FERROMAGNEETTISUUS: MATERIAALIT, SOVELLUKSET JA ESIMERKIT - FYYSINEN - 2026

Ferromagneettista on ominaisuus, joka antaa joidenkin aineiden voimakas ja pysyvä magneettinen vaste. Luonnossa on viisi elementtiä, joilla on tämä ominaisuus: rauta, koboltti, nikkeli, gadolinium ja dysprosium, jälkimmäiset harvinaiset maametallit.

Ulkoisen magneettikentän läsnä ollessa, kuten esimerkiksi luonnollisen magneettin tai sähkömagneetin tuottaman, aine reagoi ominaisella tavalla sisäisen konfiguraationsa mukaisesti. Suuruus, joka tämän vasteen kvantifioi on magneettinen läpäisevyys.

Magneetit muodostavat sillan. Lähde: Pixabay

Magneettinen läpäisevyys on mitaton määrä, joka annetaan materiaalin sisällä muodostetun magneettikentän voimakkuuden ja ulkoisesti kohdistetun magneettikentän voimakkuuden välisellä suhteella.

Kun tämä vastaus on paljon suurempi kuin yksi, materiaali luokitellaan ferromagneettiseksi. Toisaalta, jos läpäisevyys ei ole paljon suurempi kuin 1, magneettisen vasteen katsotaan olevan heikompi, ne ovat paramagneettisia materiaaleja.

Rauta magneettinen läpäisevyys on suuruusluokkaa 10 ⁴. Tämä tarkoittaa, että raudan sisällä oleva kenttä on noin 10 000 kertaa suurempi kuin ulkoisesti käytetty kenttä. Mikä antaa kuvan siitä, kuinka voimakas tämän mineraalin magneettinen vaste on.

Kuinka magneettinen vaste syntyy aineiden sisällä?

Magnetismin tiedetään olevan vaikutus, joka liittyy sähkövarausten liikkeeseen. Juuri siitä sähkövirta koostuu. Mistä sitten tulevat sen palkimagneetin magneettiset ominaisuudet, johon jääkaappiin on kiinnitetty nuotti?

Magneetin ja myös minkä tahansa muun aineen materiaalit sisältävät protoneja ja elektroneja, joilla on oma liike ja jotka tuottavat sähkövirtoja eri tavoin.

Hyvin yksinkertaistettu malli olettaa, että elektroni on ympyrämäisellä kiertoradalla ytimen ympärillä, joka koostuu protoneista ja neutroneista, muodostaen siten pienen virtaussilmukan. Jokainen silmukka liittyy vektorisuureisuuteen, jota kutsutaan "kiertoradan magneettiseksi momentiksi", jonka voimakkuuden antavat virran ja silmukan määrittämän alueen tulo: Bohr-magnetoni.

Tietysti tässä pienessä silmukassa virta riippuu elektronin varauksesta. Koska kaikissa aineissa on elektroneja sisätiloissaan, kaikilla on periaatteessa mahdollisuus ilmaista magneettisia ominaisuuksia. Kaikkia heistä ei kuitenkaan tehdä.

Tämä johtuu siitä, että sen magneettiset momentit eivät ole kohdistettu, vaan ne on järjestetty satunnaisesti sisälle siten, että sen makroskooppiset magneettiset vaikutukset häviävät.

Tarina ei lopu tähän. Ytimen ympärillä olevan elektroniliikkeen magneettinen momentti-tuote ei ole ainoa mahdollinen magneettilähde tässä mittakaavassa.

Elektronilla on eräänlainen pyörimisliike akselinsa ympäri. Se on vaikutus, joka kääntyy sisäiseksi kulmavirheeksi. Tätä ominaisuutta kutsutaan elektronin spiniksi.

Luonnollisesti siihen liittyy myös magneettinen momentti ja se on paljon vahvempi kuin kiertorata. Itse asiassa suurin vaikutus atomin nettomagneettiseen momenttiin on spinnin kautta, mutta molemmat magneettiset momentit: translaation plus sisäisen kulmaisen momentin oma, vaikuttavat atomin kokonaismagneettiseen momenttiin.

Nämä magneettiset momentit ovat ne, joilla on taipumus kohdistua ulkoisen magneettikentän ollessa läsnä. Ja he tekevät sen myös kenttien kanssa, jotka viereiset hetket ovat luoneet materiaalissa.

