Materiały, aplikacje i przykłady ferromagnetyzmu

On Ferromagnetyzm Jest to właściwość, która nadaje niektórym substancjom intensywną i trwałą reakcję magnetyczną. W naturze istnieje pięć elementów z tą właściwością: żelazo, kobalt, nikiel, gadolinio i dyspozyto, te ostatnie rzadkie ziemię.

W obecności zewnętrznego pola magnetycznego, takiego jak to wytwarzane przez naturalny magnes lub elektromagnet, substancja reaguje w sposób charakterystyczny, zgodnie z konfiguracją wewnętrzną. Wielkość kwantyfikowania tej odpowiedzi jest przepuszczalność magnetyczna.

Magnesy tworzące most. Źródło: Pixabay

Przepuszczalność magnetyczna jest bezwymiarową ilością podaną przez iloraz między intensywnością pola magnetycznego wygenerowanego wewnątrz materiału a zewnętrznie zastosowanym polem magnetycznym.

Gdy ta odpowiedź jest znacznie większa niż 1, materiał jest klasyfikowany jako ferromagnetyczny. Z drugiej strony, jeśli przepuszczalność nie jest znacznie większa niż 1, uważa się, że odpowiedź magnetyczna jest słabsza, są to materiały paramagnetyczne.

W żelazie przepuszczalność magnetyczna jest rzędu 10⁴. Oznacza to, że pole wewnątrz żelaza jest około 10000 razy większe niż pole, które stosuje się zewnętrznie. Co daje wyobrażenie o silnej reakcji magnetycznej tego minerału.

[TOC]

Jak reakcja magnetyczna powstaje w substancjach?

Magnetyzm jest znany jest efektem związanym z ruchem ładunków elektrycznych. To jest dokładnie prąd elektryczny. Skąd pochodzą właściwości magnetyczne magnesu paska?

Materiał magnetyczny, a także każda inna substancja zawiera w środku protony i elektrony, które mają własny ruch i generują prądy elektryczne na kilka sposobów.

Bardzo uproszczony model przypuszcza elektron na orbicie okrągłej wokół jądra utworzonego przez protony i neutrony, tworząc w ten sposób niewielki spaz prądu prądu. Każda spaza wiąże się wielkością wektorową zwaną „orbitalną momentem magnetycznym”, którego intensywność jest podana przez iloczyn prądu i obszar określony przez pętlę: magneton Bohr.

Oczywiście w tym niewielkim poziomie prąd zależy od obciążenia elektronem. Ponieważ wszystkie substancje zawierają w środku elektrony, wszystkie mają możliwość wyrażania właściwości magnetycznych. Jednak nie wszyscy tak robią.

Jest tak, ponieważ ich momenty magnetyczne nie są wyrównane, ale losowo ułożone w środku, tak że ich efekty magnetyczne na poziomie makroskopowym są anulowane.

Historia nie kończy się tutaj. Produkt momentu magnetycznego ruchu elektronów wokół jądra nie jest jedynym możliwym źródłem magnetyzmu na tej skali.

Może ci służyć: astrofizyka: obiekt studiów, historia, teorie, gałęzie

Elektron ma rodzaj ruchu obrotowego wokół swojej osi. Jest to efekt, który przekłada się na wewnętrzny pęd kątowy. Ta właściwość nazywa się kręcić się elektronu.

Oczywiście ma również powiązany moment magnetyczny i jest znacznie bardziej intensywny niż moment orbity. W rzeczywistości największym wkładem w netto magnetycznym atomem jest spin, pomimo obu momentów magnetycznych: translacji plus wewnętrzny pęd kątowy, przyczynia się do całkowitego momentu magnetycznego atomu atomu.

Te momenty magnetyczne to te, które mają tendencję do wyrównania się w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. I robią to również z pólami stworzonymi przez sąsiednie momenty w materiale.

