자는 지구와 비교할 수 있습니다. 지구는 태양 주위의 병진 운동과 자체 축에서 회전 운동을합니다.

비유가 완전히 정확하지는 않지만 고전 물리학은 유사한 운동을 전자에 돌립니다. 그러나 요점은 전자의 두 가지 속성이 모두 자기장을 생성하는 작은 루프처럼 동작하게한다는 것입니다.

원자의 자기장에 가장 많이 기여하는 것은 전자의 스핀입니다. 전자가 많은 원자에서는 쌍으로 그룹화되고 반대 스핀으로 그룹화됩니다. 따라서 자기장은 서로 상쇄됩니다. 이것은 대부분의 재료에서 일어나는 일입니다.

그러나 짝을 이루지 않은 전자가있는 일부 미네랄과 화합물이 있습니다. 이런 식으로 순 자기장은 0이 아닙니다. 이것은 전류와 회로 면적의 곱인 벡터 인 자기 모멘트를 생성합니다.

인접한 자기 모멘트는 서로 상호 작용하여 많은 스핀이 같은 방향으로 정렬되는 자기 영역이라고하는 영역을 형성합니다. 그 결과 자기장은 매우 강합니다.

강자성, 상자성 및 반자성

이 품질을 가진 재료를 강자성이라고합니다. 철, 니켈, 코발트, 가돌리늄 및 일부 합금입니다.

주기율표의 나머지 요소에는 이러한 매우 뚜렷한 자기 효과가 없습니다. 그들은 상자성 또는 반자성 범주에 속합니다.

사실 반자성은 모든 재료의 특성으로, 외부 자기장이있을 때 약간의 반발을 경험합니다. 비스무트는 반자성이 가장 두드러진 요소입니다.

반면에, 상자성 (paramagnetism)은 강자성 (ferromagnetism)보다 덜 강한 자기 반응으로 구성되지만 똑같이 매력적입니다. 상자성 물질은 예를 들어 알루미늄, 공기 및 괴 타이트와 같은 일부 산화철입니다.

자기 에너지의 사용

자성은 자연의 근본적인 힘의 일부입니다. 인간도 그것의 일부이기 때문에 그들은 지구상의 나머지 생명체뿐만 아니라 자기 현상의 존재에 적응합니다. 예를 들어, 일부 동물은 지구의 자기장을 사용하여 지리적으로 방향을 잡습니다.

사실, 새들은 지 자기장을 인식하고 사용할 수있는 일종의 유기적 나침반이 뇌에 있다는 사실 덕분에 새들이 긴 이동을 수행한다고 믿어집니다.

인간에게는 이와 같은 나침반이 없지만 대신 동물 왕국의 나머지 부분보다 더 많은 방법으로 환경을 수정할 수있는 능력이 있습니다. 따라서 우리 종족은 최초의 그리스 목자가 광석을 발견 한 순간부터 자기를 유리하게 사용했습니다.

자기 에너지의 일부 응용

그 이후로 자기의 많은 응용이 있습니다. 다음은 몇 가지입니다.

-앞서 언급 한 나침반, 지구의 지 자기장을 사용하여 지리적 방향을 정합니다.

-자기장을 생성하는 코일을 사용하는 음극선 관을 기반으로 한 텔레비전, 컴퓨터 및 오실로스코프 용 구형 스크린. 이들은 전자빔을 편향시켜 화면의 특정 위치에 닿아 이미지를 형성합니다.

-다양한 유형의 분자를 연구하는 데 사용되며 생화학, 범죄학, 인류학, 역사 및 기타 분야에서 많은 응용 분야에 사용되는 질량 분석기. 그들은 전기장과 자기장을 사용하여 속도에 의존하는 궤도에서 하전 입자를 편향시킵니다.

-자기력이 바닷물 (양호한 전도체)의 제트를 뒤로 몰아 넣어 뉴턴의 제 3 법칙에 따라 차량이나 보트가 전방 충격을받는 자기 유체 역학적 추진.

-인체 내부의 영상을 획득하는 비 침습적 방법 인 자기 공명 영상 기본적으로 매우 강렬한 자기장을 사용하여 앞서 언급 한 스핀 특성을 가진 조직에 존재하는 수소 핵 (양성자)의 반응을 분석합니다.

이러한 응용은 이미 확립되어 있지만, 미래에는 자기 유도 열을 생성하는 고열 기술을 통해 자기가 유방암과 같은 질병과 싸울 수도 있다고 믿어집니다.

아이디어는 유체 마그네타이트를 종양에 직접 주입하는 것입니다. 자기 유도 전류에 의해 생성 된 열 덕분에 철 입자는 악성 세포를 파괴 할만큼 충분히 뜨거워집니다.

