FEROMAGNETIZAM: MATERIJALI, APLIKACIJE I PRIMJERI - FIZIČKA - 2024

Feromagnetizma je svojstvo koje daje neke tvari intenzivno i trajno magnetsko odgovor. U prirodi postoji pet elemenata s tim svojstvom: željezo, kobalt, nikal, gadolinij i disprozijum, potonja rijetka zemlja.

U prisutnosti vanjskog magnetskog polja, poput onoga koje proizvodi prirodni magnet ili elektromagnet, tvar reagira na karakterističan način, prema svojoj unutarnjoj konfiguraciji. Veličina koja kvantificira ovaj odgovor je magnetska propusnost.

Magneti koji tvore most. Izvor: Pixabay

Magnetska propusnost je bezdimenzionalna količina dana kvocijentom intenziteta magnetskog polja nastalog unutar materijala i intenziteta magnetskog polja spolja.

Kad je ovaj odgovor mnogo veći od 1, materijal se klasificira kao feromagnetski. S druge strane, ako propusnost nije mnogo veća od 1, magnetski odziv smatra se slabijim, to su paramagnetni materijali.

Kod željeza magnetska propusnost je reda 10 ⁴. To znači da je polje unutar željeza oko 10 000 puta veće od polja koje se primjenjuje izvana. Što daje predstavu koliko je snažan magnetski odgovor ovog minerala.

Kako magnetski odgovor nastaje unutar tvari?

Magnetizam je poznat kao učinak povezan s kretanjem električnih naboja. Od toga se sastoji električna struja. Odakle dolaze magnetska svojstva magnetne šipke s kojom je na hladnjaku zaglavljena nota?

Materijal magneta, kao i bilo koja druga supstanca, sadrži unutar protona i elektrona koji imaju svoje vlastito gibanje i stvaraju električne struje na različite načine.

Vrlo pojednostavljeni model pretpostavlja da je elektron u kružnoj orbiti oko jezgre sastavljen od protona i neutrona, stvarajući tako malenu petlju struje. Svaka petlja povezana je s vektorskom magnitudom koja se zove "orbitalni magnetski trenutak", čiji se intenzitet daje proizvodom struje i površinom koja je određena petljom: Bohrov magnet.

Naravno, u ovoj maloj petlji struja ovisi o naboju elektrona. Budući da sve tvari sadrže elektrone u svojoj unutrašnjosti, sve imaju u principu mogućnost ispoljavanja magnetskih svojstava. Međutim, ne rade svi.

To je zbog toga što se njegovi magnetski trenuci nisu poredani, već nasumično raspoređeni unutra, na takav način da se njeni makroskopski magnetski učinci ukidaju.

Priča se tu ne završava. Proizvod magnetskog momenta kretanja elektrona oko jezgre nije jedini mogući izvor magnetizma na ovoj ljestvici.

Elektroni imaju svojevrsno rotacijsko gibanje oko svoje osi. To je efekt koji se prevodi u intrinzični zamah zamaha. Ovo se svojstvo naziva spin elektrona.

Prirodno, ima i pridruženi magnetski trenutak i puno je jači od orbitalnog. U stvari, najveći doprinos neto magnetskom momentu atoma je kroz zavrtanje, no oba magnetska momenta: prijevod prijenosa i stvarni moment uglova doprinose ukupnom magnetskom momentu atoma.

Ovi magnetski trenuci su oni koji imaju tendenciju poravnanja u prisutnosti vanjskog magnetskog polja. A oni to rade i s poljima koja su stvorili susjedni trenuci u materijalu.

Sada se elektroni obično pare u atomima s mnogo elektrona. Parovi se formiraju između elektrona sa suprotnim spinom, što rezultira otpuštanjem magnetskog momenta spina.

Jedini način na koji spin doprinosi ukupnom magnetskom trenutku je ako jedan od njih nije uparen, to jest, atom ima neparan broj elektrona.

Što je sa magnetskim trenutkom protona u jezgri? Pa, oni također imaju moment okretanja, ali ne smatra se da značajno doprinose magnetizmu atoma. To je zato što je moment centrifuge obrnuto ovisan o masi i masa protona je puno veća od mase elektrona.

Magnetske domene

U željezu, kobaltu i niklu, trijadi elemenata s velikim magnetskim odzivom, neto centrifugirani moment koji stvaraju elektroni nije nula. U tim su metalima elektroni u 3d orbitali, najudaljeniji. koji doprinose neto magnetskom trenutku. Zato se takvi materijali smatraju feromagnetskim.

Međutim, ovaj pojedinačni magnetski trenutak svakog atoma nije dovoljan da objasni ponašanje feromagnetskih materijala.

Unutar snažno magnetskih materijala nalaze se regije nazvane magnetske domene, čije širenje može varirati između 10 ^-4 i 10 ^-1 cm i koje sadrže milijarde atoma. U tim regijama neto centrifužni trenuci susjednih atoma postaju čvrsto povezani.

Kad se materijal s magnetskim domenama približi magnetu, domene se poravnavaju jedna s drugom, pojačavajući magnetski učinak.

To je zbog toga što domene, poput barskih magneta, imaju magnetske stupove, jednako označene sa sjevera i juga, tako da se poput stupova odbijaju, a suprotni polovi privlače.

Kako se domene poravnavaju s vanjskim poljem, materijal emitira pukotine koje se mogu čuti odgovarajućim pojačanjem.