Teraz elektrony zwykle tworzą pary w atomach z wieloma elektronami. Pary powstają między elektronami z przeciwnym spinem, co skutkuje momentem magnetycznym Spin.

Jedynym sposobem, w jaki spin przyczynia się do całkowitego momentu magnetycznego, jest to, że ktoś jest zniknięty, to znaczy atom ma nieparzystą liczbę elektronów.

Warto zapytać, co jest w momencie magnetycznym protonów w jądrze. Ponieważ mają też czas spinowy, ale nie uważa się, aby znacząco przyczynić się do magnetyzmu atomu. Dzieje się tak, ponieważ moment spinu zależy odwrotnie od masy i masy protonu jest znacznie większa niż w przypadku elektronów.

Domeny magnetyczne

W żelaza, kobalcie i niklu triada pierwiastków o dużej reakcji magnetycznej, moment netto spinu wytwarzanego przez elektrony nie jest zerowy ... W tych metalach, elektrony na orbicie 3D, najbardziej zewnętrzny przyczynia się do momentu magnetycznego netto. Dlatego takie materiały są uważane za ferromagnetyczne.

Jednak ten indywidualny moment magnetyczny każdego atomu nie wystarczy, aby wyjaśnić zachowanie materiałów ferromagnetycznych.

Wewnątrz silnie magnetycznych materiałów są zwane regionami Domeny magnetyczne, którego rozszerzenie może wahać się od 10^-4 i 10^-1 CM i które zawierają miliardy atomów. W tych regionach momenty spinów netto sąsiednich atomów zarządzają.

Gdy domena magnetyczna zbliża się do magnesu, domeny są zgodne ze sobą, intensyfikując efekt magnetyczny.

Wynika to z faktu, że domeny, takie jak magnesy barowe, mają bieguny magnetyczne, równie oznaczone jak północ i południe, tak że równe bieguny odpychają i przeciwieństwa przyciągają.

Może ci służyć: propagacja dźwięku

Ponieważ domeny są zgodne z polem zewnętrznym, materiał emituje skrzypki, które można wysłuchać przez odpowiednią wzmocnienie.

Ten efekt można zobaczyć, gdy magnes przyciąga słodkie żelazne paznokcie, które z kolei zachowują się jak magnesy przyciągające inne paznokcie.

Domeny magnetyczne nie są granicami statycznymi ustalonymi w materiale. Jego rozmiar można modyfikować poprzez chłodzenie lub ogrzewanie materiału, a także poddanie działaniu zewnętrznych pól magnetycznych.

Jednak wzrost domeny nie jest nieograniczony. W momencie, gdy nie jest już możliwe ich wyrównanie, mówi się, że punkt nasycenia materiału został osiągnięty. Efekt ten znajduje odzwierciedlenie w krzywych histerezy, które pojawiają się później.

Ogrzewanie materiału powoduje utratę wyrównania momentów magnetycznych. Temperatura, w której magnetyzacja jest całkowicie utracona w zależności od rodzaju materiału, dla magnesu słupkowego około 770 ° C jest zwykle utracone.

Po usunięciu magnesu magnesowanie paznokci zostaje utracone z powodu obecnego mieszania termicznego przez cały czas. Ale istnieją inne związki, które mają stałe magnetyzację, ponieważ mają spontanicznie wyrównane domeny.

Domeny magnetyczne można zaobserwować, gdy płaski materiał ferromagnetyczny jest wycięty i wypolerowany bardzo dobrze. Gdy zostanie to posypane pyłami lub drobnymi żelaznymi plikami.

Pod mikroskopem obserwuje się, że układy są pogrupowane w regionach tworzących minerały o bardzo dobrze określonej orientacji, zgodnie z domenami magnetycznymi materiału.

Różnica zachowań między różnymi materiałami magnetycznymi wynika ze sposobu, w jaki zachowane są domeny.

Histereza magnetyczna

Histereza magnetyczna jest cechą, którą mają tylko materiały o wysokiej przepuszczalności magnetycznej. Nie prezentuj materiałów paramagnetycznych lub diamagnetycznych.

