Magnetiese dipool

'n Magnetiese dipool is die eenvoudigste vorm waarin magnetisme optree wat waargeneem kan word. Alle minder eenvoudige magnetiese strukture kan uit dipole opgebou word.

Afwesigheid van magnetiese monopole

Magnetiese veldlyne het geen einde nie. In teenstelling tot elektriese velde is die magneetveld en sy veldlyne bronvry. Mens kan dit ook matematies formuleer en sê die divergensie van die magnetiese vektorveld is nul.

Daar word nogtans dikwels gespekuleer oor die bestaan van magnetiese monopole, wat met elektriese ladings -die bronne van die elektriese veld- sou ooreenkom, maar hulle is nooit aangetref nie. Daar is nogtans ook geen fundamentale redes waarom hulle nie sou kon bestaan nie, en daar is teorieë wat probeer die natuurkragte in een teorieë saam te vat wat wel voorspel dat hulle moet bestaan. Die enigste waarnemings wat in vastestowwe iets getoon het wat as monopool gesien kan word, is altyd dieselfde getal noord- as suipole aangetref. Indien daar geprobeer word om hulle van mekaar te skei, word daartussen altyd weer 'n suid- en 'n noordpool geskep.

Voorkoms en betekenis van magnetiese dipole

Magnetiese veldlyne wat deur 'n elektriese kringstroom opgewek word.

Volgens die klassieke Elektrodinamika kan 'n magnetiese dipoolveld deur 'n elektrise kringstroom veroorsaak word, wat rondom 'n oppervlak ${\vec {\Omega }}$ vloei. Sy magnetiese dipoolmoment ${\vec {\mu }}$ is:

${\vec {\mu }}=I{\vec {\Omega }}$

Alle elementêre deeltjies wat tot dusver bekend is en wat 'n lading en 'n draaimoment besit (spin) wek ook 'n magnetiese veld op en besit dus 'n magnetiese dipool. Die dipool se grootte hang van die soort deeltjie af. Dit geld vir quarks asook vir elektrone en baie atoomkerne.

Indien hierdie deeltjies in 'n uitwendige magneetveld gevoer word, kan hulle net 'n paar energietoestande aanneem waarby hulle 'n bepaalde presessie-beweging om die rigting van die magneetveld uitvoer. Hierdie eienskap word gebruik in die kernspinresonansie wat vandag ook belangrike mediese aanwendings het soos MRI.

Dipole se veld

'n Magnetiese dipool wek 'n magnetiese veld op. Op 'n plek ${\vec {r}}$ effens verder weg van die dipool is die magnetiese fluksdigtheid:

${\vec {B}}({\vec {r}})\,=\,{\frac {\mu _{0}}{4\pi r^{2}}}\,{\frac {3{\vec {r}}({\vec {\mu }}\cdot {\vec {r}})-{\vec {\mu }}r^{2}}{r^{3}}}\ .$

$r$ is die grootte $|{\vec {r}}|$ van ${\vec {r}}$, $\mu _{0}$ is de magnetiese veldkonstante en $4\pi r^{2}$ is die oppervlakte van die sfeer op afstand $r$.

Hierdie formule geld onafhanklik van die grootte of vorm van die stroomkring, die magneetspoel, die staafmagneet of van die atoom, solank $r$ groot genoeg is. Diese Formel gilt unabhängig von der Form und der Größe der Stromschleife, der Magnetspule, des Stabmagneten oder des Atoms, wenn $r$ groß gegenüber deren räumlicher Ausdehnung ist.

'n uitwendige magnetiese veld ${\vec {B}}$ oefen op die dipool 'n wringkrag uit:

${\vec {M}}={\vec {\mu }}\times {\vec {B}},$

en die dipool besit 'n potensiële energie wat afhanklik is van die hoek watter hoek dit met die veldrigting vorm:

$E_{\mathrm {pot} }=-{\vec {\mu }}\cdot {\vec {B}}.$

Indien die veld inhomogeen is, word die krag in eerste benadering:

${\vec {F}}=\left({\vec {\nabla }}\otimes {\vec {B}}\right){\vec {\mu }}$

waar die Nabla-operator $\nabla$ gebruik word.

Die magnetiese eienskappe van 'n stuk materiaal word deur sy magnetiese dipole bepaal. Indien die stof geen atome met spins bevat sal diamagnetisme optree. Indien daar spins teenwoordig is maar hulle is ewekansig verdeel tree paramagnetisme op. Indien die spins aan mekaar gekoppel is kan ferro- antiferro- of ferrimagnetisme optree.

Verwysings

Hierdie artikel is (gedeeltelik) vertaal uit die Duitse Wikipedia. Sien bron.

Literatuur

• Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main, 2000, ISBN 3-8171-1628-4.

Eksterne skakels

• Magnetische Monopole in magnetischem Festkörper entdeckt. Geargiveer 20 Desember 2015 op Wayback Machine helmholtz-berlin.de, 2009 (de)
• Mini-Magnetwirbel als Speicher der Zukunft? Magnetische Wirbel können verschoben und manipuliert werden. scinexx.de, 2013 (de)