Taj se efekt može vidjeti kada magnet privlači meke željezne nokte i oni se zauzvrat ponašaju poput magneta koji privlače druge nokte.

Magnetske domene nisu statičke granice uspostavljene unutar materijala. Njegova se veličina može mijenjati hlađenjem ili zagrijavanjem materijala, a također i podvrgavanju djelovanju vanjskih magnetskih polja.

Međutim, rast domene nije neograničen. U trenutku kada ih više nije moguće poravnati, kaže se da je dosegnuta točka zasićenosti materijala. Taj se efekt ogleda u donjim krivuljama histereze.

Zagrijavanje materijala uzrokuje gubitak poravnanja magnetskih trenutaka. Temperatura na kojoj se magnetizacija potpuno gubi razlikuje se ovisno o vrsti materijala, jer se za barski magnet obično gubi na oko 770 ° C.

Jednom kada se magnet ukloni, magnetizacija noktiju se gubi zbog toplinskog miješanja koji je prisutan u svakom trenutku. Ali postoje i drugi spojevi koji imaju trajnu magnetizaciju jer imaju spontano poravnane domene.

Magnetske domene mogu se primijetiti kada je ravna površina nemagnetiziranog feromagnetskog materijala, poput mekog željeza, vrlo dobro izrezana i polirana. Nakon što je to učinjeno, posipa se prahom ili finim željeznim oblogama.

Pod mikroskopom se opaža da se strugotina grupira na područjima koja formiraju minerale s vrlo dobro definiranom orijentacijom, prateći magnetske domene materijala.

Razlika u ponašanju između različitih magnetskih materijala nastaje zbog načina na koji se domene ponašaju u njima.

Magnetska histereza

Magnetska histereza je karakteristika koju posjeduju samo materijali visoke magnetske propusnosti. Ne postoji u paramagnetnim ili dijamagnetskim materijalima.

Predstavlja učinak primijenjenog vanjskog magnetskog polja, koje je označeno kao H, na magnetsku indukciju B feromagnetskog metala tijekom ciklusa magnetizacije i demagnetizacije. Prikazani graf naziva se krivulja histereze.

Ciklus feromagnetske histereze

U početku u točki O nema primijenjenog polja H ili magnetskog odgovora B, ali kako intenzitet H raste, indukcija B progresivno raste sve do dostizanja veličine zasićenja B _s u točki A, što je i očekivano.

Sada se intenzitet H progresivno smanjuje sve dok ne postane 0, s tim da dosežemo točku C, međutim magnetski odziv materijala ne nestaje zadržavajući preostalo magnetiziranje označeno vrijednošću B _r. To znači da postupak nije reverzibilan.

Odatle se intenzitet H povećava, ali s obrnutim polaritetom (negativni znak), tako da se preostalo magnetiziranje otkazuje u točki D. Potrebna vrijednost H označava se kao H _c i naziva se polje prisile.

Veličina H povećava dok ne dosegne vrijednost zasićenja na E opet i odmah intenzitet H smanjuje sve dok ne dosegne 0, ali i dalje postoji zaostali magnetizacije s polaritet suprotan onome što je ranije opisano, u točki F.

Sada se polaritet H ponovo preokreće i njegova jačina se povećava sve dok se magnetski odgovor materijala u točki G. ne poništi. Slijedeći putanju GA ponovno se dobiva njegova zasićenost. Ali zanimljivo je da tamo niste stigli izvornom stazom naznačenom crvenim strelicama.

Magnetički tvrdi i meki materijali: aplikacije

Meko željezo je lakše namagnirati od čelika, a dodirivanjem materijala olakšava se poravnanje domena.

Kad se materijal lako magnetizira i demagnetizira, kaže se da je magnetsko mekan, a ako se dogodi obrnuto, to je magnetno tvrd materijal. U drugom su magnetske domene male, dok su u prvoj velike, pa ih se može vidjeti kroz mikroskop, kao što je detaljno opisano gore.

Područje zatvoreno krivuljom histereze mjeri energiju potrebnu za magnetiziranje - demagnetiziranje materijala. Na slici su prikazane dvije histerezijske krivulje za dva različita materijala. Onaj s lijeve strane je magnetsko mekan, dok je onaj s desne strane tvrd.

Mekani feromagnetski materijal ima malo koercivno polje H _c i visoku, usku krivulju histereze. Prikladan materijal za postavljanje u jezgru električnog transformatora. Primjeri za to su mekani željezo i silicijum-željezo i željezo-nikl, korisni za komunikacijsku opremu.

S druge strane, magnetno tvrde materijale je teško magnetizirati jednom magnetiziranim, kao što je slučaj sa alnico-legurama (aluminij-nikal-kobalt) i rijetkim zemljanim legurama s kojima su izrađeni trajni magneti.

Reference

1. Eisberg, R. 1978. Kvantna fizika. Limusa. 557 -577.
2. Mladi, Hugh. 2016. Sveučilišna fizika Sears-Zemansky s modernom fizikom. 14. izd. Pearson. 943.
3. Zapata, F. (2003). Proučavanje mineralogija povezanih s uljom bunara Guafita 8x koji pripada polju Guafita (stanje Apure) primjenom Mossbauerove magnetske osjetljivosti i spektroskopske mjere. Diplomski rad. Središnje sveučilište u Venezueli.