FEROMAGNETIZMUS: MATERIÁLY, APLIKÁCIE A PRÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Feromagnetizmus je vlastnosť, ktorá dáva určité látky intenzívne a permanentné magnetické odozvy. V prírode existuje päť prvkov s touto vlastnosťou: železo, kobalt, nikel, gadolínium a dysprosium, posledné vzácne zeminy.

V prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa, ako je pole vytvárané prírodným magnetom alebo elektromagnetom, látka reaguje charakteristickým spôsobom podľa svojej vnútornej konfigurácie. Veľkosť, ktorá kvantifikuje túto odpoveď, je magnetická permeabilita.

Magnety tvoriace most. Zdroj: Pixabay

Magnetická permeabilita je bezrozmerná veličina daná kvocientom medzi intenzitou magnetického poľa generovaného vo vnútri materiálu a intenzitou magnetického poľa aplikovaného zvonka.

Ak je táto odpoveď oveľa väčšia ako 1, materiál je klasifikovaný ako feromagnetický. Na druhej strane, ak priepustnosť nie je oveľa väčšia ako 1, magnetická odozva sa považuje za slabšiu, ide o paramagnetické materiály.

Železa magnetická permeabilita je rádovo 10 ⁴ . To znamená, že pole vo vnútri železa je asi 10 000 krát väčšie ako pole aplikované zvonka. Čo dáva predstavu o tom, aká silná je magnetická reakcia tohto minerálu.

Ako magnetická reakcia vzniká vo vnútri látok?

Je známe, že magnetizmus je efektom spojeným s pohybom elektrických nábojov. To je presne to, z čoho pozostáva elektrický prúd. Odkiaľ pochádzajú magnetické vlastnosti tyčového magnetu, s ktorým bola na chladničke nalepená nota?

Materiál magnetu a tiež akákoľvek iná látka obsahuje vnútri protóny a elektróny, ktoré majú svoj vlastný pohyb a rôznymi spôsobmi generujú elektrické prúdy.

Veľmi zjednodušený model predpokladá elektrón v kruhovej obežnej dráhe okolo jadra tvoreného protónmi a neutrónmi, čím vytvára malú slučku prúdu. Každá slučka je spojená s vektorovou veľkosťou nazývanou „orbitálny magnetický moment“, ktorej intenzita je daná súčinom prúdu a plochy určenej slučkou: Bohrovho magnetónu.

V tejto malej slučke samozrejme prúd závisí od náboja elektrónu. Pretože všetky látky obsahujú vo svojom vnútri elektróny, všetky majú v zásade možnosť vyjadriť magnetické vlastnosti. Avšak nie všetci.

Je to tak preto, že jeho magnetické momenty nie sú vo vnútri zarovnané, ale sú náhodne usporiadané vo vnútri tak, aby sa jeho makroskopické magnetické účinky vytratili.

Príbeh tu nekončí. Produkt magnetického momentu pohybu elektrónov okolo jadra nie je jediným možným zdrojom magnetizmu v tomto meradle.

Elektrón má nejaký rotačný pohyb okolo svojej osi. Je to účinok, ktorý sa premieta do vnútornej hybnej hybnosti. Táto vlastnosť sa nazýva elektrónová rotácia .

Prirodzene má tiež pridružený magnetický moment a je oveľa silnejší ako okružný moment. V skutočnosti najväčší príspevok k čistému magnetickému momentu atómu je cez spin, avšak oba magnetické momenty: translačný moment plus vnútorná uhlová hybnosť prispievajú k celkovému magnetickému momentu atómu.

Tieto magnetické momenty sú tie, ktoré majú tendenciu sa vyrovnávať v prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa. A robia to aj s poliami vytvorenými susednými momentmi v materiáli.

Teraz sa elektróny obvykle spájajú v atómoch s mnohými elektrónmi. Medzi elektrónmi sa tvoria páry s opačným spinom, čo vedie k tomu, že sa magnetický moment odstreďovania vytratí.

Jediným spôsobom, ako rotácia prispieva k celkovému magnetickému momentu, je, ak jeden je nepárovaný, to znamená, že atóm má nepárny počet elektrónov.

A čo magnetický moment protónov v jadre? Majú tiež rotačný moment, ale nepovažuje sa to za významný príspevok k magnetizmu atómu. Dôvodom je, že točivý moment je nepriamo závislý od hmotnosti a hmotnosť protónu je oveľa väčšia ako hmotnosť elektrónu.

Magnetické domény

V železe, kobalte a nikle, triáde prvkov s veľkou magnetickou odozvou, nie je čistý točivý moment vytváraný elektrónmi nula. V týchto kovoch sú elektróny v 3d orbitále, najvzdialenejšie, ktoré prispievajú k čistému magnetickému momentu. Preto sa také materiály považujú za feromagnetické.

Tento jednotlivý magnetický moment každého atómu však nestačí na vysvetlenie správania feromagnetických materiálov.

Vo vnútri silne magnetických materiálov sú oblasti nazývané magnetické domény , ktorých predĺženie sa môže meniť medzi 10 - ⁴ a 10 - ¹ cm a ktoré obsahujú miliardy atómov. V týchto oblastiach sa čisté spinové momenty susedných atómov pevne spoja.

Keď sa materiál s magnetickými doménami priblíži k magnetu, domény sa navzájom zarovnajú, čím sa zosilní magnetický efekt.

Je to z toho dôvodu, že oblasti, napríklad tyčové magnety, majú magnetické póly, ktoré sú rovnako označené ako sever a juh, takže priťahujú póly, ktoré odpudzujú a opačné póly.

Keď sa domény zarovnávajú s externým poľom, materiál vydáva krakovacie zvuky, ktoré sa dajú počuť vhodným zosilnením.

