FERROMAGNETYZM: MATERIAŁY, ZASTOSOWANIA I PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2025

Ferromagnetyzm jest nieruchomość, która daje niektórych substancji aktywnej i stałej odpowiedzi magnetycznego. W naturze występuje pięć pierwiastków o tej właściwości: żelazo, kobalt, nikiel, gadolin i dysproz, te ostatnie metale ziem rzadkich.

W obecności zewnętrznego pola magnetycznego, takiego jak wytwarzane przez naturalny magnes lub elektromagnes, substancja reaguje w charakterystyczny sposób, zgodnie z jej wewnętrzną konfiguracją. Wielkość, która określa ilościowo tę odpowiedź, to przenikalność magnetyczna.

Magnesy tworzące mostek. Źródło: Pixabay

Przenikalność magnetyczna to bezwymiarowa wielkość wyrażona jako iloraz natężenia pola magnetycznego wytwarzanego wewnątrz materiału i pola magnetycznego przyłożonego zewnętrznie.

Kiedy ta odpowiedź jest znacznie większa niż 1, materiał jest klasyfikowany jako ferromagnetyczny. Z drugiej strony, jeśli przepuszczalność nie jest dużo większa niż 1, odpowiedź magnetyczna jest uważana za słabszą, są to materiały paramagnetyczne.

W żelazo przenikalność magnetyczna jest rzędu 10 ⁴ . Oznacza to, że pole wewnątrz żelazka jest około 10 000 razy większe niż pole zastosowane zewnętrznie. Co daje wyobrażenie o tym, jak silna jest odpowiedź magnetyczna tego minerału.

Jak powstaje odpowiedź magnetyczna wewnątrz substancji?

Wiadomo, że magnetyzm jest efektem związanym z ruchem ładunków elektrycznych. To jest dokładnie to, z czego składa się prąd elektryczny. Skąd więc biorą się właściwości magnetyczne magnesu sztabkowego, którym przyczepiono notatkę do lodówki?

Materiał magnesu, a także każda inna substancja, zawiera wewnątrz protony i elektrony, które poruszają się własnym ruchem i na różne sposoby generują prądy elektryczne.

Bardzo uproszczony model zakłada, że ​​elektron krąży po kołowej orbicie wokół jądra złożonego z protonów i neutronów, tworząc w ten sposób małą pętlę prądu. Każda pętla jest powiązana z wielkością wektorową zwaną „orbitalnym momentem magnetycznym”, którego natężenie jest wynikiem iloczynu prądu i obszaru wyznaczonego przez pętlę: magneton Bohra.

Oczywiście w tej małej pętli prąd zależy od ładunku elektronu. Ponieważ wszystkie substancje zawierają w swoim wnętrzu elektrony, wszystkie mają w zasadzie możliwość wyrażania właściwości magnetycznych. Jednak nie wszystkie z nich to robią.

Dzieje się tak, ponieważ momenty magnetyczne nie są wyrównane, ale są rozmieszczone losowo wewnątrz, tak że jego makroskopowe efekty magnetyczne znoszą się.

Historia się nie kończy. Iloczyn momentu magnetycznego ruchu elektronu wokół jądra nie jest jedynym możliwym źródłem magnetyzmu w tej skali.

Elektron ma pewien rodzaj ruchu obrotowego wokół własnej osi. Jest to efekt, który przekłada się na wewnętrzny moment pędu. Ta właściwość nazywa się spinem elektronu.

Naturalnie wiąże się również z momentem magnetycznym i jest znacznie silniejszy niż moment orbitalny. W rzeczywistości największy wkład w moment magnetyczny netto atomu ma spin, jednak oba momenty magnetyczne: przesunięcia i momentu wewnętrznego pędu, przyczyniają się do całkowitego momentu magnetycznego atomu.

Te momenty magnetyczne są tymi, które mają tendencję do wyrównania się w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Robią to również z polami utworzonymi przez sąsiednie momenty w materiale.