Nyt elektronit parittuvat yleensä atomeihin monien elektronien kanssa. Pari muodostuu vastakkaisella spinillä olevien elektronien väliin, mikä johtaa spin-magneettisen momentin purkautumiseen.

Ainoa tapa, jolla pyörähdys vaikuttaa kokonaismagneettiseen momenttiin, on, jos yksi niistä on pariton, toisin sanoen atomilla on pariton määrä elektroneja.

Entä protonien magneettinen momentti ytimessä? No, heillä on myös spin-momentti, mutta sen ei katsota edistävän merkittävästi atomin magneettisuutta. Tämä johtuu siitä, että spin-momentti on käänteisesti riippuvainen massasta ja protonin massa on paljon suurempi kuin elektronin.

Magneettiset domeenit

Raudan, koboltin ja nikkelin, suurten magneettinen vaste -elementtien triadissa, elektronien tuottama netto spin-momentti ei ole nolla.Näissä metalleissa 3D-kiertoradan elektronit, uloimmat, ovat jotka vaikuttavat nettomagneettiseen momenttiin. Siksi tällaisia ​​materiaaleja pidetään ferromagneettisina.

Tämä kunkin atomin yksilöllinen magneettinen momentti ei kuitenkaan riitä selittämään ferromagneettisten materiaalien käyttäytymistä.

Sisällä voimakkaasti magneettisia materiaaleja on alueita kutsutaan magneettisia domeeneja, joiden laajentaminen voi vaihdella välillä 10 ^-4 ja 10 ^-1 cm ja jotka sisältävät miljardeja atomeja. Näillä alueilla vierekkäisten atomien netto spin-momentit kytkeytyvät tiiviisti.

Kun magneettisilla domeeneilla varustettu materiaali lähestyy magneettia, domeenit kohdistuvat toisiinsa, tehostaen magneettista vaikutusta.

Se johtuu siitä, että verkkotunnuksilla, kuten palkkimagneeteilla, on magneettinavat, jotka on merkitty samalla tavalla pohjoiseen ja etelään, niin että kuten navat torjuvat ja vastakkaiset navat houkuttelevat.

Kun domeenit kohdistuvat ulkoiseen kenttään, materiaali lähettää halkeilevia ääniä, jotka voidaan kuulla asianmukaisella vahvistuksella.

Tämä vaikutus voidaan nähdä, kun magneetti houkuttelee pehmeitä rautakynttejä ja nämä puolestaan ​​käyttäytyvät kuin magneetit, jotka houkuttelevat muita nauloja.

Magneettiset domeenit eivät ole staattisia rajoja, jotka on määritetty materiaaliin. Sen kokoa voidaan muuttaa jäähdyttämällä tai kuumentamalla materiaalia ja altistamalla se myös ulkoisten magneettikenttien vaikutukselle.

Verkkotunnuksen kasvu ei ole kuitenkaan rajoittamaton. Sillä hetkellä, kun niitä ei ole enää mahdollista kohdistaa, sanotaan, että materiaalin kylläisyyspiste on saavutettu. Tämä vaikutus heijastuu alla olevissa hystereesikäyrissä.

Materiaalin kuumennus aiheuttaa magneettimomenttien suuntauksen menetyksen. Lämpötila, jossa magnetoituminen kokonaan menetetään, vaihtelee materiaalityypin mukaan, baarimagneetin tapauksessa se häviää yleensä noin 770 ºC: ssa.

Kun magneetti on irrotettu, kynsien magnetoituminen menetetään jatkuvan lämpösäristyksen vuoksi. Mutta on myös muita yhdisteitä, joilla on pysyvä magnetoituminen, koska niillä on spontaanisti kohdistettuja domeeneja.

Magneettisia alueita voidaan havaita, kun tasainen alue magnetoimattomasta ferromagneettisesta materiaalista, kuten pehmeä rauta, on hyvin leikattu ja kiillotettu. Kun tämä on tehty, se ripotellaan jauhe- tai hienoraudan kanssa.

Mikroskoopin alla havaitaan, että sirut on ryhmitelty mineraalien muodostaville alueille hyvin määritellyllä orientaatiolla, materiaalin magneettisten domeenien seurauksena.

Ero erilaisten magneettisten materiaalien käyttäytymisessä johtuu tavasta, jolla domeenit käyttäytyvät niissä.