장점과 단점

특정 유형의 에너지 사용에 대해 생각할 때 예를 들어 터빈, 엘리베이터 또는 차량과 같은 이동 유형으로 변환해야합니다. 또는 전화, 텔레비전, ATM 등 일부 장치를 켜는 전기 에너지로 변환됩니다.

에너지는 여러 가지 방법으로 수정할 수있는 여러 표현을 가진 크기입니다. 작은 자석의 에너지가 증폭되어 동전 몇 개 이상을 지속적으로 움직일 수 있습니까?

사용할 수 있으려면 에너지가 넓은 범위를 가져야하고 매우 풍부한 원천에서 나와야합니다.

1 차 및 2 차 에너지

이러한 에너지는 자연에서 발견되며 다른 유형이 생성됩니다. 그들은 일차 에너지로 알려져 있습니다.

- 태양 에너지.

-원자 에너지.

- 지열 에너지.

- 풍력 발전.

-바이오 매스 에너지.

-화석 연료와 광물에서 나오는 에너지.

전기 및 열과 같은 2 차 에너지가 이들로부터 생성됩니다. 여기 자기 에너지는 어디에 있습니까?

전기와 자기는 별개의 현상이 아닙니다. 사실,이 둘은 함께 전자기 현상으로 알려져 있습니다. 그들 중 하나가 존재하는 한 다른 하나가 존재할 것입니다.

전기 에너지가있는 곳에 어떤 형태로든 자기 에너지가있을 것입니다. 그러나 이것은 2 차 에너지이며, 일부 1 차 에너지의 사전 변환이 필요합니다.

1 차 및 2 차 에너지의 특성

어떤 종류의 에너지 사용의 장단점은 많은 기준에 따라 설정됩니다. 여기에는 생산이 얼마나 쉽고 저렴한 지, 그리고 프로세스가 환경과 사람에게 부정적인 영향을 미칠 수있는 정도가 포함됩니다.

명심해야 할 중요한 것은 에너지가 사용되기 전에 여러 번 변형된다는 것입니다.

쇼핑 목록을 냉장고 문에 붙일 자석을 만들기 위해 얼마나 많은 변형이 발생 했습니까? 전기 자동차를 만들려면 몇 명입니까? 물론 충분합니다.

그리고 자기 또는 전자기 에너지는 얼마나 깨끗한가요? 인간이 기원하는 전자기장에 지속적으로 노출되면 건강과 환경 문제가 발생한다고 믿는 사람들이 있습니다.

현재 이러한 분야가 건강과 환경에 미치는 영향을 연구하는 데 전념하는 수많은 연구 라인이 있지만, 권위있는 국제기구에 따르면 지금까지 해롭다는 결정적인 증거는 없습니다.

자기 에너지의 예

자기 에너지를 포함하는 장치를 인덕터라고합니다. 동선을 충분히 감아 서 형성 한 코일로 전류를 제한하고 급격한 변화를 방지하기 위해 많은 회로에서 유용합니다.

구리 코일. 출처 : Pixabay.

코일의 회전을 통해 전류를 순환시킴으로써 내부에 자기장이 생성됩니다.

전류가 변하면 자기장 라인도 변합니다. 이러한 변화는 패러데이-렌츠 유도 법칙에 따라 반대 방향으로 전류를 유도합니다.

전류가 갑자기 증가하거나 감소하면 코일이 반대하므로 회로에 보호 효과를 줄 수 있습니다.

코일의 자기 에너지

자기 에너지는 코일의 회전 수로 구분 된 부피에 생성 된 자기장에 저장되며, 이는 U _B 로 표시되며 다음에 따라 달라집니다.

-자기장의 강도 B.

-코일 A의 단면적.

-코일 길이 l.

-진공의 투과성 μ _o.

다음과 같이 계산됩니다.

이 방정식은 자기장이있는 모든 공간 영역에서 유효합니다. 이 영역의 부피 V, 그것의 투자율 및 자기장의 강도를 알고 있다면 그것이 얼마나 많은 자기 에너지를 소유하고 있는지 계산할 수 있습니다.

운동이 해결됨

직경 2.0cm, 길이 26cm의 공기가 채워진 코일 내부의 자기장은 0.70T입니다.이 자기장에는 얼마나 많은 에너지가 저장됩니까?

해결책

숫자 값은 이전 방정식에서 대체되어 값을 국제 시스템의 단위로 변환합니다.

1. Giancoli, D. 2006. Physics : Principles with Applications. 여섯 번째 판. 프렌 티스 홀. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. 물리학 12. Pearson. 135-146.