Teraz elektrony zwykle łączą się w pary w atomach z wieloma elektronami. Pary powstają między elektronami o przeciwnym spinie, co powoduje zanikanie momentu magnetycznego spinu.

Jedynym sposobem, w jaki spin przyczynia się do całkowitego momentu magnetycznego, jest niesparowanie jednego z nich, to znaczy atom ma nieparzystą liczbę elektronów.

A co z momentem magnetycznym protonów w jądrze? Cóż, mają również moment obrotowy, ale nie uważa się, że przyczynia się on znacząco do magnetyzmu atomu. Dzieje się tak, ponieważ moment spinowy jest odwrotnie zależny od masy, a masa protonu jest znacznie większa niż elektronu.

Domeny magnetyczne

W żelazie, kobalcie i niklu, triadzie pierwiastków o dużej odpowiedzi magnetycznej, moment spinowy netto wytwarzany przez elektrony nie jest równy zeru. które przyczyniają się do momentu magnetycznego netto. Dlatego takie materiały są uważane za ferromagnetyczne.

Jednak ten indywidualny moment magnetyczny każdego atomu nie wystarczy do wyjaśnienia zachowania materiałów ferromagnetycznych.

Wewnątrz materiałów silnie magnetycznych znajdują się obszary zwane domenami magnetycznymi , których zasięg może wahać się od ^10-4 do ^10-1 cm i które zawierają miliardy atomów. W tych regionach momenty spinu netto sąsiednich atomów stają się ściśle powiązane.

Kiedy materiał z domenami magnetycznymi zbliża się do magnesu, domeny te ustawiają się w jednej linii, intensyfikując efekt magnetyczny.

Dzieje się tak, ponieważ domeny, podobnie jak magnesy sztabkowe, mają bieguny magnetyczne, jednakowo oznaczone jako północ i południe, takie, że podobne bieguny odpychają się, a przeciwne przyciągają.

Gdy domeny wyrównują się z polem zewnętrznym, materiał emituje pękające dźwięki, które można usłyszeć przy odpowiednim wzmocnieniu.

Efekt ten można zauważyć, gdy magnes przyciąga gwoździe z miękkiego żelaza, a te z kolei zachowują się jak magnesy przyciągające inne paznokcie.

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

Jednak wzrost domeny nie jest nieograniczony. W momencie, gdy nie można ich już wyrównać, mówi się, że osiągnięto punkt nasycenia materiału. Efekt ten znajduje odzwierciedlenie w poniższych krzywych histerezy.

Nagrzewanie materiału powoduje utratę wyrównania momentów magnetycznych. Temperatura, w której następuje całkowita utrata magnetyzacji, różni się w zależności od rodzaju materiału, w przypadku magnesu sztabkowego zwykle traci ona około 770ºC.

Po usunięciu magnesu magnesowanie paznokci zostaje utracone z powodu ciągłego mieszania termicznego. Ale są też inne związki, które mają trwałe namagnesowanie, ponieważ mają spontanicznie wyrównane domeny.

Domeny magnetyczne można zaobserwować, gdy płaski obszar niemagnesowanego materiału ferromagnetycznego, takiego jak miękkie żelazo, jest bardzo dobrze wycięty i wypolerowany. Po wykonaniu tej czynności posypuje się go proszkiem lub drobnymi opiłkami żelaza.

Pod mikroskopem obserwuje się, że wióry są zgrupowane na obszarach tworzących minerały o bardzo dobrze określonej orientacji, podążając za domenami magnetycznymi materiału.

Różnica w zachowaniu między różnymi materiałami magnetycznymi wynika ze sposobu, w jaki zachowują się w nich domeny.

Histereza magnetyczna

Histereza magnetyczna jest cechą, którą posiadają tylko materiały o wysokiej przenikalności magnetycznej. Nie występuje w materiałach paramagnetycznych lub diamagnetycznych.