Tento efekt je viditeľný, keď magnet priťahuje mäkké železné nechty a tieto sa zase správajú ako magnety priťahujúce ďalšie nechty.

Magnetické domény nie sú statické hranice stanovené v materiáli. Jeho veľkosť môže byť modifikovaná ochladením alebo zahriatím materiálu a tiež vystavením pôsobeniu vonkajších magnetických polí.

Rast domény však nie je neobmedzený. V okamihu, keď už nie je možné ich zarovnávať, sa hovorí, že sa dosiahol bod nasýtenia materiálu. Tento efekt sa odráža v nižšie uvedených krivkách hysterézie.

Zahrievanie materiálu spôsobuje stratu vyrovnania magnetických momentov. Teplota, pri ktorej dôjde k úplnej strate magnetizácie, sa líši v závislosti od typu materiálu, pre tyčový magnet sa zvyčajne stratí pri približne 770 ° C.

Akonáhle je magnet odstránený, magnetizácia nechtov sa stratí v dôsledku teplotného miešania, ktoré je stále prítomné. Existujú však aj ďalšie zlúčeniny, ktoré majú permanentnú magnetizáciu, pretože majú spontánne zarovnané domény.

Magnetické domény možno pozorovať, keď je plochá oblasť nemagnetizovaného feromagnetického materiálu, ako je mäkké železo, veľmi dobre rezaná a leštená. Akonáhle je to hotové, je posypané práškom alebo práškom z jemného železa.

Pod mikroskopom sa pozoruje, že čipy sú zoskupené na minerálne formujúce oblasti s veľmi dobre definovanou orientáciou, sledujúc magnetické domény materiálu.

Rozdiel v správaní sa medzi rôznymi magnetickými materiálmi je spôsobený správaním domén v nich.

Magnetická hysteréza

Magnetická hysteréza je charakteristika, ktorú majú iba materiály s vysokou magnetickou permeabilitou. Nie je prítomný v paramagnetických alebo diamagnetických materiáloch.

Predstavuje účinok aplikovaného vonkajšieho magnetického poľa, ktoré sa označuje ako H, na magnetickú indukciu B feromagnetického kovu počas cyklu magnetizácie a demagnetizácie. Zobrazený graf sa nazýva hysterézna krivka.

Cyklus feromagnetickej hysterézy

Spočiatku v bode O žiadny aplikovanej poľa H alebo magnetické reakcie B , ale intenzita sa zvyšuje H , indukciu B sa zvyšuje postupne až do dosiahnutia nasýtenia veľkosť B _je v bode A, ktorý sa predpokladá.

Teraz intenzita H sa postupne znižoval , až sa stane 0, sa, že dosiahnutie bodu C, takže magnetická odozva materiálu nezmizne, zachovanie remanentnej magnetizácie indikovaná hodnota B _r . To znamená, že proces nie je reverzibilný.

Odtiaľ intenzite H zvyšuje, ale s opačnou polaritou (záporné znamienko), tak, že remanentnej magnetizácie je zrušená v bode D. potrebnej hodnota H je označené ako H _c a nazýva pole donucovacie .

Veľkosť H sa zvyšuje, až kým nedosiahne saturačnú hodnotu v E, a hneď sa intenzita H zníži, až kým nedosiahne 0, ale zostáva remanentná magnetizácia s polaritou opačnou oproti polarite opísanej v bode F.

Teraz je polarita H opäť obrátená a jej veľkosť sa zvyšuje, až kým sa nezruší magnetická odozva materiálu v bode G. Po ceste GA sa opäť dosiahne jej saturácia. Zaujímavé je, že ste sa tam nedostali pôvodnou cestou označenou červenými šípkami.

Magneticky tvrdé a mäkké materiály: aplikácie

Mäkké železo sa ľahšie magnetizuje ako oceľ a poklepávanie na materiál ďalej uľahčuje zarovnanie domén.

Keď je materiál ľahko magnetizovateľný a demagnetizovateľný, hovorí sa, že je magneticky mäkký , a samozrejme, ak sa stane opak, je to magneticky tvrdý materiál . V druhom prípade sú magnetické domény malé, zatiaľ čo v prvom prípade sú veľké, takže ich možno vidieť mikroskopom, ako je podrobne uvedené vyššie.

Oblasť ohraničená hysteréznou krivkou je mierou energie potrebnej na magnetizáciu - demagnetizáciu materiálu. Obrázok ukazuje dve hysterézne krivky pre dva rôzne materiály. Ten naľavo je magneticky mäkký, zatiaľ čo ten napravo je tvrdý.

Mäkký feromagnetického materiálu má malú koercitívna sily H _c a vysokú, úzku hysteréziou krivky. Je to vhodný materiál na umiestnenie do jadra elektrického transformátora. Ich príklady sú mäkké železo, kremík, železo a zliatiny železa a niklu, ktoré sú užitočné pre komunikačné zariadenia.

Na druhej strane je ťažké magneticky tvrdé materiály po magnetizácii ťažko odmagnetizovať, ako je to v prípade zliatin alnico (hliník-nikel-kobalt) a zliatin vzácnych zemín, pomocou ktorých sa vyrábajú permanentné magnety.

Referencie

1. Eisberg, R. 1978. Quantum Physics. Limusa. 557 -577.
2. Young, Hugh. 2016. Fyzika univerzity Sears-Zemansky s modernou fyzikou. 14. vydanie, Pearson. 943.
3. Zapata, F. (2003). Štúdium mineralogií spojených s ropným vrtom Guafita 8x patriacim do oblasti Guafita (Apure State) pomocou meraní magnetickej susceptibility a spektroskopie Mossbauer. Diplomová práca. Venezuelská centrálna univerzita.