Magneettinen hystereesi

Magneettinen hystereesi on ominaisuus, jota vain korkean magneettisen läpäisevyyden omaavilla materiaaleilla on. Sitä ei ole paramagneettisissa tai diamagneettisissa materiaaleissa.

Se edustaa sovelletun ulkoisen magneettikentän, jota merkitään nimellä H, vaikutusta ferromagneettisen metallin magneettiseen induktioon B magnetointi- ja demagnetointijakson aikana. Esitetyn kuvaajan nimi on hystereesi-käyrä.

Ferromagneettinen hystereesi jakso

Aluksi pisteessä O ei ole sovellettua kenttää H tai magneettista vastetta B, mutta kun H: n voimakkuus kasvaa, induktio B kasvaa asteittain, kunnes saavutetaan kyllästymisarvo B _s pisteessä A, jonka odotetaan.

Nyt H: n voimakkuus vähenee asteittain, kunnes se muuttuu nollaksi, jolloin saavutamme pisteen C, mutta materiaalin magneettinen vaste ei kuitenkaan katoa, pitäen yllä pysyvää magnetointia, joka on merkitty arvolla B _r. Se tarkoittaa, että prosessi ei ole palautuva.

Sieltä voimakkuus H kasvaa mutta käänteinen polariteetti (negatiivinen merkki), niin että jäännösmagnetismin magnetoinnin peruutetaan pisteessä D. tarvittava arvo H on merkitty H _c ja on nimeltään koersiivikentän.

H: n voimakkuus kasvaa, kunnes se saavuttaa jälleen kylläisyyden arvon pisteessä E, ja H: n voimakkuus heikkenee heti, kunnes se saavuttaa arvon 0, mutta jäljellä on jatkuva magnetoituminen, jonka polaarisuus on vastakkainen aiemmin kuvattuun, pisteessä F.

Nyt H: n napaisuus kääntyy uudelleen ja sen suuruutta lisätään, kunnes materiaalin magneettinen vaste pisteessä G. peruuntuu. Polun GA jälkeen sen kylläisyys saadaan uudelleen. Mutta mielenkiintoinen asia on, että et päässyt sinne alkuperäisellä reitillä, jonka osoittavat punaiset nuolet.

Magneettisesti kovat ja pehmeät materiaalit: sovellukset

Pehmeää rautaa on helpompi magnetoida kuin terästä, ja materiaalin napauttaminen helpottaa edelleen alueiden kohdistamista.

Kun materiaalia on helppo magnetoida ja demagnetoida, sen sanotaan olevan magneettisesti pehmeää, ja tietenkin, jos tapahtuu päinvastoin, se on magneettisesti kovaa materiaalia. Viimeksi mainitussa magneettiset domeenit ovat pieniä, kun taas ensimmäisissä ne ovat suuria, joten ne voidaan nähdä mikroskoopin kautta, kuten yllä on kuvattu.

Hystereesikäyrän sulkema alue on materiaalin magnetoimiseksi - magnetoimiseksi tarvittavan energian mitta. Kuvio näyttää kaksi hystereesikäyrää kahdelle eri materiaalille. Vasemmalla oleva on magneettisesti pehmeää, kun taas oikea vasemmalla on kova.

Pehmeä ferromagneettisesta materiaalista on pieni koersiivikentän H _c ja korkea, kapea hystereesikäyrän. Se on sopiva materiaali sijoitettavaksi sähkömuuntajan ytimeen. Esimerkkejä niistä ovat pehmeä rauta ja pii-rauta- ja rauta-nikkeliseokset, jotka ovat hyödyllisiä viestintälaitteissa.

Toisaalta, magneettisesti kovia materiaaleja on vaikea magnetoida, kun ne on magnetoitu, kuten tapahtuu alnoseoksilla (alumiini-nikkeli-koboltti) ja harvinaisilla maametalliseoksilla, joiden kanssa kestomagneetteja valmistetaan.

Viitteet

1. Eisberg, R. 1978. Kvantfysiikka. Limusa. 557 - 577.
2. Nuori, Hugh. 2016. Sears-Zemanskyn yliopistofysiikka modernin fysiikan kanssa. 14. toimittaja Pearson. 943.
3. Zapata, F. (2003). Guafita-kenttään (Apure State) kuuluvaan Guafita 8x -öljykaivoon liittyvien mineralogioiden tutkiminen Mossbauer-magneettisen herkkyyden ja spektroskopian mittauksilla. Opinnäytetyö. Venezuelan keskusyliopisto.