Reprezentuje wpływ przyłożonego zewnętrznego pola magnetycznego, oznaczonego jako H, na indukcję magnetyczną B metalu ferromagnetycznego podczas cyklu namagnesowania i rozmagnesowania. Pokazany wykres nazywa się krzywą histerezy.

Cykl histerezy ferromagnetycznej

Początkowo w punkcie O nie ma przyłożonego pola H lub odpowiedzi magnetycznej B , ale intensywności wzrostu H , indukcja B zwiększa się stopniowo, aż do uzyskania nasycenia wielkość B _y w punkcie A, który ma.

Teraz intensywność H jest stopniowo zmniejszana, aż osiągnie wartość 0, tym samym dochodzimy do punktu C, jednak reakcja magnetyczna materiału nie zanika, zachowując pozostałą magnetyzację wskazywaną przez wartość B _r . Oznacza to, że proces ten jest nieodwracalny.

Stamtąd intensywność H wzrasta, ale z odwróconą polaryzacją (znak ujemny), tak że remanentne namagnesowanie jest anulowane w punkcie D. Niezbędna wartość H jest oznaczana jako H _c i nazywana jest polem koercyjnym .

Wielkość H rośnie, aż ponownie osiągnie wartość nasycenia w E i natychmiast intensywność H spada, aż osiągnie 0, ale pozostaje namagnesowanie resztkowe o biegunowości przeciwnej do opisanej wcześniej w punkcie F.

Teraz ponownie odwraca się biegunowość H i zwiększa się jego wielkość, aż do zniesienia odpowiedzi magnetycznej materiału w punkcie G. Podążając ścieżką GA ponownie uzyskuje się jego nasycenie. Ciekawostką jest jednak to, że nie dotarłeś tam oryginalną ścieżką oznaczoną czerwonymi strzałkami.

Materiały magnetycznie twarde i miękkie: zastosowania

Miękkie żelazo jest łatwiejsze do namagnesowania niż stal, a stukanie w materiał dodatkowo ułatwia wyrównanie domen.

Kiedy materiał jest łatwy do namagnesowania i rozmagnesowania, mówi się, że jest magnetycznie miękki , a oczywiście, jeśli dzieje się odwrotnie, jest to materiał magnetycznie twardy . W tym drugim przypadku domeny magnetyczne są małe, podczas gdy w pierwszym są duże, więc można je zobaczyć pod mikroskopem, jak opisano szczegółowo powyżej.

Obszar objęty krzywą histerezy jest miarą energii potrzebnej do namagnesowania - rozmagnesowania materiału. Rysunek przedstawia dwie krzywe histerezy dla dwóch różnych materiałów. Ta po lewej jest magnetycznie miękka, a ta po prawej jest twarda.

Miękki materiał ferromagnetyczny ma małe pole koercyjne H _c i wysoką, wąską krzywą histerezy. Jest to odpowiedni materiał do umieszczenia w rdzeniu transformatora elektrycznego. Przykładami są miękkie żelazo oraz stopy krzemowo-żelazowe i żelazowo-niklowe, przydatne w sprzęcie komunikacyjnym.

Z drugiej strony, magnetycznie twarde materiały są trudne do rozmagnesowania po namagnesowaniu, jak ma to miejsce w przypadku stopów alniko (aluminium-nikiel-kobalt) i stopów ziem rzadkich, z których wykonane są magnesy trwałe.

Bibliografia

1. Eisberg, R. 1978. Fizyka kwantowa. Limusa. 557-577.
2. Młody, Hugh. 2016. Fizyka uniwersytecka Sears-Zemansky'ego z fizyką współczesną. 14. wyd. Pearson. 943.
3. Zapata, F. (2003). Badanie mineralogii związanych z odwiertem naftowym Guafita 8x należącym do pola Guafita (stan Apure) z wykorzystaniem pomiarów podatności magnetycznej i spektroskopii Mossbauera. Praca dyplomowa. Centralny Uniwersytet Wenezueli.