Reprezentuje efekt zastosowanego zewnętrznego pola magnetycznego, które jest oznaczone jako H O indukcji magnetycznej B metalu ferromagnetycznego podczas cyklu Imanacji i Desimanacji. Pokazany wykres ma nazwę krzywej histerezy.

Ferromagnetyczny cykl histerezy

Początkowo w punkcie lub nie ma pola stosowanego H Brak odpowiedzi magnetycznej B, ale jako intensywność H, Wprowadzenie B wzrasta stopniowo, aż osiągnie wielkość nasycenia B_S W punkcie A, który jest oczekiwany.

Teraz intensywność H Dopóki nie zostanie to osiągnięte, po osiągnięciu punktu C, jednak reakcja magnetyczna materiału nie znika, zachowując pozostałe magnetyzacja wskazane przez wartość B_R. Oznacza, że ​​proces nie jest odwracalny.

Może ci służyć: elektrodynamika

Stamtąd intensywność H Zwiększyć, ale wraz z odwróconą polaryzmem (znak ujemny), tak że pozostałe magnetyzacja jest unieważnione w punkcie D. Niezbędna wartość H Jest oznaczony jako H_C i otrzymuj nazwę pole przymusowe.

Wielkość H wzrasta do wartości nasycenia w E i natychmiastowej intensywności H Zmniejsza się, aż osiągnie 0, ale pozostałe magnetyzacja z biegunowością przeciwną do opisanej powyżej, w punkcie F.

Teraz biegunowość H Ponownie i jego wielkość jest zwiększona w celu anulowania reakcji magnetycznej materiału w punkcie g. Po drodze jego nasycenie znów się pojawia. Ale interesujące jest to, że nie dotarła tam na oryginalną drogę wskazaną przez czerwone strzały.

Magnetycznie twarde i miękkie materiały: Zastosowania

Słodkie żelazo jest łatwiejsze do magnetyzowania niż stal i stukanie materiału, wyrównanie domen jest dalej ułatwione.

Gdy materiał jest łatwy do magnetyzowania i złożenia, mówi się, że tak jest magnetycznie miękki, I oczywiście, jeśli dzieje się odwrotnie, jest materiałem magnetycznie twardy. W tym drugim domeny magnetyczne są małe, podczas gdy w pierwszej są one duże, więc można je zobaczyć za pomocą mikroskopu, jak szczegółowo opisano powyżej.

Obszar zamknięty przez krzywą histerezy jest miarą energii niezbędnej do magnetyzacji - Złóż materiał. Na rysunku doceniane są dwa krzywe histerezy dla dwóch różnych materiałów. Ten po lewej jest magnetycznie miękki, a ten po prawej stronie jest twardy.

Miękki materiał ferromagnetyczny ma pole przymusowe H_C mała i wąska i wysoka krzywa histerezy. Jest to odpowiedni materiał do umieszczenia go w jądrze transformatora elektrycznego. Przykładem są słodkie stopy żelaza i krzemowe i żelazo-nickel, przydatne do urządzeń komunikacyjnych.

Z drugiej strony, magnetycznie twarde materiały są trudne do zniesienia, jakkolwiek wyobrażone, jak w przypadku stopów Alnico (aluminium-nickel-colto) i stopów ziem rzadkich, z którymi produkowane są magnesy stałe.

Bibliografia

1. Eisberg, r. 1978.  Fizyka kwantowa.  Limusa. 557 -577.
2. Młody, Hugh. 2016. Sears-Zansky's University Physics z nowoczesną fizyką. 14. edycja. osoba. 943.
3. Zapata, f. (2003). Badanie mineralogii związanych z odwiertem oleju gufita 8x należącym do guafita campo (stan apure) poprzez pomiary wrażliwości magnetycznej i mossbauer. Praca dyplomowa. Central University of Wenezuela.